一種背溝槽絕緣柵雙極晶體管及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種背溝槽絕緣柵雙極晶體管，傳統(tǒng)絕緣柵雙極晶體管的背P+發(fā)射區(qū)完全覆蓋器件背面，本發(fā)明的絕緣柵雙極晶體管通過(guò)溝槽將器件背面部分或全部區(qū)域設(shè)置為P+發(fā)射區(qū)，以此調(diào)節(jié)背P+發(fā)射區(qū)向N型基區(qū)注入空穴的效率，提高器件高頻特性的應(yīng)用范圍。本發(fā)明還提供了一種背溝槽絕緣柵雙極晶體管的制備方法。
【專利說(shuō)明】一種背溝槽絕緣柵雙極晶體管及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及到一種背溝槽絕緣柵雙極晶體管，本發(fā)明還涉及一種背溝槽絕緣柵雙極晶體管的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]絕緣柵雙極晶體管(InsulatedGate Bipolar Transistor,簡(jiǎn)稱 IGBT)是一種集金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管(MOSFET)的柵電極電壓控制特性和雙極晶體管(BJT)的低導(dǎo)通電阻特性于一身的半導(dǎo)體功率器件，具有電壓控制、輸入阻抗大、驅(qū)動(dòng)功率小、導(dǎo)通電阻小、開關(guān)損耗低及工作頻率高等特性，是比較理想的半導(dǎo)體功率開關(guān)器件，有著廣闊的發(fā)展和應(yīng)用前景。
[0003]一般說(shuō)來(lái)，從IGBT的正面結(jié)構(gòu)區(qū)分，可以把IGBT分為平面型和溝槽柵型兩種結(jié)構(gòu)；從IGBT擊穿特性區(qū)分，可以分為穿通型和非穿通型兩種結(jié)構(gòu)，穿通型在器件背面P+表面具有N+緩沖層，其通態(tài)壓降比非穿通型要小，同時(shí)穿通型器件也增加了器件的制造難度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明提供一種背溝槽絕緣柵雙極晶體管及其制備方法。
[0005]一種背溝槽絕緣柵雙極晶體管，其特征在于:包括:N型基區(qū)，由N+緩沖層和N-基區(qū)疊加組成；p型基區(qū)、N+集電區(qū)、柵氧化層和柵極介質(zhì)，位于N型基區(qū)上方；背溝槽P+發(fā)射區(qū)，為多個(gè)溝槽位于N型基區(qū)下方部分區(qū)域，臨靠溝槽內(nèi)壁為P型半導(dǎo)體材料。其中所述的背溝槽P+發(fā)射區(qū)的P型半導(dǎo)體材料可以僅位于溝槽底部，也可以位于溝槽底部和溝槽側(cè)壁。
[0006]一種背溝槽絕緣柵雙極晶體管的制備方法，其特征在于:包括如下步驟:對(duì)N型片進(jìn)行雙面N型雜質(zhì)擴(kuò)散；通過(guò)減薄拋光去除上表面N型雜質(zhì)擴(kuò)散層和去除下表面部分N型雜質(zhì)擴(kuò)散層:在上表面形成P型基區(qū)、N+集電區(qū)、柵氧化層和柵極介質(zhì)；在下表面通過(guò)掩膜刻蝕形成溝槽，注入P型雜質(zhì)退火。
[0007]傳統(tǒng)絕緣柵雙極晶體管的背P+發(fā)射區(qū)完全覆蓋器件背面，本發(fā)明的絕緣柵雙極晶體管通過(guò)溝槽將器件背面部分或全部區(qū)域設(shè)置為P+發(fā)射區(qū)，以此調(diào)節(jié)背P+發(fā)射區(qū)向N型基區(qū)注入空穴的效率，提高器件高頻特性的應(yīng)用范圍。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0008]圖1為本發(fā)明的一種背溝槽絕緣柵雙極晶體管剖面示意圖；
[0009]圖2為本發(fā)明的第二種背溝槽絕緣柵雙極晶體管剖面示意圖；
[0010]圖3為本發(fā)明的第三種背溝槽絕緣柵雙極晶體管剖面示意圖；
[0011]圖4為本發(fā)明的第四種背溝槽絕緣柵雙極晶體管剖面示意圖；
[0012]圖5為本發(fā)明的第五種背溝槽絕緣柵雙極晶體管剖面示意圖；[0013]圖6為本發(fā)明的第六種背溝槽絕緣柵雙極晶體管剖面示意圖；
[0014]圖7為本發(fā)明的第七種背溝槽絕緣柵雙極晶體管剖面示意圖；
[0015]圖8為本發(fā)明的第八種背溝槽絕緣柵雙極晶體管剖面示意圖；
[0016]圖9為本發(fā)明的第九種背溝槽絕緣柵雙極晶體管剖面示意圖。
[0017]其中，1、背溝槽P+發(fā)射區(qū)；2、N+緩沖層；3、N-基區(qū)；4、P型基區(qū)；5、N+集電區(qū)；6、柵氧化層；7、柵極介質(zhì)；10背面氧化層。
【具體實(shí)施方式】
[0018]實(shí)施例1
[0019]圖1為本發(fā)明的一種背溝槽絕緣柵雙極晶體管的剖面圖，下面結(jié)合圖1詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置。
[0020]一種絕緣柵雙極晶體管，包括:N+緩沖層2，為N傳導(dǎo)類型的半導(dǎo)體硅材料，磷原子摻雜濃度為5E13cnT3?5E16cnT3，厚度為30um ;背溝槽P+發(fā)射區(qū)1，為P傳導(dǎo)類型半導(dǎo)體硅材料，分布N+緩沖層2背面溝槽底部，溝槽寬度和間距為5um，溝槽深度為50um，硼原子表面摻雜濃度為5E17cm_3 ；N-基區(qū)3，位于N+緩沖層2之上，為N傳導(dǎo)類型的半導(dǎo)體硅材料，厚度為200um，磷原子摻雜濃度為5E13cm_3 ；P型基區(qū)4，位于N-基區(qū)3之上，為硼原子重?fù)诫s的半導(dǎo)體硅材料，厚度為5um ;N+集電區(qū)5，位于P型基區(qū)4之上，為磷原子重?fù)诫s的半導(dǎo)體娃材料，厚度為2um ;柵氧化層6,為娃材料的氧化物,位于器件表面；柵極介質(zhì)7,位于柵氧化層6表面,為重?fù)诫s的多晶半導(dǎo)體娃材料。
[0021]本實(shí)施例的工藝制造流程如下:
[0022]第一步，對(duì)N型硅片進(jìn)行雙面磷雜質(zhì)擴(kuò)散；
[0023]第二步，通過(guò)減薄拋光去除上表面N型雜質(zhì)擴(kuò)散層和去除下表面部分N型雜質(zhì)擴(kuò)散層，形成N+緩沖層2和N-基區(qū)3:
[0024]第三步，在上表面形成P型基區(qū)4、N+集電區(qū)5、柵氧化層6和柵極介質(zhì)7 ；
[0025]第四步，在下表面光刻腐蝕形成膠掩膜，刻蝕形成溝槽，注入硼雜質(zhì)退火形成背溝槽P+發(fā)射區(qū)1，如圖1所示。
[0026]然后在此基礎(chǔ)上，淀積金屬鋁，然后光刻腐蝕進(jìn)行反刻鋁，為器件引出集電極和柵電極，通過(guò)背面金屬化工藝為器件引出發(fā)射極。同時(shí)圖1實(shí)施例中表面柵氧化層6和柵極介質(zhì)7也可以為溝槽結(jié)構(gòu)。
[0027]圖2為本發(fā)明的第二種背溝槽絕緣柵雙極晶體管剖面示意圖，是在圖1實(shí)施例基礎(chǔ)上，在背溝槽側(cè)壁通過(guò)工藝設(shè)置了側(cè)壁背面氧化層10。
[0028]圖3為本發(fā)明的第三種背溝槽絕緣柵雙極晶體管剖面示意圖，是在圖1實(shí)施例基礎(chǔ)上，在背溝槽之間N+緩沖層2表面，通過(guò)工藝設(shè)置了背面氧化層10。
[0029]圖4為本發(fā)明的第四種背溝槽絕緣柵雙極晶體管剖面示意圖，是在圖1實(shí)施例基礎(chǔ)上，在背溝槽之間N+緩沖層2表面和溝槽側(cè)壁表面，通過(guò)工藝設(shè)置了背面氧化層10。
[0030]實(shí)施例2
[0031]圖5為本發(fā)明的第五種背溝槽絕緣柵雙極晶體管的剖面圖，下面結(jié)合圖5詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置。
[0032]一種絕緣柵雙極晶體管，包括:N+緩沖層2，為N傳導(dǎo)類型的半導(dǎo)體硅材料，磷原子摻雜濃度為5E13cnT3?5E16cnT3，厚度為30um ;背溝槽P+發(fā)射區(qū)1，為P傳導(dǎo)類型半導(dǎo)體硅材料，分布N+緩沖層2背面溝槽底部和側(cè)壁，溝槽寬度和間距為5um，溝槽深度為50um，硼原子表面摻雜濃度為5E17cm_3 ；N-基區(qū)3，位于N+緩沖層2之上，為N傳導(dǎo)類型的半導(dǎo)體硅材料，厚度為200um，磷原子摻雜濃度為5E13cnT3 ；P型基區(qū)4，位于N-基區(qū)3之上，為硼原子重?fù)诫s的半導(dǎo)體硅材料，厚度為5um ;N+集電區(qū)5，位于P型基區(qū)4之上，為磷原子重?fù)诫s的半導(dǎo)體娃材料，厚度為2um ;柵氧化層6,為娃材料的氧化物,位于器件表面；柵極介質(zhì)7，位于柵氧化層6表面,為重?fù)诫s的多晶半導(dǎo)體娃材料。
[0033]本實(shí)施例的工藝制造流程如下:
[0034]第一步，對(duì)N型硅片進(jìn)行雙面磷雜質(zhì)擴(kuò)散；
[0035]第二步，通過(guò)減薄拋光去除上表面N型雜質(zhì)擴(kuò)散層和去除下表面部分N型雜質(zhì)擴(kuò)散層，形成N+緩沖層2和N-基區(qū)3:
[0036]第三步，在上表面形成P型基區(qū)4、N+集電區(qū)5、柵氧化層6和柵極介質(zhì)7 ；
[0037]第四步，在下表面光刻腐蝕形成掩膜，刻蝕形成溝槽，進(jìn)行硼雜質(zhì)擴(kuò)散退火形成背溝槽P+發(fā)射區(qū)1，如圖5所示。
[0038]然后在此基礎(chǔ)上，淀積金屬鋁，然后光刻腐蝕進(jìn)行反刻鋁，為器件引出集電極和柵電極，通過(guò)背面金屬化工藝為器件引出發(fā)射極。同時(shí)圖5實(shí)施例中表面柵氧化層6和柵極介質(zhì)7也可以為溝槽結(jié)構(gòu)。
[0039]圖6為本發(fā)明的第六種背溝槽絕緣柵雙極晶體管剖面示意圖，是在圖5實(shí)施例基礎(chǔ)上，在背溝槽之間N+緩沖層2表面，通過(guò)工藝設(shè)置了背面氧化層10。
[0040]實(shí)施例3
[0041]圖7為本發(fā)明的第七種背溝槽絕緣柵雙極晶體管的剖面圖，下面結(jié)合圖7詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置。
[0042]一種絕緣柵雙極晶體管，包括:N+緩沖層2，為N傳導(dǎo)類型的半導(dǎo)體硅材料，磷原子摻雜濃度為5E13cnT3?5E16cnT3，厚度為30um ;背溝槽P+發(fā)射區(qū)1，為P傳導(dǎo)類型半導(dǎo)體硅材料，分布N+緩沖層2背面溝槽底部和溝槽之間N+緩沖層2表面，溝槽寬度和間距為5um，溝槽深度為50um，硼原子表面摻雜濃度為5E17cm_3 ；N-基區(qū)3，位于N+緩沖層2之上，為N傳導(dǎo)類型的半導(dǎo)體硅材料，厚度為200um，磷原子摻雜濃度為5E13cm_3 ；P型基區(qū)4，位于N-基區(qū)3之上，為硼原子重?fù)诫s的半導(dǎo)體硅材料，厚度為5um ;N+集電區(qū)5，位于P型基區(qū)4之上，為磷原子重?fù)诫s的半導(dǎo)體硅材料，厚度為2um ;柵氧化層6，為硅材料的氧化物，位于器件表面；柵極介質(zhì)7，位于柵氧化層6表面，為重?fù)诫s的多晶半導(dǎo)體硅材料。
[0043]本實(shí)施例的工藝制造流程如下:
[0044]第一步，對(duì)N型硅片進(jìn)行雙面磷雜質(zhì)擴(kuò)散；
[0045]第二步，通過(guò)減薄拋光去除上表面N型雜質(zhì)擴(kuò)散層和去除下表面部分N型雜質(zhì)擴(kuò)散層，形成N+緩沖層2和N-基區(qū)3:
[0046]第三步，在上表面形成P型基區(qū)4、N+集電區(qū)5、柵氧化層6和柵極介質(zhì)7 ；
[0047]第四步，在下表面光刻腐蝕形成膠掩膜，刻蝕形成溝槽，去除膠掩膜，進(jìn)行硼雜質(zhì)注入退火形成背溝槽P+發(fā)射區(qū)1，如圖7所示。
[0048]然后在此基礎(chǔ)上，淀積金屬鋁，然后光刻腐蝕進(jìn)行反刻鋁，為器件引出集電極和柵電極，通過(guò)背面金屬化工藝為器件引出發(fā)射極。同時(shí)圖7實(shí)施例中表面柵氧化層6和柵極介質(zhì)7也可以為溝槽結(jié)構(gòu)。
[0049]圖8為本發(fā)明的第八種背溝槽絕緣柵雙極晶體管剖面示意圖，是在圖7實(shí)施例基礎(chǔ)上，在背溝槽側(cè)壁表面通過(guò)工藝設(shè)置了背面氧化層10。
[0050]實(shí)施例4
[0051]圖9為本發(fā)明的第九種背溝槽絕緣柵雙極晶體管的剖面圖，下面結(jié)合圖9詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置。
[0052]一種絕緣柵雙極晶體管，包括:N+緩沖層2，為N傳導(dǎo)類型的半導(dǎo)體硅材料，磷原子摻雜濃度為5E13cnT3?5E16cnT3，厚度為30um ;背溝槽P+發(fā)射區(qū)1，為P傳導(dǎo)類型半導(dǎo)體硅材料，分布N+緩沖層2背面溝槽底部、背面溝槽側(cè)壁和溝槽之間N+緩沖層2表面，溝槽寬度和間距為5um，溝槽深度為50um，硼原子表面摻雜濃度為5E17cm_3 ；N-基區(qū)3，位于N+緩沖層2之上，為N傳導(dǎo)類型的半導(dǎo)體硅材料，厚度為200um，磷原子摻雜濃度為5E13cnT3 ；P型基區(qū)4，位于N-基區(qū)3之上，為硼原子重?fù)诫s的半導(dǎo)體硅材料，厚度為5um ；N+集電區(qū)5，位于P型基區(qū)4之上，為磷原子重?fù)诫s的半導(dǎo)體硅材料，厚度為2um ;柵氧化層6，為硅材料的氧化物，位于器件表面；柵極介質(zhì)7,位于柵氧化層6表面,為重?fù)诫s的多晶半導(dǎo)體娃材料。
[0053]本實(shí)施例的工藝制造流程如下:
[0054]第一步，對(duì)N型硅片進(jìn)行雙面磷雜質(zhì)擴(kuò)散；
[0055]第二步，通過(guò)減薄拋光去除上表面N型雜質(zhì)擴(kuò)散層和去除下表面部分N型雜質(zhì)擴(kuò)散層，形成N+緩沖層2和N-基區(qū)3:
[0056]第三步，在上表面形成P型基區(qū)4、N+集電區(qū)5、柵氧化層6和柵極介質(zhì)7 ；
[0057]第四步，在下表面光刻腐蝕形成膠掩膜，刻蝕形成溝槽，去除膠掩膜，淀積硼雜質(zhì)摻雜多晶半導(dǎo)體材料，高溫?cái)U(kuò)散，腐蝕去除多晶半導(dǎo)體材料，形成背溝槽P+發(fā)射區(qū)1，如圖9所示。
[0058]然后在此基礎(chǔ)上，淀積金屬鋁，然后光刻腐蝕進(jìn)行反刻鋁，為器件引出集電極和柵電極，通過(guò)背面金屬化工藝為器件引出發(fā)射極。同時(shí)圖9實(shí)施例中表面柵氧化層6和柵極介質(zhì)7也可以為溝槽結(jié)構(gòu)。
[0059]通過(guò)上述實(shí)例闡述了本發(fā)明，同時(shí)也可以采用其它實(shí)例實(shí)現(xiàn)本發(fā)明，本發(fā)明不局限于上述具體實(shí)例，因此本發(fā)明由所附權(quán)利要求范圍限定。
【權(quán)利要求】
1.一種背溝槽絕緣柵雙極晶體管，其特征在于:包括: N型基區(qū)，由N+緩沖層和N-基區(qū)疊加組成； P型基區(qū)、N+集電區(qū)、柵氧化層和柵極介質(zhì)，位于N型基區(qū)上方； 背溝槽P+發(fā)射區(qū)，為多個(gè)溝槽結(jié)構(gòu)，位于N型基區(qū)下方，P型半導(dǎo)體材料臨靠溝槽內(nèi)壁，同時(shí)背溝槽內(nèi)填充電極金屬。
2.如權(quán)利要求1所述的絕緣柵雙極晶體管，其特征在于:所述的背溝槽P+發(fā)射區(qū)的溝槽寬度和溝槽間距小于等于lOum，溝槽深度小于等于lOOum。
3.如權(quán)利要求1所述的絕緣柵雙極晶體管，其特征在于:所述的背溝槽P+發(fā)射區(qū)表面的摻雜濃度大于等于lE17Cm_3，P型半導(dǎo)體材料厚度為0.lunTlum。
4.如權(quán)利要求1所述的絕緣柵雙極晶體管，其特征在于:所述的背溝槽P+發(fā)射區(qū)的P型半導(dǎo)體材料可以僅位于溝槽底部，也可以位于溝槽底部和溝槽側(cè)壁，也可以位于N+緩沖層背表面和溝槽內(nèi)壁。
5.如權(quán)利要求1所述的絕緣柵雙極晶體管，其特征在于:所述的背溝槽P+發(fā)射區(qū)的溝槽側(cè)壁表面可以為絕緣層覆蓋、歐姆接觸區(qū)或肖特基勢(shì)壘結(jié)。
6.如權(quán)利要求1所述的絕緣柵雙極晶體管，其特征在于:所述背溝槽之間N+緩沖層表面可以為絕緣層覆蓋、歐姆接觸區(qū)或肖特基勢(shì)壘結(jié)。
7.如權(quán)利要求1所述的絕緣柵雙極晶體管，其特征在于:所述的N+緩沖層的摻雜濃度從下向上逐漸降低，厚度為5unT30um,摻雜濃度為lE13cnT3?lE17cnT3。
8.如權(quán)利要求1所述的絕緣柵雙極晶體管，其特征在于:所述的N-基區(qū)的摻雜濃度為lE13cm3?lE17cm 3。
9.如權(quán)利要求1所述的絕緣柵雙極晶體管，其特征在于:所述的柵氧化層和柵極介質(zhì)可以位于器件表面為平面結(jié)構(gòu)，也可以位于器件上表面溝槽內(nèi)為溝槽結(jié)構(gòu)。
10.如權(quán)利要求1所述的一種背溝槽絕緣柵雙極晶體管的制備方法，其特征在于:包括如下步驟: 1)對(duì)N型片進(jìn)行雙面N型雜質(zhì)擴(kuò)散； 2)通過(guò)減薄拋光去除上表面N型雜質(zhì)擴(kuò)散層和去除下表面部分N型雜質(zhì)擴(kuò)散層: 3)在上表面形成P型基區(qū)、N+集電區(qū)、柵氧化層和柵極介質(zhì)； 4)在下表面通過(guò)掩膜刻蝕形成溝槽，注入P型雜質(zhì)退火。
【文檔編號(hào)】H01L21/331GK103681812SQ201210320234
【公開日】2014年3月26日 申請(qǐng)日期:2012年9月2日 優(yōu)先權(quán)日:2012年9月2日
【發(fā)明者】朱江 申請(qǐng)人:朱江