一种带有场截止层的全自对准的绝缘栅双极晶体管器件的制作方法
【专利摘要】本实用新型的涉及电力电子【技术领域】的半导体器件，具体为一种带有场截止层的全自对准的绝缘栅双极晶体管器件，包括第一导电类型衬底，第一导电类型衬底的第一主面内设有第二导电类型基区，第二导电类型基区内设有第二导电类型深扩散区，所述第二导电类型深扩散区呈“凹”形，第二导电类型基区内设有第一导电类型发射区。本实用新型的双极晶体管器件采用绝缘侧壁是一种全自对准的技术，不需要光刻，因此能够将多晶硅的窗口的宽度减小到4um，甚至能到2um；这样就能实现更精细化的图形。引入场截止层，使得第一导电类型衬底的厚度减小，导通压降Vce（sat）随之减小；同时场截止层的引入可以进一步减小器件关断时候的能量损耗。
【专利说明】—种带有场截止层的全自对准的绝缘栅双极晶体管器件
【技术领域】
[0001]本实用新型的涉及电力电子【技术领域】的半导体器件，具体为一种带有场截止层的全自对准的绝缘栅双极晶体管器件。
【背景技术】
[0002]现有的绝缘栅双极晶体管IGBT主要由N-漂移区、P体区、深P+区、N+发射区、P+集电区、Si02栅氧层、多晶硅栅层、Si02氧化层(包括Si02层，PSG磷硅玻璃层，Si02层)以及正面金属层、背面金属层组成。正面金属层同时接触P体区和N+发射区，构成器件的发射极。背面金属接触P+集电区，构成器件的集电极。多晶硅栅连同连接的金属构成器件栅极。
[0003]如图2所示，在IGBT器件可以分为由多晶硅栅定义的PIN 二极管区(宽度为L)和由多晶硅栅间隔定义的PNP双极晶体管区(宽度为W)。当器件正向导通时，电子从N+发射极经过多晶硅栅下形成的沟道注入到N-漂移区。同时空穴从P+集电极注入到N-漂移区。对于PIN 二极管区，由于储存的电子空穴较多，由于半导体过剩载流子的电导调制效应，使得这个区域的电阻较低。相反对于PNP双极晶体管区，由于储存的电子空穴较少，这个区域的电阻较高。电流同时流经PNP和PIN这两个区域，形成导通压降Vce (sat)。减小高阻PNP区域和低阻PIN区域宽度的比值W:L可以降低器件的Vce (sat)。
[0004]除此之外，Vce (sat)的下降还可以通过减小硅片的厚度来实现。通常的做法是在P+集电区和N-漂移区之间插入一层N+缓冲层，并同时减小N-漂移区的厚度。其中的N+缓冲层通常被称为场截止层，它的引入可以在器件导通时减小器件的Vce (sat)，在器件关断时减小器件的关断损耗，从而减小器件的功耗，增加器件的稳定性。
[0005]目前传统的IGBT制造工艺如下:
[0006]( I)在N-漂移区的一侧通过热氧化的方式生长栅氧化层，并在栅氧化层上面通过LPCVD沉积多晶硅，并对多晶硅进行掺杂。
[0007](2)通过光刻、干法刻蚀，形成分离的多晶硅栅层已及栅极之间没有多晶硅覆盖的窗口，在窗口中注入硼，退火、推阱处理，形成P体区。
[0008](3)在窗口区的两侧通过光刻形成发射极图形，并在发射极图形中注入磷；去除光刻胶，在窗口中注入磷；退火、推阱处理，形成N+发射区和深P+区。
[0009](4)在窗口区和多晶硅栅层上面通过LPCVD或PECVD沉积Si02，后再生长一层PSG或BPSG ;在窗口去的中部N+区之间和P+区中部通过光刻、干法刻蚀，形成接触电机孔。
[0010](5)在背面注入硼，退火推阱处理形成P+集电极；再在正面和背面通过蒸发或者溅射制作金属电极形成IGBT器件。
[0011]通过上面的IGBT制造工序我们可以看到，工艺流程采用了多次光刻和刻蚀处理，由于光刻机本身存在对准精度的问题，使得多晶栅之间的窗口层的宽度W只能限定在光刻机的精度所能达到的宽度之内，如进一步缩小器件窗口层的宽度W，将会给器件带来许多隐患。特别是在步骤(3)中对N+发射极区的光刻，很有可能出现因为套偏而引起图形转移偏差，如窗口中一侧的N+发射极没有和金属接触，导致器件活性区一半失效。同时，在步骤
(4)中对电极孔的光刻会因为套偏而发生发射极和栅极之间的短路，导致器件全部失效。所以，利用现有的技术生产的IGBT器件，普遍存在因为光刻机对准精度的制约，导致器件结构欠合理而影响器件的工作参数和可靠性，因为需要一种新的器件设计来减小生产中对光刻机设备的依赖。此外，传统工艺的步骤(3)中，N+发射极是通过光刻和注入形成，它的宽度较大，导致器件容易发生闩锁效应。
[0012]如专利号为CN201110165393.8，专利名称为“绝缘栅双极晶体管及制作方法”的发明专利，其技术方案为:一种绝缘栅双极晶体管，包括:集电区，由形成于硅衬底底部的P型层组成，从所述硅衬底的背面引出集电极；漂移区，由依次形成于所述集电区上的第一 N+层和第一 N-层组成，所述第一 N+层的N型杂质浓度大于所述第一 N-层的N型杂质浓度；P阱，形成于所述第一 N-层中；发射区，由形成于所述P阱上部的第二 N+层组成，所述P阱将所述发射区和所述漂移区隔开；栅极，覆盖部分所述P阱，被所述栅极覆盖的所述P阱为沟道区，所述沟道区连接所述P阱两侧的所述漂移区和所述发射区；其特征在于:在所述P阱中形成有沟槽或孔，在所述沟槽或孔的底部的所述P阱中形成有P+连接层，所述P+连接层位于所述发射区的底部；在所述沟槽或孔上部形成有发射极引线孔，所述发射极引线孔的宽度大于所述沟槽或孔的宽度，在所述沟槽或孔和所述发射极引线孔中填充有金属并引出发射极。
[0013]在结构方面，上述专利描述的双极晶体管的多晶硅窗口开口较大，电极孔和多晶硅的距离只有1.5^3.5um，这样电极孔一般在2um以上总共加起多晶硅窗口的宽度最小只能到5~9um ;上述双极晶体管器件结构是左右不对称的，这样就降低了器件抗闩锁的能力。
[0014]在生产工艺方面现有技术采用了多次光刻和刻蚀处理，由于光刻机本身存在对准精度的问题，使得多晶栅之间的窗口层的宽度W只能限定在光刻机的精度所能达到的宽度之内，如进一步缩小器件窗口层的宽度W，将会给器件带来许多隐患，并且导致器件结构欠合理而影响器件的工作参数和可靠性。
实用新型内容
[0015]为了克服现有的绝缘栅双极晶体存在的上述问题，现特别提出一种带有场截止层的全自对准的绝缘栅双极晶体管器件。
[0016]本实用新型的具体方案如下:
[0017]一种带有场截止层的全自对准的绝缘栅双极晶体管器件，其特征在于:包括第一导电类型衬底，第一导电类型衬底的第一主面内设有第二导电类型基区，第二导电类型基区内设有第二导电类型深扩散区，所述第二导电类型深扩散区呈“凹”形，第二导电类型基区内设有第一导电类型发射区，第一导电类型发射区分别设置在第二导电类型深扩散区“凹”型的两凸起部分上，每个第一导电类型发射区的第一主面上设有栅极绝缘层，栅极绝缘层上设有多晶硅栅层，多晶硅栅层上设有第二绝缘层，多晶硅栅层两侧设有绝缘侧壁、第一导电类型衬底的第二主面内设有第一导电类型场截止层，第一导电类型场截止层上设有第二导电类型集电区，所述的第一导电类型场截止区的扩散深度为:T25um，宽度为整个第一导电类型衬底的宽度，其浓度高于第一导电类型衬底的浓度并低于第二导电类型发射区的浓度。[0018]所述多晶硅之间的区域为窗口区，窗口区的中央通过刻蚀多晶硅形成沟槽。
[0019]所述第一导电类型发射区包括两个分立的发射区，其掺杂浓度高于第二导电类型基区；每个发射区的一部分被多晶硅栅层覆盖，另一部分位于窗口区，两个分立的发射区被位于窗口区中部的沟槽隔开。
[0020]所述第一导电类型衬底为硅衬底，第一导电类型衬底第一主面为正面，第二主面为背面。
[0021]所述第一导电类型发射区的扩散深度为0.2-0.5um，每个发射区宽度为0.4-lum之间。
[0022]所述第一导电类型衬底窗口区中部的沟槽深度大于第一导电类型发射区的扩散深度，小于第二导电类型深扩散区的扩散深度，其宽度小于等于绝缘侧壁之间的宽度。
[0023]所述栅极绝缘层为热氧化工艺形成的二氧化硅层。
[0024]所述绝缘侧壁的宽度小于第一导电类型发射区的宽度，所述绝缘侧壁的宽度为
0.1-lum，高度为 0.7_2um 之间。
[0025]所述多晶硅之间窗口区的宽度在2-20um之间。
[0026]多晶硅之间窗口区的宽度在3-5um之间。
[0027]本实用新型的优点在于:
[0028]1、本实用新型的双极晶体管器件采用绝缘侧壁是一种全自对准的技术，不需要光亥|J，因此能够将多晶硅的窗口的宽度减小到4um，甚至能到2um ;这样就能实现更精细化的图形。引入场截止层，使得第一导电类型衬底的厚度减小，导通压降Vce (sat)随之减小；同时场截止层的引入可以进一步减小器件关断时候的能量损耗。
[0029]2、由于本专利的技术没有光刻对准的偏差，是自对准的技术，因此专利中的器件结构是左右完全对称的，首先由于器件没有光刻对准的偏差，两个N+发射极宽度是一样的；其次窗口宽度的减小能够减小N+发射区的面积，这样对器件的闩锁效应也有明显的改
盡
口 ο
[0030]3、本实用新型的双极晶体管器件在结构上增加了绝缘侧壁，器件结构是完全对准的，工艺步骤能得到减少，因为绝缘侧壁的存在，N+发射区和电极孔不需要光刻，所以能够节省掉电极孔和N+发射区光刻需要的步骤，能够减少窗口的宽度，缩小窗口的宽度带来的另一个效果是增加了多晶栅和多晶窗口的面积之比，这样带来的效果是IGBT的导通压降Vce (sat)能够减小。
【专利附图】
【附图说明】
[0031]图1为器件整体效果图。
[0032]图2为传统器件的整体效果图。
[0033]图3为场截止层掺杂分布图。
[0034]图4为场截止层掺杂分布图。
[0035]附图中110:第一导电类型衬底；120:第二导电类型基区；130:第二导电类型深扩散区；140:第一导电类型发射区；150:第二导电类型集电区；160:栅极绝缘层；170:多晶硅栅层；180:第二绝缘层；190:绝缘侧壁；200:场截止层。【具体实施方式】
[0036]实施例1
[0037]如图1所示，是一种带有场截止层的全自对准的绝缘栅双极晶体管器件，包括第一导电类型衬底110，第一导电类型衬底110的第一主面内设有第二导电类型基区120，第二导电类型基区120内设有第二导电类型深扩散区130，所述第二导电类型深扩散区130呈“凹”形，第二导电类型基区120内设有第一导电类型发射区140，第一导电类型发射区140分别设置在第二导电类型深扩散区130 “凹”型的两凸起部分上，每个第一导电类型发射区140的第一主面上设有栅极绝缘层160，栅极绝缘层160上设有多晶硅栅层170，多晶硅栅层170上设有第二绝缘层180，多晶硅栅层170两侧设有绝缘侧壁190、第一导电类型衬底110的第二主面内设有第一导电类型场截止层200，第一导电类型场截止层200上设有第二导电类型集电区150。
[0038]所述多晶硅之间的区域为窗口区，窗口区的中央通过刻蚀多晶硅形成沟槽。
[0039]所述第一导电类型发射区140包括两个分立的发射区，其掺杂浓度高于第二导电类型基区120 ;每个发射区的一部分被多晶硅栅层170覆盖，另一部分位于窗口区，两个分立的发射区被位于窗口区中部的沟槽隔开。
[0040]第一导电类型为N型，第二导电类型为P型。第一导电类型衬底为硅衬底110，第一导电类型衬底第一主面为正面，第二主面为背面。
[0041]第二导电类型基区120掺杂浓度高于第一导电类型衬底110的掺杂浓度；
[0042]第二导电类型深扩散区130掺杂浓度大于第二导电类型基区110的掺杂浓度，并小于第一导电类型发射区140的浓度；第二导电类型深扩散区130的深度大于第一导电类型发射区140 ;并且扩散不到多晶硅栅160下面的第二导电类型基区120所扩散到的区域；
[0043]第一导电类型发射区140的扩散深度为0.2^0.5um ;各发射区宽度在0.2~Ium之间，左、右各一个，都是一样的宽度。
[0044]第一导电类型场截止区200的扩散深度为3~25um，宽度为整个第一导电类型衬底110的宽度，其浓度高于第一导电类型衬底110的浓度并低于第二导电类型发射区150的浓度。
[0045]第二导电类型集电区150的掺杂浓度大于第二导电类型场截止区200。
[0046]具体的，第一导电类型衬底110掺杂浓度为2el3~2el4 cm _3，第二导电类型基区120掺杂浓度lel7~5el7 cm -3，第二导电类型深扩散区130掺杂浓度为Iel9_3el9 cm -3 ；第一导电类型发射区140掺杂浓度为1.5e2(T2.5e20 cm -3 ;第二导电类型集电极150掺杂浓度为Ie 17~Ie 19 cm -3 ;场截止区200掺杂浓度为5e14~le17 cm _3，其掺杂浓度可以为从第一导电类型衬底110第二主面为峰值起始的高斯型分布，也可以为第一导电类型衬底内部某一深度为峰值起始的高斯型分布或非高斯型分布，还可以为一层或者多层上述杂质分布的叠加。
[0047]所述栅极绝缘层160为热氧化工艺形成的二氧化硅层，其厚度为0.03、.2um。
[0048]所述多晶硅栅层170为LPCVD或PECVD沉积的多晶硅层，多晶硅层的宽度在8~20um，厚度在0.rium ;多晶硅栅层之间的部分形成窗口区，窗口区的宽度在2~8um ；
[0049]所述第二绝缘层180为通过LPCVD或PECVD淀积的TEOS 二氧化硅，磷硅玻璃(PSG)，硼磷硅玻璃(BPSG)或氮化硅(SiNx)，以及它们的任意组合，其厚度为0.5^2um ；[0050]所述绝缘侧壁190为通过LPCVD或PECVD淀积的TEOS 二氧化硅，磷硅玻璃PSG，硼磷硅玻璃BPSG，氮化硅SiNx，绝缘侧壁190的宽度小于第一导电类型发射区140的宽度，所述绝缘侧壁的宽度在0.1-1um之间，高度在0.7-2um之间。绝缘侧壁的形状为图1中的形状，也可以为三角形等其他形状。
[0051]第一导电类型衬底窗口区中部的沟槽深度大于第一导电类型发射区140的扩散深度，小于第二导电类型深扩散区130的扩散深度，一般为0.2^0.6um ;其宽度小于等于绝缘侧壁190之间的宽度，一般为f 7um。
[0052]一种带有场截止层的全自对准的绝缘栅双极晶体管器件的制造工序如下所示:
[0053]A.在第一导电类型衬底的第一主面上，用热氧化、LPCVD或PECVD的方法生长栅极绝缘层；
[0054]B.在栅极绝缘层的上面用LPCVD或PECVD的方法，沉积多晶硅栅层。
[0055]C.使用P0C13对多晶硅栅层进行掺杂，或者在步骤B时就对多晶硅进行掺杂。
[0056]D.在多晶硅栅层上面通过LPCVD或PECVD沉积第二绝缘层。
[0057]E.通过光刻、干法刻蚀对第二绝缘层和多晶硅栅层进行刻蚀，形成窗口区(宽度为W)和多晶硅栅层区(宽度为L)。
[0058]F.在窗口中注入第二导电类型杂质，退火、推阱处理，第二导电类型基区。步骤F中注入的杂质为硼，注入计量Iel3~2el4 cm_2，理想的选择为6el3~l.5e14cm_2，注入能量为10~200KeV，退火温度为 900°C ~1300°C，时间为 l(T200min。
[0059]G.在窗口区中注入第一导电类型杂质，退火、推阱处理，形成相连的第一导电类型的发射极区。步骤G中注入的 杂质为磷或砷，注入计量2el5~2el6 cm_2，理想的选择为lel6~2el6cnT2，注入能量为l(T200KeV，退火温度为900°C~1100°C，时间为5~200min。
[0060]H.在窗口区和多晶硅栅层区上通过LPCVD或PECVD沉积第三绝缘介质层，通过干法刻蚀，刻蚀到第一导电类型衬底表面，在窗口区内靠多晶硅栅层处形成绝缘侧壁。
[0061 ] 1.以绝缘侧壁为掩模，注入第二导电类型杂质，退火、推阱形成第二导电类型深扩散区。步骤I中注入的杂质为硼，注入计量Iel5~2el5 cm_2，理想的选择为3e15~le16cm_2，注入能量为l(T200KeV，退火温度为900°C~1000°C，时间为l(T200min。
[0062]J.以绝缘侧壁为掩模，对硅衬底进行刻蚀，刻蚀深度大于第一导电类型发射极区的深度，形成两个分离的发射极区。步骤J中刻蚀的深度为0.rium ；
[0063]K.湿法刻蚀绝缘侧壁，使发射区在第一导电类型衬底的第一主面上部分暴露出来。步骤K中腐蚀的深度为(T0.3um。
[0064]L.在背面注入第一导电类型杂质，退火推阱处理形成场截止层；步骤L中注入的杂质可以为磷，砷，硫，硒，碲，氢离子等，注入计量为Iel3~lel5 cm_2，理想的选择为2el3~5el4 cnT2，注入能量为IOKeV~2MeV，退火温度为300 °C~1200。。，时间为5min~48hours。
[0065]Μ.在背面注入第二导电类型杂质，退火推阱处理形成集电极；再在正面和背面通过蒸发或者溅射制作金属电极形成IGBT器件。步骤M中注入的杂质为硼，注入计量lel3~lel6 cm_2，理想的选择为lel3~lel5cm_2，注入能量为l(T200KeV，退火温度为3000C ~900°C，时间为 100~1000min。
【权利要求】
1.一种带有场截止层的全自对准的绝缘栅双极晶体管器件，其特征在于:包括第一导电类型衬底(110)，第一导电类型衬底(110)的第一主面内设有第二导电类型基区(120)，第二导电类型基区(120)内设有第二导电类型深扩散区(130)，所述第二导电类型深扩散区(130)呈“凹”形，第二导电类型基区(120)内设有第一导电类型发射区(140)，第一导电类型发射区(140)分别设置在第二导电类型深扩散区(130)“凹”型的两凸起部分上，每个第一导电类型发射区(140)的第一主面上设有栅极绝缘层(160)，栅极绝缘层(160)上设有多晶硅栅层(170)，多晶硅栅层(170)上设有第二绝缘层(180)，多晶硅栅层(170)两侧设有绝缘侧壁(190)、第一导电类型衬底(110)的第二主面内设有第一导电类型场截止层(200)，第一导电类型场截止层(200)上设有第二导电类型集电区(150)，第一导电类型场截止区(200)的扩散深度为3?25um，宽度为整个第一导电类型衬底(110)的宽度，其浓度高于第一导电类型衬底(110)的浓度并低于第二导电类型发射区(150)的浓度。
2.根据权利要求1所述的一种带有场截止层的全自对准的绝缘栅双极晶体管器件，其特征在于:所述多晶硅之间的区域为窗口区，窗口区的中央通过刻蚀多晶硅形成沟槽。
3.根据权利要求2所述的一种带有场截止层的全自对准的绝缘栅双极晶体管器件，其特征在于:所述第一导电类型发射区(140)包括两个分立的发射区，其掺杂浓度高于第二导电类型基区(120);每个发射区的一部分被多晶硅栅层(170)覆盖，另一部分位于窗口区，两个分立的发射区被位于窗口区中部的沟槽隔开。
4.根据权利要求3所述的一种带有场截止层的全自对准的绝缘栅双极晶体管器件，其特征在于:所述第一导电类型为N型，第二导电类型为P型，所述第一导电类型衬底(110)为硅衬底，第一导电类型衬底(110)第一主面为正面，第二主面为背面，所述第一导电类型发射区(140)的扩散深度为0.2-0.5um，每个发射区宽度为0.4_lum之间，根据权利要求1所述的一种带有场截止层的全自对准的绝缘栅双极晶体管器件，其特征在于:所述第一导电类型衬底(110)窗口区中部的沟槽深度大于第一导电类型发射区(140)的扩散深度，小于第二导电类型深扩散区(130)的扩散深度，其宽度小于等于绝缘侧壁(190)之间的宽度。
5.根据权利要求4所述的一种带有场截止层的全自对准的绝缘栅双极晶体管器件，其特征在于:所述栅极绝缘层(160)为热氧化工艺形成的二氧化硅层，所述绝缘侧壁(190)的宽度小于第一导电类型发射区(140)的宽度，所述绝缘侧壁(190)的宽度为0.1-lum，高度为0.7-2um之间。
6.根据权利要求5所述的一种带有场截止层的全自对准的绝缘栅双极晶体管器件，其特征在于:所述多晶硅之间窗口区的宽度在2-20um之间。
7.根据权利要求5所述的一种带有场截止层的全自对准的绝缘栅双极晶体管器件，其特征在于:多晶硅之间窗口区的宽度在3-5um之间。
【文档编号】H01L29/423GK203481237SQ201320577696
【公开日】2014年3月12日 申请日期:2013年9月18日 优先权日:2013年9月18日
【发明者】张世勇, 胡强, 王思亮, 樱井建弥 申请人:中国东方电气集团有限公司