一種具有連通型存儲(chǔ)層的高壓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，涉及一種具有連通型存儲(chǔ)層的高壓IGBT，本發(fā)明還涉及該種具有連通型存儲(chǔ)層的高壓IGBT制造方法。
【背景技術(shù)】
[0002]IGBT的發(fā)展主要受制于其飽和電壓與阻斷電壓、關(guān)斷損耗及短路能力三者之間矛盾關(guān)系。若提高其阻斷電壓，飽和電壓必然也會(huì)隨之增加，導(dǎo)致通態(tài)功耗增大。若降低飽和電壓，關(guān)斷損耗則會(huì)隨之增加，同時(shí)抗短路能力也會(huì)下降，導(dǎo)致器件的可靠性下降。因此，高壓IGBT設(shè)計(jì)必須在保證阻斷電壓、關(guān)斷損耗及短路能力的前提下，盡可能地降低其飽和電壓。
[0003]現(xiàn)有的平面柵和溝槽柵IGBT結(jié)構(gòu)中，通常引入載流子存儲(chǔ)(CS)層，以產(chǎn)生電子注入增強(qiáng)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。但采用分立的CS層的作用效果較弱，對(duì)飽和壓降的降低幅度很有限。本發(fā)明提出了一種具有連通型存儲(chǔ)層的溝槽-平面柵高壓IGBT (以下簡(jiǎn)稱(chēng)CCS-TP-1GBT)，將能有效地克服上述的不足，能很好地滿(mǎn)足高壓大功率開(kāi)關(guān)的應(yīng)用要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于提供一種具有連通型存儲(chǔ)層的高壓IGBT，在保證高阻斷電壓的同時(shí)，能夠顯著降低器件的飽和電壓，同時(shí)對(duì)其短路能力的影響較小。
[0005]本發(fā)明的另一目的還在于提供該種具有連通型存儲(chǔ)層的高壓IGBT制造方法，器件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制作的自由度較大，制作工藝成本較低。
[0006]本發(fā)明采用的技術(shù)方案是，一種具有連通型存儲(chǔ)層的高壓IGBT，包括作為η漂移區(qū)的η硅襯底，在η硅襯底的上方中間開(kāi)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(gè)T型的多晶硅層，稱(chēng)為溝槽-平面柵極G ;在溝槽-平面柵極G兩側(cè)的η型硅襯底上各設(shè)置有一個(gè)P基區(qū)，并通過(guò)柵氧化層與平面柵極隔離，每個(gè)P基區(qū)內(nèi)設(shè)置有η+發(fā)射區(qū)，在η +發(fā)射區(qū)上表面與P基區(qū)短路構(gòu)成發(fā)射極E ;在整個(gè)有源區(qū)內(nèi)的η漂移區(qū)上方與P基區(qū)相接處，設(shè)置有連通的η存儲(chǔ)層；在η漂移區(qū)下方設(shè)置有η場(chǎng)阻止層，在η場(chǎng)阻止層下方設(shè)置有P+集電區(qū)，在P+集電區(qū)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，一種上述的具有連通型存儲(chǔ)層的高壓IGBT制造方法，該方法按以下步驟進(jìn)行:
[0008]步驟1:在經(jīng)過(guò)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(chǎng)阻止層；
[0009]步驟2:在η場(chǎng)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(guò)熱氧化在η娃襯底表面生長(zhǎng)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)離子刻蝕方法刻蝕出淺溝槽；
[0012]步驟5:腐蝕掉S12掩蔽層，重新熱生長(zhǎng)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)下方與η-襯底相接處形成連通型的η存儲(chǔ)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，該具有連通型存儲(chǔ)層的高壓IGBT在以下的文本中簡(jiǎn)稱(chēng)CCS-TP-1GBT，能顯著降低飽和電壓，提高抗閂鎖和抗短路的能力，并增加器件設(shè)計(jì)與制造的自由度；本發(fā)明高壓IGBT的制作方法較為簡(jiǎn)單，工藝成本低，便于推廣利用。
【附圖說(shuō)明】
[0019]圖1是現(xiàn)有的具有載流子存儲(chǔ)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CCS-TP-1GBT的結(jié)構(gòu)剖面示意圖；
[0022]圖4是本發(fā)明CCS-TP-1GBT結(jié)構(gòu)的等效電路示意圖；
[0023]圖5是本發(fā)明CCS-TP-1GBT與現(xiàn)有的TP-1GBT和CS-1GBT在相同的結(jié)構(gòu)參數(shù)下的正向阻斷特性模擬曲線(xiàn)比較；
[0024]圖6是本發(fā)明CCS-TP-1GBT與現(xiàn)有的TP-1GBT和CS-1GBT在相同的結(jié)構(gòu)參數(shù)下的導(dǎo)通特性模擬曲線(xiàn)比較；
[0025]圖7為本發(fā)明CCS-TP-1GBT與現(xiàn)有的TP-1GBT和CS-1GBT在相同的結(jié)構(gòu)參數(shù)下的開(kāi)通特性模擬曲線(xiàn)比較；
[0026]圖8為本發(fā)明CCS-TP-1GBT與現(xiàn)有的TP-1GBT和CS-1GBT在相同的結(jié)構(gòu)參數(shù)下的關(guān)斷特性模擬曲線(xiàn)比較；
[0027]圖9是本發(fā)明CCS-TP-1GBT與現(xiàn)有TP-1GBT和CS-1GBT在相同的結(jié)構(gòu)參數(shù)下1-V特性模擬曲線(xiàn)比較。
【具體實(shí)施方式】
[0028]下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。
[0029]參照?qǐng)D1，現(xiàn)有的CS-1GBT結(jié)構(gòu)是，導(dǎo)電溝道在表面，其長(zhǎng)度由P基區(qū)和η+發(fā)射區(qū)擴(kuò)散的橫向結(jié)深之差決定。此外，在P基區(qū)的下方有一個(gè)濃度稍高于η漂移區(qū)的η載流子存儲(chǔ)層。，
[0030]參照?qǐng)D2，現(xiàn)有的TP-1GBT結(jié)構(gòu)是，導(dǎo)電溝道也在表面，只是在兩個(gè)P基區(qū)之間的η漂移區(qū)上方設(shè)置了一個(gè)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。
[0031]參照?qǐng)D3，本發(fā)明具有連通型存儲(chǔ)層的高壓IGBT的結(jié)構(gòu)是，包括作為η漂移區(qū)的η硅襯底，在η硅襯底的上方中間開(kāi)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(gè)T型的多晶硅層，稱(chēng)為溝槽-平面柵極G ;在溝槽-平面柵極G兩側(cè)的η型硅襯底上各設(shè)置有一個(gè)P基區(qū)，并通過(guò)柵氧化層與平面柵極隔離，每個(gè)P基區(qū)內(nèi)設(shè)置有η+發(fā)射區(qū)，在η +發(fā)射區(qū)上表面與P基區(qū)短路構(gòu)成發(fā)射極E ;在整個(gè)有源區(qū)內(nèi)的η漂移區(qū)上方與P基區(qū)相接處，設(shè)置有連通的η存儲(chǔ)(CCS)層；在η漂移區(qū)下方設(shè)置有η場(chǎng)阻止層，在η場(chǎng)阻止層下方設(shè)置有P+集電區(qū)，在P+集電區(qū)下方設(shè)置有集電極C。
[0032]由此可見(jiàn)，本發(fā)明的CCS-TP-1GBT，是將現(xiàn)有的TP-1GBT和CS-1GBT相結(jié)合，并將ρ基區(qū)下方分立的存儲(chǔ)(CS)層改成連通型的存儲(chǔ)(CCS)層，其他區(qū)域均沒(méi)有變化。
[0033]圖1-圖3中從下向上均有三個(gè)ρη結(jié)，分別稱(chēng)為J1, J2, J3結(jié)。
[0034]本發(fā)明的CCS-TP-1GBT的參數(shù)控制范圍是:
[0035]溝槽的深度小于ρ基區(qū)的結(jié)深，溝槽的寬度小于兩側(cè)P基區(qū)的間距，且P基區(qū)的表面距溝槽側(cè)壁臺(tái)面寬度為I?2 μπι。
[0036]η存儲(chǔ)層的濃度為I X 115Cm 3?5 X 10 15cm 3，η存儲(chǔ)層的厚度為2?3 μ m。
[0037]本發(fā)明的CCS-TP-1GBT的工作原理是:
[0038]參照?qǐng)D3，當(dāng)在CCS-TP-1GBT兩端加上正向電壓(UCE>0)時(shí)，J2結(jié)反偏，承擔(dān)正向阻斷電壓，由于CS的濃度高于η漂移區(qū)，導(dǎo)致其阻斷電壓有所壓降；同時(shí)由于淺溝槽的存在，能夠?qū)2結(jié)彎曲處集中的電場(chǎng)轉(zhuǎn)移到溝槽的底部，有利于提高其阻斷電壓；所以淺溝槽能夠彌補(bǔ)存儲(chǔ)層對(duì)器件阻斷電壓的影響；
[0039]當(dāng)在CCS-TP-1GBT柵極G加上高于閾值電壓的正柵壓(USE>UT)時(shí)，溝道仍在ρ基區(qū)的表面形成，同時(shí)溝槽側(cè)壁會(huì)形成電子積累區(qū)，η+發(fā)射區(qū)會(huì)通過(guò)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)向η漂移區(qū)注入空穴，注入的空穴一部分會(huì)與發(fā)射區(qū)過(guò)來(lái)的電子復(fù)合，另一部分會(huì)通過(guò)η+發(fā)射區(qū)正下方的ρ基區(qū)而流入發(fā)射極，由于存在連通的載流子存儲(chǔ)層，使得P基區(qū)與η載流子存儲(chǔ)層之間處形成了一個(gè)空穴勢(shì)皇，會(huì)阻止空穴從此順利通過(guò)，于是會(huì)在連通型存儲(chǔ)層下方的η漂移區(qū)內(nèi)會(huì)產(chǎn)生空穴積累，導(dǎo)致電子注入增強(qiáng)效應(yīng)顯著加強(qiáng)，使器件具有更低的飽和電壓；
[0040]當(dāng)在CCS-TP-1GBT柵極G加上負(fù)柵壓(UGE〈0)時(shí)，ρ基區(qū)表面的溝道消失，切斷了電子的來(lái)源，于是η漂移區(qū)的非平衡載流子將會(huì)通過(guò)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消失，CCS-TP-1GBT才徹底關(guān)斷。
[0041]可見(jiàn)，本發(fā)明CCS-TP-1GBT的關(guān)斷機(jī)理與TP-1GBT和CS-1GBT完全相同。
[0042]圖4為本發(fā)明CCS-TP-