一種深槽側氧調製的平面型絕緣柵雙極型電晶體的製作方法

2023-09-18 06:08:25 1

專利名稱：一種深槽側氧調製的平面型絕緣柵雙極型電晶體的製作方法
技術領域：
本發明屬於半導體功率器件技術領域，涉及平面型絕緣柵雙極型電晶體。
背景技術：
絕緣柵雙極型電晶體，是目前發展最快的一種混合型電力電子器件。它具有 MOSFET的輸入阻抗高、控制功率小、驅動電路簡單、開關速度高的優點，又具有雙極功率電晶體的電流密度大、飽和壓降低、電流處理能力強的優點。廣泛應用於電磁爐、UPS不間斷電源、汽車電子點火器、三相電動機變頻器、電焊機開關電源等產品中作為功率開關管或功率輸出管。80年代初研究成功並投產的絕緣柵雙極型電晶體是非透明集電區穿通型絕緣柵雙極型電晶體，今天簡稱為穿通型絕緣柵雙極型電晶體，其結構如圖1所示，它是在高濃度的P+襯底13上依次外延N型緩衝層14、N—基區3後製造成的絕緣柵雙極型電晶體結構。 由於存在N型緩衝層14，正向阻斷時電場在N型緩衝層14中將得到終止，從而形成一個梯形的電場分布，故可利用較薄的N—基區即可得到較高的擊穿電壓，有利於降低飽和壓降，從而降低靜態功耗，但是由於P+襯底相對較厚，濃度很高，使得背發射結的注入效率很高，關斷時電子基本不能從背發射區流出，只能在基區的複合消失，導致其關斷時間很長，增大了開關損耗。為了改善其開關特性，必須控制少子壽命，現已已採用諸如電子輻照、氦離子注入的方法降低少子壽命的技術，也有人用摻入重金屬元素控制少子壽命的技術。但是，電子輻照、氦離子注入的方法不是VLSI (超大規模集成電路)的標準工藝，重金屬摻雜又會帶來交叉汙染的風險。此外，這些方法又會導致導通壓降成負溫係數，這種導通壓降的負溫係數特性不利於絕緣柵雙極型電晶體的並聯使用，因為如果其中一支絕緣柵雙極型電晶體的電流偏大一些，熱電正反饋效應會使電流越來越集中在這支絕緣柵雙極型電晶體中，使其溫度越來越高，最終導致器件燒毀。此外少子壽命的減小，會導致正向飽和壓降增大，這些都會對性能控制和製造工藝帶來一定難度。而且，隨著器件耐壓幅度的提高，所需外延層越厚，這使得製造成本大大增加。針對穿通型絕緣柵雙極型電晶體的缺點，人們開發了非穿通型絕緣柵雙極型電晶體，其結構如圖2所示。它最主要的變革是採用了高電阻率的FZ (區熔)單晶替換昂貴的外延片，晶體完整性和均勻性得到充分滿足，使用背注工藝降低了 P區發射效率和厚度。這一般稱之為「透明集電區」，採用此技術，可以使得絕緣柵雙極型電晶體在關斷時，N型基區的大量過剩電子可以以擴散的方式穿透極薄的P區，而達到快速關斷的效果。由於採用了透明集電區技術，使得非穿通型絕緣柵雙極型電晶體與穿通型絕緣柵雙極型電晶體相比，具有以下主要性能特點導通壓降呈正溫度係數，功耗和電流拖尾隨溫度的變化小；由於對縱向PNP的發射效率有所降低和控制，明顯改善了關斷的延遲；因不用外延片和壽命控制技術而降低成本。自非穿通型絕緣柵雙極型電晶體發明以來，以後出現的絕緣柵雙極型電晶體基本都採用透明集電區技術。但是，非穿通型絕緣柵雙極型電晶體的實際關斷損耗要比由通常所定義的關斷損耗所得的計算值要大得多。文獻 J. Yamashita,T. Yamada,S. Uchida,H. Yamaguchiand S.Ishizawa, 「 A Relation betweenDynamic Saturation Characteristics and Tail Current ofNon-Punchthrough IGBT", ConfRec. of31st IAS Annual Meeting, vol. 3, pp. 1425-1432，1996 指出，計算上集電極額定電流10%以下的拖尾電流(幾十微秒)所產生的損耗，非穿通型絕緣柵雙極型電晶體的實際關斷損耗要比根據一般意義上定義的關斷損耗的計算值大2-3倍，這主要是由於非穿通型絕緣柵雙極型電晶體的基區太厚造成的。另一方面，非穿通型絕緣柵雙極型電晶體在採用透明集電區技術提高開關速度的同時，由於沒有了 N型緩衝層，電場將終止於基區，從而形成一個三角形的電場分布，故為了保證耐壓必須採用相對較寬的N_基區，導致飽和壓降增大，也就增加了靜態損耗。為了降低靜態損耗，人們開發出了具有N型電場阻止層的透明集電極絕緣柵雙極型電晶體。N型電場阻止層能夠使得電場在N型阻止層中快速下降為零，使N型基區中的電場為梯形分布，從而減小了透明集電極絕緣柵雙極型電晶體的N 型基區厚度，降低了靜態損耗。為了進一步降低絕緣柵雙極型電晶體的損耗，人們結合超結理論又開發出了超結絕緣柵雙極型電晶體(SJ-IGBT)，如圖3所示。利用電荷補償原理，在 P型基區下方引入直接延伸到N型緩衝層的P-pillar，使得在器件阻斷狀態下N-Pillar和 P-Pillar完全耗盡，從而在實現高耐壓的同時可以提高N型基區的摻雜濃度，降低靜態損害。但是，此種結構工藝難度和成本高，且動態雪崩能力差。為此，人們又提出了半超結絕緣柵雙極型電晶體(Semi-SJ-IGBT)，如圖4所示。此種結構減短了 N-pillar和P-pillar的長度，並且在其下用N—基區來代替。此種結構可以減少一步外延生長和離子注入的工序從而降低工藝難度和成本，並且實現了軟關斷，提高了抗動態雪崩擊穿能力，並在一定程度上實現了通態壓降和阻斷電壓的更好折衷。但是這種結構上部仍為超結器件結構，要精確的控制pillar的摻雜濃度和寬長比來實現電荷補償，這對工藝要求高且需要更多的熱過程。

發明內容
本發明提供一種深槽側氧調製的平面型絕緣柵雙極型電晶體，它具有深槽體電極結構，可以獲得更大的擊穿電壓和更低的Vce-on。與傳統的非穿通型絕緣柵雙極型電晶體相比，擊穿電壓得到了明顯提高；在相同的電流密度下，正嚮導通壓降得到了明顯的減小。本發明提供的深槽側氧調製的平面型絕緣柵雙極型電晶體，通過深槽體電極結構的引入，引入了一個額外的電場，幫助橫向耗盡N-pillar，從而在相同的耐壓下可以提高 N-pillar的摻雜濃度，進而降低了正嚮導通時的通態壓降。並且在體電極上施加一定的正向電壓，可以在器件頂部產生一個和原電場方向相反的逆向電場，降低原峰值電場，使得器件擊穿電壓提高。深槽體電極結構下方引入的P型浮空層，可以有效防止深槽底部的電場集中。在器件正嚮導通時，優化體電極一側的正向電壓，可以在厚氧化層一側形成電子積累層，為電流提供了一個低阻抗的通道，降低了 Vce-on。此外，器件底部採用較N-pillar摻雜濃度低的N型基區，可以實現器件較軟的反向恢復特性，提高抗動態雪崩擊穿能力。此器件實現電荷平衡無需多步離子注入及多步外延工藝，降低了工藝的複雜性和工藝成本。本發明技術方案如下—種深槽側氧調製的平面型絕緣柵雙極型電晶體，其基本結構如圖5所示，包括金屬化集電極1、P型集電區2、N_基區3、P+體區4、P型基區5、N+源區6、多晶矽柵電極7、 二氧化矽柵氧化層8、金屬化發射極9、N型電場阻止層15、N型摻雜柱區(N-pillar) 17和深槽體電極結構18。金屬化集電極1位於P型集電區2的背面，P型集電區2的正面是N型電場阻止層15，N型電場阻止層15的上面是N_基區3，N_基區3的上面是N型摻雜柱區 17，N+源區6和P+體區4並排位於金屬化發射極9下方、且與金屬化發射極9相連，其中P+ 體區4下方直接與N型摻雜柱區17相連，而N+源區6與N型摻雜柱區17之間間隔著P型基區5 ；二氧化矽柵氧化層8位於N型摻雜柱區17、P型基區5和部分N+源區6三者的表面，平面型多晶矽柵電極7位於二氧化矽柵氧化層8表面、且居於金屬化發射極9的一側； 在基區3上方、且居於N型摻雜柱區17側面的區域還具有深槽體電極結構18。所述深槽體電極結構18由P型浮空層10、深槽二氧化矽氧化層11和深槽體電極12構成；其中所述P型浮空層10位於深槽二氧化矽氧化層11下方，其側面與N型摻雜柱區17接觸，其下方與N_基區3接觸；所述深槽二氧化矽氧化層11的側面與P+體區4和N型摻雜柱區17接觸，深槽體電極12被深槽二氧化矽氧化層11所包圍。 上述方案中所述P型浮空層10其形狀是方形、條形、圓形、梯形或橢圓形。所述深槽體電極結構18的槽深和P型浮空層10的最大深度可以到達N型電場阻止層15。具體深度是根據對絕緣柵雙極型電晶體所要達到的擊穿特性、導通特性和開關特性得要求而設定的。所述深槽二氧化矽氧化層11的厚度是根據對絕緣柵雙極型電晶體所要達到的擊穿特性、導通特性和開關特性得要求而設定的，一般大於0. 5微米。所述深槽體電極12材料可以採用多晶矽、金屬或其它導電材料，且其上可接正電位，可獨立於柵極單獨控制。本發明的工作原理本發明提供的一種深槽側氧調製的平面型絕緣柵雙極型電晶體，可以更好的折衷絕緣柵雙極型電晶體擊穿電壓和導通壓降的之間的矛盾關係，獲得較大器件耐壓和較小的正嚮導通壓降，現以圖5為例，說明本發明的工作原理。本發明所提供的一種深槽側氧調製的平面型絕緣柵雙極型電晶體，在傳統的非穿通型絕緣柵雙極型電晶體的基礎之上，引入了一個由P型浮空層10、深槽二氧化矽氧化層 11和深槽體電極12共同構成的深槽體電極結構18。在器件正向阻斷時，該結構引入了一個額外的電場，幫助橫向耗盡N-pillar，從而可以提高N-Pillar的摻雜濃度，進而降低了正嚮導通時的通態壓降。並且在體電極上施加一定的正向電壓，可以在器件頂部產生一個和原電場方向相反的逆向電場，降低原峰值電場，使得器件擊穿電壓提高。深槽體電極結構下方引入的P型浮空層，可以有效防止深槽底部的電場集中。在器件正嚮導通時，優化體電極一側的正向電壓，可以在厚氧化層一側形成電子積累層，為電流提供了一個低阻抗的通道， 降低了 Vce-on。此外，器件底部採用較N-pillar摻雜濃度低的N型基區，可以實現器件較軟的反向恢復特性，提高抗動態雪崩擊穿能力。此器件實現電荷平衡無需多步離子注入及多步外延工藝，降低了工藝的複雜性和工藝成本。


圖1是傳統的穿通型絕緣柵雙極型電晶體(PT-IGBT)結構示意圖。其中，1是金屬化集電極，13是P+襯底，14是N型緩衝層，3是N_基區，4是P+體區，5是P型基區，6是N+源區，7是多晶矽柵電極，8是二氧化矽柵氧化層，9是金屬化發射極。圖2是傳統的非穿通型絕緣柵雙極型電晶體(NPT-IGBT)結構示意圖。其中，1是金屬化集電極，2是P型集電區，3是基區，4是P+體區，5是P型基區， 6是N+源區，7是多晶矽柵電極，8是二氧化矽柵氧化層，9是金屬化源極。圖3是超結型絕緣柵雙極型電晶體(SJ-IGBT)結構示意圖。其中，1是金屬化集電極，2是P型集電區，5是P型基區，6是N+源區，7是多晶矽柵電極，8是二氧化矽柵氧化層，9是金屬化發射極，15是電場阻止層，16是P-pillar，17是 N-pillar。圖4是半超結型絕緣柵雙極型電晶體(Semi-SJ-IGBT)結構示意圖。其中，1是金屬化集電極，2是P型集電區，3是基區，5是P型基區，6是N+源區，7是多晶矽柵電極，8是二氧化矽柵氧化層，9是金屬化源極，15是電場阻止層，16是 P-pillar，17 是 N-pillar。圖5是本發明提供的深槽側氧調製的平面型絕緣柵雙極型電晶體(OB-IGBT)結構示意圖。其中，1是金屬化集電極，2是P型集電區，3是基區，5是P型基區，6是N+源區， 7是多晶矽柵電極，8是二氧化矽柵氧化層，9是金屬化發射極，10是P型浮空層，11是深槽二氧化矽氧化層，12是深槽體電極，15是電場阻止層，17是N-pillar，18是深槽體電極結構。
具體實施例方式採用本發明的一種深槽側氧調製的平面型絕緣柵雙極型電晶體，可以更好的折衷絕緣柵雙極型電晶體擊穿電壓和導通壓降的之間的矛盾關係。隨著半導體技術的發展，採用本發明還可以製作更多的高耐壓器件。—種深槽側氧調製 的平面型絕緣柵雙極型電晶體，其基本結構如圖5所示，包括金屬化集電極1、P型集電區2、N_基區3、P+體區4、P型基區5、N+源區6、多晶矽柵電極7、 二氧化矽柵氧化層8、金屬化發射極9、N型電場阻止層15、N型摻雜柱區(N-pillar) 17和深槽體電極結構18。金屬化集電極1位於P型集電區2的背面，P型集電區2的正面是N 型電場阻止層15，N型電場阻止層15的上面是N_基區3，N_基區3的上面是N型摻雜柱區 17，N+源區6和P+體區4並排位於金屬化發射極9下方、且與金屬化發射極9相連，其中P+ 體區4下方直接與N型摻雜柱區17相連，而N+源區6與N型摻雜柱區17之間間隔著P型基區5 ；二氧化矽柵氧化層8位於N型摻雜柱區17、P型基區5和部分N+源區6三者的表面，平面型多晶矽柵電極7位於二氧化矽柵氧化層8表面、且居於金屬化發射極9的一側； 在基區3上方、且居於N型摻雜柱區17側面的區域還具有深槽體電極結構18。所述深槽體電極結構18由P型浮空層10、深槽二氧化矽氧化層11和深槽體電極12構成；其中所述P型浮空層10位於深槽二氧化矽氧化層11下方，其側面與N型摻雜柱區17接觸，其下方與N_基區3接觸；所述深槽二氧化矽氧化層11的側面與P+體區4和N型摻雜柱區17接觸，深槽體電極12被深槽二氧化矽氧化層11所包圍。上述方案中所述P型浮空層10其形狀是方形、條形、圓形、梯形或橢圓形。
所述深槽體電極結構18的槽深和P型浮空層10的最大深度可以到達N型電場阻止層15。具體深度是根據對絕緣柵雙極型電晶體所要達到的擊穿特性、導通特性和開關特性得要求而設定的。所述深槽二氧化矽氧化層11的厚度是根據對絕緣柵雙極型電晶體所要達到的擊穿特性、導通特性和開關特性得要求而設定的，一般大於0. 5微米。所述深槽體電極12材料可以採用多晶矽、金屬或其它導電材料，且其上可接正電位，可獨立於柵極單獨控制。上述深槽側氧調製的平面型絕緣柵雙極型電晶體，其具體實現方法包 括選取N 型晶向區熔單晶襯墊，生長N型外延，場氧化，深槽刻蝕，槽底部P型浮空層注入與推阱，生長二氧化矽厚氧化層，矽表面厚氧化層刻蝕，表面柵氧化，澱積及刻蝕摻磷多晶矽， P型基區和P+體區注入與推阱，N+源區注入，生長鈍化層，刻引線孔，沉積金屬，金屬曝光刻蝕，背面減薄，背面N型電場阻止層注入，背面透明P區注入，背面金屬化等等。製作器件時還可用碳化矽、砷化鎵、磷化銦或鍺矽等半導體材料代替體矽。
權利要求
1.一種深槽側氧調製的平面型絕緣柵雙極型電晶體，包括金屬化集電極α)、ρ型集電區0)、N_基區(3)、P+體區G)、p型基區(5)、N+源區(6)、多晶矽柵電極(7)、二氧化矽柵氧化層(8)、金屬化發射極(9)、N型電場阻止層(1 、N型摻雜柱區(17)和深槽體電極結構(18)；金屬化集電極⑴位於P型集電區(2)的背面，P型集電區(2)的正面是N型電場阻止層(15)，N型電場阻止層(15)的上面是N"基區(3)，N—基區(3)的上面是N型摻雜柱區(17)，N+源區(6)和P+體區(4)並排位於金屬化發射極(9)下方、且與金屬化發射極 (9)相連，其中P+體區(4)下方直接與N型摻雜柱區(17)相連，而N+源區(6)與N型摻雜柱區(17)之間間隔著P型基區(5) ；二氧化矽柵氧化層(8)位於N型摻雜柱區(17)、P型基區( 和部分N+源區(6)三者的表面，平面型多晶矽柵電極(7)位於二氧化矽柵氧化層 (8)表面、且居於金屬化發射極(9)的一側；在N—基區(3)上方、且居於N型摻雜柱區(17) 側面的區域還具有深槽體電極結構(18)；所述深槽體電極結構(18)由P型浮空層(10)、深槽二氧化矽氧化層(11)和深槽體電極(1 構成；其中所述P型浮空層(10)位於深槽二氧化矽氧化層(11)下方，其側面與N型摻雜柱區(17)接觸，其下方與基區C3)接觸；所述深槽二氧化矽氧化層(11)的側面與P+體區(4)和N型摻雜柱區(17)接觸，深槽體電極 (12)被深槽二氧化矽氧化層(11)所包圍。
2.根據權利要求1所述的深槽側氧調製的平面型絕緣柵雙極型電晶體，其特徵是，所述P型浮空層(10)其形狀是方形、條形、圓形、梯形或橢圓形。
3.根據權利要求1所述的深槽側氧調製的平面型絕緣柵雙極型電晶體，其特徵是，所述深槽體電極結構(18)的槽深和P型浮空層(10)的最大深度可達N型電場阻止層(15)。
4.根據權利要求1所述的一種深槽側氧調製的平面型絕緣柵雙極型電晶體，其特徵是，所述的深槽二氧化矽氧化層(11)的厚度大於0.5微米。
5.根據權利要求1所述的一種深槽側氧調製的平面型絕緣柵雙極型電晶體，其特徵是，所述深槽體電極12材料採用多晶矽、金屬或其它導電材料。
全文摘要
一種深槽側氧調製的平面型絕緣柵雙極型電晶體，屬於半導體功率器件技術領域。本發明在常規電場阻止平面型絕緣柵雙極型電晶體結構中引入由P型浮空層、深槽二氧化矽氧化層和深槽體電極構成的深槽體電極結構，實現一個額外電場的引入，幫助橫向耗盡N-pillar，從而在相同的耐壓下可提高N-pillar的摻雜濃度，進而降低正嚮導通時的通態壓降。體電極上施加一定的正向電壓可在器件頂部產生一個和原電場方向相反的逆向電場，降低原峰值電場，使得器件擊穿電壓提高。深槽體電極結構中的P型浮空層，可有效防止深槽底部的電場集中。器件正嚮導通時，優化體電極一側的正向電壓，可在厚氧化層一側形成電子積累層，為電流提供了一個低阻抗的通道。
文檔編號H01L29/739GK102184949SQ20111011862
公開日2011年9月14日 申請日期2011年5月9日 優先權日2011年5月9日
發明者夏小軍, 張碩, 張超, 李澤宏, 肖璇 申請人:電子科技大學