IGBT正面结构及制备方法与流程

本发明涉及一种半导体元器件结构，尤其是一种IGBT正面结构及制备方法。

背景技术：

IGBT（绝缘栅双极晶体管）是由BJT（双极结型晶体管）和MOSFET（金属-氧化物-半导体场效应管）组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件。与MOSFET相比，IGBT的优势在于具有电导调制效应，即在器件导通时，双极结型结构会从背面P+集电区向N基区注入少数载流子（空穴），对N基区的电导率进行调制，有效地降低N基区的导通电阻，从而降低器件的导通压降和导通损耗，这称为“电导调制效应”。然而N型基区内部的载流子并非均匀分布，从背面往上，越靠近正面（栅极附近），载流子浓度越低，电导调制效应减弱，这限制了器件导通压降的进一步降低。为了解决这个问题，现有的一种做法是通过N型离子注入和退火在器件正面的P基区下方形成一个N+层，称为“载流子存储层”，这个附加层可以提高栅极附近的空穴浓度从而提高器件电导调制效应，进一步降低导通压降。载流子存储层的注入需要限制在特定的区域，因此需要增加一层掩膜板，增加了成本；另一方面，由于 “载流子存储层”位于比P基区更深的区域，因此需要更高的离子注入能量、更高的退火温度和更长的退火时间，增加了成本和工艺难度，也容易影响器件的可靠性。

技术实现要素：

本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种IGBT正面结构及制备方法，不需要增加掩膜板，不需要高能量注入，不需要额外增加高温和长时间的退火，从而达到提高器件的电导调制效应，降低器件的器件的导通压降和导通损耗以及提高器件可靠性的目的。

按照本发明提供的技术方案，所述IGBT正面结构，包括第一导电类型基区，第一导电类型基区的正面设置第二导电类型基区，第二导电类型基区的表面设置金属电极，在第二导电类型基区设置沟槽结构；所述沟槽结构的上端延伸至金属电极中，沟槽结构与金属电极之间设置隔离氧化层进行隔离，沟槽结构的下端延伸至第一导电类型基区中，沟槽结构的上端两侧设置第一导电类型发射区，沟槽结构之间形成金属电极与第二导电类型基区的接触孔，在接触孔底部设置第二导电类型区；其特征是：在所述第一导电类型基区中设置第一导电类型悬浮层和第二导电类型悬浮环。

进一步的，所述第一导电类型悬浮层位于沟槽结构的底部以上，第二导电类型悬浮环位于沟槽结构的底部。

进一步的，所述第二导电类型悬浮环之间形成间距。

进一步的，所述沟槽结构包括设置在沟槽内壁的栅极氧化层和填充在沟槽中的沟槽栅极。

所述IGBT正面结构的制备方法，其特征是，包括以下步骤：

（1）在第一导电类型基区上通过离子注入和退火形成第二导电类型基区，然后通过离子注入在第二导电类型基区表面形成第一导电类型薄层；

（2）接着在第一导电类型薄层的表面淀积氧化层，通过光刻和第一次刻蚀形成沟槽，以氧化层为掩膜对沟槽底部进行第一导电类型离子注入；注入后进行第一次栅极牺牲氧化，通过第一次栅极牺牲氧化的热过程，在沟槽底部形成第一导电类型悬浮环，然后将牺牲氧化层刻蚀掉；

（3）接下来以步骤（2）中淀积的氧化层为掩膜进行第二次沟槽刻蚀，刻蚀的深度超过第一导电类型悬浮环的底部，然后再以步骤（2）中淀积的氧化层（13）为掩膜对沟槽底部进行第二导电类型离子注入；接着进行第二次栅极牺牲氧化和栅极氧化，通过这两步热过程，在沟槽底部形成第二导电类型悬浮环，同时第一导电类型悬浮环连接形成第一导电类型悬浮层；通过步骤（2）和（3）中栅极牺牲氧化和栅极氧化的热过程，第一导电类型薄层形成第一导是类型发射区，栅极氧化热过程后形成栅极氧化层；然后向沟槽内填充多晶硅并进行多晶硅回刻形成沟槽栅极，接着去除步骤（2）中淀积的氧化层；

（4）在正面淀积一层隔离氧化层，通过光刻和刻蚀形成接触孔，接触孔的深度超过第一导电类型发射区的深度；接着以隔离氧化层为掩膜，通过离子注入和退火形成第二导电类型区，最后进行正面的金属化，形成金属电极。

进一步的，所述步骤（1）中第一导电类型基区中离子注入能量为50keV~200keV，注入剂量为1e12cm^-2~1e14cm^-2，退火温度为1000℃~1200℃，退火时间为50分钟~200分钟；第二导电类型基区离子注入能量为30keV~100keV，注入剂量为1e14cm^-2~1e16cm^-2。

进一步的，所述步骤（2）中第一次刻蚀形成的沟槽深度为4~6um，沟槽底部进行第一导电类型离子注入能量为40keV~100keV，注入剂量为1e11cm^-2~1e13cm^-2；第一次栅极牺牲氧化温度为950℃~1200℃，时间为10分钟~100分钟。

进一步的，所述步骤（3）中第二次沟槽刻蚀的深度为6~8um，沟槽宽度为0.5~2um，沟槽的间距为1~3um；沟槽底部进行第二导电类型离子注入能量为30keV~100keV，注入剂量为1e12cm^-2~1e14cm^-2；第二次栅极牺牲氧化温度为950℃~1200℃，时间为10分钟~100分钟；栅极氧化温度为1000℃~1200℃，时间为30分钟~100分钟）。

进一步的，所述步骤（4）中接触孔的深度为0.5~3um，接触孔的宽度为0.5~1.5um；离子注入能量为20keV~100keV，注入剂量为1e14cm^-2~1e16cm^-2；退火温度为800℃~1000℃，时间为10分钟~60分钟。

进一步的，所述第一导电类型基区为区熔单晶硅片。

本发明具有以下优点：

（1）利用沟槽刻蚀的掩膜和两次沟槽刻蚀形成的深度，对沟槽底部进行离子注入形成，不需要额外的掩膜板和高能量的离子注入，节省了成本；

（2）利用栅极牺牲氧化和栅极氧化的热过程，分别形成了N+发射区，N+悬浮层和P+悬浮环，不需要增加额外的热过程，进一步节省了成本；

（3）通过所述低成本方法形成的N+悬浮层可以达到降低器件导通损耗的目的，通过所述低成本方法形成的P+悬浮环可降低沟槽底部的电场峰值，提高器件的可靠性。

附图说明

图1为在N基区正面形成P基区和N+薄层的示意图。

图2为得到沟槽的示意图。

图3为在沟槽底部形成N+悬浮环的示意图。

图4为对沟槽继续进行刻蚀的示意图。

图5为得到沟槽结构的示意图。

图6为形成接触孔的示意图。

图7为本发明所述IGBT正面结构的示意图。

附图标记说明：N基区1、N+发射区2、P基区3、沟槽栅极4、栅极氧化层5、隔离氧化层6、接触孔7、P+区8、金属电极9、N+悬浮层10、P+悬浮环11、N+薄层12、氧化层13、N+悬浮环14。

具体实施方式

下面结合具体附图对本发明作进一步说明。

如图7所示，本发明所述IGBT正面结构包括N基区1，N基区1的正面设置P基区3，P基区3的表面设置金属电极9，在P基区3设置沟槽结构，沟槽结构包括设置在沟槽内壁的栅极氧化层5和填充在沟槽中的沟槽栅极4；所述沟槽结构的上端延伸至金属电极9中，沟槽结构与金属电极9之间设置隔离氧化层6进行隔离，沟槽结构的下端延伸至N基区1中，沟槽结构的上端两侧设置N+发射区2，沟槽结构之间形成金属电极9与P基区3的接触孔7，在接触孔7底部设置P+区8；在所述N基区1中设置N+悬浮层10和P+悬浮环11，N+悬浮层10位于沟槽结构的底部以上，P+悬浮环11位于沟槽结构的底部，P+悬浮环11之间形成间距，该间距受沟槽结构的间距、P+悬浮环的注入能量以及栅极牺牲氧化和栅极氧化的温度和时间控制；所述N+悬浮层10的形成受沟槽结构的间距、N+悬浮层10的注入能量以及栅极牺牲氧化和栅极氧化的温度和时间控制。

本发明所述IGBT正面结构的制备方法，适用于背面为穿通（PT）型、非穿通（NPT）型或者场截止（FS）型的IGBT器件。本实施例中N基区1为区熔单晶硅片。具体包括以下步骤：

（1）如图1所示，在N基区1上通过离子注入（注入离子为硼，注入能量50keV~200keV，注入剂量1e12cm^-2~1e14cm^-2）和退火（退火温度1000℃~1200℃，退火时间50分钟~200分钟）形成P基区3，然后通过离子注入（注入离子为砷，注入能量为30keV~100keV，注入剂量1e14cm^-2~1e16cm^-2）形成N+薄层12；

（2）如图2所示，接着在N+薄层12的表面淀积一层氧化层13，通过光刻和第一次刻蚀形成沟槽（沟槽深度为4~6um），以氧化层13为掩膜对沟槽底部进行N+离子注入（注入离子为磷，注入能量为40keV~100keV，注入剂量1e11cm^-2~1e13cm^-2）；注入后进行第一次栅极牺牲氧化（温度950℃~1200℃，时间10分钟~100分钟），通过第一次栅极牺牲氧化的热过程，在沟槽底部形成N+悬浮环14，然后将牺牲氧化层刻蚀掉，如图3所示；

（3）接下来以步骤（2）中淀积的氧化层13为掩膜进行第二次沟槽刻蚀（刻蚀后的沟槽深度为6~8um，沟槽宽度为0.5~2um，沟槽的间距为1~3um），刻蚀的深度需超过N+悬浮环14的底部，然后再以步骤（2）中淀积的氧化层13为掩膜对沟槽底部进行P+离子注入（注入离子为硼，注入能量30keV~100keV，注入剂量1e12cm^-2~1e14cm^-2），如图4所示；接着进行第二次栅极牺牲氧化（温度950℃~1200℃，时间10分钟~100分钟）和栅极氧化（温度1000℃~1200℃，时间30分钟~100分钟），通过这两步热过程，在沟槽底部形成P+悬浮环11，同时N+悬浮环14连接形成N+悬浮层10；通过步骤（2）和（3）中栅极牺牲氧化和栅极氧化的热过程，N+薄层12形成N+发射区2，栅极氧化热过程后形成栅极氧化层5；然后向沟槽内填充多晶硅并进行多晶硅回刻形成沟槽栅极4，接着去除步骤（2）中淀积的氧化层13，如图5所示；

（4）在正面淀积一层隔离氧化层6，通过光刻和刻蚀形成接触孔7（刻蚀后的接触孔7的深度为0.5~3um，接触孔7的宽度为0.5~1.5um），接触孔7的深度需超过N+发射区2的深度，如图6所示；接着以隔离氧化层6为掩膜，通过离子注入（注入离子为硼，注入能量20keV~100keV，注入剂量1e14cm^-2~1e16cm^-2）和退火（温度800℃~1000℃，时间10分钟~60分钟）形成P+区8，最后采用Al进行正面的金属化，形成金属电极9，如图7所示。