基于超结结构的高压逆阻型功率半导体器件及制备方法技术

本发明专利技术涉及一种基于超结结构的高压逆阻型功率半导体器件及制备方法。其包括半导体基板以及元胞区；半导体基板包括第一导电类型衬底、第一导电类型漂移区以及第一导电类型外延层；在第一导电类型漂移区内设置超结结构，元胞区内的元胞与第一导电类型外延层对应，超级结构内的第二导电类型柱通过第一导电类型外延层与元胞区内的第二导电类型基区隔离，且所述超结结构内的第二导电类型柱通过第一导电类型衬底与设置于第一导电类型衬底背面的第二导电类型集电区隔离。本发明专利技术既可以降低高压超结高深宽比的深槽刻蚀和填充难度，又可以在实现高耐压的同时，降低通态压降和静态损耗，同时由于可以正向和反向的耐压PN结，可以实现双向的耐压。双向的耐压。双向的耐压。

【技术实现步骤摘要】
基于超结结构的高压逆阻型功率半导体器件及制备方法


[0001]本专利技术涉及一种功率半导体器件及制备方法，尤其是一种基于超结结构的高压逆阻型功率半导体器件及制备方法。

技术介绍

[0002]现有的IGBT(insulated gate bipolar transistor)器件，为了实现通态压降和关断损耗之间良好的折中关系，一般地，在集电极附近都会设置一个高掺杂的FS层，FS层的存在用来调制背面P+区的注入效率，由于高掺杂FS层的存在，在反向耐压时，元胞背面是不能够耐压的，因此，双向耐压的IGBT多采用在漂移区内设置一相当厚的NPT(No Punch Through)结构，由于较厚的NPT结构存在，IGBT器件的通态压降会很大，静态损耗会很高，尤其是对于有更高耐压需求的IGBT器件，漂移区厚度相应增加，而高损耗的原因导致器件无法向高压方向发展。

技术实现思路

[0003]本专利技术的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种基于超结结构的高压逆阻型功率半导体器件及制备方法，其在有效实现高耐压的同时，又能降低通态压降，并且可以实现双向耐压，与现有工艺兼容，安全可靠。
[0004]按照本专利技术提供的技术方案，所述基于超结结构的高压逆阻型功率半导体器件，包括具有第一导电类型的半导体基板、制备于所述半导体基板中心区的元胞区以及制备于所述半导体基板背面的背面电极结构；所述半导体基板包括第一导电类型衬底、设置于第一导电类型衬底正面上的第一导电类型漂移区以及外延设置于第一导电类型漂移区上的第一导电类型外延层；
[0005]在所述第一导电类型漂移区内设置超结结构，超结结构内的第一导电类型柱以及第二导电类型柱相应的高度均小于第一导电类型漂移区的厚度，元胞区内的元胞位于第一导电类型外延层对应，超结结构内的第二导电类型柱通过第一导电类型外延层与元胞区内的第二导电类型基区隔离，且所述超结结构内的第二导电类型柱通过第一导电类型衬底与背面电极结构内的第二导电类型集电区相隔离，第二导电类型集电区与第一导电类型衬底邻接。
[0006]所述第一导电类型漂移区包括若干通过外延工艺依次生长得到的漂移基层，漂移基层在第一导电类型衬底上呈层叠分布；
[0007]外延生长得到一漂移基层后，对所生长得到的漂移基层进行刻蚀，以能得到漂移基层槽，在漂移基层槽内填充第二导电类型杂质，以在填充后形成第二导电类型的漂移基层柱；
[0008]每个漂移基层内的漂移基层柱正对应，且相邻漂移基层内的漂移基层柱相互接触，以利用所有的漂移基层形成所需的第一导电类型漂移区时，通过相互接触的漂移基层柱形成第二导电类型柱，以在所形成的第一导电类型漂移区内得到超结结构，超结结构内
第一导电类型柱与第二导电类型柱在第一导电类型漂移区内交替分布。
[0009]在耐压时，所述漂移基层柱的第一导电类型柱和第二导电类型柱相互耗尽后的电荷量相同。
[0010]在所述功率半导体器件的截面上，所述元胞区内的元胞包括设置于第一导电类型外延层内的第二导电类型基区以及设置于第一导电类型外延层内的元胞沟槽，所述元胞沟槽贯穿第二导电类型基区，元胞沟槽的槽底位于第二导电类型基区的下方，第二导电类型基区与元胞沟槽的外侧壁接触，且元胞沟槽的深度小于第一导电类型外延层的厚度；
[0011]在元胞沟槽的侧壁以及底壁设置有绝缘氧化层，并在设置有绝缘氧化层的元胞沟槽内填充栅极导电多晶硅；在第二导电类型基区内设置第一导电类型源区，所述第一导电类型源区与元胞沟槽外侧壁接触，且第二导电类型基区以及第一导电类型源区与第一导电类型外延层上方的发射极金属欧姆接触。
[0012]在第二导电类型基区内还设置第二导电类型注入区，所述第二导电类型注入区的掺杂浓度大于第二导电类型基区的掺杂浓度，且第二导电类型注入区与发射极金属欧姆接触。
[0013]所述背面电极结构包括设置于第一导电类型衬底背面的第二导电类型集电区以及设置于第二导电类型集电区上的集电极金属层，所述集电极金属层与第二导电类型集电区欧姆接触。
[0014]一种基于超结结构的高压逆阻型功率半导体器件的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：
[0015]步骤1、提供第一导电类型衬底；
[0016]步骤2、在衬底的正面通过外延工艺制备第一导电类型漂移区以及制备于所述第一导电类型漂移区内的超结结构，其中，超结结构内的第一导电类型柱以及第二导电类型柱相应的高度均小于第一导电类型漂移区的厚度，第一导电类型漂移区包括若干通过外延工艺依次生长得到的漂移基层，漂移基层在第一导电类型衬底上呈层叠分布；
[0017]外延生长得到一漂移基层后，对所生长得到的漂移基层进行光刻和沟槽刻蚀工艺，以能得到漂移基层槽，在漂移基层槽内填充第二导电类型杂质，以在填充后形成第二导电类型的漂移基层柱；
[0018]每个漂移基层内的漂移基层柱正对应，且相邻漂移基层内的漂移基层柱相互接触，以利用所有的漂移基层形成所需的第一导电类型漂移区时，通过相互接触的漂移基层柱形成第二导电类型柱，以在所形成的第一导电类型漂移区内得到超结结构，超结结构内第一导电类型柱与第二导电类型柱在第一导电类型漂移区内交替分布；
[0019]步骤3、通过外延生长工艺在上述第一导电类型漂移区上制备得到第一导电类型外延层，所述第一导电类型外延层支撑在第一导电类型漂移区上，超结结构内的第二导电类型柱与第一导电类型外延层接触；
[0020]步骤4、制备与第一导电类型外延层对应的元胞区，元胞区包括若干元胞，元胞区包括第二导电类型基区，第二导电类型基区通过第一导电类型外延层与超结结构内的第二导电类型柱隔离；
[0021]步骤5、在第一导电类型衬底的背面制备所需的背面电极结构，所述背面电极结构内的第二导电类型集电区通过第一导电类型衬底与超结结构内的第二导电类型柱隔离。
[0022]在所述功率半导体器件的截面上，所述元胞区内的元胞包括设置于第一导电类型外延层内的第二导电类型基区以及设置于第一导电类型外延层内的元胞沟槽，所述元胞沟槽贯穿第二导电类型基区，元胞沟槽的槽底位于第二导电类型基区的下方，第二导电类型基区与元胞沟槽的外侧壁接触，且元胞沟槽的深度小于第一导电类型外延层的厚度；
[0023]在元胞沟槽的侧壁以及底壁设置有绝缘氧化层，并在设置有绝缘氧化层的元胞沟槽内填充栅极导电多晶硅；在第二导电类型基区内设置第一导电类型源区，所述第一导电类型源区与元胞沟槽外侧壁接触，且第二导电类型基区以及第一导电类型源区与第一导电类型外延层上方的发射极金属欧姆接触。
[0024]所述背面电极结构包括设置于第一导电类型衬底背面的第二导电类型集电区以及设置于第二导电类型集电区上的集电极金属层，所述集电极金属层与第二导电类型集电区欧姆接触。
[0025]所述衬底的材料包括硅，元胞沟槽的深度为5μm～6μm。
[0026]所述“第一导电类型”和“第二导电类型”两者中，对于N型功率半导体器件，第一导电类型指N型，第二导电类型为P型；对于P型功率半导本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于超结结构的高压逆阻型功率半导体器件，包括具有第一导电类型的半导体基板、制备于所述半导体基板中心区的元胞区以及制备于所述半导体基板背面的背面电极结构；其特征是：所述半导体基板包括第一导电类型衬底、设置于第一导电类型衬底正面上的第一导电类型漂移区以及外延设置于第一导电类型漂移区上的第一导电类型外延层；在所述第一导电类型漂移区内设置超结结构，超结结构内的第一导电类型柱以及第二导电类型柱相应的高度均小于第一导电类型漂移区的厚度，元胞区内的元胞位于第一导电类型外延层对应，超结结构内的第二导电类型柱通过第一导电类型外延层与元胞区内的第二导电类型基区隔离，且所述超结结构内的第二导电类型柱通过第一导电类型衬底与背面电极结构内的第二导电类型集电区相隔离，第二导电类型集电区与第一导电类型衬底邻接。2.根据权利要求1所述的基于超结结构的高压逆阻型功率半导体器件，其特征是：所述第一导电类型漂移区包括若干通过外延工艺依次生长得到的漂移基层，漂移基层在第一导电类型衬底上呈层叠分布；外延生长得到一漂移基层后，对所生长得到的漂移基层进行刻蚀，以能得到漂移基层槽，在漂移基层槽内填充第二导电类型杂质，以在填充后形成第二导电类型的漂移基层柱；每个漂移基层内的漂移基层柱正对应，且相邻漂移基层内的漂移基层柱相互接触，以利用所有的漂移基层形成所需的第一导电类型漂移区时，通过相互接触的漂移基层柱形成第二导电类型柱，以在所形成的第一导电类型漂移区内得到超结结构，超结结构内第一导电类型柱与第二导电类型柱在第一导电类型漂移区内交替分布。3.根据权利要求2所述的基于超结结构的高压逆阻型功率半导体器件，其特征是：在耐压时，所述漂移基层柱的第一导电类型柱和第二导电类型柱相互耗尽后的电荷量相同。4.根据权利要求1至3任一项所述的基于超结结构的高压逆阻型功率半导体器件，其特征是：在所述功率半导体器件的截面上，所述元胞区内的元胞包括设置于第一导电类型外延层内的第二导电类型基区以及设置于第一导电类型外延层内的元胞沟槽，所述元胞沟槽贯穿第二导电类型基区，元胞沟槽的槽底位于第二导电类型基区的下方，第二导电类型基区与元胞沟槽的外侧壁接触，且元胞沟槽的深度小于第一导电类型外延层的厚度；在元胞沟槽的侧壁以及底壁设置有绝缘氧化层，并在设置有绝缘氧化层的元胞沟槽内填充栅极导电多晶硅；在第二导电类型基区内设置第一导电类型源区，所述第一导电类型源区与元胞沟槽外侧壁接触，且第二导电类型基区以及第一导电类型源区与第一导电类型外延层上方的发射极金属欧姆接触。5.根据权利要求4所述的基于超结结构的高压逆阻型功率半导体器件，其特征是：在第二导电类型基区内还设置第二导电类型注入区，所述第二导电类型注入区的掺杂浓度大于第二导电类型基区的掺杂浓度，且第二导电类型注入区与发射极金属欧姆接触。6.根据权利要求1至3任一项所述的基于超结结构的高压逆阻型功率半导体器件，其特征是：所述背面电极结构包括设置于第二导电类型集电区上的集...

【专利技术属性】
技术研发人员：张广银，杨飞，吴凯，任雨，
申请(专利权)人：南京芯长征科技有限公司，
类型：发明
国别省市：