本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體元器件結(jié)構(gòu)，尤其是一種IGBT正面結(jié)構(gòu)及制備方法。

背景技術(shù)：

IGBT（絕緣柵雙極晶體管）是由BJT（雙極結(jié)型晶體管）和MOSFET（金屬-氧化物-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管）組成的復(fù)合全控型電壓驅(qū)動(dòng)式功率半導(dǎo)體器件。與MOSFET相比，IGBT的優(yōu)勢(shì)在于具有電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，即在器件導(dǎo)通時(shí)，雙極結(jié)型結(jié)構(gòu)會(huì)從背面P+集電區(qū)向N基區(qū)注入少數(shù)載流子（空穴），對(duì)N基區(qū)的電導(dǎo)率進(jìn)行調(diào)制，有效地降低N基區(qū)的導(dǎo)通電阻，從而降低器件的導(dǎo)通壓降和導(dǎo)通損耗，這稱為“電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)”。然而N型基區(qū)內(nèi)部的載流子并非均勻分布，從背面往上，越靠近正面（柵極附近），載流子濃度越低，電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)減弱，這限制了器件導(dǎo)通壓降的進(jìn)一步降低。為了解決這個(gè)問題，現(xiàn)有的一種做法是通過N型離子注入和退火在器件正面的P基區(qū)下方形成一個(gè)N+層，稱為“載流子存儲(chǔ)層”，這個(gè)附加層可以提高柵極附近的空穴濃度從而提高器件電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，進(jìn)一步降低導(dǎo)通壓降。載流子存儲(chǔ)層的注入需要限制在特定的區(qū)域，因此需要增加一層掩膜板，增加了成本；另一方面，由于 “載流子存儲(chǔ)層”位于比P基區(qū)更深的區(qū)域，因此需要更高的離子注入能量、更高的退火溫度和更長的退火時(shí)間，增加了成本和工藝難度，也容易影響器件的可靠性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，提供一種IGBT正面結(jié)構(gòu)及制備方法，不需要增加掩膜板，不需要高能量注入，不需要額外增加高溫和長時(shí)間的退火，從而達(dá)到提高器件的電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，降低器件的器件的導(dǎo)通壓降和導(dǎo)通損耗以及提高器件可靠性的目的。

按照本發(fā)明提供的技術(shù)方案，所述IGBT正面結(jié)構(gòu)，包括第一導(dǎo)電類型基區(qū)，第一導(dǎo)電類型基區(qū)的正面設(shè)置第二導(dǎo)電類型基區(qū)，第二導(dǎo)電類型基區(qū)的表面設(shè)置金屬電極，在第二導(dǎo)電類型基區(qū)設(shè)置溝槽結(jié)構(gòu)；所述溝槽結(jié)構(gòu)的上端延伸至金屬電極中，溝槽結(jié)構(gòu)與金屬電極之間設(shè)置隔離氧化層進(jìn)行隔離，溝槽結(jié)構(gòu)的下端延伸至第一導(dǎo)電類型基區(qū)中，溝槽結(jié)構(gòu)的上端兩側(cè)設(shè)置第一導(dǎo)電類型發(fā)射區(qū)，溝槽結(jié)構(gòu)之間形成金屬電極與第二導(dǎo)電類型基區(qū)的接觸孔，在接觸孔底部設(shè)置第二導(dǎo)電類型區(qū)；其特征是：在所述第一導(dǎo)電類型基區(qū)中設(shè)置第一導(dǎo)電類型懸浮層和第二導(dǎo)電類型懸浮環(huán)。

進(jìn)一步的，所述第一導(dǎo)電類型懸浮層位于溝槽結(jié)構(gòu)的底部以上，第二導(dǎo)電類型懸浮環(huán)位于溝槽結(jié)構(gòu)的底部。

進(jìn)一步的，所述第二導(dǎo)電類型懸浮環(huán)之間形成間距。

進(jìn)一步的，所述溝槽結(jié)構(gòu)包括設(shè)置在溝槽內(nèi)壁的柵極氧化層和填充在溝槽中的溝槽柵極。

所述IGBT正面結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征是，包括以下步驟：

（1）在第一導(dǎo)電類型基區(qū)上通過離子注入和退火形成第二導(dǎo)電類型基區(qū)，然后通過離子注入在第二導(dǎo)電類型基區(qū)表面形成第一導(dǎo)電類型薄層；

（2）接著在第一導(dǎo)電類型薄層的表面淀積氧化層，通過光刻和第一次刻蝕形成溝槽，以氧化層為掩膜對(duì)溝槽底部進(jìn)行第一導(dǎo)電類型離子注入；注入后進(jìn)行第一次柵極犧牲氧化，通過第一次柵極犧牲氧化的熱過程，在溝槽底部形成第一導(dǎo)電類型懸浮環(huán)，然后將犧牲氧化層刻蝕掉；

（3）接下來以步驟（2）中淀積的氧化層為掩膜進(jìn)行第二次溝槽刻蝕，刻蝕的深度超過第一導(dǎo)電類型懸浮環(huán)的底部，然后再以步驟（2）中淀積的氧化層（13）為掩膜對(duì)溝槽底部進(jìn)行第二導(dǎo)電類型離子注入；接著進(jìn)行第二次柵極犧牲氧化和柵極氧化，通過這兩步熱過程，在溝槽底部形成第二導(dǎo)電類型懸浮環(huán)，同時(shí)第一導(dǎo)電類型懸浮環(huán)連接形成第一導(dǎo)電類型懸浮層；通過步驟（2）和（3）中柵極犧牲氧化和柵極氧化的熱過程，第一導(dǎo)電類型薄層形成第一導(dǎo)是類型發(fā)射區(qū)，柵極氧化熱過程后形成柵極氧化層；然后向溝槽內(nèi)填充多晶硅并進(jìn)行多晶硅回刻形成溝槽柵極，接著去除步驟（2）中淀積的氧化層；

（4）在正面淀積一層隔離氧化層，通過光刻和刻蝕形成接觸孔，接觸孔的深度超過第一導(dǎo)電類型發(fā)射區(qū)的深度；接著以隔離氧化層為掩膜，通過離子注入和退火形成第二導(dǎo)電類型區(qū)，最后進(jìn)行正面的金屬化，形成金屬電極。

進(jìn)一步的，所述步驟（1）中第一導(dǎo)電類型基區(qū)中離子注入能量為50keV~200keV，注入劑量為1e12cm^-2~1e14cm^-2，退火溫度為1000℃~1200℃，退火時(shí)間為50分鐘~200分鐘；第二導(dǎo)電類型基區(qū)離子注入能量為30keV~100keV，注入劑量為1e14cm^-2~1e16cm^-2。

進(jìn)一步的，所述步驟（2）中第一次刻蝕形成的溝槽深度為4~6um，溝槽底部進(jìn)行第一導(dǎo)電類型離子注入能量為40keV~100keV，注入劑量為1e11cm^-2~1e13cm^-2；第一次柵極犧牲氧化溫度為950℃~1200℃，時(shí)間為10分鐘~100分鐘。

進(jìn)一步的，所述步驟（3）中第二次溝槽刻蝕的深度為6~8um，溝槽寬度為0.5~2um，溝槽的間距為1~3um；溝槽底部進(jìn)行第二導(dǎo)電類型離子注入能量為30keV~100keV，注入劑量為1e12cm^-2~1e14cm^-2；第二次柵極犧牲氧化溫度為950℃~1200℃，時(shí)間為10分鐘~100分鐘；柵極氧化溫度為1000℃~1200℃，時(shí)間為30分鐘~100分鐘）。

進(jìn)一步的，所述步驟（4）中接觸孔的深度為0.5~3um，接觸孔的寬度為0.5~1.5um；離子注入能量為20keV~100keV，注入劑量為1e14cm^-2~1e16cm^-2；退火溫度為800℃~1000℃，時(shí)間為10分鐘~60分鐘。

進(jìn)一步的，所述第一導(dǎo)電類型基區(qū)為區(qū)熔單晶硅片。

本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）利用溝槽刻蝕的掩膜和兩次溝槽刻蝕形成的深度，對(duì)溝槽底部進(jìn)行離子注入形成，不需要額外的掩膜板和高能量的離子注入，節(jié)省了成本；

（2）利用柵極犧牲氧化和柵極氧化的熱過程，分別形成了N+發(fā)射區(qū)，N+懸浮層和P+懸浮環(huán)，不需要增加額外的熱過程，進(jìn)一步節(jié)省了成本；

（3）通過所述低成本方法形成的N+懸浮層可以達(dá)到降低器件導(dǎo)通損耗的目的，通過所述低成本方法形成的P+懸浮環(huán)可降低溝槽底部的電場(chǎng)峰值，提高器件的可靠性。

附圖說明

圖1為在N基區(qū)正面形成P基區(qū)和N+薄層的示意圖。

圖2為得到溝槽的示意圖。

圖3為在溝槽底部形成N+懸浮環(huán)的示意圖。

圖4為對(duì)溝槽繼續(xù)進(jìn)行刻蝕的示意圖。

圖5為得到溝槽結(jié)構(gòu)的示意圖。

圖6為形成接觸孔的示意圖。

圖7為本發(fā)明所述IGBT正面結(jié)構(gòu)的示意圖。

附圖標(biāo)記說明：N基區(qū)1、N+發(fā)射區(qū)2、P基區(qū)3、溝槽柵極4、柵極氧化層5、隔離氧化層6、接觸孔7、P+區(qū)8、金屬電極9、N+懸浮層10、P+懸浮環(huán)11、N+薄層12、氧化層13、N+懸浮環(huán)14。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合具體附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。

如圖7所示，本發(fā)明所述IGBT正面結(jié)構(gòu)包括N基區(qū)1，N基區(qū)1的正面設(shè)置P基區(qū)3，P基區(qū)3的表面設(shè)置金屬電極9，在P基區(qū)3設(shè)置溝槽結(jié)構(gòu)，溝槽結(jié)構(gòu)包括設(shè)置在溝槽內(nèi)壁的柵極氧化層5和填充在溝槽中的溝槽柵極4；所述溝槽結(jié)構(gòu)的上端延伸至金屬電極9中，溝槽結(jié)構(gòu)與金屬電極9之間設(shè)置隔離氧化層6進(jìn)行隔離，溝槽結(jié)構(gòu)的下端延伸至N基區(qū)1中，溝槽結(jié)構(gòu)的上端兩側(cè)設(shè)置N+發(fā)射區(qū)2，溝槽結(jié)構(gòu)之間形成金屬電極9與P基區(qū)3的接觸孔7，在接觸孔7底部設(shè)置P+區(qū)8；在所述N基區(qū)1中設(shè)置N+懸浮層10和P+懸浮環(huán)11，N+懸浮層10位于溝槽結(jié)構(gòu)的底部以上，P+懸浮環(huán)11位于溝槽結(jié)構(gòu)的底部，P+懸浮環(huán)11之間形成間距，該間距受溝槽結(jié)構(gòu)的間距、P+懸浮環(huán)的注入能量以及柵極犧牲氧化和柵極氧化的溫度和時(shí)間控制；所述N+懸浮層10的形成受溝槽結(jié)構(gòu)的間距、N+懸浮層10的注入能量以及柵極犧牲氧化和柵極氧化的溫度和時(shí)間控制。

本發(fā)明所述IGBT正面結(jié)構(gòu)的制備方法，適用于背面為穿通（PT）型、非穿通（NPT）型或者場(chǎng)截止（FS）型的IGBT器件。本實(shí)施例中N基區(qū)1為區(qū)熔單晶硅片。具體包括以下步驟：

（1）如圖1所示，在N基區(qū)1上通過離子注入（注入離子為硼，注入能量50keV~200keV，注入劑量1e12cm^-2~1e14cm^-2）和退火（退火溫度1000℃~1200℃，退火時(shí)間50分鐘~200分鐘）形成P基區(qū)3，然后通過離子注入（注入離子為砷，注入能量為30keV~100keV，注入劑量1e14cm^-2~1e16cm^-2）形成N+薄層12；

（2）如圖2所示，接著在N+薄層12的表面淀積一層氧化層13，通過光刻和第一次刻蝕形成溝槽（溝槽深度為4~6um），以氧化層13為掩膜對(duì)溝槽底部進(jìn)行N+離子注入（注入離子為磷，注入能量為40keV~100keV，注入劑量1e11cm^-2~1e13cm^-2）；注入后進(jìn)行第一次柵極犧牲氧化（溫度950℃~1200℃，時(shí)間10分鐘~100分鐘），通過第一次柵極犧牲氧化的熱過程，在溝槽底部形成N+懸浮環(huán)14，然后將犧牲氧化層刻蝕掉，如圖3所示；

（3）接下來以步驟（2）中淀積的氧化層13為掩膜進(jìn)行第二次溝槽刻蝕（刻蝕后的溝槽深度為6~8um，溝槽寬度為0.5~2um，溝槽的間距為1~3um），刻蝕的深度需超過N+懸浮環(huán)14的底部，然后再以步驟（2）中淀積的氧化層13為掩膜對(duì)溝槽底部進(jìn)行P+離子注入（注入離子為硼，注入能量30keV~100keV，注入劑量1e12cm^-2~1e14cm^-2），如圖4所示；接著進(jìn)行第二次柵極犧牲氧化（溫度950℃~1200℃，時(shí)間10分鐘~100分鐘）和柵極氧化（溫度1000℃~1200℃，時(shí)間30分鐘~100分鐘），通過這兩步熱過程，在溝槽底部形成P+懸浮環(huán)11，同時(shí)N+懸浮環(huán)14連接形成N+懸浮層10；通過步驟（2）和（3）中柵極犧牲氧化和柵極氧化的熱過程，N+薄層12形成N+發(fā)射區(qū)2，柵極氧化熱過程后形成柵極氧化層5；然后向溝槽內(nèi)填充多晶硅并進(jìn)行多晶硅回刻形成溝槽柵極4，接著去除步驟（2）中淀積的氧化層13，如圖5所示；

（4）在正面淀積一層隔離氧化層6，通過光刻和刻蝕形成接觸孔7（刻蝕后的接觸孔7的深度為0.5~3um，接觸孔7的寬度為0.5~1.5um），接觸孔7的深度需超過N+發(fā)射區(qū)2的深度，如圖6所示；接著以隔離氧化層6為掩膜，通過離子注入（注入離子為硼，注入能量20keV~100keV，注入劑量1e14cm^-2~1e16cm^-2）和退火（溫度800℃~1000℃，時(shí)間10分鐘~60分鐘）形成P+區(qū)8，最后采用Al進(jìn)行正面的金屬化，形成金屬電極9，如圖7所示。