一種具有空穴旁路結構的igbt器件及其制造方法
【專利摘要】本發明涉及一種具有空穴旁路結構的IGBT器件及其制造方法，在IGBT器件有源區設有多晶側壁保護結構、淺P+結構和P+深基區；所述多晶側壁保護結構位于多晶硅柵極兩側；所述淺P+結構位于N+區和P-基區之間；所述P+深基區設置于P-基區的外側且包圍P-基區，形成空穴旁路結構。本發明引入高摻雜P+深基區，改善了空穴流分布，改善了電場分布，減少了寄生晶閘管栓鎖，提高了IGBT可靠性。
【專利說明】
一種具有空穴旁路結構的IGBT器件及其制造方法
技術領域
[0001]本發明涉及一種半導體器件及其制造方法，具體講涉及一種具有空穴旁路結構的IGBT器件及其制造方法。
【背景技術】
[0002]IGBT(絕緣柵雙極晶體管)同時具有單極性器件和雙極性器件的優點，驅動電路簡單，控制電路功耗和成本低，飽和電壓低，器件自身損耗小，是未來高壓大電流的發展方向。
[0003]IGBT為三端器件，包括正面發射極，柵極及背面集電極。IGBT芯片有源區剖面圖詳見圖1，包括正面的發射極6，柵極I和背面的集電極7。表面為MOSFET結構，背面為寄生PNP管結構。其中:1為多晶硅柵極，2為柵極氧化層，3為P-基區，4為N+發射極，5為P+集電極，6為發射極金屬，7為集電極金屬。
[0004]IGBT設計需綜合考慮導通損耗，關斷損耗和安全工作區。為改善IGBT的安全工作區(SOA)，針對器件關斷器件的栓鎖電流(latch-up current)，通常引入高摻雜的P+深基區結構。
[0005]現有的IGBT器件的安全工作區小，使得IGBT的可靠性降低，因此，現有的IGBT器件的安全工作區有待提高。
【發明內容】
[0006]為解決上述現有技術中的不足，本發明的目的是提供一種具有空穴旁路結構的IGBT器件及其制造方法，本發明引入高摻雜P+深基區，改善了空穴流分布，改善了電場分布，減少了寄生晶閘管栓鎖，提高了 IGBT可靠性。為了對披露的實施例的一些方面有一個基本的理解，下面給出了簡單的概括。該概括部分不是泛泛評述，也不是要確定關鍵/重要組成元素或描繪這些實施例的保護范圍。其唯一目的是用簡單的形式呈現一些概念，以此作為后面的詳細說明的序言。
[0007]本發明的目的是采用下述技術方案實現的:
[0008]本發明提供一種具有空穴旁路結構的IGBT器件，所述IGBT器件包括有源區，所述有源區包括N-襯底區、設置在N-襯底區表面的柵極氧化層、沉積在柵極氧化層上的多晶硅柵極、設置在柵極氧化層與N-襯底區之間的P-基區、位于P-基區與柵極氧化層之間的N+區、位于N-襯底區下方P+集電極、位于柵極氧化層上方的發射極金屬以及P+集電極下方的集電極金屬；其改進之處在于，在所述有源區設有多晶側壁保護結構(spacer結構)、淺P+結構和P+深基區；所述多晶側壁保護結構位于多晶硅柵極兩側；所述淺P+結構位于N+區和P-基區之間；所述P+深基區設置于P-基區的外側且包圍P-基區，形成空穴旁路結構。
[0009]進一步地，所述P+深基區摻雜濃度為I X 114?I X 10 15CHi2，摻雜元素為硼元素，其深度為5-8um ;所述P-基區摻雜濃度為I X 113?I X 10 14cm 2，摻雜元素為硼元素，深度為2-4um ;所述淺P+結構的摻雜濃度為I X 114Cm 2?I X 10 16cm 2，摻雜元素為硼元素，深度為0.5-1.0um ;所述多晶側壁保護結構的寬度為0.3-0.6um。
[0010]進一步地，所述P+深基區設置于P-基區的外側且與P-基區和N+區有重疊區域(即P+與P-、N+有重疊區域)。
[0011]進一步地，所述IGBT器件包括終端區；所述終端區位于IGBT器件的邊緣區域，集成IGBT器件的耐壓參數(包括發射極-集電極擊穿電壓和集電極-發射極飽和電壓)，所述終端區包括終端基本單元；所述終端基本單元包括場板、場限環、結終端延伸保護模塊、橫向變摻雜模塊和阻性場板，所述終端基本單元用于減少有源區邊緣PN結的曲率，耗盡層橫向延伸，增強水平方向的耐壓能力。
[0012]進一步地，所述IGBT器件包括柵極區；所述柵極區集成IGBT芯片的開關特性(開通特性和關斷特性)，位于有源區一角，包括柵焊盤區和柵匯流條區；柵內阻串聯在所述柵焊盤區和柵匯流條區之間。
[0013]進一步地，所述P+深基區與終端區耐壓環共用光刻版。
[0014]本發明還提供一種具有空穴旁路結構的IGBT器件的制造方法，其改進之處在于，所述方法包括下述步驟:
[0015]A、制造P+深基區；
[0016]B、制造IGBT器件的有源區、終端區和柵極區。
[0017]進一步地，所述步驟A包括下述步驟:
[0018]a、制造P+深基區:包括P+注入和P+推結；所述P+深基區摻雜濃度為I X 114?I X 115Cm 2，摻雜元素為硼元素，其深度為5-8um ;
[0019]b、雙擴散工藝:以多晶硅柵極為注入窗口進行P-基區注入、P-基區推結和N+源區注入；
[0020]c、多晶側壁保護膜質淀積:采用二氧化硅Si02、氮化硅SiN或其他絕緣隔離材料進行多晶側壁保護膜質淀積；
[0021]d、多晶側壁保護膜質刻蝕，在多晶硅柵極兩側形成寬度0.3-0.6um的殘留形貌，即多晶側壁保護結構；
[0022]e、制造淺P+結構:包括淺P+摻雜和淺P+推結；淺P+結構的摻雜濃度為I X 114Cm 2?I X 10 16cm 2，摻雜元素為硼元素，深度為0.5-1.0um0
[0023]進一步地，所述步驟B包括下述步驟:
[0024]BI，制造IGBT器件的終端區耐壓環掩膜版；
[0025]B2，制造IGBT器件的有源區掩模版；
[0026]B3，制造IGBT器件的多晶掩模版；
[0027]B4，制造IGBT器件的孔掩模版；
[0028]B5，制造IGBT器件的金屬掩模版；
[0029]B6，制造IGBT器件的鈍化掩模版；
[0030]B7，制造IGBT器件的背面工藝。
[0031]進一步地，所述步驟B7包括:背面減薄，背面P+注入，背面退火和背面金屬。
[0032]與最接近的現有技術相比，本發明提供的技術方案具有的優異效果是:
[0033](一 )引入空穴旁路結構，優化了空穴流分布，減少了寄生晶閘管栓鎖；
[0034]( 二)引入高摻雜P+深基區，改善了空穴流分布，改善了電場分布，減少了寄生晶丨同管檢鎖，提尚了 IGBT可靠性；
[0035](三)無需增加光刻版，工藝步驟簡單，成本低；
[0036](四)優化光刻版，可調整高摻雜P+深基區位置、摻雜濃度、深度等，工藝簡單，可塑性強；
[0037](五)與傳統IGBT制造工藝兼容，工藝易實現，可行性強；
[0038](六)與新型IGBT結構和設計理念兼容，易移植，可塑性強。
[0039]為了上述以及相關的目的，一個或多個實施例包括后面將詳細說明并在權利要求中特別指出的特征。下面的說明以及附圖詳細說明某些示例性方面，并且其指示的僅僅是各個實施例的原則可以利用的各種方式中的一些方式。其它的益處和新穎性特征將隨著下面的詳細說明結合附圖考慮而變得明顯，所公開的實施例是要包括所有這些方面以及它們的等同。
【附圖說明】
[0040]附圖用來提供對本發明的進一步理解，并且構成說明書的一部分，與本發明的實施例一起用于解釋本發明，并不構成對本發明的限制。在附圖中:
[0041]圖1是現有技術的IGBT器件剖面圖；
[0042]圖2是本發明提供的高摻雜P+深基區結構IGBT器件剖面圖；
[0043]圖3是本發明提供的IGBT器件高摻雜P+深基區結構制造方法；
[0044]圖4是本發明提供的IGBT器件有源區引入空穴旁路的俯視圖一；
[0045]圖5是本發明提供的IGBT器件有源區引入空穴旁路的俯視圖二 ；
[0046]圖6是本發明提供的IGBT器件有源區引入空穴旁路的俯視圖三；
[0047]其中:1-多晶硅柵極，2-柵極氧化層，3-P-基區，4-N+區，5-P+集電極，6-發射極金屬，7-集電極金屬，8-spacer結構，9_淺P+結構，1-P+深基區。
【具體實施方式】
[0048]下面結合附圖對本發明的【具體實施方式】作進一步的詳細說明。
[0049]以下描述和附圖充分地示出本發明的具體實施方案，以使本領域的技術人員能夠實踐它們。其他實施方案可以包括結構的、邏輯的、電氣的、過程的以及其他的改變。實施例僅代表可能的變化。除非明確要求，否則單獨的組件和功能是可選的，并且操作的順序可以變化。一些實施方案的部分和特征可以被包括在或替換其他實施方案的部分和特征。本發明的實施方案的范圍包括權利要求書的整個范圍，以及權利要求書的所有可獲得的等同物。在本文中，本發明的這些實施方案可以被單獨地或總地用術語“發明”來表示，這僅僅是為了方便，并且如果事實上公開了超過一個的發明，不是要自動地限制該應用的范圍為任何單個發明或發明構思。
[0050]本發明提供一種具有空穴旁路結構的IGBT器件，其IGBT剖面圖如圖2所示，所述IGBT器件包括有源區，所述有源區包括N-襯底區、設置在N-襯底區表面的柵極氧化層2、沉積在柵極氧化層上的多晶硅柵極1、設置在柵極氧化層2與N-襯底區之間的P-基區3、位于P-基區3與柵極氧化層2之間的N+區4、位于N-襯底區下方P+集電極5、位于柵極氧化層2上方的發射極金屬6以及P+集電極下方的集電極金屬7 ;在所述有源區設有spacer結構8、淺P+結構9和P+深基區10 ;所述spacer結構位于多晶硅柵極兩側；所述淺P+結構位于N+區和P-基區之間；所述P+深基區設置于P-基區的外側且包圍P-基區，形成空穴芳路結構。
[0051]所述P+深基區摻雜濃度為I X 1014cm-2，摻雜元素為硼元素，其深度為5_8um ;所述P-基區摻雜濃度為I X 1013cm-2，摻雜元素為硼元素，深度為2-4um ;所述淺P+結構的摻雜濃度為I X 1014cm-2?I X 1016cm_2，摻雜元素為硼元素，深度為0.5-1.0um。
[0052]所述P+深基區設置于P-基區的外側且與P-基區和N+區有重疊區域。
[0053]所述IGBT器件包括終端區；所述終端區位于IGBT器件的邊緣區域，集成IGBT器件的耐壓參數，所述終端區包括終端基本單元；所述終端基本單元包括場板、場限環、結終端延伸保護模塊、橫向變摻雜模塊和阻性場板，所述終端基本單元用于減少有源區邊緣PN結的曲率，耗盡層橫向延伸，增強水平方向的耐壓能力。所述IGBT器件包括柵極區；所述柵極區集成IGBT芯片的開關特性，位于有源區一角，包括柵焊盤區和柵匯流條區；柵內阻串聯在所述柵焊盤區和柵匯流條區之間。
[0054]本發明提供一種具有空穴旁路結構的IGBT器件的制造方法，包括下述步驟:
[0055]A、制造P+深基區，如圖3所示，包括下述步驟:
[0056]a、制造P+深基區:包括P+注入和P+推結；所述P+深基區摻雜濃度為I X 114?
I X 115Cm 2，摻雜元素為硼元素，其深度為5-8um ;
[0057]b、雙擴散工藝:以多晶硅柵極為注入窗口進行P-基區注入、P-基區推結和N+源區注入；
[0058]c、制造多晶側壁保護結構:采用二氧化硅Si02、氮化硅SiN或其他絕緣隔離材料進行多晶側壁保護膜質淀積；
[0059]d、多晶側壁保護膜質刻蝕，在多晶硅柵極兩側形成寬度0.3-0.6um的殘留形貌，即多晶側壁保護結構；
[0060]e、制造淺P+結構:包括淺P+摻雜和淺P+推結；淺P+結構的摻雜濃度為I X 114Cm 2?I X 10 16cm 2，摻雜元素為硼元素，深度為0.5-1.0um0
[0061]B、制造IGBT器件的有源區、終端區和柵極區，包括下述步驟:
[0062]BI，制造IGBT器件的終端區耐壓環掩膜版；
[0063]B2，制造IGBT器件的有源區掩模版；
[0064]B3，制造IGBT器件的多晶掩模版；
[0065]B4，制造IGBT器件的孔掩模版；
[0066]B5，制造IGBT器件的金屬掩模版；
[0067]B6，制造IGBT器件的鈍化掩模版；
[0068]B7，制造IGBT器件的背面工藝。
[0069]圖4-6為IGBT有源區引入高摻雜P+深基區俯視圖一、二、三。通過設計，引入空穴旁路結構，可調整溝道寬/長比，調整短路電流大小，擴大IGBT短路安全工作區，提高IGBT可靠性。優化溝道區空穴流，可有效降低夠導出空穴流分布，優化電場分布，可有效減少寄生晶閘管栓鎖。其中:Contact表示接觸孔區域，更詳細的描述為發射極金屬接觸孔區域。
[0070]應該明白，公開的過程中的步驟的特定順序或層次是示例性方法的實例。基于設計偏好，應該理解，過程中的步驟的特定順序或層次可以在不脫離本公開的保護范圍的情況下得到重新安排。所附的方法權利要求以示例性的順序給出了各種步驟的要素，并且不是要限于所述的特定順序或層次。
[0071]在上述的詳細描述中，各種特征一起組合在單個的實施方案中，以簡化本公開。不應該將這種公開方法解釋為反映了這樣的意圖，即，所要求保護的主題的實施方案需要清楚地在每個權利要求中所陳述的特征更多的特征。相反，如所附的權利要求書所反映的那樣，本發明處于比所公開的單個實施方案的全部特征少的狀態。因此，所附的權利要求書特此清楚地被并入詳細描述中，其中每項權利要求獨自作為本發明單獨的優選實施方案。
[0072]上文的描述包括一個或多個實施例的舉例。當然，為了描述上述實施例而描述部件或方法的所有可能的結合是不可能的，但是本領域普通技術人員應該認識到，各個實施例可以做進一步的組合和排列。因此，本文中描述的實施例旨在涵蓋落入所附權利要求書的保護范圍內的所有這樣的改變、修改和變型。此外，就說明書或權利要求書中使用的術語“包含”，該詞的涵蓋方式類似于術語“包括”，就如同“包括，”在權利要求中用作銜接詞所解釋的那樣。此外，使用在權利要求書的說明書中的任何一個術語“或者”是要表示“非排它性的或者”。
[0073]最后應當說明的是:以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非對其限制，盡管參照上述實施例對本發明進行了詳細的說明，所屬領域的普通技術人員依然可以對本發明的【具體實施方式】進行修改或者等同替換，這些未脫離本發明精神和范圍的任何修改或者等同替換，均在申請待批的本發明的權利要求保護范圍之內。
【主權項】
1.一種具有空穴旁路結構的IGBT器件，所述IGBT器件包括有源區，所述有源區包括N-襯底區、設置在N-襯底區表面的柵極氧化層、沉積在柵極氧化層上的多晶硅柵極、設置在柵極氧化層與N-襯底區之間的P-基區、位于P-基區與柵極氧化層之間的N+區、位于N-襯底區下方P+集電極、位于柵極氧化層上方的發射極金屬以及P+集電極下方的集電極金屬；其特征在于，在所述有源區設有多晶側壁保護結構、淺P+結構和P+深基區；所述多晶側壁保護結構位于多晶硅柵極兩側；所述淺P+結構位于N+區和P-基區之間；所述P+深基區設置于P-基區的外側且包圍P-基區，形成空穴旁路結構。2.如權利要求1所述的IGBT器件，其特征在于，所述P+深基區摻雜濃度為IX 10 14?I X 115cm 2，摻雜元素為硼元素，其深度為5-8um;所述P-基區摻雜濃度為I X 113?I X 114Cm 2，摻雜元素為硼元素，深度為2-4um ;所述淺P+結構的摻雜濃度為I X 114Cm 2?IX 116Cm 2，摻雜元素為硼元素，深度為0.5-1.0um ;所述多晶側壁保護結構的寬度為0.3-0.6umο3.如權利要求1所述的IGBT器件，其特征在于，所述P+深基區設置于P-基區的外側且與P-基區和N+區有重疊區域。4.如權利要求1所述的IGBT器件，其特征在于，所述IGBT器件包括終端區；所述終端區位于IGBT器件的邊緣區域，集成IGBT器件的耐壓參數，所述終端區包括終端基本單元；所述終端基本單元包括場板、場限環、結終端延伸保護模塊、橫向變摻雜模塊和阻性場板，所述終端基本單元用于減少有源區邊緣PN結的曲率，耗盡層橫向延伸，增強水平方向的耐壓能力。5.如權利要求1所述的IGBT器件，其特征在于，所述IGBT器件包括柵極區；所述柵極區集成IGBT芯片的開關特性，位于有源區一角，包括柵焊盤區和柵匯流條區；柵內阻串聯在所述柵焊盤區和柵匯流條區之間。6.如權利要求1所述的IGBT器件，其特征在于，所述P+深基區與終端區耐壓環共用光刻版。7.一種如權利要求1-6中任一項所述的具有空穴旁路結構的IGBT器件的制造方法，其特征在于，所述方法包括下述步驟: A、制造P+深基區； B、制造IGBT器件的有源區、終端區和柵極區。8.如權利要求7所述的制造方法，其特征在于，所述步驟A包括下述步驟: a、制造P+深基區:包括P+注入和P+推結；所述P+深基區摻雜濃度為IXlO14?I X 115Cm 2，摻雜元素為硼元素，其深度為5-8um ; b、雙擴散工藝:以多晶硅柵極為注入窗口進行P-基區注入、P-基區推結和N+源區注入； c、多晶側壁保護膜質淀積:采用二氧化硅Si02、氮化硅SiN或其他絕緣隔離材料進行多晶側壁保護膜質淀積； d、多晶側壁保護膜質刻蝕，在多晶硅柵極兩側形成寬度0.3-0.6um的殘留形貌，即多晶側壁保護結構； e、制造淺P+結構:包括淺P+摻雜和淺P+推結；淺P+結構的摻雜濃度為IX 114Cm 2?I X 116Cm 2，摻雜元素為硼元素，深度為0.5-1.0um。9.如權利要求7所述的制造方法，其特征在于，所述步驟B包括下述步驟: BI，制造IGBT器件的終端區耐壓環掩膜版； B2，制造IGBT器件的有源區掩模版； B3，制造IGBT器件的多晶掩模版； B4，制造IGBT器件的孔掩模版； B5，制造IGBT器件的金屬掩模版； B6，制造IGBT器件的鈍化掩模版； B7，制造IGBT器件的背面工藝。10.如權利要求9所述的制造方法，其特征在于，所述步驟B7包括:背面減薄，背面P+注入，背面退火和背面金屬。
【文檔編號】H01L29/739GK106033773SQ201510123044
【公開日】2016年10月19日
【申請日】2015年3月19日
【發明人】劉江, 趙哿, 高明超, 王耀華, 何延強, 吳迪, 曹功勛, 喬慶楠, 劉鉞楊, 李曉平, 董少華, 李立, 金銳
【申請人】國家電網公司, 國網智能電網研究院, 國網浙江省電力公司