一种电子注入增强型的高压igbt及其制造方法
【技术领域】
[0001]本发明属于电力半导体器件技术领域，涉及一种电子注入增强型的高压IGBT，本发明还涉及该种电子注入增强型的高压IGBT制造方法。
【背景技术】
[0002]高压IGBT在发展中需要解决的关键技术问题之一，就是降低通态时的饱和电压。在现有的平面栅IGBT和沟槽栅IGBT结构中，通常引入载流子存储(CS)层，以产生电子注入增强效应，从而增加导通期间的电导调制，达到降低饱和电压的目的。
[0003]但是，对平面栅IGBT结构而言，采用CS层虽能有效的降低饱和电压，并具有较高的短路能力，但在高温下仍很容易发生闩锁，导致器件的可靠性下降。对沟槽栅IGBT结构而言，虽然可以有效的抑制闩锁效应，但为了获得较高短路能力需要宽栅间距，导致元胞密度减小，电流容量下降；同时由于沟槽较深，导致工艺成本较高。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于提供一种电子注入增强型的高压IGBT，采用了沟槽-平面栅和载流子存储层，能够有效降低其饱和电压，能很好地满足高压大功率开关的应用要求。
[0005]本发明的另一目的还在于提供该种电子注入增强型的高压IGBT制造方法，使器件的结构设计和制作的自由度增大，并有较为简单的制作工艺。
[0006]本发明采用的技术方案是，一种电子注入增强型的高压IGBT，包括作为η漂移区的η硅衬底，在η硅衬底的上方中间部位开有沟槽，在沟槽内和两侧的平面部分有厚度相同的栅氧化层，在栅氧化层上方设置有一个T型的多晶硅层，称为沟槽-平面栅极G ;在沟槽-平面栅极G两侧的η硅衬底上各设置有一个P基区，并通过栅氧化层与沟槽-平面栅极G隔离，在每个P基区内设置有一个η+发射区，每侧的η +发射区上表面与所在的P基区短路分别形成一个发射极E ;在11漂移区上方与两侧P基区底部相接处，分别设置有分立的η载流子存储层；在η漂移区下方设置有η场阻止层，在η场阻止层下方设置有P+集电区，在P+集电区的下方设置有集电极C。
[0007]本发明采用的另一技术方案是，一种上述的电子注入增强型的高压IGBT制造方法，该方法按以下步骤进行:
[0008]步骤1:在经过处理的<100>η型硅衬底背面，先采用磷离子注入，退火兼推进，形成η场阻止层；
[0009]步骤2:在η场阻止层表面，再采用硼离子注入，退火兼推进，形成ρ+集电区；
[0010]步骤3:通过热氧化在η娃衬底表面生长一层S1 2掩蔽层；
[0011]步骤4:沿η硅衬底上端中间部位纵向设定沟槽的窗口，利用反应离子刻蚀方式刻蚀出浅沟槽；
[0012]步骤5:腐蚀掉S12掩蔽层，重新热生长栅氧化层，并淀积多晶硅，采用表面平坦化方法，形成表面平整的多晶硅层；
[0013]步骤6:刻蚀多晶硅栅和栅氧化层，形成栅极G ;
[0014]步骤7:采用硼离子注入，退火兼推进，在表面形成P基区；
[0015]步骤8:采用高能磷离子注入，退火兼推进，在P基区正下方与η娃衬底相接处形成分立的η载流子存储层；
[0016]步骤9:采用磷离子注入，退火兼推进，在P基区表面形成η+发射区；
[0017]步骤10:进行电极制备、划片、封装，即成。
[0018]本发明的有益效果是，本发明电子注入增强型的高压IGBT以下简称CS-TP-1GBT，采用了沟槽-平面栅和载流子存储层，能够有效降低其饱和电压，能很好地满足高压大功率开关的应用要求。
【附图说明】
[0019]图1是现有的具有载流子存储层的平面栅IGBT结构剖面示意图；
[0020]图2是现有的沟槽-平面栅IGBT结构剖面示意图；
[0021]图3是本发明注入增强型高压IGBT(CS-TP-1GBT)的结构剖面示意图；
[0022]图4是本发明CS-TP-1GBT结构的等效电路示意图；
[0023]图5是本发明CS-TP-1GBT与现有的TP-1GBT和CS-1GBT在相同的结构参数下正向阻断特性模拟曲线比较；
[0024]图6是本发明CS-TP-1GBT与现有的TP-1GBT和CS-1GBT在相同的结构参数下导通特性模拟曲线比较；
[0025]图7为本发明CS-TP-1GBT与现有的TP-1GBT和CS-1GBT在相同结构参数和外电路条件下的开通特性模拟曲线比较；
[0026]图8为本发明CS-TP-1GBT与现有的TP-1GBT和CS-1GBT在相同结构参数和外电路条件下的关断特性模拟曲线比较；
[0027]图9是本发明CS-TP-1GBT与现有TP-1GBT和CS-1GBT在相同结构参数下的1-V特性模拟曲线随温度的变化比较；
[0028]图10是本发明CS-TP-1GBT阻断电压随沟槽台面宽度Wni的变化曲线；
[0029]图11是本发明CS-TP-1GBT阻断电压随沟槽深度dt的变化曲线；
[0030]图12是本发明CS-TP-1GBT阻断电压随存储层浓度Ncs的变化曲线；
[0031]图13是本发明CS-TP-1GBT阻断电压随存储层厚度Wcs的变化曲线；
[0032]图14是本发明CS-TP-1GBT导通特性随沟槽台面宽度Wni的变化曲线；
[0033]图15是本发明CS-TP-1GBT导通特性随沟槽深度dt的变化曲线；
[0034]图16是本发明CS-TP-1GBT导通特性随存储层浓度Ncs的变化曲线；
[0035]图17是本发明CS-TP-1GBT导通特性随存储层厚度Wcs的变化曲线。
【具体实施方式】
[0036]下面结合附图和【具体实施方式】对本发明进行详细说明。
[0037]参照图1，现有的CS-1GBT结构的导电沟道在表面，其长度由P基区和n+发射区扩散的横向结深之差决定。此外，在P基区的下方有一个浓度稍高于η漂移区的η载流子存储层。
[0038]参照图2，现有的TP-1GBT结构的导电沟道也在表面，只是在两个P基区之间的η漂移区上方设置了一个浅沟槽，且沟槽深度小于P基区的深度，沟槽宽度小于两侧P基区之间的间距。
[0039]参照图3，本发明的电子注入增强型的高压IGBT结构是，包括作为η漂移区的η硅衬底，在η硅衬底的上方中间部位开有(浅的)沟槽，在沟槽内和两侧的平面部分有厚度相同的栅氧化层，在栅氧化层上方设置有一个T型的多晶硅层，称为沟槽-平面栅极G ;在沟槽-平面栅极G两侧的η硅衬底上各设置有一个P基区，并通过栅氧化层与沟槽-平面栅极G隔离，在每个P基区内设置有一个η+发射区，每侧的η +发射区上表面与所在的P基区短路分别形成一个发射极E ;在11漂移区上方与两侧P基区底部相接处，分别设置有分立的η载流子存储层(简称CS);在η漂移区下方设置有η场阻止层，在η场阻止层下方设置有P+集电区，在P+集电区的下方设置有集电极C。
[0040]图1-图3中从下向上均有三个ρη结，分别称为J1, J2, J3结。
[0041]将图3与图1、图2对比可见，本发明的结构中包括了 η载流子存储层和沟槽_平面栅，在现有的TP-1GBT结构的基础上，保持原有沟槽-平面栅极、P基区、η+发射区、η漂移区及其下方的η场阻止层、ρ+集电区结构不变，特别的，在两个P基区与η漂移区之间分别设置了一个类似于CS-1GBT结构中的η载流子存储层，其他区域均没有明显变化。
[0042]本发明的CS-TP-1GBT的参数控制范围是:
[0043]沟槽的形状为矩形槽，底部拐角处光滑，沟槽深度小于ρ基区的结深(深度)，沟槽宽度小于两侧P基区的间距，并且P基区的表面距沟槽侧壁台面宽度为I?2 μπι。
[0044]η载流子存储层的浓度为I X 115?5 X 10 15cm 3时，η载流子存储层的厚度为2?3 μ m0
[0045]本发明的CS-TP-1GBT的工作原理是，
[0046]如图3所示，本发明的高压IGBT结构，当在CS-TP-1GBT两端加上正向电压(UCE>0)时，J2结反偏，承担正向阻断电压。由于载流子存储层的浓度高于η漂移区，导致其阻断电压有所下降。同时由于存在浅沟槽，可以将J2结弯曲处集中的电场转移到沟槽的底部，来弥补载流子存储层对器件阻断电压的影响；
[0047]当在CS-TP-1GBT栅极G加上高于阈值电压的正栅压(USE>UT)时，沟道在ρ基区的表面形成，同时沟槽侧壁会形成电子积累区，η+发射区会通过沟道和积累区向η漂移区注入电子，导致J1结更加正偏，于是集电区会向η漂移区注入空穴。注入的一部分空穴会与由η+发射区过来的电子复合，另一部分空穴只能通过η+发射区正下方的ρ基区而流入发射极。由于存在η载流子存储层，使得ρ基区与η载流子存储层之间处形成了一个空穴势皇，该势皇会阻止空穴顺利通过ρ基区，于是这部分空穴便会在浅沟槽和存储层下方的η漂移区内积累。为了保证η漂移区的电中性，η+发射区便会向η漂移区注入更多的电子。与现有TP-1GBT和CS-1GBT相比，本发明的CS-TP-1GBT由于有浅沟槽和存储层的双重作用，会使电子注入增强效应更加剧烈，由此加强了 η漂移区的电导调制，导致器件整体具有更低的饱和电压；
[0048]当在CS-TP-1GBT栅极G加上负栅压(USE〈0)时，CS-TP-1GBT的关断则与TP-1GBT和CS-1GBT完全相同。首先，ρ基区表面的沟道消失，切断了电子的来源，然后，η漂移区的非平衡载流子将会通过自行复合和集-射极外加正电压的抽取而逐渐减小，直到所有的非平衡载流子完全消失，CS-TP-1GBT才彻底关断。
[0049]图4为本发明的CS-TP-1GBT的等效电路，可见，本发明的CS-TP-1GBT器件相当于一个由MOSFET控制的pnp晶体管和pin 二极管的并联电路。
[0050]模拟验证
[0051]为了评价本发明CS-TP-1GBT的特性，以6.5kV电压等级为例，根据图3建立了结构模型，利用ISE仿真软件对CS-TP-1GBT在常温和高温下的正向阻断特性、导通特性、开关特性及1-V特性分别进行了仿真，并与具有相同结构参数(即当存储层厚度Wes为O时，CS-TP-1GBT结构与TP-1GBT结构完全相同；当沟槽深度屯为O时，CS-TP-1GBT结