一种沟槽绝缘栅双极型晶体管的元胞结构的制作方法

1.本实用新型涉及半导体器件技术领域，具体涉及一种沟槽绝缘栅双极型晶体管的元胞结构。


背景技术：

2.作为20世纪末最杰出的半导体器件发明之一，igbt被广泛用于工业、信息、新能源、医学、交通、军事和航空领域。当今社会的电力发展已经离不开igbt器件，优化igbt器件的电气性能也刻不容缓。
3.目前，注入增强型的沟槽栅igbt在开通过程中存在尖峰电流过大的现象，在使用过程中会导致器件可靠性降低，甚至会影响电路中其他元器件的正常使用，从而限制了传统沟槽型igbt的使用领域。针对这一问题，最常见的方法是通过调整元胞结构，将元胞结构的沟槽多晶硅栅极设计成包含有真栅、虚栅的结构，减少有效栅的数量，这种方式能有效地降低了器件的尖峰电流，保护器件在开通过程中由于电流过冲导致的自身或其他电路元器件的损伤，但是缺点多晶硅沟槽增多会使得芯片面积变大，导致芯片成本变大。


技术实现要素：

4.本实用新型要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种能有效提高沟槽igbt的电学性能及使用寿命，大大降低芯片成本的沟槽绝缘栅双极型晶体管的元胞结构。
5.本实用新型的目的是通过如下技术方案来完成的，一种沟槽绝缘栅双极型晶体管的元胞结构，包括元胞结构本体，所述元胞结构本体主要包括n型漂移区及设置在n型漂移区底部的p 区，所述n型漂移区的上表面依次设置有n型电荷贮存层和p型沟道区，p型沟道区上形成有发射极；所述元胞结构本体上形成有若干贯穿p型沟道区和n型电荷贮存层并延伸至n型漂移区内的多晶硅沟槽，多晶硅沟槽内设置有多晶硅和氧化层；所述多晶硅沟槽包括至少两个设置在元胞结构本体内的真栅多晶硅沟槽和设置在真栅多晶硅沟槽之间的若干发射极多晶硅沟槽，所述真栅多晶硅沟槽是由对应位置的多晶硅沟槽延伸至栅极金属环并通过第一接触孔与栅极金属层连接形成，所述发射极多晶硅沟槽是由保留在发射极区域内的多晶硅沟槽通过第二接触孔与发射极金属层连接形成。
6.进一步地，所述多晶硅沟槽还包括至少一个虚栅多晶硅沟槽，且所述虚栅多晶硅沟槽延伸至栅极金属环并通过第一接触孔与栅极金属层连接形成。
7.进一步地，所述真栅多晶硅沟槽两侧的p型沟道区形成有n 有源区域。
8.进一步地，所述真栅多晶硅沟槽、虚栅多晶硅沟槽及发射极多晶硅沟槽的深度、宽度均相同，且所述真栅多晶硅沟槽、虚栅多晶硅沟槽及发射极多晶硅沟槽等距设置在所述元胞结构本体上。
9.进一步地，所述真栅多晶硅沟槽、虚栅多晶硅沟槽及发射极多晶硅沟槽之间的距离为沟槽宽度的1/3~3倍。
10.本实用新型的有益技术效果在于：本实用新型采用了窄间距的元胞结构，并在该元胞上制造多个多晶硅沟槽，该多晶硅沟槽包含真栅、虚栅和发射极多晶硅沟槽，三种类型的多晶硅沟槽的形貌、间距相同，但真栅多晶硅沟槽两侧存在n 有源区，在器件过渡区的设计中需要将与栅极相连的多晶硅沟槽延伸到栅极金属层上，通过接触孔与栅极相连；而多晶硅发射极沟槽则仍然保留在发射极有源区内，通过接触孔与发射极金属层相连。这种结构有效地降低了器件瞬时电流，改善了开通过程中尖峰电流过大的问题，而在栅极沟槽之间放置同样形貌的与发射极多晶硅层沟槽，能有效调整器件的工作电容，同时提高igbt器件电性稳定性和产品可靠性。
附图说明
11.图1为本实用新型第一种实施例的侧面结构图；
12.图2为图1的平面俯视图；
13.图3为本实用新型第二种实施例的侧面结构图；
14.图4为图3的平面俯视图；
15.图5为本实用新型第三种实施例的侧面结构图；
16.图6为图5的平面俯视图；
17.图7为本实用新型第四种实施例的侧面结构图；
18.图8为图7的平面俯视图。
具体实施方式
19.为使本领域的普通技术人员更加清楚地理解本实用新型的目的、技术方案和优点，以下结合附图和实施例对本实用新型做进一步的阐述。
20.在本实用新型的描述中，需要理解的是，“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“横向”、“竖向”等术语所指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型，而不是指示或暗示所指的装置或原件必须具有特定的方位，因此不能理解为对本实用新型的限制。
21.如图1
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8所示，本实用新型所述的一种沟槽绝缘栅双极型晶体管的元胞结构，包括元胞结构本体，所述元胞结构本体主要包括n型漂移区8及设置在n型漂移区8底部的p 区9，所述n型漂移区8的上表面依次设置有n型电荷贮存层6和p型沟道区7，p型沟道区7上形成有发射极4；所述元胞结构本体上形成有若干贯穿p型沟道区7和n型电荷贮存层6并延伸至n型漂移区8内的多晶硅沟槽15，多晶硅沟槽15内设置有多晶硅16和氧化层17；所述多晶硅沟槽包括至少两个设置在元胞结构本体内的真栅多晶硅沟槽1和设置在真栅多晶硅沟槽1之间的若干发射极多晶硅沟槽3，所述真栅多晶硅沟槽1是由对应位置的多晶硅沟槽延伸至栅极金属环并通过第一接触孔12与栅极金属层11连接形成，所述发射极多晶硅沟槽3是由保留在发射极区域内的多晶硅沟槽通过第二接触孔13与发射极金属层14连接形成；所述p 区9远离n型漂移区8的一侧为集电极10。
22.参照图1
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2所示，所述多晶硅沟槽还包括至少一个虚栅多晶硅沟槽2，且所述虚栅多晶硅沟槽2是由中间位置上的多晶硅沟槽延伸至栅极金属环并通过第一接触孔12与栅极金属层11连接形成。
23.参照图1
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2所示，所述真栅多晶硅沟槽两侧的p型沟道区7形成有n 有源区域5。所述真栅多晶硅沟槽1、虚栅多晶硅沟槽2及发射极多晶硅沟槽3的深度、宽度均相同，且所述真栅多晶硅沟槽1、虚栅多晶硅沟槽2及发射极多晶硅沟槽3等距设置在所述元胞结构本体上。所述真栅多晶硅沟槽1、虚栅多晶硅沟槽2及发射极多晶硅沟槽3之间的距离为沟槽宽度的1/3~3倍。
24.图1
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4是一类沟槽型igbt器件元胞结构图，两条虚线内图形为一个元胞的图形，其正面结构的特点是：每个元胞正面p阱上有至少4个等间距的形貌相同的沟槽，沟槽内填充有多晶硅，多个沟槽多晶硅层中包括两个真栅多晶硅沟槽1、一个或多个虚栅多晶硅沟槽2、一个或多个发射极多晶硅沟槽3；多个沟槽之间台面宽度为沟槽宽度的1/3~3倍之间。沟槽侧壁及芯片表面覆盖有绝缘介质，发射极与真栅和虚栅之间的p阱台面上开接触孔引出，该元胞的其他未描述结构与普通沟槽型igbt器件一致。
25.图2和图4是对应图1和图3元胞结构的过渡区结构俯视图，两条虚线之间的图形宽度为一个元胞宽度。其特点是：在过渡区域中，沟槽栅极（包括两个真栅多晶硅沟槽1、一个或多个虚栅多晶硅沟槽2）延伸至栅极金属层区域11上通过第一接触孔12连接；而发射极多晶硅沟槽3仍保留在发射极金属区内与发射极相连；各个多晶硅沟槽间距相等，过渡区每个沟槽之间存在第二接触孔13。
26.图5
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8是一类沟槽型igbt器件元胞结构图，两条虚线内图形为一个元胞的图形，其正面结构的特点是：每个元胞正面p阱上有至少四个等间距的形貌相同的沟槽，沟槽内填充有多晶硅，沟槽多晶硅层中包括一个或多个真栅多晶硅沟槽1、一个或多个发射极多晶硅沟槽3；各个沟槽之间台面宽度为沟槽宽度的1/3~3倍之间。沟槽侧壁及芯片表面覆盖有绝缘介质，发射极与真栅和虚栅之间的p阱台面上开接触孔引出，该元胞的其他未描述结构与普通沟槽型igbt器件一致。
27.图6和图8是对应图5和图7元胞结构的过渡区结构俯视图，两条虚线之间的图形宽度为一个元胞宽度。其特点是：在过渡区域中，真栅多晶硅沟槽1延伸至栅极金属层区域11上通过第一接触孔12连接；而若干个发射极多晶硅沟槽3仍保留在发射极金属区内与发射极相连；各个多晶硅沟槽间距相等，过渡区每个沟槽之间存在第二接触孔13。
28.本实用新型所述元胞结构的制作方法与通常的沟槽igbt器件工艺兼容，但由于每个元胞中出现的沟槽较多，台面较窄，针对这类设计结构，以图1
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8为例，首先在选定的n型外延硅衬底或者区熔片衬底上定义有源区，在芯片终端位置生长环形场区氧化层，采用硅片表面化学抛光工艺将凸起的场区氧化层平坦化，并注入一定剂量的p 杂质在场氧化环之间扩散形成深p型环，这样就形成了环形场氧结构的终端结构。终端结构内部的发射极有源区域及发射极与终端之间的过渡区域为例进行工艺制作：a.在有源区内注入n型杂质并扩散形成n型电荷贮存区；b.光刻形成多个等间距沟槽图形，干法刻蚀硅衬底，并形成同形貌的沟槽，在过渡区域的沟槽蚀刻样貌；c.在沟槽侧面生长栅极氧化层，淀积原位参杂的多晶硅材料填充沟槽；d.对芯片表面的多晶硅层进行化学机械抛光，去除芯片表面的多晶硅层；e.注入p型杂质并扩散形成一定深度的p型沟道区；f.在真栅沟槽两侧光刻n型有源区窗口并注入n型杂质；g.沉积氧化硅或氮化硅或硼硅玻璃等绝缘介质层并退火致密；h.光刻接触孔，如在有n型杂质注入的有源p阱位置上开接触孔并注入p型杂质激活形成发射极；将多晶硅真栅、虚栅延伸至栅极氧化层，通过开孔使得沟槽与栅极金属层连接形成真栅、虚栅；i.
芯片背面减薄到特定厚度，注入n型杂质和p型杂质通过低温退火或者激光退火形成igbt集电区（即为带有场终止层次的fs
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igbt）；j.通过溅射或者蒸发的方法淀积背面金属形成集电极，至此完成整个igbt器件的制作过程。
29.本实用新型采用了窄间距的元胞结构，并在该元胞上制造多个多晶硅沟槽，该多晶硅沟槽包含真栅、虚栅和发射极多晶硅沟槽，三种类型的多晶硅沟槽的形貌、间距相同，但真栅多晶硅沟槽两侧存在n 有源区，在器件过渡区的设计中需要将与栅极相连的多晶硅沟槽延伸到栅极金属层上，通过接触孔与栅极相连；而多晶硅发射极沟槽则仍然保留在发射极有源区内，通过接触孔与发射极金属层相连。这种结构有效地降低了器件瞬时电流，改善了开通过程中尖峰电流过大的问题，而在栅极沟槽之间放置同样形貌的与发射极多晶硅层沟槽，能有效调整器件的工作电容，同时提高igbt器件电性稳定性和产品可靠性。
30.本文中所描述的具体实施例仅例示性说明本实用新型的原理及其功效，而非用于限制本实用新型。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本实用新型的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，但凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本实用新型所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本实用新型的权利要求所涵盖。