一种绝缘栅双极型晶体管及其制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及半导体器件技术领域，具体涉及一种绝缘栅双极型晶体管及其制造方法。
【背景技术】
[0002]理想功率开关器件应有如下特性:开关处于关断状态时，流过的漏电流为零；开关处于导通时，开关的电压降为零；开关的关断状态和导通状态的切换时间为零。在实际电路中，为了工作电路的简化，理想开关的驱动电流应该为零。
[0003]IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)绝缘栅双极型晶体管，是由 BJT(双极型三极管)和MOS(绝缘栅型场效应管)组成的电压驱动式半导体器件，兼有MOSFET的高输入阻抗和BJT的低导通压降两方面的优点。BJT饱和压降低，载流子密度大，但驱动电流较大；M0SFET驱动功率小，开关速度快，但导通压降大，载流子密度小。绝缘栅双极型晶体管综合了以上两种器件的优点，驱动电路简单、驱动电流小，同时导通压降小。非常适合用于直流高压的变流系数如变频器、开关电源等领域。
[0004]以N型沟道IGBT为例，如图1所示，P型集电极2和N-型漂移区4形成的pn结内建电场方向指向集电极，阻碍电子从N-型漂移区进去集电区。在导通过程中，电子从栅下反型沟道注入到N-型漂移区，内建电场使得漂移区中的载流子密度变大，降低了通态压降。而同时，在关断过程中，由于内建电场阻碍过剩载流子抽取，造成电流拖尾，增大了关断损耗。N-漂移区内的过剩载流子的数量越多，通态压降越低，而关断损耗相应增大。因此，IGBT在通态压降和关断损耗间存在折衷关系。
[0005]为缓解通态压降与关断损耗之间的矛盾关系，寻找更合适的折衷点，目前提出了一些改进型的IGBT。穿通型IGBT与非传统型IGBT相比，通过在N-漂移区底端引入N型缓冲层，N型缓冲层与P型集电极相接。在相同耐压下，穿通型IGBT可以大幅度减薄N-漂移区厚度，降低了通态压降。槽型栅IGBT相对于平面栅IGBT，具有沟道密度高，没有JFET效应，有效改善了通态压降和关断损耗的这种关系。CSTBT(Carrier Stored Trench-gateBipolar Transistor，载流子存储槽型双极型晶体管)是一种新型的IGBT，兼具以上两种器件的优势。该种IGBT如图2所示，在位于两侧槽栅之间的P-body基区底部引入N型CS层(Carrier Stored layer，载流子存储层)5，其浓度高于N-漂移区浓度，形成扩散势，阻止空穴从N-漂移区向上流出器件。为了保持电中性，相应数量的电子通过沟道流入N-漂移区，从而增大整体的过剩载流子浓度，降低导通压降。CS层浓度越高，形成的扩散势越高，导通压降越低。但高浓度的CS层会导致器件的正向耐压比较低，CS浓度不可能无限高。
【发明内容】
[0006]本发明所要解决的，就是针对上述问题，提出一种绝缘栅双极型晶体管及其制造方法。
[0007]为实现上述目的，本发明采用如下技术方案:
[0008]一种绝缘栅双极型晶体管，如图3所示，包括从下往上依次设置的金属化集电极
1、P型集电极区2、N型缓冲层3、N-漂移区4、N型CS层5和P-body区8 ;所述P-body区8上表面具有金属化发射极11 ;所述器件还具有槽栅结构，所述槽栅结构由栅氧化层6、多晶硅栅7和金属化栅电极10组成，所述多晶硅栅7位于栅氧化层6中，所述栅氧化层6沿器件垂直方向穿过P-body区8和N型CS层5后与N-漂移区4连接，所述金属化栅电极10位于多晶硅栅7上表面；所述P-body区8上层具有发射极N+区12，所述发射极N+区12与栅氧化层6的侧面连接；其特征在于，所述P-body区中具有N型重掺杂层9，所述N型重掺杂层9与栅氧化层6的侧面连接。
[0009]本发明总的技术方案，通过设置在P-body区中的N型重掺杂层9，使器件成为深埋发射极沟槽型IGBT，相当于引入了达林顿管，如图5所示，在开启过程中，Jl所在的支路首先导通，电子注入到N-漂移区4，促使阳极P区向漂移区注入空穴，空穴经外延P-body区到达阴极。随着J2电流的增大，Rp两端的压降增大，使得达林顿管开启。在导通状态下，N型CS层5与P型外延区PN结的高空穴密度降低了导通电阻，关断时更容易抽取N-漂移区4的空穴，从而降低了关断时间和关断损耗。
[0010]一种绝缘栅双极型晶体管的制造方法，其特征在于，包括以下步骤:
[0011]第一步:采用N-单晶硅片，制备N-漂移区4 ；
[0012]第二步:在N-漂移区4上表面通过外延生长，形成N型CS层5 ；
[0013]第三步:在N型CS层5上表面通过外延生长，形成P-body区8 ；
[0014]第四步:在P-body区8上表面生长场氧化层13 ；
[0015]第五步:在P-body区8上刻蚀有源区；
[0016]第六步:采用反应离子刻蚀工艺，在器件上刻蚀出栅槽14，所述栅槽14沿器件垂直方向穿过P-body区8和N型CS层5后与N-漂移区4连接；
[0017]第七步:在栅槽14中生长栅氧化层6 ;
[0018]第八步:在栅氧化层6中进行N+多晶硅淀积与刻蚀，形成多晶硅栅7 ;
[0019]第九步:采用离子注入工艺，在在P-body区8上层形成发射极N+区12，所述发射极N+区12与栅氧化层6侧面连接；
[0020]第十步:采用高能离子注入工艺并退火，在P-body区8形成N型重掺杂层9，所述N型重掺杂层9与栅氧化层6侧面连接；
[0021]第^^一步:在P-body区8上表面进行BPSG15的淀积与回流，并刻蚀出接触孔16 ；
[0022]第十二步:正面金属化，在P-body区8上表面形成金属化发射极11和在多晶娃栅7上表面形成金属化栅电极10 ；
[0023]第十三步:进行硅片背面减薄；
[0024]第十四步:采用离子注入工艺，在N-漂移区4下层形成N型缓冲层3 ；
[0025]第十五步:采用离子注入工艺，在N型缓冲层3下层形成P型集电区2 ;
[0026]第十六步:背面金属化，在P型集电区2下表面形成金属化集电极I。
[0027]对于N型重掺杂层9的生长，除了可以通过上述高能离子注入工艺以外，还能通过外延生长。具体的:
[0028]第一步:采用N-单晶硅片，制备N-漂移区4 ；
[0029]第二步:在N-漂移区4上表面通过外延生长，形成N型CS层5 ;
[0030]第三步:在N型CS层5上表面通过外延生长，生长一层较厚的P-body层，对淀积层表面进行离子注入，形成N型重掺杂层，继续淀积，形成P-body层；
[0031]本发明的有益效果为，能实现导通压降降低，关断能量损耗减小的效果，同时抽取载流子速度快，使得器件的功耗减小，可靠性增强，工作频率增大。
【附图说明】
[0032]图1是常规非穿通型平面栅IGBT示意图；
[0033]图2是常规CSTBT示意图；
[0034]图3是本发明的IGBT小元胞结构示意图；
[0035]图4是本发明的IGBT大元胞结构示意图；
[0036]图5是本发明的IGBT的等效电路图；
[0037]图6是本发明的器件与传统IGBT正向开启特性的对比示意图；
[0038]图7是本发明的器件与传统IGBT关断损耗的对比图；
[0039]图8是本发明的器件与传统IGBT关断时电流随时间变化的对比图；
[0040]图9是本发明的深埋发射极沟槽型IGBT的工艺流程示意图；
[0041]图10是本发明的制造工艺流程中制备N-漂移区后的结构示意图；
[0042]图11是本发明的制造工艺流程中通过离子注入N型杂质推结形成CS层后的结构示意图；
[0043]图12是本发明的制造工艺流程中外延生长P-body区后的结构示意图；
[0044]图13是本发明的制造工艺流程中生长场氧化层后的结构示意图；
[0045]图14是本发明的制造工艺流程中刻蚀有源区后的结构示意图；
[0046]图15是本发明的制造工艺流程中刻蚀栅槽结构后的结构示意图；
[0047]图16是本发明的制造工艺流程中生长栅氧化层后的结构示意图；
[0048]图17是本发明的制造工艺流程中淀积、刻蚀多晶硅栅后的结构示意图；
[0049]图18是本发明的制造工艺流程中形成发射极N+后的结构示意图；
[0050]图19是本发明的制造工艺流程中形成深埋发射极后的结构示意图；
[0051]图20是本发明的制造工艺流程中BPSG淀积与回流，刻蚀接触孔后的结构示意图；
[0052]图21是