消除闩锁效应的沟槽型绝缘栅双极型晶体管器件结构及方法

xiaoxiao2020-8-1  8

消除闩锁效应的沟槽型绝缘栅双极型晶体管器件结构及方法
【专利摘要】本发明公开了一种增强绝缘栅双极型晶体管IGBT可靠性的器件结构,在N型衬底上有P型离子注入的低基极电阻区;在N型衬底背面通过P型离子注入形成有绝缘栅双极型晶体管IGBT的集电极;在所述低基极电阻区内,通过挖槽与P型外延填充的方式形成有P型外延区;所述P型外延区中间刻蚀和多晶硅淀积的方式形成有沟槽栅;所述沟槽栅内侧形成有栅氧化层隔离多晶硅栅极与沟槽;所述沟槽栅两侧的P型外延区里通过N型离子注入形成缘区,通过接触孔连接,构成绝缘栅双极型晶体管IGBT的发射极。本发明通过新的工艺整合,把降低器件元包区基极电阻的工艺和调制阈值电压的工艺分割开来,达到完全降低基极电阻的目的,并且不影响器件阈值电压的调制,使得绝缘栅双极型晶体管IGBT器件通过电流能力可以大大增强,提高器件的鲁棒性。
【专利说明】消除闩锁效应的沟槽型绝缘栅双极型晶体管器件结构及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种半导体器件结构及方法。
【背景技术】
[0002]绝缘栅双极型晶体管IGBT是一种大功率的电力电子器件,特别是大于1200伏以上的绝缘栅双极型晶体管IGBT,正面导通的电流往往大于50安培以上,特别是对于深沟槽型的绝缘栅双极型晶体管IGBT,电流密度大,P型体区和N型源区紧挨,为了防止闩锁效应在N型源区附近,需要额外增加一层光罩,专门进行硼注入并进行推阱,从而降低基极电阻,但剂量注入太大或者推阱过深,又容易造成阈值电压偏离,注入剂量偏小或者推阱较浅,即使静态闩锁效应能避免,但在大电流下面动态闩锁现象也容易发生,造成器件损坏。在静态阈值电压和闩锁之间达到平衡的工艺窗口不够大,器件特性也不够稳定。

【发明内容】

[0003]本发明所要解决的技术问题是提供一种消除闩锁效应的沟槽型绝缘栅双极型晶体管器件结构及方法,它可以达到完全降低基极电阻的目的,并且不影响器件阈值电压的调制,使得绝缘栅双极型晶体管IGBT器件通过电流能力可以大大增强,提高器件的鲁棒性。
[0004]为了解决以上技术问题,本发明提供了一种增强绝缘栅双极型晶体管IGBT可靠性的器件结构,其特征是:在N型衬底上有P型离子注入的低基极电阻区;在N型衬底背面通过P型离子注入形成有绝缘栅双极型晶体管IGBT的集电极;在所述低基极电阻区内,通过挖槽与P型外延填充的方式形成有P型外延区;所述P型外延区中间刻蚀和多晶硅淀积的方式形成有沟槽栅;所述沟槽栅内侧形成有栅氧化层隔离多晶硅栅极与沟槽;所述沟槽栅两侧的P型外延区里通过N型离子注入形成缘区,通过接触孔连接,构成绝缘栅双极型晶体管IGBT的发射极。
[0005]本发明的有益效果在于:通过新的工艺整合,把降低器件元包区基极电阻的工艺和调制阈值电压的工艺分割开来,达到完全降低基极电阻的目的,并且不影响器件阈值电压的调制,使得绝缘栅双极型晶体管IGBT器件通过电流能力可以大大增强,提高器件的鲁棒性。
[0006]本发明还提供了一种制造增强绝缘栅双极型晶体管IGBT结构的方法,包括以下步骤:
[0007]步骤一、在元包区进行硼离子的注入和推阱;
[0008]步骤二、在元包区里面挖沟槽,填掺杂外延;
[0009]步骤三、在外延区里面挖沟槽,生长栅氧层,填多晶硅栅;
[0010]步骤四、在多晶栅的两边分别注入磷,制作源极;
[0011]步骤五、背面注入硼离子并推阱,形成背面阳极,并用金属引出。[0012]所述步骤一中硼离子的注入剂量在1E13之1E15/平方厘米之间,推阱的温度在950度和1200度之间,时间在半小时和10小时之间。
[0013]所述步骤二中在元包区里面挖沟槽的深度在I微米和5微米之间,宽度在I微米和5微米之间。
[0014]所述步骤二中在沟槽里面填外延的浓度在1E13至1E14/平方厘米之间。
[0015]所述步骤三中生长栅氧的温度在950摄氏度和1150摄氏度之间,栅氧的厚度在900埃至1200埃之间。
[0016]所述步骤四中多晶硅的磷浓度在1E14至5E15个/平方厘米。
[0017]所述步骤四中多晶硅的厚度在5000埃至15000埃之间。
[0018]所述步骤四中源极中磷的体浓度为5E14至1E15/平方厘米。
[0019]所述步骤四中用金属把栅极和源极引出,金属的厚度大于2微米。
【专利附图】

【附图说明】
[0020]下面结合附图和【具体实施方式】对本发明作进一步详细说明。
[0021]图1是说明在元包区利用有源区定义版进行硼离子注入和推肼,形成低的基极电阻区的示意图;
[0022]图2是利用体区定义版进行浅沟槽的刻蚀的示意图;
[0023]图3是在体区槽里面成长P型外延的示意图;
[0024]图4是在P型外延里面刻蚀栅沟槽的示意图;
[0025]图5是在沟槽里成长栅氧的示意图;
[0026]图6是在沟槽栅里面填充多晶硅的示意图;
[0027]图7是在多晶硅栅两侧注入N型源极的示意图;
[0028]图8是正面用金属把栅极和源极引出的示意图;
[0029]图9是减薄后,背面注入形成集电极的示意图;
[0030]图10是用金属把背面阳极引出的示意图;
[0031]图11是本发明所述绝缘栅双极型晶体管IGBT示意图。
【具体实施方式】
[0032]现有工艺中直接用P阱来调节器件的基极电阻和阈值电压。而本发明介绍了一种能够消除闩锁效应的沟槽型绝缘栅双极型晶体管IGBT器件结构和工艺方法,主要目的是通过新的工艺整合,把降低器件元包区基极电阻的工艺和调制阈值电压的工艺分割开来,达到完全降低基极电阻的目的,并且不影响器件阈值电压的调制,使得绝缘栅双极型晶体管IGBT器件通过电流能力可以大大增强,提高器件的鲁棒性。
[0033]1.在现有的绝缘栅双极型晶体管IGBT工艺中利用现有的有源区光刻版进行注入硼离子的注入并进行高温推阱形成基极区,基极电阻仅取决于硼离子注入的浓度和硼离子所经历的热预算。
[0034]2.在元包区利用体区光刻版进行浅沟槽的刻蚀,并进行P型掺杂外延的成长。
[0035]3.P型外延掺杂的载流子浓度取决于阈值电压的大小。
[0036]4.然后在外延区进行栅沟槽的刻蚀,沟槽栅的深度一定要大于体区的深度,以保证正常MOS器件的工作状态正常。
[0037]5.在栅沟槽里面长栅氧,其厚度取决于栅氧的隔离电压和阈值电压的大小。
[0038]6.继续在栅沟槽里成长N型的多晶硅,多晶硅的厚度和浓度取决于阈值电压和栅驱动电阻的大小。
[0039]通过把体区和栅沟槽分开调整的工艺的发明,形成了一种完全消除闩锁效应的绝缘栅双极型晶体管IGBT器件结构,该工艺发明即能完全降低元包区的基极电阻又能独立调整阈值电压,同时也利用有源区定义的光刻版了,节约了一层光刻工艺,能完全消除闩锁效应,提高器件电流承载能力,增强了绝缘栅双极型晶体管IGBT器件的动态能力和雪崩耐量能力。
[0040]1.一种新型有增强绝缘栅双极型晶体管IGBT可靠性器件结构(如图11),其特征是:
[0041]沟道体区的体浓度和基极电阻之间不受影响,独立调试。
[0042]2.如图1在元包区利用有源区定义光刻版进行硼离子的注入和推阱;
[0043]3.调整,硼离子的注入剂量在1E13之1E15之间,推阱的温度在950度和1200度之间,时间在半小时和10小时之间;
[0044]4.如图2利用P型体区光刻版,在元包区里面挖沟槽,填掺杂外延(如图3);
[0045]5.调整刻蚀工艺,在元包区里面挖沟槽的深度在I微米和5微米之间,宽度在I微米和5微米之间;
[0046]6.在沟槽里面填外延的浓度在1E13至1E14/平方厘米之间;
[0047]7.利用沟槽栅定义光刻版在外延区里面挖沟槽,长栅氧,填多晶硅栅(如图4和图5);
[0048]8.调节炉管工艺使得栅氧的温度在950摄氏度和1150摄氏度之间,栅氧的厚度在900埃至1200埃之间;
[0049]9.调节炉管工艺使得多晶硅的磷浓度在1E14至5E15个每平方厘米,多晶硅的厚度在5000埃至15000埃之间(如图6);
[0050]10.结合源定义版在多晶栅的两边分别注入磷,做源(如图7);
[0051]11.调整注入工艺,源中磷的体浓度为5E14至1E15每平方厘米;
[0052]12.器件形成后,在后段工艺中用金属把栅极和源极引出,金属的厚度大于2微米;
[0053]13.硅片减薄后,进行背面注入硼离子并推阱,形成背面阳极,并用金属引出(如图11)。
[0054]本发明并不限于上文讨论的实施方式。以上对【具体实施方式】的描述旨在于为了描述和说明本发明涉及的技术方案。基于本发明启示的显而易见的变换或替代也应当被认为落入本发明的保护范围。以上的【具体实施方式】用来揭示本发明的最佳实施方法,以使得本领域的普通技术人员能够应用本发明的多种实施方式以及多种替代方式来达到本发明的目的。
【权利要求】
1.一种增强绝缘栅双极型晶体管IGBT可靠性的器件结构,其特征是:在N型衬底上有P型离子注入的低基极电阻区; 在N型衬底背面通过P型离子注入形成有绝缘栅双极型晶体管IGBT的集电极; 在所述低基极电阻区内,通过挖槽与P型外延填充的方式形成有P型外延区; 所述P型外延区中间刻蚀和多晶硅淀积的方式形成有沟槽栅; 所述沟槽栅内侧形成有栅氧化层隔离多晶硅栅极与沟槽; 所述沟槽栅两侧的P型外延区里通过N型离子注入形成缘区,通过接触孔连接,构成绝缘栅双极型晶体管IGBT的发射极。
2.一种制造如权利要求1所述的增强绝缘栅双极型晶体管IGBT结构的方法,其特征在于,包括以下步骤: 步骤一、在元包区进行硼离子的注入和推阱; 步骤二、在元包区里面挖沟槽,填掺杂外延; 步骤三、在外延区里面挖沟槽,生长栅氧层,填多晶硅栅; 步骤四、在多晶栅的两边分别注入磷,制作源极; 步骤五、背面注入硼离子并推阱,形成背面阳极,并用金属引出。
3.如权利要求2所述的制造增强绝缘栅双极型晶体管IGBT结构的方法,其特征在于,所述步骤一中硼离子的注入剂量在1E13之1E15之间,推阱的温度在950度和1200度之间,时间在半小时和10小时之间。
4.如权利要求3所述的制造增强绝缘栅双极型晶体管IGBT结构的方法,其特征在于,所述步骤二中在元包区里面挖沟槽的深度在I微米和5微米之间,宽度在I微米和5微米之间。
5.如权利要求4所述的制造增强绝缘栅双极型晶体管IGBT结构的方法,其特征在于,所述步骤二中在沟槽里面填外延的浓度在1E13至1E14之间。
6.如权利要求5所述的制造增强绝缘栅双极型晶体管IGBT结构的方法,其特征在于,所述步骤三中生长栅氧的温度在950和1150度之间,栅氧的厚度在900埃至1200埃之间。
7.如权利要求6所述的制造增强绝缘栅双极型晶体管IGBT结构的方法,其特征在于,所述步骤四中多晶硅的磷浓度在1E14至5E15个/平方厘米。
8.如权利要求7所述的制造增强绝缘栅双极型晶体管IGBT结构的方法,其特征在于,所述步骤四中多晶硅的厚度在5000埃至15000埃之间。
9.如权利要求8所述的制造增强绝缘栅双极型晶体管IGBT结构的方法,其特征在于,所述步骤四中源极中磷的体浓度为5E14至1E15/平方厘米。
10.如权利要求9所述的制造增强绝缘栅双极型晶体管IGBT结构的方法,其特征在于,所述步骤四中用金属把栅极和源极引出,金属的厚度大于2微米。
【文档编号】H01L29/739GK103681818SQ201210336632
【公开日】2014年3月26日 申请日期:2012年9月12日 优先权日:2012年9月12日
【发明者】胡晓明 申请人:上海华虹宏力半导体制造有限公司

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