專利名稱：一種變形槽柵介質(zhì)的cstbt器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于半導(dǎo)體功率技術(shù)領(lǐng)域，涉及絕緣柵雙極型晶體管(Insulate GateBipolar Transistor,簡稱IGBT),特別涉及溝槽柵雙極型晶體管(Trench型IGBT),尤其是載流子存儲溝槽雙極型晶體管(carrier stored trench bipolar transistor,簡稱CSTBT)。
背景技術(shù)：
絕緣柵雙極型晶體管IGBT既有MOSFET的輸入阻抗高、控制功率小、驅(qū)動電路簡單、開關(guān)速度高的優(yōu)點(diǎn)，又具有雙極型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)，所以被廣泛應(yīng)用于電磁爐、UPS不間斷電源、汽車電子點(diǎn)火器、三相電動機(jī)變頻器、電焊機(jī)開關(guān)電源等產(chǎn)品中作為功率開關(guān)管或功率輸出管，市場前景非常廣闊。IGBT產(chǎn)品是電力電子領(lǐng)域非常理想的開關(guān)器件，它集合了高頻、高壓、大電流三大技術(shù)優(yōu)勢，同時又 能夠?qū)崿F(xiàn)節(jié)能減排，具有很好的環(huán)境保護(hù)效益。自20世紀(jì)80年代初期，IGBT器件研制成功以來，其工藝技術(shù)和參數(shù)不斷改進(jìn)和提高，IGBT器件已由第一代發(fā)展到第六代，其電性能參數(shù)日益完善。當(dāng)前，Trench型IGBT由于其高電流密度和更小的導(dǎo)通損耗正逐步取代Planar型IGBT成為IGBT產(chǎn)品的主流方向。載流子存儲溝槽雙極型晶體管CSTBT如圖I所示，在傳統(tǒng)Trench-IGBT基礎(chǔ)上，增加一層載流子儲存層，能進(jìn)一步優(yōu)化載流子濃度分布，從而進(jìn)一步降低導(dǎo)通損耗，增加器件的電流能力，更好的實(shí)現(xiàn)了導(dǎo)通損耗與關(guān)斷損耗的折中關(guān)系，使器件的性能進(jìn)一步提高，已經(jīng)逐步取代平面型IGBT成為市場上IGBT產(chǎn)品的主流方向。但是Trench型IGBT如CSTBT，當(dāng)器件承受耐壓時，大量的電流在溝槽邊緣積聚，產(chǎn)生大的電場，很容易在溝槽邊緣尤其是溝槽末端邊緣處擊穿，從而制約了 Trench型IGBT的耐壓特性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提出一種變形槽柵介質(zhì)的CSTBT器件，旨在不影響其他性能參數(shù)的同時，提高CSTBT器件的擊穿電壓，進(jìn)一步優(yōu)化CSTBT的綜合性能。本發(fā)明的技術(shù)方案如下一種變形槽柵介質(zhì)的CSTBT器件，其元胞結(jié)構(gòu)如圖2 4所示，包括金屬有源發(fā)射極
1、金屬柵電極2、金屬集電極3、N+有源區(qū)4、P型基區(qū)5、P+體區(qū)6、柵介質(zhì)層7、N型載流子存儲層8、N-漂移區(qū)9、N+電場終止層10、P+集電區(qū)11和多晶硅柵極12 ;金屬化集電極3位于P+集電區(qū)11的背面，N+電場終止層10位于P+集電區(qū)11的正面，N-漂移區(qū)9在N+電場終止層10的上方；N+有源區(qū)4和P+體區(qū)6相互接觸且并排位于金屬有源發(fā)射極I的下方并與金屬有源發(fā)射極I相連；P型基區(qū)5位于N+有源區(qū)4和體P+區(qū)6的下方，N型載流子存儲層8位于P型基區(qū)5和N-漂移區(qū)9之間；柵極結(jié)構(gòu)為溝槽型柵，包括金屬柵電極
2、柵介質(zhì)層7和多晶硅柵極12，多晶硅柵極12向下穿過N+有源區(qū)4、P型基區(qū)5和N型載流子存儲層8并延伸入N-漂移區(qū)9，多晶硅柵極12的上表面與金屬柵電極2相連，多晶硅柵極12的側(cè)面及地面被柵介質(zhì)層7包圍，柵介質(zhì)層7的側(cè)壁分別與N+有源區(qū)4、P型基區(qū)5、N型載流子存儲層8和N-漂移區(qū)9接觸。所述P型基區(qū)5下方的柵介質(zhì)層7的側(cè)壁以及底部的厚度大于P型基區(qū)5以上的柵介質(zhì)層7的側(cè)壁的厚度。上述技術(shù)方案中，需要進(jìn)一步說明的是，滿足P型基區(qū)5下方的柵介質(zhì)層7的側(cè)壁以及底部的厚度大于P型基區(qū)5以上的柵介質(zhì)層7的側(cè)壁的厚度條件時，多晶硅柵極12的底部剖面形狀可以是倒三角形(如圖2所示)、階梯形(如圖3所示)或圓弧形。具體實(shí)施時，柵介質(zhì)層7材料可采用Si02、Si3N4、Hf02或苯并環(huán)丁烯。本發(fā)明的實(shí)質(zhì)是在傳統(tǒng)CSTBT器件基礎(chǔ)上，改變槽內(nèi)溝道區(qū)(P型基區(qū)5)下方柵介質(zhì)層7的形狀，使溝槽底部的多晶硅柵極12被更多的柵介質(zhì)層7所包圍。下面結(jié)合


本發(fā)明的工作原理。本發(fā)明所提出的一種變形槽柵介質(zhì)的CSTBT器件，是在傳統(tǒng)CSTBT結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，改變槽內(nèi)溝道區(qū)(P型基區(qū)5)下方柵介質(zhì)層7的形狀，容易被擊穿的溝槽底部被更多的柵介質(zhì)層所保護(hù)，當(dāng)柵電極加電壓使溝道開啟，電子通過溝道進(jìn)入N-漂移區(qū)9，P+集電區(qū)11發(fā) 射空穴到漂移區(qū)，大量的電子空穴對發(fā)生電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，當(dāng)器件承受耐壓時，由于溝槽柵底部邊緣部分被更多的柵介質(zhì)層所包圍，而柵介質(zhì)層耐壓能力比多晶硅大得多，所以當(dāng)大量電流在溝槽邊緣積聚時，本發(fā)明提供的變形槽柵介質(zhì)的CSTBT器件由于有更多更厚的柵介質(zhì)層保護(hù)，能極大地提高器件的擊穿電壓。由于溝槽多晶硅柵極12底部比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)要少，所以導(dǎo)致溝槽正下方儲存的空穴濃度比傳統(tǒng)CSTBT結(jié)構(gòu)的要略微少一點(diǎn)，使得器件的導(dǎo)通壓降會稍稍上升。本發(fā)明提出的變形槽柵介質(zhì)的CSTBT器件沒有改變P+集電區(qū)11發(fā)射空穴的效率，所以對器件的關(guān)斷特性幾乎沒有影響。綜上所述，本發(fā)明所提出的一種變形槽柵介質(zhì)的CSTBT器件，在基本不影響器件其他參數(shù)的情況下，可極大程度的提高器件的擊穿電壓，能更好的實(shí)現(xiàn)擊穿電壓與導(dǎo)通壓降的折中關(guān)系，進(jìn)一步優(yōu)器件的綜合性能。借助MEDICI仿真軟件可得，對所提供的如圖I所示的傳統(tǒng)CSTBT，如圖2所示的變形槽柵介質(zhì)的CSTBT器件進(jìn)行了仿真比較，仿真模擬薄片工藝制造的1200V CSTBT,傳統(tǒng)CSTBT的仿真參數(shù)為P+集電區(qū)11摻雜lX1018cm_3、厚度為Iym5N-漂移區(qū)9摻雜5 X 1013cnT3、厚度為119 μ m ;N型載流子存儲層8摻雜I X 1015cnT3，柵介質(zhì)層7厚度為lOOnm，N+源區(qū)4摻雜I X 1020cnT3，P型基區(qū)5摻雜2 X IO1W3, P+體區(qū)6摻雜2 X 1019cm-3, N+電場終止層10摻雜2X 1016cm_3、厚度為5 μ m,仿真半元胞寬度為8 μ m。而本發(fā)明所提供的變形槽柵介質(zhì)的CSTBT器件(以下簡稱新型CSTBT)與傳統(tǒng)CSTBT在仿真參數(shù)上全部一樣，唯一的區(qū)別就是柵介質(zhì)層7的變化。由于溝槽底部柵介質(zhì)層形狀是可變的，溝槽底部的多晶硅柵電極12被更多的柵介質(zhì)層7所包圍。圖5是傳統(tǒng)CSTBT和新型CSTBT的擊穿電壓比較圖，在lE-8A/cm時，傳統(tǒng)CSTBT的擊穿電壓為1068. 7V，新型CSTB的擊穿電壓為1424. 8V,耐壓值的提升幅度高達(dá)33. 4%。圖6所示是傳統(tǒng)CSTBT與新型CSTBT的導(dǎo)通壓降的比較示意圖，從圖6中可知，新型CSTBT會略微提高器件的導(dǎo)通損耗，在電流密度為lOOA/cm2時，傳統(tǒng)CSTBT的導(dǎo)通壓降為I. 26V，新型CSTBT的導(dǎo)通壓降為I. 32V，導(dǎo)通壓降的升高幅度為4%左右。圖7是傳統(tǒng)CSTBT和新型CSTBT的關(guān)斷特性比較示意圖，由圖7可得，傳統(tǒng)CSTBT和新型CSTBT的關(guān)斷特性相同，關(guān)斷時間的定義為IGBT關(guān)斷時，集電極電流從90%降到10%所需要的時間，經(jīng)仿真驗證，傳統(tǒng)CSTBT和新型CSTBT關(guān)斷時間均為1.8ys左右。由于新型CSTBT結(jié)構(gòu)沒有影響集電極空穴發(fā)射效率，所以在體現(xiàn)其有益效果的同時基本不會影響器件的關(guān)斷特性；圖8是傳統(tǒng)CSTBT和新型CSTBT溝槽邊緣部分的一維電場比較圖，由圖8可得本發(fā)明提出的新型CSTBT明顯可以降低電場尖峰，增加器件的擊穿電壓。綜上訴述本發(fā)明所提出的一種變形槽柵介質(zhì)的CSTBT器件，經(jīng)仿真驗證可以明顯提高器件的擊穿電壓，稍微提高器件的導(dǎo)通壓降，關(guān)斷特性不變，能更好的實(shí)現(xiàn)器件擊穿電壓與導(dǎo)通壓降的折中關(guān)系，進(jìn)一步提升器件的整體性能。

圖I是傳統(tǒng)CSTBT結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是本發(fā)明提出的新型CSTBT結(jié)構(gòu)示意圖。圖3是本發(fā)明提出的第二種新型CSTBT結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4是本發(fā)明提出的第三種新型CSTBT結(jié)構(gòu)示意圖。圖I至圖4中1是金屬有源發(fā)射極，2是金屬柵電極，3是金屬集電極，4是N+有源區(qū)，5是P型基區(qū)，6是P+體區(qū)，7是柵介質(zhì)層，8是N型載流子儲存層，9是N-漂移區(qū)，10是N+電場截止層，11是P+集電區(qū)，12是多晶娃柵極。圖5是本發(fā)明提供的新型CSTBT與傳統(tǒng)CSTBT在常溫下的擊穿特性比較圖。圖6是是本發(fā)明提供的新型CSTBT與傳統(tǒng)CSTBT在常溫下的導(dǎo)通特性比較圖。圖7是是本發(fā)明提供的新型CSTBT與傳統(tǒng)CSTBT在常溫下關(guān)斷時陽極電流變化趨勢比較圖。圖8是本發(fā)明提供的新型CSTBT與傳統(tǒng)CSTBT在溝槽邊緣處的一維電場分布比較示意圖。圖5至圖8中Conventional CSTBT是指傳統(tǒng)載流子溝槽雙極型晶體管，NewCSTBT是指本發(fā)明提供的變形槽柵介質(zhì)載流子溝槽雙極型晶體管。
具體實(shí)施例方式一種變形槽柵介質(zhì)的CSTBT器件，其元胞結(jié)構(gòu)如圖2 4所示，包括金屬有源發(fā)射極
1、金屬柵電極2、金屬集電極3、N+有源區(qū)4、P型基區(qū)5、P+體區(qū)6、柵介質(zhì)層7、N型載流子存儲層8、N-漂移區(qū)9、N+電場終止層10、P+集電區(qū)11和多晶硅柵極12 ;金屬化集電極3位于P+集電區(qū)11的背面，N+電場終止層10位于P+集電區(qū)11的正面，N-漂移區(qū)9在N+電場終止層10的上方；N+有源區(qū)4和P+體區(qū)6相互接觸且并排位于金屬有源發(fā)射極I的下方并與金屬有源發(fā)射極I相連；P型基區(qū)5位于N+有源區(qū)4和體P+區(qū)6的下方，N型載流子存儲層8位于P型基區(qū)5和N-漂移區(qū)9之間；柵極結(jié)構(gòu)為溝槽型柵，包括金屬柵電極
2、柵介質(zhì)層7和多晶硅柵極12，多晶硅柵極12向下穿過N+有源區(qū)4、P型基區(qū)5和N型載流子存儲層8并延伸入N-漂移區(qū)9，多晶硅柵極12的上表面與金屬柵電極2相連，多晶硅柵極12的側(cè)面及地面被柵介質(zhì)層7包圍，柵介質(zhì)層7的側(cè)壁分別與N+有源區(qū)4、P型基區(qū)
5、N型載流子存儲層8和N-漂移區(qū)9接觸。所述P型基區(qū)5下方的柵介質(zhì)層7的側(cè)壁以及底部的厚度大于P型基區(qū)5以上的柵介質(zhì)層7的側(cè)壁的厚度。一種可變槽柵氧的CSTBT，以示意圖2為例，其具體實(shí)現(xiàn)方法包括選取N型〈100〉晶向區(qū)熔單晶襯墊，場氧化，普注載流子存儲層N，普注P body基區(qū)，N+有源區(qū)注入，刻蝕深槽，淀積柵氧化層，先各向同性腐蝕形成上面部分矩形狀多晶硅溝槽柵，然后各向異性腐蝕形成倒三角形多晶硅溝槽柵，P+體區(qū)注入，沉積發(fā)射極金屬，發(fā)射極金屬曝光與刻蝕，背面點(diǎn)場終止層注入，背面P+發(fā)射區(qū)注入及退火，背面金屬化，鈍化等等。在實(shí)施的過程中，根據(jù)具體器件的設(shè)計要求，上述技術(shù)方案中，需要進(jìn)一步說明的是，滿足P型基區(qū)5下方的柵介質(zhì)層7的側(cè)壁以及底部的厚度大于P型基區(qū)5以上的柵介質(zhì)層7的側(cè)壁的厚度條件時，多晶硅柵極12的底部剖面形狀可以是倒三角形(如圖2所示)、 階梯形(如圖3所示)或圓弧形。具體實(shí)施時，柵介質(zhì)層7材料可采用Si02、Si3N4、Hf02或苯并環(huán)丁烯。制作器件時還可用碳化硅、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
1.一種變形槽柵介質(zhì)的CSTBT器件，其元胞結(jié)構(gòu)包括金屬有源發(fā)射極(I)、金屬柵電極(2)、金屬集電極(3)、N+有源區(qū)(4)、P型基區(qū)(5)、P+體區(qū)(6)、柵介質(zhì)層(7)、N型載流子存儲層(8)、N-漂移區(qū)(9)、N+電場終止層(10)、P+集電區(qū)(11)和多晶硅柵極(12);金屬化集電極(3)位于P+集電區(qū)(11)的背面，N+電場終止層(10)位于P+集電區(qū)(11)的正面，N-漂移區(qū)(9)在N+電場終止層(10)的上方；N+有源區(qū)(4)和P+體區(qū)(6)相互接觸且并排位于金屬有源發(fā)射極(I)的下方并與金屬有源發(fā)射極(I)相連；P型基區(qū)(5)位于N+有源區(qū)(4)和體P+區(qū)(6)的下方，N型載流子存儲層(8)位于P型基區(qū)(5)和N-漂移區(qū)(9)之間；柵極結(jié)構(gòu)為溝槽型柵，包括金屬柵電極(2)、柵介質(zhì)層(7)和多晶硅柵極12，多晶硅柵極(12)向下穿過N+有源區(qū)(4)、P型基區(qū)(5)和N型載流子存儲層(8)并延伸入N-漂移區(qū)(9)，多晶硅柵極(12)的上表面與金屬柵電極(2)相連，多晶硅柵極12的側(cè)面及地面被柵介質(zhì)層(7)包圍，柵介質(zhì)層(7)的側(cè)壁分別與N+有源區(qū)(4)、P型基區(qū)(5)、N型載流子存儲層(8)和N-漂移區(qū)(9)接觸； 其特征在于，所述P型基區(qū)(5)下方的柵介質(zhì)層(7)的側(cè)壁以及底部的厚度大于P型基區(qū)(5)以上的柵介質(zhì)層(7)的側(cè)壁的厚度。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的變形槽柵介質(zhì)的CSTBT器件，其特征在于，滿足P型基區(qū)(5)下方的柵介質(zhì)層(7)的側(cè)壁以及底部的厚度大于P型基區(qū)(5)以上的柵介質(zhì)層(7)的側(cè)壁的厚度條件時，多晶硅柵極(12)的底部剖面形狀是倒三角形、階梯形或圓弧形。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的變形槽柵介質(zhì)的CSTBT器件，其特征在于，所述柵介質(zhì)層(7)材料采用SiO2、Si3N4, HfO2或苯并環(huán)丁烯。
全文摘要
一種變形槽柵介質(zhì)的CSTBT器件，屬于半導(dǎo)體功率器件技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明在傳統(tǒng)CSTBT器件的基礎(chǔ)上，改變槽內(nèi)溝道區(qū)下方，即P型基區(qū)(5)下方柵介質(zhì)層(7)的形狀，使溝槽底部的多晶硅柵極12被更多的柵介質(zhì)層7所包圍，在基本不影響器件其他參數(shù)的情況下，可極大程度的提高器件的擊穿電壓，能更好的實(shí)現(xiàn)擊穿電壓與導(dǎo)通壓降的折中關(guān)系，進(jìn)一步優(yōu)器件的綜合性能。
文檔編號H01L29/739GK102779842SQ20121024874
公開日2012年11月14日 申請日期2012年7月18日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月18日
發(fā)明者任敏, 張波, 張金平, 李巍, 李澤宏, 李長安, 陳偉中 申請人:電子科技大學(xué)