專利名稱：一種改進(jìn)的平面絕緣柵雙極型晶體管的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于功率半導(dǎo)體器件技術(shù)領(lǐng)域，涉及絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)。
背景技術(shù)：
絕緣柵雙極晶體管Qnsulate Gate Bipolar Transistor，IGBT)是一種由 MOSFET 和雙極功率晶體管結(jié)合而成的達(dá)林頓結(jié)構(gòu)。被認(rèn)為是一種可用于高壓、大電流和高速應(yīng)用領(lǐng)域的理想功率器件。因?yàn)樗染哂蠱OSFET的輸入阻抗高、控制功率小、驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單、開(kāi)關(guān)速度高的優(yōu)點(diǎn)，又具有雙極功率晶體管的電流密度大、飽和壓降低、電流處理能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。現(xiàn)廣泛應(yīng)用于電磁爐、UPS不間斷電源、汽車電子點(diǎn)火器、變頻器、風(fēng)力發(fā)電等。自20世紀(jì)80年代初期，IGBT研制成功以來(lái)，經(jīng)過(guò)幾代的發(fā)展，其工藝技術(shù)和參數(shù)得到不斷改進(jìn)，功能得到不斷提高。絕緣柵雙極型晶體管最初被提出時(shí)是平面柵穿通型的，它提出了在功率MOS場(chǎng)效應(yīng)管結(jié)構(gòu)中引入一個(gè)漏極側(cè)PN結(jié)，以提供正向注入少數(shù)載流子實(shí)現(xiàn)電導(dǎo)調(diào)制來(lái)降低通態(tài)壓降的基本方案。通常是在P襯底22上外延N型緩沖層33。這樣，在IGBT的通態(tài)電流中出現(xiàn)了兩個(gè)分量即MOS場(chǎng)效應(yīng)分量和PNPN晶閘管分量，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。這時(shí)的IGBT 電壓還比較低(600V左右)，基區(qū)太薄(幾十微米)，只能采用厚外延襯底片，當(dāng)IGBT電壓很高時(shí)需要很厚的外延片，這時(shí)成本就會(huì)很高。非穿通型絕緣柵雙極型晶體管采用了高電阻率的FZ (區(qū)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，在硅片背面用注入和退火的方法形成發(fā)射效率較低且較薄的P區(qū)，這一般稱之為“透明集電區(qū)”，采用此技術(shù)，可以使得絕緣柵雙極型晶體管在關(guān)斷時(shí)，基區(qū)3的大量過(guò)剩電子可以以擴(kuò)散的方式穿透極薄的P區(qū)2，而達(dá)到快速關(guān)斷的效果。如圖2所示，為了保證耐壓必須采用相對(duì)較寬的N_基區(qū)3，導(dǎo)致導(dǎo)通電阻的增大， 也就增加了靜態(tài)損耗。特別是在承受高電壓時(shí)，在靠近發(fā)射極的N—基區(qū)和JFET區(qū)電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)將會(huì)明顯減弱，導(dǎo)通損耗增加將更為顯著。此外，它還可以增加對(duì)承受高阻斷電壓的 N_漂移區(qū)的厚度，以至在高電壓下不會(huì)產(chǎn)生耗盡層穿通現(xiàn)象。NPT結(jié)構(gòu)的采用使得IGBT幾乎在全電流范圍的工作區(qū)內(nèi)都呈現(xiàn)正電阻溫度系數(shù)的單極型器件的特點(diǎn)，而且這使NPT的制造成本大幅度降低，約為PT的3/4。溝槽柵型絕緣柵雙極型晶體管則用槽柵結(jié)構(gòu)代替平面柵，改善了器件的導(dǎo)通特性，降低導(dǎo)通電阻，增加了電流密度。如圖3所示，在溝槽柵結(jié)構(gòu)中，平面柵結(jié)構(gòu)中的JFET 被干法刻蝕的工藝很好地挖去了，連同包圍這個(gè)區(qū)域、延伸到原來(lái)柵極下形成溝道的部分P 型基區(qū)也都挖掉。于是N+源區(qū)6和留下的P型基區(qū)5就暴露在該溝槽的側(cè)壁，通過(guò)側(cè)壁氧化等一系列特殊加工，側(cè)壁氧化層外側(cè)的P型基區(qū)5內(nèi)形成了垂直于硅片表面的溝道。工作時(shí)電流從N—基區(qū)3直接流進(jìn)垂直溝道而進(jìn)入源區(qū)，使得原胞密度增加，電流密度增加，閂鎖效應(yīng)減小，IGBT的通態(tài)壓降剔除了 JFET這塊串聯(lián)電阻的貢獻(xiàn)。但是，由于在溝槽柵型絕緣柵雙極型晶體管中電場(chǎng)容易在槽柵底部集中，致使溝槽柵型絕緣柵雙極型晶體管的擊穿電壓降低；并且電流密度增大會(huì)使其短路安全工作區(qū)下降。為了綜合平面柵和溝槽柵的優(yōu)點(diǎn)，人們又發(fā)明了凹槽柵(recessed gate)型絕緣柵雙極型晶體管，如圖4所示。此種結(jié)構(gòu)優(yōu)化了通態(tài)壓降和阻斷電壓之間的關(guān)系，并擴(kuò)大了短路安全工作區(qū)。但是電場(chǎng)仍會(huì)在凹槽底部集中，在一定程度上擊穿電壓仍有所降低。經(jīng)過(guò)幾代IGBT發(fā)展，已經(jīng)使得擊穿電壓在不斷提高。但是為了提高器件功率，減小器件使用時(shí)的損耗，增大器件安全工作區(qū)，仍需要想辦法改善器件的性能。雖然利用電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)已經(jīng)使得IGBT具有比MOS器件低的多的導(dǎo)通電阻，但是導(dǎo)通電阻Ron是影響IGBT 器件最大輸出功率的重要參數(shù)，必須不斷地降低導(dǎo)通電阻Ron，它主要由元胞結(jié)構(gòu)的布局、 幾何形狀及尺寸、元胞密度，芯片面積等因素決定。對(duì)高壓IGBT而言，器件內(nèi)部的電阻如圖 5所示。主要影響VCE(。n)的電阻是！^和禮，即JFET區(qū)域的電阻和N_漂移區(qū)內(nèi)的電阻。因此，如何盡量降低&和Rd是大功率IGBT設(shè)計(jì)中應(yīng)重點(diǎn)考慮的。通態(tài)壓降的大小與耐壓的高低成正比，如何在維持IGBT器件耐壓的基礎(chǔ)上降低通態(tài)壓降一直是IGBT設(shè)計(jì)的一個(gè)重要的考量。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種改進(jìn)的平面絕緣柵雙極型晶體管，它具有體電極區(qū)結(jié)構(gòu)，與傳統(tǒng)的平面絕緣柵雙極型晶體管相比，可以在同等的襯底厚度和摻雜濃度下獲得更低的導(dǎo)通壓降，更高的擊穿電壓。本發(fā)明的核心思想是在傳統(tǒng)的平面絕緣柵雙極型晶體管中引入體電極結(jié)構(gòu)。在關(guān)斷狀態(tài)下通過(guò)控制施加在體電極上的電壓，使器件中電場(chǎng)分布得到優(yōu)化，減小電場(chǎng)集中效應(yīng)，使擊穿電壓提高。同時(shí)在正向?qū)〞r(shí)，在體電極上施加正向偏壓，會(huì)在基區(qū)靠近二氧化硅體電極氧化層的界面形成垂直的電子積累層，降低原N_基區(qū)的電阻。并且，此結(jié)構(gòu)消除了 JFET電阻，從而降低了發(fā)射極一集電極導(dǎo)通壓降V。E(。n)。本發(fā)明技術(shù)方案如下一種改進(jìn)的平面絕緣柵雙極型晶體管，如圖6所示，包括金屬化集電極1、P型集電區(qū)2、N_漂移區(qū)3、P+體區(qū)4、P型基區(qū)5、N+源區(qū)6、平面多晶硅柵電極7、二氧化硅柵氧化層 8、金屬化發(fā)射極9和體電極結(jié)構(gòu)13 ；金屬化集電極1位于P型集電區(qū)2的背面，N—漂移區(qū) 3位于P型集電區(qū)2的正面；N+源區(qū)6和P+體區(qū)4并排位于金屬化發(fā)射極9下方、且與金屬化發(fā)射極9相連，其中P+體區(qū)4下方直接與N"漂移區(qū)3相連，而N+源區(qū)6與N—漂移區(qū)3 之間間隔著P型基區(qū)5 ；二氧化硅柵氧化層8位于N_漂移區(qū)3、P型基區(qū)5和部分N+源區(qū)6 三者的表面，平面多晶硅柵電極7位于二氧化硅柵氧化層8表面。整個(gè)器件還包括一個(gè)體電極結(jié)構(gòu)13，所述體電極結(jié)構(gòu)13由體電極側(cè)壁二氧化硅氧化層11、體電極底部二氧化硅氧化層10和體電極12組成；所述體電極結(jié)構(gòu)13位于N_漂移區(qū)3頂部遠(yuǎn)離P+體區(qū)4的區(qū)域， 其中體電極12被體電極側(cè)壁二氧化硅氧化層11和體電極底部二氧化硅氧化層10所包圍， 體電極側(cè)壁二氧化硅氧化層11和體電極底部二氧化硅氧化層10外側(cè)與N_漂移區(qū)3接觸。所述體電極12采用凹槽型結(jié)構(gòu)，其電極材料可以是多晶硅、金屬或其他導(dǎo)體材料。所述體電極側(cè)壁二氧化硅氧化層11和體電極底部二氧化硅氧化層10為厚氧化層結(jié)構(gòu)，其厚度需大于0.5微米。本發(fā)明的工作原理
本發(fā)明提供的改進(jìn)的平面絕緣柵雙極型晶體管，可以提高絕緣柵雙極型晶體管擊穿電壓，降低器件導(dǎo)通壓降，現(xiàn)以圖6為例，說(shuō)明本發(fā)明的工作原理。本發(fā)明所提供的平面絕緣柵雙極型晶體管在傳統(tǒng)的平面非穿通絕緣柵雙極型晶體管的基礎(chǔ)之上，通過(guò)挖槽工藝引入一個(gè)體電極區(qū)。傳統(tǒng)平面型絕緣柵雙極型晶體管在正向?qū)〞r(shí)，P型基區(qū)5與N—基區(qū)(即漂移區(qū))3組形成的PN結(jié)處于反向偏置狀態(tài)，N—基區(qū) 3的摻雜濃度遠(yuǎn)小于P型基區(qū)5的摻雜濃度，所形成的耗盡區(qū)向N—基區(qū)3 —側(cè)擴(kuò)展，當(dāng)左右兩側(cè)的耗盡區(qū)繼續(xù)向中間擴(kuò)展，甚至?xí)B在一起，就形成了所謂的JFET區(qū)域，由于JFET區(qū)域載流子非常少，所以此區(qū)域電阻非常大。本發(fā)明所引入的體電極區(qū)，在其上施加正向偏壓時(shí)，會(huì)在體電極側(cè)壁二氧化硅氧化層11、體電極底部二氧化硅氧化層10與N—基區(qū)3的界面形成電子積累層，為電流在N—基區(qū)3的流通提供了新的途徑，也因此降低了導(dǎo)通電阻，并且由于挖的凹槽直接去掉了 JFET電阻，使得發(fā)射極-集電極導(dǎo)通壓降V。E(。n)得到進(jìn)一步降低。 在反向阻斷狀態(tài)下，傳統(tǒng)的平面非穿通型絕緣柵雙極型晶體管內(nèi)電場(chǎng)峰值一般出現(xiàn)在P+體區(qū)4下方，當(dāng)引入體電極結(jié)構(gòu)13在體電極12上施加電壓，會(huì)在N—基區(qū)3中引入一個(gè)逆向電場(chǎng)，削弱原在P+體區(qū)4下方的電場(chǎng)尖峰，施加體電極控制電壓越大，P+體區(qū)4下方的電場(chǎng)尖峰下降越明顯，可以達(dá)到提高期間擊穿電壓的目的，而且所引入的逆向電場(chǎng)可以減小凹槽底部的電場(chǎng)集中。通過(guò)優(yōu)化在體電極12上所施加的正電壓，使體電極結(jié)構(gòu)13尖角處的電壓峰值與P+體區(qū)4下方的電場(chǎng)尖峰相同，器件耐壓達(dá)到最大。同時(shí)還應(yīng)注意到，體電極側(cè)壁及底部二氧化硅氧化層的厚度與體電極結(jié)構(gòu)13槽的深度也都是影響器件耐壓的重要參數(shù)，這些參數(shù)需要根據(jù)對(duì)絕緣柵雙極型晶體管所要達(dá)到的擊穿特性、導(dǎo)通特性和開(kāi)關(guān)特性得要求而設(shè)定的。綜上所述，本發(fā)明在傳統(tǒng)的平明絕緣柵雙極型晶體管的結(jié)構(gòu)中引入一個(gè)體電極結(jié)構(gòu)，所引入的體電極位于N—漂移區(qū)3頂部遠(yuǎn)離P+體區(qū)4的區(qū)域(或者說(shuō)位于兩個(gè)元胞的兩個(gè)P型基區(qū)5之間的N—漂移區(qū)3中)，通過(guò)優(yōu)化體電極的槽深和氧化層的厚度，并在體電極上加一定的電壓，可以產(chǎn)生一個(gè)與原峰值電場(chǎng)相反的電場(chǎng)，從而有效的減小了原槽柵底部的峰值電場(chǎng)，提高了擊穿電壓；同時(shí)，在器件正向?qū)〞r(shí)，通過(guò)控制溝槽型體電極上的電壓，可以在體電極厚氧化層外側(cè)形成多子積累層，從而有利于降低器件正向?qū)〞r(shí)的通態(tài)損耗。


圖1是傳統(tǒng)的穿通型平面絕緣柵雙極型晶體管結(jié)構(gòu)示意圖。其中，1是金屬化集電極，22是P+襯底，33是N型緩沖層，3是N_基區(qū)(漂移區(qū))， 4是P+體區(qū)，5是P型基區(qū)，6是N+源區(qū)，7是平面多晶硅柵電極，8是二氧化硅柵氧化層，9 是金屬化發(fā)射極。圖2是傳統(tǒng)的非穿通型平面絕緣柵雙極型晶體管結(jié)構(gòu)示意圖。其中，1是金屬化集電極，2是P型集電區(qū)，3是基區(qū)，4是P+體區(qū)，5是P型基區(qū)， 6是N+源區(qū)，7是平面型多晶硅柵電極，8是二氧化硅柵氧化層，9是金屬化發(fā)射極。圖3是溝槽柵型絕緣柵雙極型晶體管結(jié)構(gòu)示意圖。其中，1是金屬化集電極，2是P型集電區(qū)，3是基區(qū)，4是P+體區(qū)，5是P型基區(qū)， 6是N+源區(qū)，44是槽型多晶硅柵電極，8是二氧化硅柵氧化層，9是金屬化發(fā)射極。
圖4是凹槽柵型絕緣柵雙極型晶體管結(jié)構(gòu)示意圖。其中，1是金屬化集電極，2是P型集電區(qū)，3是基區(qū)，4是P+體區(qū)，5是P型基區(qū)， 6是N+源區(qū)，55是凹槽型多晶硅柵電極，8是二氧化硅柵氧化層，9是金屬化發(fā)射極。圖5是IGBT各部分電阻示意圖。其中，Rsub是襯底電阻，Rd是N_基區(qū)電阻，Rj是JFET區(qū)電阻，Ra是積聚電阻，Rch是溝道電阻，Rn+是N+源區(qū)電阻，Rcs源區(qū)與柵極接觸電阻。圖6是本發(fā)明提供的改進(jìn)的平面絕緣柵雙極型晶體管結(jié)構(gòu)示意圖。其中，1是金屬化集電極，2是P型集電區(qū)，3是基區(qū)，4是P+體區(qū)，5是P型基區(qū)， 6是N+源區(qū)，7是多晶硅柵，8是二氧化硅柵氧化層，9是金屬化發(fā)射極，10是體電極底部二氧化硅氧化層，11是體電極側(cè)壁二氧化硅氧化層，12是體電極，13是體電極結(jié)構(gòu)。
具體實(shí)施例方式采用本發(fā)明的一種改進(jìn)的平面絕緣柵雙極型晶體管，可以實(shí)現(xiàn)高擊穿電壓、低導(dǎo)通電阻的更優(yōu)折衷。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，采用本發(fā)明還可以制作更多的高壓低功耗器件。一種改進(jìn)的平面絕緣柵雙極型晶體管，如圖6所示，包括金屬化集電極1、P型集電區(qū)2、N_漂移區(qū)3、P+體區(qū)4、P型基區(qū)5、N+源區(qū)6、平面多晶硅柵電極7、二氧化硅柵氧化層 8、金屬化發(fā)射極9和體電極結(jié)構(gòu)13 ；金屬化集電極1位于P型集電區(qū)2的背面，N—漂移區(qū) 3位于P型集電區(qū)2的正面；N+源區(qū)6和P+體區(qū)4并排位于金屬化發(fā)射極9下方、且與金屬化發(fā)射極9相連，其中P+體區(qū)4下方直接與N"漂移區(qū)3相連，而N+源區(qū)6與N—漂移區(qū)3 之間間隔著P型基區(qū)5 ；二氧化硅柵氧化層8位于N_漂移區(qū)3、P型基區(qū)5和部分N+源區(qū)6 三者的表面，平面多晶硅柵電極7位于二氧化硅柵氧化層8表面。整個(gè)器件還包括一個(gè)體電極結(jié)構(gòu)13，所述體電極結(jié)構(gòu)13由體電極側(cè)壁二氧化硅氧化層11、體電極底部二氧化硅氧化層10和體電極12組成；所述體電極結(jié)構(gòu)13位于N_漂移區(qū)3頂部遠(yuǎn)離P+體區(qū)4的區(qū)域， 其中體電極12被體電極側(cè)壁二氧化硅氧化層11和體電極底部二氧化硅氧化層10所包圍， 體電極側(cè)壁二氧化硅氧化層11和體電極底部二氧化硅氧化層10外側(cè)與N_漂移區(qū)3接觸。所述體電極12采用凹槽型結(jié)構(gòu)，其電極材料可以是多晶硅、金屬或其他導(dǎo)體材料。所述體電極側(cè)壁二氧化硅氧化層11和體電極底部二氧化硅氧化層10為厚氧化層結(jié)構(gòu)，其厚度需大于0.5微米。本發(fā)明具體實(shí)現(xiàn)方法包括選取N型<100>晶向區(qū)熔單晶襯墊，場(chǎng)氧化，刻蝕體電極區(qū)槽，體電極區(qū)底部和側(cè)壁厚氧，刻蝕表面氧化層，長(zhǎng)柵氧，淀積多晶硅，光刻多晶硅，P基區(qū)注入及推阱，P+體區(qū)注入及推阱，N+源區(qū)注入，BPSG,刻引線孔，沉積金屬，金屬曝光刻蝕， 背面P區(qū)注入及退火，背面金屬化，鈍化等等。制作器件時(shí)還可用碳化硅、砷化鎵、磷化銦或鍺硅等半導(dǎo)體材料代替體硅。
權(quán)利要求
1.一種改進(jìn)的平面絕緣柵雙極型晶體管，包括金屬化集電極(1)、P型集電區(qū)0)、N_漂移區(qū)(3)、P+體區(qū)0)、P型基區(qū)(5)、N+源區(qū)(6)、平面多晶硅柵電極(7)、二氧化硅柵氧化層(8)、金屬化發(fā)射極(9)和體電極結(jié)構(gòu)(13)；金屬化集電極⑴位于P型集電區(qū)(2)的背面，N—漂移區(qū)(3)位于P型集電區(qū)(2)的正面；N+源區(qū)(6)和P+體區(qū)(4)并排位于金屬化發(fā)射極(9)下方、且與金屬化發(fā)射極(9)相連，其中P+體區(qū)(4)下方直接與N_漂移區(qū)(3) 相連，而N+源區(qū)(6)與『漂移區(qū)(3)之間間隔著P型基區(qū)(5) ；二氧化硅柵氧化層⑶位于N—漂移區(qū)(3)、P型基區(qū)(5)和部分N+源區(qū)(6)三者的表面，平面多晶硅柵電極(7)位于二氧化硅柵氧化層(8)表面；其特征在于，整個(gè)器件還包括一個(gè)體電極結(jié)構(gòu)(13)，所述體電極結(jié)構(gòu)(13)由體電極側(cè)壁二氧化硅氧化層(11)、體電極底部二氧化硅氧化層(10)和體電極(1 組成；所述體電極結(jié)構(gòu)(13)位于N—漂移區(qū)(3)頂部遠(yuǎn)離P+體區(qū)的區(qū)域，其中體電極(12)被體電極側(cè)壁二氧化硅氧化層(11)和體電極底部二氧化硅氧化層(10)所包圍，體電極側(cè)壁二氧化硅氧化層(11)和體電極底部二氧化硅氧化層(10)外側(cè)與N_漂移區(qū)C3)接觸。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的改進(jìn)的平面絕緣柵雙極型晶體管，其特征是，所述體電極 (12)采用凹槽型結(jié)構(gòu)，其電極材料是多晶硅、金屬或其他導(dǎo)體材料。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的改進(jìn)的平面絕緣柵雙極型晶體管，其特征是，所述體電極側(cè)壁二氧化硅氧化層(11)和體電極底部二氧化硅氧化層(10)為厚氧化層結(jié)構(gòu)，其厚度大于 0. 5微米。
全文摘要
一種改進(jìn)的平面絕緣柵雙極型晶體管，屬于半導(dǎo)體功率器件技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明在傳統(tǒng)平面非穿通型絕緣柵雙極型晶體管中引入體電極結(jié)構(gòu)，所述體電極結(jié)構(gòu)位于兩個(gè)P型基區(qū)5之間的N-漂移區(qū)中，由體電極二氧化硅氧化層所包圍的和凹槽型多晶硅體電極組成。通過(guò)優(yōu)化體電極上的電壓，可以改善傳統(tǒng)溝槽柵型絕緣柵雙極型晶體管電場(chǎng)在溝槽柵下集中的缺點(diǎn)，有效的降低了溝槽柵底部的峰值電場(chǎng)，提高了器件的擊穿電壓；并且，在器件正向?qū)〞r(shí)，體電極上的電壓可以在體電極厚氧化層外側(cè)形成多子積累層，降低導(dǎo)通電阻，從而降低正向?qū)〞r(shí)的通態(tài)損耗。
文檔編號(hào)H01L29/41GK102184948SQ20111011862
公開(kāi)日2011年9月14日 申請(qǐng)日期2011年5月9日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月9日
發(fā)明者張蒙, 張超, 李澤宏, 肖璇, 趙起越 申請(qǐng)人:電子科技大學(xué)