專利名稱：深溝槽絕緣柵極雙極晶體管的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及功率半導(dǎo)體器件結(jié)構(gòu)和用于制造高壓晶體管的工藝。
背景技術(shù)：
高壓場(chǎng)效應(yīng)晶體管(HVFET)以及高壓功率半導(dǎo)體器件的其他變種是半導(dǎo)體領(lǐng)域公知的。許多HVFET使用了這樣的器件結(jié)構(gòu)該結(jié)構(gòu)包括輕度摻雜的、延伸的漏極區(qū)域，當(dāng)器件處于"關(guān)斷"狀態(tài)時(shí)，該區(qū)域支撐或阻斷所施加的高壓(例如幾百伏特)。由于高電阻的外延層，工作于高電壓(例如500-700V或更高)的普通MOSFET功率器件的"導(dǎo)通"狀態(tài)漏極-源極電阻(RDS(。N))通常很大，在高漏極電流的情況下尤其如此。例如，在傳統(tǒng)的功率MOSFET中，輕度摻雜的延伸的漏極區(qū)域(也稱為漂移區(qū))通常涉及晶體管總的導(dǎo)通狀態(tài)電阻的95%。 為了對(duì)抗傳導(dǎo)損耗問(wèn)題，已經(jīng)提出了各種替換性的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。例如，在垂直薄硅(VTS)MOSFET中，通過(guò)在薄的硅層中采用分級(jí)摻雜分布來(lái)降低傳導(dǎo)損耗，所述薄的硅層被位置相鄰的厚氧化物中嵌入的場(chǎng)板(fieldplate)耗盡。但是，VTS結(jié)構(gòu)的一個(gè)問(wèn)題是由于大的場(chǎng)板(耦合到源極端子)對(duì)硅柱(耦合到漏極端子)的重疊造成較大的輸出電容(Coss)。這種較大的輸出電容限制了器件的高頻開(kāi)關(guān)性能。傳統(tǒng)的VTS MOSFET結(jié)構(gòu)的另一個(gè)缺點(diǎn)是需要經(jīng)過(guò)漂移區(qū)域沿垂直方向的線性分級(jí)的摻雜分布，這常常難以控制并且制造成本很高。 在稱為CoolMOSTM概念的另一種途徑中，通過(guò)交替的N-和P-降低表面場(chǎng)(RESURF)層來(lái)減小傳導(dǎo)損耗。在CoolMOSTM器件中，只通過(guò)多數(shù)(majority)載流子來(lái)提供電導(dǎo)性，即，沒(méi)有雙極電流(少數(shù)載流子)的貢獻(xiàn)。由于CoolMOSTM高壓功率MOSFET設(shè)計(jì)不包括大的溝槽場(chǎng)板結(jié)構(gòu)，所以它還因較低的Coss而有利。不過(guò)，在某些應(yīng)用中，CoolMOSTM設(shè)計(jì)仍然會(huì)有高到不可接受的傳導(dǎo)性損耗。 絕緣柵極雙極晶體管(即IGBT)是少數(shù)載流子功率半導(dǎo)體器件，它通過(guò)在單一的器件結(jié)構(gòu)中由FET控制輸入和雙極功率開(kāi)關(guān)晶體管相結(jié)合而實(shí)現(xiàn)了較低的傳導(dǎo)損耗。但I(xiàn)GBT設(shè)計(jì)的主要缺點(diǎn)是，由于外延漂移區(qū)域中堆積的少數(shù)載流子造成的特征"尾電流"，開(kāi)關(guān)頻率通常被限制在60kHz或更低。換言之，在更高頻率(100kHz或更高)下由較差的開(kāi)關(guān)性能造成的開(kāi)關(guān)損耗仍然是個(gè)問(wèn)題。針對(duì)改善IGBT設(shè)計(jì)的開(kāi)關(guān)速度而進(jìn)行的嘗試包括使用超薄晶片( 75iim或更小)的非穿通結(jié)構(gòu)。但是超薄晶片工藝帶來(lái)了顯著的成本增加，并增加了制造工藝的復(fù)雜性。


根據(jù)下文的詳細(xì)說(shuō)明以及附圖會(huì)更完整地理解本發(fā)明，但是不應(yīng)認(rèn)為本發(fā)明局限于所示的具體實(shí)施例，它們僅僅是用于說(shuō)明和理解。 圖1圖示了深溝槽絕緣柵極雙極晶體管(IGBT)結(jié)構(gòu)的示例性側(cè)面剖視圖。
圖2圖示了另一種深溝槽絕緣柵極雙極晶體管(IGBT)結(jié)構(gòu)的示例性側(cè)面剖視圖。
圖3A圖示了制造處理中，在P+襯底上形成N-摻雜的外延層的初始步驟之后，深溝槽IGBT結(jié)構(gòu)的示例性側(cè)面剖視圖。 圖3B圖示了在垂直深溝槽刻蝕之后，圖3A的示例性器件結(jié)構(gòu)。 圖3C圖示了在形成填充深垂直溝槽的電介質(zhì)區(qū)域之后，圖3B的示例性器件結(jié)構(gòu)。 圖3D圖示了在對(duì)硅襯底的頂面進(jìn)行掩膜、然后進(jìn)行第一電介質(zhì)刻蝕之后，圖3C的
示例性器件結(jié)構(gòu)。 圖3E圖示了在形成柵極溝槽的第二電介質(zhì)刻蝕之后，圖3D的示例性器件結(jié)構(gòu)。
圖3F圖示了在柵極溝槽中形成溝槽柵極之后，圖3E的示例性器件結(jié)構(gòu)。
圖3G圖示了在形成源極(集電極)和主體區(qū)域之后，圖3F的示例性器件結(jié)構(gòu)。
圖4是對(duì)于示例性深溝槽IGBT器件結(jié)構(gòu)(例如圖1所示的結(jié)構(gòu))，外延層摻雜分布隨歸一化距離的曲線圖。
具體實(shí)施例方式
下面的說(shuō)明中闡述了具體細(xì)節(jié)(例如材料類型、尺寸、結(jié)構(gòu)特征、工藝步驟等)以提供對(duì)于本發(fā)明的完整理解。但是，本領(lǐng)域技術(shù)人員理解，實(shí)施本發(fā)明并不一定需要這些具體細(xì)節(jié)。應(yīng)當(dāng)明白，附圖中的要素是代表性的，并且為了清楚起見(jiàn)并未按比例繪制。
圖1圖示了深溝槽IGBT 10的一種示例性側(cè)面剖視圖，IGBT 10具有的結(jié)構(gòu)包括P+摻雜的硅襯底11上形成的、N-型硅的多個(gè)隔離開(kāi)的延伸漏極區(qū)域13。在圖1的示例中，由重度摻雜的N+緩沖層12將延伸漏極區(qū)域13從P+襯底11分開(kāi)。在一種實(shí)施例中，延伸漏極區(qū)域13是外延層的一部分，所述外延層從N+緩沖層12延伸到硅晶片的頂面。襯底11受到重度摻雜，以使其對(duì)于經(jīng)過(guò)漏電極的電流造成的電阻盡可能小，所述漏電極在完工的器件中位于襯底ll底部。 深溝槽IGBT 10還包括P-主體區(qū)域14。在每個(gè)P_主體區(qū)域14上方的晶片外延層的頂面處，一對(duì)N+摻雜的源極區(qū)域15a和15b在橫向上由P-型區(qū)域16分開(kāi)。由圖可見(jiàn)，每個(gè)P-主體區(qū)域14布置在延伸漏極區(qū)域13中相應(yīng)的一者正上方并在垂直方向上將該延伸漏極區(qū)域與N+源極區(qū)域15a、15b以及P-型區(qū)域16分開(kāi)。圖1的器件結(jié)構(gòu)還包括溝槽柵極結(jié)構(gòu)，該溝槽柵極結(jié)構(gòu)具有柵極17(例如由多晶硅組成)和柵極絕緣層28，柵極絕緣層28使柵極17與相鄰的側(cè)壁P-主體區(qū)域14絕緣。柵極絕緣層28可以包括熱生長(zhǎng)的二氧化硅或其他合適的電介質(zhì)絕緣材料。在制造完工的器件中，向柵極17施加合適的電壓電位造成沿P-主體區(qū)域14的垂直側(cè)壁部分形成導(dǎo)電溝道，使得電流可以經(jīng)過(guò)半導(dǎo)體材料垂直流動(dòng)，即從P+襯底11向上經(jīng)過(guò)緩沖層12和延伸漏極區(qū)域13，經(jīng)過(guò)垂直地形成的傳導(dǎo)溝道，到達(dá)布置了源極區(qū)域15的、硅晶片的頂面。 在另一種實(shí)施例中，不是在半導(dǎo)體柱的橫向?qū)挾确较蛏蠈+區(qū)域16布置在N+源極區(qū)域15a、15b之間(如圖l所示)，而是可以在每個(gè)柱的橫向長(zhǎng)度(即從附圖的紙面進(jìn)出)上將N+源極區(qū)域15和P+區(qū)域交替地形成在各個(gè)柱的頂部。換言之，根據(jù)取截面的位置，像圖1所示那樣給出的剖視圖將具有在柱17的整個(gè)橫向?qū)挾壬涎由斓腘+源極區(qū)域15或P+區(qū)域16。在這樣的實(shí)施例中，每個(gè)N+源極區(qū)域15在(沿柱的橫向長(zhǎng)度的)兩側(cè)由P+區(qū)域16接合。類似地，每個(gè)P+區(qū)域16在(沿柱的橫向長(zhǎng)度的)兩側(cè)由N+源極區(qū)域15接合。
本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解，？+襯底11還用作垂直P(pán)NP雙極結(jié)晶體管的P+發(fā)射極 層。用基本術(shù)語(yǔ)來(lái)表示的話，深溝槽IGBT IO包括由上述溝槽柵極MOSFET結(jié)構(gòu)控制的半導(dǎo) 體器件，所述半導(dǎo)體器件具有由交替的PNPN導(dǎo)電類型(P+襯底11，N+緩沖層12和N-延伸 漏極層13，P-主體區(qū)域14，N+源極區(qū)域15)構(gòu)成的四個(gè)層。本領(lǐng)域技術(shù)人員還可以理解， 將N+緩沖層12包括在內(nèi)有利地在高壓阻斷期間防止了漂移區(qū)域13中形成的關(guān)斷狀態(tài)耗 盡層到達(dá)P+發(fā)射極(襯底)層ll。 在圖1的示例性器件結(jié)構(gòu)中，延伸漏極區(qū)域13、 P-主體14、源極區(qū)域15a、15b和 P+區(qū)域16共同構(gòu)成了硅材料的平臺(tái)(mesa)或柱(在本申請(qǐng)中這兩個(gè)術(shù)語(yǔ)是同義的)。下 文將結(jié)合圖3A-圖3F說(shuō)明，這些柱是通過(guò)選擇性地除去各個(gè)柱或平臺(tái)的相反側(cè)的半導(dǎo)體材 料區(qū)域，而由垂直溝槽限定的。每個(gè)柱的高度和寬度，以及相鄰的垂直溝槽之間的間距，可 以由器件的擊穿電壓要求來(lái)確定。在各種實(shí)施例中，這些柱具有約30iim至120iim厚的范 圍內(nèi)的垂直高度(厚度)。例如，在大約lmmXlmm尺寸的管芯上形成的深溝槽IGBT可以 具有約60-65 ii m的垂直厚度，在總的垂直厚度中，N-延伸漏極區(qū)域13包括約50 y m，而N+ 緩沖層12包括約10-15 ii m。作為另一個(gè)示例，約2mm-4mm的管芯上形成的晶體管結(jié)構(gòu)在每 一側(cè)可以具有約30 ii m厚的柱結(jié)構(gòu)。在某些實(shí)施例中，每個(gè)柱的橫向?qū)挾瓤梢栽谀軌蚩煽?制造的范圍內(nèi)盡可能地窄(例如約0.4iim至0.8iim寬)，以實(shí)現(xiàn)非常高的擊穿電壓(例如 600-800V)。 在再一種替換實(shí)施例中，可以從器件結(jié)構(gòu)中略去N+緩沖層。但是注意，消除N+ 緩沖層12意味著N-延伸漏極區(qū)域13的垂直厚度(柱高度)可能需要被大大增加(例如 100-120 ii m)，以支持所需的阻斷電壓。 相鄰的一對(duì)柱(包括N-延伸漏極區(qū)域13)被示出為在橫向上由深溝槽電介質(zhì)區(qū) 域19分開(kāi)。電介質(zhì)區(qū)域19可以包括二氧化硅、氮化硅或其他合適的電介質(zhì)材料。在形成 深溝槽之后，可以用各種公知的方法形成電介質(zhì)區(qū)域19，這些方法包括熱生長(zhǎng)和化學(xué)氣相 沉積。在圖1的示例中，每個(gè)電介質(zhì)區(qū)域19從柵極17正下方向下延伸到N+緩沖層12。換 言之，在所示的實(shí)施例中，電介質(zhì)區(qū)域19大體上垂直地經(jīng)過(guò)漂移區(qū)域13的整個(gè)垂直厚度延 伸。 在圖2所示的示例性實(shí)施例中，電介質(zhì)區(qū)域19垂直地經(jīng)過(guò)N+緩沖區(qū)域12延伸到 P+襯底11中。 在一種實(shí)施例中，將相鄰的漂移區(qū)域13的側(cè)壁分開(kāi)的每個(gè)電介質(zhì)區(qū)域19的橫向 寬度大約為2ym。在一種具體實(shí)施例中，每個(gè)漂移區(qū)域和每個(gè)電介質(zhì)區(qū)域的橫向?qū)挾鹊扔?2ym，得到l : l的寬度比?？梢杂脧?.2至6.0范圍內(nèi)的(漂移區(qū)域?qū)﹄娊橘|(zhì)區(qū)域的) 寬度比來(lái)制造替換實(shí)施例。 本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解，在正向(導(dǎo)通狀態(tài))傳導(dǎo)過(guò)程中，通過(guò)將少數(shù)載流子 (空穴)從雙極器件的P+發(fā)射極層11注入到漂移區(qū)域13中，N-漂移區(qū)域13的電阻被大 大降低。當(dāng)使深溝槽IGBT在導(dǎo)通和關(guān)斷之間開(kāi)關(guān)時(shí)，這些注入的少數(shù)載流子通常需要時(shí)間 來(lái)進(jìn)入和離開(kāi)(復(fù)合)漂移區(qū)域13。在圖1和圖2所示的示例性器件結(jié)構(gòu)中，少數(shù)載流子 的復(fù)合(也稱為"壽命限制(lifetime killing)")是通過(guò)沿著大側(cè)壁區(qū)域產(chǎn)生的眾多界 面阱來(lái)完成的，所述側(cè)壁區(qū)域是由N-漂移區(qū)域13與電介質(zhì)(例如氧化物)區(qū)域19的界面 形成的。例如，當(dāng)器件從導(dǎo)通狀態(tài)(正向傳導(dǎo))向關(guān)斷狀態(tài)(阻斷電壓)切換時(shí)，沿N-漂
7移區(qū)域13的側(cè)壁區(qū)域的界面阱有效地幫助迅速?gòu)钠茀^(qū)域13清除少數(shù)載流子，從而改善 了器件的高速開(kāi)關(guān)性能。 應(yīng)當(dāng)明白，由于深溝槽IGBT器件結(jié)構(gòu)不包括電介質(zhì)區(qū)域19內(nèi)的導(dǎo)電場(chǎng)板——即， 溝槽完全由氧化物或其他某些合適的電介質(zhì)填充——所以N-漂移區(qū)域13的摻雜分布可以 是大體上恒定的。 圖3A-圖3G分別是圖示了在示例性制造處理中處于不同階段的示例性深溝槽 IGBT結(jié)構(gòu)的側(cè)面剖視圖。由這些附圖所示的制造處理不僅可以用來(lái)形成圖1的器件，而且 可以用來(lái)形成圖2所示的深溝槽IGBT器件。首先，圖3A圖示了制造處理中，在P+硅襯底 11上方形成N-摻雜的層12、13的初始步驟之后，深溝槽IGBT結(jié)構(gòu)的示例性側(cè)面剖視圖。 在一種實(shí)施例中，N+緩沖層12具有10-15 iim厚范圍內(nèi)的垂直厚度。N+層11受到重度摻 雜，以使其對(duì)向漏極(發(fā)射極)電極經(jīng)過(guò)的電流的電阻盡可能小，所述漏極(發(fā)射極)電極 在完工的器件中位于襯底的底部。N+緩沖層12的重度摻雜還防止了在反向偏壓阻斷過(guò)程 中對(duì)P+襯底11的穿通。層12的摻雜可以隨著層的形成而同時(shí)執(zhí)行。N-外延層13的摻雜 也可以隨著層的形成而同時(shí)執(zhí)行。 圖4是對(duì)于示例性深溝槽IGBT器件結(jié)構(gòu)(例如圖1所示的結(jié)構(gòu))，外延層摻雜分 布對(duì)于歸一化距離的曲線圖。由圖可見(jiàn)，N-型外延層的摻雜分布濃度大體上是平的，具有 約lX1015cm—3的較低濃度。在約54ym的垂直深度處(N+緩沖層開(kāi)始于該處)，摻雜分布 濃度陡峭地增大(階躍增大)到約2X 1017cm—3的濃度。 在形成了層12和13之后，對(duì)半導(dǎo)體晶片的頂面進(jìn)行合適的掩膜，然后將深垂直溝 槽22刻蝕到N-外延層13中。圖3B圖示了制造處理中在垂直溝槽刻蝕之后，深溝槽IGBT 的示例性側(cè)面剖視圖，所述垂直溝槽刻蝕形成了由深溝槽22分隔開(kāi)的、N-摻雜的半導(dǎo)體材 料的硅柱或平臺(tái)。每個(gè)柱的高度和寬度，以及相鄰的垂直溝槽22之間的間距，可以由器件 的擊穿電壓需求來(lái)確定。如前所述，這些分隔開(kāi)的外延材料13的柱最終形成成品深溝槽 IGBT器件結(jié)構(gòu)的N-型外延漏極或漂移區(qū)域。 應(yīng)當(dāng)明白，在各種實(shí)施例中，每個(gè)柱可以在(進(jìn)出紙面的)正交方向上延伸很大的 橫向距離。在某些實(shí)施例中，由每個(gè)柱形成的N-型漂移區(qū)域的橫向?qū)挾瓤梢栽谀軌蚩煽康?制造的程度內(nèi)盡可能地窄，以實(shí)現(xiàn)很高的擊穿電壓(例如600-800V)。 此外，還應(yīng)當(dāng)明白，盡管圖1的示例圖示的截面圖具有半導(dǎo)體材料的三個(gè)柱，該半 導(dǎo)體材料包括三個(gè)分隔開(kāi)的N-漂移區(qū)域，但是應(yīng)當(dāng)明白，在制造完工的器件中，相同的器 件結(jié)構(gòu)可以在整個(gè)半導(dǎo)體管芯的兩個(gè)橫向方向上被重復(fù)或復(fù)制多次。其他實(shí)施例可以視情 況包括更多的或更少的半導(dǎo)體區(qū)域。例如，某些替換實(shí)施例可以包括摻雜分布從頂部向底 部變化的漂移區(qū)域。其他實(shí)施例可以在形成分隔開(kāi)的柱的半導(dǎo)體材料(例如N-漂移區(qū)域) 的橫向?qū)挾壬习ǘ鄠€(gè)陡峭的(即階躍式)變化。例如，漂移區(qū)域13可以在硅晶片的頂面 附近被制造得更寬，并在離N+緩沖層12最近處被制造得更寬。 圖3C圖示了在用電介質(zhì)材料(例如氧化物)填充溝槽22從而形成電介質(zhì)區(qū)域19 之后，圖3B的示例性器件結(jié)構(gòu)。電介質(zhì)材料覆蓋了每個(gè)外延層柱的側(cè)壁，并完全填充每個(gè) 溝槽22。電介質(zhì)層優(yōu)選地包括二氧化硅，但也可以使用氮化硅或其他合適的電介質(zhì)材料。 電介質(zhì)區(qū)域19可以用各種公知的方法形成，包括熱生長(zhǎng)和化學(xué)氣相沉積。在形成了區(qū)域19 之后，可以用傳統(tǒng)技術(shù)(例如化學(xué)機(jī)械拋光)對(duì)硅襯底的頂面進(jìn)行平面化。
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圖3D圖示了在對(duì)硅襯底的頂面進(jìn)行掩膜之后，圖3C的示例性器件結(jié)構(gòu)。在這種 示例中，掩膜層25包括光刻膠的層，該層具有以氧化物區(qū)域19的上方為中心的經(jīng)顯影的開(kāi) 口 24。注意，外延區(qū)域13的每個(gè)柱正上方的掩膜層21那部分延伸(即重疊)到超過(guò)柱的 側(cè)壁部分的邊緣一段短的距離。這具有留下側(cè)壁氧化物的薄層覆蓋氧化物區(qū)域19的第一 和第二側(cè)壁部分的效果。即，每個(gè)開(kāi)口 24的最接近每個(gè)N-外延柱13的邊緣與側(cè)壁不一致； 而是有意地使開(kāi)口 24偏離，從而使每個(gè)開(kāi)口 24的最近邊緣與相應(yīng)的柱側(cè)壁離開(kāi)小的距離。 在一種實(shí)施例中，重疊距離大約為0. 2iim至0. 5iim。 通過(guò)除去開(kāi)口 24正下方的范圍中的區(qū)域19的電介質(zhì)材料，由第一電介質(zhì)刻蝕形 成柵極溝槽26。在一種實(shí)施例中，第一電介質(zhì)刻蝕是大體上各向異性的等離子體刻蝕。第 一電介質(zhì)刻蝕被向下執(zhí)行到所需的深度(即目標(biāo)深度)，在一種實(shí)施例中該深度約為3 ii m 深。例如可以將QF8/C0/Ar/02氣體的混合物用于等離子體刻蝕。注意，第一刻蝕的各向 異性的性質(zhì)在柵極溝槽中產(chǎn)生了大體上垂直的側(cè)壁輪廓，該輪廓不延伸或穿透到各個(gè)柱13 的側(cè)壁。換言之，掩膜層25的重疊距離使得經(jīng)過(guò)開(kāi)口 24的各向異性刻蝕不會(huì)攻擊N-外延 柱13的側(cè)壁；相反，包括氧化物區(qū)域19的一部分電介質(zhì)材料在第一電介質(zhì)刻蝕之后仍然覆 蓋柱13的側(cè)壁范圍。 圖3E圖示了在除去柵極溝槽中覆蓋N-外延柱13的側(cè)壁的氧化物之后，圖3D的 示例性器件結(jié)構(gòu)?？梢越?jīng)過(guò)掩膜層25的開(kāi)口 24執(zhí)行第二電介質(zhì)刻蝕，以完全除去N-外延 柱的側(cè)壁上剩余的氧化物。在一種實(shí)施例中，第二電介質(zhì)刻蝕是濕法刻蝕(例如使用經(jīng)緩 沖的HF)，其具有大體上各向同性的性質(zhì)。結(jié)果，一對(duì)柵極溝槽開(kāi)口 27使沿柱或平臺(tái)的側(cè)壁 的外延硅材料暴露出來(lái)。 在所示的實(shí)施例中，第二電介質(zhì)刻蝕具有高的選擇性，這意味著它以比刻蝕硅快 得多的速率刻蝕電介質(zhì)材料。利用這樣的處理，每個(gè)側(cè)壁的硅表面不被破壞，從而能夠在側(cè) 壁表面上隨后生長(zhǎng)高質(zhì)量的柵極氧化物。另外，由于第二電介質(zhì)刻蝕的大體上各向同性的 性質(zhì)，柵極溝槽在垂直和橫向的方向上以相似的速率受到刻蝕。但是，由于第二電介質(zhì)刻蝕 被用來(lái)除去硅平臺(tái)側(cè)壁上剩余的幾十微米的二氧化硅，所以對(duì)于溝槽柵極開(kāi)口 27的長(zhǎng)細(xì) 比的總體影響相對(duì)較小。在一種實(shí)施例中，每個(gè)柵極溝槽開(kāi)口 27的橫向?qū)挾燃s為1.5ym 寬，最終深度約為3.5iim。 圖3F圖示了在除去掩膜層25、形成高質(zhì)量的薄的(例如 500人)柵極氧化物層 28并隨后對(duì)柵極溝槽進(jìn)行填充之后，圖3E的示例性器件結(jié)構(gòu)，所述柵極氧化物層28覆蓋了 N-外延柱13的暴露側(cè)壁部分。在一種實(shí)施例中，柵極氧化物層28是熱生長(zhǎng)的，具有100至 IOOOA范圍的厚度。在形成柵極氧化物28之前除去掩膜層25。每個(gè)柵極溝槽的剩余部分 被填充有摻雜多晶硅或其他合適的材料，其在完工的深溝槽IGBT器件結(jié)構(gòu)中形成柵極部 件17。在一種實(shí)施例中，每個(gè)柵極部件17具有約1. 5iim的橫向?qū)挾群图s3. 5iim的深度。
本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解，掩膜層的重疊距離應(yīng)當(dāng)足夠大，使得即使在最差的掩 膜失準(zhǔn)誤差場(chǎng)合的情況下，所獲得的掩膜層25相對(duì)于每個(gè)N-外延柱13的重疊情況仍然會(huì) 防止等離子體刻蝕沿相反的柱側(cè)壁中任一者攻擊硅材料。類似地，掩膜層25的重疊距離應(yīng) 當(dāng)不會(huì)大到使得在最差的掩膜失準(zhǔn)誤差情況下不能通過(guò)合理的第二電介質(zhì)刻蝕除去任一 側(cè)壁19上剩余的氧化物。 圖3G圖示了在每個(gè)N-漂移區(qū)域13的頂部附近形成N+源極(集電極)區(qū)域15a
9，圖3F的示例性器件結(jié)構(gòu)。源極區(qū)域15和P-主體區(qū)域14 各自可以用普通的沉積、擴(kuò)散和/或注入工藝技術(shù)形成。在形成N+源極區(qū)域15之后，可以 通過(guò)用傳統(tǒng)制造方法形成源極(集電極)、漏極(發(fā)射極)和M0SFET柵電極來(lái)完成晶體管 器件，這些電極電連接到器件的各個(gè)區(qū)域/材料(為了清楚起見(jiàn)，圖中未示出)。
盡管已經(jīng)結(jié)合具體器件類型對(duì)上述實(shí)施例進(jìn)行了說(shuō)明，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員可以 理解，在本發(fā)明的范圍內(nèi)可以有各種變更和替換形式。例如，盡管已經(jīng)說(shuō)明了各種深溝槽 IGBT，但是所示的方法、布局和結(jié)構(gòu)同樣可以應(yīng)用到其他結(jié)構(gòu)和器件類型，包括肖特基、二 極管、M0S和雙極結(jié)構(gòu)。因此，說(shuō)明書(shū)和附圖應(yīng)當(dāng)認(rèn)為是示例性的而不是限制性的。
權(quán)利要求
一種功率晶體管器件，包括第一導(dǎo)電類型的襯底；與所述第一導(dǎo)電類型相反的第二導(dǎo)電類型的緩沖層，所述緩沖層設(shè)置在所述襯底的頂部上，在所述襯底和所述緩沖層之間形成第一PN結(jié)；多個(gè)半導(dǎo)體材料的柱，每個(gè)柱包括所述第二導(dǎo)電類型的第一區(qū)域；所述第一導(dǎo)電類型的本體區(qū)域，所述本體區(qū)域鄰接所述第一區(qū)域；所述第二導(dǎo)電類型的漂移區(qū)域，其在垂直方向上從所述本體區(qū)域延伸到所述緩沖層，在所述本體區(qū)域和所述漂移區(qū)域之間形成第二PN結(jié)；在側(cè)向上被電介質(zhì)區(qū)域分隔開(kāi)的相鄰對(duì)的柱，所述電介質(zhì)區(qū)域在垂直方向至少?gòu)乃龅诙N結(jié)附近向下至少延伸到所述緩沖層中，所述電介質(zhì)層與所述相鄰對(duì)的柱的每個(gè)漂移區(qū)域形成側(cè)壁界面；設(shè)置在與所述本體區(qū)域相鄰并與其絕緣的所述電介質(zhì)區(qū)域上方的溝槽柵極；其中，當(dāng)所述功率晶體管在導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，所述第一和第二PN結(jié)作為雙極晶體管工作，所述襯底包括發(fā)射極，所述第一區(qū)域包括集電極，并且所述溝槽柵極用作為場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)的控制所述發(fā)射極和集電極之間正向傳導(dǎo)的控制輸入，當(dāng)所述功率晶體管在關(guān)斷狀態(tài)時(shí)，第一PN結(jié)被反向偏壓。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的功率晶體管器件，其中，所述漂移區(qū)域在垂直方向上具有大 體上恒定的摻雜濃度。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的功率晶體管器件，其中，所述第一區(qū)域包括源極區(qū)域，并且所 述漂移區(qū)域包括所述FET的延伸漏極區(qū)域。
4. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的功率晶體管器件，其中，大體上恒定的摻雜濃度約為 lX1015cm—3。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的功率晶體管器件，其中，所述緩沖層具有足夠高的摻雜濃度， 以防止當(dāng)所述功率晶體管器件在關(guān)斷狀態(tài)時(shí)到所述襯底的穿通。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的功率晶體管器件，其中，每個(gè)所述柱具有第一側(cè)向?qū)挾龋⑶?所述電介質(zhì)區(qū)域具有第二側(cè)向?qū)挾?，所述第一?cè)向?qū)挾扰c所述第二側(cè)向?qū)挾鹊谋嚷实姆秶?在O. 2至6. 0。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的功率晶體管器件，其中，每個(gè)所述柱具有第一側(cè)向?qū)挾?，并?所述電介質(zhì)區(qū)域具有第二側(cè)向?qū)挾?，所述第一和第二?cè)向?qū)挾却篌w上相等。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的功率晶體管器件，其中，所述第一側(cè)向?qū)挾燃s為2ym。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的功率晶體管器件，其中，所述電介質(zhì)區(qū)域在垂直方向上向下 延伸到所述襯底中。
10. —種功率晶體管器件，包括 第一導(dǎo)電類型的襯底；與所述第一導(dǎo)電類型相反的第二導(dǎo)電類型的緩沖層，所述緩沖層鄰接所述襯底的頂面 以在其間形成PN結(jié)；所述第二導(dǎo)電類型的第一區(qū)域；所述第二導(dǎo)電類型的漂移區(qū)域，其鄰接所述緩沖層的頂面；所述第一導(dǎo)電類型的本體區(qū)域，所述本體區(qū)域?qū)⑺龅谝粎^(qū)域和所述漂移區(qū)域分隔開(kāi)，所述本體區(qū)域鄰接所述漂移區(qū)域的頂面和所述第一區(qū)域的底面；第一和第二電介質(zhì)區(qū)域，其分別鄰接所述漂移區(qū)域的相對(duì)的側(cè)向側(cè)壁部分，所述電介質(zhì)區(qū)域在垂直方向至少?gòu)乃霰倔w區(qū)域下方向下至少延伸到所述緩沖層中；設(shè)置在與所述本體區(qū)域相鄰并與其絕緣的所述電介質(zhì)區(qū)域上方的溝槽柵極，所述溝槽柵極用作場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)的控制輸入，當(dāng)所述功率晶體管在導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)控制所述第一區(qū)域和所述襯底之間正向傳導(dǎo)。
11. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的功率晶體管器件，其中，所述第一區(qū)域和所述漂移區(qū)域分別包括源極區(qū)域和所述FET的延伸漏極區(qū)域。
12. 根據(jù)權(quán)利要求IO所述的功率晶體管器件，其中，所述第一區(qū)域包括集電極，并且所述襯底包括雙極晶體管的發(fā)射極，所述雙極晶體管在導(dǎo)通狀態(tài)下工作時(shí)在垂直方向上傳導(dǎo)電流。
13. 根據(jù)權(quán)利要求IO所述的功率晶體管器件，其中，所述漂移區(qū)域在垂直方向上具有大體上恒定的摻雜濃度。
14. 根據(jù)權(quán)利要求IO所述的功率晶體管器件，其中，所述緩沖層具有足夠高的摻雜濃度，以防止當(dāng)所述功率晶體管器件在關(guān)斷狀態(tài)下工作時(shí)到所述襯底的穿通。
15. 根據(jù)權(quán)利要求IO所述的功率晶體管器件，其中，所述第一和第二電介質(zhì)區(qū)域僅包括氧化物。
16. 根據(jù)權(quán)利要求IO所述的功率晶體管器件，其中，所述第一和第二電介質(zhì)區(qū)域的每個(gè)具有在垂直方向上大體上恒定的約為2 m的第一側(cè)向?qū)挾取?br> 17. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的功率晶體管器件，其中，所述漂移區(qū)域在所述緩沖層和所述本體區(qū)域之間具有在垂直方向上大體上恒定的第二側(cè)向?qū)挾取?br> 18. 根據(jù)權(quán)利要求17所述的功率晶體管器件，其中，所述第二側(cè)向?qū)挾燃s為2ym。
19. 根據(jù)權(quán)利要求17所述的功率晶體管器件，其中，所述第一和第二電介質(zhì)區(qū)域在垂直方向上延伸到所述襯底中。
20. —種在半導(dǎo)體管芯上制造的功率晶體管器件，所述功率晶體管器件包括第一導(dǎo)電類型的襯底；與所述第一導(dǎo)電類型相反的第二導(dǎo)電類型的緩沖層，所述緩沖層設(shè)置在所述襯底的頂面上，在所述襯底和所述緩沖層之間形成第一 PN結(jié)；所述第二導(dǎo)電類型的第一區(qū)域，其設(shè)置在所述半導(dǎo)體管芯的頂面處或其附近；所述第一導(dǎo)電類型的本體區(qū)域，其設(shè)置在所述第一區(qū)域下方，在所述本體區(qū)域和所述第一區(qū)域之間形成第二 PN結(jié)；包括所述第二導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體材料的外延層的漂移區(qū)域，其在垂直方向上從所述本體區(qū)域延伸到所述緩沖層，所述外延層在垂直方向上具有大體上恒定的摻雜濃度分布，所述漂移區(qū)域具有相對(duì)設(shè)置的第一和第二側(cè)向側(cè)壁；大體上分別覆蓋所述第一和第二側(cè)向側(cè)壁的第一和第二電介質(zhì)區(qū)域，從而沿所述漂移區(qū)域的所述第一和第二側(cè)向側(cè)壁產(chǎn)生界面阱，所述第一和第二電介質(zhì)區(qū)域在垂直方向延伸到所述緩沖層中；絕緣柵極，其與所述本體區(qū)域相鄰設(shè)置并與其絕緣，當(dāng)所述功率晶體管在導(dǎo)通狀態(tài)下工作時(shí)，向所述絕緣柵極施加電壓電勢(shì)使得電流在所述第一區(qū)域和所述襯底之間流動(dòng)；當(dāng)所述功率晶體管在關(guān)斷狀態(tài)下工作時(shí)，所述漂移區(qū)域被夾斷。
21. 根據(jù)權(quán)利要求20所述的功率晶體管器件，其中，所述襯底包括發(fā)射極，并且所述第一區(qū)域包括雙極晶體管的集電極，并且所述第一區(qū)域還包括控制所述雙極晶體管的導(dǎo)通-關(guān)斷切換的場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)的源極，所述絕緣柵包括所述FET的柵極。
22. 根據(jù)權(quán)利要求21所述的功率晶體管器件，其中，所述漂移區(qū)域包括所述FET的延伸漏極區(qū)域。
23. 根據(jù)權(quán)利要求20所述的功率晶體管器件，其中，在將所述功率晶體管器件從導(dǎo)通狀態(tài)切換到關(guān)斷狀態(tài)的過(guò)程中，所述界面阱可操作地輔助除去所述漂移區(qū)域中的少數(shù)載流子。
24. 根據(jù)權(quán)利要求20所述的功率晶體管器件，其中，所述緩沖層具有足夠高的摻雜濃度，以防止當(dāng)所述功率晶體管器件在關(guān)斷狀態(tài)下工作時(shí)到所述襯底的穿通。
25. 根據(jù)權(quán)利要求20所述的功率晶體管器件，其中，所述第一和第二電介質(zhì)區(qū)域僅包括氧化物。
26. 根據(jù)權(quán)利要求20所述的功率晶體管器件，其中，所述第一和第二電介質(zhì)區(qū)域每個(gè)具有在垂直方向上大體上恒定的約為2 ii m的第一側(cè)向?qū)挾取?br> 27. 根據(jù)權(quán)利要求26所述的功率晶體管器件，其中，所述漂移區(qū)域在所述緩沖層和所述本體區(qū)域之間具有在垂直方向上大體上恒定的第二側(cè)向?qū)挾取?br> 28. 根據(jù)權(quán)利要求20所述的功率晶體管器件，其中，所述第一和第二電介質(zhì)區(qū)域在垂直方向上延伸到所述襯底中。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)一種深溝槽絕緣柵極雙極晶體管。在一個(gè)實(shí)施例中，功率晶體管器件包括第一導(dǎo)電類型的襯底，其與上覆的第二導(dǎo)電類型的緩沖層形成PN結(jié)。功率晶體管器件還包括第二導(dǎo)電類型的第一區(qū)域、鄰接緩沖層的頂面的第二導(dǎo)電類型的漂移區(qū)域以及第一導(dǎo)電類型的本體區(qū)域。本體區(qū)域?qū)⒌谝粎^(qū)域與漂移區(qū)域分隔。第一和第二電介質(zhì)區(qū)域分別鄰接漂移區(qū)域的相對(duì)的側(cè)向側(cè)壁部分。電介質(zhì)區(qū)域在垂直方向至少?gòu)谋倔w區(qū)域下方向下至少延伸到緩沖層中?？刂普騻鲗?dǎo)的溝槽柵極設(shè)置在與本體區(qū)域相鄰并與其絕緣的電介質(zhì)區(qū)域上方。
文檔編號(hào)H01L27/082GK101789431SQ20091026191
公開(kāi)日2010年7月28日 申請(qǐng)日期2009年12月21日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月20日
發(fā)明者維杰伊·帕塔薩拉蒂, 蘇吉特·巴納吉 申請(qǐng)人:電力集成公司