低关断损耗的超级结绝缘栅双极型晶体管及其制作方法与流程

1.本发明涉及表面改性技术领域，尤其涉及一种低关断损耗的超级结绝缘栅双极型晶体管及其制作方法。


背景技术：

2.绝缘栅双极型晶体管(igbt：insulated gate bipolar transistor)，是由bjt(双极型三极管)和mos(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件，兼有mosfet的高输入阻抗和gtr的低导通压降两方面的优点。gtr饱和压降低，载流密度大，但驱动电流较大；mosfet驱动功率很小，开关速度快，但导通压降大，载流密度小。igbt综合了以上两种器件的优点，驱动功率小而饱和压降低。非常适合应用于直流电压为600v及以上的变流系统如交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域。
3.超级结igbt作为新一代高速igbt设计技术，其优异的电学性能已经获得实验验证。器件结构如图1所示，其中，1是第一导电类型的集电区，2是第二导电类型的漂移区，3是第一导电类型的超级结区域，4是第二导电类型的外延层，5是栅氧化层，6是栅极，7是第一导电类型的阱区，8是第二导电类型的发射极，9是介质层，10是发射极金属，11是第一导电类型的集电极，12是集电极金属。
4.受制于双极性器件的电导调制效应，上述超级结igbt在关断过程中，空间电场建立速度较慢，导致器件具有较大的关断能量损耗，不利于超级结igbt的推广应用。


技术实现要素：

5.针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种低关断损耗的超级结绝缘栅双极型晶体管及其制作方法，以提升超结igbt关断过程中，电场的建立速度，即提高dv/dt，最终实现降低开关损耗的目的。
6.为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：
7.第一方面，本发明提供一种低关断损耗的超级结绝缘栅双极型晶体管，包括第一导电类型的集电区、第二导电类型的漂移区、第二导电类型的外延层和第一导电类型的阱区；
8.所述集电区与集电极配合设置；
9.所述漂移区形成在集电区上，并且所述漂移区内分布有多个超级结区；
10.所述外延层形成在漂移区上，所述阱区形成在外延层上部，并且所述外延层及阱区内设置有栅极；
11.所述阱区上部形成有第二导电类型的发射极；
12.其中，所述超级结区包括第一导电类型的柱，所述第一导电类型的柱填充于第一沟槽内；
13.所述晶体管还包括第二导电类型的高掺杂区，所述高掺杂区沿周向包围所述柱的侧壁。
14.第二方面，本发明还提供一种上述超级结绝缘栅双极型晶体管的制作方法，包括：
15.在作为集电区的衬底上形成漂移区的步骤；
16.在所述漂移区内制作超级结区的步骤；
17.在所述漂移区上形成外延层以及在所述外延层内制作栅极的步骤；
18.在外延层上部形成阱区的步骤；
19.在阱区上部形成发射极的步骤；以及
20.制作与集电区配合的集电极的步骤；
21.所述在漂移区内制作超级结区的步骤包括：
22.在漂移区内开设第一沟槽；
23.在所述第一沟槽的内壁上形成连续的高掺杂区；
24.在所述第一沟槽内填充第一导电类型的柱。
25.基于上述技术方案，与现有技术相比，本发明的有益效果至少包括：
26.本发明所提供的低关断损耗的超级结绝缘栅双极型晶体管在传统超级结igbt结构基础上，于超级结侧壁引入与超级结的柱导电类型相反的高掺杂区，用于加速器件关断过程中的载流子复合速率，提升了空间电场的建立速度，降低了关断能量损耗。
27.上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够使本领域技术人员能够更清楚地了解本技术的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合详细附图说明如后。
附图说明
28.图1是本发明一典型实施案例提供的现有技术中的超级结igbt器件结构示意图；
29.图2是本发明一典型实施案例提供的超级结igbt器件结构示意图；
30.图3是本发明一典型实施案例提供的制作方法的整体流程示意图；
31.图4是本发明一典型实施案例提供的制作方法的一步骤中的超级结igbt器件结构示意图；
32.图5是本发明一典型实施案例提供的制作方法的另一步骤中的超级结igbt器件结构示意图；
33.图6是本发明一典型实施案例提供的制作方法的又一步骤中的超级结igbt器件结构示意图；
34.图7是本发明一典型实施案例提供的制作方法的又一步骤中的超级结igbt器件结构示意图；
35.图8是本发明一典型实施案例提供的制作方法的又一步骤中的超级结igbt器件结构示意图；
36.图9是本发明一典型实施案例提供的制作方法的又一步骤中的超级结igbt器件结构示意图；
37.图10是本发明一典型实施案例提供的制作方法的又一步骤中的超级结igbt器件结构示意图；
38.图11是本发明一典型实施案例提供的制作方法的又一步骤中的超级结igbt器件结构示意图；
39.图12是本发明一典型实施案例提供的制作方法的又一步骤中的超级结igbt器件结构示意图；
40.图13是本发明一典型实施案例提供的制作方法的又一步骤中的超级结igbt器件结构示意图；
41.附图标记说明：1、集电区；2、漂移区；3、超级结的柱；4、外延层；5、栅氧化层；6、栅极；7、阱区；8、发射极；9、介质层；10、发射极金属；11、集电极；12、集电极金属；13、高掺杂区；
42.101、第一掩模图形；102、第一沟槽；103、第二沟槽；104、第二掩模图形。
具体实施方式
43.鉴于现有技术中的不足，本案发明人经长期研究和大量实践，得以提出本发明的技术方案。如下将对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明。
44.在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
45.而且，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个与另一个具有相同名称的部件或方法步骤区分开来，而不一定要求或者暗示这些部件或方法步骤之间存在任何这种实际的关系或者顺序。
46.参见图2，本发明实施例提供的一种低关断损耗的超级结绝缘栅双极型晶体管，包括第一导电类型的集电区1、第二导电类型的漂移区2、第二导电类型的外延层4和第一导电类型的阱区7；所述集电区1与集电极11配合设置；所述漂移区2形成在集电区1上，并且所述漂移区2内分布有多个超级结区；所述外延层4形成在漂移区2上，所述阱区7形成在外延层4上部，并且所述外延层4及阱区7内设置有栅极6；所述阱区7上部形成有第二导电类型的发射极8；其中，所述超级结区包括第一导电类型的柱3，所述第一导电类型的柱3填充于第一沟槽102内；所述晶体管还包括第二导电类型的高掺杂区13，所述高掺杂区13沿周向包围所述柱3的侧壁。
47.上述技术方案中，高掺杂区13能够与超级结区的柱3、衬底形成的三明治结构，该结构在igbt关断时可加速高掺区两侧的漂移区内的少数载流子的抽取速度，从而加快空间电荷区的建立过程，导致igbt具有更大的dv/dt，进而减小了igbt关断时的电压上升时间，进而降低了关断能量损耗。
48.其中，所述第一导电类型例如是p型，所述第二导电类型例如是n型，在一些典型的应用实例中，所述超级结绝缘栅双极型晶体管包括p-集电区1，n-漂移区2，p型超级结区域，外延层4，栅氧化层5，栅极6，p阱区7，n 发射极8，介质层9，发射极金属10，p 集电极11，集电极金属12，n型高掺杂区13。在另一些应用实例中，所述第一导电类型也可以是n型，所述第二导电类型可以是p型。
49.在一些实施方案中，所述高掺杂区13的厚度可以为所述柱3的直径的1/20至1/10。
50.在一些实施方案中，所述高掺杂区13的掺杂浓度可以为所述柱3掺杂浓度的2-10倍。
51.在一些实施方案中，所述高掺杂区13可以直接包覆所述柱3的侧壁。
52.在一些实施方案中，所述柱3的一端可以与外延层4接触，另一端可以与集电区1之间被漂移区2的局部区域间隔。
53.在一些实施方案中，所述阱区7上面可以覆盖有发射极金属10，所述发射极金属10可以与所述发射极8以及阱区7均电性接触；所述阱区7表面与栅极6对应区域上可以覆盖有介质层，所述介质层用于将栅极6与发射极金属10电性隔离。
54.在一些实施方案中，所述集电极11远离所述漂移区2的一面可以覆盖有与所述集电极11电性接触的集电极金属12。
55.在一些实施方案中，所述发射极8可以环绕栅极6的上部设置，并与发射极金属10电性接触。
56.在一些实施方案中，所述发射极金属10可以覆设在所述阱区7表面。
57.在一些实施方案中，所述栅极6可以由填充于第二沟槽103中的第二导电类型的多晶硅组成，所述栅极6一端与发射极8配合，另一端穿过阱区7并进入外延层4。
58.在一些实施方案中，所述第二导电类型的多晶硅与第二沟槽103的内壁之间被栅氧化层5电性间隔。
59.参见图3-图13，本发明实施例还提供的上述实施例中的超级结绝缘栅双极型晶体管的制作方法，包括如下步骤：
60.s1：在作为集电区1的衬底上形成漂移区2的步骤。在步骤s1中，可以采用化学气象沉积或物理气象沉积等方法并进行离子注入，以在所述衬底的一面形成第二导电类型的所述漂移区2。
61.s2：在所述漂移区2内制作超级结区的步骤。
62.s3：在所述漂移区2上形成外延层4以及在所述外延层4内制作栅极6的步骤。如图8-图10所示，在步骤s3中，可以在所述漂移区2远离所述衬底的一面继续外延生长并离子注入，形成第二导电类型的外延层4，然后可以在所述外延层4远离所述漂移区2的一面敷设第二掩模图形104，所述第二掩模图形104可以利用光刻胶涂覆烘烤后，进行曝光显影而形成，然后利用干法刻蚀或湿法刻蚀的方法，对所述外延层4进行刻蚀以形成第二沟槽103；在形成所述第二沟槽103后，可以利用cvd或pvd的方法在所述第二沟槽103内壁和底部形成栅氧化层5，然后在第二沟槽103内，继续填充生长多晶二氧化硅以形成栅极6。
63.s4：在外延层4上部形成阱区7的步骤。在步骤s4中，可以利用在外延层4的上部进行离子注入的方法，以使得所述外延层4的上部分转换为第一导电类型的阱区7。
64.s5：在阱区7上部形成发射极8的步骤。在步骤s5中，如图12所示，可以采用离子注入加高温扩散的工艺在所述阱区7的部分区域形成间隔排列在所述栅极6周围的发射极8。
65.以及，s6：制作与集电区1配合的集电极11的步骤。
66.其中，步骤s2包括：
67.s21：在漂移区2内开设第一沟槽102。具体的，所述第一沟槽102的开设方法例如可以如图5-图6所示，在所述漂移区2上面形成第一掩模图形101，所述第一掩模图形101例如可以利用光刻胶涂覆烘烤口曝光显影的方法形成，然后在所述第一掩模图形101的开口处对所述漂移区2进行刻蚀，刻蚀可以采用等离子体轰击法或湿法刻蚀进行，经刻蚀后，在所述漂移区2内形成特定深度的所述第一沟槽102。
68.s22：在所述第一沟槽102的内壁上形成连续的高掺杂区13。
69.s23：在所述第一沟槽102内填充第一导电类型的柱3。其中，所述第一导电类型的柱3可以利用cvd的方法或pvd的方法进行沉积。
70.在一些实施方案中，可以采用离子注入或化学气相沉积的方法形成所述高掺杂区13。
71.在一些实施方案中，制作与集电区1配合的集电极11的步骤s6具体可以包括：
72.s61：在远离所述漂移区2的另一面对所述衬底进行减薄处理，之后采用离子注入方式形成所述集电极11。
73.在一些实施方案中，还可以包括：在所述集电极11表面敷设集电极金属12，所述集电极金属12例如可以采用蒸镀、磁控溅射、原子层沉积等方法形成。
74.如图13所示，在一些实施方案中，还可以包括：在所述发射极8的部分表面形成介质层，所述介质可以层覆盖所述发射极8的部分以及全部所述栅极6，并可以在所述阱区7表面敷设与所述发射极8和阱区7电性接触的发射极金属10层，所述发射极金属10层可以采用蒸镀或磁控溅射或原子层沉积等方法形成。
75.下面通过若干具体实施例进一步的阐述本发明，但是，本技术还可以采用其他不同于在此描述的方式来实施，因此，本技术的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
76.实施例1
77.本实施例提供的一种超级结绝缘栅双极型晶体管的结构，如图2所示，包括依次电性接触的p-集电区1，n-漂移区2，外延层4，和p阱区7，所述n-漂移区2内分布有多个超级结的p型柱3，所述p型柱3的侧壁被n型高掺杂区13包围，所述p型柱3上端与p阱区7电性接触，下端与n-漂移区2电性接触，所述p阱区7设置有贯通进入外延层4的栅极，所述栅极6的侧壁覆盖有绝缘的栅氧化层5，所述阱区7的上半部分且所述栅极6的周围设置有围绕所述栅极6的n 发射极8，所述n 发射极8的部分表面覆盖有绝缘的介质层9，所述介质层9完全覆盖所述栅极6；所述超级结绝缘栅双极型晶体管的上下表面还分别设置有发射极金属10以及集电极金属12，所述发射极金属10与所述阱区7和发射极8电性接触，所述集电极金属12通过p 集电极11与所述p-集电区1电性接触。
78.进一步的，本实施例还提供了一种制作所述超级结绝缘栅双极型晶体管的方法，包括如下步骤：
79.(1)如图4所示，提供带有p-集电区1的衬底，并利用cvd外延生长在衬底的第一面形成n-漂移区2；
80.(2)如图5所示，在n-漂移区2的上表面涂覆光刻胶，并经过烘烤、曝光、显影后，形成第一掩模图形101，利用该第一掩模图形101对n-漂移区2进行刻蚀，形成第一沟槽102；
81.(3)如图6所示，利用离子注入的方法直接将所述第一沟槽102的侧壁表层结构转化层n型的高掺杂区13；
82.(4)如图7所示，利用cvd生长法，在侧壁形成n型的高掺杂区13的沟槽内继续填充沉积p型掺杂的硅，以形成超级结的柱3；
83.(5)如图8所示，在所述n-漂移区2的上表面，二次外延生长，形成n型的外延层4；
84.(6)如图9所示，在外延层4的上表面涂覆光刻胶，并经过烘烤、曝光、显影后，形成第二掩模图形104，利用该第二掩模图形104对外延层4进行刻蚀，形成第二沟槽103；
85.(7)如图10所示，在第二沟槽103的内壁和外延层4表面形成氧化层，然后刻蚀去除所述外延层4表面的氧化层，以形成栅氧化层5；
86.(8)如图11所示，采用离子注入并高温扩散的方法，在外延层4的上半部分形成p型的阱区7；
87.(9)如图12所示，采用离子注入并高温扩散的方法，在阱区7内靠近栅极6的部分，形成n 发射极8；
88.(10)如图13所示，利用掩模图形加cvd沉积的方法，在阱区7的表面沉积完全覆盖栅极6以及部分覆盖n 发射极8的绝缘的介质层，并在介质层表面以及阱区7表面用蒸镀的方法沉积发射极金属10；
89.(11)对衬底(p-集电区1)进行减薄处理并进行离子注入和高温扩散在集电区1的下半部分形成p 集电极11，并在p 集电极11的下表面蒸镀集电极金属12，如图2所示。
90.对比例1
91.本对比例提供的一种超级结绝缘栅双极型晶体管的结构如图1所示，其制作方法与实施例1基本相同，但省略了利用离子注入的方法直接将所述第一沟槽的侧壁表层结构转化成n型高掺杂区的操作。
92.检测方法
93.对实施例1和对比例1提供的超级结绝缘栅双极型晶体管进行导通压降和关断损耗测试，其结果如下：
94.实施例1提供的一种超级结绝缘栅双极型晶体管的导通压降为1.65v，关断损耗为1.12mj；
95.对比例1提供的一种超级结绝缘栅双极型晶体管的导通压降为1.60v，关断损耗为1.26mj。
96.结果分析
97.基于上述检测结果，可以明确，本发明实施例所提供的超级结绝缘栅双极型晶体管，相比于现有技术，其导通压降基本不变，且能够提升超结igbt关断过程中，电场的建立速度，实现了降低开关损耗的目的。
98.应当理解，上述实施例仅为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。