一种具有载流子存储层的超结IGBT器件及其制造方法与流程

本发明涉及集成电路制造，具体涉及一种具有载流子存储层的超结igbt器件及其制造方法。

背景技术：

1、igbt(insulated gate bipolar transistor，绝缘栅双极型晶体管)结合了场效应晶体管(mosfet)和双极结晶型晶体管(bjt)的优点，是现代电力电子电路中的核心电子元器件之一。

2、igbt利用低掺杂浓度的漂移区来实现高耐压，然而击穿电压和导通电阻之间存在一定比例关系的限制，即“硅极限”。为了打破“硅极限”，人们提出了超结(super junction，sj)理论：在漂移区中引入交替排列的n、p柱，利用n、p柱的横向耗尽来改善电场分布，从而获得更高的耐压。超结器件凭借其高耐压、低导通电阻的性能，广泛应用于肖特基二极管、mosfet以及igbt中。相比传统的硅基igbt器件，sj-igbt在相同的漂移区长度下具备更高的耐压。如图1所示，显示为现有工艺形成的一种sj-igbt的结构示意图。

3、但是，经过深入分析发现，sj-igbt能够增强电流密度，其原因并不是漂移区浓度增加所致，而是较浓的sj-nepi区域产生carrier storage(载流子存储，cs)作用导致。如图2所示，显示为带cs层的igbt的结构示意图。sj-igbt应该称为super carrier storedigbt。sj-igbt的实质是拥有超厚cs层的igbt(正向时)，反向时利用sj原理，将超厚cs层耗尽，避免其对耐压的影响。

4、传统sj-igbt器件中采用sj(超结)或semi-sj(半超结)负责全部耐压，未能理解到sj-igbt的实质。花了很大力气，反而对器件正向性能没有太大提升，甚至导致器件性能退化。在发现sj-igbt的实质后，为了提升器件性能，提出了新的疑问，cs层是不是越厚越好。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明提供一种具有载流子存储层(cs层)的超结igbt器件及其制造方法，用以实现有效提升igbt器件性能。

2、本发明提供一种具有载流子存储层的超结igbt器件的制造方法，包括以下步骤：

3、步骤一、提供n型衬底，在所述n型衬底上依次生成场截止层和n型外延层；

4、步骤二、在所述n型外延层中依次形成n型载流子存储层和p型体区，所述n型载流子存储层与所述n型衬底之间间隔有所述n型外延层；

5、步骤三、形成超结结构，所述超结结构由若干个n型柱和p型柱交替排列构成；

6、步骤四、形成沟槽栅，所述沟槽栅的底部位于所述n型载流子存储层中；

7、步骤五、在所述p型体区的表面形成有由n+区组成的源区；

8、步骤六、在所述n型衬底的底部形成集电区。

9、优选地，步骤一中所述n型衬底为通过fz法制作出的fz晶片或通过mcz法制作出的mcz晶片。

10、优选地，步骤二中所述n型载流子存储层可通过图形定义及离子注入或者掺杂膜沉积后的热扩散工艺形成。

11、优选地，步骤二中所述在所述n型外延层中形成n型载流子存储层包括：通过离子注入工艺向所述n型外延层中注入n型掺杂离子；通过退火而使注入的n型掺杂离子在所述n型外延层内扩散。

12、优选地，所述扩散的厚度在10～20um范围内。

13、优选地，所述n型载流子存储层的厚度为10um。

14、优选地，步骤三中形成所述超结结构包括：

15、采用光刻刻蚀工艺在所述n型载流子存储层和所述p型体区中形成多个超结沟槽；

16、在所述超结沟槽中填充p型外延层形成所述p型柱；所述n型柱由所述p型柱之间的所述n型外延层和所述n型载流子存储层组成。

17、优选地，所述方法还包括：

18、步骤七、形成层间膜，所述层间膜将所述源区、所述沟槽栅和所述体区表面覆盖；

19、步骤八、在所述源区和所述沟槽栅的顶部分别形成穿过所述层间膜的接触孔；

20、步骤九、在所述层间膜的表面形成正面金属层。

21、优选地，步骤六中形成所述集电区包括：

22、对所述半导体衬底背面进行减薄；

23、对减薄后的所述半导体衬底背面进行离子注入形成所述集电区。

24、优选地，所述方法还包括终端区的制作。

25、优选地，所述终端区的制作采用传统igbt结构。

26、本发明还提供一种具有载流子存储层的超结igbt器件，包括采用传统igbt结构的终端区和元胞区，所述元胞区包括：

27、n型衬底；

28、位于所述n型衬底上方的场截止层和n型外延层；

29、位于所述n型外延层上方的n型载流子存储层和p型体区；

30、超结结构，所述超结结构由多个n型柱和p型柱横向交替排列而成；

31、多个沟槽栅，各所述沟槽栅穿过所述p型体区且各所述沟槽栅的底部进入到所述n型载流子存储层中；

32、形成于所述p型体区的表面的由n+区组成的源区；

33、覆盖所述源区、所述沟槽栅和所述体区表面的层间膜；

34、穿过所述层间膜在所述源区和所述沟槽栅的顶部的接触孔；

35、位于所述层间膜的表面的正面金属层；以及

36、位于所述n型衬底底部的集电区。

37、其中，所述n型载流子存储层通过图形定义及离子注入或者掺杂膜沉积后的热扩散工艺形成；厚度为10um。

38、本发明仅在元胞(cell)区域采用super cs结构，在终端区域完全采用传统igbt结构，在元胞区通过增加n型载流子存储层，并制作最适合器件性能提升的cs层厚度，实现igbt器件性能地有效提升。同时本发明的n型载流子存储层采用图形定义及离子注入或者掺杂膜沉积后的热扩散工艺形成，不需要更改版图或增加外延层，具有较低成本。

技术特征：

1.一种具有载流子存储层的超结igbt器件的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的具有载流子存储层的超结igbt器件的制造方法，其特征在于，步骤一中所述n型衬底为通过fz法制作出的fz晶片或通过mcz法制作出的mcz晶片。

3.根据权利要求1所述的具有载流子存储层的超结igbt器件的制造方法，其特征在于，步骤二中所述n型载流子存储层可通过图形定义及离子注入或者掺杂膜沉积后的热扩散工艺形成。

4.根据权利要求3所述的具有载流子存储层的超结igbt器件的制造方法，其特征在于，步骤二中所述在所述n型外延层中形成n型载流子存储层包括：通过离子注入工艺向所述n型外延层中注入n型掺杂离子；通过退火而使注入的n型掺杂离子在所述n型外延层内扩散。

5.根据权利要求4所述的具有载流子存储层的超结igbt器件的制造方法，其特征在于，所述扩散的厚度在10～20um范围内。

6.根据权利要求5所述的具有载流子存储层的超结igbt器件的制造方法，其特征在于，所述n型载流子存储层的厚度为10um。

7.根据权利要求1所述的具有载流子存储层的超结igbt器件的制造方法，其特征在于，步骤三中形成所述超结结构包括：

8.根据权利要求1所述的具有载流子存储层的超结igbt器件的制造方法，其特征在于，所述方法还包括：

9.根据权利要求1所述的具有载流子存储层的超结igbt器件的制造方法，其特征在于，步骤六中形成所述集电区包括：

10.根据权利要求1所述的具有载流子存储层的超结igbt器件的制造方法，其特征在于，所述方法还包括终端区的制作。

11.根据权利要求10所述的具有载流子存储层的超结igbt器件的制造方法，其特征在于，所述终端区的制作采用传统igbt结构。

12.一种采用权利要求1至11中任一项所述方法形成的具有载流子存储层的超结igbt器件，其特征在于，包括采用传统igbt结构的终端区和元胞区，所述元胞区包括：

技术总结
本发明提供一种具有载流子存储层的超结IGBT器件及其制造方法，包括提供N型衬底，在该N型衬底上依次生成场截止层、N型外延层；在N型外延层表面依次形成N型载流子存储层和P型体区，N型载流子存储层与N型衬底之间间隔有N型外延层；形成超结结构，超结结构由若干个N型柱和P型柱交替排列构成；形成沟槽栅，沟槽栅的底部位于N型载流子存储层中；在P型体区的表面形成有由N+区组成的源区；在N型衬底的底部形成集电区。本发明在现有超结IGBT器件的基础上，增加载流子存储层(CS)层，并制作最适合器件性能提升的CS层厚度，能够有效提升IGBT器件性能。

技术研发人员：李昊
受保护的技术使用者：上海华虹宏力半导体制造有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15