一種雙向igbt器件及其制造方法
【專利摘要】一種雙向IGBT器件及其制造方法，屬于功率半導(dǎo)體器件技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明通過在器件的正背面采用寬的溝槽寬度并在溝槽內(nèi)柵電極的底部引入與金屬電極相連的電極，在不影響IGBT器件閾值電壓和開通的情況下，實(shí)現(xiàn)了對稱的正、反向特性，提高了雙向IGBT器件正、反向的開關(guān)速度，降低器件的開關(guān)損耗；改善了整個(gè)N型漂移區(qū)的載流子濃度分布，改善了正向?qū)▔航岛烷_關(guān)損耗的折中；減小了器件的飽和電流密度，改善了器件的短路安全工作區(qū)，改善了溝槽底部電場的集中，提高了器件的擊穿電壓，進(jìn)一步提高了器件的可靠性；本發(fā)明提供的制作方法通過兩次電極填充工藝填充溝槽，工藝難度小，與傳統(tǒng)雙向IGBT的制作方法兼容。
【專利說明】
一種雙向IGBT器件及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本發(fā)明屬于功率半導(dǎo)體器件技術(shù)領(lǐng)域，涉及絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)，具體涉及雙向溝槽柵絕緣柵雙極型晶體管(B1-direct1nal trench IGBT)D
【背景技術(shù)】
[0002]絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)是一種MOS場效應(yīng)和雙極型晶體管復(fù)合的新型電力電子器件。它既有MOSFET易于驅(qū)動(dòng)，控制簡單的優(yōu)點(diǎn)，又有功率晶體管導(dǎo)通壓降低，通態(tài)電流大，損耗小的優(yōu)點(diǎn)，已成為現(xiàn)代電力電子電路中的核心電子元器件之一，廣泛地應(yīng)用在諸如通信、能源、交通、工業(yè)、醫(yī)學(xué)、家用電器及航空航天等國民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域。IGBT的應(yīng)用對電力電子系統(tǒng)性能的提升起到了極為重要的作用。
[0003]電能變換是電力裝置的基本功能之一，根據(jù)負(fù)載要求的不同，電力裝置可以完成交流到直流(AC-DC)，直流到交流(DC-AC)，直流到直流(DC-DC)和交流到交流(AC-AC)的變換。AC-AC的變換可以采用間接變換即AC-DC-AC方式，也可以采用直接變換即AC-AC的方式。在傳統(tǒng)的AC-DC-AC間接變換系統(tǒng)中，需要有大容值的連接電容(電壓型變換)或大感值的連接電感(電流型變換)將兩部分相對獨(dú)立的變換系統(tǒng)相連，這類系統(tǒng)體積大，成本高。此外，電容和電感的使用壽命遠(yuǎn)低于功率器件，這嚴(yán)重影響了系統(tǒng)的可靠性及使用年限。AC-AC直接轉(zhuǎn)換系統(tǒng)避免了傳統(tǒng)AC-DC-AC系統(tǒng)中連接電容或電感的使用，但要求功率開關(guān)具有雙向開關(guān)能力。由于傳統(tǒng)IGBT只具有單向?qū)ê蛦蜗蜃钄嗟墓δ?，具有雙向?qū)p向阻斷功能的IGBT雙向開關(guān)是由兩組反向并聯(lián)的IGBT與快恢復(fù)二極管的串聯(lián)結(jié)構(gòu)組合而實(shí)現(xiàn)的。這種方案需要大量功率芯片，增加了系統(tǒng)成本。此外，系統(tǒng)內(nèi)部各芯片間需要大量連線，增強(qiáng)了系統(tǒng)內(nèi)部的寄生效應(yīng)，影響系統(tǒng)可靠性。
[0004]為了解決這一問題，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的集成化，業(yè)界通過使用鍵合技術(shù)將兩個(gè)相同的溝槽MOS結(jié)構(gòu)背對背鍵合在一起成功地在單一芯片中實(shí)現(xiàn)了具有雙向?qū)半p向阻斷功能的雙向IGBT(B1-direct1nal IGBT)，如圖1所示。相比于傳統(tǒng)單向IGBT，通過控制正、背面柵電壓，該雙向IGBT可實(shí)現(xiàn)對稱的正、反向IGBT導(dǎo)通與關(guān)斷特性。雖然該結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了雙向開關(guān)的功能，但該結(jié)構(gòu)是一種非穿通型雙向IGBT結(jié)構(gòu)。對于非穿通型IGBT結(jié)構(gòu)，為了避免器件阻斷時(shí)的穿通擊穿，不得不采用較厚的漂移區(qū)長度，這嚴(yán)重影響了器件的性能。為了解決這一問題，業(yè)界進(jìn)一步提出了如圖2所示的雙向IGBT結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)在P型基區(qū)7和N-漂移區(qū)10之間以及P型基區(qū)27和N-漂移區(qū)10之間對稱的采用了一層比N-漂移區(qū)10摻雜濃度高的N型層8和28，在任一方向工作時(shí)該雙向IGBT均為具有載流子存貯層和電場阻止層的IGBT結(jié)構(gòu)，顯著提高了器件的性能。對于圖2所示的結(jié)構(gòu)，在正向或反向IGBT工作時(shí)，由于作為載流子存貯層的較高摻雜濃度和一定厚度的N型層8或28的存在使IGBT器件靠近發(fā)射極端的載流子濃度分布得到了極大的改善，提高了 N型漂移區(qū)的電導(dǎo)調(diào)制，改善了整個(gè)N型漂移區(qū)的載流子濃度分布，使IGBT獲得了低的正向?qū)▔航岛透纳频恼驅(qū)▔航岛完P(guān)斷損耗的折中。但是，對于該雙向IGBT結(jié)構(gòu)，在正向或反向IGBT工作時(shí)由于作為載流子存貯層的較高摻雜濃度和一定厚度的N型層8或28的存在，器件的擊穿電壓顯著降低，為了有效屏蔽作為載流子存貯層的N型層的不利影響獲得一定的器件耐壓，需要采用:1)深的溝槽柵深度，使溝槽柵的深度大于N型層8或28的結(jié)深，但在任一方向工作時(shí)深的溝槽柵深度不僅增大了柵極-發(fā)射極電容，也增大了柵極-集電極電容，因而，降低了器件的開關(guān)速度，增大器件的開關(guān)損耗，影響了器件的導(dǎo)通壓降和開關(guān)損耗的折中特性;2)小的元胞寬度，使溝槽柵之間的間距盡可能減小，然而，在任一方向工作時(shí)高密度的溝槽MOS結(jié)構(gòu)不僅增大了器件的柵極電容，降低了器件的開關(guān)速度，增大了器件的開關(guān)損耗，影響了器件的導(dǎo)通壓降和開關(guān)損耗的折中特性，而且，高密度的溝槽MOS結(jié)構(gòu)增加了器件的飽和電流密度，使器件的短路安全工作區(qū)變差。此外，對于如圖1和2所示的雙向IGBT結(jié)構(gòu)，柵氧化層是通過一次熱氧化在溝槽中形成，為了保證一定的閾值電壓整個(gè)柵氧化層的厚度均較小，由于MOS電容大小與氧化層的厚度成反比，傳統(tǒng)雙向IGBT結(jié)構(gòu)中小的柵氧化層厚度極大的增大了器件的柵極電容。另外，小的柵氧化層厚度使溝槽底部的電場集中，使器件的可靠性較差。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0005]本發(fā)明針對現(xiàn)有雙向IGBT器件存在的上述技術(shù)問題，為了在雙向IGBT器件任一方向工作時(shí)，減小器件的柵極電容，特別是柵極-集電極電容，提高器件的開關(guān)速度，減小開關(guān)損耗，同時(shí)減小器件的飽和電流密度改善器件的短路安全工作區(qū)并提高器件的擊穿電壓，并進(jìn)一步提高器件發(fā)射極端的載流子增強(qiáng)效應(yīng)，改善整個(gè)N型漂移區(qū)的載流子濃度分布，進(jìn)一步改善正向?qū)▔航岛烷_關(guān)損耗的折中，在傳統(tǒng)雙向IGBT器件結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上(如圖1和2所示)，本發(fā)明提供一種雙向IGBT器件(如圖3所示)及其制作方法。為了簡化描述，下面僅以η溝道雙向IGBT器件為例來說明，但本發(fā)明同樣適用于P溝道雙向IGBT器件。
[0006]本發(fā)明的技術(shù)方案是:一種雙向IGBT器件，元胞結(jié)構(gòu)如圖3所示，包括兩個(gè)對稱設(shè)置于N型漂移區(qū)10正反兩面的N溝道MOS結(jié)構(gòu);所述正面MOS結(jié)構(gòu)包括正面金屬電極1、正面N+發(fā)射區(qū)5、正面P+發(fā)射區(qū)6、正面P型基區(qū)7、正面N型層8和正面溝槽柵結(jié)構(gòu);所述正面P型基區(qū)7位于正面N型層8上表面，正面N+發(fā)射區(qū)5和正面P+發(fā)射區(qū)6并列位于正面P型基區(qū)7上表面；正面N+發(fā)射區(qū)5和正面P+發(fā)射區(qū)6的上表面與正面金屬電極I連接;所述背面MOS結(jié)構(gòu)包括背面金屬電極21、背面N+發(fā)射區(qū)25、背面P+發(fā)射區(qū)26、背面P型基區(qū)27、背面N型層28和背面溝槽柵結(jié)構(gòu);其特征在于，所述正面溝槽柵結(jié)構(gòu)位于正面MOS結(jié)構(gòu)的中部并沿器件垂直方向依次貫穿正面N+發(fā)射區(qū)5、正面P型基區(qū)7和正面N型層8;所述正面溝槽柵結(jié)構(gòu)包括正面第一介質(zhì)層2、正面柵電極3、正面底部電極13、正面柵介質(zhì)層41、正面第二介質(zhì)層42、正面第三介質(zhì)層43;所述正面底部電極13位于兩側(cè)的正面N型層8之間且正面底部電極13上表面的深度小于正面N型層8的結(jié)深，正面底部電極13下表面的深度大于正面N型層8的結(jié)深;所述正面底部電極的側(cè)面和底面通過正面第二介質(zhì)層42分別與正面N型層8和N型漂移區(qū)10隔離;所述正面底部電極13上表面中部與正面金屬電極I連接;所述正面底部電極13上表面兩側(cè)與正面金屬電極I之間具有正面柵電極3，所述正面柵電極3底部深度大于正面P型基區(qū)7的結(jié)深；所述正面柵電極3通過正面第一介質(zhì)層2與正面金屬電極I隔離，正面柵電極3通過正面第三介質(zhì)層43與正面底部電極13隔離，正面柵電極3通過正面柵介質(zhì)層41與正面N+發(fā)射區(qū)5、正面P型基區(qū)7和正面N型層8隔離;所述背面溝槽柵結(jié)構(gòu)包括背面第一介質(zhì)層22、背面柵電極23、背面底部電極213、背面柵介質(zhì)層241、背面第二介質(zhì)層242、背面第三介質(zhì)層243;所述背面MOS結(jié)構(gòu)與正面MOS結(jié)構(gòu)沿N型漂移區(qū)10橫向中線上下對稱設(shè)置。
[0007]進(jìn)一步的，如圖4所示，所述正面底部電極13的寬度大于位于其正上方的溝槽柵結(jié)構(gòu)的寬度并延伸入正面N型層8中，使正面溝槽柵結(jié)構(gòu)呈倒“T”字形;所述背面MOS結(jié)構(gòu)與正面MOS結(jié)構(gòu)沿N型漂移區(qū)10橫向中線上下對稱設(shè)置。
[0008]進(jìn)一步的，如圖5所示，所述正面底部電極13與正面P型基區(qū)7下表面之間的正面N型層8中具有正面N+層14，所述正面N+層14的側(cè)面與正面柵介質(zhì)層41連接，所述正面N+層14的濃度大于正面N型層8的濃度;所述背面底部電極213與背面P型基區(qū)27下表面之間的背面N型層28中具有背面N+層214，所述背面N+層214的側(cè)面與背面柵介質(zhì)層241連接，所述背面N+層214的濃度大于背面N型層28的濃度。
[0009]進(jìn)一步的，所述柵極結(jié)構(gòu)的寬度遠(yuǎn)大于P型基區(qū)7/27的寬度，所述柵電極3/23的寬度大于第二介質(zhì)層42/242和第三介質(zhì)層43/243的厚度，所述第二介質(zhì)層42/242和第三介質(zhì)層43/243的厚度大于柵介質(zhì)層41/241的厚度，所述第一介質(zhì)層2/22的厚度大于第二介質(zhì)層42/242和第三介質(zhì)層43/243的厚度。
[0010]一種雙向IGBT器件的制造方法，其特征在于，包括以下步驟:
[0011]第一步:選取兩片參數(shù)與規(guī)格相同的N型輕摻雜單晶硅片作為器件的N型漂移區(qū)10，選取的硅片厚度為300?600um，摻雜濃度為113?114個(gè)/cm3;采用相同工藝分別在兩片硅片表面通過預(yù)氧化、光刻、刻蝕、離子注入和高溫退火工藝，在硅片正面制作器件的終端結(jié)構(gòu)；
[0012]第二步:采用相同工藝分別在兩片硅片表面生長一層場氧，光刻出有源區(qū)，再生長一層預(yù)氧后先通過離子注入N型雜質(zhì)制作器件的N型層8/28，離子注入的能量為200?500keV，注入劑量為113?114個(gè)/cm2;然后通過離子注入P型雜質(zhì)并退火制作器件的P型基區(qū)7/27，離子注入的能量為60?120keV，注入劑量為113?114個(gè)/cm2，退火溫度為1100-1150°C，退火時(shí)間為10?30分鐘;所述P型基區(qū)7位于N型層8上表面；
[0013]第三步:采用相同工藝分別在兩片硅片表面淀積一層TE0S，厚度為700?lOOOnm，光刻出窗口后，進(jìn)行溝槽硅刻蝕，在元胞中部刻蝕出溝槽，溝槽的深度超過N型層8/28的結(jié)深;溝槽刻蝕完成后，通過HF溶液將表面的TEOS漂洗干凈；
[0014]第四步:在1050°C?1150°C，02的氣氛下采用相同工藝分別在兩片硅片的溝槽周圍形成厚氧化層;接著在750 0C?950 0C下在溝槽內(nèi)積淀填充多晶硅，形成的多晶硅的下表面深度超過N型層8/28的結(jié)深；
[0015]第五步:采用相同工藝，在兩片硅片表面光刻并分別刻蝕第四步中溝槽內(nèi)形成的厚氧化層和多晶硅，使厚氧化層和多晶硅的上表面略低于P型基區(qū)7/27的結(jié)深;形成底部電極13/213和第二介質(zhì)層42/242，底部電極13/213位于第二介質(zhì)層42/242中；
[0016]第六步:采用相同工藝，在兩片硅片表面通過熱氧化再次在溝槽內(nèi)壁生長氧化層，形成的溝槽底部氧化層的厚度大于側(cè)壁氧化層的厚度，形成的側(cè)壁氧化層的厚度小于120nm;在第五步中形成的底部電極13/213和第二介質(zhì)層42/242上表面形成第三介質(zhì)層43/243，在側(cè)壁形成第一介質(zhì)層41/241;
[0017]第七步:采用相同工藝，在750°C?950°C下在兩片硅片表面的溝槽內(nèi)積淀填充多晶硅，形成的多晶硅的下表面深度超過P型基區(qū)7/27的結(jié)深，形成的多晶硅的厚度遠(yuǎn)小于溝槽的深度，并且僅在溝槽的側(cè)壁和下表面形成一層多晶硅；
[0018]第八步:采用相同工藝，反刻第七步中溝槽內(nèi)淀積的多晶硅，第六步形成的氧化層可作為刻蝕的終止層，在溝槽左右兩側(cè)形成柵電極3/23;
[0019]第九步:采用相同工藝，在兩片硅片表面光刻，通過離子注入N型雜質(zhì)制作器件的N+發(fā)射區(qū)5/25，離子注入的能量為30?60keV，注入劑量為115?116個(gè)/cm2;所述N+發(fā)射區(qū)5/25位于P型基區(qū)7/27上表面；
[0020]第十步:采用相同工藝，在兩片硅片表面光刻，通過離子注入P型雜質(zhì)并退火制作器件的P+發(fā)射區(qū)6/26，離子注入的能量為60?80keV，注入劑量為115?116個(gè)/cm2，退火溫度為900°C，時(shí)間為20?30分鐘;所述P+發(fā)射區(qū)6/26與N+發(fā)射區(qū)5/25并列位于P型基區(qū)7/27上表面，且N+發(fā)射區(qū)5/25位于靠近溝槽的一側(cè)；
[0021 ]第十一步:采用相同工藝，在器件表面淀積介質(zhì)形成第一介質(zhì)層2/22;
[0022]第十二步:采用相同工藝，在兩片硅片表面光刻，刻蝕部分第一介質(zhì)層2/22，接著淀積金屬，并光刻、刻蝕金屬形成發(fā)射極金屬1/21;
[0023]第十三步:翻轉(zhuǎn)兩片硅片，采用相同工藝減薄硅片厚度，然后將這兩塊完全相同的減薄后的硅片背面對背面，使用鍵合工藝將兩者鍵合形成雙向IGBT器件。
[0024]進(jìn)一步的，所述第三步中溝槽刻蝕工藝中可通過刻蝕工藝參數(shù)的控制，從而形成溝槽下部比上部寬的溝槽結(jié)構(gòu)。
[0025]進(jìn)一步的，所述第二步中N型電荷存儲(chǔ)層8/28的形成過程中，通過增加一步光刻和離子注入工藝形成高摻雜濃度的N+層14/214或在第六步中氧化工藝之前通過帶角度的離子注入N型雜質(zhì)形成高摻雜濃度的N+層14/214;所述N+層14/214的上表面與P型基區(qū)7的下表面連接。
[0026]本發(fā)明的有益效果為，實(shí)現(xiàn)了對稱的正、反向特性，提高了雙向IGBT器件正、反向的開關(guān)速度，降低器件的開關(guān)損耗;改善了整個(gè)N型漂移區(qū)的載流子濃度分布，改善了正向?qū)▔航岛烷_關(guān)損耗的折中；減小了器件的飽和電流密度，改善了器件的短路安全工作區(qū)，提高了可靠性;提高了器件的擊穿電壓，改善了溝槽底部電場的集中，進(jìn)一步提高了器件的可靠性；同時(shí)本發(fā)明提供的制作方法通過兩次電極填充工藝填充溝槽，工藝難度小;本發(fā)明所提出的雙向IGBT制作方法與傳統(tǒng)雙向IGBT的制作方法兼容。
【附圖說明】
[0027]圖1是傳統(tǒng)的溝槽型雙向IGBT器件元胞結(jié)構(gòu)示意圖1;
[0028]圖2是傳統(tǒng)的溝槽型雙向IGBT器件元胞結(jié)構(gòu)示意圖2;
[0029]圖1-2中，1/21為正面/背面金屬電極，2/22為正面/背面介質(zhì)層，3/23為正面/背面柵電極，4/24為正面/背面柵介質(zhì)層，5/25為正面/背面N+發(fā)射區(qū)，6/26為正面/背面P+發(fā)射區(qū)，7/27為正面/背面P型基區(qū)，8/28為正面/背面N型層，10為N-漂移區(qū)；
[0030]圖3是實(shí)施例1的溝槽型雙向IGBT器件元胞結(jié)構(gòu)示意圖；
[0031]圖4是實(shí)施例2的溝槽型雙向IGBT器件元胞結(jié)構(gòu)示意圖；
[0032]圖5是實(shí)施例3的溝槽型雙向IGBT器件元胞結(jié)構(gòu)示意圖；
[0033]圖3至圖5中，1/21為正面/背面金屬電極，2/22為正面/背面介質(zhì)層，3/23為正面/背面柵電極，13/213為正面/背面底部電極，41/241為正面/背面柵介質(zhì)層，42/242為正面/背面介質(zhì)層，43/243為正面/背面介質(zhì)層，5/25為正面/背面N+發(fā)射區(qū)，6/26為正面/背面P+發(fā)射區(qū)，7/27為正面/背面P型基區(qū)，8/28為正面/背面N型層，10為N-漂移區(qū)，14/214為正面/背面N+層；
[0034]圖6是本發(fā)明的制造方法中刻蝕形成溝槽后的器件結(jié)構(gòu)示意圖；
[0035]圖7是本發(fā)明的制造方法中刻蝕溝槽內(nèi)的厚氧化層和多晶硅后的器件結(jié)構(gòu)示意圖；
[0036]圖8是本發(fā)明的制造方法中在溝槽中形成柵電極后的器件結(jié)構(gòu)示意圖；
[0037]圖9是本發(fā)明的制造方法中形成金屬電極后的器件結(jié)構(gòu)示意圖；
[0038]圖10是本發(fā)明的制造方法中硅片鍵合后最終形成的器件結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0039]下面結(jié)合附圖，詳細(xì)描述本發(fā)明的技術(shù)方案:
[0040]實(shí)施例1
[0041 ] 一種雙向IGBT器件，元胞結(jié)構(gòu)如圖3所示，包括兩個(gè)對稱設(shè)置于N型漂移區(qū)10正反兩面的N溝道MOS結(jié)構(gòu);所述正面MOS結(jié)構(gòu)包括正面金屬電極1、正面N+發(fā)射區(qū)5、正面P+發(fā)射區(qū)6、正面P型基區(qū)7、正面N型層8和正面溝槽柵結(jié)構(gòu);所述正面P型基區(qū)7位于正面N型層8上表面，正面N+發(fā)射區(qū)5和正面P+發(fā)射區(qū)6并列位于正面P型基區(qū)7上表面;正面N+發(fā)射區(qū)5和正面P+發(fā)射區(qū)6的上表面與正面金屬電極I連接;所述背面MOS結(jié)構(gòu)包括背面金屬電極21、背面N+發(fā)射區(qū)25、背面P+發(fā)射區(qū)26、背面P型基區(qū)27、背面N型層28和背面溝槽柵結(jié)構(gòu);其特征在于，所述正面溝槽柵結(jié)構(gòu)位于正面MOS結(jié)構(gòu)的中部并沿器件垂直方向依次貫穿正面N+發(fā)射區(qū)5、正面P型基區(qū)7和正面N型層8;所述正面溝槽柵結(jié)構(gòu)包括正面第一介質(zhì)層2、正面柵電極
3、正面底部電極13、正面柵介質(zhì)層41、正面第二介質(zhì)層42、正面第三介質(zhì)層43;所述正面底部電極13位于兩側(cè)的正面N型層8之間且正面底部電極13上表面的深度小于正面N型層8的結(jié)深，正面底部電極13下表面的深度大于正面N型層8的結(jié)深;所述正面底部電極的側(cè)面和底面通過正面第二介質(zhì)層42分別與正面N型層8和N型漂移區(qū)10隔離;所述正面底部電極13上表面中部與正面金屬電極I連接;所述正面底部電極13上表面兩側(cè)與正面金屬電極I之間具有正面柵電極3，所述正面柵電極3底部深度大于正面P型基區(qū)7的結(jié)深;所述正面柵電極3通過正面第一介質(zhì)層2與正面金屬電極I隔離，正面柵電極3通過正面第三介質(zhì)層43與正面底部電極13隔離，正面柵電極3通過正面柵介質(zhì)層41與正面N+發(fā)射區(qū)5、正面P型基區(qū)7和正面N型層8隔離。形成的所述溝槽柵電極3的深度大于P型基區(qū)7的結(jié)深0.1?0.2微米;形成的所述N型層8的厚度為I?2微米;形成的所述溝槽結(jié)構(gòu)的深度大于N型層8的結(jié)深0.5?2微米，形成的介質(zhì)層41的厚度小于120納米，形成的所述介質(zhì)層42和43的厚度為0.2?0.5微米，形成的所述溝槽柵電極3的寬度大于介質(zhì)層42和43的厚度0.3?0.8微米;形成的所述溝槽結(jié)構(gòu)的寬度大于5微米，形成的所述P型基區(qū)7的寬度小于I微米。所述背面溝槽柵結(jié)構(gòu)包括背面第一介質(zhì)層22、背面柵電極23、背面底部電極213、背面柵介質(zhì)層241、背面第二介質(zhì)層242、背面第三介質(zhì)層243;所述背面MOS結(jié)構(gòu)與正面MOS結(jié)構(gòu)沿N型漂移區(qū)10橫向中線上下對稱設(shè)置。
[0042]上述雙向IGBT器件通過分別控制兩個(gè)對稱N溝道MOS的柵極，即正面柵電極3和背面柵電極23可工作于特性完全對稱的雙向IGBT模式。因此，為了描述的方便，以下主要以圖3中電流由背面金屬電極21向正面金屬電極I流動(dòng)的方向來說明，另一方向的工作原理完全相同，僅需對說明中對應(yīng)的內(nèi)容進(jìn)行互換。通過控制背面柵電極23使背面MOS結(jié)構(gòu)的溝道截止，這樣背面MOS結(jié)構(gòu)工作類似于傳統(tǒng)單向IGBT器件的集電極；而正面MOS結(jié)構(gòu)工作類似于傳統(tǒng)單向IGBT器件的發(fā)射極，通過控制正面柵電極3可實(shí)現(xiàn)IGBT的開啟和關(guān)斷。
[0043]本實(shí)施例中:
[0044]通過在器件溝槽內(nèi)柵電極3的底部引入與金屬電極1(發(fā)射極)相連的底部電極13以及金屬電極、底部電極和柵電極之間的厚介質(zhì)層，并且在一定的柵電極寬度下采用了寬的溝槽寬度(即寬的元胞)，在不影響IGBT器件閾值電壓和開通的情況下:I)減小了溝槽內(nèi)柵電極的深度，大大減小了包括柵極-集電極電容、柵極-發(fā)射極電容在內(nèi)的柵極電容;2)通過底部電極的屏蔽作用，屏蔽了柵極和集電極的耦合，將柵極-集電極電容轉(zhuǎn)換為柵極-發(fā)射極電容，大大減小了柵極-集電極電容，同時(shí)通過厚介質(zhì)層43和2的作用使從柵極-集電極電容轉(zhuǎn)換而增加的柵極-發(fā)射極電容遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于由于寬的溝槽寬度的引入使得MOS溝道密度減小而減小的柵極-發(fā)射極電容，從而大大減小了包括柵極-集電極電容、柵極-發(fā)射極電容在內(nèi)的柵極電容。因此，本發(fā)明結(jié)構(gòu)大大減小了器件的柵極電容，特別是柵極-集電極電容，提高了器件的開關(guān)速度，降低器件的開關(guān)損耗。此外，寬的溝槽寬度的引入增強(qiáng)了發(fā)射極載流子注入效應(yīng)，改善了整個(gè)N型漂移區(qū)10的載流子濃度分布，進(jìn)一步減小了正向?qū)▔航挡⒏纳屏苏驅(qū)▔航岛烷_關(guān)損耗的折中；同時(shí)，由于寬的溝槽寬度的引入減小了單位面積的MOS溝道密度，減小了器件的飽和電流密度，改善了器件的短路安全工作區(qū)，提高了可靠性;此外，由于底部電極13與發(fā)射極相連，在器件開啟動(dòng)態(tài)過程中，通過介質(zhì)層與底部電極13接觸的N型層8和N型漂移區(qū)10表面不會(huì)形成電子積累，因此不會(huì)形成負(fù)微分電容效應(yīng)，避免了開啟動(dòng)態(tài)過程中的電流、電壓振蕩和EMI問題，提高了可靠性；同時(shí)，通過底部電極周圍的厚介質(zhì)層進(jìn)一步提高了器件的擊穿電壓，改善了溝槽底部電場的集中，進(jìn)一步提高了器件的可靠性。本發(fā)明提供的復(fù)合溝槽結(jié)構(gòu)，溝槽柵電極3的深度大于P型基區(qū)7的深度并且溝槽柵電極3的深度小于N型層8的深度，這一方面在不影響IGBT器件開通的情況下盡可能的減小了柵極電容，特別是柵極-集電極電容，另一方面一定厚度的高濃度N型層8的存在補(bǔ)償了由于與發(fā)射極相連的底部電極13的引入使得底部電極附近載流子濃度的下降，避免了由于底部電極13的引入使器件的正向?qū)▔航导眲≡龃蠖鴮?dǎo)致的器件特性變差。
[0045]此外，本發(fā)明還可工作于雙向MOS模式:通過控制背面柵電極23使背面MOS結(jié)構(gòu)的溝道開啟，這樣背面MOS結(jié)構(gòu)工作類似于傳統(tǒng)單向MOS器件的漏極;而正面MOS結(jié)構(gòu)工作類似于傳統(tǒng)單向MOS器件的源極，通過控制正面柵電極3實(shí)現(xiàn)MOS的開啟和關(guān)斷。當(dāng)工作于雙向MOS模式時(shí)，本發(fā)明也有類似于雙向IGBT工作模式時(shí)的工作原理和有益效果。
[0046]實(shí)施例2
[0047]本例的一種雙向IGBT器件，其元胞結(jié)構(gòu)如圖4所示，在實(shí)施例1的基礎(chǔ)上所述正面底部電極13的寬度大于其上總的溝槽柵結(jié)構(gòu)的寬度并延伸入N型層8中，使正面溝槽柵結(jié)構(gòu)呈倒“T”字形;所述背面MOS結(jié)構(gòu)具有與正面MOS結(jié)構(gòu)沿N型漂移區(qū)10中線上下鏡像對稱的連接和設(shè)置。延伸進(jìn)入N型層8/28中的復(fù)合溝槽結(jié)構(gòu)下層結(jié)構(gòu)的寬度約為P型基區(qū)7/27寬度的1/4-3/4。延伸進(jìn)入N型層8/28中的所述下層結(jié)構(gòu)進(jìn)一步減小了少數(shù)載流子的抽取面積，進(jìn)一步提高了發(fā)射極端的載流子注入增強(qiáng)效應(yīng)，可獲得更好的器件正向?qū)▔航岛烷_關(guān)損耗的折中，同時(shí)進(jìn)一步屏蔽了N型層對器件擊穿電壓的不利影響，獲得了更高的器件擊穿電壓和可靠性。此外，延伸進(jìn)入N型層8/28中的所述下層結(jié)構(gòu)進(jìn)一步屏蔽了柵極和集電極的耦合，減小了柵極-集電極電容，可進(jìn)一步提高器件的開關(guān)速度，減小器件的開關(guān)損耗。
[0048]實(shí)施例3
[0049]本例的一種雙向IGBT器件，其元胞結(jié)構(gòu)如圖5所示，在實(shí)施例2的基礎(chǔ)上在所述正/背面復(fù)合溝槽結(jié)構(gòu)的下層結(jié)構(gòu)與P型基區(qū)7/27之間的部分區(qū)域還具有一層N+層14/214，所述N+層14/214的濃度大于N型層8/28的濃度并且其側(cè)壁與復(fù)合溝槽結(jié)構(gòu)相連;所述N+層14/214的一側(cè)與正面N型層8/28連接，N+層14/214的另一側(cè)及底部與溝槽柵結(jié)構(gòu)連接，N+層14/214的上表面與P型基區(qū)7/27的下表面連接;形成的所述N+層9/29的寬度小于延伸進(jìn)入N型層8/28中的復(fù)合溝槽結(jié)構(gòu)下層結(jié)構(gòu)的寬度。形成的所述N+層14/214進(jìn)一步減小了所述復(fù)合溝槽結(jié)構(gòu)下層結(jié)構(gòu)與P型基區(qū)7/27之間區(qū)域的電阻，進(jìn)一步提高了發(fā)射極端的載流子注入增強(qiáng)效應(yīng)，可獲得更好的器件正向?qū)▔航岛烷_關(guān)損耗的折中。
[0050]本發(fā)明工藝制作方法的具體實(shí)施方案以1200V電壓等級的雙向IGBT器件為例進(jìn)行闡述，具體工藝制作方法如下:
[0051]第一步:選取兩片參數(shù)與規(guī)格相同的N型輕摻雜單晶硅片作為器件的N型漂移區(qū)10，選取的硅片厚度為300?600um，摻雜濃度為7 X 113個(gè)/cm3;采用相同工藝分別在兩片硅片表面通過預(yù)氧化、光刻、刻蝕、離子注入和高溫退火工藝，在硅片正面制作器件的終端結(jié)構(gòu)；
[0052]第二步:采用相同工藝分別在兩片硅片表面生長一層厚度為0.3?0.5微米的場氧，光刻出有源區(qū)，再生長一層?0.05微米預(yù)氧后先通過離子注入N型雜質(zhì)制作器件的N型層8/28，離子注入的能量為500keV，注入劑量為5 X 113個(gè)/cm2;然后通過離子注入P型雜質(zhì)并退火制作器件的P型基區(qū)7/27，所述P型基區(qū)7/27位于N型層8/28上表面;離子注入的能量為120keV，注入劑量為1\1014個(gè)/0112，退火溫度為1100-1150°(:，退火時(shí)間為10?30分鐘4型層8/28的結(jié)深比P型基區(qū)7/27的結(jié)深深I(lǐng)?2微米；
[0053]第三步:采用相同工藝分別在兩片硅片表面淀積一層TE0S，厚度為800nm，光刻出窗口后，進(jìn)行溝槽(trench)硅刻蝕，刻蝕出溝槽，溝槽的深度超過N型層8/28的結(jié)深0.5?I微米;溝槽刻蝕完成后，通過HF溶液將表面的TEOS漂洗干凈，刻蝕形成的溝槽寬度遠(yuǎn)大于溝槽之間的硅材料的寬度，如溝槽寬度大于5微米，溝槽之間的硅材料的寬度小于2微米；
[0054]第四步:在1050°C?1150°C，02的氣氛下采用相同工藝分別在兩片硅片溝槽周圍形成厚度為0.2?0.5微米的厚氧化層;接著在850°C下在溝槽內(nèi)積淀填充多晶硅，形成的多晶娃的下表面深度超過N型電荷存儲(chǔ)層8的結(jié)深；
[0055]第五步:采用相同工藝，在兩片硅片表面光刻并分別刻蝕第四步中溝槽內(nèi)形成的氧化層和多晶硅，使氧化層和多晶硅的上表面低于N型層8/28的上表面0.4?0.7微米；
[0056]第六步:采用相同工藝，在兩片硅片表面通過熱氧化再次在溝槽內(nèi)壁生長高質(zhì)量的氧化層，形成的溝槽底部的氧化層厚度大于側(cè)壁的厚度0.1?0.3微米，形成的側(cè)壁氧化層的厚度小于120nm;
[0057]第七步:采用相同工藝，在850°C下在兩片硅片表面的溝槽內(nèi)積淀填充多晶硅，形成的多晶硅的下表面深度超過P型基區(qū)71/271的結(jié)深0.1?0.2微米，形成的多晶硅的厚度遠(yuǎn)小于溝槽的深度，僅在溝槽的側(cè)壁和下表面形成一層多晶硅；
[0058]第八步:采用相同工藝，反刻第七步中溝槽內(nèi)淀積的多晶硅，第六步形成的氧化層可作為刻蝕的終止層，在溝槽左右兩側(cè)形成柵電極3，形成的柵電極3的寬度大于介質(zhì)層42和43的厚度0.3?0.8微米
[0059]第九步:在兩片硅片表面光刻，通過離子注入N型雜質(zhì)制作器件的N+發(fā)射區(qū)5/25，離子注入的能量為40keV，注入劑量為I X 115個(gè)/cm2;
[0060]第十步:采用相同工藝，在兩片硅片表面光刻，通過離子注入P型雜質(zhì)并退火制作器件的P+發(fā)射區(qū)6/26，離子注入的能量為60keV，注入劑量為5 X 115個(gè)/cm2，退火溫度為900°C，時(shí)間為30分鐘；
[0061 ]第十一步:采用相同工藝，在兩片硅片表面淀積介質(zhì)，形成第一介質(zhì)層2/22;
[0062]第十二步:采用相同工藝，在兩片硅片表面光刻，刻蝕部分介質(zhì)層2/22，接著淀積金屬，并光刻、刻蝕金屬形成金屬集電極1/21，形成的金屬集電極1/21的底部與底部電極13/213相連接，并在N+發(fā)射區(qū)和P+發(fā)射區(qū)表面形成歐姆接觸；
[0063]第十三步:翻轉(zhuǎn)兩片硅片，采用相同工藝減薄硅片厚度至60?70微米的厚度，然后將這兩塊完全相同的減薄后的硅片背面對背面，使用鍵合工藝將兩者鍵合形成雙向IGBT器件。
[0064]即制備得雙向IGBT器件。
[0065]進(jìn)一步的，所述第三步中溝槽刻蝕工藝中可通過刻蝕工藝參數(shù)的控制，從而形成溝槽下部比上部寬的溝槽結(jié)構(gòu)，在溝槽之間的硅材料的寬度小于2微米的情況下，溝槽下部比上部寬0.5?0.8微米；。
[0066]進(jìn)一步的，所述第二步中N型層8/28的形成過程中，通過增加一步光刻和離子注入工藝形成高摻雜濃度的N+層14/214或在第六步中氧化工藝之前通過帶角度的離子注入N型雜質(zhì)形成高摻雜濃度的N+層14/214;所述N+層14/214的上表面與P型基區(qū)7/27的下表面連接。
[0067]進(jìn)一步的，所述介質(zhì)層2/22，41/241，42/242和43/243的材料可以相同也可以不同。
[0068]圖3-圖5只給出了基于本發(fā)明核心思路的幾種具體實(shí)現(xiàn)方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本領(lǐng)域公知常識應(yīng)當(dāng)知道，本發(fā)明提供的雙向IGBT器件中，器件所用半導(dǎo)體材料可采用硅(Si)、碳化硅(SiC)、砷化鎵(GaAs)或者氮化鎵(GaN)等予以實(shí)現(xiàn)，所用的介質(zhì)材料可采用二氧化娃(Si02)，二氧化給(Hf02)或者氮化娃(Si3N4)等予以實(shí)現(xiàn)，制造工藝步驟也可根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行調(diào)整。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種雙向IGBT器件，包括兩個(gè)對稱設(shè)置于N型漂移區(qū)(10)正反兩面的N溝道MOS結(jié)構(gòu)；所述正面MOS結(jié)構(gòu)包括正面金屬電極(I)、正面N+發(fā)射區(qū)(5)、正面P+發(fā)射區(qū)(6)、正面P型基區(qū)(7)、正面N型層(8)和正面溝槽柵結(jié)構(gòu);所述正面P型基區(qū)(7)位于正面N型層(8)上表面，正面N+發(fā)射區(qū)(5)和正面P+發(fā)射區(qū)(6)并列位于正面P型基區(qū)(7)上表面;正面N+發(fā)射區(qū)(5)和正面P+發(fā)射區(qū)(6)的上表面與正面金屬電極(I)連接;所述背面MOS結(jié)構(gòu)包括背面金屬電極21、背面N+發(fā)射區(qū)(25)、背面P+發(fā)射區(qū)(26)、背面P型基區(qū)(27)、背面N型層(28)和背面溝槽柵結(jié)構(gòu);其特征在于，所述正面溝槽柵結(jié)構(gòu)位于正面MOS結(jié)構(gòu)的中部并沿器件垂直方向依次貫穿正面N+發(fā)射區(qū)(5)、正面P型基區(qū)(7)和正面N型層(8);所述正面溝槽柵結(jié)構(gòu)包括正面第一介質(zhì)層(2)、正面柵電極(3)、正面底部電極(13)、正面柵介質(zhì)層(41)、正面第二介質(zhì)層(42)、正面第三介質(zhì)層(43);所述正面底部電極(13)位于兩側(cè)的正面N型層(8)之間且正面底部電極(13)上表面的深度小于正面N型層(8)的結(jié)深，正面底部電極(13)下表面的深度大于正面N型層(8)的結(jié)深;所述正面底部電極的側(cè)面和底面通過正面第二介質(zhì)層(42)分別與正面N型層(8)和N型漂移區(qū)(10)隔離;所述正面底部電極(13)上表面中部與正面金屬電極(I)連接;所述正面底部電極(13)上表面兩側(cè)與正面金屬電極(I)之間具有正面柵電極(3)，所述正面柵電極(3)底部深度大于正面P型基區(qū)(7)的結(jié)深;所述正面柵電極(3)通過正面第一介質(zhì)層(2)與正面金屬電極(I)隔離，正面柵電極(3)通過正面第三介質(zhì)層(43)與正面底部電極(13)隔離，正面柵電極(3)通過正面柵介質(zhì)層(41)與正面N+發(fā)射區(qū)(5)、正面P型基區(qū)(7)和正面N型層(8)隔離;所述背面溝槽柵結(jié)構(gòu)包括背面第一介質(zhì)層(22)、背面柵電極23、背面底部電極(213)、背面柵介質(zhì)層(241)、背面第二介質(zhì)層(242)、背面第三介質(zhì)層(243);所述背面MOS結(jié)構(gòu)與正面MOS結(jié)構(gòu)沿N型漂移區(qū)(10)橫向中線上下對稱設(shè)置。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種雙向IGBT器件，其特征在于，所述正面底部電極(13)的寬度大于位于其正上方的溝槽柵結(jié)構(gòu)的寬度并延伸入正面N型層(8)中，使正面溝槽柵結(jié)構(gòu)呈倒“T”字形;所述背面MOS結(jié)構(gòu)與正面MOS結(jié)構(gòu)沿N型漂移區(qū)(10)橫向中線上下對稱設(shè)置。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種雙向IGBT器件，其特征在于，所述正面底部電極(13)與正面P型基區(qū)(7)下表面之間的正面N型層(8)中具有正面N+層(14)，所述正面N+層(14)的側(cè)面與正面柵介質(zhì)層(41)連接，所述正面N+層(14)的濃度大于正面N型層(8)的濃度;所述背面底部電極(213)與背面P型基區(qū)(27)下表面之間的背面N型層(28)中具有背面N+層(214)，所述背面N+層214的側(cè)面與背面柵介質(zhì)層(241)連接，所述背面N+層(214)的濃度大于背面N型層(28)的濃度。4.一種雙向IGBT器件的制造方法，其特征在于，包括以下步驟: 第一步:選取兩片參數(shù)與規(guī)格相同的N型輕摻雜單晶硅片作為器件的N型漂移區(qū)，選取的硅片厚度為300?600um，摻雜濃度為113?114個(gè)/cm3;采用相同工藝分別在兩片硅片表面通過預(yù)氧化、光刻、刻蝕、離子注入和高溫退火工藝，在硅片正面制作器件的終端結(jié)構(gòu)； 第二步:采用相同工藝分別在兩片硅片表面生長一層場氧，光刻出有源區(qū)，再生長一層預(yù)氧后先通過離子注入N型雜質(zhì)制作器件的N型層，離子注入的能量為200?500keV，注入劑量為113?114個(gè)/cm2;然后通過離子注入P型雜質(zhì)并退火制作器件的P型基區(qū)，離子注入的能量為60?120keV，注入劑量為113?114個(gè)/cm2，退火溫度為1100-1150 °C，退火時(shí)間為10?30分鐘;所述P型基區(qū)位于N型層上表面； 第三步:采用相同工藝分別在兩片硅片表面淀積一層TE0S，厚度為700?lOOOnm，光刻出窗口后，進(jìn)行溝槽硅刻蝕，在元胞中部刻蝕出溝槽，溝槽的深度超過N型層的結(jié)深;溝槽刻蝕完成后，通過HF溶液將表面的TEOS漂洗干凈； 第四步:在050°C?1150°C，02的氣氛下采用相同工藝分別在兩片硅片的溝槽周圍形成厚氧化層;接著在750°C?950°C下在溝槽內(nèi)積淀填充多晶硅，形成的多晶硅的下表面深度超過N型層的結(jié)深； 第五步:采用相同工藝，在兩片硅片表面光刻并分別刻蝕第四步中溝槽內(nèi)形成的厚氧化層和多晶硅，使厚氧化層和多晶硅的上表面略低于P型基區(qū)的結(jié)深;形成底部電極和第二介質(zhì)層，底部電極位于第二介質(zhì)層中； 第六步:采用相同工藝，在兩片硅片表面通過熱氧化再次在溝槽內(nèi)壁生長氧化層，形成的溝槽底部氧化層的厚度大于側(cè)壁氧化層的厚度，形成的側(cè)壁氧化層的厚度小于120nm;在第五步中形成的底部電極和第二介質(zhì)層上表面形成第三介質(zhì)層，在側(cè)壁形成第一介質(zhì)層；第七步:采用相同工藝，在750 0C?950 0C下在兩片硅片表面的溝槽內(nèi)積淀填充多晶硅，形成的多晶硅的下表面深度超過P型基區(qū)的結(jié)深，形成的多晶硅的厚度遠(yuǎn)小于溝槽的深度，并且僅在溝槽的側(cè)壁和下表面形成一層多晶硅； 第八步:采用相同工藝，反刻第七步中溝槽內(nèi)淀積的多晶硅，第六步形成的氧化層可作為刻蝕的終止層，在溝槽左右兩側(cè)形成柵電極； 第九步:采用相同工藝，在兩片硅片表面光刻，通過離子注入N型雜質(zhì)制作器件的N+發(fā)射區(qū)，離子注入的能量為30?60keV，注入劑量為115?116個(gè)/cm2;所述N+發(fā)射區(qū)位于P型基區(qū)上表面； 第十步:采用相同工藝，在兩片硅片表面光刻，通過離子注入P型雜質(zhì)并退火制作器件的P+發(fā)射，離子注入的能量為60?(8 )0keV，注入劑量為115?(10)16個(gè)/cm2，退火溫度為900°C，時(shí)間為20?30分鐘;所述P+發(fā)射區(qū)與N+發(fā)射區(qū)并列位于P型基區(qū)上表面，且N+發(fā)射區(qū)位于靠近溝槽的一側(cè)； 第十一步:采用相同工藝，在器件表面淀積介質(zhì)形成第一介質(zhì)層； 第十二步:采用相同工藝，在兩片硅片表面光刻，刻蝕部分第一介質(zhì)層，接著淀積金屬，并光刻、刻蝕金屬形成發(fā)射極金屬； 第十三步:翻轉(zhuǎn)兩片硅片，采用相同工藝減薄硅片厚度，然后將這兩塊完全相同的減薄后的硅片背面對背面，使用鍵合工藝將兩者鍵合形成雙向IGBT器件。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種雙向IGBT器件的制造方法，其特征在于，所述第三步中，可通過溝槽刻蝕工藝中通過刻蝕工藝參數(shù)的控制，從而形成溝槽下部比上部寬的溝槽結(jié)構(gòu)。
【文檔編號】H01L21/331GK105870177SQ201610264184
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年4月26日
【發(fā)明人】張金平, 劉競秀, 李澤宏, 任敏, 張波, 李肇基
【申請人】電子科技大學(xué)