一种改进型功率半导体器件及其制备方法与流程

本发明属于半导体功率器件技术领域，尤其涉及一种改进型功率半导体器件及其制备方法。

背景技术：

在电子技术领域，功率半导体器件作为关键部件，其特性对系统性能的实现和改善起着至关重要的作用。目前所用的功率器件主要是MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，金属-氧化物半导体场效应晶体管)和IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)。其中，IGBT是强电流、高压应用和快速终端设备用垂直功率MOSFET的自然进化。

MOSFET和IGBT均由栅极电压进行开关状态的控制，当栅极电压超过额定开启电压时，器件保持导通状态；由于IGBT内部结构中存在P-N-P-N四层结构，这会导致器件内部的寄生晶闸管在器件工作时发生意外导通现象，即所谓闩锁效应，此时器件内部的寄生晶闸管导通，无法再通过栅极电压来关断功率器件。其中，IGBT的动态闩锁是发生在IGBT开关过程的闩锁。IGBT在导通的时候N-漂移区存储了大量的载流子电荷，当栅区沟道被突然关断，耗尽区会迅速在漂移区中扩展，原来存储的电子和空穴会分别向两边排出。如果这时候的关断速度很快，空穴电流就会非常大，导致寄生NPN管的开启，IGBT发生闩锁，闩锁的发生可能导致电路的失效，甚至烧毁芯片，因此提高IGBT的抗闩锁能力具有必要性。

根据IGBT动态闩锁的机理，抗闩锁的思路主要有：一是降低开关速度，比如降低N+发射极下的P-body横向电阻Rb；二是减少存储在IGBT中空穴的数量，比如降低IGBT空穴注入效率。针对上述思路，现有技术中常规的方法主要有：一是减少接触孔到多晶栅的距离。但是由于接触孔上部多是“碗口”形状(参见图1)，容易与多晶栅形成漏电通道，过小的接触孔到多晶栅距离，甚至会增加栅、源短路失效率。二是增加P-body的浓度，或增加一次P+注入工艺。这种方法的不利之处在于，由于沟道区、沟道临近区的P型浓度增加，容易导致器件开启电压高和参数不稳定的问题。三是利用多晶侧壁(spacer)结构以及两次N+注入工艺(参见图2)。但是此法工艺复杂，制作成本高。

因此，现有的提高抗闩锁能力的方法可能增加栅、源短路失效率，或者使得器件开启电压高和参数不稳定，同时也存在工艺复杂、制作成本高的问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种改进型功率半导体器件及其制备方法，旨在解决现有的提高抗闩锁能力的方法可能增加栅、源短路失效率，或者使得器件开启电压高和参数不稳定，同时也存在工艺复杂、制作成本高的问题。

本发明目的在于提供一种改进型功率半导体器件，包括多个元胞MOS器件，所述元胞MOS器件的多晶栅具有倾斜的侧壁，所述元胞MOS器件的源区具有元素一次性注入形成的梯度式的浓度分布。

本发明的另一目的还在于提供一种改进型功率半导体器件的制备方法，所述改进型功率半导体器件包括多个元胞MOS器件，所述方法在所述元胞MOS器件的源区制备完之后包括下述步骤：对所述元胞MOS器件的多晶栅侧壁进行刻蚀，使所述多晶栅侧壁为倾斜的侧壁；对所述元胞MOS器件的源区注入元素，使所述元胞MOS器件的源区具有元素一次性注入形成的梯度式的浓度分布。

本发明通过多晶栅侧壁的倾斜使得多晶栅上角与源区金属的距离增加，减少了栅、源短路失效率以及多晶栅下的阱区横向电阻，提高了器件的抗闩锁能力；同时，通过元素一次性注入源区形成的梯度式的浓度分布，工艺简单化的同时减少了空穴电流在源区与阱区耗尽区拐角处形成电流拥挤的现象，避免了由于电流集中而导致器件损坏的情况发生。

附图说明

图1是现有技术提供的一种功率半导体器件的结构示意图；

图2是现有技术提供的另一种功率半导体器件的结构示意图；

图3是本发明的一个实施例提供的改进型功率半导体器件的结构示意图；

图4是本发明的另一个实施例提供的改进型功率半导体器件的制备方法的流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。

如图3所示，本发明的一个实施例提供一种改进型功率半导体器件，包括多个元胞MOS器件，元胞MOS器件的多晶栅具有倾斜的侧壁，元胞MOS器件的源区具有元素一次性注入形成的梯度式的浓度分布。

在本实施例中，元胞MOS器件可以是平面栅型MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，金属-氧化物半导体场效应晶体管)或者平面栅型IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)的元胞器件结构。其中，元胞MOS器件具体包括阳极和背面金属层(漏极)1、衬底和外延层2、阱区3、源区4、阱区接触5、多晶栅6和介质层7。

在本实施例中，梯度式的浓度分布具体指当界面两侧存在浓度差时，在界面允许元素离子自由通过的条件下，高浓度侧与低浓度侧的元素离子在空间上的分布是均匀递减或者递增的浓度分布状态。在本发明实施例具体应用中，梯度式的浓度分布是指自源区4往器件沟道区方向依次递减的分布情况；且自源区4往器件沟道区方向，梯度式的浓度分布的宽度在0.10～0.25微米的范围内。

在IGBT产品关断时，元胞MOS器件表面沟道被截止，即电子电流中断。此时阱区3`中残余的空穴需要被源区4`抽取干净，器件才能承受反向耐压，否则，残余的空穴将形成空穴电流，并在源区4`与阱区3`耗尽区的拐角处形成电流集中现象(如图1所示，图中虚线为器件关断过程中的空穴电流线，可以看到电流集中现象)，容易导致器件关断损坏。而在本实施例中，由于在与元胞MOS器件沟道区相邻的源区4，自源区4往器件沟道区方向将其元素的浓度依次降低，相当于给器件的所有元胞串联一电阻，利用此半导体电阻的正温度特性，可以减少电流集中现象(如图3所示，图中虚线为器件关断过程中的空穴电流线，可以看到没有电流集中现象)，实现元胞间的电流均衡，从而减少局部失效的发生。

在本实施例中，一次性注入源区4的元素可以是第一导电类型元素也可以是第二导电类型元素。第一导电类型元素在本实施例中具体是指N型元素，第二导电类型元素在本实施例中具体是指P型元素。第一导电类型元素或者第二导电类型元素的选取主要根据用户实际生产中元胞MOS器件衬底的类型，当元胞MOS器件衬底为P类型衬底时，则一次性注入源区4的元素为第一导电类型元素，即N型元素；当元胞MOS器件衬底为N类型衬底时，则一次性注入源区4的元素为第二导电类型元素，即P型元素。在本发明实施例中，将第一导电类型元素或者第二导电类型元素一次性注入源区4中，使得元素注入工艺更加简单化和高效化，同时也减少了器件的制作成本。

在本实施例中，多晶栅6倾斜的侧壁主要通过调整多晶刻蚀工艺条件，改变多晶栅6的侧面形貌，形成倾斜角的多晶侧壁。侧壁的倾斜角具体是指多晶栅6侧壁与芯片表面的夹角，侧壁的倾斜角可以是60～80度的范围内得任一角度值，倾斜角的具体选取值可以根据用户的实际需要，通过调整离子刻蚀工艺中气体的压力或者流量等参数实现倾斜角的改变。其中，气体的选取主要是卤素气体，具体可以是溴化氢气体。在本发明实施例中，调整离子刻蚀工艺主要通过调整溴化氢气体流量实现倾斜角的改变，具体是通过减少主刻蚀过程中的溴化氢气体流量，直至完全取消溴化氢气体，以此来调整多晶栅6侧壁及其倾斜角的角度大小。

在本实施例中，由于多晶栅6侧壁的倾斜，使得多晶栅6上角与源区4金属的距离增加，从而减少了栅极和源极间的漏电，减少栅、源短路失效的几率；同时，也使得源区4接触孔可以更靠近多晶栅6，从而减少了阱区3的横向电阻，提高了器件的抗闩锁能力。

如图4所示，改进型功率半导体器件包括多个元胞MOS器件，在本发明的一个实施例中，改进型功率半导体器件的制备方法在元胞MOS器件的源区4制备完之后包括下述步骤：

S101：对元胞MOS器件的多晶栅6侧壁进行刻蚀，使多晶栅6侧壁为倾斜的侧壁。

在本实施例中，多晶栅6倾斜的侧壁主要通过调整多晶刻蚀工艺条件，改变多晶栅6的侧面形貌，形成倾斜角的多晶侧壁。侧壁的倾斜角具体是指多晶栅6侧壁与芯片表面的夹角，侧壁的倾斜角可以是60～80度的范围内得任一角度值，倾斜角的具体选取值可以根据用户的实际需要，通过调整离子刻蚀工艺中气体的压力或者流量等参数实现倾斜角的改变。其中，气体的选取主要是卤素气体，具体可以是溴化氢气体。在本发明实施例中，调整离子刻蚀工艺主要通过调整溴化氢气体流量实现倾斜角的改变，具体是通过减少主刻蚀过程中的溴化氢气体流量，直至完全取消溴化氢气体，以此来调整多晶栅6侧壁及其倾斜角的角度大小。

在本实施例中，由于多晶栅6侧壁的倾斜，使得多晶栅6上角与源区4金属的距离增加，从而减少了栅极和源极间的漏电，减少栅、源短路失效的几率；同时，也使得源区4接触孔可以更靠近多晶栅6，从而减少了阱区3的横向电阻，提高了器件的抗闩锁能力。

S102：对元胞MOS器件的源区4注入元素，使元胞MOS器件的源区4具有元素一次性注入形成的梯度式的浓度分布。

在本实施例中，元胞MOS器件可以是平面栅型MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，金属-氧化物半导体场效应晶体管)或者平面栅型IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)的元胞器件结构。其中，元胞MOS器件具体包括背面金属层(漏极)、衬底和外延层、阱区3、源区4、阱区接触5、多晶栅6和介质层7。

在本实施例中，梯度式的浓度分布具体指当界面两侧存在浓度差时，在界面允许元素离子自由通过的条件下，高浓度侧与低浓度侧的元素离子在空间上的分布是均匀递减或者递增的浓度分布状态。在本发明实施例具体应用中，梯度式的浓度分布是指自源区4往器件沟道区方向依次递减的分布情况；且自源区4往漏区5方向，梯度式的浓度分布的宽度在0.10～0.25微米的范围内。

在IGBT产品关断时，元胞MOS器件表面沟道被截止，即电子电流中断。此时阱区3`中残余的空穴需要被源区4`抽取干净，器件才能承受反向耐压，否则，残余的空穴将形成空穴电流，并在源区4`与阱区3`耗尽区的拐角处形成电流集中现象(如图1所示，图中虚线为器件关断过程中的空穴电流线，可以看到电流集中现象)，容易导致器件关断损坏。而在本实施例中，由于在与元胞MOS器件沟道区相邻的源区4，自源区4往器件沟道区方向将其元素的浓度依次降低，相当于给器件的所有元胞串联一电阻，利用此半导体电阻的正温度特性，可以减少电流集中现象(如图3所示，图中虚线为器件关断过程中的空穴电流线，可以看到没有电流集中现象)，实现元胞间的电流均衡，从而减少局部失效的发生。

在本实施例中，一次性注入源区4的元素可以是第一导电类型元素也可以是第二导电类型元素。第一导电类型元素在本实施例中具体是指N型元素，第二导电类型元素在本实施例中具体是指P型元素。第一导电类型元素或者第二导电类型元素的选取主要根据用户实际生产中元胞MOS器件衬底的类型，当元胞MOS器件衬底为P类型衬底时，则一次性注入源区4的元素为第一导电类型元素，即N型元素；当元胞MOS器件衬底为N类型衬底时，则一次性注入源区4的元素为第二导电类型元素，即P型元素。在本发明实施例中，将第一导电类型元素或者第二导电类型元素一次性注入源区4中，使得元素注入工艺更加简单化和高效化，同时也减少了器件的制作成本。

本发明通过多晶栅6侧壁的倾斜使得多晶栅6上角与源区4金属的距离增加，减少了栅、源短路失效率以及多晶栅6下的阱区3的横向电阻，提高了器件的抗闩锁能力；同时，通过元素一次性注入源区4形成的梯度式的浓度分布，工艺简单化的同时减少了空穴电流在源区4与阱区3耗尽区拐角处形成电流拥挤的现象，避免了由于电流集中而导致器件损坏的情况发生。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。