本發(fā)明涉及功率器件領(lǐng)域，具體地說涉及一種雙向耐壓的絕緣柵雙極晶體管結(jié)構(gòu)。

背景技術(shù)：

逆阻型絕緣柵雙極型晶體管(RB-IGBT)是一種新型的IGBT器件，它是將IGBT元胞結(jié)構(gòu)與耐高壓的二極管元胞結(jié)構(gòu)集成到同一個(gè)芯片上，具有雙向耐壓能力。由于現(xiàn)在常規(guī)的IGBT器件，為了實(shí)現(xiàn)通態(tài)壓降和關(guān)斷損耗之間良好的折中關(guān)系，在集電極上部都會(huì)有一個(gè)高摻雜的場(chǎng)截止(FS)層，由于高摻雜FS層的存在，在反向耐壓時(shí)，元胞背面是不能夠耐壓的，因此逆阻型絕緣柵雙極晶體管采用的都是外延的非穿通(NPT)結(jié)構(gòu)，使得IGBT的厚度相對(duì)較大，器件的通態(tài)壓降較大，增加了損耗。同時(shí)，較大外延層厚度也使得終端結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)更加困難，從而增加了工藝難度和成本，比如，擴(kuò)散隔離終端需要更長(zhǎng)時(shí)間推進(jìn)硼離子，改進(jìn)RB-IGBT的漂移區(qū)有望減小IGBT的厚度。

外延層厚度較大，使得器件的通態(tài)壓降增大，損耗增加，且終端結(jié)構(gòu)的工藝難度和成本也相應(yīng)增加。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

(一)要解決的技術(shù)問題

基于以上問題，本發(fā)明提供了一種雙向耐壓的絕緣柵雙極晶體管漂移區(qū)結(jié)構(gòu)，用于減小RB-IGBT的厚度，解決現(xiàn)有器件通態(tài)壓降大、損耗大、制作工藝難度大和成本高的問題。

(二)技術(shù)方案

本發(fā)明提出一種雙向耐壓的絕緣柵雙極晶體管結(jié)構(gòu)，包括一單晶襯底，兩個(gè)P柱區(qū)和一N型外延層，其中：

所述單晶襯底為刻蝕有等距離凹槽的多個(gè)凹槽的襯底的一個(gè)單元；

所述兩個(gè)P柱區(qū)外延形成于所述單晶襯底的凹槽中；

所述N型外延層形成于單晶襯底和兩個(gè)P柱區(qū)的頂端。

上述單晶襯底、兩個(gè)P柱區(qū)和N型外延層共同構(gòu)成雙向耐壓的絕緣柵雙極晶體管的漂移區(qū)。

上述兩個(gè)P柱區(qū)材料的摻雜濃度與單晶襯底的摻雜濃度相同。

上述N型外延層是在單晶襯底和兩個(gè)P柱區(qū)上經(jīng)刻蝕和CMP平整化后外延生長(zhǎng)得到的。

上述N型外延層的摻雜濃度與單晶襯底的摻雜濃度相同。

上述雙向耐壓的絕緣柵雙極晶體管結(jié)構(gòu)，在單晶襯底的下方還包括一P⁺集電區(qū)和一集電極，其中集電極位于P⁺集電區(qū)下方。

上述雙向耐壓的絕緣柵雙極晶體管結(jié)構(gòu)，在N型外延層上方還包括一p基區(qū)、兩個(gè)多晶硅柵極、兩個(gè)柵氧化層、兩個(gè)N⁺源區(qū)、一P⁺基區(qū)、一發(fā)射極。

上述N型外延層上表面具有Trench結(jié)構(gòu)，且Trench結(jié)構(gòu)與兩個(gè)P柱區(qū)相隔離。

上述單晶襯底的兩側(cè)凹槽等寬，其總寬度與凹槽間距離相等。

上述雙向耐壓的絕緣柵雙極晶體管結(jié)構(gòu)的制備方法與傳統(tǒng)的IGBT正面和背面工藝相同。

(三)有益效果

本發(fā)明具有以下有益效果：

1、本發(fā)明利用電荷補(bǔ)償原理在漂移區(qū)中引入異性電荷，從而在高耐壓的前提下，減小了漂移區(qū)的厚度；

2、絕緣柵雙極晶體管結(jié)構(gòu)中漂移區(qū)的厚度減小，且P⁺柱區(qū)與晶體管上表面不相連，無論在正向還是反向時(shí)都可以相互耗盡，實(shí)現(xiàn)了雙向的耐壓；

3、高摻雜和更薄的漂移區(qū)使得通態(tài)壓降減小，降低了通態(tài)損耗，同時(shí)降低了終端結(jié)構(gòu)的工藝難度和成本。

附圖說明

圖1是雙向耐壓的絕緣柵雙極晶體管結(jié)構(gòu)；

圖2是襯底刻蝕凹槽后的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是單晶襯底的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4是填充單晶襯底凹槽形成P柱區(qū)后的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5是生長(zhǎng)N型外延層后的結(jié)構(gòu)示意圖。

【附圖標(biāo)記說明】

1-多晶硅柵極； 2-柵氧化層；

3-P柱區(qū)； 4-P⁺集電區(qū)；

5-P⁺基區(qū)； 6-N⁺源區(qū)；

7-發(fā)射極； 8-單晶襯底；

9-集電極； 10-N型外延層；

11-P基區(qū)

具體實(shí)施方式

如圖1所示，本發(fā)明提出一種雙向耐壓的絕緣柵雙極晶體管結(jié)構(gòu)，包括一多晶硅柵極1、兩個(gè)柵氧化層2、兩個(gè)P柱區(qū)3、一P⁺集電區(qū)4、一P⁺基區(qū)5、一N⁺源區(qū)6、一發(fā)射極7、一單晶襯底8、一集電極9、一N型外延層10和一P基區(qū)11。

其中單晶襯底8、兩個(gè)P柱區(qū)和N型外延層10構(gòu)成雙相耐壓的絕緣柵雙極晶體管結(jié)構(gòu)的漂移區(qū)。兩個(gè)P柱區(qū)3被單晶襯底8和N型外延層10完全隔離，既不與元胞上部的基區(qū)接觸，也不與元胞底部的集電極區(qū)接觸。同時(shí)，兩個(gè)P柱區(qū)3的摻雜濃度和單晶襯底、N型外延層的摻雜濃度相同。

該雙向耐壓的絕緣柵雙極晶體管結(jié)構(gòu)的漂移區(qū)摻雜濃度高于傳統(tǒng)的外延層濃度，且整體的外延層厚度小于傳統(tǒng)外延層的厚度，因此，器件處于導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)可以明顯降低導(dǎo)通電阻。在漂移區(qū)中引入摻雜性質(zhì)相反的異性摻雜區(qū)兩個(gè)P柱區(qū)3后，在耐壓時(shí)，可以和單晶襯底8的雜質(zhì)相互耗盡，形成近似的本征層，使縱向電場(chǎng)平坦分布從而提高擊穿電壓。

該雙向耐壓的絕緣柵雙極晶體管結(jié)構(gòu)在正向耐壓時(shí)，空間電荷區(qū)從正面的N型外延層向外拓展，由于N型外延層10使得兩個(gè)P柱區(qū)3與P基區(qū)相隔離，則N型外延層中的N型雜質(zhì)可以和兩個(gè)P柱區(qū)3的P型雜質(zhì)相互補(bǔ)償，從而提高擊穿電壓；在反向耐壓時(shí)，由于單晶襯底使得兩個(gè)P柱區(qū)3與P⁺集電區(qū)4隔離，空間電荷區(qū)從單晶襯底8的底部開始拓展，也可以與兩個(gè)P柱區(qū)3相互耗盡形成耐壓層，具備雙向耐壓能力。

漂移區(qū)厚度的減小，使得通態(tài)壓降減小，晶體管的終端結(jié)構(gòu)加工工藝難度和成本降低。

為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照附圖，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。

實(shí)施例

如圖1所示，一種雙向耐壓的絕緣柵雙極晶體管結(jié)構(gòu)，包括一多晶硅柵極1、兩個(gè)柵氧化層2、兩個(gè)P柱區(qū)3、一P⁺集電區(qū)4、一P⁺基區(qū)5、一N⁺源區(qū)6、一發(fā)射極7、一單晶襯底8、一集電極9、一N型外延層10和一P基區(qū)11。

其中單晶襯底8、兩個(gè)P柱區(qū)和N型外延層10構(gòu)成雙相耐壓的絕緣柵雙極晶體管結(jié)構(gòu)的漂移區(qū)。該結(jié)構(gòu)的工藝實(shí)現(xiàn)方式和現(xiàn)有的技術(shù)相兼容，除漂移區(qū)外，本實(shí)施例中雙向耐壓的絕緣柵雙極晶體管結(jié)構(gòu)的其他部分制備工藝與現(xiàn)有的技術(shù)相同。在此詳細(xì)介紹其制備過程，其制備過程如下：

S1、如圖2所示，以襯底為起始材料，在襯底材料上涂抹一層光刻膠，厚度為2μm，掩模曝光并進(jìn)行深槽刻蝕，刻蝕深度為5μm，形成等間距的多個(gè)凹槽，凹槽寬度與凹槽間距離相等；

S2、如圖3所示，取襯底的一個(gè)單元作為單晶襯底8，進(jìn)行后續(xù)工藝；

S3、如圖4所示，對(duì)單晶襯底8的凹槽進(jìn)行犧牲氧化，氧化厚度為50nm；隨后刻蝕掉氧化層，進(jìn)行外延填充形成兩個(gè)P⁺柱區(qū)，填充的雜質(zhì)類型為P⁺，摻雜濃度和單晶襯底的摻雜濃度相同；

S4、如圖5所示，對(duì)單晶襯底8凹槽外部分和兩個(gè)P⁺柱區(qū)進(jìn)行CMP平整化，隨后外延生長(zhǎng)N型外延層10，N型外延層材料的摻雜濃度和單晶襯底的摻雜濃度相同；

S5、對(duì)N型外延層10進(jìn)行溝槽柵的溝槽刻蝕形成Trench結(jié)構(gòu)，刻蝕深度取決于IGBT的需求，一般在5μm到10μm左右；

S6、進(jìn)行溝槽柵的犧牲氧化，形成二氧化硅層，其厚度為50nm，通過刻蝕進(jìn)行表面平整化，制備柵氧化層2，厚度為100nm左右；

S7、進(jìn)行多晶硅的填充，形成多晶硅柵極1；

S8、根據(jù)IGBT的設(shè)計(jì)要求和閾值電壓的目標(biāo)，設(shè)計(jì)離子注入的劑量和能量以及推進(jìn)時(shí)間和溫度進(jìn)行離子注入，形成P基區(qū)11；

S9、然后進(jìn)行N⁺源區(qū)6的制備，注入的劑量和能量根據(jù)需求設(shè)計(jì)，然后進(jìn)行高溫推進(jìn)；

S10、為了抑制栓鎖而進(jìn)行P⁺摻雜，即P⁺基區(qū)5的制備；

S11、淀積磷硅玻璃并回流，進(jìn)行刻蝕接觸孔和歐姆接觸，形成正面電極7，完成正面工藝；

S12、進(jìn)行背面工藝，首先進(jìn)行背面減薄，根據(jù)不同的需求，設(shè)計(jì)背面P+注入的能量和劑量進(jìn)行離子注入形成P⁺集電區(qū)4；

S13、進(jìn)行背面退火，退火時(shí)間和溫度為450度和60分鐘，最后進(jìn)行背面蒸金(Al/Ti/Ni/Ag)，形成背面集電極9，完成器件制備。

以上所述的具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說明，應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。