逆導(dǎo)絕緣柵雙極型晶體管結(jié)構(gòu)及其對(duì)應(yīng)的制造方法
【專利摘要】逆導(dǎo)絕緣柵雙極型晶體管結(jié)構(gòu)及其對(duì)應(yīng)的制造方法，本發(fā)明涉及功率半導(dǎo)體器件的結(jié)構(gòu)和制造過(guò)程，為提供一種能夠在無(wú)薄晶圓工藝的情況下制造的高性能RC?IGBT結(jié)構(gòu)，本發(fā)明提供一種RC?IGBT結(jié)構(gòu)，其包括：在正面處的發(fā)射極；在發(fā)射極下的多個(gè)元胞；在元胞下的n?漂移區(qū)；在背面處的集電極；在背面處并且被集電極充滿的多個(gè)溝槽；溝槽之間的機(jī)械支撐半導(dǎo)體區(qū)；每個(gè)溝槽的頂部并且連接到集電極的p+集電區(qū)；每個(gè)p+集電區(qū)的頂部并且在n?漂移區(qū)下方的n緩沖區(qū)；作為每個(gè)溝槽側(cè)壁處的機(jī)械支撐半導(dǎo)體區(qū)的一部分并且連接到集電極的n+陰極區(qū)。有益效果在于，在不需要薄晶圓工藝的情況下，制造的高性能RC?IGBT結(jié)構(gòu)。
【專利說(shuō)明】
逆導(dǎo)絕緣柵雙極型晶體管結(jié)構(gòu)及其對(duì)應(yīng)的制造方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明大體上涉及功率半導(dǎo)體器件的結(jié)構(gòu)和制造過(guò)程，且確切地說(shuō)，涉及逆導(dǎo)絕緣柵雙極型晶體管(RC-1GBT) AC-1GBT包括在同一芯片上單片集成的兩個(gè)器件:絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)和續(xù)流二極管(FWD )。
【背景技術(shù)】
[0002]RC-1GBT已經(jīng)廣泛用于感性加熱器等高壓功率電子系統(tǒng)中。通常RC-1GBT的制造需要薄晶圓工藝，這使得制造過(guò)程相當(dāng)具有挑戰(zhàn)性。因此，本發(fā)明的目的是提供一種能夠在無(wú)薄晶圓工藝的情況下制造的高性能RC-1GBT結(jié)構(gòu)。
現(xiàn)有技術(shù)
[0003]圖1中示出現(xiàn)有技術(shù)RC-1GBT器件100的橫截面。器件100包括發(fā)射極(120)、在發(fā)射極(120)下的多個(gè)元胞、在所述元胞下的η—漂移區(qū)(I 14)、在η—漂移區(qū)(114)下的η緩沖區(qū)(115)、在η緩沖區(qū)(115)下的多個(gè)η+陰極區(qū)(117)和P+集電區(qū)(116)、以及在底部處的集電極(122)，所述的元胞包括:在η—漂移區(qū)(114)的頂部的P基區(qū)(113);由P基區(qū)(113)的上表面部分地包圍并且連接到發(fā)射極(120)的η+發(fā)射區(qū)(111);將P基區(qū)(113)連接到發(fā)射極(120)的P+擴(kuò)散區(qū)(112);覆蓋P基區(qū)(113)的側(cè)壁表面并且因此在η+發(fā)射區(qū)(111)與η—漂移區(qū)(114)之間形成溝道的柵電介質(zhì)(131);由柵電介質(zhì)(131)包圍的溝槽式柵電極(121)。集成IGBT的發(fā)射極(120)和集電極(122)還分別是集成FWD的陽(yáng)極電極和陰極電極。為了獲得優(yōu)化性能的集成IGBT，器件100的晶圓厚度應(yīng)相當(dāng)薄以實(shí)施場(chǎng)阻止設(shè)計(jì)。例如，如果器件100具有600 V的額定電壓，那么晶圓厚度將為約60 Mi。需要專用系統(tǒng)來(lái)處理此類薄晶圓，并且制造成本相當(dāng)高。此外，即使使用專用系統(tǒng)，不使晶圓破裂從而實(shí)現(xiàn)高良率也是相當(dāng)具有挑戰(zhàn)性的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]因此，本發(fā)明的目的是提供一種能夠在無(wú)薄晶圓工藝的情況下制造的高性能RC-1GBT結(jié)構(gòu)。
[0005]為了實(shí)現(xiàn)此目的和其它目的，本發(fā)明提供一種RC-1GBT結(jié)構(gòu)，所述RC-1GBT結(jié)構(gòu)包括:在正面處的發(fā)射極;在發(fā)射極下的多個(gè)元胞;在元胞下的η—漂移區(qū)；在背面處的集電極；在背面處并且被集電極充滿的多個(gè)溝槽;在溝槽之間的機(jī)械支撐半導(dǎo)體區(qū)；在每個(gè)溝槽的頂部并且連接到集電極的P+集電區(qū)；在每個(gè)P+集電區(qū)的頂部并且在η—漂移區(qū)下方的η緩沖區(qū);作為在每個(gè)溝槽側(cè)壁處的機(jī)械支撐半導(dǎo)體區(qū)的一部分并且連接到集電極的η+陰極區(qū)。
[0006]一種逆導(dǎo)絕緣柵雙極型晶體管結(jié)構(gòu)(RC-1GBT)，其包括有:
位于正面處頂部的發(fā)射極，
在所述發(fā)射極下的多個(gè)元胞結(jié)構(gòu)，
在所述元胞結(jié)構(gòu)下的第一導(dǎo)電類型的漂移區(qū)，
在背面處的集電極， 一個(gè)以上的溝槽，所述的溝槽在所述背面處并且被所述集電極充滿，
在所述溝槽之間的機(jī)械支撐半導(dǎo)體區(qū)，
第二導(dǎo)電類型的集電區(qū)，所述第二導(dǎo)電類型的集電區(qū)在每個(gè)溝槽的頂部并且連接到所述集電極，
第一導(dǎo)電類型的緩沖區(qū)，所述第一導(dǎo)電類型的緩沖區(qū)在每個(gè)第二導(dǎo)電類型的集電區(qū)的頂部并且在所述第一導(dǎo)電類型的漂移區(qū)下方，所述的第一導(dǎo)電類型的緩沖區(qū)將漂移區(qū)和集電區(qū)隔開(kāi)；
第一導(dǎo)電類型的陰極區(qū)，所述第一導(dǎo)電類型的陰極區(qū)作為在每個(gè)溝槽側(cè)壁處的機(jī)械支撐半導(dǎo)體區(qū)的一部分并且連接到所述集電極。
[0007]進(jìn)一步的，所述的元胞結(jié)構(gòu)包括有:
第二導(dǎo)電類型的基區(qū)，所述第二導(dǎo)電類型的基區(qū)在所述第一導(dǎo)電類型的漂移區(qū)的頂部，
第一導(dǎo)電類型的發(fā)射區(qū)，所述第一導(dǎo)電類型的發(fā)射區(qū)和所述第二導(dǎo)電類型的基區(qū)接觸并且連接到所述發(fā)射極，
第二導(dǎo)電類型的擴(kuò)散區(qū)，所述第二導(dǎo)電類型的擴(kuò)散區(qū)下方和所述的第二導(dǎo)電類型的基區(qū)接觸并在上方兩側(cè)和所述的第一導(dǎo)電類型的發(fā)射區(qū)接觸，所述的第二導(dǎo)電類型的擴(kuò)散區(qū)上方還和所述的發(fā)射極接觸并將所述第二導(dǎo)電類型的基區(qū)連接到所述發(fā)射極，
柵電介質(zhì)，所述柵電介質(zhì)覆蓋所述第二導(dǎo)電類型的基區(qū)的側(cè)壁表面并且因此在所述第一導(dǎo)電類型的發(fā)射區(qū)與所述第一導(dǎo)電類型的漂移區(qū)之間形成溝道，
溝槽式柵電極，所述溝槽式柵電極被所述柵電介質(zhì)包圍，
層間電介質(zhì)，所述層間電介質(zhì)隔離所述柵電極和所述發(fā)射極(220)。
[0008]進(jìn)一步的，所述的元胞結(jié)構(gòu)包括有:
第二導(dǎo)電類型的基區(qū)，所述第二導(dǎo)電類型的基區(qū)位于所述的第一導(dǎo)電類型的漂移區(qū)的上方并和所述漂移區(qū)的上表面接觸，
第一導(dǎo)電類型的發(fā)射區(qū)，所述第一導(dǎo)電類型的發(fā)射區(qū)和所述第二導(dǎo)電類型的基區(qū)的上表面接觸并且連接到所述發(fā)射極，
第二導(dǎo)電類型的擴(kuò)散區(qū)，所述第二導(dǎo)電類型的擴(kuò)散區(qū)分別與所述的發(fā)射極和第二導(dǎo)電類型的基區(qū)接觸，將所述基區(qū)連接到所述發(fā)射極，
柵電介質(zhì)，所述柵電介質(zhì)覆蓋所述第二導(dǎo)電類型的基區(qū)的上表面并且因此在所述發(fā)射區(qū)與所述第一導(dǎo)電類型的漂移區(qū)之間形成溝道，
柵電極，所述柵電極在所述柵電介質(zhì)的頂部，
層間電介質(zhì)，所述層間電介質(zhì)隔離所述柵電極和所述發(fā)射極。
[0009]進(jìn)一步的，其中所述第一導(dǎo)電類型的漂移區(qū)具有從IX 112 cm—3到I X 115 cm—3的摻雜濃度以及30 μπι與400 μπι之間的長(zhǎng)度。
[0010]進(jìn)一步的，其中所述溝槽具有圓形頂視圖。
[0011 ]進(jìn)一步的，其中所述溝槽具有六邊形頂視圖。
[0012]進(jìn)一步的，其中所述第一導(dǎo)電類型的緩沖區(qū)的摻雜濃度比所述第一導(dǎo)電類型的漂移區(qū)的摻雜濃度高，所述第一導(dǎo)電類型的緩沖區(qū)的長(zhǎng)度比所述第一導(dǎo)電類型的漂移區(qū)的長(zhǎng)度短。
[0013]進(jìn)一步的，其中所述第二導(dǎo)電類型的集電區(qū)具有IX 118 cm—3到I X 121 cm—3的摻雜濃度以及0.1 μπι與I μπι之間的深度。
[0014]進(jìn)一步的，其中所述第一導(dǎo)電類型的陰極區(qū)(217/317)具有IX 119 cm—3到I X 121cm—3的摻雜濃度。
[0015]一種制造RC-1GBT結(jié)構(gòu)的方法，其包括有如下步驟:
以襯底晶圓開(kāi)始，
在所述晶圓的正面形成多個(gè)元胞結(jié)構(gòu)，
使用硬掩模在所述晶圓的背面形成一個(gè)以上溝槽并且同時(shí)形成第一導(dǎo)電類型的漂移區(qū)，
在每個(gè)溝槽的頂部形成第一導(dǎo)電類型的緩沖區(qū)并且在每個(gè)溝槽的側(cè)壁形成第一導(dǎo)電類型的陰極區(qū)，
在所述第一導(dǎo)電類型的緩沖區(qū)下形成第二導(dǎo)電類型的集電區(qū)，
移除所述硬掩模，
在所述晶圓的所述背面形成集電極，
在所述晶圓的所述正面形成發(fā)射極。
[0016]進(jìn)一步的，其中通過(guò)擴(kuò)散同時(shí)形成所述第一導(dǎo)電類型的緩沖區(qū)和所述第一導(dǎo)電類型的陰極區(qū)。
[0017]進(jìn)一步的，其中通過(guò)擴(kuò)散形成所述第一導(dǎo)電類型的緩沖區(qū)，且接著通過(guò)傾斜離子注入和退火形成所述第一導(dǎo)電類型的陰極區(qū)。
[0018]進(jìn)一步的，其中通過(guò)擴(kuò)散形成所述第一導(dǎo)電類型的陰極區(qū)，且接著通過(guò)硅各向異性蝕刻和隨后擴(kuò)散來(lái)形成所述第一導(dǎo)電類型的緩沖區(qū)。
[0019]進(jìn)一步的，其中通過(guò)淀積金屬層形成所述集電極。
[0020]進(jìn)一步的，其中通過(guò)淀積金屬層且接著執(zhí)行平坦化來(lái)形成所述集電極。
[0021]本發(fā)明的有益效果在于，提供一種能夠在無(wú)薄晶圓工藝的情況下制造的高性能RC-1GBT結(jié)構(gòu)以及該結(jié)構(gòu)的制造方法。
【附圖說(shuō)明】
[0022]圖1是現(xiàn)有技術(shù)RC-1GBT器件100的截面視圖。
[0023]圖2是實(shí)施于溝槽式柵極RC-1GBT器件200中的本發(fā)明的截面視圖。
[0024]圖3是實(shí)施于平面柵極RC-1GBT器件300中的本發(fā)明的截面視圖。
[0025]圖4是用于如之前在圖2中所示的器件200的背面圖案設(shè)計(jì)。
[0026]圖5是用于如之前在圖2中所示的器件200的另一背面圖案設(shè)計(jì)。
[0027]圖6到圖12示出用于如之前在圖2中所示的器件200的制造方法。
【具體實(shí)施方式】
[0028]本發(fā)明將使用η溝道器件進(jìn)行說(shuō)明，但是在以下說(shuō)明中將被理解，本發(fā)明同樣適用于P溝道器件。在本發(fā)明說(shuō)明書(shū)中，重?fù)诫sη型區(qū)標(biāo)記為Π+，且重?fù)诫sP型區(qū)標(biāo)記為P+。除非另外說(shuō)明，否則在硅中，重?fù)诫s區(qū)通常具有I X 119 cm—3與IXlO21 cm—3之間的摻雜濃度。在本發(fā)明說(shuō)明書(shū)中，輕摻雜η型區(qū)標(biāo)記為η—，且輕摻雜P型區(qū)標(biāo)記為ρ—。除非另外說(shuō)明，否則在硅中，輕摻雜區(qū)通常具有I X 113 Cm—3與I X 117 cm—3之間的摻雜濃度。
[0029]圖2是實(shí)施于溝槽式柵極RC-1GBT器件200中的本發(fā)明的截面視圖。器件200包括:在正面處的發(fā)射極(220);在發(fā)射極(220)下的多個(gè)元胞結(jié)構(gòu)；在元胞結(jié)構(gòu)下的η—漂移區(qū)
(214);在背面處的集電極(222);在背面處并且被集電極(222)充滿的多個(gè)溝槽(240);在溝槽(240)之間的機(jī)械支撐半導(dǎo)體區(qū)(241);在每個(gè)溝槽(240)的頂部并且連接到集電極(222)的P+集電區(qū)(216);在每個(gè)ρ+集電區(qū)(216)的頂部并且在η—漂移區(qū)(214)下方的η緩沖區(qū)
(215);作為在每個(gè)溝槽(240)側(cè)壁處的機(jī)械支撐半導(dǎo)體區(qū)(241)的一部分并且連接到集電極(222)的η+陰極區(qū)(217)。與器件100相比較，器件200具有相同的元胞結(jié)構(gòu)，包括:在η—漂移區(qū)(214)的頂部的ρ基區(qū)(213);由ρ基區(qū)(213)的上表面部分地包圍并且連接到發(fā)射極(220)的η+發(fā)射區(qū)(211);將ρ基區(qū)(213)連接到發(fā)射極(220)的ρ+擴(kuò)散區(qū)(212);覆蓋ρ基區(qū)(213)的側(cè)壁表面并且因此在η+發(fā)射區(qū)(211)與η—漂移區(qū)(214)之間形成溝道的柵電介質(zhì)(231);由柵電介質(zhì)(231)包圍的溝槽式柵電極(221);隔離柵電極(221)和發(fā)射極(220)的層間電介質(zhì)(230)。在器件200的導(dǎo)通狀態(tài)下，ρ基區(qū)(213)的側(cè)壁表面反型且在η+發(fā)射區(qū)(211)與η—漂移區(qū)(214)之間形成η型溝道，并且電子可以流過(guò)所述溝道。如果導(dǎo)通狀態(tài)電流密度較小(例如，遠(yuǎn)低于100 A/cm2)，那么所述器件作為功率MOSFET運(yùn)行，并且η+陰極區(qū)(217)是功率MOSFET的漏區(qū)。如果導(dǎo)通狀態(tài)電流密度較大(例如，100 A/cm2左右)，那么ρ+集電區(qū)(216)/η緩沖區(qū)(215)結(jié)將正向偏置，并且所述器件作為IGBT運(yùn)行。在器件200的斷開(kāi)狀態(tài)下，電流被逆向偏置的η—漂移(214)/ρ基區(qū)(213)結(jié)阻斷。在器件200的逆向?qū)〞r(shí)，由ρ基區(qū)(213)/η—漂移(214)/η+陰極區(qū)(217)形成的FWD是正向偏置的，并且逆向電流可以從發(fā)射極(220)流向集電極(222)。器件200的運(yùn)行機(jī)制與器件100的運(yùn)行機(jī)制基本上相同。然而，器件200在背面處具有三維結(jié)構(gòu)，但器件100并非如此。如圖中所示，在器件200中，在背面處存在多個(gè)深溝槽(240)。在每個(gè)溝槽處，集成IGBT的ρ+集電區(qū)(216)位于頂側(cè)處，并且集成FWD的η+陰極區(qū)(217)位于側(cè)壁處。所述結(jié)構(gòu)使得集成IGBT能夠具有相對(duì)較薄的(例如，60 μπι)器件厚度，同時(shí)溝槽之間的半導(dǎo)體區(qū)(241)仍然保持較厚(例如，約700 μπι)以用作機(jī)械支撐。集成IGBT的較薄的器件厚度是可取的，因?yàn)榭梢詫?shí)現(xiàn)當(dāng)前最新技術(shù)發(fā)展水平的場(chǎng)阻止背面結(jié)構(gòu)，同時(shí)機(jī)械支撐半導(dǎo)體區(qū)(241)使得能夠在無(wú)需特別注意的情況下正常地處理器件晶圓。此外，由于集成FWD的η+陰極區(qū)(217)是支撐半導(dǎo)體區(qū)(241)的一部分，因此機(jī)械支撐半導(dǎo)體區(qū)(241)在電氣性能方面并不浪費(fèi)。
[0030]基于器件200的運(yùn)行機(jī)制，需要相應(yīng)地設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)參數(shù)。在器件200的阻斷狀態(tài)下，阻斷電壓主要通過(guò)輕摻雜η—漂移區(qū)(214)維持。η—漂移區(qū)(214)的摻雜濃度和長(zhǎng)度取決于器件的額定電壓，通常IGBT具有400 V與6000 V之間的額定電壓，基于此范圍，η—漂移區(qū)(214)的摻雜濃度在I X 112 cm—3與I X 115 cm—3之間，并且η—漂移區(qū)(214)的長(zhǎng)度在30 μπι與400 μπι之間。由于阻斷電壓主要通過(guò)被耗盡的η—漂移區(qū)(214)維持，因此η緩沖區(qū)(215)的長(zhǎng)度可比η—漂移區(qū)(214)的長(zhǎng)度小得多。另一方面，η緩沖區(qū)(215)的摻雜濃度應(yīng)高于η—漂移區(qū)(214)的摻雜濃度，因?yàn)棣蔷彌_區(qū)(215)應(yīng)阻止在阻斷狀態(tài)下耗盡區(qū)的擴(kuò)展。在器件的導(dǎo)通狀態(tài)下，如果電流密度較小(例如，遠(yuǎn)低于100 A/cm2)，那么所述器件作為功率MOSFET運(yùn)行，并且η+陰極區(qū)(217)是功率MOSFET的漏區(qū)。為了與集電極(222)形成良好歐姆接觸，η+陰極區(qū)(217)需要是重?fù)诫s的。如果導(dǎo)通狀態(tài)電流密度較大(例如，100 A/cm2左右)，那么ρ+集電區(qū)(216)/η緩沖區(qū)(215)結(jié)將正向偏置，并且所述器件作為IGBT運(yùn)行。在所述IGBT模式下，空穴從ρ+集電區(qū)(216)注入到η—漂移區(qū)(214)中，從而形成相較于功率MOSFET模式下的導(dǎo)通損耗相對(duì)更低的導(dǎo)通損耗。然而，背面P+集電區(qū)(216)/η緩沖區(qū)(215)結(jié)的空穴注入效率不應(yīng)太高以致顯著降低開(kāi)關(guān)速度。因此，對(duì)于P+集電區(qū)(216)，優(yōu)選的是從IXlO18 cm—3到IXlO21 cm—3的摻雜濃度和0.1 μπι與I μπι之間的深度。
[0031]圖3是實(shí)施于平面柵極RC-1GBT器件300中的本發(fā)明的截面視圖。器件300的背面結(jié)構(gòu)與器件200的背面結(jié)構(gòu)相同，同樣包括:在正面處的發(fā)射極(320);在發(fā)射極(320)下的多個(gè)元胞結(jié)構(gòu);在元胞結(jié)構(gòu)下的η-漂移區(qū)(314);在背面處的集電極(322);在背面處并且被集電極(322)充滿的多個(gè)溝槽(340);在溝槽(340)之間的機(jī)械支撐半導(dǎo)體區(qū)(341);在每個(gè)溝槽(340)的頂部并且連接到集電極(322)的ρ+集電區(qū)(316);在每個(gè)ρ+集電區(qū)(316)的頂部并且在η-漂移區(qū)(314)下方的η緩沖區(qū)(315);作為在每個(gè)溝槽(3240)側(cè)壁處的機(jī)械支撐半導(dǎo)體區(qū)(341)的一部分并且連接到集電極(322)的η+陰極區(qū)(317)。器件300和器件200的運(yùn)行機(jī)制也相同。器件300與器件200之間的唯一區(qū)別是元胞結(jié)構(gòu)。在器件300中，所述元胞包括:由η—漂移區(qū)(314)的上表面部分地包圍的ρ基區(qū)(313);由ρ基區(qū)(313)的上表面部分地包圍并且連接到發(fā)射極(320)的η+發(fā)射區(qū)(311);將ρ基區(qū)(313)連接到發(fā)射極(320)的ρ+擴(kuò)散區(qū)(312);覆蓋ρ基區(qū)(313)的上表面并且因此在η+發(fā)射區(qū)(311)與η—漂移區(qū)(314)之間形成溝道的柵電介質(zhì)(331);在柵電介質(zhì)(331)頂部的柵電極(321);隔離柵電極(321)和發(fā)射極(320)的層間電介質(zhì)(330)。
[0032]圖4是用于如之前在圖2中所示的器件200的背面圖案設(shè)計(jì)。如圖中所示，溝槽(240)具有圓形頂視圖。圓形圖案將不會(huì)在側(cè)壁處形成任何銳角，并且因此可以提高制造過(guò)程中溝槽(240)的均勻性。相同的設(shè)計(jì)也適用于器件300。
[0033]圖5是用于如之前在圖2中所示的器件200的另一背面圖案設(shè)計(jì)。如圖中所示，溝槽(240)具有六邊形頂視圖。六邊形圖案使得溝槽(240)能夠緊密地排列，并且因此在設(shè)計(jì)規(guī)則不變的情況下使集成IGBT所占面積的百分比最大化。相同的設(shè)計(jì)也適用于器件300。
[0034]圖6到圖12示出用于如之前在圖2中所示的器件200的制造方法。所述制造方法包括:1)以輕摻雜η型襯底晶圓開(kāi)始;2)在晶圓的正面形成多個(gè)元胞;3)使用硬掩模(232)在晶圓的背面形成多個(gè)溝槽(240)并且同時(shí)形成η—漂移區(qū)(214) ;4)在每個(gè)溝槽的頂部形成η緩沖區(qū)(215)并且在每個(gè)溝槽的側(cè)壁形成η+陰極區(qū)(217) ;5)在緩沖區(qū)(215)下形成集電區(qū)
(216);6)移除硬掩模(232);7)在晶圓的背面形成集電極(222) ;8)在晶圓的正面形成發(fā)射極(220)。
[0035]圖6示出在晶圓的正面形成元胞。開(kāi)始的晶圓是輕摻雜η型襯底晶圓。襯底晶圓的摻雜濃度應(yīng)與η—漂移區(qū)(214)的目標(biāo)摻雜濃度相同。襯底晶圓具有正常厚度。例如，正常6英寸的晶圓具有約700 Mi的厚度。使用如所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員已知的常用溝槽式柵極技術(shù)形成元胞。為了避免在以下步驟對(duì)爐管造成污染，在這個(gè)步驟不形成發(fā)射極(220)并且不對(duì)層間電介質(zhì)(230)進(jìn)行圖案化。
[0036]圖7示出在背面處形成溝槽(240)并且還形成η—漂移區(qū)(214)。首先，在背面處淀積硬掩模層(232)并對(duì)其進(jìn)行圖案化。接著使用硬掩模(232)蝕刻溝槽(240)，并且同時(shí)晶圓的剩余部分變?yōu)棣恰茀^(qū)(214)。硬掩模(232)典型地是但不限于氧化硅，蝕刻典型地是但不限于深反應(yīng)離子刻蝕(DRIE)。溝槽(240)的深度取決于η—漂移區(qū)(214)的長(zhǎng)度和晶圓的厚度。例如，正常6英寸的晶圓具有約700 μπι的厚度，而600 V的場(chǎng)阻止IGBT需要約60 μπι的η—漂移區(qū)(214)長(zhǎng)度。在這種情況下，溝槽(240)的深度應(yīng)為640 Mi，即是晶圓厚度與目標(biāo)η—漂移區(qū)(214)長(zhǎng)度之間的差值。另一方面，溝槽的寬度取決于特定設(shè)計(jì)，并且寬度典型地在50μπι與 500 μπι之間。
[0037]圖8示出形成η緩沖區(qū)(215)和η+陰極區(qū)(217)。在本發(fā)明的實(shí)施例中，通過(guò)擴(kuò)散同時(shí)形成η緩沖區(qū)(215)和η+陰極區(qū)(217)。例如，可以在約1000攝氏度下將磷擴(kuò)散到硅中以在溝槽(240)的表面處形成重?fù)诫sη區(qū)。在這種情況下，制造過(guò)程簡(jiǎn)單。然而，這可能導(dǎo)致η緩沖區(qū)(215)中的高摻雜濃度，不利于實(shí)現(xiàn)場(chǎng)阻止結(jié)構(gòu)。在本發(fā)明的另一實(shí)施例中，通過(guò)擴(kuò)散形成η緩沖區(qū)(215)，且接著通過(guò)傾斜離子注入和退火形成η+陰極區(qū)(217)。在這種情況下，η緩沖區(qū)(215)的摻雜濃度可以與η+陰極區(qū)(217)的摻雜濃度無(wú)關(guān)，而根據(jù)所需的器件性能決定。此外，通過(guò)控制傾斜角，可以使η+陰極區(qū)(217)遠(yuǎn)離溝槽頂部，這將在η+陰極區(qū)(217)與ρ+集電區(qū)(216)/η緩沖區(qū)(215)結(jié)之間形成相對(duì)較高的電阻。相對(duì)較高的電阻利于在相對(duì)較低電流使IGBT運(yùn)行，從而抑制RC-1GBT特有的正向曲線回掃效應(yīng)。在本發(fā)明的又一實(shí)施例中，首先通過(guò)擴(kuò)散形成η+陰極區(qū)(217)。接著通過(guò)各向異性蝕刻來(lái)蝕刻掉溝槽(240)頂部的η+硅區(qū)。各向異性蝕刻典型地不限于DRIE。在那之后，使用相對(duì)較小劑量執(zhí)行擴(kuò)散以形成η緩沖區(qū)(215)。在這種情況下，η緩沖區(qū)(215)的摻雜濃度也可以與η+陰極區(qū)(217)無(wú)關(guān)。此外，通過(guò)控制硅的過(guò)蝕刻，也可以使η+陰極區(qū)(217)遠(yuǎn)離溝槽(240)的頂部，并且因此可以抑制器件的正向曲線回掃效應(yīng)。最后，值得指出的是，在所有這些實(shí)施例中，在η緩沖區(qū)(215)與η+陰極區(qū)(217)之間不存在固定邊界，因?yàn)檫@兩個(gè)區(qū)彼此靠近并且具有相同的摻雜類型。
[0038]圖9示出形成ρ+集電區(qū)(216)。通過(guò)離子注入和退火形成ρ+集電區(qū)(216)。值得指出的是，P+集電區(qū)(216)的形成會(huì)部分地消耗η緩沖區(qū)(215)，但是不會(huì)消耗η+陰極區(qū)(217)，因?yàn)槠湮挥跍喜?240)的側(cè)壁處。
[0039]圖10示出在晶圓的背面形成集電極(222)。首先，移除硬掩模(232)。接著在晶圓的背面淀積金屬層以形成集電極(222)。通?？梢酝ㄟ^(guò)濕法蝕刻移除硬掩模(232)?？梢酝ㄟ^(guò)濺鍍、蒸鍍或電鍍淀積金屬層。
[0040]圖11示出針對(duì)集電極(222)的可選的平坦化步驟?？梢栽诮饘俚矸e之后可選地執(zhí)行平坦化。平坦化是機(jī)械研磨或化學(xué)機(jī)械拋光或機(jī)械研磨之后化學(xué)機(jī)械拋光。平滑的背面表面有利于封裝，因?yàn)槠淇梢詼p少封裝過(guò)程中芯片背面的空隙。
[0041]圖12示出在晶圓的正面形成發(fā)射極(220)。首先，對(duì)層間電介質(zhì)(230)進(jìn)行圖案化。接著在正面淀積金屬層以形成發(fā)射極(220)。在那之后，可以執(zhí)行合金退火以減小發(fā)射極(220)的接觸電阻。
[0042]最后，值得指出的是，所述制造方法與器件的元胞結(jié)構(gòu)無(wú)關(guān)，因?yàn)樵窃谔幚肀趁嬷靶纬傻摹Ｒ虼?，雖然使用器件200作為實(shí)例說(shuō)明了所述制造方法，但是相同的方法也適用于器件300。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種逆導(dǎo)絕緣柵雙極型晶體管結(jié)構(gòu)，其特征在于，其包括有: 位于正面處頂部的發(fā)射極(220/320)， 在所述發(fā)射極(220/320 )下的多個(gè)元胞結(jié)構(gòu)， 在所述元胞結(jié)構(gòu)下的第一導(dǎo)電類型的漂移區(qū)(214/314)， 在背面處的集電極(222/322)， 一個(gè)以上的溝槽(240/340)，所述的溝槽(240/340)在所述背面處并且被所述集電極(222/322)充滿， 在所述溝槽(240/340)之間的機(jī)械支撐半導(dǎo)體區(qū)(241/341)， 第二導(dǎo)電類型的集電區(qū)(216/316)，所述第二導(dǎo)電類型的集電區(qū)(216/316)在每個(gè)溝槽(240/340)的頂部并且連接到所述集電極(222/322)， 第一導(dǎo)電類型的緩沖區(qū)(215/315)，所述第一導(dǎo)電類型的緩沖區(qū)(215/315)在每個(gè)第二導(dǎo)電類型的集電區(qū)(216/316)的頂部并且在所述第一導(dǎo)電類型的漂移區(qū)(214/314)下方，所述的第一導(dǎo)電類型的緩沖區(qū)(215/315)將漂移區(qū)(214/314)和集電區(qū)(216/316)隔開(kāi)； 第一導(dǎo)電類型的陰極區(qū)(217/317)，所述第一導(dǎo)電類型的陰極區(qū)(217/317)作為在每個(gè)溝槽(240/340)側(cè)壁處的機(jī)械支撐半導(dǎo)體區(qū)(241/341)的一部分并且連接到所述集電極(222/322)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的逆導(dǎo)絕緣柵雙極型晶體管結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述的元胞結(jié)構(gòu)包括有: 第二導(dǎo)電類型的基區(qū)(213)，所述第二導(dǎo)電類型的基區(qū)(213)在所述第一導(dǎo)電類型的漂移區(qū)(214)的頂部， 第一導(dǎo)電類型的發(fā)射區(qū)(211)，所述第一導(dǎo)電類型的發(fā)射區(qū)(211)所述第二導(dǎo)電類型的基區(qū)(213)接觸并且連接到所述發(fā)射極(220)， 第二導(dǎo)電類型的擴(kuò)散區(qū)(212)，所述第二導(dǎo)電類型的擴(kuò)散區(qū)(212)下方和所述的第二導(dǎo)電類型的基區(qū)(213)接觸并在上方兩側(cè)和所述的第一導(dǎo)電類型的發(fā)射區(qū)(211)接觸，所述的第二導(dǎo)電類型的擴(kuò)散區(qū)(212)上方還和所述的發(fā)射極(220)接觸并將所述第二導(dǎo)電類型的基區(qū)(213)連接到所述發(fā)射極(220)， 柵電介質(zhì)(231)，所述柵電介質(zhì)覆蓋所述第二導(dǎo)電類型的基區(qū)(213)的側(cè)壁表面并且因此在所述第一導(dǎo)電類型的發(fā)射區(qū)(211)與所述第一導(dǎo)電類型的漂移區(qū)(214)之間形成溝道，溝槽式柵電極(221)，所述溝槽式柵電極(221)被所述柵電介質(zhì)(231)包圍， 層間電介質(zhì)(230)，所述層間電介質(zhì)(230)隔離所述柵電極(221)和所述發(fā)射極(220)。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的逆導(dǎo)絕緣柵雙極型晶體管結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述的元胞結(jié)構(gòu)包括有: 第二導(dǎo)電類型的基區(qū)(313)，所述第二導(dǎo)電類型的基區(qū)(313)位于所述的第一導(dǎo)電類型的漂移區(qū)(314)的上方并和所述漂移區(qū)(314)的上表面接觸， 第一導(dǎo)電類型的發(fā)射區(qū)(311)，所述第一導(dǎo)電類型的發(fā)射區(qū)(311)和所述第二導(dǎo)電類型的基區(qū)(313)的上表面接觸并且連接到所述發(fā)射極(320)， 第二導(dǎo)電類型的擴(kuò)散區(qū)(312)，所述第二導(dǎo)電類型的擴(kuò)散區(qū)(312)分別與所述的發(fā)射極(320)和第二導(dǎo)電類型的基區(qū)(313)接觸，將所述基區(qū)(313)連接到所述發(fā)射極(320)， 柵電介質(zhì)(331)，所述柵電介質(zhì)(331)覆蓋所述第二導(dǎo)電類型的基區(qū)(313)的上表面并且因此在所述發(fā)射區(qū)(311)與所述第一導(dǎo)電類型的漂移區(qū)(314)之間形成溝道， 柵電極(321)，所述柵電極(321)在所述柵電介質(zhì)(331)的頂部， 層間電介質(zhì)(330)，所述層間電介質(zhì)隔離所述柵電極(321)和所述發(fā)射極(320)。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的逆導(dǎo)絕緣柵雙極型晶體管結(jié)構(gòu)，其特征在于，其中所述第一導(dǎo)電類型的漂移區(qū)214/314)具有從I X 112 cm—3到I X 115 cm—3的摻雜濃度以及30 μπι與400ym之間的長(zhǎng)度。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的逆導(dǎo)絕緣柵雙極型晶體管結(jié)構(gòu)，其特征在于，其中所述溝槽(240/340)具有圓形頂視圖。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的逆導(dǎo)絕緣柵雙極型晶體管結(jié)構(gòu)，其特征在于，其中所述溝槽(240/340)具有六邊形頂視圖。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的逆導(dǎo)絕緣柵雙極型晶體管結(jié)構(gòu)，其特征在于，其中所述第一導(dǎo)電類型的緩沖區(qū)(215/315)的摻雜濃度比所述第一導(dǎo)電類型的漂移區(qū)(214/314)的摻雜濃度高，所述第一導(dǎo)電類型的緩沖區(qū)(215/315)的長(zhǎng)度比所述第一導(dǎo)電類型的漂移區(qū)(214/314)的長(zhǎng)度短。8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的逆導(dǎo)絕緣柵雙極型晶體管結(jié)構(gòu)，其特征在于，其中所述第二導(dǎo)電類型的集電區(qū)(216/316)具有I X 118 cm—3到I X 121 cm—3的摻雜濃度以及0.1 μπι與I μπι之間的深度。9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的逆導(dǎo)絕緣柵雙極型晶體管結(jié)構(gòu)，其特征在于，其中所述第一導(dǎo)電類型的陰極區(qū)(217/317)具有I X 119 cm—3到I X 121 cm—3的摻雜濃度。10.一種制造RC-1GBT結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于，其包括有如下步驟: 以襯底晶圓開(kāi)始， 在所述晶圓的正面形成多個(gè)元胞結(jié)構(gòu)， 使用硬掩模(232)在所述晶圓的背面形成一個(gè)以上溝槽(240/340)并且同時(shí)形成第一導(dǎo)電類型的漂移區(qū)(214/314)， 在每個(gè)溝槽(240/340)的頂部形成第一導(dǎo)電類型的緩沖區(qū)(215/315)并且在每個(gè)溝槽的側(cè)壁形成第一導(dǎo)電類型的陰極區(qū)(217/317)， 在所述第一導(dǎo)電類型的緩沖區(qū)(215/315)下形成第二導(dǎo)電類型的集電區(qū)(216/316)， 移除所述硬掩模(232)， 在所述晶圓的所述背面形成集電極(222/322)， 在所述晶圓的所述正面形成發(fā)射極(220/320)。11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的制造方法，其特征在于，其中通過(guò)擴(kuò)散同時(shí)形成所述第一導(dǎo)電類型的緩沖區(qū)(215/315)和所述第一導(dǎo)電類型的陰極區(qū)(217/317)。12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的制造方法，其特征在于，其中通過(guò)擴(kuò)散形成所述第一導(dǎo)電類型的緩沖區(qū)(215/315)，且接著通過(guò)傾斜離子注入和退火形成所述第一導(dǎo)電類型的陰極區(qū)(217/317)。13.根據(jù)權(quán)利要求10所述的制造方法，其特征在于，其中通過(guò)擴(kuò)散形成所述第一導(dǎo)電類型的陰極區(qū)(217/317)，且接著通過(guò)硅各向異性蝕刻和隨后擴(kuò)散來(lái)形成所述第一導(dǎo)電類型的緩沖區(qū)(215/315)。14.根據(jù)權(quán)利要求10所述的制造方法，其特征在于，其中通過(guò)淀積金屬層形成所述集電極(222/320)。15.根據(jù)權(quán)利要求10所述的制造方法，其特征在于，其中通過(guò)淀積金屬層且接著執(zhí)行平坦化來(lái)形成所述集電極(222/320)。
【文檔編號(hào)】H01L29/739GK105895682SQ201610538903
【公開(kāi)日】2016年8月24日
【申請(qǐng)日】2016年7月11日
【發(fā)明人】劉佩斯, 周賢達(dá), 單建安
【申請(qǐng)人】劉佩斯