一種半導(dǎo)體雙向功率器件的結(jié)構(gòu)的制作方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種半導(dǎo)體雙向功率器件的結(jié)構(gòu)，包括以下特征：每一端的有源區(qū)最少由兩種不同的單元組成，其中一種單元是MOS管，中有N+區(qū)，P型基區(qū)和N型緩沖區(qū)，N+區(qū)與N型緩沖區(qū)的連接由柵極控制；另一單元是在關(guān)斷時(shí)提供電子通道，表面電極透過(guò)接觸孔開(kāi)口與P型基區(qū)接觸處為電子通道出口，由接觸處至N型緩沖區(qū)附近沒(méi)有P+區(qū)阻擋電子流通，在P型基區(qū)與N型基區(qū)之間有一濃度約為1e15cm-3至1e17cm-3和厚度約為1至8um的N型緩沖區(qū)用以阻擋耗盡層在高壓反偏置時(shí)會(huì)觸碰到P型基區(qū)。
【專(zhuān)利說(shuō)明】
一種半導(dǎo)體雙向功率器件的結(jié)構(gòu)
技術(shù)領(lǐng)域
:
[0001]本發(fā)明是涉及一種半導(dǎo)體功率器件的結(jié)構(gòu)，更具體地說(shuō)是涉及一種半導(dǎo)體雙向功率器件的結(jié)構(gòu)。
【背景技術(shù)】
:
[0002]1980年，美國(guó)RCA公司申請(qǐng)了第一個(gè)IGBT專(zhuān)利，1985年日本東芝公司做出了第一個(gè)工業(yè)用IGBT。從器件的物理結(jié)構(gòu)上來(lái)說(shuō)，它是非透明集電極穿通型IGBT，簡(jiǎn)稱(chēng)為穿通型IGBT (Punchthrough IGBT-縮寫(xiě)為PT-1GBT)。PT-1GBT是制造在外延硅片上，一般是在P+襯底上生長(zhǎng)一層N型緩沖區(qū)，然后再長(zhǎng)一 N區(qū)，要制造1200V耐壓器件，便需要生長(zhǎng)一 N型緩沖區(qū)，摻雜濃度約為lXloYcm3，厚度約為10um，然后再生長(zhǎng)一外延層厚度約為llOum，摻雜濃度約為5\1013/現(xiàn)3至1\1014/(^3的~區(qū)，這是相當(dāng)厚的外延層。若要制造耐壓更高的PT-1GBT，如耐壓為2500V或3300V，則N區(qū)需要更厚和更高的電阻率。生長(zhǎng)這樣規(guī)格的外延，技術(shù)上有困難，而且成本會(huì)急劇增高，所以，PT-1GBT 一般只適用于耐壓為400V至1200V范圍內(nèi)。
[0003]早期的PT-1GBT的關(guān)斷時(shí)間相對(duì)很長(zhǎng)，約有數(shù)微秒，為了減短關(guān)斷時(shí)間，提高開(kāi)關(guān)速度，于90年代后，一般都引用高能粒子輻照技術(shù)(如電子輻照，氫離子或氦離子輻照等)減小器件中過(guò)剩載流子壽命。這種方法能提高PT-1GBT的開(kāi)關(guān)速度，但會(huì)使通態(tài)電壓降為負(fù)溫度系數(shù)。即在導(dǎo)通狀態(tài)下，如果保持流經(jīng)集電極電流不變，則集電極至發(fā)電極之間的電壓差會(huì)隨溫度升高而降低。在應(yīng)用時(shí)，假如器件某處局部溫度較高，則會(huì)有更多導(dǎo)通電流流經(jīng)該處，這會(huì)使該處溫度變得更高，從而有可能使器件進(jìn)入一個(gè)正反饋狀態(tài)，最后把器件燒毀，這電壓降為負(fù)溫度系數(shù)是PT-1GBT的一個(gè)性能缺陷。
[0004]如前所述，PT-1GBT 一般只適用于耐壓為400V至1200V范圍內(nèi)，若要制造耐壓為1700V或2500V或3300V或以上，早期都用非穿通型IGBT (Non-punchthrough IGBT，縮寫(xiě)為NPT-1GBT)，器件直接制造在厚度有幾百微米的FZ N型硅片上，器件集電結(jié)的P型區(qū)或P型/N型區(qū)是由離子注入形成的。這種非穿通型IGBT的電壓降為正溫度系數(shù)。這種集電結(jié)的結(jié)構(gòu)也被用于器件如MCT或GTO等。由于集電結(jié)的摻雜由離子注入形成，注入的劑量可隨意控制，若注入的P型摻雜劑量高，則會(huì)形成一般的高空穴注入效率集電結(jié)(即強(qiáng)集電極)；若注入的P型摻雜劑量小，則空穴注入效率低，而且電子可以經(jīng)由擴(kuò)散有效地流過(guò)P型區(qū)至金屬接觸處，這類(lèi)集電結(jié)被稱(chēng)為弱集電結(jié)或透明集電結(jié)(或稱(chēng)為透明集電極)。于94與95年期間，弱集電結(jié)曾被用于NPT-1GBT和GT0，若把弱集電結(jié)方法用來(lái)制造600V或1200VIGBT,則IGBT的集電結(jié)需要造在只有約60um或約120um厚的FZ N型硅片背面上，于94和95年期間，工業(yè)界還未有這種超薄硅片工藝能力。
[0005]于1996年，Motorola公司發(fā)表了一篇文章描述有關(guān)制造非穿通IGBT的研究，側(cè)重如何在薄硅片上制造集電極的工藝，所用的FZ N型硅片最薄只約有170um厚。翌年，Infineon公司也發(fā)表了用10um厚的FZ N型硅片做出600V的NPT-1GBT。99年左右，工業(yè)用新一代的IGBT開(kāi)始投產(chǎn)，這種新一代的IGBT是一種高速開(kāi)關(guān)器件，它的電壓降為正溫度系數(shù)，它不需要用重金屬或輻照來(lái)減短器件中少子壽命，主要用的技術(shù)是超薄硅片工藝加上弱集電結(jié)(或稱(chēng)為透明集電結(jié))。Infineon公司稱(chēng)之為場(chǎng)截止IGBT，接下來(lái)幾年，各主要生產(chǎn)IGBT的公司都相繼推出類(lèi)似的產(chǎn)品。從那時(shí)起，IGBT在電學(xué)性能上得到了質(zhì)的飛躍，發(fā)展迅速并主導(dǎo)了中等功率范圍的市場(chǎng)。
[0006]環(huán)境惡化與日倶增，節(jié)能減排是大勢(shì)所趨。有效地使用能源，尤其電能，已成為各國(guó)的共識(shí)。功率半導(dǎo)體的作用是電能變換和電能控制，使電能更高效、更節(jié)能、更環(huán)保地使用，而IGBT是功率半導(dǎo)體的技術(shù)前沿，具有節(jié)能效率高，便于規(guī)?；a(chǎn)，已成為功率半導(dǎo)體市場(chǎng)發(fā)展和應(yīng)用的主流技術(shù)。IGBT已被廣泛地用於消費(fèi)電子類(lèi)和工業(yè)控制。如變頻家電、電源供應(yīng)、電動(dòng)工具、電磁爐、微波爐或電焊機(jī)，以至風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電、電動(dòng)/混合動(dòng)力汽車(chē)、新能源、高鐵、智能電網(wǎng)、地鐵、動(dòng)車(chē)等領(lǐng)域。
[0007]—般常規(guī)的IGBT是一種單向功率器件，即關(guān)斷時(shí)只有一個(gè)方向能承受高電壓，開(kāi)通時(shí)只有一個(gè)方向流通電流，可是有些應(yīng)用是需要雙向的，即兩個(gè)方向都能承受高壓.都能流通電流，圖1表示出一般單向IGBT和雙向IGBT的電流電壓持性。需要雙向IGBT的應(yīng)用電路有矩陣式變換器，直聯(lián)式轉(zhuǎn)換器和一些新穎的電路如美國(guó)專(zhuān)利US2014/0133203 Al所述說(shuō)的電路，圖2是一使用雙向IGBT器件的光伏逆變器的電路拓?fù)涫疽鈭D。
[0008]—般IGBT(單向的)可與一些FRD組成雙向器件如圖3所示，這種雙向器件的電特性比較差。近年開(kāi)始有一些討論有關(guān)如何制作單芯片的雙向IGBT的文章發(fā)表，如ISPSD2011P23-26和ISPSD 2014P95-98的文章，都是剛起歩的，器件的結(jié)構(gòu)不理想，存在需要改進(jìn)的地方，圖4是其中器件的橫切面結(jié)構(gòu)示意圖。這種結(jié)構(gòu)基上是兩邊都是一樣的，是對(duì)稱(chēng)的，都是一般單向IGBT的陰極結(jié)構(gòu)(陰極結(jié)構(gòu)是指一般單向N型IGBT在導(dǎo)通狀態(tài)下發(fā)射電子的一極，在芯片表面的一邊)，這種結(jié)構(gòu)的決點(diǎn)是:
[0009]1.為了便于說(shuō)明道理，以圖5為參考，圖中的器件為雙向IGBT，表面I的柵極I和電極I在圖的上方，表面2的柵極2和電極2為圖的下方，表面I的柵極I和電極I與表面2的柵極2和電極2的結(jié)構(gòu)基本上是相同的，當(dāng)表面I的柵極I短路至電極I和表面2的柵極2短路至電極2時(shí)，整個(gè)雙向IGBT器件便處于關(guān)閉狀態(tài)，這時(shí)表面電極I或表面電極2均可承受高電壓。假如表面I的電極I處于OV電壓而表面2的電極2被偏置于1000V，耗盡層會(huì)主要從表面I邊的N型基區(qū)向表面2擴(kuò)展，直至表面2的P型基區(qū)，一旦耗盡層接觸到連接至表面2電極2的P型區(qū)，穿通便開(kāi)始發(fā)生，漏電流會(huì)開(kāi)始隨偏置電壓升高而大幅提升，為了避免穿通，N型基區(qū)厚度要增厚至在偏置電壓達(dá)至規(guī)定的電壓時(shí)，耗盡層不會(huì)碰到表面2連接至電極2的P型區(qū)，如1200V器件，N型基區(qū)厚度要差不多200um厚才夠避免穿通發(fā)生，這么厚的N型基區(qū)會(huì)增加靜態(tài)導(dǎo)通壓降和動(dòng)態(tài)開(kāi)關(guān)時(shí)間，從而增加靜態(tài)導(dǎo)通功耗和動(dòng)態(tài)開(kāi)關(guān)功耗，電學(xué)特性像非穿通型IGBT (NPT-1GBT)。
[0010]2.一般的IGBT (單向的)，芯片表面有柵極和陰電極，在有源區(qū)中的陰電極被連接至兩種不同的摻雜區(qū)域:一是由柵極控制的，在開(kāi)通時(shí)能發(fā)射電子的N+區(qū)，另一是P型基區(qū)，其中P型基區(qū)是透過(guò)P+區(qū)與陰電極形成良好歐姆接觸。當(dāng)這種結(jié)構(gòu)被用作為雙向IGBT兩端的端結(jié)構(gòu)時(shí)，當(dāng)某端(如表面I)在電路運(yùn)作時(shí)的某一段時(shí)間被用作陰極，這時(shí)當(dāng)表面I的柵極I相對(duì)電極I大于開(kāi)啟電壓(如柵極I電壓比電極I大15V)，電極I被連接至OV電壓，表面2的柵極2比電極2大15V，電極2被連接至負(fù)載電感，電感被連接高電壓如960V，電感兩端接一 FRD如圖6所示，此時(shí)，雙向IGBT在導(dǎo)通狀態(tài)，表面I的N+會(huì)注入電子，表面2的p+會(huì)注入空穴，電流由電極2流至電極1，當(dāng)柵極I短路至電極I和柵極2短路至電極2時(shí)，雙向IGBT器件由導(dǎo)通狀態(tài)進(jìn)入關(guān)斷狀態(tài)，導(dǎo)通時(shí)貯存在N型基區(qū)的空穴會(huì)往電極I流去，電子會(huì)被趕至表面2那邊，假如表面2沒(méi)有有效接收被趕過(guò)來(lái)的電子，讓電子迅速流走，電子便會(huì)困在表面2的P型基區(qū)與N型基區(qū)處，等待慢慢地復(fù)合掉或流至電極2去，形成關(guān)斷時(shí)的電流尾巴，這會(huì)做成關(guān)斷速度減慢從而增加關(guān)斷功耗。一般情況下，為了避免閂鎖效應(yīng)，n+區(qū)的橫長(zhǎng)度都比較短，而η+區(qū)外部不靠近溝道的區(qū)域都被ρ+包圍著，這樣的結(jié)構(gòu)沒(méi)有有效的讓電子流至相應(yīng)的陰電極的通道。

【發(fā)明內(nèi)容】

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[0011]本發(fā)明的目的在于提供一種能避免上述不足而實(shí)用可行的一種雙向IGBT的器件結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)方法，新的結(jié)構(gòu)使器件在應(yīng)用上的電學(xué)特性更像場(chǎng)截止IGBT (FS-1GBT)，靜態(tài)和動(dòng)態(tài)的電學(xué)特性都大為改進(jìn)，新發(fā)明的要點(diǎn)是在原有的表面結(jié)構(gòu)里加上N型緩沖區(qū)和有效的電子通道，具體的器件設(shè)計(jì)和實(shí)行方法介紹如下:
[0012]N型緩沖區(qū):為了使雙向IGBT在承受靜態(tài)高壓時(shí)，用薄的N型基區(qū)而又不致引起穿通現(xiàn)象發(fā)生，本發(fā)明在表面I處，在連接至電極I的所有P型區(qū)與N型基區(qū)之間放置一 N型緩沖區(qū)，N型緩沖區(qū)的濃度和厚度要適中，所以N型緩沖區(qū)中的N型雜質(zhì)濃度要足夠阻擋耗盡層的擴(kuò)展，使耗盡層在最高反偏置時(shí)仍不能碰到P型區(qū)的底部邊界(即PN結(jié)I)，但同時(shí)濃度和厚度又不能高得破壞擊穿電壓，N型緩沖區(qū)的位置在N型基區(qū)處但靠近PN結(jié)I處如圖7，8，9和10所示。
[0013]相同的或類(lèi)似的N型緩沖區(qū)設(shè)計(jì)也用在表面2處，使得在表面I的PN結(jié)I附近和在表面2的PN結(jié)2處有類(lèi)似的或相同的N型緩沖區(qū)如圖23，24，25，26和27，有了這樣的緩沖層，N型基區(qū)的厚度比之前可以大為減薄，如1200V器件只需120um厚便可以防止穿通發(fā)生。
[0014]電子通道:在一般IGBT(單向的)的表面結(jié)構(gòu)加入電子通道可以調(diào)節(jié)器件從導(dǎo)通狀態(tài)被關(guān)斷的關(guān)斷速度，加入多一些電子通道可以使關(guān)斷速度快一些，電子通道的結(jié)構(gòu)有多種，其要點(diǎn)是金屬與半導(dǎo)體表靣的接觸孔開(kāi)口要大，接觸孔開(kāi)口可以是溝槽型的或是平面型的，所謂溝槽或平面都是相對(duì)半導(dǎo)體表面而言；電子從靠近P型基區(qū)的N型基區(qū)流至電子通道的表面金屬之間最好只有很少P+區(qū)的阻礙或完全沒(méi)有P+區(qū)的阻礙，假如電子通道的表面金屬之下全是P+區(qū)域，則電子是很難通過(guò)P+區(qū)達(dá)至金屬電極，假如是N+區(qū)，電子很容易通過(guò)而被收集，但N+區(qū)可能會(huì)引起閂鎖效應(yīng)，用N+區(qū)要小心設(shè)什，假和沒(méi)有P+區(qū)，也沒(méi)有N+區(qū)，電子是很容易直接流至電子通道表面而被表面金屬帶走，電子通路的結(jié)構(gòu)有多種如下所述
[0015]1.如圖11和12所示，接觸孔開(kāi)口可以是溝槽型的，也可以是平面的，其中接觸孔金屬與半導(dǎo)體接觸處有部份是摻雜濃度大於5el8的N+區(qū)域，這N+區(qū)域是連接至柵控溝道的一端，在正向?qū)〞r(shí)，這N+區(qū)域會(huì)對(duì)溝道注入電子；有部份是摻雜濃度大於5el8的P+區(qū)域，有部份是摻雜濃度少於5el7的P型區(qū)域並且從P型基區(qū)和附近的N型基區(qū)區(qū)域至這金屬接觸處沒(méi)有P+區(qū)阻擋如圖11和12帶箭頭的線(xiàn)所示，這是電子通路的一種。
[0016]2.如圖13和14所示，接觸孔開(kāi)口可以是溝槽型的，也可以是平面的，其中接觸孔金屬與半導(dǎo)體接觸處有部份是摻雜濃度大於5el8的P+區(qū)域；有部份是摻雜濃度少於5el7的P型區(qū)域；有部份是摻雜濃度大於5el8的N+區(qū)域，這N+區(qū)域不是連接至柵控溝道的一端，在正向?qū)〞r(shí)，這N+區(qū)域不會(huì)對(duì)溝道注入電子，並且從P型基區(qū)和附近的N型基區(qū)區(qū)域至這N+區(qū)域處沒(méi)有P+區(qū)阻擋如圖13和14帶箭頭的線(xiàn)所示，這是電子通路的一種。
[0017]3.如圖15和16所示，接觸孔開(kāi)口可以是溝槽型的，也可以是平面的，其中接觸孔金屬與半導(dǎo)體接觸處有部份是摻雜濃度大於5el8的P+區(qū)域；有部份是摻雜濃度大於5el8的N+區(qū)域，這N+區(qū)域不是連接至柵控溝道的一端，在正向?qū)〞r(shí)，這N+區(qū)域不會(huì)對(duì)溝道注入電子，並且從P型基區(qū)和附近的N型基區(qū)區(qū)域至這N+區(qū)域處沒(méi)有P+區(qū)阻擋如圖15和16帶箭頭的線(xiàn)所示，這是電子通路的一種。
[0018]4.如圖17，18和19所示，接觸孔開(kāi)口可以是溝槽型的，也可以是平面的，其中接觸孔金屬與半導(dǎo)體接觸處有部份是摻雜濃度大於5el8的P+區(qū)域；有部份是摻雜濃度少於5el7的P型區(qū)域並且從P型基區(qū)和附近的N型基區(qū)區(qū)域至這金屬接觸處沒(méi)有P+區(qū)阻擋如圖17，18和19帶箭頭的線(xiàn)所示，這是電子通路的一種。
[0019]5.如圖20，21和22所示，接觸孔開(kāi)口可以是溝槽型的，也可以是平面的，其中接觸孔金屬與半導(dǎo)體接觸處是摻雜濃度少於5el7的P型區(qū)域並且從P型基區(qū)和附近的N型基區(qū)區(qū)域至這這金屬接觸處沒(méi)有P+區(qū)阻擋如圖20，21和22帶箭頭的線(xiàn)所示，這是電子通路的一種。
[0020]雙向IGBT有兩端，每端都有柵極和相應(yīng)的與半導(dǎo)體接觸的電極，這專(zhuān)利所述的雙向IGBT是透過(guò)晶圓片直接鍵合而成，所以?xún)啥说慕Y(jié)構(gòu)可以是一樣的器件結(jié)構(gòu)如圖23所示，也可以是不一樣的器件結(jié)構(gòu)如圖24和25所示，在雙向IGBT器件N型基區(qū)中部付近可有獨(dú)立的P型區(qū)域如圖26所示，或P型N型相間的區(qū)域如圖27所示。
[0021]以上所述各雙向結(jié)構(gòu)的方案可用于半導(dǎo)體功率器件如IGBT或MCT或GTO ;也可用于半導(dǎo)體功率器件如FRRD或功率MOS管。
【附圖說(shuō)明】
[0022]附圖用來(lái)提供對(duì)本發(fā)明的進(jìn)一步理解，與本發(fā)明的實(shí)施例一起用于解釋本發(fā)明，并不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的限制，在附圖中:
[0023]圖1是單向IGBT和雙向IGBT的電流電壓持性示意圖；
[0024]圖2是一使用雙向IGBT器件的光伏逆變器的電路拓?fù)涫疽鈭D；
[0025]圖3是一般單向的IGBT與一些FRD組成雙向IGBT器件的示意圖；
[0026]圖4是一般單芯片的雙向IGBT器件橫截面結(jié)構(gòu)的示意圖；
[0027]圖5是一般單芯片的雙向IGBT器件橫截面結(jié)構(gòu)的示意圖；
[0028]圖6是一般單芯片的雙向IGBT器件連接至負(fù)載電感和FRD的示意圖；
[0029]圖7是本發(fā)明的雙向IGBT加上N型緩沖區(qū)的橫截面結(jié)構(gòu)示意圖；
[0030]圖8是本發(fā)明的雙向IGBT加上N型緩沖區(qū)的橫截面結(jié)構(gòu)示意圖；
[0031]圖9是本發(fā)明的雙向IGBT加上N型緩沖區(qū)的橫截面結(jié)構(gòu)示意圖；
[0032]圖10是本發(fā)明的雙向IGBT加上N型緩沖區(qū)的橫截面結(jié)構(gòu)示意圖；
[0033]圖11是本發(fā)明的雙向IGBT加上電子通道的橫截面結(jié)構(gòu)示意圖；
[0034]圖12是本發(fā)明的雙向IGBT加上電子通道的橫截面結(jié)構(gòu)示意圖；
[0035]圖13是本發(fā)明的雙向IGBT加上電子通道的橫截面結(jié)構(gòu)示意圖；
[0036]圖14是本發(fā)明的雙向IGBT加上電子通道的橫截面結(jié)構(gòu)示意圖；
[0037]圖15是本發(fā)明的雙向IGBT加上電子通道的橫截面結(jié)構(gòu)示意圖；
[0038]圖16是本發(fā)明的雙向IGBT加上電子通道的橫截面結(jié)構(gòu)示意圖；
[0039]圖17是本發(fā)明的雙向IGBT加上電子通道的橫截面結(jié)構(gòu)示意圖；
[0040]圖18是本發(fā)明的雙向IGBT加上電子通道的橫截面結(jié)構(gòu)示意圖；
[0041]圖19是本發(fā)明的雙向IGBT加上電子通道的橫截面結(jié)構(gòu)示意圖；
[0042]圖20是本發(fā)明的雙向IGBT加上電子通道的橫截面結(jié)構(gòu)示意圖；
[0043]圖21是本發(fā)明的雙向IGBT加上電子通道的橫截面結(jié)構(gòu)示意圖；
[0044]圖22是本發(fā)明的雙向IGBT加上電子通道的橫截面結(jié)構(gòu)示意圖；
[0045]圖23是本發(fā)明的兩端的結(jié)構(gòu)是一樣的雙向IGBT的橫截面結(jié)構(gòu)示意圖；
[0046]圖24是本發(fā)明的兩端的結(jié)構(gòu)是不一樣的雙向IGBT的橫截面結(jié)構(gòu)示意圖；
[0047]圖25是本發(fā)明的兩端的結(jié)構(gòu)是不一樣的雙向IGBT的橫截面結(jié)構(gòu)示意圖；
[0048]圖26是本發(fā)明的雙向IGBT器件的N型基區(qū)中部付近有獨(dú)立的P型區(qū)域的橫截面結(jié)構(gòu)示意圖；
[0049]圖27是本發(fā)明的雙向IGBT器件的N型基區(qū)中部付近有P型N型相間的區(qū)域的橫截面結(jié)構(gòu)示意圖；
[0050]圖28是本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例中通過(guò)N型緩沖區(qū)掩模形成圖案示意圖；
[0051]圖29是本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例中形成N型緩沖區(qū)示意圖；
[0052]圖30是本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例中對(duì)終端注入P型摻雜劑的示意圖；
[0053]圖31是本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例中形成N型緩沖區(qū)和端掩的P型環(huán)區(qū)域示意圖；
[0054]圖32是本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例中對(duì)有源區(qū)注入P型摻雜劑的示意圖；
[0055]圖33是本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例中通過(guò)溝槽掩模形成圖案示意圖；
[0056]圖34是本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例中溝槽示意圖；
[0057]圖35是本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例中形成N+區(qū)示意圖；
[0058]圖36是本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例中對(duì)接觸孔溝槽注入P型摻雜劑的示意圖；
[0059]圖37是本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例中的表面鋁合金層電極示意圖。
[0060]參考符號(hào)表:
[0061]I鈍化層
[0062]2鋁合金層
[0063]3層間介質(zhì)
[0064]4尚慘雜的多晶娃
[0065]5 N+ 區(qū)
[0066]6接觸孔溝槽底部的P型高摻雜區(qū)
[0067]7 P型基區(qū)
[0068]8 N型緩沖區(qū)
[0069]9 N型基區(qū)
[0070]10 P型環(huán)區(qū)域
[0071]11溝槽底的N型區(qū)域或P型區(qū)域
[0072]12硅片表面的氧化層
[0073]13氧化物硬光罩
[0074]14光刻涂層
【具體實(shí)施方式】
[0075]如圖28所示，在硅片表面采用積淀或熱生長(zhǎng)方式形成氧化層12 (厚度為0.05um至0.1um)，在氧化層上再積淀一層光刻涂層14，然后通過(guò)N型緩沖區(qū)掩模形成圖案。
[0076]如圖29所示，之后對(duì)硅片表面注入N型摻雜劑，雜劑濃度為IxlO12至I X 10 14/cm2,通過(guò)高溫?cái)U(kuò)散處理，溫度為950至1200°C，時(shí)間為50分鐘至200分鐘，使N型摻雜劑擴(kuò)散形成N型區(qū)，然后清除掉表面氧化層，在硅片表面采用積淀或熱生長(zhǎng)方式形成氧化層12 (厚度為0.5um至1.5um氧化物)。
[0077]如圖30所示，在氧化層上再積淀一層光刻涂層，然后通過(guò)終端掩模形成圖案暴露出氧化層的一些部分，對(duì)終端掩模形成圖案暴露出的氧化層進(jìn)行干蝕后，暴露出FZ硅片表面，然后清除掉光刻涂層，之后對(duì)硅片表面注入P型摻雜劑，雜劑濃度為IxlO12至1X10 14/
2
cm ο
[0078]如圖31所示，之后通過(guò)高溫?cái)U(kuò)散處理，溫度為950至1200°C，時(shí)間為500分鐘至1000分鐘，使N型摻雜劑和P型摻雜劑擴(kuò)散形成N型緩沖區(qū)和端掩的P型環(huán)區(qū)域。
[0079]如圖32所示，在氧化層上積淀一層光刻涂層，然后通過(guò)有源區(qū)(即P型基區(qū))掩模形成圖案暴露出氧化層的一些部分，對(duì)有源區(qū)掩模形成圖案暴露出的氧化層進(jìn)行干蝕后，暴露出FZ硅片表面，然后清除掉光刻涂層，之后在硅片表面采用積淀或熱生長(zhǎng)方式形成一層氧化層(厚度為0.0lum至0.05um)，之后對(duì)硅片表面注入P型摻雜劑，雜劑濃度為5xl012至 I X 114/cm2。
[0080]如圖33所示，之后通過(guò)高溫?cái)U(kuò)散處理，溫度為950至1200°C，時(shí)間為30分鐘至150分鐘，使P型摻雜劑擴(kuò)散形成即P型基區(qū)，然后在硅片表面采用積淀或熱生長(zhǎng)方式形成氧化層13 (厚度為0.3um至1.5um氧化物硬光罩)，在氧化層上再積淀一層光刻涂層，然后通過(guò)溝槽掩模形成圖案暴露出氧化層的一些部分，對(duì)溝槽掩模形成圖案暴露出的氧化層進(jìn)行干蝕后，暴露出FZ硅片表面，然后清除掉光刻涂層。
[0081]如圖34所示，通過(guò)蝕刻形成溝槽，該溝槽(深度為2.0um至10um，寬度為0.2um至
3.0um)延伸至N型FZ硅片中(N型基區(qū))，在形成溝槽后，對(duì)溝槽進(jìn)行犧牲性氧化(時(shí)間為10分鐘至100分鐘，溫度為100tC至1200°C )，以消除在開(kāi)槽過(guò)程中被等離子破壞的硅層，然后清除掉溝槽中所有氧化層，并通過(guò)熱生長(zhǎng)的方式，在溝槽暴露著的側(cè)壁和底部和N型FZ硅片的上表面形成一層氧化層(厚度為0.03um至0.3um)，并在溝槽中沉積N型高摻雜劑的多晶硅4，多晶硅摻雜濃度為Rs= 5 Ω / □至100 Ω / □(方阻)，以填充溝槽并覆蓋頂面，接著對(duì)在FZ硅片表面上的多晶硅層進(jìn)行平面腐蝕處理，之后在硅片表面采用積淀或熱生長(zhǎng)方式形成一層氧化層(厚度為0.0lum至0.05um)。
[0082]如圖35所示，在FZ硅片的表面積淀光刻涂層，然后通過(guò)N+掩模形成圖案，暴露出FZ硅片表面的一些部分，然后利用N+掩模暴露出部分FZ硅片的表面，然后對(duì)硅片表面注入N型摻雜劑(P31或As，劑量為lel5/cm2至2el6/cm2)，接著清除掉光刻涂層，通過(guò)高溫?cái)U(kuò)散處理，溫度為950至1200°C，時(shí)間為10分鐘至100分鐘，使N型區(qū)推進(jìn)擴(kuò)散到P型基區(qū)形成柵控晶體管器件單元的N+區(qū)5 (N+區(qū)深度為0.1um至0.6um, P型基區(qū)深度為2.0um至6.5um) ο
[0083]如圖36所示，在外延層最表面上先沉積無(wú)摻雜二氧化娃層(厚度為0.1um至
0.5um)，然后沉積硼磷玻璃(厚度為0.1um至0.8um)形成層間介質(zhì)3，在層間介質(zhì)表面積淀光刻涂層，利用接觸孔掩模暴露出部分層間介質(zhì)，然后對(duì)暴露出的部分層間介質(zhì)進(jìn)行干蝕，直至暴露出FZ N型硅片的上表面，在層間介質(zhì)中形成多個(gè)接觸孔掩模開(kāi)孔，然后清除掉光刻涂層；接著對(duì)含有摻雜劑的硅片表面進(jìn)行浸蝕，使接觸孔溝槽(深度為0.4um至1.5um,寬度為0.2um至1.0um)穿過(guò)N型源區(qū)進(jìn)入到P型基區(qū)，在FZ硅片的表面積淀光刻涂層14，然后通過(guò)電子通路掩模形成圖案，留下光刻涂料把電子通道的接觸孔封上，之后對(duì)接觸孔溝槽注入P型高摻雜劑BI I，雜劑濃度為114至5 X 10 1Vcm2,以減少P型基區(qū)與金屬插塞間的接觸電阻，這有效地增加器件的安全使用區(qū)。
[0084]如圖37所示，在接觸孔溝槽側(cè)壁、底部以及層間介質(zhì)上表面沉積一層鈦/氮化鈦層，接著對(duì)接觸孔溝槽進(jìn)行鎢填充以形成金屬插塞，再在該器件的上面沉積一層鋁合金2 (厚度為0.Sum至1um)，然后通過(guò)金屬掩模進(jìn)行金屬浸蝕，形成發(fā)射區(qū)金屬墊層和柵極金屬墊層和終端區(qū)場(chǎng)板。
[0085]最后在表面放置鈍化層I便完成前道工序。然后把完成前道工序的晶圓片磨薄背面至所需厚度，接著經(jīng)過(guò)背面處理后便把兩片磨薄處理好的並完成前道工序的薄晶圓片用直接鍵合方法並加上用紅外對(duì)準(zhǔn)把兩片晶圓薄片連接在一起形成雙向IGBT。
[0086]最后應(yīng)說(shuō)明的是:以上僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，本發(fā)明可用于涉及制造半導(dǎo)體雙向功率器件(例如，溝槽絕緣柵雙極晶體管Trench IGBT或MCT或GTO或MOSFET或FRRD)，本文件的
【發(fā)明內(nèi)容】
與實(shí)施例是以N型通道器件作出說(shuō)明，本發(fā)明亦可用于P型通道器件，盡管參照實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的說(shuō)明，對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，其依然可以對(duì)前述各實(shí)施例所記載的技術(shù)方案進(jìn)行修改，或者對(duì)其中部分技術(shù)特征進(jìn)行等同替換，但是凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種半導(dǎo)體雙向功率器件的結(jié)構(gòu)包括以下部分: (1)有兩端，每端的表面都有終端區(qū)和有源區(qū)，某一端的終端區(qū)和有源區(qū)與另一端的終端區(qū)和有源區(qū)可以相同，也可以不相同； (2)任一端的有源區(qū)至少由兩種不同的單元組成； 第一種單元的表面結(jié)構(gòu)是絕緣柵雙極晶體管(IGBT)的表靣結(jié)構(gòu)，第二種單元是電子通道結(jié)構(gòu)，電子通道在關(guān)斷時(shí)提供通道，讓電子迅速流走至表面電極而被帶走，電子通道的表面電極與IGBT的表面電極(此電極不是柵極，是電流可以流通的電極)是連在一起，組成可以讓電流流通的電極。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的第一種單元的表面結(jié)構(gòu)是絕緣柵雙極晶體管(IGBT)的表靣結(jié)構(gòu)，其特征在于，這結(jié)構(gòu)包括有N+區(qū)，P+區(qū)，P型基區(qū)，N型緩沖區(qū)和N型基區(qū)，N型緩沖區(qū)在P型基區(qū)與N型基區(qū)之間，濃度約為Ie15Cm 3至Ie 17cm 3和厚度約為Ium至8um，N+區(qū)與N型緩沖區(qū)或N型基區(qū)的連接由柵極控制，柵極可以是溝槽型的或是平面型的，表面電極透過(guò)接觸開(kāi)孔直接與N+區(qū)形成歐姆接觸，導(dǎo)通時(shí)可向N型基區(qū)注入電子，而P型基區(qū)則主要是透過(guò)與其相連的P+區(qū)與表面金屬接觸，在P型基區(qū)相對(duì)于N型基區(qū)被置於足夠大的正偏置(大於0.7V)時(shí)，這表面金屬會(huì)透過(guò)P+區(qū)向N型基區(qū)注入空穴。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的第二種單元是電子通道結(jié)構(gòu)，其特征在于，這結(jié)構(gòu)包括有表面金屬，接觸孔開(kāi)口而接觸孔開(kāi)口可以是溝槽型的或是平面型的，N+區(qū)，P+區(qū)，P型基區(qū)，N型緩沖區(qū)和N型基區(qū)，表面金屬透過(guò)接觸孔與半導(dǎo)體表面接觸，其中與表面金屬接觸的半導(dǎo)體有部份是摻雜濃度大於5el8的N+區(qū)域，這N+區(qū)域是連接至柵控溝道的一端，在正向?qū)〞r(shí)，這N+區(qū)域會(huì)對(duì)溝道注入電子；有部份是摻雜濃度大於5el8的P+區(qū)域，有部份是摻雜濃度少於5el7的P型區(qū)域，並且從表面金屬與P型基區(qū)接觸處至P型基區(qū)，N型緩沖區(qū)和N型基區(qū)之間是沒(méi)有P+區(qū)阻擋，表面金屬與P型基區(qū)接觸處是電子通道的出口。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的第二種單元是電子通道結(jié)構(gòu)，其特征在于，這結(jié)構(gòu)包括有表面金屬，接觸孔開(kāi)口而接觸孔開(kāi)口可以是溝槽型的或是平面型的，N+區(qū)，P+區(qū)，P型基區(qū)，N型緩沖區(qū)和N型基區(qū)，表面金屬透過(guò)接觸孔與半導(dǎo)體表面接觸，其中與表面金屬接觸的半導(dǎo)體有部份是摻雜濃度大於5el8的N+區(qū)域，這N+區(qū)域不連接至柵控溝道的一端，在正向?qū)〞r(shí)，這N+區(qū)域不會(huì)對(duì)溝道注入電子；有部份是摻雜濃度大於5el8的P+區(qū)域，有部份是摻雜濃度少於5el7的P型區(qū)域，並且從表面金屬與P型基區(qū)接觸處至P型基區(qū)，N型緩沖區(qū)和N型基區(qū)之間是沒(méi)有P+區(qū)阻擋，表面金屬與P型基區(qū)接觸處是電子通道的出口。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的第二種單元是電子通道結(jié)構(gòu)，其特征在于，這結(jié)構(gòu)包括有表面金屬，接觸孔開(kāi)口而接觸孔開(kāi)口可以是溝槽型的或是平面型的，P+區(qū)，P型基區(qū)，N型緩沖區(qū)和N型基區(qū)，表面金屬透過(guò)接觸孔與半導(dǎo)體表面接觸，其中與表面金屬接觸的半導(dǎo)體有部份是摻雜濃度大於5el8的P+區(qū)域，有部份是摻雜濃度少於5el7的P型區(qū)域，並且從表面金屬與P型基區(qū)接觸處至P型基區(qū)，N型緩沖區(qū)和N型基區(qū)之間是沒(méi)有P+區(qū)阻擋，表面金屬與P型基區(qū)接觸處是電子通道的出口。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的第二種單元是電子通道結(jié)構(gòu)，其特征在于，這結(jié)構(gòu)包括有表面金屬，接觸孔開(kāi)口而接觸孔開(kāi)口可以是溝槽型的或是平面型的，P型基區(qū)，N型緩沖區(qū)和N型基區(qū)，表面金屬透過(guò)接觸孔與半導(dǎo)體表面接觸，其中與表面金屬接觸的半導(dǎo)體是摻雜濃度少於5el7的P型區(qū)域，並且從表面金屬與P型基區(qū)接觸處至P型基區(qū)，N型緩沖區(qū)和N型基區(qū)之間是沒(méi)有P+區(qū)阻擋，表面金屬與P型基區(qū)接觸處是電子通道的出口。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述每端的表面都有終端區(qū)，其特征在于，若這終端區(qū)有P型區(qū)被直接地或間接地連接至表面電極，則這整個(gè)P型區(qū)都需要有N型緩沖區(qū)包圍起來(lái)，如有源區(qū)的P型基區(qū)被N型緩沖區(qū)圍起一樣。8.根據(jù)權(quán)利要求2所述的N型緩沖區(qū)，其特征在于，在有源區(qū)中的N型緩沖區(qū)可以透過(guò)對(duì)溝槽底部注入N型摻雜離子然后加上熱擴(kuò)散，最后在溝槽底部的這個(gè)N型區(qū)相互連起來(lái)形成一摻雜濃渡比N型基區(qū)為高的N型緩沖區(qū)，其濃度約為Ie15Cm 3至Ie17Cm 3和厚度約為Ium 至 8um09.一種半導(dǎo)體雙向功率器件的結(jié)構(gòu)包括有兩端和兩端之間的N型基區(qū)，在兩端中間部分付近，除了 N型基區(qū)本身的摻雜，至少有一個(gè)P型區(qū)與一個(gè)N型區(qū)，P型區(qū)的總劑量與N型區(qū)的是一樣的，劑量為Ie12Cm 2。10.一種半導(dǎo)體雙向功率器件的結(jié)構(gòu)包括以下部分: (1)有兩端，每端的表面都有終端區(qū)和有源區(qū)，某一端的終端區(qū)和有源區(qū)與另一端的終端區(qū)和有源區(qū)可以相同，也可以不相同； (2)任一端的有源區(qū)至少由兩種不同的單元組成； 第一種單元的表面結(jié)構(gòu)是溝槽型絕緣柵雙極晶體管(IGBT)的表靣結(jié)構(gòu)，第二種單元是電子通道結(jié)構(gòu)，溝槽型絕緣柵雙極晶體管的表靣結(jié)構(gòu)包括有N+區(qū)，P型基區(qū)，N型緩沖區(qū)，N型基區(qū)和溝槽底的P型區(qū)，P型基區(qū)與溝槽底的P型區(qū)是不相連的，N型緩沖區(qū)在P型基區(qū)與N型基區(qū)之間，濃度約為Ie15Cm 3至Ie17Cm 3和厚度約為Ium至Sum的N型緩沖區(qū)，溝槽底的P型區(qū)的濃度約為3e14cm 3至Ie 16cm 3和厚度約為0.5um至2um。
【文檔編號(hào)】H01L21/77GK105895633SQ201410740433
【公開(kāi)日】2016年8月24日
【申請(qǐng)日】2014年12月4日
【發(fā)明人】蘇冠創(chuàng)
【申請(qǐng)人】南京勵(lì)盛半導(dǎo)體科技有限公司