一種絕緣柵雙極型晶體管及其制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及半導(dǎo)體器件技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種絕緣柵雙極型晶體管及其制造方法。
【背景技術(shù)】
[0002]理想功率開關(guān)器件應(yīng)有如下特性:開關(guān)處于關(guān)斷狀態(tài)時，流過的漏電流為零；開關(guān)處于導(dǎo)通時，開關(guān)的電壓降為零；開關(guān)的關(guān)斷狀態(tài)和導(dǎo)通狀態(tài)的切換時間為零。在實際電路中，為了工作電路的簡化，理想開關(guān)的驅(qū)動電流應(yīng)該為零。
[0003]IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)絕緣柵雙極型晶體管，是由 BJT(雙極型三極管)和MOS(絕緣柵型場效應(yīng)管)組成的電壓驅(qū)動式半導(dǎo)體器件，兼有MOSFET的高輸入阻抗和BJT的低導(dǎo)通壓降兩方面的優(yōu)點。BJT飽和壓降低，載流子密度大，但驅(qū)動電流較大；M0SFET驅(qū)動功率小，開關(guān)速度快，但導(dǎo)通壓降大，載流子密度小。絕緣柵雙極型晶體管綜合了以上兩種器件的優(yōu)點，驅(qū)動電路簡單、驅(qū)動電流小，同時導(dǎo)通壓降小。非常適合用于直流高壓的變流系數(shù)如變頻器、開關(guān)電源等領(lǐng)域。
[0004]以N型溝道IGBT為例，如圖1所示，P型集電極2和N-型漂移區(qū)4形成的pn結(jié)內(nèi)建電場方向指向集電極，阻礙電子從N-型漂移區(qū)進去集電區(qū)。在導(dǎo)通過程中，電子從柵下反型溝道注入到N-型漂移區(qū)，內(nèi)建電場使得漂移區(qū)中的載流子密度變大，降低了通態(tài)壓降。而同時，在關(guān)斷過程中，由于內(nèi)建電場阻礙過剩載流子抽取，造成電流拖尾，增大了關(guān)斷損耗。N-漂移區(qū)內(nèi)的過剩載流子的數(shù)量越多，通態(tài)壓降越低，而關(guān)斷損耗相應(yīng)增大。因此，IGBT在通態(tài)壓降和關(guān)斷損耗間存在折衷關(guān)系。
[0005]為緩解通態(tài)壓降與關(guān)斷損耗之間的矛盾關(guān)系，尋找更合適的折衷點，目前提出了一些改進型的IGBT。穿通型IGBT與非傳統(tǒng)型IGBT相比，通過在N-漂移區(qū)底端引入N型緩沖層，N型緩沖層與P型集電極相接。在相同耐壓下，穿通型IGBT可以大幅度減薄N-漂移區(qū)厚度，降低了通態(tài)壓降。槽型柵IGBT相對于平面柵IGBT，具有溝道密度高，沒有JFET效應(yīng)，有效改善了通態(tài)壓降和關(guān)斷損耗的這種關(guān)系。CSTBT(Carrier Stored Trench-gateBipolar Transistor，載流子存儲槽型雙極型晶體管)是一種新型的IGBT，兼具以上兩種器件的優(yōu)勢。該種IGBT如圖2所示，在位于兩側(cè)槽柵之間的P-body基區(qū)底部引入N型CS層(Carrier Stored layer，載流子存儲層)5，其濃度高于N-漂移區(qū)濃度，形成擴散勢，阻止空穴從N-漂移區(qū)向上流出器件。為了保持電中性，相應(yīng)數(shù)量的電子通過溝道流入N-漂移區(qū)，從而增大整體的過剩載流子濃度，降低導(dǎo)通壓降。CS層濃度越高，形成的擴散勢越高，導(dǎo)通壓降越低。但高濃度的CS層會導(dǎo)致器件的正向耐壓比較低，CS濃度不可能無限高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明所要解決的，就是針對上述問題，提出一種絕緣柵雙極型晶體管及其制造方法。
[0007]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:
[0008]一種絕緣柵雙極型晶體管，如圖3所示，包括從下往上依次設(shè)置的金屬化集電極
1、P型集電極區(qū)2、N型緩沖層3、N-漂移區(qū)4、N型CS層5和P-body區(qū)8 ;所述P-body區(qū)8上表面具有金屬化發(fā)射極11 ;所述器件還具有槽柵結(jié)構(gòu)，所述槽柵結(jié)構(gòu)由柵氧化層6、多晶硅柵7和金屬化柵電極10組成，所述多晶硅柵7位于柵氧化層6中，所述柵氧化層6沿器件垂直方向穿過P-body區(qū)8和N型CS層5后與N-漂移區(qū)4連接，所述金屬化柵電極10位于多晶硅柵7上表面；所述P-body區(qū)8上層具有發(fā)射極N+區(qū)12，所述發(fā)射極N+區(qū)12與柵氧化層6的側(cè)面連接；其特征在于，所述P-body區(qū)中具有N型重?fù)诫s層9，所述N型重?fù)诫s層9與柵氧化層6的側(cè)面連接。
[0009]本發(fā)明總的技術(shù)方案，通過設(shè)置在P-body區(qū)中的N型重?fù)诫s層9，使器件成為深埋發(fā)射極溝槽型IGBT，相當(dāng)于引入了達(dá)林頓管，如圖5所示，在開啟過程中，Jl所在的支路首先導(dǎo)通，電子注入到N-漂移區(qū)4，促使陽極P區(qū)向漂移區(qū)注入空穴，空穴經(jīng)外延P-body區(qū)到達(dá)陰極。隨著J2電流的增大，Rp兩端的壓降增大，使得達(dá)林頓管開啟。在導(dǎo)通狀態(tài)下，N型CS層5與P型外延區(qū)PN結(jié)的高空穴密度降低了導(dǎo)通電阻，關(guān)斷時更容易抽取N-漂移區(qū)4的空穴，從而降低了關(guān)斷時間和關(guān)斷損耗。
[0010]一種絕緣柵雙極型晶體管的制造方法，其特征在于，包括以下步驟:
[0011]第一步:采用N-單晶硅片，制備N-漂移區(qū)4 ；
[0012]第二步:在N-漂移區(qū)4上表面通過外延生長，形成N型CS層5 ；
[0013]第三步:在N型CS層5上表面通過外延生長，形成P-body區(qū)8 ；
[0014]第四步:在P-body區(qū)8上表面生長場氧化層13 ；
[0015]第五步:在P-body區(qū)8上刻蝕有源區(qū)；
[0016]第六步:采用反應(yīng)離子刻蝕工藝，在器件上刻蝕出柵槽14，所述柵槽14沿器件垂直方向穿過P-body區(qū)8和N型CS層5后與N-漂移區(qū)4連接；
[0017]第七步:在柵槽14中生長柵氧化層6 ;
[0018]第八步:在柵氧化層6中進行N+多晶硅淀積與刻蝕，形成多晶硅柵7 ;
[0019]第九步:采用離子注入工藝，在在P-body區(qū)8上層形成發(fā)射極N+區(qū)12，所述發(fā)射極N+區(qū)12與柵氧化層6側(cè)面連接；
[0020]第十步:采用高能離子注入工藝并退火，在P-body區(qū)8形成N型重?fù)诫s層9，所述N型重?fù)诫s層9與柵氧化層6側(cè)面連接；
[0021]第^^一步:在P-body區(qū)8上表面進行BPSG15的淀積與回流，并刻蝕出接觸孔16 ；
[0022]第十二步:正面金屬化，在P-body區(qū)8上表面形成金屬化發(fā)射極11和在多晶娃柵7上表面形成金屬化柵電極10 ；
[0023]第十三步:進行硅片背面減?。?br>[0024]第十四步:采用離子注入工藝，在N-漂移區(qū)4下層形成N型緩沖層3 ；
[0025]第十五步:采用離子注入工藝，在N型緩沖層3下層形成P型集電區(qū)2 ;
[0026]第十六步:背面金屬化，在P型集電區(qū)2下表面形成金屬化集電極I。
[0027]對于N型重?fù)诫s層9的生長，除了可以通過上述高能離子注入工藝以外，還能通過外延生長。具體的:
[0028]第一步:采用N-單晶硅片，制備N-漂移區(qū)4 ；
[0029]第二步:在N-漂移區(qū)4上表面通過外延生長，形成N型CS層5 ;
[0030]第三步:在N型CS層5上表面通過外延生長，生長一層較厚的P-body層，對淀積層表面進行離子注入，形成N型重?fù)诫s層，繼續(xù)淀積，形成P-body層；
[0031]本發(fā)明的有益效果為，能實現(xiàn)導(dǎo)通壓降降低，關(guān)斷能量損耗減小的效果，同時抽取載流子速度快，使得器件的功耗減小，可靠性增強，工作頻率增大。
【附圖說明】
[0032]圖1是常規(guī)非穿通型平面柵IGBT示意圖；
[0033]圖2是常規(guī)CSTBT示意圖；
[0034]圖3是本發(fā)明的IGBT小元胞結(jié)構(gòu)示意圖；
[0035]圖4是本發(fā)明的IGBT大元胞結(jié)構(gòu)示意圖；
[0036]圖5是本發(fā)明的IGBT的等效電路圖；
[0037]圖6是本發(fā)明的器件與傳統(tǒng)IGBT正向開啟特性的對比示意圖；
[0038]圖7是本發(fā)明的器件與傳統(tǒng)IGBT關(guān)斷損耗的對比圖；
[0039]圖8是本發(fā)明的器件與傳統(tǒng)IGBT關(guān)斷時電流隨時間變化的對比圖；
[0040]圖9是本發(fā)明的深埋發(fā)射極溝槽型IGBT的工藝流程示意圖；
[0041]圖10是本發(fā)明的制造工藝流程中制備N-漂移區(qū)后的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0042]圖11是本發(fā)明的制造工藝流程中通過離子注入N型雜質(zhì)推結(jié)形成CS層后的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0043]圖12是本發(fā)明的制造工藝流程中外延生長P-body區(qū)后的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0044]圖13是本發(fā)明的制造工藝流程中生長場氧化層后的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0045]圖14是本發(fā)明的制造工藝流程中刻蝕有源區(qū)后的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0046]圖15是本發(fā)明的制造工藝流程中刻蝕柵槽結(jié)構(gòu)后的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0047]圖16是本發(fā)明的制造工藝流程中生長柵氧化層后的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0048]圖17是本發(fā)明的制造工藝流程中淀積、刻蝕多晶硅柵后的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0049]圖18是本發(fā)明的制造工藝流程中形成發(fā)射極N+后的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0050]圖19是本發(fā)明的制造工藝流程中形成深埋發(fā)射極后的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0051]圖20是本發(fā)明的制造工藝流程中BPSG淀積與回流，刻蝕接觸孔后的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0052]圖21是