本發(fā)明涉及半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域，具體說涉及一種絕緣柵雙極型晶體管及其構(gòu)造方法。

背景技術(shù)：

隨著半導(dǎo)體技術(shù)的不斷發(fā)展，絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)的應(yīng)用越來越廣泛。在現(xiàn)有技術(shù)中，為了優(yōu)化IGBT的通態(tài)壓降與關(guān)斷損耗，降低器件的功耗，一般采用載流子存儲(chǔ)層(空穴阻擋層)結(jié)構(gòu)，又稱N阱(N-Enhancement Layer及Carrier Storage N Layer)。通過在P-基區(qū)下方設(shè)置一個(gè)N阱(載流子存儲(chǔ)層)來包圍P-基區(qū)，在該處形成一個(gè)空穴的勢(shì)壘，阻擋導(dǎo)通狀態(tài)下空穴被發(fā)射極電極的抽取，并增大了發(fā)射極電子注入，從而增強(qiáng)了該處的電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，降低了通態(tài)壓降。又因?yàn)檫@不依賴增加背部集電極的空穴注入來實(shí)現(xiàn)，從而可以對(duì)背部空穴注入效率進(jìn)行優(yōu)化，進(jìn)而降低關(guān)斷損耗。

一般地，“阱”結(jié)構(gòu)的引入使得器件的制造工藝變得復(fù)雜，需要進(jìn)行多次摻雜工藝。另外，多次摻雜的協(xié)同優(yōu)化難度很大，總體工藝成本顯著增加。

因此，為了簡(jiǎn)化IGBT的制造工藝，降低總體工藝成本，需要一種新的IGBT構(gòu)造方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了簡(jiǎn)化IGBT的制造工藝，降低總體工藝成本，本發(fā)明提供了一種絕緣柵雙極型晶體管構(gòu)造方法，所述方法包括以下步驟：

制備所述晶體管的襯底，采用P型擴(kuò)散工藝在所述襯底上構(gòu)造P型擴(kuò)散區(qū)，使得所述P型擴(kuò)散區(qū)的結(jié)深大于/等于所述晶體管的溝槽的深度；

制作溝槽刻蝕窗口，完成溝槽刻蝕、柵氧化層制作以及多晶硅柵填充以形成溝槽柵結(jié)構(gòu)；

制作N+源極區(qū)的注入窗口，完成所述N+源極區(qū)的注入摻雜以形成所述N+ 源極區(qū)；

刻蝕發(fā)射極金屬接觸窗口；

利用高能離子注入使得特定深度的所述P型擴(kuò)散區(qū)反型從而在所述P型擴(kuò)散區(qū)內(nèi)部構(gòu)造N阱層，所述N阱層將所述P型擴(kuò)散區(qū)分成上下兩個(gè)相互隔離的部分，其中，上部分為P-基區(qū)，下部分為P阱層；

執(zhí)行后續(xù)工藝完成所述晶體管的構(gòu)造。

在一實(shí)施例中，通過增加所述P型擴(kuò)散工藝的高溫推進(jìn)時(shí)間使得所述P型擴(kuò)散區(qū)的結(jié)深大于/等于所述晶體管的溝槽的深度。

在一實(shí)施例中，在構(gòu)造所述N阱層的過程中：

令所述N阱層的濃度峰值大于所述P阱層的濃度峰值；

令所述N阱層的濃度峰值小于所述P-基區(qū)的濃度峰值。

在一實(shí)施例中，在將所述特定位置的所述P型擴(kuò)散區(qū)反型為所述N阱層的過程中，所述N阱層的摻雜濃度高于所述特定位置的所述P型擴(kuò)散區(qū)的摻雜濃度。

在一實(shí)施例中，在構(gòu)造所述N阱層的過程中，控制所述N阱層的注入深度使得從所述發(fā)射極金屬接觸窗口打進(jìn)去的離子在退火后剛好能夠?qū)⑵湎路降乃鯬阱層打通。

在一實(shí)施例中，在構(gòu)造所述發(fā)射極金屬接觸窗口的過程中，控制所述發(fā)射極金屬接觸窗口的深度使得所述P阱層的結(jié)深與所述發(fā)射極金屬接觸窗口的深度相同。

本發(fā)明還提出了一種絕緣柵雙極型晶體管，所述晶體管包含溝槽柵結(jié)構(gòu)、發(fā)射極金屬接觸窗口、N+源極區(qū)、P-基區(qū)、N阱層、P阱層和襯底，其中：

所述發(fā)射極金屬接觸窗口被構(gòu)造在所述晶體管最上層，所述N+源極區(qū)構(gòu)造在所述P-基區(qū)上方所述發(fā)射極金屬接觸窗口旁邊；

所述P-基區(qū)構(gòu)造在所述N阱層上方，所述N阱層構(gòu)造在所述P阱層上方，所述N阱層將所述P-基區(qū)與所述P阱層相互隔離且所述N阱層在所述發(fā)射極金屬接觸窗口下方呈U形；

所述溝槽柵結(jié)構(gòu)貫穿所述P-基區(qū)以及N阱層到達(dá)所述P阱層；

所述襯底位于所述晶體管最下部，所述P阱層包圍所述溝槽柵結(jié)構(gòu)底部與所述襯底相接。

在一實(shí)施例中，所述N阱層的濃度峰值大于所述P阱層的濃度峰值，所述N 阱層的濃度峰值小于所述P-基區(qū)的濃度峰值。

在一實(shí)施例中，所述N阱層在所述發(fā)射極金屬接觸窗口下方與所述襯底相接。

在一實(shí)施例中，所述P阱層的結(jié)深與所述發(fā)射極金屬接觸窗口的深度相同。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的方法在不改變IGBT的基本結(jié)構(gòu)、不降低IGBT的性能的基礎(chǔ)上大大簡(jiǎn)化了工藝流程，從而降低了總體工藝成本以及工藝難度；同時(shí)，本發(fā)明的方法各個(gè)步驟均可以采用現(xiàn)有工藝技術(shù)完成，不需要增加新的工藝設(shè)備，因而本發(fā)明的方法實(shí)現(xiàn)成本以及實(shí)現(xiàn)難度都很低，具有較大的推廣價(jià)值。

本發(fā)明的其它特征或優(yōu)點(diǎn)將在隨后的說明書中闡述。并且，本發(fā)明的部分特征或優(yōu)點(diǎn)將通過說明書而變得顯而易見，或者通過實(shí)施本發(fā)明而被了解。本發(fā)明的目的和部分優(yōu)點(diǎn)可通過在說明書、權(quán)利要求書以及附圖中所特別指出的步驟來實(shí)現(xiàn)或獲得。

附圖說明

附圖用來提供對(duì)本發(fā)明的進(jìn)一步理解，并且構(gòu)成說明書的一部分，與本發(fā)明的實(shí)施例共同用于解釋本發(fā)明，并不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的限制。在附圖中：

圖1是根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的方法流程圖；

圖2-圖6分別是根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例構(gòu)造IGBT過程中不同階段的IGBT基板剖面結(jié)構(gòu)示意圖；

圖7是根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例構(gòu)造的IGBT基板剖面結(jié)構(gòu)示意圖；

圖8是根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例構(gòu)造的IGBT基板剖面結(jié)構(gòu)摻雜濃度變化示意圖。

具體實(shí)施方式

以下將結(jié)合附圖及實(shí)施例來詳細(xì)說明本發(fā)明的實(shí)施方式，借此本發(fā)明的實(shí)施人員可以充分理解本發(fā)明如何應(yīng)用技術(shù)手段來解決技術(shù)問題，并達(dá)成技術(shù)效果的實(shí)現(xiàn)過程并依據(jù)上述實(shí)現(xiàn)過程具體實(shí)施本發(fā)明。需要說明的是，只要不構(gòu)成沖突，本發(fā)明中的各個(gè)實(shí)施例以及各實(shí)施例中的各個(gè)特征可以相互結(jié)合，所形成的技術(shù)方案均在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。

N阱結(jié)構(gòu)能夠有效地降低溝槽柵IGBT的通態(tài)壓降(功耗)，特別是高濃度N阱結(jié)構(gòu)。但是高濃度N阱會(huì)犧牲器件的耐壓性能，為了優(yōu)化功耗-耐壓的矛盾 關(guān)系，需要設(shè)置P阱結(jié)構(gòu)來保護(hù)溝槽底部的區(qū)域，以降低該處在耐壓下的電場(chǎng)強(qiáng)度，改善器件的耐壓特性。然而，P阱結(jié)構(gòu)的加入使得溝槽柵IGBT的正面需要進(jìn)行4次摻雜工藝，使得制造工藝變得復(fù)雜，4次摻雜的協(xié)同優(yōu)化難度很大，總體工藝成本增加。

為了簡(jiǎn)化IGBT的制造工藝，降低總體工藝成本，本發(fā)明提出了一種IGBT構(gòu)造方法。接下來基于流程圖描述本發(fā)明一實(shí)施例的方法實(shí)施流程。雖然在流程圖中示出了各步驟的邏輯順序，但是在某些情況下，可以以不同于此處的順序執(zhí)行所示出或描述的步驟。

在本發(fā)明一實(shí)施例中，如圖1所示，首先執(zhí)行步驟S100，制備襯底步驟，制備IGBT的襯底(N-襯底)。然后執(zhí)行步驟S110，構(gòu)造P型擴(kuò)散區(qū)步驟，構(gòu)造IGBT芯片正面的P型擴(kuò)散區(qū)。為保證IGBT的正常功能，需要P型擴(kuò)散區(qū)的結(jié)深大于/等于晶體管的溝槽的深度。具體的，在本實(shí)施例中，通過增加所述P型擴(kuò)散工藝的高溫推進(jìn)時(shí)間使得P型擴(kuò)散區(qū)的結(jié)深大于/等于晶體管的溝槽的深度。

另外，基于擴(kuò)散工藝，P型擴(kuò)散區(qū)的摻雜濃度呈現(xiàn)高斯分布，從上表面起由上到下逐漸減小。即，P型擴(kuò)散區(qū)的摻雜濃度從上表面起由上到下逐漸減小。在本發(fā)明中，保證P型擴(kuò)散區(qū)最下部的摻雜濃度達(dá)到IGBT的P阱結(jié)構(gòu)的摻雜濃度。

具體的，如圖2所示，采用P型擴(kuò)散工藝在IGBT基板的N-襯底200上構(gòu)造P型擴(kuò)散區(qū)210。P型擴(kuò)散區(qū)210的深度201大于晶體管的溝槽的深度202。

接下來執(zhí)行步驟S111，構(gòu)造溝槽柵結(jié)構(gòu)步驟。具體的，在步驟S111中，在IGBT基板上制作溝槽刻蝕窗口，完成溝槽刻蝕、柵氧化層制作以及多晶硅柵填充以形成溝槽柵結(jié)構(gòu)。如圖3所示，在P型擴(kuò)散區(qū)210中構(gòu)造溝槽柵結(jié)構(gòu)，其溝槽深度為202，即P型擴(kuò)散區(qū)210的邊界到達(dá)甚至包圍著溝槽柵底部。在圖3中221、222、223以及224為多晶硅柵，220為柵氧化層。

接下來執(zhí)行步驟S112，構(gòu)造N+源極區(qū)步驟。制作N+源極區(qū)的注入窗口，完成N+源極區(qū)的注入摻雜以形成N+源極區(qū)。如圖4所示，構(gòu)造N+源極區(qū)230。

接著執(zhí)行步驟S113，構(gòu)造發(fā)射極金屬接觸窗口步驟，在IGBT基板上特定位置(N+源極區(qū)旁邊)刻蝕發(fā)射極金屬接觸窗口。如圖5所示，在IGBT基板上N+源極區(qū)230旁邊刻蝕發(fā)射極金屬接觸窗口240。

由于在本實(shí)施例中，溝槽柵結(jié)構(gòu)(多晶硅柵221、222、223以及224，柵氧化層220)、N+源極區(qū)230以及發(fā)射極金屬接觸窗口240的位置、成分等特征與 現(xiàn)有技術(shù)中的溝槽柵結(jié)構(gòu)、N+源極區(qū)以及發(fā)射極金屬接觸窗口一致，因此采用現(xiàn)有工藝技術(shù)構(gòu)造溝槽柵結(jié)構(gòu)、N+源極區(qū)230以及發(fā)射極金屬接觸窗口240。具體構(gòu)造過程細(xì)節(jié)就不再贅述。另外，在本實(shí)施例中的IGBT結(jié)構(gòu)中，多晶硅柵221以及224為假柵，多晶硅柵222以及223為有效柵極。

接下來執(zhí)行步驟S120，構(gòu)造N阱層步驟。在步驟S120中，利用高能離子注入使得特定深度(此處的深度有IGBT的具體功能結(jié)構(gòu)決定)的P型擴(kuò)散區(qū)反型從而在P型擴(kuò)散區(qū)內(nèi)部構(gòu)造N阱層。這樣，N阱層就將P型擴(kuò)散區(qū)分成上下兩個(gè)相互隔離的部分，其中，上部分為P-基區(qū)，下部分為P阱層。

具體的，在將特定深度的P型擴(kuò)散區(qū)反型為N阱層的過程中，令N阱層的摻雜濃度高于特定深度的P型擴(kuò)散區(qū)的摻雜濃度從而實(shí)現(xiàn)P型擴(kuò)散區(qū)的反型。最終構(gòu)造的N阱層的濃度峰值大于P阱層的濃度峰值且N阱層的濃度峰值小于P-基區(qū)的濃度峰值。

在構(gòu)造N阱層的過程中，由于發(fā)射極金屬接觸窗口的存在且該接觸窗口呈U型。因此在構(gòu)造N阱層的過程中，從表面進(jìn)行注入的N型離子，到達(dá)硅體內(nèi)時(shí)也呈現(xiàn)U型結(jié)構(gòu)。這就使得整個(gè)N阱層在發(fā)射極金屬接觸窗口下方呈U形，并且該U型結(jié)構(gòu)的深度就是發(fā)射極金屬接觸窗口的深度。

進(jìn)一步的，在構(gòu)造N阱層的過程中，控制N阱層的注入深度使得從發(fā)射極金屬接觸窗口打進(jìn)去的離子在退火后剛好能夠?qū)⑵湎路降腜阱層打通。這樣就能增大IGBT器件在開通狀態(tài)下的電子通路，并平衡電子注入(通態(tài)壓降)與耐壓的關(guān)系。

具體的，為了實(shí)現(xiàn)上述結(jié)構(gòu)，在構(gòu)造N阱層的過程中，控制N阱層的注入深度使得P阱層的結(jié)深與發(fā)射極金屬接觸窗口的深度相同。由于整個(gè)N阱層在發(fā)射極金屬接觸窗口下方的U型結(jié)構(gòu)的深度就是發(fā)射極金屬接觸窗口的深度(U型結(jié)構(gòu)的高度差保持不變)，因此如果P阱層的結(jié)深就等于U型結(jié)構(gòu)的高度差的話，則擴(kuò)散之后形成N阱層結(jié)構(gòu)剛好能將P阱層在特定位置打通。

在圖2-圖5所示的P型擴(kuò)散區(qū)210中構(gòu)造N阱層，最終結(jié)果如圖6所示，圖2-圖5中的P型擴(kuò)散區(qū)210被由上自下劃分為P-基區(qū)212、N阱層211以及P阱層213三層。N阱層211使得P-基區(qū)212和P阱層213相互隔離。P阱層213的結(jié)深232與發(fā)射極金屬接觸窗口的深度231相同。N阱層211在發(fā)射極金屬接觸窗口240下方呈U形且直接接觸到N-襯底200。

至此IGBT器件的主要結(jié)構(gòu)基本完成。最后執(zhí)行步驟S130，執(zhí)行后續(xù)工藝完成IGBT器件的構(gòu)造。由于在本實(shí)施例中，步驟S130中的后續(xù)工藝均采用現(xiàn)有技術(shù)，這里就不再贅述。完成后的基本結(jié)構(gòu)如圖7所示，240為P+歐姆接觸區(qū)，250為發(fā)射極金屬電極。

這里需要補(bǔ)充說明的是，圖2-圖7只是粗略描繪根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的IGBT基板在構(gòu)造過程中各個(gè)結(jié)構(gòu)的基本位置關(guān)系。如無特別指出，圖2-圖7中所描繪的各個(gè)結(jié)構(gòu)的深度比例關(guān)系并不能完全代表實(shí)際情況。另外，各個(gè)結(jié)構(gòu)的具體結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)并沒有在圖中仔細(xì)描繪。圖2-圖7中沒有繪制的細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)并不代表根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的IGBT基板不存在該結(jié)構(gòu)。

綜上，根據(jù)本發(fā)明的方法，在主要的工藝流程中，通過3次摻雜工藝(步驟110、步驟S112以及步驟S120)即可完成P阱層、N阱層、P-基區(qū)及N+源極區(qū)的4層結(jié)構(gòu)的制作，即采用步驟110以及步驟S120就完成了P阱層、N阱層以及P-基區(qū)。

相較于現(xiàn)有技術(shù)的分別用4次摻雜工藝完成4層結(jié)構(gòu)的方法，本發(fā)明的方法在不改變IGBT的基本結(jié)構(gòu)、不降低IGBT的性能的基礎(chǔ)上大大簡(jiǎn)化了工藝流程，從而降低了總體工藝成本以及工藝難度。同時(shí)，本發(fā)明的方法各個(gè)步驟均可以采用現(xiàn)有工藝技術(shù)完成，不需要增加新的工藝設(shè)備，因而本發(fā)明的方法實(shí)現(xiàn)成本以及實(shí)現(xiàn)難度都很低，具有較大的推廣價(jià)值。

基于本發(fā)明的方法，本發(fā)明還提出了一種絕緣柵雙極型晶體管。晶體管的基本結(jié)構(gòu)包含溝槽柵結(jié)構(gòu)、發(fā)射極金屬接觸窗口、N+源極區(qū)、P-基區(qū)、N阱層、P阱層和襯底。其中，N+源極區(qū)、P-基區(qū)、N阱層以及P阱層為4個(gè)摻雜區(qū)。

如圖7所示，發(fā)射極金屬接觸窗口被構(gòu)造在晶體管最上層，在發(fā)射極金屬接觸窗口構(gòu)造有P+歐姆接觸區(qū)240以及發(fā)射極金屬電極250。

N+源極區(qū)230構(gòu)造在P-基區(qū)212上方發(fā)射極金屬接觸窗口旁邊。P-基區(qū)212構(gòu)造在N阱層211上方，N阱層211構(gòu)造在P阱層213上方。P阱層213的結(jié)深與發(fā)射極金屬接觸窗口的深度相同。N阱層211將P-基區(qū)212與P阱層213相互隔離。N阱層211在發(fā)射極金屬接觸窗口(P+歐姆接觸區(qū)240以及發(fā)射極金屬電極250)下方呈U形并且與襯底200相接。

溝槽柵結(jié)構(gòu)(多晶硅柵221、222、223以及224，柵氧化層220)貫穿P-基區(qū)212以及N阱層211到達(dá)P阱層213(多晶硅柵221以及224為假柵，多晶硅 柵222以及223為有效柵極，其中，在本發(fā)明其他實(shí)施例中，假柵的數(shù)量不限，也可以不構(gòu)造假柵)。襯底200位于晶體管最下部，P阱層213包圍溝槽柵結(jié)構(gòu)底部與襯底200相接。

由于本發(fā)明的方法主要是采用擴(kuò)散工藝構(gòu)造P型擴(kuò)散區(qū)，然后利用高能離子注入將P型擴(kuò)散區(qū)中間的一段反型以構(gòu)成N阱層211，從而構(gòu)造出由上自下的P-基區(qū)212、N阱層211以及P阱層213三層。因此在本發(fā)明的IGBT結(jié)構(gòu)中，N阱層211的摻雜濃度的濃度峰值大于P阱層213的濃度峰值，N阱層211的濃度峰值小于P-基區(qū)212的濃度峰值。

具體如圖8所示，圖8為圖7中虛線AB方向上IGBT各結(jié)構(gòu)層摻雜濃度變化示意圖。在圖8中，縱坐標(biāo)為摻雜濃度(由上到下依次降低)，橫坐標(biāo)為深度(由左到右依次加大)，801、802、803以及804分別代表4個(gè)不同的深度。坐標(biāo)圖上的曲線被801、802、803以及804分成5個(gè)部分。0～801、801～802、802～803、803～804以及804之后分別表示的是N+源極區(qū)230、P-基區(qū)212、N阱層211、P阱層213以及襯底200的摻雜濃度變化情況。

由圖8可以看到，如果將802～803的部分拉平，從801到804可以看作是一條平滑的曲線，摻雜濃度隨深度增加而減少。其表現(xiàn)的正是最初構(gòu)造的P型擴(kuò)散區(qū)210的摻雜濃度變化情況。利用離子注入將P型擴(kuò)散區(qū)210的一段(802～803)反型即構(gòu)成N阱層211。在N阱層211上方為P-基區(qū)212(801～802)，下方為P阱層213(803～804)。N阱層211(802～803)的摻雜濃度的濃度峰值大于P阱層213(803～804)的濃度峰值，小于P-基區(qū)212(801～802)的濃度峰值。

雖然本發(fā)明的IGBT與現(xiàn)有技術(shù)的IGBT的基本結(jié)構(gòu)、性能基本相同。但是相較現(xiàn)有技術(shù)，制備本發(fā)明的IGBT的工藝流程被大大簡(jiǎn)化。從而總體工藝成本以及工藝難度被大大降低。同時(shí)，本發(fā)明的方法各個(gè)步驟均可以采用現(xiàn)有工藝技術(shù)完成，不需要增加新的工藝設(shè)備，因而本發(fā)明的方法實(shí)現(xiàn)成本以及實(shí)現(xiàn)難度都很低，具有較大的推廣價(jià)值。

雖然本發(fā)明所公開的實(shí)施方式如上，但所述的內(nèi)容只是為了便于理解本發(fā)明而采用的實(shí)施方式，并非用以限定本發(fā)明。本發(fā)明所述的方法還可有其他多種實(shí)施例。在不背離本發(fā)明實(shí)質(zhì)的情況下，熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員當(dāng)可根據(jù)本發(fā)明作出各種相應(yīng)的改變或變形，但這些相應(yīng)的改變或變形都應(yīng)屬于本發(fā)明的權(quán)利要求的保護(hù)范圍。