一种平面型绝缘栅双极晶体管的制作方法

本实用新型涉及半导体器件领域，特别是涉及一种平面型绝缘栅双极晶体管。

背景技术：

绝缘栅双极型晶体管(lnsulated Gate Bipolar Transistor,IGBT)是新型电力半导体器件具有代表性的平台器件，主要应用于新能源、机车牵引、智能电网、高压变频器等领域。通过电力半导体器件对电能进行变换及控制，节能效果可达10％-40％。在全球气候变暖的背景下，IGBT器件应用技术是被公认的实现全球能效和二氧化碳减排目标的最佳综合性方法之一。

当IGBT器件正常工作情形下，空穴由背面P+区发出，流经N-漂移区，进入P阱区，最终被正面P+注入区收集。当部分空穴进入P阱区时，从N+源区正下方经过流入正面P+注入区时，当大量空穴电流在该路径通过时，由于存在一定电阻，会与上方N+源区形成电势差，当该电势差值大于0.7V时，该处PN结触发，空穴电流直接由N+源区流出，大量电子由N+源区注入，电流迅速增大不再受栅极控制，造成IGBT闩锁发生，直至器件损坏。严重制约器件SOA(Safe Operation Area)能力。

为了改善IGBT器件的抗闩锁能力，目前主要采取的措施是增加N+源区下方P-区浓度，降低空穴电流路径电阻，来抑制该闩锁效应发生，但是这种方法同时必会带来开启电压升高，增加IGBT芯片面积，降低电流密度，影响最终产品性能，并增加芯片成本。因此，这些现有的措施并不能有效，的抑制IGBT器件的闩锁现象。

以上背景技术内容的公开仅用于辅助理解本实用新型的发明构思及技术方案，其并不必然属于本专利申请的现有技术，在没有明确的证据表明上述内容在本专利申请的申请日已经公开的情况下，上述背景技术不应当用于评价本申请的新颖性和创造性。

技术实现要素：

本实用新型目的在于提出一种平面型绝缘栅双极晶体管，以解决上述现有技术存在的闩锁效应的技术问题。

为此，本实用新型提出一种平面型绝缘栅双极晶体管，包括为半导体材料的基底，和设于所述基底表面上的发射区以及栅区；所述基底包括衬底，形成于所述衬底上的阱区，和位于所述阱区上的源区，以及形成于所述阱区中的掺杂区；所述发射区包括绝缘介质层，和设于所述绝缘介质层中的发射电极，所述发射电极与所述掺杂区相连；所述发射电极包括用于减小空穴电流路径、提高空穴接触面积的纵深电极和接触电极层；所述接触电极层由所述纵深电极中心处外延扩展至所述阱区中，直至位于所述源区的下方。

优选地，本实用新型的绝缘栅双极晶体管还可以具有如下技术特征：

所述纵深电极将所述基底上所述源区贯穿；所述接触电极层的扩展至所述源区下方的部分与所述源区接触，并与所述掺杂区相接触。

所述阱区包括第一阱区和第二阱区，所述掺杂区设置于所述第一阱区与所述第二阱区连接处。

所述纵深电极将所述基底上的所述源区贯穿，并纵深至所述第一阱区的所述掺杂区处，与所述掺杂区相连；所述接触电极层的扩展至所述源区下方的部分与所述源区接触。

所述纵深电极将所述基底上的所述源区贯穿；所述接触电极层的扩展至所述源区下方的部分与所述源区接触，并与所述掺杂区相接触。

所述接触电极层的扩展至所述阱区中的部分的接触面为平面、曲面、球面或扇面。

本实用新型与现有技术对比的有益效果包括：本实用新型的平面型绝缘栅双极晶体管通过将发射电极设置成纵深电极和接触电极层，接触电极层由纵深电极中心处外延扩展至所述阱区中，直至位于所述源区的下方，本实用新型通过上述设置增大了发射电极与阱区的接触面积，直至位于所述源区的下方，来降低空穴电流路径在阱区的运动路径，使得空穴更容易被搜集，从而降低掺杂区与源区之间的电势差，使得源区与掺杂区之间的PN结很难打开，从根本上抑制闩锁效应的发生，这样既能很大程度上改善器件闩锁效应的产生，又不影响器件其他电学特性。且工艺简单，可实现性强，能够从根本上抑制闩锁现象的产生，极大的提升器件的安全工作区，改善器件性能。

附图说明

图1是传统的绝缘栅双极晶体管结构示意图；

图2是本实用新型具体实施方式一的绝缘栅双极晶体管结构示意图；

图3是本实用新型具体实施方式二的绝缘栅双极晶体管结构示意图；

图4是本实用新型具体实施方式一和二的制作工艺示意图一；

图5是本实用新型具体实施方式一和二的制作工艺示意图二；

图6是本实用新型具体实施方式一和二的制作工艺示意图三；

图7是本实用新型具体实施方式一和二的制作工艺示意图四；

图8是本实用新型具体实施方式一的制作工艺示意图五；

图9是本实用新型具体实施方式一的制作工艺示意图六；

图10是本实用新型具体实施方式一的制作工艺示意图七；

图11是本实用新型具体实施方式一的制作工艺示意图八；

图12是本实用新型具体实施方式一的制作工艺示意图九；

图13是本实用新型具体实施方式一的制作工艺示意图十；

图14是本实用新型具体实施方式二的制作工艺示意图五；

图15是本实用新型具体实施方式二的制作工艺示意图六；

图16是本实用新型具体实施方式二的制作工艺示意图七；

图17是本实用新型具体实施方式二的制作工艺示意图八；

图18是本实用新型具体实施方式二的制作工艺示意图九；

图19是本实用新型具体实施方式二的制作工艺示意图十；

图20是本实用新型具体实施方式二的制作工艺示意图十一；

具体实施方式

下面结合具体实施方式并对照附图对本实用新型作进一步详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本实用新型的范围及其应用。

参照以下附图，将描述非限制性和非排他性的实施例，其中相同的附图标记表示相同的部件，除非另外特别说明。

如图1所示，为传统的IGBT的结构示意图，包括：1-集电极；2-背面P+注入区；3-N-漂移区；4-绝缘介质层；5-多晶硅栅；6-P阱区；7，N+源区；8-正面P+注入区(掺杂区)；9-发射电极。当IGBT器件正常工作情形下，空穴由背面P+注入区发出，流经N-漂移区，进入P阱区，最终被正面P+注入区收集。当部分空穴进入P阱区时，从N+源区正下方经过流入正面P+注入区时，当大量空穴电流在该路径通过时，由于存在一定电阻，会与上方N+源区形成电势差，当该电势差值大于0.7V时，该处PN结触发，空穴电流直接由N+源区流出，大量电子由N+源区注入，电流迅速增大不再受栅极控制，造成IGBT闩锁发生，直至器件损坏。严重制约器件SOA(Safe Operation Area)能力。

实施例一：

如图2所示，本实施例提供了一种平面型绝缘栅双极晶体管，包括衬底，该衬底为N型的，为图示出的N-漂移区3，在位于衬底正面表面包括依次由下至上的绝缘介质层4、多晶硅栅层5和最上面的绝缘介质层，衬底正面表面包括发射区以及栅区，在背面表面上设有集电区，集电区包括集电极1和背面P+注入区2；衬底中设有阱区6、掺杂区8和源区7，衬底、阱区、掺杂区和源区构成基底。发射区包括绝缘介质层，和设于绝缘介质层中的发射电极9，发射电极与掺杂区相连；发射电极包括用于减小空穴电流路径、提高空穴接触面积的纵深电极91和接触电极层92；所述接触电极层92由所述纵深电极91中心处外延扩展至所述阱区中，直至位于所述源区的下方。

本实施例中，纵深电极将基底上的源区贯穿；接触电极层扩展至源区下方的部分与源区接触，并与掺杂区相接触。接触电极层的扩展至所述阱区中的部分的接触面为球面，当然，本领域技术人员可以根据实际情况将接触面为平面、曲面、或扇面。

IGBT器件发生闩锁效应的条件是N+源区正下方P阱区电阻值和路径长度，P阱区电阻值越大，路径越长，也即空穴电流流经处产生的电势差也越大，越容易发生闩锁效应。传统的方法是通过增大P阱区掺杂浓度，来降低其电阻，从而改善其闩锁效应的发生，但是增大P阱区浓度势必会增大器件饱和压降，降低器件电流密度。而本实用新型通过增大发射电极与P阱区的接触面积，并将其做到N+区正下方，来降低空穴电流在P阱区漂移的运动路径，使得空穴更容易被搜集，从根本上抑制闩锁效应的发生，这样既能很大程度上改善器件闩锁效应的产生，又不影响器件其他电学特性。且工艺简单可实现性强。

本实施例还提出了一种平面型绝缘栅双极晶体管制作方法，用于制作上述的绝缘栅双极晶体管，包括以下步骤：

基底初形成步骤：通过对衬底(N-漂移区3)进行沉积、刻蚀、掺杂注入形成可用于设置发射电极9的基底；

电极孔刻蚀步骤：对形成的所述基底进行刻蚀，在所述基底内形成第一电极孔11；通过所述第一电极孔11对所述基底进行各向异性刻蚀，形成由所述第一电极孔中心处向所述基底外延扩展的第二电极孔12；

金属沉积步骤：对第一电极孔11和第二电极孔12进行金属沉积，形成发射电极9。

更为具体的，第一步：如图4所示，先在N型衬底上淀积一层氧化层(绝缘介质层4)，再在氧化层上淀积一层多晶硅层5；第二步：如图5所示，对多晶硅层5和氧化层进行刻蚀，形成注入窗口。第三步：如图6所示，通过注入窗口进行p阱区6注入，高温退火在衬底中形成P阱区6；第四步：如图7所示，通过注入窗口进行N+源区7注入，在P阱区中形成N+源区7；第五步：如图8所示，正面P+掺杂区注入，在P阱区中形成正面P+注入区8；第六步，如图9所示，在正面表面沉积一层绝缘介质层4；第七步，如图10所示，对注入窗口处的绝缘介质层4和N+源区7刻蚀，形成第一电极孔11；第八步，如图11所示，对已经掺杂了源区7、正面P+注入区8和P阱区6的衬底通过第一电极孔11进行各向异性刻蚀，以形成容纳接触电极层的第二电极孔12，通过各向异性刻蚀可以保证第二电极孔的形貌，保证第二电极孔能以第一电极孔为中心向阱区扩展，并至源区下方，各向异性刻蚀能形成一个具有较大接触面积的球面，沉积金属电极后，可以保证电极具有与阱区由较大的接触面积，更容易接纳空穴电流，同时扩展至源区下方，缩短了空穴电流行进的路径，从而降低掺杂区与源区之间的电势差，使得源区与掺杂区之间的PN结很难打开，从根本上抑制闩锁效应的发生；第九步：如图12所示，对第一电极孔11和第二电极孔12进行金属沉积，在第二电极孔12中形成接触电极层，在第一电极孔11处形成纵深电极；第十步，如图13所示，在衬底背面进行背面P+注入(背面P+注入区1)和集电极金属电极(集电极1)沉积。

上述步骤中，第一步为形成栅区沉积步骤：在衬底表面沉积形成栅区；第二为第一刻蚀步骤：对栅区进行刻蚀，形成注入窗口；第三、四步为阱区源区注入步骤：通过所述注入窗口掺杂注入，先在所述基底内部形成阱区，然后在所述阱区中形成源区；第五步为掺杂区注入步骤：通过所述注入窗口掺杂注入，在所述阱区中形成掺杂区；第六步为绝缘介质层沉积步骤：在所述栅区和所述注入窗口上沉积覆盖绝缘介质层；第七步为对所述注入窗口处的所述绝缘介质层、所述源区进行刻蚀以形成所述第一电极孔的步骤；第八步为对所述第一电极孔处的所述掺杂区、所述阱区进行各向异性刻蚀以形成所述第二电极孔的步骤；第九步为在所述第一电极孔处形成纵深电极，在所述第二电极孔上形成接触电极层的步骤。

通过上述步骤形成该平面型绝缘栅双极晶体管，可以有效的形成纵深电极和接触电极层，保证接触电极层与阱区的接触面积最大化，同时可将接触电极层设置在源区下方，可以保证空穴电流的路径最小化。综上，本制造方法能有产品形貌好，方便形成扩展至源区下方的接触电极层，能有效避免闩锁效应。

实施例二：

如图3所示，本实施例提出了一种平面型绝缘栅双极晶体管，与实施例一相比，主要存在以下区别：

所述阱区包括第一阱区61和第二阱区62，所述掺杂区设置于所述第一阱区61与所述第二阱区62连接处。

所述纵深电极91将所述基底上的所述源区7贯穿，并纵深至所述第一阱区61的所述掺杂区(正面P+注入区8)处，与所述掺杂区相连；所述接触电极层92的扩展至所述源区下方的部分与所述源区7接触。当然在本实施例的一些变通的实施例中，也可以如下设置：所述纵深电极91将所述基底上的所述源区贯穿；所述接触电极层92的扩展至所述源区下方的部分与所述源区接触，并与所述掺杂区相接触。

本实施例相比于实施例一，发射电极的纵深深度更深，能进一步增大与阱区的接触面积，如图3中所示，发射电极9的纵深电极91由源区处一直贯穿至第一阱区61的末端处，使得可供设置接触电极层92扩展的空间变大，以方便将接触电极层做大，进一步提高接触电极层92的接触面积，当然，接触电极层的横向宽度不能超过源区的区域范围，根据接触电极层扩展的大小，决定是纵深电极与掺杂层接触，还是接触电极层与掺杂层接触。

由于纵深电极91纵深至第一阱区61的末端，所以有必要再在纵深电极91下方增设第二阱区62，以保证空穴电流在这一区域的正常行进，同时在此处设置掺杂层，降低电阻。如此设置可以避免由于纵深电极纵深过大，导致第一阱区61的末端处空穴电流无法顺利通过的问题。同时凸起的第二阱区的设置可以让IGBT器件反偏状态下时，能使器件的峰值电场的远离器件的外表面，可提高器件的可靠性。

本实施例还提出了一种平面型绝缘栅双极晶体管制作方法，用于制作上述的绝缘栅双极晶体管，相比于实施例一中的制作方法，本实施例的区别在于：

在经过图4-图7所示出的步骤后，第五步为：如图14所示，在正面表面沉积一层绝缘介质层4；第六步为：如图15所示，对注入窗口处的绝缘介质层4和N+源区7刻蚀，形成第一电极孔11；第七步为：如图16所示，对已经掺杂了源区和P阱区的衬底通过第一电极孔进行各向异性刻蚀，以形成容纳接触电极层的第二电极孔12；第八步为：如图17所示，继续对第二电极孔12进行各向异性刻蚀，形成纵深更大的第三电极孔13，以增大可供扩展的空间，第三电极孔13可以为不同的形貌，可根据实际情况的不同设置不同的形状，用于纵深电极或接触电极层的容纳空间；第九步为：如图18所示，通过第三电极孔13进行正面P+掺杂区注入，在P阱区末端纵深处形成正面P+注入区8和第二阱区62；第十步为：如图19所示，对第一电极孔11、第二电极孔12和第三电极孔13进行金属沉积，在第二电极孔12中形成接触电极层92，在第一电极孔11和第三电极孔13处形成纵深电极91；第十一步为：如图20所示，在衬底背面进行背面P+注入(背面P+注入区1)和集电极金属电极(集电极1)沉积。

上述步骤中，第五步为在所述栅区和所述注入窗口上沉积覆盖绝缘介质层的步骤；第六步为对所述注入窗口处的所述绝缘介质层、所述源区进行刻蚀以形成所述第一电极孔的步骤；第七步为对所述第一电极孔处的所述第一阱区61进行各向异性刻蚀以形成所述第二电极孔的步骤；第八步为对所述第二电极孔处的所述第一阱区61进行刻蚀以形成第三电极孔的步骤；第九步为掺杂区注入步骤和第二阱区62注入步骤，掺杂区注入步骤为：在所述第三电极孔处向所述第一阱区61中掺杂注入形成掺杂区；第二阱区62注入步骤为：在所述第三电极孔处所述衬底中掺杂注入形成第二阱区62；第十步为所述金属沉积步骤包括；在所述第一电极孔和所述第三电极孔处形成纵深电极，在所述第二电极孔上形成接触电极层。

通过本制造方法，可以方便形成纵深末端处的第二阱区62和掺杂区，能保证阱区在电极纵深末端的空穴电流的顺利接受。

本领域技术人员将认识到，对以上描述做出众多变通是可能的，所以实施例仅是用来描述一个或多个特定实施方式。

尽管已经描述和叙述了被看作本实用新型的示范实施例，本领域技术人员将会明白，可以对其作出各种改变和替换，而不会脱离本实用新型的精神。另外，可以做出许多修改以将特定情况适配到本实用新型的教义，而不会脱离在此描述的本实用新型中心概念。所以，本实用新型不受限于在此披露的特定实施例，但本实用新型可能还包括属于本实用新型范围的所有实施例及其等同物。