沟槽栅IGBT器件及其制备方法与流程

沟槽栅igbt器件及其制备方法
技术领域
1.本发明涉及半导体技术领域，特别涉及一种沟槽栅igbt器件及其制备方法。


背景技术：

2.igbt是功率半导体器件中具有代表性的一类三端器件，因其同时具有高耐压、低导通压降、易驱动、开关速度快等优点，在开关电源、变频调速、逆变器等许多功率领域有重要的应用。
3.igbt是在同一半导体区建立起双极电流导通机制和mosfet栅电流控制机制。igbt在导通和开关过程中均存在着功率损耗，为了追求最优的igbt特性，降低igbt的功率损耗，拓宽其安全工作区，igbt的技术发展路线为：结构逐渐由平面栅结构发展为沟槽栅结构，并进而发展为软沟槽型结构(电子增强注入与扩散、载流子存储)；其纵向结构逐渐由穿通型发展为非穿通型，进而发展为场截止型。
4.以现有的沟槽栅igbt器件为例，其性能(例如导通压降、关断时间及关断损耗等)还可进一步提升。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种沟槽栅igbt器件及其制备方法，降低其导通压降、关断时间及关断损耗。
6.为解决上述技术问题，本发明提供的沟槽栅igbt器件，包括：
7.衬底，设有若干沟槽栅元胞，相邻所述沟槽栅元胞的沟槽栅之间具有间隔区；
8.第一导电类型发射区，由所述间隔区的衬底表面延伸至所述沟槽栅的底部，且所述第一导电类型发射区的两端分别与所述沟槽栅元胞的漂移区及源极连接；
9.两个第二导电类型基区，设于所述第一导电类型发射区内且各自邻近两侧的沟槽栅，并由所述衬底表面延伸至所述沟槽栅的部分深度；
10.两个第一导电类型集电区，各自设于两个所述第二导电类型基区内，且与所述沟槽栅电连接。
11.可选的，所述第一导电类型发射区在所述衬底表面一端设有源极接触孔以与所述沟槽栅元胞的源极电连接，所述第一导电类型发射区在所述沟槽栅底部与所述沟槽栅元胞的漂移区接触。
12.可选的，所述间隔区在所述沟槽栅之下的结构与所述沟槽栅元胞中的结构相同。
13.可选的，在所述间隔区内两个所述第二导电类型基区的间距小于两者在所述第一导电类型发射区中所形成的耗尽层宽度之和。
14.可选的，两个所述第二导电类型基区对称设于所述间隔区内，且各自贴近两侧的所述沟槽栅。
15.可选的，所述第一导电类型发射区呈p型，所述第二导电类型基区呈n型，所述第一导电类型集电区呈p型，以在所述间隔区形成pnp型三极管结构。
16.可选的，所述pnp型三极管结构的集电极-发射极反向击穿电压大于所述沟槽栅元胞的阈值电压。
17.可选的，所述第一导电类型集电区的掺杂浓度大于所述第二导电类型基区的掺杂浓度，所述第二导电类型基区的掺杂浓度大于所述第一导电类型发射区的掺杂浓度。
18.可选的，所述沟槽栅的深度为4.5微米～5.5微米，所述第一导电类型发射区的结深为4.5微米～5.5微米，所述第二导电类型基区的结深为2微米～3微米，所述第一导电类型集电区的结深为0.2微米～0.3微米。
19.基于本发明的另一方面，还提供一种沟槽栅igbt器件的制备方法，包括：
20.提供衬底，具有若干沟槽栅元胞，相邻所述沟槽栅元胞之间为间隔区；
21.对所述间隔区执行发射区离子注入，以在所述间隔区的沟槽栅之间形成第一导电类型发射区；
22.对所述间隔区靠近所述沟槽栅的两侧执行基区离子注入，以在所述第一导电类型发射区中形成两个第二导电类型基区，两个所述第二导电类型基区邻近两侧的沟槽栅，并由所述衬底表面延伸至所述沟槽栅的部分深度；
23.对所述间隔区执行集电区离子注入，以在两个所述第二导电类型发射区中各自形成第一导电类型集电区。
24.综上所述，本发明在沟槽栅元胞之间，即间隔区，设置第一导电类型发射区由间隔区的衬底表面延伸至沟槽栅的底部，两个第二导电类型基区设于第一导电类型发射区内且各自邻近两侧的沟槽栅并由衬底表面延伸至沟槽栅的部分深度，及两个第一导电类型集电区各自设于两个第二导电类型基区内，并将第一导电类型发射区的两端分别与沟槽栅元胞的漂移区及源极连接，两个第一导电类型集电区与沟槽栅电连接，从而得在沟槽栅元胞开通时，两侧的第二导电类型基区的耗尽层夹断第一导电类型发射区，以便在沟槽栅的底部附件积累空穴，以有效降低器件的导通压降，在沟槽栅元胞关断时，第一导电类型发射区形成通道利用源极接触孔快速抽走累积的空穴，从而有效降低器件的关断时间和关断损耗，而且，还可避免关断电压振荡时沟槽栅元胞的发射极与沟槽栅短路的短路风险。
附图说明
25.本领域的普通技术人员应当理解，提供的附图用于更好地理解本发明，而不对本发明的范围构成任何限定。
26.图1为实施例一提供的沟槽栅igbt器件的结构示意图；
27.图2为实施例一提供的沟槽栅igbt器件的电路示意图；
28.图3a为实施例一提供的沟槽栅igbt器件开通时的示意图；
29.图3b为实施例一提供的沟槽栅igbt器件关断时的示意图；
30.图4a为实施例一提供的实际工况中若干vg的关断曲线图；
31.图4b为实施例一提供的本实施例与相关技术中的ic关断曲线对比图；
32.图5为实施例第二提供的沟槽栅igbt器件的制备方法的流程图。
33.附图中：
34.10-衬底；aa-元胞区；bb-间隔区；11-n+发射区；12-p基区；13-漂移区；20-沟槽栅；21-栅氧层；22-栅极导电材料；31-第一导电类型发射区；32-源极接触孔；33-第二导电类型
基区；34-第一导电类型集电区；s1-相关技术中ic关断曲线；s2-本发明中ic关断曲线。
具体实施方式
35.为使本发明的目的、优点和特征更加清楚，以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且未按比例绘制，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。此外，附图所展示的结构往往是实际结构的一部分。特别的，各附图需要展示的侧重点不同，有时会采用不同的比例。
36.应当明白，当元件或层被称为"在
…
上"、"连接到"其它元件或层时，其可以直接地在其它元件或层上、连接其它元件或层，或者可以存在居间的元件或层。相反，当元件被称为"直接在
…
上"、"直接连接到"其它元件或层时，则不存在居间的元件或层。尽管可使用术语第一、第二、第三等描述各种元件、部件、区、层和/或部分，这些元件、部件、区、层和/或部分不应当被这些术语限制。这些术语仅仅用来区分一个元件、部件、区、层或部分与另一个元件、部件、区、层或部分。因此，在不脱离本发明教导之下，下面讨论的第一元件、部件、区、层或部分可表示为第二元件、部件、区、层或部分。空间关系术语例如“在
……
之下”、“在下面”、“下面的”、“在
……
之上”、“在上面”、“上面的”等，在这里可为了方便描述而被使用从而描述图中所示的一个元件或特征与其它元件或特征的关系。应当明白，除了图中所示的取向以外，空间关系术语意图还包括使用和操作中的器件的不同取向。例如，如果附图中的器件翻转，然后，描述为“在
……
之下”、“在下面”、“下面的”元件或特征将取向为在其它元件或特征“上”。器件可以另外地取向(旋转90度或其它取向)并且在此使用的空间描述语相应地被解释。在此使用的术语的目的仅在于描述具体实施例并且不作为本发明的限制。在此使用时，单数形式的"一"、"一个"和"所述/该"也意图包括复数形式，除非上下文清楚的指出另外的方式。还应明白术语“包括”用于确定可以特征、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但不排除一个或更多其它的特征、步骤、操作、元件、部件和/或组的存在或添加。在此使用时，术语"和/或"包括相关所列项目的任何及所有组合。
37.实施例一
38.实施例一提供了一种沟槽栅igbt器件。
39.图1为实施例一提供的沟槽栅igbt器件的结构示意图。
40.如图1所示，本实施例提供的沟槽栅20igbt器件，包括衬底10、第一导电类型发射区31、第二导电类型基区33及第一导电类型集电区34。衬底10中设有若干沟槽栅元胞，相邻沟槽栅元胞的沟槽栅20之间具有间隔区bb。第一导电类型发射区31，由间隔区bb的衬底10表面延伸至沟槽栅20的底部，且第一导电类型发射区31的两端分别与沟槽栅元胞的漂移区13及源极连接。两个第二导电类型基区33，设于第一导电类型发射区31内且各自邻近两侧的沟槽栅20，并由衬底10表面延伸至沟槽栅20的部分深度。两个第一导电类型集电区34，各自设于两个第二导电类型基区33内，且与沟槽栅20电连接。
41.本实施例中衬底10的材质可为任意适于形成igbt器件的半导体材质。请继续参照图1，衬底10中可包括器件区(未示出)及环绕器件区的外围区(未示出)，器件区中具有依次交替设置的元胞区aa及间隔区bb，元胞区aa中形成有沟槽栅元胞，间隔区bb为相邻元胞区aa之间的区域，即相邻两个沟槽栅元胞的沟槽栅20之间的区域。其中，沟槽栅元胞可为任意类型的沟槽栅igbt元胞，例如采用重穿通结构、软穿通(轻穿通)结构或非穿通结构，沟槽栅
元胞的集电极与漂移区13之间还可例如设有截止层，沟槽栅元胞的p基区12与漂移区13之间还可例如设有载流子存储层等。在本实施例中，沟槽栅元胞可包括的n+发射区11、p基区12、漂移区13及沟槽栅20，n+发射区11(源极)位于衬底10表面，n-漂移区13位于p基区12之下，沟槽栅20由衬底10表面贯穿p基区12，并部分伸入漂移区13中，n+发射区11中还设有源极接触孔32。需要说明的是，本发明并以沟槽栅元胞的结构及类型为限制。
42.请继续参照图1，第一导电类型发射区31位于间隔区bb内，由间隔区bb的衬底10表面延伸至两侧的沟槽栅20底部，第一导电类型发射区31在沟槽栅20的底部与沟槽栅元胞的漂移区13接触(连接)。间隔区bb在沟槽栅20之下的结构可与沟槽栅元胞中(近似深度)的结构相同，在本实施例的示例中，沟槽栅20之下为n-漂移区13，即第一导电类型发射区31与n-漂移区13接触。在其他示例中，若在漂移区13上还设有载流子存储层，则第一导电类型发射区31还可设有载流子存储层，即利用载流子存储层与漂移区13连接。第一导电类型发射区31在衬底10表面一端设有源极接触孔32，并在源极接触孔32内形成插塞以与沟槽栅元胞的源极(发射极)电连接。
43.请继续参照图1，两个第二导电类型基区33，设于第一导电类型发射区31内且各自邻近两侧的沟槽栅20，并由衬底10表面延伸至沟槽栅20的部分深度。两个第二导电类型基区33在第一导电类型发射区31内间隔设置，且两者的间隔距离小于两者各自在第一导电类型发射区31内所形成的耗尽区的宽度之和，也即是，当第二导电类型基区33和第一导电类型发射区31反偏设置时，两侧的第二导电类型基区33在第一导电类型发射区31中所形成的耗尽层向中间拓展至夹断第一导电类型发射区31，从而阻断第一导电类型发射区31内多数载流子向其源极接触孔32泄放的通道。优选的，第二导电类型基区33的掺杂浓度可大于第一导电类型发射区31的掺杂浓度，以便于达成上述夹断效果。
44.具体的，在本实施例中，第一导电类型发射区31的导电类型可为p型，第二导电类型基区33的导电类型可为n型，当沟槽栅元胞开通时，第二导电类型基区33和第一导电类型发射区31呈反偏设置，由于第一导电类型发射区31连接源极接触孔32的通道被两侧第二导电类型基区33所形成的耗尽层所阶段，使得第一导电类型发射区31的底部可累积空穴，累积的空穴参与电导调制，从而有效降低器件的导通压降。当沟槽栅元胞关断时，第二导电类型基区33和第一导电类型发射区31呈正偏设置，第一导电类型发射区31连接源极接触孔32的通道完整，使得在开通时第一导电类型发射区31底部累积的空穴可利用上述通道和源极接触孔32快速抽走，从而有效降低器件的关断时间和关断损耗。
45.请继续参照图1，特别的，本实施例还在两个第二导电类型基区33中各自设置一个第一导电类型集电区34，第一导电类型集电区34的导电类型与第二导电类型基区33的导电类型相反，利用该第一导电类型集电区34与沟槽栅20电连接，以在沟槽栅20开通时使第二导电类型基区33和第一导电类型发射区31呈反偏设置，在沟槽栅20关断时使第二导电类型基区33和第一导电类型发射区31呈正偏设置，并防止沟槽栅20和沟槽栅元胞的发射极(源极)短路。应理解，如图4a所示，在实际工况中，当沟槽栅20(vg)关断时，其关断电压极可能在0附近振荡现象，即沟槽栅20的关断电压小于0，若关断电压为负且并未设置本实施例中的第一导电类型集电区34，将存在由第一导电类型发射区31第和二导电类型基区正偏导通，即沟槽栅元胞的发射极与沟槽栅20短路。而在本实施例中，当关断电压为负，将使得第二导电类型基区33和第一导电类型集电区34呈反偏设置，从而避免了沟槽栅元胞的发射极
与沟槽栅20短路的短路风险。具体的，第一导电类型集电区34朝向衬底10表面一端可暴露于衬底10表面，且相对第二导电类型基区33具有较浅的结深，以便于第一导电类型集电区34在第二导电类型基区33内被耗尽，第一导电类型集电区34还可具有较高的掺杂浓度，例如大于第二导电类型基区33的掺杂浓度，以便与沟槽栅20电连接。
46.由此，在本实施例中通过在间隔区bb利用第一导电类型发射区31、两个第二导电类型基区33及两个第一导电类型集电区34形成pnp结构(近似)，其等效电路图如图2所示。请参照图3a，在沟槽栅元胞开通时，两侧的第二导电类型基区33的耗尽层夹断第一导电类型发射区31，以便在沟槽栅20的底部附件积累空穴，以有效降低器件的导通压降。请参照图3b，在沟槽栅元胞关断时，第一导电类型发射区31形成通道利用源极接触孔32快速抽走累积的空穴，从而有效降低器件的关断时间和关断损耗，而且，还可避免关断电压振荡时沟槽栅元胞的发射极与沟槽栅20短路的短路风险。在一示例中，请参照图4b，对比于相关技术中ic关断电流曲线s1，本实施例中ic关断电流曲线s2下降更快，并且最终的关断电流更小。
47.另外，不难理解的是，在间隔区bb所形成的pnp三极管结构的集电极-发射极反向击穿电压(bvceo)大于沟槽栅20的阈值电压，以防止在沟槽栅20开通时漏电。
48.具体的，在一示例中，沟槽栅20(沟槽)的深度4.5微米～5.5微米，间隔区bb的宽度可为1.6微米～8微米，第一导电类型发射区31的结深可为4.5微米～5.5微米，第二导电类型基区33的结深可为2微米～3微米，第一导电类型集电区34的结深可为0.2微米～0.3微米。而且，第二导电类型基区33及第一导电类型集电区34可在第一导电类型发射区31内呈对称设置。
49.实施例二
50.实施例二提供了一种沟槽栅igbt器件的制备方法。
51.图5为实施例第二提供的沟槽栅igbt器件的制备方法的流程图。
52.如图5所示，本实施例提供的沟槽栅igbt器件的制备方法，包括：
53.s01：提供衬底，具有若干沟槽栅元胞，相邻所述沟槽栅元胞之间为间隔区；
54.s02：对所述间隔区执行发射区离子注入，以在所述间隔区的沟槽栅之间形成第一导电类型发射区；
55.s03对所述间隔区靠近所述沟槽栅的两侧执行基区离子注入，以在所述第一导电类型发射区中形成两个第二导电类型基区，两个所述第二导电类型基区邻近两侧的沟槽栅，并由所述衬底表面延伸至所述沟槽栅的部分深度；
56.s04：对所述间隔区执行集电区离子注入，以在两个所述第二导电类型发射区中各自形成第一导电类型集电区。
57.在步骤s01中，可先在衬底中的元胞区及间隔区形成漂移区，再在衬底中形成沟槽栅，并在元胞区的沟槽栅之间形成沟槽栅元胞的p基区及n+发射区。
58.在步骤s02中，可对间隔区执行p型离子注入，其离子注入的结深可与沟槽栅的底部齐平，以形成第一导电类型发射区。以离子注入b离子为例，其离子注入的剂量可为2x10
13
～3x10
13
cm-2
。
59.在步骤s03中，可对间隔区中靠近沟槽栅的两侧执行n型离子注入，其离子注入的结深可小于沟槽栅的深度，即小于第一导电类型发射区的结深，以在第一导电类型发射区中形成两个第二导电类型基区。该基区离子注入的离子浓度可大于第一导电类型发射区的
离子浓度。以离子注入p离子为例，其离子注入的剂量可为5x10
14
～1x10
15 cm-2
。
60.在步骤s04中，可对两个第二导电类型基区执行p型离子注入，其离子注入的结深可小于第二导电类型基区的深度，以在两个第二导电类型发射区中各自形成第一导电类型集电区。该集电区离子注入的离子浓度可大于第二导电类型基区的离子浓度。以离子注入b离子为例，其离子注入的剂量可为3x10
15
～6x10
15 cm-2
。
61.当然，本实施例所举例的沟槽栅igbt器件的制备方法还包括后续的其他工艺制程，包括在第一导电类型集电区、第一导电类型发射区、沟槽栅元胞的发射区及沟槽栅中形成接触孔及后续的互连工艺用以电性引出，例如将第一导电类型集电区与沟槽栅元胞的发射区(源极)连接，将第一导电类型集电区与沟槽栅连接，以及在衬底的另一面形成igbt的集电极结构等，但上述步骤的形成采用本领域常用的方法形成，在此不再赘述。
62.综上所述，本发明在沟槽栅元胞之间，即间隔区，设置第一导电类型发射区由间隔区的衬底表面延伸至沟槽栅的底部，两个第二导电类型基区设于第一导电类型发射区内且各自邻近两侧的沟槽栅并由衬底表面延伸至沟槽栅的部分深度，及两个第一导电类型集电区各自设于两个第二导电类型基区内，并将第一导电类型发射区的两端分别与沟槽栅元胞的漂移区及源极连接，两个第一导电类型集电区与沟槽栅电连接，从而得在沟槽栅元胞开通时，两侧的第二导电类型基区的耗尽层夹断第一导电类型发射区，以便在沟槽栅的底部附件积累空穴，以有效降低器件的导通压降，在沟槽栅元胞关断时，第一导电类型发射区形成通道利用源极接触孔快速抽走累积的空穴，从而有效降低器件的关断时间和关断损耗，而且，还可避免关断电压振荡时沟槽栅元胞的发射极与沟槽栅短路的短路风险。
63.上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。

技术特征：
1.一种沟槽栅igbt器件，其特征在于，包括：衬底，设有若干沟槽栅元胞，相邻所述沟槽栅元胞的沟槽栅之间具有间隔区；第一导电类型发射区，由所述间隔区的衬底表面延伸至所述沟槽栅的底部，且所述第一导电类型发射区的两端分别与所述沟槽栅元胞的漂移区及源极连接；两个第二导电类型基区，设于所述第一导电类型发射区内且各自邻近两侧的沟槽栅，并由所述衬底表面延伸至所述沟槽栅的部分深度；两个第一导电类型集电区，各自设于两个所述第二导电类型基区内，且与所述沟槽栅电连接。2.根据权利要求1所述的沟槽栅igbt器件，其特征在于，所述第一导电类型发射区在所述衬底表面一端设有源极接触孔以与所述沟槽栅元胞的源极电连接，所述第一导电类型发射区在所述沟槽栅底部与所述沟槽栅元胞的漂移区接触。3.根据权利要求2所述的沟槽栅igbt器件，其特征在于，所述间隔区在所述沟槽栅之下的结构与所述沟槽栅元胞中的结构相同。4.根据权利要求1所述的沟槽栅igbt器件，其特征在于，在所述间隔区内两个所述第二导电类型基区的间距小于两者在所述第一导电类型发射区中所形成的耗尽层宽度之和。5.根据权利要求4所述的沟槽栅igbt器件，其特征在于，两个所述第二导电类型基区对称设于所述间隔区内，且各自贴近两侧的所述沟槽栅。6.根据权利要求4所述的沟槽栅igbt器件，其特征在于，所述第一导电类型发射区呈p型，所述第二导电类型基区呈n型，所述第一导电类型集电区呈p型，以在所述间隔区形成pnp型三极管结构。7.根据权利要求6所述的沟槽栅igbt器件，其特征在于，所述pnp型三极管结构的集电极-发射极反向击穿电压大于所述沟槽栅元胞的阈值电压。8.根据权利要求4所述的沟槽栅igbt器件，其特征在于，所述第一导电类型集电区的掺杂浓度大于所述第二导电类型基区的掺杂浓度，所述第二导电类型基区的掺杂浓度大于所述第一导电类型发射区的掺杂浓度。9.根据权利要求1所述的沟槽栅igbt器件，其特征在于，所述沟槽栅的深度为4.5微米～5.5微米，所述第一导电类型发射区的结深为4.5微米～5.5微米，所述第二导电类型基区的结深为2微米～3微米，所述第一导电类型集电区的结深为0.2微米～0.3微米。10.一种沟槽栅igbt器件的制备方法，其特征在于，包括：提供衬底，具有若干沟槽栅元胞，相邻所述沟槽栅元胞之间为间隔区；对所述间隔区执行发射区离子注入，以在所述间隔区的沟槽栅之间形成第一导电类型发射区；对所述间隔区靠近所述沟槽栅的两侧执行基区离子注入，以在所述第一导电类型发射区中形成两个第二导电类型基区，两个所述第二导电类型基区邻近两侧的沟槽栅，并由所述衬底表面延伸至所述沟槽栅的部分深度；对所述间隔区执行集电区离子注入，以在两个所述第二导电类型发射区中各自形成第一导电类型集电区。

技术总结
本发明提供了一种沟槽栅IGBT器件及其制备方法，所述沟槽栅IGBT器件包括：衬底，设有若干沟槽栅元胞，相邻沟槽栅元胞之间具有间隔区；第一导电类型发射区，由间隔区的衬底表面延伸至沟槽栅的底部，且第一导电类型发射区的两端分别与沟槽栅元胞的漂移区及源极连接；两个第二导电类型基区，设于第一导电类型发射区内且各自邻近两侧的沟槽栅，并由衬底表面延伸至沟槽栅的部分深度；两个第一导电类型集电区，各自设于两个第二导电类型基区内，且与沟槽栅电连接。本发明中，可通过在间隔区的第一导电类型发射区、第二导电类型基区及第一导电类型集电区形成类似晶体管结构，降低沟槽栅IGBT器件导通压降、关断时间及关断损耗。关断时间及关断损耗。关断时间及关断损耗。


技术研发人员：胡钰祺 陆珏
受保护的技术使用者：绍兴中芯集成电路制造股份有限公司
技术研发日：2023.08.10
技术公布日：2023/10/20