低关断电流拖尾的超级结IGBT及其制作方法与流程

低关断电流拖尾的超级结igbt及其制作方法
技术领域
1.本发明涉及表面改性技术领域，尤其涉及一种低关断电流拖尾的超级结igbt及其制作方法。


背景技术：

2.igbt是英文单词insulated gate bipolar transistor的缩写，即绝缘栅双极型晶体管。从功能上来说，igbt就是一个电路开关，优点就是用电压控制，饱和压降小，耐压高。可以应用于电压几十到几百伏量级、电流几十到几百安量级的强电上的。而且igbt不用机械按钮，它是由计算机控制的。
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。例如，一种超级结igbt的器件结构如图1所示，其中，1是p-集电区，2是n-漂移区,3是p型超级结的柱状结构，4是外延层，5是栅氧层，6是栅极，7是p阱区，8是n+发射极，9是介质层，10是发射极金属，11是p+集电极，12是集电极金属。
4.igbt器件卓越的正向导通能力得益于器件漂移区的电导调制机理，上述物理机理在器件漂移区2积累了大量的少数载流子。当igbt关断时，漂移区2的少子逐渐消失，并形成拖尾电流。显然，上述拖尾电流延长了igbt的关断过程，从而增大了关断损耗。


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电流拖尾的超级结igbt及其制作方法，以降低超结igbt关断过程中的电流拖尾，最终实现降低关断损耗的目的。
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电流拖尾的超级结igbt，包括从下向上依次设置的集电区、漂移区、外延层和阱区；所述漂移区内分布有多个超级结结构，所述超级结结构包括柱状结构，所述柱状结构自漂移区上端向漂移区内部延伸但与集电区无直接接触；所述阱区上部形成有多个发射极，所述外延层和阱区内分布有多个栅极，每一发射极环绕相应的一个栅极的上部设置且与栅极电性隔离，每一栅极的下部进入外延层但与漂移区无直接接触；所述集电区下端与集电极电性结合；所述集电区、阱区、柱状结构均是第一导电类型的，所述漂移区、外延层、发射极均是第二导电类型的；所述柱状结构下端还与第二导电类型的高掺杂区电性接触，所述高掺杂区分布在漂移区内且与集电区无直接接触。
8.第二方面，本发明还提供一种上述超级结igbt的制作方法，包括：
9.在衬底的上端面上生长漂移区，所述衬底是第一导电类型的；
10.在漂移区的上端面上开设多个深槽，并在每一深槽内沿底端至开口方向依次形成高掺杂区、柱状结构；
11.在漂移区上生长外延层；
12.在外延层的上端面上开设多个栅槽，并在每一栅槽内壁上形成栅氧层，之后在每一栅槽内填充第二导电类型的多晶硅，从而形成栅极；
13.至少将外延层的上部转化为阱区；
14.将阱区上部的多个区域转化为多个发射极，并使每一发射极环绕栅极上部设置；
15.在阱区上端面上设置多个绝缘介质层，其中每一绝缘介质层将相应一个栅极的上端面完全掩盖；
16.在阱区上端面上设置发射极金属，并使发射极金属与发射极电性结合；以及
17.在衬底的下端面上依次设置集电极和集电极金属。
18.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：
19.本发明所提供的低关断电流拖尾的超级结igbt，利用设置于超级结的柱状结构下端的高掺杂区加速器件关断过程中的载流子复合速率，进而实现了降低超级结器件关断时的电流拖尾的效果，达到降低关断能量损耗的目的。
20.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
21.图1是本发明一典型实施案例提供的现有技术中的一种超级结igbt的结构示意图；
22.图2是本发明一典型实施案例提供的超级结igbt的结构示意图；
23.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；
24.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；
25.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；
26.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；
27.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；
28.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；
29.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；
30.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；
31.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；
32.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；
33.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；
34.图14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15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.附图标记说明：1、集电区；2、漂移区；3、柱状结构；4、外延层；5、栅氧层；6、栅极；7、阱区；8、发射极；9、绝缘介质层；10、发射极金属；11、集电极；12、集电极金属；13、高掺杂区；
37.101、第一光阻层；102、深槽；103、栅槽；104、第二光阻层。
具体实施方式
38.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。
39.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。
40.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。
41.如图2所示，本发明实施例提供的一种低关断电流拖尾的超级结igbt，包括从下向上依次设置的集电区1、漂移区2、外延层4和阱区7；所述漂移区2内分布有多个超级结结构，所述超级结结构包括柱状结构3，所述柱状结构3自漂移区2上端向漂移区2内部延伸但与集电区1无直接接触；所述阱区7上部形成有多个发射极8，所述外延层4和阱区7内分布有多个栅极6，每一发射极8环绕相应的一个栅极6的上部设置且与栅极6电性隔离，每一栅极6的下部进入外延层4但与漂移区2无直接接触；所述集电区1下端与集电极11电性结合；所述集电区1、阱区7、柱状结构3均是第一导电类型的，所述漂移区2、外延层4、发射极8均是第二导电类型的；所述柱状结构3下端还与第二导电类型的高掺杂区13电性接触，所述高掺杂区13分布在漂移区2内且与集电区1无直接接触。
42.在上述技术方案中，所述从下向上是指由集电区1向阱区7的方向，而不代表空间意义上的上与下，在制作及使用过程中，根据所述超级结igbt或其半成品的摆放位置及摆放方向的不同，由所述集电区1指向阱区7的方向也可被理解为空间意义上的由上向下，或由左向右或由右向左或倾斜等等方向。
43.高掺杂区13能够与柱状结构3形成p-n+结构，上述结构能够有效降低超级结底部的漂移区电导调制程度，从而减少该区域的少数载流子数量，该结构在igbt关断时可以更短的时间完成少数载流子的复合，从而加快igbt电流下降速率，进而减小了igbt关断时的电流拖尾时间，进而降低了关断能量损耗。
44.其中，所述第一导电类型例如可以是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igbt包括p-集电区1，n-漂移区2，p型柱状结构3，外延层4，栅氧层5，栅极6，p阱区7，n+发射极8，绝缘介质层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。
45.在一些实施方案中，所述漂移区2的上端面上开设有多个深槽102，每一深槽102内从下向上依次填充有高掺杂区13、柱状结构3，所述高掺杂区13及柱状结构3均与漂移区2电性接触。
46.在一些实施方案中，所述阱区7上端面上开设有多个栅槽103，每一栅槽103下端伸入外延层4，每一栅槽103内填充有第二导电类型的多晶硅，所述多晶硅与阱区7及外延层4之间经栅氧层5电性隔离。
47.在一些实施方案中，所述阱区7至少是由所述外延层4的上部区域转化形成。
48.在一些实施方案中，所述阱区7上端面上还设置有集电极金属12，所述集电极金属12与集电极11电性结合，并且所述集电极金属12与栅极6之间经绝缘介质层9电性隔离。
49.在一些实施方案中，所述高掺杂区13的掺杂浓度所述柱状结构的2-10倍。
50.在一些实施方案中，所述高掺杂区13沿所述柱状结构3轴向方向的厚度为所述柱状结构3长度的1/30-1/10。
51.参见图3-图13，本发明实施例提供的一种上述任一实施方案中的超级结igbt的制作方法，包括如下步骤：
52.s1：在衬底的上端面上生长漂移区2，所述衬底是第一导电类型的。继续参加图4，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。
53.s2：在漂移区2的上端面上开设多个深槽102，并在每一深槽102内沿底端至开口方向依次形成高掺杂区13、柱状结构3。继续参见图5，所述深槽102可以采用如下方法开设：在所述漂移区2的上表面形成第一光阻层101，所述第一光阻层101具有特定尺寸的第一光阻开口，然后从第一光阻开口中，对所述漂移区2进行刻蚀，以在所述漂移区2的选定位置形成所述深槽102。
54.s3：在漂移区2上生长外延层4。继续参见图8，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。
55.s4：在外延层4的上端面上开设多个栅槽103，并在每一栅槽103内壁上形成栅氧层5，之后在每一栅槽103内填充第二导电类型的多晶硅，从而形成栅极6。继续参见图9-图10，形成第二导电类型的外延层4后可以在所述外延层4远离所述漂移区2的一面敷设第二光阻层104，所述第二光阻层104具有特定的第二光阻开口，然后利用干法刻蚀或湿法刻蚀的方法，从所述第二光阻开口中对所述外延层4进行刻蚀以形成栅槽103；在形成所述栅槽103后，可以利用cvd或pvd的方法在所述栅槽103内壁和底部形成栅氧层5，然后在栅槽103内，继续填充生长多晶二氧化硅以形成栅极6。
56.s5：至少将外延层4的上部转化为阱区7。继续参见图11，在步骤s5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。
57.s6：将阱区7上部的多个区域转化为多个发射极8，并使每一发射极8环绕栅极6上部设置。继续参见图12，可以采用离子注入加高温扩散的方法在所述阱区7的部分区域形成间隔排列在所述栅极6周围并围绕所述栅极6的的发射极8。
58.s7：在阱区7上端面上设置多个绝缘介质层9，其中每一绝缘介质层9将相应一个栅极6的上端面完全掩盖。继续参见图13，可以采用敷设掩模图形并进行化学气相沉积或物理
气相沉积的方法形成所述绝缘介质层9。
59.s8：在阱区7上端面上设置发射极金属10，并使发射极金属10与发射极8电性结合。继续参见图13，所述发射极金属10可以采用蒸镀、原子层沉积或者磁控溅射等方法形成。
60.以及s9：在衬底的下端面上依次设置集电极11和集电极金属12。继续参见图14-图15，可以先利用离子注入的方法，使所述集电区1的下半部分转化为集电极11，再利用蒸镀、原子层沉积或者磁控溅射等方法在所述集电极11表面覆盖集电极金属12。
61.在一些实施方案中，步骤s2具体可以包括：采用离子注入法或化学气相沉积法形成所述高掺杂区13。
62.在一些实施方案中，步骤s7中，所述绝缘介质层9还覆盖部分所述发射极8。
63.以下通过若干实施例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。
64.实施例1
65.本实施例提供的一种超级结igbt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型柱状结构3，所述p型柱状结构3上端与p阱区7电性接触，下端与n型高掺杂区13的一端电性接触，所述n型高掺杂区13的另一端与所述n-漂移区2电性接触，且所述p型柱状结构3以及高掺杂区13的侧壁均与所述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6，所述栅极6的侧壁覆盖有绝缘的栅氧层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介质层9，所述介质层完全覆盖所述栅极6；所述超级结igbt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。
66.进一步的，本实施例还提供了一种制作所述超级结igbt的方法，包括如下步骤：
67.(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；
68.(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，形成第一光阻层101，利用该第一光阻层101的第一光阻开口对n-漂移区2进行刻蚀，形成深槽102；
69.(3)如图6所示，利用离子注入的方法直接将所述深槽102的底部的表层结构转化成n型的高掺杂区13；
70.(4)如图7所示，利用cvd生长法，在底部形成n型的高掺杂区13的深槽102内继续填充沉积p型掺杂的硅，以形成柱状结构3；
71.(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；
72.(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，形成第二光阻层104，通过该第二光阻层104的开口对外延层4进行刻蚀，形成栅槽103；
73.(7)如图10所示，在栅槽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，以形成栅氧层5；
74.(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；
75.(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；
76.(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；
77.(11)对衬底(即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14-图15所示。
78.对比例1
79.本对比例提供的一种超级结igbt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底部的表层结构转化成n型高掺杂区13的操作。
80.检测方法
81.对实施例1和对比例1提供的超级结igbt进行导通压降、拖尾电流时间和关断损耗测试，其结果如下：
82.实施例1提供的一种超级结igbt的导通压降为1.62v，拖尾电流时间为100ns，关断损耗为1.02mj；
83.对比例1提供的一种超级结igbt的导通压降为1.60v，拖尾电流时间为150ns，关断损耗为1.26mj。
84.结果分析
85.基于上述检测结果，可以明确，本发明实施例提供的超级结igbt相比于现有技术，在对导通压降的影响较小的前提下，显著地降低了拖尾电流时间，进而显著地降低了关断能量损耗。
86.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。