專利名稱：用于溝槽igbt的深n擴(kuò)散的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及溝槽型絕緣柵雙極晶體管(Insulated GateBipolar Transistor，IGBTs)，更具體地涉及具有降低的正向電壓降的IGBTs。
背景技術(shù)：
IGBTs是眾所周知的，并頻繁地用平面格狀或條紋型布局來實(shí)現(xiàn)。這些器件具有固有的JFET，其增大器件的導(dǎo)通電阻RDSON，由此增大正向電壓降VCE(ON)。而且，這樣的器件具有固有的四層寄生晶閘管結(jié)構(gòu)，如果晶閘管的NPN晶體管開啟，其將閉鎖。
公知可以用消除平面器件的固有JFET的溝槽布局來制造IGBTs。但是，溝槽IGBTs仍然具有固有的四層結(jié)構(gòu)，由此，如果四層器件中的固有NPN晶體管開啟(如果電流穿過RB′足夠高)，器件將閉鎖。也期望不增大RB′的值而降低器件的飽和電流。
進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)溝槽IGBTs趨于“脆弱”，就是說，尤其當(dāng)轉(zhuǎn)換電感負(fù)載時(shí)它們可失效。這有時(shí)被稱為反向偏置下的低安全操作區(qū)(safe operating area，SOA)。該問題由于RB′的增大而再次惡化。
這里通過參考而結(jié)合美國專利6,683,331的公開內(nèi)容，該專利描述了溝槽IGBT結(jié)構(gòu)及其制造工藝，制成具有減小的RB′、減小的飽和電流、低閾值電壓VT和增大的SOA的非穿通(non-punch through，NPT)IGBT。更具體地，提供了一種具有深發(fā)射極擴(kuò)散的結(jié)構(gòu)，該深發(fā)射極擴(kuò)散非常窄(小的橫向范圍)以降低RB′。而且，在有間隔的溝槽之間采用非常深的P溝道擴(kuò)散以產(chǎn)生非常長的反型溝道。由此，當(dāng)器件進(jìn)入雪崩時(shí)，發(fā)射極下的空穴電流路徑具有減小的橫向范圍，減小了RB′，且溝槽非常深(大約8微米)，使得鄰近溝道的P區(qū)能夠支撐合理的電壓且可以優(yōu)化N-體濃度和深度。沿著溝槽增大的發(fā)射極深度控制了閾值電壓，因?yàn)槠湓试S使用非常深的P+區(qū)而沒有其侵犯至溝道中的危險(xiǎn)(這能夠增大VT)。最后，可僅在P阱中施加氦注入以限制壽命。
而且，專利6,683,331的器件可以在浮動(dòng)區(qū)的硅中制造且不需要外延層，采用弱陽極結(jié)構(gòu)，如2000年5月5日以Richard Francis和Chiu Ng的名義提出的共同未決申請(qǐng)，序列號(hào)為09/565,922，現(xiàn)在為美國專利6,482,681。
在US 6,683,331公開的溝槽IGBT結(jié)構(gòu)中，正向傳導(dǎo)期間的電流可以看作MOSFET和雙極電流的結(jié)合。MOSFET電流的特定導(dǎo)通電阻由數(shù)個(gè)成分來確定。在300-1200V的器件中，由于漂移層的相對(duì)高的電阻率(通常為14-60歐姆-厘米)，導(dǎo)通電阻的主要貢獻(xiàn)來自于溝道區(qū)下的漂移區(qū)電阻和擴(kuò)展電阻。
非常需要提供一種具有專利6,683,331器件的優(yōu)點(diǎn)的器件，但具有減小的導(dǎo)通電阻。

發(fā)明內(nèi)容
依照本發(fā)明，通過在基極擴(kuò)散下引入深擴(kuò)散層來減小溝槽型IGBT中的擴(kuò)展和漂移區(qū)電阻。該深擴(kuò)散或“深增強(qiáng)(DeepEnhancement)”具有相對(duì)于P型基區(qū)(或用于N溝道器件的N型)相反的摻雜濃度。本發(fā)明通過降低導(dǎo)通電阻來降低器件正向電壓降。而且本發(fā)明提供了優(yōu)化器件至特定應(yīng)用(例如，轉(zhuǎn)換頻率)的可能性。此外，通過本發(fā)明，在高壽命的外延型溝槽IGBT中，可以增加照射劑量來減小關(guān)斷電流和轉(zhuǎn)換時(shí)間，由此減小用于相同正向壓降的轉(zhuǎn)換損失。這在許多應(yīng)用中是非常有用的，特別是，在低壽命的耗盡停止型溝槽IGBT中，本發(fā)明的深增強(qiáng)將極大地降低器件的正向壓降。


圖1是穿過IGBT溝槽管芯的兩個(gè)相鄰溝槽的截面圖，該IGBT溝槽管芯具有專利6,683,331器件的結(jié)圖案。
圖2是類似于圖1的截面圖，但是示出了本發(fā)明附加的新型深增強(qiáng)。
圖3以截面示出晶片(或管芯)的小部分，示出了制造圖2器件的工藝中的第一步驟。
圖4示出了掩模和注入步驟之后的圖3結(jié)構(gòu)。
圖5示出了擴(kuò)散驅(qū)進(jìn)以形成N擴(kuò)散之后的圖4結(jié)構(gòu)。
圖6示出了終止掩模步驟和終止注入之后的圖5結(jié)構(gòu)。
圖7示出了硼驅(qū)進(jìn)和氧化步驟之后的圖6結(jié)構(gòu)。
圖8示出了溝槽掩模和發(fā)射極注入之后的圖7結(jié)構(gòu)。
圖9示出了發(fā)射極驅(qū)進(jìn)和溝槽蝕刻之后的圖8結(jié)構(gòu)。
圖10示出了完成了例如圖2的溝槽單元之后的圖9結(jié)構(gòu)。
具體實(shí)施例方式首先參照?qǐng)D1，以截面示出了專利6,683,331的現(xiàn)有技術(shù)結(jié)構(gòu)的一對(duì)相鄰單元。
在專利6,683,331中公開了圖1器件的制造細(xì)節(jié)，包括使用的材料和工藝細(xì)節(jié)，例如晶片厚度的減小和所使用的壽命限制的形成以及集電極背面注入54等。
在浮動(dòng)區(qū)材料的普通起始晶片25中形成圖1的結(jié)構(gòu)。但是，也可以使用外延晶片。晶片25具有接收相鄰深溝槽31和32的N-體，所述溝槽分別用薄的(例如1000)二氧化硅柵絕緣層33和34襯墊，并分別填充有互聯(lián)的(未示出并具有外部柵極端子G，示意性示出)導(dǎo)電多晶硅柵極35和36。溝槽31和32可為大約1.5微米寬，間隔大約5-10微米并可具有4-9微米的深度，且優(yōu)選大約6.5微米。這些延伸穿過P-基極擴(kuò)散37，該P(yáng)-基極擴(kuò)散37在溝槽區(qū)對(duì)于8微米深的溝槽來說大約為5微米深(從硅的頂表面測量)。
溝槽31和32分別延伸穿過N+型發(fā)射極區(qū)40和41，所述N+型發(fā)射極區(qū)40和41非常深(2-4微米)且具有很短的橫向延伸，例如1.5-3微米。注意發(fā)射極區(qū)40和41分別具有淺架接觸區(qū)(shallowshelf contact regions)42和43，其具有大約0.2-0.5微米的橫向延伸。
顯著地，溝槽31和32延伸進(jìn)深增強(qiáng)區(qū)100大約2μm(非臨界)。
P+接觸區(qū)50延伸進(jìn)P-基區(qū)37中并位于發(fā)射極區(qū)40和41之間。多晶硅柵極35和36被適當(dāng)?shù)慕^緣氧化物51覆蓋，且器件的頂表面接收鋁或其它合適的發(fā)射極接觸52。器件的背面包含接收集電極接觸53的P+擴(kuò)散54。
非常深溝槽(6.5微米)和非常深P-基區(qū)37(7微米)的使用允許非常深但窄的發(fā)射極區(qū)40和41的使用，同時(shí)在發(fā)射極區(qū)下依舊留下足夠長的可倒轉(zhuǎn)溝道(例如，2微米)以允許P區(qū)37支撐合理的電壓，并由此可以優(yōu)化N-體26。而且，當(dāng)器件工作在雪崩時(shí)，空穴電流從P+區(qū)54流出并向上并在發(fā)射極40和41下且穿過發(fā)射極區(qū)40和41下的有效電阻RB′。該電阻非常小以例如避免NPN晶體管40、37、26導(dǎo)通，并避免IGBT結(jié)構(gòu)的閉鎖。
注意，發(fā)射極40和41的凸緣(ledge)區(qū)域42、43分別在P+區(qū)50的頂上且不形成器件的RB′的一部分。但是，這些凸緣42、43是用于連接發(fā)射極區(qū)40和41到發(fā)射極接觸的主要點(diǎn)，且在制造期間即使具有不可避免的掩模未對(duì)準(zhǔn)也允許這樣的連接。
本發(fā)明是圖1結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，并在圖2中示出，其中與圖1的元件相同的元件給出相同的標(biāo)記。圖2中的基本差異是使用了布置在溝槽31和32的底部之間及在溝槽之下的新型深增強(qiáng)N區(qū)100。N區(qū)100在所有其它濃度類型相反的P溝道器件中將是P區(qū)。
深增強(qiáng)100可具有4-10μm的深度(6μm的深溝槽)，并具有比N-體26足夠大的濃度。該深增強(qiáng)100減小了器件的擴(kuò)展和漂移區(qū)電阻，由此以減小器件的正向電壓降。此外，可以在濃度和深度上調(diào)節(jié)區(qū)100以優(yōu)化器件至特定的應(yīng)用。例如，對(duì)于特定應(yīng)用而言相對(duì)于其他參數(shù)可優(yōu)選轉(zhuǎn)換頻率。在高壽命外延器件中，可以增加照射劑量來降低轉(zhuǎn)換時(shí)候的關(guān)斷電流，從而降低對(duì)于相同正向壓降的轉(zhuǎn)換損失。此外，在低壽命耗盡停止型溝槽IGBT中，深增強(qiáng)100將極大地降低正向電壓降。
圖3-9示出了可用來制造圖2器件的工藝流程。所述的劑量和注入密度是用于特定器件，且可以按照所需而改變但仍然實(shí)施本發(fā)明。因此，在圖3中，在具有22-30歐姆-厘米電阻率的硅起始晶片110上生長氧化物層111至1μm的厚度。
圖4示出掩模步驟，其中處理光刻膠112以在氧物化層111中開窗口113。然后在120KeV將劑量在1E12至1E13/cm2之間的磷注入施加到圖4中的露出硅表面。
然后剝離光刻膠112，并在1175℃驅(qū)進(jìn)磷注入4-16小時(shí)以驅(qū)進(jìn)新型深N擴(kuò)散100。同時(shí)，如圖5所示，氧化物111生長到大約1.2μm且較薄的氧化物層120生長到大約7000。區(qū)100將隨著隨后的每一次熱處理而深化。
如圖6所示，接著進(jìn)行終止掩模步驟，該終止掩模在氧化物層111和120中定義窗口，且將晶片暴露于劑量為7E14/cm2的硼注入。如圖7所示，接著在1175℃驅(qū)進(jìn)該注入2小時(shí)，形成P+溝道區(qū)125和終止擴(kuò)散126。同時(shí)生長新的氧化物，包括變厚的區(qū)130(9000)、131(1.4μm)和132(7000)。
圖8示出提供也用作發(fā)射極注入掩模的溝槽掩模140的下一步驟。由此，在氧化物130、132中開窗口141和142，并在120KeV以1E16/cm2進(jìn)行砷注入。接著在1175℃驅(qū)進(jìn)該注入30分鐘，形成N++發(fā)射極區(qū)150。
此后，如圖8所示，進(jìn)行溝槽蝕刻，形成具有大約6μm深度的間隔的平行溝槽160、161。
如美國專利6,683,331所示并如圖9所示，然后完成了單元結(jié)構(gòu)。注意，P+區(qū)170通過大約3μm寬的接觸窗口171而注入并擴(kuò)散。柵氧化物172厚約1500且溝槽間隔大約為6μm。溝槽的寬度大約為1.5微米。
在所述工藝中，所述的單元是單個(gè)管芯中可達(dá)數(shù)千中的兩個(gè)，且是當(dāng)管芯在晶片階段形成。這里術(shù)語管芯和晶片可交換地使用。
盡管相對(duì)于特定的實(shí)施例描述了本發(fā)明，但對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說許多其它變化、修正和其它使用將變得顯而易見。因此，優(yōu)選本發(fā)明不限于這里的特定公開內(nèi)容。
權(quán)利要求
1.一種具有用于降低其正向電壓降的深擴(kuò)散的溝槽IGBT，包含一種導(dǎo)電類型的并具有第一濃度的單晶硅體，且具有平行的頂和底表面；垂直延伸至所述頂表面中給定深度的多個(gè)間隔開的溝槽；襯墊所述溝槽的垂直壁的柵絕緣層；形成在每個(gè)所述溝槽之間并具有比所述溝槽深度更小的深度的其它導(dǎo)電類型的溝道擴(kuò)散；從所述體的所述頂表面延伸并沿著每個(gè)所述溝槽的上部的所述一種導(dǎo)電類型的發(fā)射極擴(kuò)散；所述發(fā)射極擴(kuò)散通過所述溝槽之間的給定距離彼此間隔；具有比所述溝道擴(kuò)散濃度高的濃度并設(shè)置在相鄰的所述發(fā)射極擴(kuò)散對(duì)之間的所述其它導(dǎo)電類型的淺接觸擴(kuò)散；在所述底表面中的所述其它導(dǎo)電類型的集電極擴(kuò)散；與所述發(fā)射極及溝道擴(kuò)散相接觸的發(fā)射極金屬電極和與所述集電極擴(kuò)散相接觸的集電極電極；以及所述一種導(dǎo)電類型的且具有比所述第一導(dǎo)電率更大的導(dǎo)電率的深擴(kuò)散，設(shè)置在所述溝道擴(kuò)散之下并延伸到所述溝槽底部之下。
2.如權(quán)利要求1的器件，其中所述溝槽具有4-9微米的深度并間隔大約5-10微米，以及具有大約1.5微米的寬度。
3.如權(quán)利要求1的器件，其中所述溝槽具有大約6微米的深度，且其中所述溝槽比所述溝道擴(kuò)散更深，且所述深擴(kuò)散具有4-10微米的寬度。
4.如權(quán)利要求1的器件，其中每個(gè)所述發(fā)射極區(qū)的頂表面還具有所述其它導(dǎo)電類型的高濃度淺接觸擴(kuò)散。
5.如權(quán)利要求2的器件，其中每個(gè)所述發(fā)射極區(qū)的頂表面還具有所述其它導(dǎo)電類型的高濃度淺接觸擴(kuò)散。
6.如權(quán)利要求3的器件，其中每個(gè)所述發(fā)射極區(qū)的頂表面還具有所述其它導(dǎo)電類型的高濃度淺接觸擴(kuò)散。
7.如權(quán)利要求1的器件，其中所述發(fā)射極區(qū)具有2-4微米的深度和1.5-3微米的橫向?qū)挾?，且其中所述深度大于所述寬度?br> 8.如權(quán)利要求1的器件，其中所述發(fā)射極區(qū)具有更遠(yuǎn)離其各自溝槽的淺橫向延伸，以提供增大的接觸表面以接觸所述發(fā)射極金屬。
9.如權(quán)利要求8的器件，其中每個(gè)所述發(fā)射極區(qū)的頂表面還具有所述其它導(dǎo)電類型的高濃度淺擴(kuò)散。
10.如權(quán)利要求9的器件，其中所述溝槽具有4-9微米的深度并間隔大約5-10微米，以及具有大約1.5微米的寬度。
11.如權(quán)利要求1的器件，其中所述一種導(dǎo)電類型為N。
12.如權(quán)利要求1的器件，其中所述溝槽為橫向間隔的直平行溝槽。
13.如權(quán)利要求1的器件，其中所述溝槽在穿過所述溝槽深度的橫截面中為多邊的多邊形。
14.如權(quán)利要求1的器件，其包括第一導(dǎo)電類型的另一擴(kuò)散，進(jìn)入所述溝道區(qū)中并具有比所述溝道區(qū)更高的濃度；所述另一擴(kuò)散在所述發(fā)射極區(qū)的所述橫向延伸下延伸，并形成與所述發(fā)射極金屬的接觸。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于溝槽IGBT的深N擴(kuò)散。在溝槽型IGBT的相鄰溝槽之間和溝槽下提供一種與漂移區(qū)相同導(dǎo)電類型的增大導(dǎo)電率的深擴(kuò)散，以當(dāng)器件導(dǎo)通時(shí)對(duì)電流減小漂移區(qū)電阻和擴(kuò)展電阻的導(dǎo)通電阻成分。深擴(kuò)散具有比漂移區(qū)更高的濃度，且具有4－10微米的寬度。晶片或管芯具有大約70－300微米的總寬度(或厚度)。
文檔編號(hào)H01L29/36GK1921146SQ200610153428
公開日2007年2月28日 申請(qǐng)日期2006年8月15日 優(yōu)先權(quán)日2005年8月15日
發(fā)明者R·弗朗西斯, C·額 申請(qǐng)人:國際整流器公司