一种超结IGBT器件结构及其制造方法技术

本发明专利技术公开了一种超结IGBT器件，包括：第一导电类型衬底；设置在所述第一导电型衬底上的第二导电类型外延层；设置在所述第二导电类型外延层内的第一导电类型柱形扩散区；第一导电类型阱区，所述第一导电类型阱区与所述第一导电类型柱形扩散区通过一浮空区隔离；设置在所述第一导电类型阱区内的第一导电类型重掺杂区；第二导电类型重掺杂区；以及栅极。

【技术实现步骤摘要】
一种超结IGBT器件结构及其制造方法
本专利技术涉及半导体器件
，尤其涉及一种超结IGBT器件结构及其制造方法。
技术介绍
绝缘栅双极型晶体管(IGBT)是一种常用的功率器件，在工业、电气、新能源等领域具有广泛应用。其结构是在传统纵向双扩散金属氧化物半导体晶体管(VDMOS)器件底部加入P型区，形成了一种MOS器件和双极器件的复合结构。IGBT具有电压控制、电容输入、输入阻抗大、驱动电流小、控制电路简单、工作温度高、热稳定性好等特点。对于常规单一导电类型的功率器件而言，要得到较高的击穿电压，就必须形成较厚的外延层漂移区与较低的掺杂浓度，因而导通电阻会随着击穿电压的增大而急剧增大。然而，导通电阻一般较高且无法进一步降低。超结结构作为一种先进的漂移区结构越来越受到工业界的重视。超结结构的漂移区采用交替的PN结结构，这种结构的优点在于，在相同耐压下，超结结构漂移区的掺杂浓度可提高一个数量级，因此导通电阻可降低5-10倍。目前超结结构主要由两种工艺方法实现：1)多次外延和多次离子注入工艺；2)深槽中沉积埋入第一导电类型外延工艺。在半导体领域，降低成本通常以增加器件集成密度，实现量产效应来实现。为了克服现有IGBT器件的高成本问题，本专利技术提出一种新型的超结IGBT器件结构及其制造方法显著缩小了器件的尺寸，从而降低了IGBT整个类别的器件成本。
技术实现思路
针对现有技术中存在的IGBT器件的高成本问题，根据本专利技术的一个实施例，提供一种超结IGBT器件，包括：第一导电类型衬底；设置在所述第一导电型衬底上的第二导电类型外延层；设置在所述第二导电类型外延层内的第一导电类型柱形扩散区；第一导电类型阱区，所述第一导电类型阱区与所述第一导电类型柱形扩散区通过一浮空区隔离；设置在所述第一导电类型阱区内的第一导电类型重掺杂区；第二导电类型重掺杂区；以及栅极。在本专利技术的一个实施例中，第一导电类型衬底内硼离子注入剂量为1E12至1E16。在本专利技术的一个实施例中，第一导电类型衬底的厚度为1微米至20微米。在本专利技术的一个实施例中，第二导电类型外延层的厚度为30微米至80微米。在本专利技术的一个实施例中，浮空区的距离小于5微米。在本专利技术的一个实施例中，第一导电类型重掺杂区的离子掺杂浓度大于所述第一导电类型阱区内的离子掺杂浓度。在本专利技术的一个实施例中，第一导电类型柱形扩散区通过多次外延层沉积结合图形化离子注入形成。在本专利技术的一个实施例中，第一导电类型柱形扩散区通过深沟槽刻蚀结合第一导电类型的外延层沉积埋入形成。在本专利技术的一个实施例中，第二导电类型重掺杂区位于所述第一导电类型重掺杂区的表面边界处。在本专利技术的一个实施例中，栅极为位于所述第二导电类型外延层上方的平面栅极。在本专利技术的一个实施例中，栅极为埋入所述第二导电类型外延层的沟槽埋入栅极。在本专利技术的一个实施例中，超结IGBT器件还包括：位于所述第二导电类型外延层及所述栅极上方的金属互连和介质层；以及位于所述第一导电类型衬底下方的金属区。根据本专利技术的另一个实施例，提供一种超结IGBT器件的制造方法，包括：提供第一导电类型的衬底；在所述第一导电类型的衬底上形成超结结构，所述超结结构包括第二导电类型的外延层和第一导电类型的柱型扩散区；在所述超结结构上形成第二导电类型的外延薄层；在所述第二导电类型的外延薄层上形成栅极；对所述第二导电类型的外延薄层的对应区域进行离子注入形成掺杂区；进行高温推阱；形成正面的金属互连层和表面钝化层；减薄所述第一导电类型的衬底；对减薄后的第一导电类型的衬底进行第一导电类型的离子注入；进行退火处理；以及在所述完成第一导电类型的离子注入的所述第一导电类型的衬底背面形成金属区。在本专利技术的另一个实施例中，第一导电类型的衬底的电阻率在4Ohm·cm到25Ohm·cm之间。在本专利技术的另一个实施例中，在所述第一导电类型的衬底上形成超结结构进一步包括：在所述第一导电类型的衬底上形成单层第二导电类型的外延层；在所述单层第二导电类型的外延层上光刻定义出第一导电类型柱形扩散区；将第一导电类型掺杂离子注入到所述单层第二导电类型的外延层内的柱形扩散区；去除掩模层和表面氧化层；判断超结结构的总厚度是否达到预定值，若小于预定值，则返回开始步骤继续形成单层第二导电类型的外延层并制作柱形扩散区，若达到预定值，则进入下一步；以及进行高温推阱，使得各单层第二导电类型的外延层和第一导电类型的柱形扩散区分别在垂直方向上形成连接，得到交替的第二导电类型的外延层和第一导电类型的柱形扩散区。在本专利技术的另一个实施例中，单层第二导电类型的外延层的厚度为5微米至10微米。在本专利技术的另一个实施例中，将第一导电类型掺杂离子注入到单层第二导电类型的外延层的方法是：使用千电子伏特级至兆电子伏特级能量对注入离子进行加速，从而使得柱形扩散区能达到预定掺杂浓度和预定掺杂深度。在本专利技术的另一个实施例中，在所述第一导电类型的衬底上形成超结结构进一步包括：在第一导电类型衬底上依次形成第二导电类型的外延层和二氧化硅；光刻定义出第一导电类型柱形扩散区并去除该区域的二氧化硅；去除光刻胶；以二氧化硅为掩膜在第二导电类型外延中刻蚀出第一导电类型柱形扩散区深槽；在深槽中沉积第一导电类型外延材料；以及去除硅片表面的第一导电类型外延材料。在本专利技术的另一个实施例中，第二导电类型的外延层的厚度为30微米至80微米。在本专利技术的另一个实施例中，在深槽中沉积第一导电类型外延材料前，还包括：在深槽表面生成二氧化硅和氮化硅；以及湿法去除生成二氧化硅和氮化硅。在本专利技术的另一个实施例中，对所述第二导电类型的外延层的对应区域进行离子注入形成掺杂区的方法进一步包括：形成第一导电类型的阱区；在所述第一导电类型的阱区内形成第一导电类型重掺杂区；以及在所述第一导电类型重掺杂区边界处与栅极之间形成第二导电类型重掺杂区。在本专利技术的另一个实施例中，进行高温推阱使所述第一导电类型的阱区与所述第一导电类型的柱型扩散区之间形成不超过5微米的浮空区。在本专利技术的另一个实施例中，减薄所述第一导电类型的衬底后，其厚度为1微米至15微米。在本专利技术的另一个实施例中，对减薄后的第一导电类型的衬底进行第一导电类型的离子注入为进行1E12至1E16剂量的硼离子注入。在本专利技术的另一个实施例中，退火处理为激光退火或者炉管退火，其中激光退火的能量在1～4毫焦的范围内，时间为0.5～4微秒，炉管退火的温度在300～350摄氏度的范围内。本专利技术提供一种超结IGBT器件结构及其制造方法，通过在硅片表面制作超结结构，背面采用P-衬底，同时进行背面硼注入，然后采用背面热退火的方式形成一种全新结构的IGBT器件。基于本专利技术的该种超结IGBT器件在其性能与现有的IGBT器件性能相匹配的前提下，芯片尺寸可以缩小30％以上，实现了IGBT器件产品的成本降低，提高产品的竞争力。附图说明为了进一步阐明本专利技术的各实施例的以上和其它优点和特征，将参考附图来呈现本专利技术的各实施例的更具体的描述。可以理解，这些附图只描绘本专利技术的典型实施例，因此将不被认为是对其范围的限制。在附图中，为了清楚明了，相同或相应的部件将用相同或类似的标记表示。图1示出根据本专利技术的一个实施例的一种超结IGBT器件结构100的截面示意图。图2示出根据本专利技术的又一实施例的一种超本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种超结IGBT器件，包括：第一导电类型衬底；设置在所述第一导电型衬底上的第二导电类型外延层；设置在所述第二导电类型外延层内的第一导电类型柱形扩散区；第一导电类型阱区，所述第一导电类型阱区与所述第一导电类型柱形扩散区通过一浮空区隔离；设置在所述第一导电类型阱区内的第一导电类型重掺杂区；第二导电类型重掺杂区；以及栅极。

【技术特征摘要】
1.一种超结IGBT器件，包括：第一导电类型衬底；设置在所述第一导电型衬底上的第二导电类型外延层；设置在所述第二导电类型外延层内的第一导电类型柱形扩散区；第一导电类型阱区，所述第一导电类型阱区与所述第一导电类型柱形扩散区通过一浮空区隔离；设置在所述第一导电类型阱区内的第一导电类型重掺杂区；第二导电类型重掺杂区；以及栅极。2.如权利要求1所述的超结IGBT器件，其特征在于，所述第一导电类型衬底内硼离子注入剂量为1E12至1E16。3.如权利要求1所述的超结IGBT器件，其特征在于，所述第一导电类型衬底厚度为1微米至20微米。4.如权利要求1所述的超结IGBT器件，其特征在于，所述第二导电类型外延层的厚度为30微米至80微米。5.如权利要求1所述的超结IGBT器件，其特征在于，所述浮空区的距离小于5微米。6.如权利要求1所述的超结IGBT器件，其特征在于，所述第一导电类型重掺杂区的离子掺杂浓度大于所述第一导电类型阱区内的离子掺杂浓度。7.如权利要求1所述的超结IGBT器件，其特征在于，所述第一导电类型柱形扩散区通过多次外延层沉积结合图形化离子注入形成。8.如权利要求1所述的超结IGBT器件，其特征在于，所述第一导电类型柱形扩散区通过深沟槽刻蚀结合第一导电类型外延层沉积埋入形成。9.如权利要求1所述的超结IGBT器件，其特征在于，所述第二导电类型重掺杂区位于所述第一导电类型重掺杂区的表面边界处。10.如权利要求1所述的超结IGBT器件，其特征在于，所述栅极为位于所述第二导电类型外延层上方的平面栅极。11.如权利要求1所述的超结IGBT器件，其特征在于，所述栅极为埋入所述第二导电类型外延层的沟槽埋入栅极。12.如权利要求1所述的超结IGBT器件，其特征在于，还包括：位于所述第二导电类型外延层及所述栅极上方的金属互连和介质层；以及位于所述第一导电类型衬底下方的金属区。13.一种超结IGBT器件的制造方法，包括：提供第一导电类型的衬底；在所述第一导电类型的衬底上形成超结结构，所述超结结构包括第二导电类型的外延层和第一导电类型的柱型扩散区；在所述超结结构上形成第二导电类型的外延薄层；在所述第二导电类型的外延薄层上形成栅极；对所述第二导电类型的外延薄层的对应区域进行离子注入形成掺杂区；进行高温推阱；形成正面的金属互连层和表面钝化层；减薄所述第一导电类型的衬底；对减薄后的第一导电类型的衬底进行第一导电类型的离子注入；进行退火处理；以及在所述完成第一导电类型的离子注入的所述第一导电类型的衬底背面形成金属区。14.如权利要求13所述的方法，其特征在于，所述第一导电类型的衬底的电阻率在4Ohm·cm到25Ohm·cm之间。15.如权利要求13所述的方法，其特征在于，在所述第一导电类型的衬底上形成超...

【专利技术属性】
技术研发人员：李菲，李欣，禹久赢，任留涛，刘铁川，
申请(专利权)人：上海超致半导体科技有限公司，
类型：发明
国别省市：上海,31