Igbt器件的结构及工艺方法
阅读说明：本技术 Igbt器件的结构及工艺方法 (IGBT device structure and process method ) 是由 王晓军 马庆海 胡杰 于 2021-08-31 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种IGBT器件结构及其工艺方法,所述器件的背面金属上方为集电区,集电区上方为场终止层,场终止层上方为基区；在所述衬底的上表面的浅层为体区,沟槽的底部位于基区中,沟槽内填充多晶硅层形成沟槽型栅极,所述衬底的上表面覆盖金属层；靠近体区的基区中具有一层正面缺陷区,靠近场终止层的基区中具有一层背面缺陷区。本发明通过正面及背面的可控深度制造缺陷,控制正面及背面载流子寿命；这样在关断的过程中,载流子寿命有限,电流很快就下降为零。注入缺陷后,正面部分区域的电阻偏小,电流很快就上升到饱和区域,开通时间变小,在开通和关断过程中损耗变少。(The invention discloses an IGBT device structure and a process method thereof, wherein a collector region is arranged above metal on the back surface of the device, a field stop layer is arranged above the collector region, and a base region is arranged above the field stop layer; the shallow layer on the upper surface of the substrate is a body region, the bottom of the trench is positioned in the base region, the trench is filled with a polycrystalline silicon layer to form a trench type grid, and the upper surface of the substrate is covered with a metal layer; the base region close to the body region is provided with a front defect region, and the base region close to the field stop layer is provided with a back defect region. The invention controls the service life of the front and back carriers by manufacturing the defects with controllable depth on the front and back; thus, during the turn-off process, the carrier lifetime is limited and the current quickly drops to zero. After defects are injected, the resistance of the front part area is smaller, the current quickly rises to a saturation area, the turn-on time is shortened, and the loss is reduced in the turn-on and turn-off processes.)
技术领域
本发明涉及半导体器件领域，特别是指一种IGBT器件的结构。
本发明还涉及所述IGBT器件的工艺方法。
背景技术
绝缘栅双极晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor，以下简称IGBT)是一种集金属氧化物半导体场效应管(MOSFET)的栅电极电压控制特性和双极结型晶体管(BJT)的达灵顿结构半导体功率电力电子器件，具有电压控制、输入阻抗大、驱动功率小、导通电阻小、开关损耗低及工作频率高等特性，是比较理想的半导体功率开关器件，开关频率在10K～100K赫兹之间，有着广阔的发展和应用前景。在IGBT功率器件功能中，开关的速度和对应开关损耗是评价IGBT性能的重要指标。目前是通过背面注入磷或氢离子，并通过高温长时间推阱形成背面场中止层来减少关断损耗，但是由于背面场终止层偏厚偏浓，不可避免会造成静态指标通态电压偏大。另外对于IGBT正面的开通损耗需要进一步降低，没有更好的办法。
目前随着IGBT电流密度要求越来越高，器件通态的电流也越来越大。器件的损耗越来越大。动态损耗和静态损耗的折中平衡难度越来越高。为了改善动态损耗，现在大家通行的做法是背面注入磷离子或氢离子经过高温推阱后，形成一定深度的场终止层达到在IGBT关断的时候复合背面发射的空穴，减少背面发射效率，达到降低关断损耗的目的。
现有半导体器件特别是大电流100A以上的产品，由于电流大，开通损耗和关断损耗都特别大，并且很难和导通损耗进行折中。因为存在的问题是电流从背面到正面穿过整个衬底过程中，只有背面不到整体长度十分之一的距离，通过场终止层减少背面发射效率，减少关断损耗。该方法折中程度有限，而且很容易使得Vcesat（饱和压降）增加。开通损耗方面，工艺上没有更好的办法，设计上只能通过减少输入电阻的方法实现开通损耗降低，但是往往容易造成开通电流过冲，影响器件的使用安全。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种IGBT器件，具有较低的开关损耗。
本发明所要解决的另一技术问题在于提供所述IGBT器件的工艺方法。
本发明所述的IGBT器件结构，所述器件形成于半导体衬底中，在半导体衬底的剖视平面上，定义衬底具有上表面和下底面，与上表面和下底面的纵向垂直的水平方向为左右两侧；所述器件在纵向上，最下层也就是下底面为背面金属，背面金属上方为集电区，集电区上方为场终止层，场终止层上方为基区；在所述衬底的上表面的浅层为第一导电类型的体区，所述的体区中包含有多个等距排列的第二导电类型重掺杂区，所述第二导电类型重掺杂区位于体区的浅表层。
多个平行的沟槽各穿过所述的重掺杂区以及体区，沟槽的底部位于基区中，沟槽内填充多晶硅层形成沟槽型栅极，所述衬底的上表面覆盖金属层。
所述的衬底中，靠近体区的基区中具有一层正面缺陷区，靠近场终止层的基区中具有一层背面缺陷区。
进一步地改进是，所述的基区为第二导电类型轻掺杂区。
进一步地改进是，所述的正面缺陷区为注入深度可控的氢离子注入层，通过正面缺陷区控制正面载流子寿命，电阻减小，加快电流上升到饱和区域，降低开通时间。
进一步地改进是，所述的背面缺陷区为注入深度可控的氢离子注入层，通过背面缺陷区控制背面载流子寿命，在IGBT器件关断时，电流迅速下降为零。
进一步地改进是，所述的第一导电类型为P型，第二导电类型为N型；或者是将前述定义变更为相反类型。
本发明所述的IGBT器件结构的工艺方法，包含如下的工艺步骤：
第一步，提供一晶圆，在晶圆正面形成一层二氧化硅；
第二步，通过光刻及刻蚀工艺把需要腐蚀的区域打开；
第三步，刻蚀完沟槽后，在硅表面生长再一层氧化膜；
第四步，在氧化膜表面成长一层多晶硅层；
第五步，进行光刻胶涂布，曝光多晶硅图形，进行显影，带着光刻版进行刻蚀，形成多晶硅栅极；
第六步，在晶圆表面再生长一层绝缘膜；
第七步，进行光刻胶曝光及刻蚀工艺将接触孔区域刻蚀窗口打开；
第八步，绝缘膜刻蚀后，去除光刻胶，进一步进行接触孔刻蚀，并进行衬底刻蚀；
第九步，进行杂质离子注入，形成接触区；
第十步，进行互联金属的形成工艺，形成互联金属的金属膜层；
第十一步，进行金属膜层的光刻显影工艺，带着光刻胶进行湿法或干法腐蚀工艺，形成金属互联；
第十二步，进行钝化层的淀积；
第十三步，进行聚酰亚胺涂布,曝光显影后，形成聚酰亚胺保护层；
第十四步，对晶圆正面进行氢离子注入，形成正面缺陷区；
第十五步，对晶圆的背面进行减薄；
第十六步，对晶圆背面进行离子注入，再进行激活，形成背面阳极；
第十七步，对晶圆背面进行氢离子注入，形成背面缺陷区；
第十八步，对晶圆完整的进行炉管激活推阱，形成深度可控的正面缺陷区和背面缺陷区；
第十九步，对正面和背面局部区域形成寿命控制。
进一步地改进是，所述第一步中，二氧化硅层作为沟槽刻蚀的阻挡层，所述氧化硅层的厚度为1～2um，采用场氧工艺形成。
进一步地改进是，所述第三步中，所述的氧化膜作为栅氧化膜，采用超过1000摄氏度的高温炉管工艺形成，其厚度为800～1500Å。
进一步地改进是，所述第四步中，所述的多晶硅厚度为8000～15000Å。
进一步地改进是，所述第五步中，刻蚀形成的多晶硅的宽度为1-4um。
进一步地改进是，所述第六步中，绝缘膜形成工艺采用炉管工艺和CVD 工艺，形成的绝缘膜厚度为1～2um。
进一步地改进是，所述的绝缘膜为氧化硅膜，或者是氮化硅膜。
进一步地改进是，所述第八中，继续在绝缘膜打开的接触孔窗口中向下刻蚀硅衬底，硅衬底刻蚀深度为0.2～0.5um。
进一步地改进是，所述第九步中，所述接触区的注入杂质为砷，掺杂浓度为1E19～5E20CM-3；硅衬底中接触区深度0.2～0.5um。
进一步地改进是，所述第十步中，金属膜层的厚度为1～5um，采用溅射工艺形成。
进一步地改进是，所述第十一步中，金属溅射达到设计厚度后，进行光刻显影及刻蚀工艺，带着光刻胶进行湿法或者干法腐蚀工艺对金属进行图案化，形成金属互连。
进一步地改进是，所述第十二步中，所述的钝化层为氮化硅层，其厚度为100～1000Å。
进一步地改进是，所述第十四步中，氢离子注入的能量为1～3MEV之间，剂量在1E11～2E12CM-2之间。
进一步地改进是，所述第十五步中，晶圆背面减薄厚度为50～120um之间。
进一步地改进是，所述第十六步中，晶圆背面进行硼离子注入，然后进行激光激活工艺。
进一步地改进是，所述第十七步中，氢离子的注入的能量在1～3MEV,剂量在1E11～2E12CM-2之间。
本发明的有益效果为，可以通过正面注入距离可控的氢离子和背面注入距离可控的氢离子，进行正面可控深度制造缺陷，控制正面载流子寿命；在背面可控深度制造缺陷，控制背面载流子寿命。这样在关断的过程中，载流子寿命有限，电流很快就下降为零。注入缺陷后，正面部分区域的电阻偏小，电流很快就上升到饱和区域，开通时间变小，在开通和关断过程中损耗变少。这种工艺方法对衬底从正面到背面整体的电阻影响较少，所以对整体通态电压的影响较少，对开通损耗影响少。
附图说明
图1 为本发明沟槽栅绝缘栅双极晶体管IGBT的剖面结构图。
图2 是本发明工艺步骤流程图。
附图标记说明
1是背面金属，2是集电区（P型），3是场终止层（N+），4是基区（N-），5是第二P型体区，6是多晶硅栅极，7是重掺杂区，8是金属，9是正面缺陷区，10是背面缺陷区。
具体实施方式
以下结合附图给出本发明的具体实施方式，对本发明中的技术方案进行清楚、完整的描述，但本发明不限于以下的实施方式。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比率，仅用于方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。本领域普通技术人员在不做出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
应当理解，本发明能够以不同形式实施，而不应当解释为局限于这里提出的实施例。相反地，提供这些实施例将使公开彻底和完全，并且将本发明的范围完全地传递给本领域技术人员。在附图中，为了清楚，层和区的尺寸以及相对尺寸可能被夸大，自始至终相同附图标记表示相同的元件。应当明白，当元件或层被称为“在…上”、“与…相邻”、“连接到”或“耦合到”其它元件或层时，其可以直接地在其它元件或层上、与之相邻、连接或耦合到其它元件或层，或者可以存在居间的元件或层。相反，当元件被称为“直接在…上”、“与…直接相邻”、“直接连接到”或“直接耦合到”其它元件或层时，则不存在居间的元件或层。应当明白，尽管可使用术语第一、第二、第三等描述各种元件、部件、区、层和/或部分，这些元件、部件、区、层和/或部分不应当被这些术语限制。这些术语仅仅用来区分一个元件、部件、区、层或部分与另一个元件、部件、区、层或部分。因此，在不脱离本发明教导之下，下面讨论的第一元件、部件、区、层或部分可表示为第二元件、部件、区、层或部分。
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。
由于现有IGBT器件存在的问题是电流从背面到正面穿过整个衬底过程中，只有背面不到整体长度十分之一的距离，通过场终止层减少背面发射效率，减少关断损耗。该方法折中程度有限，而且很容易使得Vcesat增加。开通损耗方面，工艺上没有更好的办法，设计上只能通过减少输入电阻的方法实现开通损耗降低，但是往往容易造成开通电流过冲，影响器件的使用安全。
本发明提供一种IGBT器件，如图1所示，在半导体衬底的剖视平面上，在纵向上所述衬底具有上表面和下底面。最下层也就是下底面为背面金属1，背面金属1上方为集电区2，集电区上方为场终止层3，场终止层3上方为N-型的基区4；在所述衬底的上表面的浅层为P型的体区5，所述的体区5中包含有多个等距排列的N型重掺杂区7，所述N型重掺杂区7位于体区5的浅层，靠表面处。
多个平行的沟槽各穿过所述的重掺杂区以及体区，沟槽的底部位于基区中，沟槽内填充多晶硅层形成沟槽型栅极6，所述衬底的上表面覆盖金属层8。
所述的衬底中，靠近体区5的基区4中具有一层正面缺陷区9，靠近场终止层的基区中具有一层背面缺陷区10。所述正面缺陷区的深度以及背面缺陷区的深度可以通过推阱工艺进行控制。
在上述结构中，可以通过正面注入距离可控的氢离子和背面注入距离可控的氢离子进行正面可控深度地制造缺陷，控制正面载流子寿命；在背面可控深度地制造缺陷，控制背面载流子寿命。注入缺陷后，正面部分区域的电阻偏小，电流很快就上升到饱和区域，开通时间变小，在开通和关断过程中损耗变少。在关断的过程中，载流子寿命有限，电流很快就下降为零。
上述器件采用如下的工艺方法进行制作：
第一步，提供一晶圆，在晶圆正面采用场氧工艺形成一层二氧化硅；在用于形成栅极的沟槽刻蚀时，二氧化硅层作为沟槽刻蚀的阻挡层，所述二氧化硅层的厚度为1～2um。
第二步，通过光刻及刻蚀工艺把需要刻蚀的区域打开。
第三步，刻蚀完沟槽后，在硅表面生长再一层氧化膜；所述的氧化膜作为沟槽中栅极的栅氧化膜，采用超过1000摄氏度的高温炉管工艺形成，其形成厚度为800～1500Å。本实施例中可以形成1000Å或者是1300Å，根据器件性能要求进行决定。
第四步，在氧化膜表面成长一层多晶硅层；所述的多晶硅厚度为8000～15000Å，将沟槽填充满，后续用于形成栅极。
第五步，进行光刻胶涂布，曝光多晶硅图形，进行显影，带着光刻版进行刻蚀，形成多晶硅栅极；刻蚀形成的多晶硅的宽度为1～4um。
第六步，在晶圆表面采用炉管工艺和CVD工艺再生长一层绝缘膜；绝缘膜可以是氧化硅膜或者是氮化硅膜，形成的绝缘膜厚度为1～2um。
第七步，进行光刻胶曝光及刻蚀工艺将接触孔区域刻蚀窗口打开。
第八步，绝缘膜刻蚀后，去除光刻胶，进一步进行接触孔刻蚀，并继续在绝缘膜打开的接触孔窗口中向下刻蚀硅衬底，硅衬底刻蚀深度为0.2～0.5um。
第九步，进行N型杂质离子的掺杂注入，比如砷，形成接触区；掺杂浓度为1E19～5E20CM-3；硅衬底中接触区深度0.2～0.5um。
第十步，进行互联金属的溅射形成工艺，形成互联金属的金属膜层；金属膜层的厚度为1～5um。
第十一步，进行金属膜层的光刻显影工艺，带着光刻胶进行湿法或干法腐蚀工艺，形成金属互联。
第十二步，进行钝化层的淀积；所述的钝化层为氮化硅层，其厚度为100～1000Å。
第十三步，进行聚酰亚胺涂布,曝光显影后，形成聚酰亚胺保护层。
第十四步，对晶圆正面进行氢离子注入，形成正面缺陷区；氢离子注入的能量为1～3MEV之间，剂量在1E11～2E12CM-2之间。
第十五步，对晶圆的背面进行减薄；晶圆背面减薄厚度为50～120um之间。
第十六步，对晶圆背面进行硼离子注入，再进行激光激活工艺激活，形成背面阳极。
第十七步，对晶圆背面进行氢离子注入，形成背面缺陷区；氢离子的注入的能量在1～3MEV,剂量在1E11～2E12CM-2之间。
第十八步，对晶圆完整的进行炉管激活推阱，使正面缺陷区和背面缺陷区推进到预计深度，形成深度可控的正面缺陷区和背面缺陷区。
第十九步，对晶圆正面和背面局部区域形成寿命控制。
上述的工艺方法对衬底从正面到背面整体的电阻影响较少，所以对整体通态电压的影响较少，不会增加多少通态电压。对开通损耗影响少所述的正面缺陷区为注入深度可控的氢离子注入层，通过正面缺陷区控制正面载流子寿命，电阻减小，加快电流上升到饱和区域，降低开通时间。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点，本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内，本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。