一种具有栅极内嵌二极管的沟槽栅IGBT及其制备方法与流程

本发明涉及半导体器件制备技术领域，特别是涉及一种具有栅极内嵌二极管的沟槽栅IGBT及其制备方法。

背景技术：

在IGBT器件中，采用从大规模集成(LSI)工艺借鉴来的硅干法刻蚀技术实现的新刻蚀工艺，实现了在通态电压和关断时间之间折衷。沟槽栅IGBT是通过增加沟道密度的方法增强了其阴极注入效率，但与此同时也增加了其寄生的密勒电容。如果器件的寄生的密勒电容过大的话，会降低IGBT的开关速度，增加IGBT开关损耗。同时，由于多晶硅栅方块电阻较大，降低了外部串联栅电阻对IGBT开关时的di/dt以及dv/dt的控制能力，进而削弱了IGBT的电气特性和应用范围。

为减小该寄生密勒电容，现有技术中通过采用在沟槽栅内部串联隔离的电容减小侧边寄生电容，降低IGBT的开关延迟时间，提高IGBT的开关速度。这种方法虽然在一定程度上能降低栅极寄生电容，但是，其缺点是工艺方法较为复杂，需要采用复杂的多晶硅刻蚀工艺，同时容易在工艺过程中引入沾污及缺陷，增大栅极漏电流。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种具有栅极内嵌二极管的沟槽栅IGBT及其制备方法，降低多晶硅栅电阻，提高外部串联栅电阻的开关控制能力，阻止电流从栅集寄生电容处流出，加快IGBT的开关速度，降低IGBT的开关损耗。

为解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种具有栅极内嵌二极管的沟槽栅IGBT的制备方法，包括：

步骤1，在IGBT器件主体进行P-base区和N型增强区注入；

步骤2，对所述IGBT器件主体进行沟槽刻蚀并沉积栅氧化层；

步骤3，对IGBT器件主体的沟槽进行N型掺杂的多晶硅层沉积并填充满所述沟槽；

步骤4，刻蚀掉所述IGBT器件主体的沟槽外多余的N型掺杂的多晶硅；

步骤5，对所述IGBT器件主体的表面进行多晶硅氧化层的沉积；

步骤6，对完成所述多晶硅氧化层沉积的所述IGBT器件主体进行源极注入，形成源极区；

步骤7，对所述IGBT器件主体的沟槽进行P型掺杂，在所述沟槽栅的顶部形成P型掺杂的多晶硅区。

其中，所述N型掺杂的多晶硅层为通过原位掺杂形成的N型掺杂的多晶硅层。

其中，所述步骤7包括:

对所述IGBT器件主体的沟槽进行硼离子注入，在所述沟槽栅的顶部形成P型掺杂的多晶硅区。

其中，所述P型掺杂的多晶硅区的厚度为所述沟槽深度的三分之一到二分之一。

其中，在所述步骤7之后，还包括：

步骤8，在所述IGBT器件主体进行钝化层淀积与刻蚀，形成栅电极及阴极接触区。

除此之外，本发明实施例还提供了一种具有栅极内嵌二极管的沟槽栅IGBT，包括至少一个穿过N型增强层的沟槽，所述沟槽的内沉积设置有位于所述沟槽下部的N型掺杂的多晶硅层和位于所述沟槽上部且与所述N型掺杂的多晶硅层顶面接触的P型掺杂的多晶硅层，所述P型掺杂的多晶硅层上设置有多晶硅氧化层。

其中，所述P型掺杂的多晶硅区的厚度为所述沟槽深度的三分之一到二分之一。

其中，所述P型掺杂的多晶硅层为掺硼多晶硅层。

本发明实施例所提供的具有栅极内嵌二极管的沟槽栅IGBT及其制备方法，与现有技术相比，具有以下优点：

本发明实施例提供的具有栅极内嵌二极管的沟槽栅IGBT的制备方法，包括：

步骤1，在IGBT器件主体进行P-base区和N型增强区注入；

步骤2，对所述IGBT器件主体进行沟槽刻蚀并沉积栅氧化层；

步骤3，对IGBT器件主体的沟槽进行N型掺杂的多晶硅层沉积并填充满所述沟槽；

步骤4，刻蚀掉所述IGBT器件主体的沟槽外多余的N型掺杂的多晶硅；

步骤5，对所述IGBT器件主体的表面进行多晶硅氧化层的沉积；

步骤6，对完成所述多晶硅氧化层沉积的所述IGBT器件主体进行源极注入，形成源极区；

步骤7，对所述IGBT器件主体的沟槽进行P型掺杂，在所述沟槽栅的顶部形成P型掺杂的多晶硅区。

本发明实施例提供的具有栅极内嵌二极管的沟槽栅IGBT，包括至少一个穿过N型增强层的沟槽，所述沟槽的内沉积设置有下部的N型掺杂的多晶硅层和位于所述沟槽上部且与所述N型掺杂的多晶硅层顶面接触的P型掺杂的多晶硅层，所述P型掺杂的多晶硅层上设置有多晶硅氧化层。

所述具有栅极内嵌二极管的沟槽栅IGBT及其制备方法，通过在栅极的沟槽内设置N型多晶硅层，然后去除掉沟槽外多余的N型掺杂的多晶硅、多晶硅氧化层的沉积、源极注入，最后在沟槽内进行P型掺杂，将沟槽栅的顶部的N型多晶硅层转化为P型掺杂的多晶硅区与下部的N型多晶硅层形成内嵌多晶硅二极管，利用二极管单向导电特性，增大从阳极经栅极流出电流通道的电阻，由此遏制栅极寄生电容对IGBT开关速度的影响。另一方面，引入该多晶硅二极管并不影响IGBT的正常开启与关断，同时多晶硅二极管还具备一定的电导调制效应，能一定程度上降低栅电阻，由此在芯片应用时可提高外部串联栅电阻对于IGBT的开关速度的控制作用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的具有栅极内嵌二极管的沟槽栅IGBT的制备方法的一种具体实施方式的步骤流程示意图；

图2为本发明实施例提供的具有栅极内嵌二极管的沟槽栅IGBT的制备方法的另一种具体实施方式的步骤流程示意图；

图3为本发明实施例所提供的具有栅极内嵌二极管的沟槽栅IGBT的一种具体实施方式的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参考图1～图2，图1为本发明实施例提供的具有栅极内嵌二极管的沟槽栅IGBT的制备方法的一种具体实施方式的步骤流程示意图；图2为本发明实施例提供的具有栅极内嵌二极管的沟槽栅IGBT的制备方法的另一种具体实施方式的步骤流程示意图。

在一种具体实施方式中，所述具有栅极内嵌二极管的沟槽栅IGBT的制备方法，包括：

步骤1，在IGBT器件主体进行P-base区和N型增强区注入；在IGBT器件主体上从上到下形成P-base区和N型增强区，本发明对P-base区和N型增强区的掺杂类型、浓度以及厚度不做限定，

步骤2，对所述IGBT器件主体进行沟槽刻蚀并沉积栅氧化层，这里的沟槽刻蚀以及沉积栅氧化层，是先制作沟槽，沟槽穿过N型增强层，一般在N型增强层的上部的沟槽部分的宽度是不变的，本发明对沟槽的加工工艺不做限定，然后在沟槽中沉积栅氧化层，栅氧化层的作用是对沟槽两侧形成绝缘，栅氧化层可以是氧化硅层，也可以是其它的氧化层，本发明对其类型、厚度以及沉积工艺不做限定。

步骤3，对IGBT器件主体的沟槽进行N型掺杂的多晶硅层沉积并填充满所述沟槽，由于本发明的目的是在沟槽中形成内嵌二极管，通过先将N型掺杂的多晶硅层填充满沟槽，然后再进行反向掺杂的方式获得内嵌二极管，此工艺过程较栅氧化层的沉积的工艺难度非常低，可以大幅降低成本，本发明对N型掺杂的多晶硅层的沉积方式以及掺杂杂质类型、浓度不做限定。

步骤4，刻蚀掉所述IGBT器件主体的沟槽外多余的N型掺杂的多晶硅，由于是在整个IGBT器件主体表面进行N型掺杂的多晶硅层沉积，会在IGBT器件的沟槽外的其它部分沉积有N型掺杂的多晶硅层，这些N型掺杂的多晶硅是多余的，需要去除才能不影响正常的IGBT芯片的工作，一般使用湿法腐蚀即可去除，本发明对去除多余的N型掺杂的多晶硅的刻蚀工艺不做具体限定。

步骤5，对所述IGBT器件主体的表面进行多晶硅氧化层的沉积；通过多晶硅氧化层的沉积，使得后续的P型掺杂的杂质分布更加均匀，提高内嵌二极管的性能。

步骤6，对完成所述多晶硅氧化层沉积的所述IGBT器件主体进行源极注入，形成源极区，本发明对源极注入的杂质类型、浓度和深度以及形成的源极区的范围不做限定，在步骤2中栅氧化层的设置，使得源极区不会与沟槽中的N型多晶硅之间不会发生杂质之间的相互扩散。

步骤7，对所述IGBT器件主体的沟槽进行P型掺杂，在所述沟槽栅的顶部形成P型掺杂的多晶硅区，通过在沟槽栅的顶部进行P掺杂，将沟槽中顶部的N型掺杂的多晶硅变为P型掺杂的多晶硅，与沟槽中未进行P掺杂的N型掺杂的多晶硅形成内嵌二极管。

通过在栅极的沟槽内设置N型多晶硅层，然后去除掉沟槽外多余的N型掺杂的多晶硅、多晶硅氧化层的沉积、源极注入，最后在沟槽内进行P型掺杂，将沟槽栅的顶部的N型多晶硅层转化为P型掺杂的多晶硅区与下部的N型多晶硅层形成内嵌多晶硅二极管，利用二极管单向导电特性，增大从阳极经栅极流出电流通道的电阻，由此遏制栅极寄生电容对IGBT开关速度的影响。另一方面，引入该多晶硅二极管并不影响IGBT的正常开启与关断，同时多晶硅二极管还具备一定的电导调制效应，能一定程度上降低多晶硅栅电阻，由此在芯片应用时可提高外部串联栅电阻对于IGBT的开关速度的控制作用。

在本发明中，P型掺杂的多晶硅区不是直接进行淀积的，而是在N型多晶硅层的基础上进行扩散掺杂的，从沟槽的正面向下扩散，与沟槽中的未扩散的N型多晶硅层部分形成内嵌二极管。

由于原位掺杂是在外延生长的过程中直接掺入所需要的杂质。由于它是在外延生长过程中完成的，无需别的过程，特别是不需要高温过程。通过原位掺杂形成的N型掺杂的多晶硅层、P型掺杂的多晶硅层，制作工艺简单。在一种具体实施方式中，所述N型掺杂的多晶硅层为通过原位掺杂形成的N型掺杂的多晶硅层。

需要指出的是，本发明对所述N型掺杂的多晶硅层的掺杂浓度和掺杂杂质不做具体限定。

在一种具体实施方式中，所述步骤7包括:

对所述IGBT器件主体的沟槽进行硼离子注入，在所述沟槽栅的顶部形成P型掺杂的多晶硅区。

需要指出的是，本发明对所述硼离子的注入浓度和深度不做具体限定。

在一种具体实施方式中，所述P型掺杂的多晶硅区的厚度为所述沟槽深度的三分之一到二分之一，通过控制P型掺杂的多晶硅区的厚度控制内嵌二极管的pn结的深度。

本发明中，对源极注入的方式、粒子种类以及浓度不做具体限定。

在完成源极区的制作之后，进行离子注入，在沟槽栅的顶部形成P型掺杂的多晶硅区这样就完成了内嵌二极管的制作，之后即可进行正面电极和背面电极的制作，在正面中通过钝化层电极与刻蚀，形成栅极电极以及阴极接触区，本发明对钝化层的种类、厚度不做具体限定。因此，在所述步骤7之后，还包括：

步骤8，在所述IGBT器件主体进行钝化层淀积与刻蚀，形成栅电极及阴极接触区。

本发明对所述钝化层及其淀积工艺、刻蚀工艺不做具体限定。

除此之外，本发明实施例还提供了一种具有栅极内嵌二极管的沟槽栅IGBT，如图3所示，包括至少一个穿过N型增强层的沟槽，所述沟槽的内沉积设置有位于所述沟槽下部的N型掺杂的多晶硅层20和位于所述沟槽上部且与所述N型掺杂的多晶硅层顶面接触的P型掺杂的多晶硅层10，所述P型掺杂的多晶硅层10上设置有多晶硅氧化层。

本发明中的具有栅极内嵌二极管的沟槽栅IGBT，是通过在沟槽中形成内嵌二极管，通过先使用N型掺杂的多晶硅填满沟槽，然后进行离子注入掺杂的方式，形成内嵌二极管，工艺简单，对工艺的要求精度较低，工艺成本低。

本发明中的具有栅极内嵌二极管的沟槽栅IGBT，N型掺杂的多晶硅层20与P型掺杂的多晶硅层10由二者的接触面分隔开，N型掺杂的多晶硅层20与P型掺杂的多晶硅层10均与沟槽的侧壁接触，本发明对N型掺杂的多晶硅层20与P型掺杂的多晶硅层10的设置方式不做具体限定。

在本发明中可以是先在沟槽的底部沉积设置N型掺杂的多晶硅层20，然后在N型掺杂的多晶硅层20上设置P型掺杂的多晶硅层10，这里的N型掺杂的多晶硅层20与P型掺杂的多晶硅层10的接触面为平面。另一种设置方式为，先在沟槽中沉积N型掺杂的多晶硅层20，通过先在N型掺杂的多晶硅层20顶部设置多晶硅氧化层，再在N型掺杂的多晶硅层20中进行P扩散，将位于沟槽上部的N型掺杂的多晶硅转换为P型掺杂的多晶硅，这样使得沟槽中原有的N型掺杂的多晶硅在进行P扩散后转换为P型掺杂的多晶硅，而未进行P扩散的部分保持不变，即通过P扩散将原有的N型掺杂的多晶硅转化为P型掺杂的多晶硅和N型掺杂的多晶硅，形成pn结，能够提高P扩散的均匀性，而且制作工艺相对简单。

通过控制上部的P型掺杂的多晶硅层10的厚度，控制内嵌二极管的pn结的位置，控制对IGBT的开关速度的影响。所述P型掺杂的多晶硅区的厚度为所述沟槽深度的三分之一到二分之一。

在一种具体实施方式中，所述P型掺杂的多晶硅层10为掺硼多晶硅层。

需要指出的是，本发明对所述N型掺杂的多晶硅层20的掺杂浓度、掺杂粒子、掺杂方式不做具体限定，对P型掺杂的多晶硅层10的掺杂浓度不做具体限定，但是由于P型掺杂的多晶硅层10一般通过离子注入。

而离子注入相对常规注入有以下的优势：

(1)、多样性。原则上任何元素都可以作为注入离子；形成的结构可不受热力学参数(扩散、溶解度等)限制。

(2)、不改变。不改变工件的原有尺寸和粗糙度等；适合于各类精密零件生产的最后一道工序。

(3)、牢固性。注入离子直接和材料表面原子或分子结合，形成改性层，改性层和基底材料没有清晰的界面，结合牢靠，不存在脱落的现象；

(4)、不受限。注入过程在材料温度低于零下、高到几百上千度都可以进行。

其中的N型掺杂的多晶硅层20，一般是通过原位置掺杂获得的。由于原位掺杂是在外延生长的过程中直接掺入所需要的杂质。由于它是在外延生长过程中完成的，无需别的过程，特别是不需要高温过程。通过原位掺杂形成的N型掺杂的多晶硅层、P型掺杂的多晶硅层，制作工艺简单。

本发明对源极注入的方式、粒子种类以及浓度不做具体限定。

在完成源极区的制作之后，即可进行正面电极和背面电极的制作，在正面中通过钝化层电极与刻蚀，形成栅极电极以及阴极接触区，本发明对钝化层的种类、厚度不做具体限定。

综上所述，本发明实施例提供的具有栅极内嵌二极管的沟槽栅IGBT及其制备方法，具有栅极内嵌二极管的沟槽栅IGBT及其制备方法，通过在栅极的沟槽内设置N型多晶硅层，然后去除掉沟槽外多余的N型掺杂的多晶硅、多晶硅氧化层的沉积、源极注入，最后在沟槽内进行P型掺杂，将沟槽栅的顶部的N型多晶硅层转化为P型掺杂的多晶硅区与下部的N型多晶硅层形成内嵌多晶硅二极管，利用二极管单向导电特性，增大从阳极经栅极流出电流通道的电阻，由此遏制栅极寄生电容对IGBT开关速度的影响。另一方面，引入该多晶硅二极管并不影响IGBT的正常开启与关断，同时多晶硅二极管还具备一定的电导调制效应，能一定程度上降低多晶硅栅电阻，由此在芯片应用时可提高外部串联栅电阻对于IGBT的开关速度的控制作用。

以上对本发明所提供的具有栅极内嵌二极管的沟槽栅IGBT及其制备方法进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。