一種溝槽柵電荷存儲型igbt及其制造方法
【技術領域】
[0001 ]本發明屬于功率半導體器件技術領域，涉及絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)，具體涉及溝槽柵電荷存儲型絕緣柵雙極型晶體管(CSTBT)。
【背景技術】
[0002]絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)是一種MOS場效應和雙極型晶體管復合的新型電力電子器件。它既有MOSFET易于驅動，控制簡單的優點，又有功率晶體管導通壓降低，通態電流大，損耗小的優點，已成為現代電力電子電路中的核心電子元器件之一，廣泛地應用在諸如通信、能源、交通、工業、醫學、家用電器及航空航天等國民經濟的各個領域。IGBT的應用對電力電子系統性能的提升起到了極為重要的作用。
[0003]從IGBT發明以來，人們一直致力于改善IGBT的性能。經過二十幾年的發展，相繼提出了 6代IGBT器件結構，使器件性能得到了穩步的提升。第6代的溝槽柵電荷存儲型絕緣柵雙極型晶體管(CSTBT)由于采用了較高摻雜濃度和一定厚度的N型電荷存儲層結構，使IGBT器件靠近發射極端的載流子濃度分布得到了極大的改善，提高了 N型漂移區的電導調制，改善了整個N型漂移區的載流子濃度分布，使IGBT獲得了低的正向導通壓降和改善的正向導通壓降和關斷損耗的折中。但是，對于CSTBT器件結構，由于較高摻雜濃度和一定厚度的N型電荷存儲層的存在，器件的擊穿電壓顯著降低，為了有效屏蔽N型電荷存儲層的不利影響獲得一定的器件耐壓，需要采用:I)深的溝槽柵深度，使溝槽柵的深度大于N型電荷存儲層的結深，但深的溝槽柵深度不僅增大了柵極-發射極電容，也增大了柵極-集電極電容，因而，降低了器件的開關速度，增大器件的開關損耗，影響了器件的導通壓降和開關損耗的折中特性;2)小的元胞寬度，使溝槽柵之間的間距盡可能減小，然而，高密度的溝槽MOS結構不僅增大了器件的柵極電容，降低了器件的開關速度，增大了器件的開關損耗，影響了器件的導通壓降和開關損耗的折中特性，而且，增加了器件的飽和電流密度，使器件的短路安全工作區變差。
【發明內容】
[0004]本發明的目的是為了在一定的器件溝槽深度和溝槽MOS結構密度的情況下，減小器件的柵極電容，特別是柵極-集電極電容，提高器件的開關速度，減小開關損耗，同時減小器件的飽和電流密度改善器件的短路安全工作區并提高器件的擊穿電壓，并進一步提高器件發射極端的載流子增強效應，改善整個N型漂移區的載流子濃度分布，進一步改善正向導通壓降和開關損耗的折中，在傳統CSTBT器件結構的基礎上(如圖1所示)，本發明提供一種溝槽柵電荷存儲型IGBT(如圖2所示)及其制作方法。在一定的溝槽深度和寬度下，本發明通過在器件溝槽內柵電極的底部和側面引入厚的介質層，并減小柵電極的深度，從而減小了器件的柵極電容，特別是柵極-集電極電容，提高器件的開關速度，降低器件的開關損耗;同時，通過側面厚介質層一側浮空的P型基區不但減小了MOS溝道的密度，改善了短路安全工作區，而且進一步減小了空穴的抽取面積，提高了發射極端的載流子增強效應，進一步改善了整個N型漂移區的載流子濃度分布，提高了器件的性能和可靠性。本發明提供的制作方法不需要增加額外的工藝步驟，與傳統CSTBT制作方法兼容。本發明適用于從小功率到大功率的半導體功率器件和功率集成電路領域。
[0005]本發明的技術方案為:一種溝槽柵電荷存儲型IGBT，包括從下至上依次層疊設置的集電極金屬12、P型集電極區11、N型電場阻止層10和N型漂移區9;其特征在于，所述N型漂移區9中具有N+發射區5、P+發射區6、P型基區71、第一 N型電荷存儲層8、溝槽柵結構和第一浮空P型區72;所述第一浮空P型區72位于溝槽柵結構的一側，所述N+發射區5、P+發射區6、P型基區71和第一 N型電荷存儲層8位于溝槽柵結構的另一側;所述P型基區71位于第一 N型電荷存儲層8的上表面，所述N+發射區5和P+發射區6并列位于P型基區71的上表面，且N+發射區5位于靠近溝槽柵結構的一側;所述第一浮空P型區72和溝槽柵結構的上表面具有第一介質層2;所述N+發射區5和P+發射區6的上表面具有發射極金屬I;所述溝槽柵結構包括柵介質層41、第二介質層42、第三介質層43和柵電極3;所述柵電極3的深度大于P型基區71的結深;所述柵介質層41的一側與柵電極3的一側連接，柵介質層41的另一側與N+發射區5、P型基區71和第一 N型電荷存儲層8的側面連接;柵電極3的另一側與第二介質層42的一側連接，柵電極3的上表面與第一介質層2連接;第二介質層42的另一側與第一浮空P型區72連接，第二介質層42的上表面與第一介質層2連接;第二介質層42、柵電極3、柵介質層41的下表面與第三介質層43的上表面連接;第三介質層43的深度大于第一 N型電荷存儲層8的結深。
[0006]進一步的，所述第二介質層42和第三介質層43的厚度大于柵介質層41和的厚度。
[0007]進一步的，所述柵電極3的深度小于第一N型電荷存儲層8的結深。
[0008]進一步的，所述第一浮空P型區72的深度大于第三介質層43的結深，第三介質層43的下表面與第一浮空P型區72連接。
[0009]進一步的，所述N型漂移區9中還包括第二N型電荷存儲層(81)和第二浮空P型區73，所述第二 N型電荷存儲層(81)位于第一浮空P型區72的下表面，且與第一 N型電荷存儲層8對稱設置在第三介質層43兩側;所述第二浮空P型區73位于第三介質層43的下表面。
[0010]一種溝槽柵電荷存儲型IGBT的制造方法，其特征在于，包括以下步驟:
[0011]第一步:選取N型輕摻雜單晶硅片作為器件的N型漂移區9，選取的硅片厚度為300?600um，摻雜濃度為113?114個/cm3;在硅片背面通過離子注入N型雜質并退火制作器件的N型場阻止層10，形成的N型場阻止層的厚度為15?30微米，離子注入能量為1500keV?2000keV，注入劑量為113?114個/cm2，退火溫度為1200-1250°C，退火時間為300?600分鐘;所述N型場阻止層10位于N型漂移區9的下表面；
[0012]第二步:翻轉并減薄硅片，在硅片表面通過預氧化、光刻、刻蝕、離子注入和高溫退火工藝，在硅片正面制作器件的終端結構；
[0013]第三步:在硅片表面淀積一層TEOS，厚度為700?100nm，光刻出窗口后，進行溝槽(trench)硅刻蝕，刻蝕出溝槽，溝槽刻蝕完成后，通過HF溶液將表面的TEOS漂洗干凈;接著在溝槽內淀積填充介質層；
[0014]第四步:采用光刻工藝，刻蝕溝槽一側第三步中溝槽內填充的部分介質層，形成第二介質層42和第三介質層43 ；
[0015]第五步:在1050°C?1150°C下，通過熱氧化在第四步形成的溝槽側壁生長高質量的薄氧化層，形成的氧化層厚度小于120nm;接著在750°C?950°C下在溝槽內積淀填充多晶娃，形成柵電極3和柵介質層41;所述柵電極3位于第二介質層42和柵介質層41之間；第三介質層43位于第二介質層42、柵電極3和柵介質層41的下表面；
[0016]第六步:采用光刻工藝，通過離子注入P型雜質制作器件的第一浮空P型區72，離子注入的能量為500?lOOOkeV，注入劑量為113?114個/cm2;所述第一浮空P型區72位于第二介質層42的側面;再次光刻，通過離子注入N型雜質制作器件的第一 N型電荷存儲層8，離子注入的能量為200?500keV，注入劑量為113?114個/cm2;接著通過離子注入P型雜質并退火制作器件的P型基區71，離子注入的能量為60?120keV，注入劑量為113?114個/cm2