專利名稱：絕緣柵雙極晶體管、制作方法及溝槽柵結(jié)構(gòu)制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體集成電路領(lǐng)域，特別是涉及一種絕緣柵雙極晶體管器件結(jié)構(gòu)。 本發(fā)明還涉及所述絕緣柵雙極晶體管器件結(jié)構(gòu)的制作方法，以及所述絕緣柵雙極晶體管器件結(jié)構(gòu)中溝槽柵結(jié)構(gòu)制作方法。
背景技術(shù)：
IGBT (insulated gate bipolar transistor絕緣柵雙極晶體管)器件巧妙地實(shí)現(xiàn)了 MOSFET(金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管)和BJT(雙極結(jié)型晶體管)的優(yōu)化組合， 同時(shí)具有低能耗、高壓、大電流、高效率的特點(diǎn)。目前IGBT器件業(yè)已成為一種不可替代的電力電子器件，廣泛地應(yīng)用于工業(yè)、交通、能源等領(lǐng)域，例如空調(diào)的變頻部分，太陽能光電轉(zhuǎn)化組件，汽車電子中需要的點(diǎn)火裝置，高壓高能電流傳輸設(shè)備等等。從IGBT器件的技術(shù)發(fā)展歷程看，其歷經(jīng)了外延硅片穿通型(PT)、薄片工藝以及區(qū)熔硅非穿通型(NPT)、場終止型 (SPT, field-stop)等技術(shù)演進(jìn)，器件結(jié)構(gòu)也從平面型演變?yōu)闇喜坌?。溝槽柵IGBT器件(參見圖10)，由于其在導(dǎo)通時(shí)增加了一個(gè)N+累積層，使靠近IGBT發(fā)射極的空穴的濃度得到提高，從而大大減低IGBT的導(dǎo)通電阻。為了進(jìn)一步減小IGBT器件的導(dǎo)通電阻，一種方法是在給定的單元尺寸的前提下， 增大溝槽的橫向尺寸以增加N+累積層的面積(比分)，但當(dāng)溝槽的橫向尺寸增大到一定量， 例如大于3微米時(shí)，溝槽的多晶硅填充就成為一個(gè)難題?，F(xiàn)有的技術(shù)對于溝槽寬度在2微米以下溝槽的多晶硅填充基本能滿足要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種絕緣柵雙極晶體管器件結(jié)構(gòu)，能有效解決寬溝槽的多晶柵填充，改善器件的性能；為此本發(fā)明還要提供一種寬的溝槽柵結(jié)構(gòu)的制作方法和所述絕緣柵雙極晶體管器件結(jié)構(gòu)的制作工藝方法。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的絕緣柵雙極晶體管器件結(jié)構(gòu)，在寬度大于1.5微米的溝槽內(nèi)具有溝槽柵結(jié)構(gòu)，所述溝槽柵由第一導(dǎo)電柵極層和位于其上的第二導(dǎo)電柵極層構(gòu)成，且該第二導(dǎo)電柵極層為多層由介質(zhì)膜墻將其相互隔開。所述溝槽柵結(jié)構(gòu)采用如下方法制作步驟一、在硅基片和位于其上端的P阱中通過光刻和刻蝕形成溝槽；步驟二、在所述溝槽的表面淀積一層?xùn)叛趸?；步驟三、在所述柵氧化膜上淀積第一導(dǎo)電柵極層；步驟四、在所述溝槽中淀積介質(zhì)膜并填滿所述溝槽或部分填充所述溝槽；步驟五、光刻和刻蝕所述介質(zhì)膜，在所述溝槽中形成多個(gè)介質(zhì)膜墻，使溝槽被分隔成多個(gè)小溝槽；步驟六、在所述溝槽中淀積第二導(dǎo)電柵極層，且該第二導(dǎo)電柵極層為多層，由所述介質(zhì)膜墻相互隔開；
步驟七、通過回刻或化學(xué)機(jī)械研磨對所述第二導(dǎo)電柵極層平坦化；步驟八、通過回刻或化學(xué)機(jī)械研磨對所述第一導(dǎo)電柵極層平坦化。采用本發(fā)明的器件結(jié)構(gòu)和方法，由于在形成寬的溝槽柵過程中，在淀積第二導(dǎo)電柵極層填充溝槽前，已經(jīng)由介質(zhì)膜將寬的溝槽分隔成多個(gè)小溝槽，這樣就使第二導(dǎo)電柵極層的淀積并填充溝槽變得非常容易，有效解決了寬溝槽的多晶硅填充問題。由于采用寬的溝槽形成溝槽柵結(jié)構(gòu)，能夠增加N+累積層的面積，從而使該區(qū)域N 載流子的濃度增加，相應(yīng)的空穴的濃度也在該區(qū)域周圍得到增加，使器件的導(dǎo)通電阻減小， 并使器件的開關(guān)特性得到改善，以得到改進(jìn)的IGBT器件性能。


下面結(jié)合附圖與具體實(shí)施方式
對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說明圖1-10是溝槽柵IGBT器件制作工藝流程一實(shí)施例示意圖。
具體實(shí)施例方式圖10是溝槽柵IGBT器件單元結(jié)構(gòu)的一個(gè)平面示意圖。在導(dǎo)通狀態(tài)下，溝槽柵上相對于P阱加正電壓，在溝槽柵的底部和下半部(沒有P阱的區(qū)域)形成N+累積層，從而使該區(qū)域N載流子的濃度增加，相應(yīng)的空穴的濃度也在該區(qū)域周圍得到增加，使器件的導(dǎo)通電阻減小，并使器件的開關(guān)特性得到改善。為了增加該一部分(即N+累積層)的比分， 通常采用溝槽寬度增大的溝槽。溝槽柵IGBT器件的制作工藝方法包括如下步驟步驟1、參見圖1所示，在硅基片1上通過離子注入形成P阱2。所述硅基片1可以是N型外延層或N型區(qū)熔硅。步驟2、通過光刻和刻蝕在所述硅基片1和P阱2中形成溝槽3 (結(jié)合圖1)。溝槽 3的形成可以利用介質(zhì)膜做為掩模，也可以利用光刻膠做為掩模；溝槽3刻蝕后，通過清洗或犧牲氧化除去溝槽3表面的缺陷。步驟3、在所述溝槽3的上表面(P阱2的端面)和內(nèi)表面淀積一層?xùn)叛趸?。所述柵氧化膜4的厚度為45-3000納米。步驟4、在所述柵氧化膜4上淀積第一導(dǎo)電柵極層5。該第一導(dǎo)電柵極層5的材料
為多晶娃。步驟5、參見圖2所示，在所述溝槽3中淀積介質(zhì)膜6，將溝槽3填滿或部分填充。 填充的材料可以是通過CVD淀積的介質(zhì)膜6，也可以是通過旋涂的方式得到的介質(zhì)膜6，只要能達(dá)到溝槽3的填充效果就可以。例如，如果溝槽3需要填充的深度和寬度在4微米以下，就可以通過CVD的方式來實(shí)現(xiàn)填充；如果溝槽3需要填充的深度和寬度在6微米以上， 將采用旋涂的方式將介質(zhì)膜6填充到溝槽3中。步驟6、參見圖3并結(jié)合圖4所示，在所述介質(zhì)膜6上涂覆光刻膠7，光刻和刻蝕所述介質(zhì)膜6在所述溝槽3中形成多個(gè)介質(zhì)膜墻，使溝槽3被分隔成多個(gè)小溝槽?？涛g后將光刻膠7去除。所述介質(zhì)膜墻的厚度應(yīng)盡可能小，以獲得盡可能大的面積填充第二導(dǎo)電柵層8。在一實(shí)施例中，所述介質(zhì)膜墻的厚度大于0.2微米。步驟7、參見圖5，將第二導(dǎo)電柵極層8淀積到所述溝槽3中，且該第二導(dǎo)電柵極層8為多層，由所述介質(zhì)膜墻相互隔開。淀積第二導(dǎo)電柵極層8采用的材料可以是高摻雜的多晶硅或高摻雜的無定形硅；也可以是鎢硅或其他金屬導(dǎo)電材料；只需考慮到工藝的集成性。步驟8、參見圖6所示，第二導(dǎo)電柵極層8平坦化。將位于硅片表面上(即溝槽3 上表面)的且位于第一導(dǎo)電柵極層5上的第二導(dǎo)電柵極層8回刻掉或利用化學(xué)機(jī)械研磨除去掉，只將溝槽3中的第二導(dǎo)電柵極層8保留。所述第二導(dǎo)電柵極層8的表面凹陷在所述溝槽3表面內(nèi)的深度小于350納米。步驟9、參見圖7所示，第一導(dǎo)電柵極層5平坦化。在將硅片表面(即溝槽3上表面)的第一層導(dǎo)電柵極層5去除，可以利用回刻或化學(xué)機(jī)械研磨實(shí)現(xiàn)。所述第一導(dǎo)電柵極層5的表面凹陷在所述溝槽3表面內(nèi)的深度小于450納米。步驟10、參見圖8所示，形成源區(qū)注入；在所述溝槽3的上端兩側(cè)的P阱2中進(jìn)行光刻形成源區(qū)，然后進(jìn)行源區(qū)注入形成N+注入層9，該N+注入層9也是IGBT器件的發(fā)射極。步驟11、參見圖9所示，在所述溝槽3的上方形成層間介質(zhì)膜10。步驟12、在位于兩個(gè)溝槽3之間的位置形成發(fā)射極接觸孔并同時(shí)形成將柵極連接在一起的孔(該孔可以直接落在溝槽中的柵極材料上，也可以是其他方式，未圖示)。步驟13、在接觸孔中進(jìn)行P+注入，形成P+注入層11，實(shí)現(xiàn)P阱2的連接。步驟14、在硅片的上表面(即柵氧化膜4和層間介質(zhì)膜10的表面)形成表面金屬電極12，形成柵極和發(fā)射極。步驟15、將硅片減薄到需要的厚度，即將圖9所示的硅基片1下端表面減薄。步驟16、參見圖10所示，在硅基片1下端表面上依次形成N-場截止層13、P+集電極注入層14并完成激活工藝。步驟17、進(jìn)行硅片背面金屬化。在所述P+集電極注入層14的下端面進(jìn)行金屬化， 形成背面金屬層15，進(jìn)而形成IGBT器件的集電極。以上通過具體實(shí)施方式
對本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的說明，但這些并非構(gòu)成對本發(fā)明的限制。在不脫離本發(fā)明原理的情況下，本領(lǐng)域的技術(shù)人員還可做出許多變形和改進(jìn)，這些也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種絕緣柵雙極晶體管的器件結(jié)構(gòu)，其特征在于在寬度大于1. 5微米的溝槽內(nèi)具有溝槽柵結(jié)構(gòu)，所述溝槽柵由第一導(dǎo)電柵極層和位于其上的第二導(dǎo)電柵極層構(gòu)成，且該第二導(dǎo)電柵極層為多層在溝槽中由介質(zhì)膜墻將其相互隔開。
2.如權(quán)利要求1所述的器件結(jié)構(gòu)，其特征在于所述第一種導(dǎo)電柵極層的材料為多晶娃。
3.如權(quán)利要求1所述的器件結(jié)構(gòu)，其特征在于所述第二種導(dǎo)電柵極層的材料為多晶硅或鎢硅。
4.一種如權(quán)利要求1所述器件結(jié)構(gòu)中溝槽柵結(jié)構(gòu)的制作方法，其特征在于，包括如下步驟步驟一、在硅基片和位于其上端的P阱中通過光刻和刻蝕形成溝槽； 步驟二、在所述溝槽的表面淀積一層?xùn)叛趸ぃ?步驟三、在所述柵氧化膜上淀積第一導(dǎo)電柵極層； 步驟四、在所述溝槽中淀積介質(zhì)膜并填滿所述溝槽或部分填充所述溝槽； 步驟五、光刻和刻蝕所述介質(zhì)膜，在所述溝槽中形成多個(gè)介質(zhì)膜墻，使溝槽被分隔成多個(gè)小溝槽；步驟六、在所述溝槽中淀積第二導(dǎo)電柵極層，且該第二導(dǎo)電柵極層為多層，由所述介質(zhì)膜墻相互隔開；步驟七、通過回刻或化學(xué)機(jī)械研磨對所述第二導(dǎo)電柵極層平坦化； 步驟八、通過回刻或化學(xué)機(jī)械研磨對所述第一導(dǎo)電柵極層平坦化。
5.如權(quán)利要求4所述的制作方法，其特征在于所述柵氧化膜的厚度為45-3000納米。
6.如權(quán)利要求4所述的制作方法，其特征在于所述介質(zhì)膜墻的厚度大于0.2微米。
7.如權(quán)利要求4所述的制作方法，其特征在于所述第二導(dǎo)電柵極層的材料為多晶硅或鎢硅。
8.如權(quán)利要求4所述的制作方法，其特征在于所述第二導(dǎo)電柵極層的表面凹陷在所述溝槽表面內(nèi)的深度小于350納米。
9.如權(quán)利要求4所述的器件結(jié)構(gòu)，其特征在于所述第一導(dǎo)電柵極層的表面凹陷在所述溝槽表面內(nèi)的深度小于450納米。
10.一種如權(quán)利要求1所述器件結(jié)構(gòu)的制作方法，其特征在于，包括如下步驟 步驟1、在硅基片上通過離子注入形成P阱；步驟2、通過光刻和刻蝕在所述硅基片和P阱中形成溝槽； 步驟3、在所述溝槽的表面淀積一層?xùn)叛趸ぃ?步驟4、在所述柵氧化膜上淀積第一導(dǎo)電柵極層； 步驟5、在所述溝槽中淀積介質(zhì)膜，將溝槽填滿或部分填充；步驟6、光刻和刻蝕所述介質(zhì)膜，在所述溝槽中形成多個(gè)介質(zhì)膜墻，使溝槽被分隔成多個(gè)小溝槽；步驟7、在所述溝槽中淀積第二導(dǎo)電柵極層，且該第二導(dǎo)電柵極層為多層，由所述介質(zhì)膜墻相互隔開；步驟8、通過回刻或化學(xué)機(jī)械研磨對所述第二導(dǎo)電柵極層平坦化； 步驟9、通過回刻或化學(xué)機(jī)械研磨對所述第一種導(dǎo)電柵極層平坦化；步驟10、在所述溝槽的上端兩側(cè)的P阱中進(jìn)行光刻形成源區(qū)，并進(jìn)行源區(qū)注入形成N+ 注入層；步驟11、在所述溝槽的上方形成層間介質(zhì)膜；步驟12、在位于兩個(gè)溝槽之間的位置形成發(fā)射極接觸孔并同時(shí)形成將溝槽中的柵極連接的另一種孔；步驟13、在接觸孔中進(jìn)行P+注入，形成P+注入層；步驟14、在所述柵氧化膜和層間介質(zhì)膜的表面形成表面金屬電極；步驟15、進(jìn)行所述硅基片背面減??；步驟16、在所述硅基片的背面依次形成N-場截止層和P+集電極注入層； 步驟17、在所述P+集電極注入層的下端面形成背面金屬層。
11.如權(quán)利要求10所述的制作方法，其特征在于所述柵氧化膜的厚度為45-3000納米。
12.如權(quán)利要求10所述的制作方法，其特征在于所述介質(zhì)膜墻的厚度大于0.2微米。
13.如權(quán)利要求10所述的制作方法，其特征在于所述第二導(dǎo)電柵極層的材料為多晶硅或鎢硅。
14.如權(quán)利要求10所述的制作方法，其特征在于所述第二導(dǎo)電柵極層的表面凹陷在所述溝槽表面內(nèi)的深度小于350納米。
15.如權(quán)利要求10所述的制作方法，其特征在于所述第一導(dǎo)電柵極層的表面凹陷在所述溝槽表面內(nèi)的深度小于450納米。
16.如權(quán)利要求10所述的制作方法，其特征在于所述硅基片為N型外延層或N型區(qū)熔硅。
全文摘要
本發(fā)明公開一種絕緣柵雙極晶體管，具有寬的溝槽柵結(jié)構(gòu)，所述溝槽柵由第一導(dǎo)電柵極層和第二導(dǎo)電柵極層形成，第二導(dǎo)電柵極層在溝槽中由介質(zhì)隔開。本發(fā)明還公開了一種寬的溝槽柵結(jié)構(gòu)和具有寬的溝槽柵結(jié)構(gòu)的絕緣柵雙極晶體管的制作方法，在溝槽中完成柵氧化膜和第一導(dǎo)電柵極層淀積后，在溝槽中進(jìn)行介質(zhì)膜淀積和圖形化，然后，淀積第二導(dǎo)電柵極層，利用回刻或化學(xué)機(jī)械研磨技術(shù)得到一個(gè)寬度大于1.5微米的溝槽填充。本發(fā)明能使器件的導(dǎo)通電阻減少，并使器件的開關(guān)特性得到改善。
文檔編號H01L21/331GK102376758SQ20101025155
公開日2012年3月14日 申請日期2010年8月12日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月12日
發(fā)明者肖勝安 申請人:上海華虹Nec電子有限公司