專利名稱：絕緣柵雙極晶體管及制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體集成電路制造領(lǐng)域，特別是涉及ー種絕緣柵雙極晶體管，本發(fā)明還涉及一種絕緣柵雙極晶體管的制作方法。
背景技術(shù)：
絕緣柵雙極晶體管(InsulatedGate Bipolar Transistor, IGBT)是一種電壓控制的MOS/雙極復(fù)合型器件，這種器件同時具有雙極結(jié)型功率晶體管和功率MOSFET的主要優(yōu)點輸入阻抗高、輸入驅(qū)動功率小、導(dǎo)通電阻小、電流容量大、開關(guān)速度快等。IGBT結(jié)構(gòu)和VDMOS結(jié)構(gòu)非常相似，如圖2所示，為現(xiàn)有第一種IGBT的結(jié)構(gòu)示意圖，包括集電區(qū)，由形成于硅襯底底部的P型層13組成，從所述硅襯底的背面引出集電極；漂移區(qū)，由依次形成于所述集電區(qū)上的第一 N+層12和第一 N-層11組成，所述第一 N+層12的N型雜質(zhì)濃度大于所述第一 N-層11的N型雜質(zhì)濃度；P阱16，形成于所述第一 N-層11中；發(fā)射區(qū)，由形成于 所述P阱16上部的第二 N+層14組成，所述P阱16將所述發(fā)射區(qū)和所述漂移區(qū)隔開；柵極21，覆蓋部分所述P阱16，被所述柵極21覆蓋的所述P阱16為溝道區(qū)，所述溝道區(qū)連接所述P阱16兩側(cè)的所述漂移區(qū)和所述發(fā)射區(qū)；P+連接層15a，穿過所述第二 N+層14并和所述P阱16形成接觸；發(fā)射極24a，和所述第二 N+層14形成接觸、并通過所述P+連接層15a引出所述P阱16 ;其中場氧22用于器件間的隔離，介質(zhì)層23用于金屬層和器件間的隔離。上述的現(xiàn)有第一種IGBT和現(xiàn)有VDMOS的結(jié)構(gòu)不同處是將現(xiàn)有VDMOS的N+襯底換成了 N-襯底即所述第一 N-層11，并增加ー層P層即所述P型層13。然而這ー結(jié)構(gòu)改進是IGBT的性質(zhì)相比于VDMOS發(fā)生了本質(zhì)的變化，形成了一種帶有MOS柵控制的雙極晶體管結(jié)構(gòu)。當(dāng)器件導(dǎo)通吋，由于所述P型層13向所述第一 N-層11注入大量的少數(shù)載流子使所述第一 N-層11產(chǎn)生強烈的電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，因而其電阻率大大降低，從而使器件的導(dǎo)通電阻受所述第一N-層11的電阻率和厚度的限制變小。通過適當(dāng)選取所述第一 N-層11的電阻率和厚度，可使器件的耐壓得以提高，同時不會明顯增加導(dǎo)通電阻。因此，IGBT克服了 VDMOS本身固有的而且是無法克服的導(dǎo)通電阻與擊穿電壓之間的矛盾。然而，IGBT在克服了 VDMOS缺點的同時，又帶來了自身固有的結(jié)構(gòu)缺陷，那就是IGBT的PNPN結(jié)構(gòu)在一定的工作條件下發(fā)生閂鎖，導(dǎo)致IGBT失去柵控能力，器件無法自行關(guān)斷，甚至由于正反饋形成的大電流使IGBT永久性燒毀，該現(xiàn)象被稱為IGBT的擎住效應(yīng)。IGBT擎住效應(yīng)是器件設(shè)計、制造和應(yīng)用過程中需要嚴(yán)格避免的，降低發(fā)射極24a與P阱16間的電阻可以抑制IGBT擎住效應(yīng)。如圖4所示為現(xiàn)有第一種IGBT的等效電路圖，由PNPN結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)形成了一 PNP管和一 NPN管，其中所述PNP管由所述P型層13、所述第一 N+層12、所述第一 N-層11以及所述P阱16組成，所述P型層13引出集電極；所述NPN管為寄生管，由所述第一 N+層12、所述第一 N-層11、所述P阱16和所述第二 N+層14組成，所述第二 N+層14引出發(fā)射極；所述P阱16和所述發(fā)射極間的連接電阻為Rs ；NM0S管的源區(qū)為所述第一 N+層12和所述第一 N-層11、NM0S的漏區(qū)為所述第二 N+層14，柵極21控制NMOS管的溝道的形成。IGBT的PNPN結(jié)構(gòu)在一定的工作條件下發(fā)生閂鎖，導(dǎo)致IGBT失去柵控能力，器件無法自行關(guān)斷，甚至由于正反饋形成的大電流使IGBT永久性燒毀，該現(xiàn)象被稱為IGBT的擎住效應(yīng)。IGBT擎住效應(yīng)是器件設(shè)計、制造和應(yīng)用過程中需要嚴(yán)格避免的，降低所述發(fā)射極21a和所述P阱16之間的寄生電阻Rs能降低所述NPN的基極和發(fā)射極上電壓降，減少通過NPN注入到N-區(qū)域即所述第一 N+層12和所述第一 N-層11區(qū)域的電子，在NMOS關(guān)斷時有利于所述PNP管關(guān)斷，有利于抑制IGBT擎住效應(yīng)。如圖2所示的現(xiàn)有第一種IGBT是通過所述P+連接層15a實現(xiàn)所述發(fā)射極24a和所述P阱16形成接觸，該結(jié)構(gòu)的形成的寄生電阻Rs —般較大。如圖3所示是現(xiàn)有第二種IGBT的結(jié)構(gòu)示意圖，現(xiàn)有第二種IGBT在發(fā)射極24b的引線孔形成同時增加硅刻蝕エ藝，在所述引線孔底部注入形成P+連接層15b，一般可以在所述引線孔底部形成深度約Iu m的P+連接層15b。現(xiàn)有第二種IGBT由于受到所述引線孔的寬度的限制，最后形成的所述P+連接層15b深度不能很深，使得寄生電阻Rs仍然較大?！?br>
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供ー種絕緣柵雙極晶體管，能降低發(fā)射極和P阱間的寄生電阻、抑制擎柱效應(yīng)；為此，本發(fā)明還提供一種絕緣柵雙極晶體管的制作方法。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供的絕緣柵雙極晶體管包括集電區(qū)，由形成于硅襯底底部的P型層組成，從所述硅襯底的背面引出集電極。漂移區(qū)，由依次形成于所述集電區(qū)上的第一 N+層和第一 N-層組成，所述第一 N+層的N型雜質(zhì)濃度大于所述第一 N-層的N型雜質(zhì)濃度。P阱，形成于所述第一 N-層中。發(fā)射區(qū)，由形成于所述P阱上部的第二 N+層組成，所述P阱將所述發(fā)射區(qū)和所述漂移區(qū)隔開。柵極，覆蓋部分所述P阱，被所述柵極覆蓋的所述P阱為溝道區(qū)，所述溝道區(qū)連接所述P阱兩側(cè)的所述漂移區(qū)和所述發(fā)射區(qū)。在所述P阱中形成有溝槽或孔，在所述溝槽或孔的底部的所述P阱中形成有P+連接層，所述P+連接層位于所述發(fā)射區(qū)的底部；在所述溝槽或孔上部形成有發(fā)射極引線孔，所述發(fā)射極引線孔的寬度大于所述溝槽或孔的寬度，在所述溝槽或孔和所述發(fā)射極引線孔中填充有金屬并引出發(fā)射扱。進ー步的改進是，所述溝槽或孔的位置位于所述P阱區(qū)域中央，所述溝槽或孔的邊緣距離所述柵極為I. 5 ii m 3. 5 ii m,所述溝槽或孔的深度為I ii m 4 y m。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供的絕緣柵雙極晶體管的制造方法，包括如下步驟步驟ー、在硅襯底底部形成一 P型層，所述P型層組成集電區(qū)。 步驟ニ、在所述P型層上形成第一 N+層和第一 N-層組成，所述第一 N+層的N型雜質(zhì)濃度大于所述第一 N-層的N型雜質(zhì)濃度，所述第一 N+層和所述第一 N-層組成漂移區(qū)。步驟三、在所述第一 N-層中形成P阱。步驟四、形成柵極，所述柵極覆蓋部分所述P阱，被所述柵極覆蓋的所述P阱為溝道區(qū)，所述溝道區(qū)連接所述漂移區(qū)和后續(xù)將要形成的發(fā)射區(qū)。步驟五、采用光刻和刻蝕エ藝在所述P阱中進行硅刻蝕形成溝槽或孔。步驟六、在所述溝槽或孔的底部的所述P阱中進行硼離子注入并退火，形成P+連接層。步驟七、在所述P阱上部形成第二 N+層，由所述第二 N+層組成發(fā)射區(qū)，所述P+連接層位于所述發(fā)射區(qū)的底部，所述P阱將所述發(fā)射區(qū)和所述漂移區(qū)隔開。步驟八、在所述第二 N+層上形成一介質(zhì)層，并刻蝕所述介質(zhì)層形成發(fā)射極引線孔，所述發(fā)射極引線孔位于所述溝槽或孔上部，所述發(fā)射極引線孔的寬度大于所述溝槽或孔的寬度；在所述溝槽或孔和所述發(fā)射極引線孔中填充金屬并引出發(fā)射扱。進ー步的改進是，步驟五中所述溝 槽或孔的位置位于所述P阱區(qū)域中央，所述溝槽或孔的邊緣距離所述柵極為I. 5 ii m 3. 5 ii m,所述溝槽或孔的深度為I ii m 4 y m。進ー步的改進是，步驟六中所述硼離子注入能采用不同能量、劑量進行多次注入，所述硼離子注入的角度為0度或7度、注入劑量為lE14cm_2 2E16cm_2、注入能量為IOkev 200kev。最佳選擇為,所述硼離子注入的注入劑量為lE15cnT2 lE16cnT2。進ー步的改進是，步驟六中所述退火的溫度為900°C 1100°C、時間為10分 200分。本發(fā)明通過在發(fā)射極的引線孔底部的P阱中形成一寬度小于發(fā)射極的引線孔的溝槽或孔，并在溝槽或孔底部形成P+連接層。本發(fā)明相對于現(xiàn)有現(xiàn)有第一種IGBT，發(fā)射極能夠直接深入到P阱的內(nèi)部從而直接通過金屬引出P阱，從而能夠降低發(fā)射極和P阱間的寄生電阻、抑制擎柱效應(yīng)。本發(fā)明相對于現(xiàn)有第二種IGBT，由于溝槽或孔的寬度要比現(xiàn)有第ニ種IGBT的P阱的硅刻蝕要小、而溝槽或孔的深度和離柵極距離都比現(xiàn)有第二種IGBT的P阱的硅刻蝕的相應(yīng)尺寸要大，從而能使本發(fā)明的P+連接層深度能夠得到加大，從而也同樣能夠降低發(fā)射極和P阱間的寄生電阻、抑制擎柱效應(yīng)。


下面結(jié)合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明作進ー步詳細(xì)的說明圖I是本發(fā)明實施例一 IGBT的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是現(xiàn)有第一種IGBT的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是現(xiàn)有第二種IGBT的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是現(xiàn)有第一種IGBT的等效電路圖；圖5-圖8是本發(fā)明實施例一 IGBT的制造方法的各步驟中的結(jié)構(gòu)示意圖；圖9是本發(fā)明實施例ニ IGBT的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式如圖I所示,為本發(fā)明實施例一絕緣柵雙極晶體管的示意圖,本發(fā)明實施例ー絕緣柵雙極晶體管包括集電區(qū)，由形成于硅襯底底部的P型層13組成，從所述硅襯底的背面引出集電極。漂移區(qū)，由依次形成于所述集電區(qū)上的第一 N+層12和第一 N-層11組成，所述第一 N+層12的N型雜質(zhì)濃度大于所述第一 N-層11的N型雜質(zhì)濃度。P阱16，形成于所述第一 N-層11中。發(fā)射區(qū)，由形成于所述P阱16上部的第二 N+層14組成，所述P阱16將所述發(fā)射區(qū)和所述漂移區(qū)隔開。柵極21，為ー種縱向的溝槽式的柵極，所述柵極21的溝槽形成于所述第一 N-層11中，所述柵極21覆蓋部分所述P阱16，被所述柵極21覆蓋的所述P阱16為溝道區(qū)，所述溝道區(qū)連接所述P阱16兩側(cè)的所述漂移區(qū)和所述發(fā)射區(qū)。在所述P阱16中形成有溝槽或孔，在所述溝槽或孔的底部的所述P阱16中形成有P+連接層15，所述P+連接層15位于所述發(fā)射區(qū)的底部。在所述溝槽或孔上部形成有發(fā)射極引線孔，所述發(fā)射極引線孔的寬度大于所述溝槽或孔的寬度，在所述溝槽或孔和所述發(fā)射極引線孔中填充有金屬并引出發(fā)射極24。其中場氧22用于器件間的隔離，介質(zhì)層23用于金屬層和器件間的隔離。其中，所述溝槽或孔的位置位于所述P阱16區(qū)域中央，所述溝槽或孔的邊緣距離所述柵極21為I. 5 ii m 3. 5 ii m,所述溝槽或孔的深度為I ii m 4 y m。如圖9所示，為本發(fā)明實施例ニ絕緣柵雙極晶體管的示意圖，本發(fā)明實施例ニ絕緣柵雙極晶體管和本發(fā)明實施例ニ絕緣柵雙極晶體管的區(qū)別為其中的柵極21a為ー種橫向的平面型結(jié)構(gòu)，所述柵極21a形成于所述P阱16的表面上、并從所述P阱16的表面覆蓋所述P阱16形成一橫向的溝道區(qū)。如圖5 圖8所示，為本發(fā)明實施例一絕緣柵雙極晶體管的制造方法的各步驟中的結(jié)構(gòu)示意圖，本發(fā)明實施例一絕緣柵雙極晶體管的制造方法包括如下步驟步驟一、如圖5所示，在硅襯底底部形成一 P型層13，所述P型層13組成集電區(qū)。 步驟ニ、如圖5所示，在所述P型層13上形成第一 N+層12和第一 N-層11組成，所述第一 N+層12的N型雜質(zhì)濃度大于所述第一 N-層11的N型雜質(zhì)濃度，所述第一 N+層12和所述第一 N-層11組成漂移區(qū)。步驟三、如圖5所示，在所述第一 N-層11中形成P阱16。步驟四、如圖5所示，形成柵極21，所述柵極21覆蓋部分所述P阱16，被所述柵極21覆蓋的所述P阱16為溝道區(qū)，所述溝道區(qū)連接所述漂移區(qū)和后續(xù)將要形成的發(fā)射區(qū)。步驟五、如圖6所示，采用光刻和刻蝕エ藝在所述P阱16中進行硅刻蝕形成溝槽或孔。所述溝槽或孔的位置由光刻膠26定義，位于所述P阱16區(qū)域中央，所述溝槽或孔的邊緣距離所述柵極21為I. 5 ii m 3. 5 ii m,所述溝槽或孔的深度為I ii m 4 y m。步驟六、如圖7所示，在所述溝槽或孔的底部的所述P阱16中進行硼離子注入并退火，形成P+連接層15。所述硼離子注入能采用不同能量、劑量進行多次注入，所述硼離子注入的角度為0度或7度、注入劑量為lE14cm_2 2E16cm_2、注入能量為IOkev 200kev。最佳選擇為，所述硼離子注入的注入劑量為lE15cm_2 lE16cm_2。所述退火的溫度為900°C 1100°C、時間為10分 200分。步驟七、如圖8所示，在所述P阱16上部形成第二 N+層14，由所述第二 N+層14組成發(fā)射區(qū)，所述P+連接層15位于所述發(fā)射區(qū)的底部，所述P阱16將所述發(fā)射區(qū)和所述漂移區(qū)隔開。步驟八、如圖I所示，在所述第二 N+層14上形成一介質(zhì)層23，并刻蝕所述介質(zhì)層23形成發(fā)射極引線孔，所述發(fā)射極引線孔位于所述溝槽或孔上部，所述發(fā)射極引線孔的寬度大于所述溝槽或孔的寬度；在所述溝槽或孔和所述發(fā)射極引線孔中填充金屬并引出發(fā)射極24。以上通過具體實施例對本發(fā)明進行了詳細(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，這些也應(yīng)視為本發(fā)明的保護范圍。
權(quán)利要求
1.ー種絕緣柵雙極晶體管,包括 集電區(qū)，由形成于硅襯底底部的P型層組成，從所述硅襯底的背面引出集電極； 漂移區(qū)，由依次形成于所述集電區(qū)上的第一 N+層和第一 N-層組成，所述第一 N+層的N型雜質(zhì)濃度大于所述第一 N-層的N型雜質(zhì)濃度； P阱，形成于所述第一 N-層中； 發(fā)射區(qū)，由形成于所述P阱上部的第二 N+層組成，所述P阱將所述發(fā)射區(qū)和所述漂移區(qū)隔開； 柵極，覆蓋部分所述P阱，被所述柵極覆蓋的所述P阱為溝道區(qū)，所述溝道區(qū)連接所述P阱兩側(cè)的所述漂移區(qū)和所述發(fā)射區(qū)； 其特征在干在所述P阱中形成有溝槽或孔，在所述溝槽或孔的底部的所述P阱中形成有P+連接層，所述P+連接層位于所述發(fā)射區(qū)的底部；在所述溝槽或孔上部形成有發(fā)射極弓I線孔，所述發(fā)射極引線孔的寬度大于所述溝槽或孔的寬度，在所述溝槽或孔和所述發(fā)射極引線孔中填充有金屬并引出發(fā)射扱。
2.如權(quán)利要求I所述絕緣柵雙極晶體管，其特征在于所述溝槽或孔的位置位于所述P阱區(qū)域中央，所述溝槽或孔的邊緣距離所述柵極為I. 5 y m 3. 5 y m，所述溝槽或孔的深度為 Iym 4ym。
3.—種絕緣柵雙極晶體管的制造方法，其特征在于，包括如下步驟 步驟一、在硅襯底底部形成一 P型層，所述P型層組成集電區(qū)； 步驟ニ、在所述P型層上形成第一 N+層和第一 N-層組成，所述第一 N+層的N型雜質(zhì)濃度大于所述第一 N-層的N型雜質(zhì)濃度，所述第一 N+層和所述第一 N-層組成漂移區(qū)；步驟三、在所述第一 N-層中形成P阱； 步驟四、形成柵極，所述柵極覆蓋部分所述P阱，被所述柵極覆蓋的所述P阱為溝道區(qū)，所述溝道區(qū)連接所述漂移區(qū)和后續(xù)將要形成的發(fā)射區(qū)； 步驟五、采用光刻和刻蝕エ藝在所述P阱中進行硅刻蝕形成溝槽或孔； 步驟六、在所述溝槽或孔的底部的所述P阱中進行硼離子注入并退火，形成P+連接層； 步驟七、在所述P阱上部形成第二 N+層，由所述第二 N+層組成發(fā)射區(qū)，所述P+連接層位于所述發(fā)射區(qū)的底部，所述P阱將所述發(fā)射區(qū)和所述漂移區(qū)隔開； 步驟八、在所述第二 N+層上形成一介質(zhì)層，并刻蝕所述介質(zhì)層形成發(fā)射極引線孔，所述發(fā)射極引線孔位于所述溝槽或孔上部，所述發(fā)射極引線孔的寬度大于所述溝槽或孔的寬度；在所述溝槽或孔和所述發(fā)射極引線孔中填充金屬并引出發(fā)射扱。
4.如權(quán)利要求3所述的絕緣柵雙極晶體管的制造方法，其特征在于步驟五中所述溝槽或孔的位置位于所述P阱區(qū)域中央，所述溝槽或孔的邊緣距離所述柵極為I. 5 y m 3.5 u m,所述溝槽或孔的深度為I ii m 4 ii m。
5.如權(quán)利要求3所述的絕緣柵雙極晶體管的制造方法，其特征在于步驟六中所述硼離子注入能采用不同能量、劑量進行多次注入，所述硼離子注入的角度為O度或7度、注入劑量為lE14cnf2 2E16cnT2、注入能量為IOkev 200kev。
6.如權(quán)利要求5所述的絕緣柵雙極晶體管的制造方法，其特征在于所述硼離子注入的注入劑量為lE15cm 2 lE16cm2。
7.如權(quán)利要求3所述的絕緣柵雙極晶體管的制造方法，其特征在于步驟六中所述退火的溫度為900°C 1100°C、時間為10分 200分。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種絕緣柵雙極晶體管，在其P阱中形成有溝槽或孔，在溝槽或孔的底部的形成有P+連接層，P+連接層位于發(fā)射區(qū)的底部；在溝槽或孔上部形成有發(fā)射極引線孔，發(fā)射極引線孔的寬度大于溝槽或孔的寬度，在溝槽或孔和發(fā)射極引線孔中填充有金屬并引出發(fā)射極。本發(fā)明還公開了一種絕緣柵雙極晶體管的制造方法，包括在形成柵和P阱后，在P阱上進行光刻和硅刻蝕形成溝槽或孔，在溝槽或孔底部進行硼離子注入、形成發(fā)射區(qū)，在溝槽或孔中填入金屬以及形成金屬電極的步驟。本發(fā)明能降低發(fā)射極和P阱間的寄生電阻、抑制擎柱效應(yīng)。
文檔編號H01L29/739GK102842608SQ20111016539
公開日2012年12月26日 申請日期2011年6月20日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月20日
發(fā)明者彭虎, 張帥 申請人:上海華虹Nec電子有限公司