專利名稱：一種sj-igbt器件結(jié)構(gòu)及其制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明介紹了一種SJ-IGBT器件結(jié)構(gòu)，屬于微電子與固體電子學(xué)技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
功率集成電路有時也稱高壓集成電路，是現(xiàn)代電子學(xué)的重要分支，可為各種功率變換和能源處理裝置提供高速、高集成度、低功耗和抗輻照的新型電路，廣泛應(yīng)用于電力控制系統(tǒng)、汽車電子、顯示器件驅(qū)動、通信和照明等日常消費領(lǐng)域以及國防、 航天等諸多重要領(lǐng)域。其應(yīng)用范圍的迅速擴大，對其核心部分的高壓器件也提出了更高的要求。對功率器件MOSFET而言，在保證擊穿電壓的前提下，必須盡可能地降低器件的導(dǎo)通電阻來提高器件性能。但擊穿電壓和導(dǎo)通電阻之間存在一種近似平方關(guān)系，形成所謂的“硅限”。為了解決這一矛盾，前人提出了基于三維RESURF技術(shù)的漂移區(qū)由P、N柱相間構(gòu)成的超結(jié)結(jié)構(gòu)(SJ)用于優(yōu)化高壓器件的漂移區(qū)電場分布。該結(jié)構(gòu)在保持導(dǎo)通電阻不變的前提下，提高擊穿電壓，打破傳統(tǒng)功率MOS器件理論的極限。該技術(shù)的理論基礎(chǔ)是電荷補償理論，當(dāng)漂移區(qū)施加電壓達到一定值時，漂移區(qū)達到完全耗盡，電場分布更加均勻，提高了器件的抗擊穿能力。在保證擊穿電壓不變的前提下，可以大幅提高漂移區(qū)的摻雜濃度，減小導(dǎo)通電阻。超結(jié)結(jié)構(gòu)的提出打破了傳統(tǒng)功率MOSFET器件的“硅極限”。SJ結(jié)構(gòu)形成在器件的漂移層中，該漂移層包括N導(dǎo)電類型柱(column) (N柱)和P導(dǎo)電類型柱(column) (P柱)。N柱和P柱構(gòu)成作為一對SJ結(jié)構(gòu)的單元，從而多對N柱和P柱提供SJ結(jié)構(gòu)。SJ結(jié)構(gòu)最初應(yīng)用于垂直VDMOS器件，后來擴展到橫向LDMOS器件。橫向結(jié)構(gòu)更有利于新一代的高密度功率集成應(yīng)用，是當(dāng)代功率器件研究的熱點。但是超結(jié)結(jié)構(gòu)用于橫向器件也帶來了新的問題。第一，理想的能完全耗盡的P、η柱區(qū)工藝上難于形成。第二，襯底參與超結(jié)柱區(qū)的耗盡導(dǎo)致襯底輔助耗盡效應(yīng)，而且耗盡層的寬度在器件的漏端到源端方向的不同位置不等，這就帶來了漂移區(qū)電場分布不均的問題，需要對器件制作工藝和結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化。

發(fā)明內(nèi)容
鑒于以上所述現(xiàn)有技術(shù)的缺點，本發(fā)明的目的在于提供一種SJ-IGBT器件結(jié)構(gòu)的制備方法，用于解決現(xiàn)有技術(shù)中漂移區(qū)電場分布不均的問題。為實現(xiàn)上述目的及其他相關(guān)目的，本發(fā)明提供一種SJ-IGBT器件結(jié)構(gòu)的制備方法，該方法包括以下步驟提供一襯底；在該襯底上形成漂移區(qū)并在該漂移區(qū)預(yù)設(shè)源端和漏端；提供一設(shè)有若干第一窗口的第一掩膜版，所述第一窗口的寬度沿源端到漏端方向依次增大；將該掩膜版放置于所述漂移區(qū)之上，掩膜版和該漂移區(qū)左側(cè)平齊，自上述第一窗口向所述漂移區(qū)進行N型離子注入；
退火，在該漂移區(qū)形成沿源端到漏端方向N型載流子濃度呈線性增加的N型漂移區(qū)；提供一設(shè)有若干第二窗口的第二掩膜版；所述第二窗口的左側(cè)自與源端相鄰的位置，即與第一掩膜版的第一個遮擋部左側(cè)平齊起始，截止于所述漏端附近，但是離漏端有一定的距離自該第二窗口向所述N型漂移區(qū)采用三次能量和劑量依次減小的方式進行P型離子注入，形成間隔的P柱和N柱；且P柱不和漏端相連；最后形成溝道、源區(qū)、漏區(qū)和柵區(qū)域。優(yōu)選地，所述退火時間為600 1000分鐘。所述退火溫度為1000 1400度。
優(yōu)選地，所述P型離子注入的三次劑量總和為N型離子注入的I. 5-2. 5倍，優(yōu)選2倍。優(yōu)選地，所述襯底為硅或SOI。優(yōu)選地,所述漏區(qū)為重摻雜P。本發(fā)明還提供一種SJ-IGBT器件結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)包括襯底；位于該襯底上的漂移區(qū)；位于該漂移區(qū)上方的柵區(qū)域、位于該漂移區(qū)兩端的源端、漏端以及位于該源端和漏端之間間隔設(shè)置的若干P柱和N柱；且P柱不和漏端相連；所述P柱和N柱縱長方向與源、漏區(qū)縱長方向垂直；所述N柱沿源端到漏端方向離子濃度呈線性增加。 優(yōu)選地，所述襯底為硅或SOI。所述柵區(qū)域包括柵介質(zhì)層以及位于柵介質(zhì)層上的柵極。傳統(tǒng)超結(jié)器件漂移區(qū)中交替存在的P和N柱區(qū)，為了提高耐壓，要求N柱區(qū)和P柱區(qū)達到電荷平衡，在器件反向耐壓時漂移區(qū)實現(xiàn)全耗盡，但是由于存在襯底輔助耗盡效應(yīng)，引起P型柱區(qū)出現(xiàn)剩余電荷，本發(fā)明采用線性漂移區(qū)的N柱區(qū)取代傳統(tǒng)的均勻分布的N型漂移區(qū)。可以有效的消除襯底輔助耗盡效應(yīng)，提高器件的擊穿電壓。本發(fā)明使N柱的濃度從源端到漏端逐漸增加，消除漂移區(qū)剩余電荷。同時，通過將漏極N+區(qū)換成P+區(qū)，器件工作時，重摻雜P區(qū)向漂移區(qū)注入空穴，增加漂移區(qū)電流能力，更好的降低器件開態(tài)電阻，由于P型柱區(qū)離漏極有一定的距離，因此降低了電荷不平衡對器件性能的影響，提高器件可靠性。


圖Ia顯示為本發(fā)明N型離子注入的結(jié)構(gòu)示意圖。圖Ib顯示為圖I的俯視圖。圖2顯示為經(jīng)退火再分布形成的線性N型漂移區(qū)結(jié)構(gòu)示意圖。圖3a顯示為形成P柱區(qū)結(jié)構(gòu)示意圖。圖3b顯示為圖3a的俯視圖。圖4顯示為P阱注入形成溝道的結(jié)構(gòu)示意圖。圖5顯示為柵極形成的結(jié)構(gòu)示意圖。圖6顯示為形成重摻雜N區(qū)的結(jié)構(gòu)示意圖。圖7顯示為形成重摻雜P區(qū)的結(jié)構(gòu)示意圖。圖8顯示為體硅的超結(jié)器件結(jié)構(gòu)示意圖。
元件標號說明
襯底I
漂移區(qū)2
第一掩膜版3
第一窗口31
第二窗口32
第三窗口33
N型漂移區(qū)4
柵介質(zhì)層51
柵極52
底硅11
埋層氧化層12
長I
寬d
具體實施例方式以下通過特定的具體實例說明本發(fā)明的實施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可由本說明書所揭露的內(nèi)容輕易地了解本發(fā)明的其他優(yōu)點與功效。本發(fā)明還可以通過另外不同的具體實施方式
加以實施或應(yīng)用，本說明書中的各項細節(jié)也可以基于不同觀點與應(yīng)用，在沒有背離本發(fā)明的精神下進行各種修飾或改變。請參閱圖Ia至圖8所示。需要說明的是，本實施例中所提供的圖示僅以示意方式說明本發(fā)明的基本構(gòu)想，遂圖式中僅顯示與本發(fā)明中有關(guān)的組件而非按照實際實施時的組件數(shù)目、形狀及尺寸繪制，其實際實施時各組件的型態(tài)、數(shù)量及比例可為一種隨意的改變，且其組件布局型態(tài)也可能更為復(fù)雜。一種SJ-IGBT器件結(jié)構(gòu)的制備方法，該方法包括以下步驟提供一襯底；在該襯底上形成漂移區(qū)并在該漂移區(qū)預(yù)設(shè)源端和漏端；提供一設(shè)有若干第一窗口的第一掩膜版，所述第一窗口的寬度沿源端到漏端方向依次增大；自上述第一窗口向所述漂移區(qū)進行N型離子注入；退火，在該漂移區(qū)形成沿源端到漏端方向N型載流子濃度呈線性增加的N型漂移區(qū)；提供一設(shè)有若干第二窗口的第二掩膜版；自該第二窗口向所述N型漂移區(qū)采用三次能量和劑量依次減小的方式進行P型離子注入，形成間隔的P柱和N柱；且P柱不和漏端相連；最后形成溝道、源區(qū)、漏區(qū)和柵區(qū)域。所述退火時間為600 1000分鐘。所述退火溫度為1000 1400度。所述P型離子注入的劑量為N型離子注入的I. 5-2. 5倍，優(yōu)選2倍。所述襯底為硅或SOI。所述漏區(qū)為重摻雜P。 請參閱圖Ia 圖8所示，本發(fā)明提供一種SJ-IGBT器件結(jié)構(gòu)的制備方法，該方法至少包括以下步驟 首先實施步驟I )，提供一半導(dǎo)體襯底I，本實施例中，該襯底為硅或者SOI襯底。在所述半導(dǎo)體襯底I上形成漂移區(qū)2。需要說明的是，在形成所述漂移區(qū)之前，還可以包括在所述半導(dǎo)體襯底I上形成緩沖層(未圖示)，以防止在阻斷電壓時耗盡層到達所述半導(dǎo)體襯底1，且所述緩沖層用于控制半導(dǎo)體襯底向緩沖區(qū)注入少數(shù)載流子的能力，即控制所述半導(dǎo)體襯底I的注入效率。請參閱圖Ia所示，在該漂移區(qū)2上預(yù)設(shè)源端和漏端(未圖示)。然后提供一端自與源端相鄰的位置起始的第一掩膜版3，(即該掩膜版放置于所述漂移區(qū)之上，掩膜版和該漂移區(qū)左側(cè)平齊)。 該第一掩膜版上設(shè)有若干第一窗口，請參閱圖Ib所不,其為第一掩膜版3放置于設(shè)有漂移區(qū)2的半導(dǎo)體襯底I上方的俯視圖。本實施例中，所述第一窗口為若干個長度I一致的矩形，該若干個第一窗口自源端到漏端的方向上寬度d逐漸增大。換句話說，第一掩膜版遮擋部的寬度自源端到漏端的方向上逐漸減小。即沿源端到漏端方向排列中，第二個窗口 32的寬度比第一個窗口 31的寬度大；第三個窗口 33的寬度比第二個窗口 32的寬度大，以此類推。換句話說，沿源端到漏端方向排列中，第一個遮擋部的寬度大于第二個遮擋部的寬度，第二個遮擋部的寬度大于第三個遮擋部的寬度，以此類推。只要所述窗口的寬度線性逐漸增大都能實現(xiàn)本發(fā)明。具體的，本實施例中，第一個窗口的寬度大致為O. 6um，第二個窗口的寬度大致為O. 9um,第三個窗口的寬度大致為I. 8um，第四個窗口的寬度大致為2. 3um,第五個窗口的寬度大致為3. 2um，第六個窗口(未圖示)的寬度大致為4. 5um，第七個窗口(未圖示)的寬度大致為6. 2um，第八個窗口(未圖示)的寬度大致為9. 5um，第九個窗口(未圖示)的寬度大致為15. 8um。以此類推。第一個遮擋部的寬度大致為14. 7 um,第二個遮擋部的寬度大致為10. 6um,第三個遮擋部的寬度大致為7. 5um，第四個遮擋部的寬度大致為5. 2um，第五個遮擋部的寬度大致為3. Ium,第六個遮擋部(未圖示)的寬度大致為I. 9um,第七個遮擋部(未圖示)的寬度大致為I. Ium,第八個遮擋部(未圖示)的寬度大致為O. 6um。以此類推。將該第一掩膜版放置在所述漂移區(qū)2之上，掩膜版和該漂移區(qū)左側(cè)平齊，自上述窗口向該漂移區(qū)進行N型離子注入后退火，由于自源端到漏端方向排列中，第一個窗口 31到第二個窗口 32之間的距離大于第三個窗口 33到第二個窗口 32的距離，所以退火后N型離子擴散，第一個窗口和第二個窗口之間的擴散區(qū)離子濃度小于第三個窗口和第二個窗口之間的擴散區(qū)離子濃度，以此類推，在整個漂移區(qū)形成離子濃度自源端到漏端方向上呈線性分布的N型漂移區(qū)。如圖2所示。本實施例中，進行N型離子注入后退火的時間為600 900分鐘。最好是900分鐘。退火溫度為1000 1200度。最好是1200度。接著提供一第二掩膜版(未圖示)，該第二掩膜版上橫向均勻的設(shè)有若干窗口 4，本實施例中，所述第二掩膜版上的窗口縱長方向為自源端到漏端的方向。其中所述窗口 41的左側(cè)自與源端相鄰的位置即與第一掩膜版的第一個遮擋部(自源端向漏端數(shù)第一個最寬的遮擋部)左側(cè)平齊起始，截止于所述漏端附近，但是離漏端有一定的距離。請參照圖3b所
/Jn ο自所述第二掩膜版的窗口采用三次能量和劑量依次減小的方式進行P型離子注入，請參照圖3a所示。具體的,第一次P型離子注入的能量為3E12-5E12,優(yōu)選的是4E12,劑量為300-500kev，優(yōu)選的是400 kev ;第二次P型離子注入的能量為2E12-4E12，優(yōu)選的是3E12 ;劑量為200-300kev，優(yōu)選的為250kev ;第三次P型離子注入的能量為O. 5E12-2 E12，優(yōu)選的是1E12，劑量為50-100kev，優(yōu)選的是80kev。該P型離子三次注入的劑量總和為該N型離子注入劑量的I. 5-2. 5倍，最好是2倍的劑量。這樣就形成了 P柱N柱、P柱N柱間隔的出現(xiàn)的區(qū)域。所述第二掩膜版上的窗口不貫通漂移區(qū)，即該第二掩膜版的窗口離漏端有一定的距離，從而使得P柱不和漏 端相連。由于P型柱區(qū)離漏端有一定的距離，因此降低了電荷不平衡對器件性能的影響，提高器件可靠性。接下來經(jīng)過一個10-30分鐘(最好是20分鐘左右)的高溫退火，形成超結(jié)的漂移區(qū)。高溫退火形成超結(jié)的漂移區(qū)屬于本領(lǐng)域的公知常識，在此不再贅述。接著請參照圖4所示，制備P阱。本實施例中的襯底選擇為SOI襯底，其包括底硅11、位于低位上的埋層氧化層12，以及位于埋層氧化層12上的頂層硅，用于作為漂移區(qū)。在預(yù)設(shè)的源端進行P離子注入，形成P阱。然后在P阱、P柱和N柱近源端的上方制備柵區(qū)域，該柵區(qū)域包括柵介質(zhì)層51以及位于柵介質(zhì)層51上的柵極52。本實施例中柵介質(zhì)層的材質(zhì)為二氧化硅、氮化硅等本領(lǐng)域常用材質(zhì)。請參照圖5所示。接著在源端靠近柵區(qū)域的位置進行重摻雜N型注入，形成N+區(qū)域。請參照圖6所
/Jn ο最后，請參照圖7所示，在P阱上、N+區(qū)域的一側(cè)(遠離柵區(qū)域的一側(cè))以及漏端進行重摻雜P型離子注入，各自分別形成P+區(qū)域。形成溝道、源區(qū)、漏區(qū)。所述漏區(qū)為重摻雜P。該部分屬于本領(lǐng)域的公知常識，在此不再贅述。由于傳統(tǒng)的超結(jié)器件漂移區(qū)中交替存在的P和N柱區(qū)，為了提高耐壓，要求N柱區(qū)和P柱區(qū)達到電荷平衡，在器件反向耐壓時漂移區(qū)實現(xiàn)全耗盡，但是由于存在襯底輔助耗盡效應(yīng)，引起P型柱區(qū)出現(xiàn)剩余電荷，本發(fā)明采用線性漂移區(qū)的N柱取代傳統(tǒng)的均勻分布的N型漂移區(qū)，N型柱區(qū)的濃度從源到漏線性增加，消除了襯底輔助耗盡效應(yīng)，使器件達到電荷平衡，提高器件耐壓，此結(jié)構(gòu)也可應(yīng)用于體硅技術(shù)。如圖8所示。本發(fā)明通過采用掩膜版的窗口從源端到漏端方向上寬度依次增加，遮擋部分寬度依次減小，對整個漂移區(qū)進行用于形成線性N柱區(qū)的離子注入，調(diào)節(jié)離子注入能量和劑量，然后進行一個長時間的高溫退火，使N柱區(qū)形成一個線性漂移區(qū)。線性漂移區(qū)形成以后，再通過P型掩膜版分三次進行P型離子注入，P型離子注入的計量接近于N柱區(qū)的2倍，然后經(jīng)過一個短暫的20分鐘高溫退火后形成超結(jié)的漂移區(qū)，然后再進行常規(guī)的溝道，源區(qū)，漏區(qū)，柵極的制作。橫向SOI超結(jié)器件由于存在襯底輔助耗盡效應(yīng)，導(dǎo)致從器件源端到漏端，P型柱區(qū)的剩余電荷逐漸增加，P型剩余電荷的存在，降低了器件耐壓。根據(jù)現(xiàn)有的研究結(jié)果，P型區(qū)的剩余電荷從源到漏近似線性分布，因此，本發(fā)明中橫向SOI超結(jié)功率器件的N型區(qū)采用線性分布，使N柱區(qū)的濃度從源到漏逐漸增加，消除漂移區(qū)剩余電荷，而P型柱區(qū)不和漏極相連。同時，通過將傳統(tǒng)超結(jié)器件的漏極N+區(qū)換成P+區(qū)，將IGBT的引入到超結(jié)器件設(shè)計中，器件工作在開態(tài)時，P+區(qū)向漂移區(qū)注入空穴，增加漂移區(qū)電流能力，可以更好的降低器件開態(tài)電阻。由于P型柱區(qū)離漏極有一定的距離，因此降低了電荷不平衡對器件性能的影響，提高器件可靠性。同時，通過將漏極N+區(qū)換成P+區(qū)，器件工作時，重摻雜P區(qū)向漂移區(qū)注入空穴，增加漂移區(qū)電流能力，更好的降低器件開態(tài)電阻。綜上所述，本發(fā)明有效克服了現(xiàn)有技術(shù)中的種種缺點而具高度產(chǎn)業(yè)利用價值。上述實施例僅例示性說明本發(fā)明的原理及其功效，而非用于 限制本發(fā)明。任何熟悉此技術(shù)的人士皆可在不違背本發(fā)明的精神及范疇下，對上述實施例進行修飾或改變。因此，舉凡所屬技術(shù)領(lǐng)域中具有通常知識者在未脫離本發(fā)明所揭示的精神與技術(shù)思想下所完成的一切等效修飾或改變，仍應(yīng)由本發(fā)明的權(quán)利要求所涵蓋。
權(quán)利要求
1.一種SJ-IGBT器件結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于，該方法包括以下步驟 提供一襯底； 在該襯底上形成漂移區(qū)并在該漂移區(qū)兩側(cè)預(yù)設(shè)源端和漏端； 提供一設(shè)有若干第一窗口的第一掩膜版，所述第一窗口的寬度沿源端到漏端方向依次增大； 將該掩膜版放置于所述漂移區(qū)之上，掩膜版和該漂移區(qū)左側(cè)平齊， 自上述第一窗口向所述漂移區(qū)進行N型離子注入； 退火，在該漂移區(qū)形成沿源端到漏端方向N型載流子濃度呈線性增加的N型漂移區(qū)；提供一放置于漂移區(qū)之上并設(shè)有若干第二窗口的第二掩膜版；其中，所述第二窗口的左側(cè)自與源端相鄰的位置即與第一掩膜版的第一個遮擋部左側(cè)平齊起始，截止于所述漏端附近，但是離漏端有一定的距離； 自該第二窗口向所述N型漂移區(qū)采用三次能量和劑量依次減小的方式進行P型離子注入，形成間隔的P柱和N柱；且P柱不和漏端相連； 最后形成溝道、源區(qū)、漏區(qū)和柵區(qū)域。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的SJ-IGBT器件結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于，所述退火時間為600 1000分鐘。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的SJ-IGBT器件結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于，所述退火溫度為1000 1400 度。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的SJ-IGBT器件結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于，所述P型離子注入的三次劑量總和為N型離子注入的I. 5-2. 5倍，，優(yōu)選2倍。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的SJ-IGBT器件結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于，所述襯底為硅或SOI。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的SJ-IGBT器件結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于，所述漏區(qū)為重摻雜P。
7.—種SJ-IGBT器件結(jié)構(gòu)，其特征在于，該結(jié)構(gòu)包括 襯底； 位于該襯底上的漂移區(qū)； 位于該漂移區(qū)上方的柵區(qū)域、位于該漂移區(qū)兩端的源端、漏端以及位于該源端和漏端之間間隔設(shè)置的若干P柱和N柱；且P柱不和漏端相連；所述P柱和N柱縱長方向與源、漏區(qū)縱長方向垂直；所述N柱沿源端到漏端方向N型載流子濃度呈線性增加。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的SJ-IGBT器件結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于，所述襯底為硅或SOI。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的SJ-IGBT器件結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于，所述柵區(qū)域包括柵介質(zhì)層以及位于柵介質(zhì)層上的柵極。
全文摘要
本發(fā)明提供一種SJ-IGBT器件結(jié)構(gòu)及其制作方法，包括以下步驟提供一襯底；在該襯底上形成漂移區(qū)并在該漂移區(qū)預(yù)設(shè)源端和漏端；提供一設(shè)有若干第一窗口的第一掩膜版，所述第一窗口的寬度沿源端到漏端方向依次增大；自上述第一窗口向所述漂移區(qū)進行N型離子注入；退火，在該漂移區(qū)形成離子濃度呈線性增加的N型漂移區(qū)；提供一設(shè)有若干第二窗口的第二掩膜版；自該第二窗口向所述N型漂移區(qū)進行P型離子注入，P型柱區(qū)離漏極區(qū)有一定距離，退火后形成間隔的P柱和N柱；最后形成溝道、源區(qū)、漏區(qū)和柵區(qū)域。本發(fā)明使N柱的濃度從源端到漏端逐漸增加，消除漂移區(qū)剩余電荷，由于P柱離漏極有一定的距離，因此降低了漂移區(qū)電荷不平衡對器件性能的影響，提高可靠性。
文檔編號H01L21/331GK102969244SQ20121053329
公開日2013年3月13日 申請日期2012年12月11日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月11日
發(fā)明者程新紅, 夏超, 王中健, 曹鐸, 鄭理, 賈婷婷, 俞躍輝 申請人:中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所