专利名称：用于沟槽igbt的深n扩散的制作方法
技术领域：
本发明涉及沟槽型绝缘栅双极晶体管(Insulated GateBipolar Transistor，IGBTs)，更具体地涉及具有降低的正向电压降的IGBTs。
背景技术：
IGBTs是众所周知的，并频繁地用平面格状或条纹型布局来实现。这些器件具有固有的JFET，其增大器件的导通电阻RDSON，由此增大正向电压降VCE(ON)。而且，这样的器件具有固有的四层寄生晶闸管结构，如果晶闸管的NPN晶体管开启，其将闭锁。
公知可以用消除平面器件的固有JFET的沟槽布局来制造IGBTs。但是，沟槽IGBTs仍然具有固有的四层结构，由此，如果四层器件中的固有NPN晶体管开启(如果电流穿过RB′足够高)，器件将闭锁。也期望不增大RB′的值而降低器件的饱和电流。
进一步发现沟槽IGBTs趋于“脆弱”，就是说，尤其当转换电感负载时它们可失效。这有时被称为反向偏置下的低安全操作区(safe operating area，SOA)。该问题由于RB′的增大而再次恶化。
这里通过参考而结合美国专利6,683,331的公开内容，该专利描述了沟槽IGBT结构及其制造工艺，制成具有减小的RB′、减小的饱和电流、低阈值电压VT和增大的SOA的非穿通(non-punch through，NPT)IGBT。更具体地，提供了一种具有深发射极扩散的结构，该深发射极扩散非常窄(小的横向范围)以降低RB′。而且，在有间隔的沟槽之间采用非常深的P沟道扩散以产生非常长的反型沟道。由此，当器件进入雪崩时，发射极下的空穴电流路径具有减小的横向范围，减小了RB′，且沟槽非常深(大约8微米)，使得邻近沟道的P区能够支撑合理的电压且可以优化N-体浓度和深度。沿着沟槽增大的发射极深度控制了阈值电压，因为其允许使用非常深的P+区而没有其侵犯至沟道中的危险(这能够增大VT)。最后，可仅在P阱中施加氦注入以限制寿命。
而且，专利6,683,331的器件可以在浮动区的硅中制造且不需要外延层，采用弱阳极结构，如2000年5月5日以Richard Francis和Chiu Ng的名义提出的共同未决申请，序列号为09/565,922，现在为美国专利6,482,681。
在US 6,683,331公开的沟槽IGBT结构中，正向传导期间的电流可以看作MOSFET和双极电流的结合。MOSFET电流的特定导通电阻由数个成分来确定。在300-1200V的器件中，由于漂移层的相对高的电阻率(通常为14-60欧姆-厘米)，导通电阻的主要贡献来自于沟道区下的漂移区电阻和扩展电阻。
非常需要提供一种具有专利6,683,331器件的优点的器件，但具有减小的导通电阻。
发明内容
依照本发明，通过在基极扩散下引入深扩散层来减小沟槽型IGBT中的扩展和漂移区电阻。该深扩散或“深增强(DeepEnhancement)”具有相对于P型基区(或用于N沟道器件的N型)相反的掺杂浓度。本发明通过降低导通电阻来降低器件正向电压降。而且本发明提供了优化器件至特定应用(例如，转换频率)的可能性。此外，通过本发明，在高寿命的外延型沟槽IGBT中，可以增加照射剂量来减小关断电流和转换时间，由此减小用于相同正向压降的转换损失。这在许多应用中是非常有用的，特别是，在低寿命的耗尽停止型沟槽IGBT中，本发明的深增强将极大地降低器件的正向压降。
图1是穿过IGBT沟槽管芯的两个相邻沟槽的截面图，该IGBT沟槽管芯具有专利6,683,331器件的结图案。
图2是类似于图1的截面图，但是示出了本发明附加的新型深增强。
图3以截面示出晶片(或管芯)的小部分，示出了制造图2器件的工艺中的第一步骤。
图4示出了掩模和注入步骤之后的图3结构。
图5示出了扩散驱进以形成N扩散之后的图4结构。
图6示出了终止掩模步骤和终止注入之后的图5结构。
图7示出了硼驱进和氧化步骤之后的图6结构。
图8示出了沟槽掩模和发射极注入之后的图7结构。
图9示出了发射极驱进和沟槽蚀刻之后的图8结构。
图10示出了完成了例如图2的沟槽单元之后的图9结构。
具体实施例方式首先参照图1，以截面示出了专利6,683,331的现有技术结构的一对相邻单元。
在专利6,683,331中公开了图1器件的制造细节，包括使用的材料和工艺细节，例如晶片厚度的减小和所使用的寿命限制的形成以及集电极背面注入54等。
在浮动区材料的普通起始晶片25中形成图1的结构。但是，也可以使用外延晶片。晶片25具有接收相邻深沟槽31和32的N-体，所述沟槽分别用薄的(例如1000)二氧化硅栅绝缘层33和34衬垫，并分别填充有互联的(未示出并具有外部栅极端子G，示意性示出)导电多晶硅栅极35和36。沟槽31和32可为大约1.5微米宽，间隔大约5-10微米并可具有4-9微米的深度，且优选大约6.5微米。这些延伸穿过P-基极扩散37，该P-基极扩散37在沟槽区对于8微米深的沟槽来说大约为5微米深(从硅的顶表面测量)。
沟槽31和32分别延伸穿过N+型发射极区40和41，所述N+型发射极区40和41非常深(2-4微米)且具有很短的横向延伸，例如1.5-3微米。注意发射极区40和41分别具有浅架接触区(shallowshelf contact regions)42和43，其具有大约0.2-0.5微米的横向延伸。
显著地，沟槽31和32延伸进深增强区100大约2μm(非临界)。
P+接触区50延伸进P-基区37中并位于发射极区40和41之间。多晶硅栅极35和36被适当的绝缘氧化物51覆盖，且器件的顶表面接收铝或其它合适的发射极接触52。器件的背面包含接收集电极接触53的P+扩散54。
非常深沟槽(6.5微米)和非常深P-基区37(7微米)的使用允许非常深但窄的发射极区40和41的使用，同时在发射极区下依旧留下足够长的可倒转沟道(例如，2微米)以允许P区37支撑合理的电压，并由此可以优化N-体26。而且，当器件工作在雪崩时，空穴电流从P+区54流出并向上并在发射极40和41下且穿过发射极区40和41下的有效电阻RB′。该电阻非常小以例如避免NPN晶体管40、37、26导通，并避免IGBT结构的闭锁。
注意，发射极40和41的凸缘(ledge)区域42、43分别在P+区50的顶上且不形成器件的RB′的一部分。但是，这些凸缘42、43是用于连接发射极区40和41到发射极接触的主要点，且在制造期间即使具有不可避免的掩模未对准也允许这样的连接。
本发明是图1结构的改进，并在图2中示出，其中与图1的元件相同的元件给出相同的标记。图2中的基本差异是使用了布置在沟槽31和32的底部之间及在沟槽之下的新型深增强N区100。N区100在所有其它浓度类型相反的P沟道器件中将是P区。
深增强100可具有4-10μm的深度(6μm的深沟槽)，并具有比N-体26足够大的浓度。该深增强100减小了器件的扩展和漂移区电阻，由此以减小器件的正向电压降。此外，可以在浓度和深度上调节区100以优化器件至特定的应用。例如，对于特定应用而言相对于其他参数可优选转换频率。在高寿命外延器件中，可以增加照射剂量来降低转换时候的关断电流，从而降低对于相同正向压降的转换损失。此外，在低寿命耗尽停止型沟槽IGBT中，深增强100将极大地降低正向电压降。
图3-9示出了可用来制造图2器件的工艺流程。所述的剂量和注入密度是用于特定器件，且可以按照所需而改变但仍然实施本发明。因此，在图3中，在具有22-30欧姆-厘米电阻率的硅起始晶片110上生长氧化物层111至1μm的厚度。
图4示出掩模步骤，其中处理光刻胶112以在氧物化层111中开窗口113。然后在120KeV将剂量在1E12至1E13/cm2之间的磷注入施加到图4中的露出硅表面。
然后剥离光刻胶112，并在1175℃驱进磷注入4-16小时以驱进新型深N扩散100。同时，如图5所示，氧化物111生长到大约1.2μm且较薄的氧化物层120生长到大约7000。区100将随着随后的每一次热处理而深化。
如图6所示，接着进行终止掩模步骤，该终止掩模在氧化物层111和120中定义窗口，且将晶片暴露于剂量为7E14/cm2的硼注入。如图7所示，接着在1175℃驱进该注入2小时，形成P+沟道区125和终止扩散126。同时生长新的氧化物，包括变厚的区130(9000)、131(1.4μm)和132(7000)。
图8示出提供也用作发射极注入掩模的沟槽掩模140的下一步骤。由此，在氧化物130、132中开窗口141和142，并在120KeV以1E16/cm2进行砷注入。接着在1175℃驱进该注入30分钟，形成N++发射极区150。
此后，如图8所示，进行沟槽蚀刻，形成具有大约6μm深度的间隔的平行沟槽160、161。
如美国专利6,683,331所示并如图9所示，然后完成了单元结构。注意，P+区170通过大约3μm宽的接触窗口171而注入并扩散。栅氧化物172厚约1500且沟槽间隔大约为6μm。沟槽的宽度大约为1.5微米。
在所述工艺中，所述的单元是单个管芯中可达数千中的两个，且是当管芯在晶片阶段形成。这里术语管芯和晶片可交换地使用。
尽管相对于特定的实施例描述了本发明，但对于本领域技术人员来说许多其它变化、修正和其它使用将变得显而易见。因此，优选本发明不限于这里的特定公开内容。
权利要求
1.一种具有用于降低其正向电压降的深扩散的沟槽IGBT，包含一种导电类型的并具有第一浓度的单晶硅体，且具有平行的顶和底表面；垂直延伸至所述顶表面中给定深度的多个间隔开的沟槽；衬垫所述沟槽的垂直壁的栅绝缘层；形成在每个所述沟槽之间并具有比所述沟槽深度更小的深度的其它导电类型的沟道扩散；从所述体的所述顶表面延伸并沿着每个所述沟槽的上部的所述一种导电类型的发射极扩散；所述发射极扩散通过所述沟槽之间的给定距离彼此间隔；具有比所述沟道扩散浓度高的浓度并设置在相邻的所述发射极扩散对之间的所述其它导电类型的浅接触扩散；在所述底表面中的所述其它导电类型的集电极扩散；与所述发射极及沟道扩散相接触的发射极金属电极和与所述集电极扩散相接触的集电极电极；以及所述一种导电类型的且具有比所述第一导电率更大的导电率的深扩散，设置在所述沟道扩散之下并延伸到所述沟槽底部之下。
2.如权利要求1的器件，其中所述沟槽具有4-9微米的深度并间隔大约5-10微米，以及具有大约1.5微米的宽度。
3.如权利要求1的器件，其中所述沟槽具有大约6微米的深度，且其中所述沟槽比所述沟道扩散更深，且所述深扩散具有4-10微米的宽度。
4.如权利要求1的器件，其中每个所述发射极区的顶表面还具有所述其它导电类型的高浓度浅接触扩散。
5.如权利要求2的器件，其中每个所述发射极区的顶表面还具有所述其它导电类型的高浓度浅接触扩散。
6.如权利要求3的器件，其中每个所述发射极区的顶表面还具有所述其它导电类型的高浓度浅接触扩散。
7.如权利要求1的器件，其中所述发射极区具有2-4微米的深度和1.5-3微米的横向宽度，且其中所述深度大于所述宽度。
8.如权利要求1的器件，其中所述发射极区具有更远离其各自沟槽的浅横向延伸，以提供增大的接触表面以接触所述发射极金属。
9.如权利要求8的器件，其中每个所述发射极区的顶表面还具有所述其它导电类型的高浓度浅扩散。
10.如权利要求9的器件，其中所述沟槽具有4-9微米的深度并间隔大约5-10微米，以及具有大约1.5微米的宽度。
11.如权利要求1的器件，其中所述一种导电类型为N。
12.如权利要求1的器件，其中所述沟槽为横向间隔的直平行沟槽。
13.如权利要求1的器件，其中所述沟槽在穿过所述沟槽深度的横截面中为多边的多边形。
14.如权利要求1的器件，其包括第一导电类型的另一扩散，进入所述沟道区中并具有比所述沟道区更高的浓度；所述另一扩散在所述发射极区的所述横向延伸下延伸，并形成与所述发射极金属的接触。
全文摘要
本发明涉及用于沟槽IGBT的深N扩散。在沟槽型IGBT的相邻沟槽之间和沟槽下提供一种与漂移区相同导电类型的增大导电率的深扩散，以当器件导通时对电流减小漂移区电阻和扩展电阻的导通电阻成分。深扩散具有比漂移区更高的浓度，且具有4－10微米的宽度。晶片或管芯具有大约70－300微米的总宽度(或厚度)。
文档编号H01L29/36GK1921146SQ200610153428
公开日2007年2月28日 申请日期2006年8月15日 优先权日2005年8月15日
发明者R·弗朗西斯, C·额 申请人:国际整流器公司