一種電子注入增強型的高壓igbt及其制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于電力半導(dǎo)體器件技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種電子注入增強型的高壓IGBT，本發(fā)明還涉及該種電子注入增強型的高壓IGBT制造方法。
【背景技術(shù)】
[0002]高壓IGBT在發(fā)展中需要解決的關(guān)鍵技術(shù)問題之一，就是降低通態(tài)時的飽和電壓。在現(xiàn)有的平面柵IGBT和溝槽柵IGBT結(jié)構(gòu)中，通常引入載流子存儲(CS)層，以產(chǎn)生電子注入增強效應(yīng)，從而增加導(dǎo)通期間的電導(dǎo)調(diào)制，達(dá)到降低飽和電壓的目的。
[0003]但是，對平面柵IGBT結(jié)構(gòu)而言，采用CS層雖能有效的降低飽和電壓，并具有較高的短路能力，但在高溫下仍很容易發(fā)生閂鎖，導(dǎo)致器件的可靠性下降。對溝槽柵IGBT結(jié)構(gòu)而言，雖然可以有效的抑制閂鎖效應(yīng)，但為了獲得較高短路能力需要寬柵間距，導(dǎo)致元胞密度減小，電流容量下降；同時由于溝槽較深，導(dǎo)致工藝成本較高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于提供一種電子注入增強型的高壓IGBT，采用了溝槽-平面柵和載流子存儲層，能夠有效降低其飽和電壓，能很好地滿足高壓大功率開關(guān)的應(yīng)用要求。
[0005]本發(fā)明的另一目的還在于提供該種電子注入增強型的高壓IGBT制造方法，使器件的結(jié)構(gòu)設(shè)計和制作的自由度增大，并有較為簡單的制作工藝。
[0006]本發(fā)明采用的技術(shù)方案是，一種電子注入增強型的高壓IGBT，包括作為η漂移區(qū)的η硅襯底，在η硅襯底的上方中間部位開有溝槽，在溝槽內(nèi)和兩側(cè)的平面部分有厚度相同的柵氧化層，在柵氧化層上方設(shè)置有一個T型的多晶硅層，稱為溝槽-平面柵極G ;在溝槽-平面柵極G兩側(cè)的η硅襯底上各設(shè)置有一個P基區(qū)，并通過柵氧化層與溝槽-平面柵極G隔離，在每個P基區(qū)內(nèi)設(shè)置有一個η+發(fā)射區(qū)，每側(cè)的η +發(fā)射區(qū)上表面與所在的P基區(qū)短路分別形成一個發(fā)射極E ;在11漂移區(qū)上方與兩側(cè)P基區(qū)底部相接處，分別設(shè)置有分立的η載流子存儲層；在η漂移區(qū)下方設(shè)置有η場阻止層，在η場阻止層下方設(shè)置有P+集電區(qū)，在P+集電區(qū)的下方設(shè)置有集電極C。
[0007]本發(fā)明采用的另一技術(shù)方案是，一種上述的電子注入增強型的高壓IGBT制造方法，該方法按以下步驟進(jìn)行:
[0008]步驟1:在經(jīng)過處理的<100>η型硅襯底背面，先采用磷離子注入，退火兼推進(jìn)，形成η場阻止層；
[0009]步驟2:在η場阻止層表面，再采用硼離子注入，退火兼推進(jìn)，形成ρ+集電區(qū)；
[0010]步驟3:通過熱氧化在η娃襯底表面生長一層S1 2掩蔽層；
[0011]步驟4:沿η硅襯底上端中間部位縱向設(shè)定溝槽的窗口，利用反應(yīng)離子刻蝕方式刻蝕出淺溝槽；
[0012]步驟5:腐蝕掉S12掩蔽層，重新熱生長柵氧化層，并淀積多晶硅，采用表面平坦化方法，形成表面平整的多晶硅層；
[0013]步驟6:刻蝕多晶硅柵和柵氧化層，形成柵極G ;
[0014]步驟7:采用硼離子注入，退火兼推進(jìn)，在表面形成P基區(qū)；
[0015]步驟8:采用高能磷離子注入，退火兼推進(jìn)，在P基區(qū)正下方與η娃襯底相接處形成分立的η載流子存儲層；
[0016]步驟9:采用磷離子注入，退火兼推進(jìn)，在P基區(qū)表面形成η+發(fā)射區(qū)；
[0017]步驟10:進(jìn)行電極制備、劃片、封裝，即成。
[0018]本發(fā)明的有益效果是，本發(fā)明電子注入增強型的高壓IGBT以下簡稱CS-TP-1GBT，采用了溝槽-平面柵和載流子存儲層，能夠有效降低其飽和電壓，能很好地滿足高壓大功率開關(guān)的應(yīng)用要求。
【附圖說明】
[0019]圖1是現(xiàn)有的具有載流子存儲層的平面柵IGBT結(jié)構(gòu)剖面示意圖；
[0020]圖2是現(xiàn)有的溝槽-平面柵IGBT結(jié)構(gòu)剖面示意圖；
[0021]圖3是本發(fā)明注入增強型高壓IGBT(CS-TP-1GBT)的結(jié)構(gòu)剖面示意圖；
[0022]圖4是本發(fā)明CS-TP-1GBT結(jié)構(gòu)的等效電路示意圖；
[0023]圖5是本發(fā)明CS-TP-1GBT與現(xiàn)有的TP-1GBT和CS-1GBT在相同的結(jié)構(gòu)參數(shù)下正向阻斷特性模擬曲線比較；
[0024]圖6是本發(fā)明CS-TP-1GBT與現(xiàn)有的TP-1GBT和CS-1GBT在相同的結(jié)構(gòu)參數(shù)下導(dǎo)通特性模擬曲線比較；
[0025]圖7為本發(fā)明CS-TP-1GBT與現(xiàn)有的TP-1GBT和CS-1GBT在相同結(jié)構(gòu)參數(shù)和外電路條件下的開通特性模擬曲線比較；
[0026]圖8為本發(fā)明CS-TP-1GBT與現(xiàn)有的TP-1GBT和CS-1GBT在相同結(jié)構(gòu)參數(shù)和外電路條件下的關(guān)斷特性模擬曲線比較；
[0027]圖9是本發(fā)明CS-TP-1GBT與現(xiàn)有TP-1GBT和CS-1GBT在相同結(jié)構(gòu)參數(shù)下的1-V特性模擬曲線隨溫度的變化比較；
[0028]圖10是本發(fā)明CS-TP-1GBT阻斷電壓隨溝槽臺面寬度Wni的變化曲線；
[0029]圖11是本發(fā)明CS-TP-1GBT阻斷電壓隨溝槽深度dt的變化曲線；
[0030]圖12是本發(fā)明CS-TP-1GBT阻斷電壓隨存儲層濃度Ncs的變化曲線；
[0031]圖13是本發(fā)明CS-TP-1GBT阻斷電壓隨存儲層厚度Wcs的變化曲線；
[0032]圖14是本發(fā)明CS-TP-1GBT導(dǎo)通特性隨溝槽臺面寬度Wni的變化曲線；
[0033]圖15是本發(fā)明CS-TP-1GBT導(dǎo)通特性隨溝槽深度dt的變化曲線；
[0034]圖16是本發(fā)明CS-TP-1GBT導(dǎo)通特性隨存儲層濃度Ncs的變化曲線；
[0035]圖17是本發(fā)明CS-TP-1GBT導(dǎo)通特性隨存儲層厚度Wcs的變化曲線。
【具體實施方式】
[0036]下面結(jié)合附圖和【具體實施方式】對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。
[0037]參照圖1，現(xiàn)有的CS-1GBT結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電溝道在表面，其長度由P基區(qū)和n+發(fā)射區(qū)擴散的橫向結(jié)深之差決定。此外，在P基區(qū)的下方有一個濃度稍高于η漂移區(qū)的η載流子存儲層。
[0038]參照圖2，現(xiàn)有的TP-1GBT結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電溝道也在表面，只是在兩個P基區(qū)之間的η漂移區(qū)上方設(shè)置了一個淺溝槽，且溝槽深度小于P基區(qū)的深度，溝槽寬度小于兩側(cè)P基區(qū)之間的間距。
[0039]參照圖3，本發(fā)明的電子注入增強型的高壓IGBT結(jié)構(gòu)是，包括作為η漂移區(qū)的η硅襯底，在η硅襯底的上方中間部位開有(淺的)溝槽，在溝槽內(nèi)和兩側(cè)的平面部分有厚度相同的柵氧化層，在柵氧化層上方設(shè)置有一個T型的多晶硅層，稱為溝槽-平面柵極G ;在溝槽-平面柵極G兩側(cè)的η硅襯底上各設(shè)置有一個P基區(qū)，并通過柵氧化層與溝槽-平面柵極G隔離，在每個P基區(qū)內(nèi)設(shè)置有一個η+發(fā)射區(qū)，每側(cè)的η +發(fā)射區(qū)上表面與所在的P基區(qū)短路分別形成一個發(fā)射極E ;在11漂移區(qū)上方與兩側(cè)P基區(qū)底部相接處，分別設(shè)置有分立的η載流子存儲層(簡稱CS);在η漂移區(qū)下方設(shè)置有η場阻止層，在η場阻止層下方設(shè)置有P+集電區(qū)，在P+集電區(qū)的下方設(shè)置有集電極C。
[0040]圖1-圖3中從下向上均有三個ρη結(jié)，分別稱為J1, J2, J3結(jié)。
[0041]將圖3與圖1、圖2對比可見，本發(fā)明的結(jié)構(gòu)中包括了 η載流子存儲層和溝槽_平面柵，在現(xiàn)有的TP-1GBT結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，保持原有溝槽-平面柵極、P基區(qū)、η+發(fā)射區(qū)、η漂移區(qū)及其下方的η場阻止層、ρ+集電區(qū)結(jié)構(gòu)不變，特別的，在兩個P基區(qū)與η漂移區(qū)之間分別設(shè)置了一個類似于CS-1GBT結(jié)構(gòu)中的η載流子存儲層，其他區(qū)域均沒有明顯變化。
[0042]本發(fā)明的CS-TP-1GBT的參數(shù)控制范圍是:
[0043]溝槽的形狀為矩形槽，底部拐角處光滑，溝槽深度小于ρ基區(qū)的結(jié)深(深度)，溝槽寬度小于兩側(cè)P基區(qū)的間距，并且P基區(qū)的表面距溝槽側(cè)壁臺面寬度為I?2 μπι。
[0044]η載流子存儲層的濃度為I X 115?5 X 10 15cm 3時，η載流子存儲層的厚度為2?3 μ m0
[0045]本發(fā)明的CS-TP-1GBT的工作原理是，
[0046]如圖3所示，本發(fā)明的高壓IGBT結(jié)構(gòu)，當(dāng)在CS-TP-1GBT兩端加上正向電壓(UCE>0)時，J2結(jié)反偏，承擔(dān)正向阻斷電壓。由于載流子存儲層的濃度高于η漂移區(qū)，導(dǎo)致其阻斷電壓有所下降。同時由于存在淺溝槽，可以將J2結(jié)彎曲處集中的電場轉(zhuǎn)移到溝槽的底部，來彌補載流子存儲層對器件阻斷電壓的影響；
[0047]當(dāng)在CS-TP-1GBT柵極G加上高于閾值電壓的正柵壓(USE>UT)時，溝道在ρ基區(qū)的表面形成，同時溝槽側(cè)壁會形成電子積累區(qū)，η+發(fā)射區(qū)會通過溝道和積累區(qū)向η漂移區(qū)注入電子，導(dǎo)致J1結(jié)更加正偏，于是集電區(qū)會向η漂移區(qū)注入空穴。注入的一部分空穴會與由η+發(fā)射區(qū)過來的電子復(fù)合，另一部分空穴只能通過η+發(fā)射區(qū)正下方的ρ基區(qū)而流入發(fā)射極。由于存在η載流子存儲層，使得ρ基區(qū)與η載流子存儲層之間處形成了一個空穴勢皇，該勢皇會阻止空穴順利通過ρ基區(qū)，于是這部分空穴便會在淺溝槽和存儲層下方的η漂移區(qū)內(nèi)積累。為了保證η漂移區(qū)的電中性，η+發(fā)射區(qū)便會向η漂移區(qū)注入更多的電子。與現(xiàn)有TP-1GBT和CS-1GBT相比，本發(fā)明的CS-TP-1GBT由于有淺溝槽和存儲層的雙重作用，會使電子注入增強效應(yīng)更加劇烈，由此加強了 η漂移區(qū)的電導(dǎo)調(diào)制，導(dǎo)致器件整體具有更低的飽和電壓；
[0048]當(dāng)在CS-TP-1GBT柵極G加上負(fù)柵壓(USE〈0)時，CS-TP-1GBT的關(guān)斷則與TP-1GBT和CS-1GBT完全相同。首先，ρ基區(qū)表面的溝道消失，切斷了電子的來源，然后，η漂移區(qū)的非平衡載流子將會通過自行復(fù)合和集-射極外加正電壓的抽取而逐漸減小，直到所有的非平衡載流子完全消失，CS-TP-1GBT才徹底關(guān)斷。
[0049]圖4為本發(fā)明的CS-TP-1GBT的等效電路，可見，本發(fā)明的CS-TP-1GBT器件相當(dāng)于一個由MOSFET控制的pnp晶體管和pin 二極管的并聯(lián)電路。
[0050]模擬驗證
[0051]為了評價本發(fā)明CS-TP-1GBT的特性，以6.5kV電壓等級為例，根據(jù)圖3建立了結(jié)構(gòu)模型，利用ISE仿真軟件對CS-TP-1GBT在常溫和高溫下的正向阻斷特性、導(dǎo)通特性、開關(guān)特性及1-V特性分別進(jìn)行了仿真，并與具有相同結(jié)構(gòu)參數(shù)(即當(dāng)存儲層厚度Wes為O時，CS-TP-1GBT結(jié)構(gòu)與TP-1GBT結(jié)構(gòu)完全相同；當(dāng)溝槽深度屯為O時，CS-TP-1GBT結(jié)