一种具有抗辐照结构的IGBT器件及其制备方法与流程

一种具有抗辐照结构的igbt器件及其制备方法
技术领域
1.本发明属于半导体技术领域，具体而言，涉及一种具有抗辐照结构的igbt器件及其制备方法。


背景技术：

2.随着科学的进一步发展，电力电子技术的应用领域不断拓宽。功率半导体器件作为电子电力控制的核心部分，主要应用在电力设备的电能变换和电路控制，也是弱电与强电之间的沟通桥梁，具有变频、变压、变流、功率放大和功率管理的功能，对设备的正常运行起关键作用。在常见的功率半导体器件中，绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolartransistor，igbt)具有优良的导通特性和开关特性而使其在市场中占有主流地位，其在轨道交通、新能源汽车与航空航天等领域有着重要的作用。
3.尽管igbt在多数情况下拥有较为理想的性能，但是在空间辐照和核辐照等恶劣的辐照环境下，器件的可靠性与安全性会面临很大的挑战。器件如果长期处于辐照环境中，可能会导致性能退化甚至永久性损坏，而器件所在的电路节点和整个功率系统可能会发生紊乱，从而导致运行错误或失效，因此，具有抗辐照结构的igbt器件是严苛应用环境下控制单元稳定运行的关键，但目前仍没有可靠的抗辐照加固方案。


技术实现要素：

4.本发明实施例提供了一种具有抗辐照结构的igbt器件及其制备方法，器件结构紧凑，能有效提高igbt器件的抗辐照能力，使用安全可靠。
5.鉴于上述问题，本发明提出的技术方案是：
6.本发明提供一种具有抗辐照结构的igbt器件，包括p型衬底和n型漂移区，所述p型衬底设置于所述n型漂移区的下方，所述p型衬底与所述n型漂移区之间设置有埋氧层，所述n型漂移区的上层设置有场氧层，所述场氧层的两端分别设置有p型体区和n型缓冲层，所述p型体区和所述n型缓冲层均内嵌于所述n型漂移区的上表面，所述p型体区的上表面设置有发射极p+区和发射极n+区，所述p型体区的上层设置有栅氧层，所述栅氧层的上方设置有多晶硅栅极，所述栅氧层的一端与所述发射极n+区连接，所述n型缓冲层的上表面设置有集电阳极区，所述场氧层的上层设置有隔离层，所述隔离层的两端分别覆盖至所述p型体区和所述n型缓冲层的上表面，所述隔离层的上表面两端分别设置有发射极金属和集电极金属。
7.另一方面，一种具有抗辐照结构的igbt器件的制备方法，包括以下步骤：
8.s1，采用p型衬底硅片，在其上层生长形成n型漂移区，并进行一次氧化；
9.s2，在n型漂移区下方注入高能氧离子，经高温固化后形成埋氧层；
10.s3，在n型漂移区表面进行二次氧化，生长场氧层；
11.s4，在场氧层一侧通过离子注入p型杂质推结形成p型体区；
12.s5，在p型体区表面依次通过硼扩散和磷注入形成发射极p+区和发射极n+区；
13.s6，去除场氧层表面氧化层，重新生长栅氧层，并在栅氧层上方淀积多晶硅，形成
多晶硅栅极；
14.s7，在场氧层另一侧离子注入形成n型缓冲层，再在n型缓冲层上注入形成集电阳极区；
15.s8，在场氧层上方通过化学气相淀积生长隔离层，并蚀刻通孔；
16.s9，在隔离层上方溅射金属分别形成发射极金属和集电极金属，发射极金属通过通孔与发射极p+区和发射极n+区连接，集电极金属通过通孔与集电阳极区连接；
17.s10，翻转器件，在p型衬底的背面依次淀积钛、镍、金三层金属。
18.相对于现有技术，本发明的有益效果是：本发明在器件下方引入埋氧层，减小器件硅层厚度，为辐照产生的电子-空穴提供较大的复合几率与复合截面，降低辐照电流，进而提升器件抗单粒子辐照能力；在p型体区沟道上方生长形成质量良好的栅氧层，有效避免辐照对p沟道的影响；本发明提供的制备方法优化了p型体区结深步骤，降低了p型体区注入后后续高温步骤所产生的杂质对器件性能的影响，提高了器件工作频率，保证了运行可靠性，满足在大功率、辐照强的复杂环境下使用。
19.上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。
附图说明
20.图1是本发明所公开的一种具有抗辐照结构的igbt器件的结构示意图；
21.图2是本发明所公开的一种具有抗辐照结构的igbt器件的制备方法的流程示意图；
22.图3-图12是本发明所公开的制备方法过程结构示意图，其中，
23.图3是本发明得到n型飘移区后的结构示意图；
24.图4是本发明得到埋氧层后的结构示意图；
25.图5是本发明得到场氧层后的结构示意图；
26.图6是本发明得到p型体区后的结构示意图；
27.图7是本发明得到发射极p+区和发射极n+区后的结构示意图；
28.图8是本发明得到多晶硅栅极后的结构示意图；
29.图9是本发明得到集电阳极区后的结构示意图；
30.图10是本发明得到隔离层后的结构示意图；
31.图11是本发明得到发射极金属和集电极金属后的结构示意图；
32.图12是本发明得到背面处理后的结构示意图；
33.附图标记说明：1、p型衬底；2、n型漂移区；3、埋氧层；4、场氧层；5、p型体区；6、n型缓冲层；7、发射极p+区；8、发射极n+区；9、栅氧层；10、多晶硅栅极；11、集电阳极区；12、隔离层；13、发射极金属；14、集电极金属。
具体实施方式
34.为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实
施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
35.因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
36.应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
37.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等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发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
38.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
39.实施例一
40.参照附图1所示，本发明提供一种技术方案：一种具有抗辐照结构的igbt器件，包括p型衬底1和n型漂移区2，p型衬底1设置于n型漂移区2的下方，p型衬底1与n型漂移区2之间设置有埋氧层3，n型漂移区2的上层设置有场氧层4，场氧层4的两端分别设置有p型体区5和n型缓冲层6，p型体区5和n型缓冲层6均内嵌于n型漂移区2的上表面，p型体区5的上表面设置有发射极p+区7和发射极n+区8，p型体区5的上层设置有栅氧层9，栅氧层9的上方设置有多晶硅栅极10，栅氧层9的一端与发射极n+区8连接，n型缓冲层6的上表面设置有集电阳极区11，场氧层4的上层设置有隔离层12，隔离层12的两端分别覆盖至p型体区5和n型缓冲层6的上表面，隔离层12的上表面两端分别设置有发射极金属13和集电极金属14。
41.在器件使用时遇到辐照影响时，当辐照重离子在靠近集电极金属14入射时，虽然沿着入射轨迹周围有电子-空穴对的产生，但是在此处分布的载流子浓度较少，由于集电极施加正偏压，电子直接被集电极收集移出器件之外，空穴在电场作用下会向p型体区5运动，在这个过程中大部分空穴在n型漂移区2被复合掉；当重离子在多晶硅栅极10下方沟道位置入射时，电子在电场作用下会向集电阳极区11运动而被收集，同时由于沟道下方p型体区5与n型漂移区2之间反偏pn结的存在，可使得重离子碰撞产生的电子-空穴对快速分离，载流子复合机制被削弱，促进了电极对电荷的收集，使得器件在辐照作用下瞬态电流变化减小，从而提升了器件抗单粒子辐照的能力。
42.实施例二
43.参照附图2-附图12所示，本发明实施例另提供的一种具有抗辐照结构的igbt器件的制备方法，包括以下步骤：
44.s1，采用p型衬底1硅片，在其上层生长形成n型漂移区2，并进行一次氧化；
45.参照附图3所示，利用化学气象淀积工艺在p型衬底1硅片上淀积单晶硅，其结晶质量良好，容易获得更为准确的电阻率和厚度，其中，一次氧化仅需要极短的时间，其作用为去除n型漂移区2和p型衬底1的表面缺陷，保证器件成型质量；另外，该步骤中n型漂移区2结深应尽量减薄，使得器件单粒子烧毁电压增大，提高抗单粒子能力，n型飘移区掺杂浓度为8.3e14cm-3
。
46.s2，在n型漂移区2下方注入高能氧离子，经高温固化后形成埋氧层3；
47.参照附图4所示，注入的高能氧离子在后续的高温工艺中与硅反应生成二氧化硅，从而形成埋氧层3，埋氧层3遏制电子-空穴的电荷大小，降低器件的导通压降。
48.s3，在n型漂移区2表面进行二次氧化，生长场氧层4；
49.参照附图5所示，场氧层4采用干氧-湿氧-干氧的方式生长，形成将质量较差的氧化层夹在质量良好的氧化层中间的包裹结构，避免辐照对场氧层4区域产生不利影响。
50.s4，在场氧层4一侧通过离子注入p型杂质推结形成p型体区5；
51.参照附图6所示，在n型飘移区表面进行硼注入形成p型体区5，该p型体区5掺杂浓度为8.0e16cm-3
。
52.s5，在p型体区5表面依次通过硼扩散和磷注入形成发射极p+区7和发射极n+区8；
53.参照附图7所示，发射极p+区7和发射极n+区8依次成型，在进行磷注入形成发射极n+区8时，在p型体区5表面光刻有掩膜，掩膜区域的p型体区5表面未受磷注入的影响，发射极p+区7掺杂浓度为2.6e19cm-3
，发射极n+区8掺杂浓度为7.2e19cm-3
。
54.s6，去除场氧层4表面氧化层，重新生长栅氧层9，并在栅氧层9上方淀积多晶硅，形成多晶硅栅极10；
55.参照附图8所示，去除氧化层为了保证栅氧层9的质量，控制栅氧层9的电荷密度，多晶硅的掺杂利用离子注入的方式，掺入杂质为硼离子，并经过光刻形成多晶硅栅极10。
56.s7，在场氧层4另一侧离子注入形成n型缓冲层6，再在n型缓冲层6上注入形成集电阳极区11；
57.参照附图9所示，n型缓冲层6利用多晶硅栅极10为掩膜，采用磷离子注入，并放入高温扩散炉内促进高温扩散，使n型缓冲区结深深度更大，同时也完成硼在多晶硅栅极10内的再分布，n型缓冲区的掺杂浓度为7.9e17cm-3
，另外，集电阳极区11采用浓硼注入，其掺杂浓度为4.0e19cm-3
。
58.s8，在场氧层4上方通过化学气相淀积生长隔离层12，并蚀刻通孔；
59.参照附图10所示，隔离层12用于在金属与器件之间建立一层绝缘介质，采用磷硅玻璃材质，通过高温扩散炉进行热处理，在此过程中，使器件表面平坦化，同时在高温作用下，将p型体区5注入的硼离子驱入栅氧层9下方，调整栅氧层9下方的沟道长度，从而提高器件的抗辐照能力。
60.s9，在隔离层12上方溅射金属分别形成发射极金属13和集电极金属14，发射极金属13通过通孔与发射极p+区7和发射极n+区8连接，集电极金属14通过通孔与集电阳极区11连接；
61.参照附图11所示，在发射极金属13和集电极金属14蚀刻前，在器件表面溅射一层金属钛以降低接触电势，然后在继续溅射掺入1％浓度硅的金属铝，用于防止器件中的硅与金属层中的铝互相扩散，提高器件的使用寿命。
62.s10，翻转器件，在p型衬底1的背面依次淀积钛、镍、金三层金属；
63.参照附图12所示，器件背面在淀积金属前进行表面处理，用于降低器件的机械应力，增加淀积金属的附着力。
64.以上所述仅为本发明的优选实施方式而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种具有抗辐照结构的igbt器件，其特征在于，包括p型衬底(1)和n型漂移区(2)，所述p型衬底(1)设置于所述n型漂移区(2)的下方，所述p型衬底(1)与所述n型漂移区(2)之间设置有埋氧层(3)，所述n型漂移区(2)的上层设置有场氧层(4)，所述场氧层(4)的两端分别设置有p型体区(5)和n型缓冲层(6)，所述p型体区(5)和所述n型缓冲层(6)均内嵌于所述n型漂移区(2)的上表面，所述p型体区(5)的上表面设置有发射极p+区(7)和发射极n+区(8)，所述p型体区(5)的上层设置有栅氧层(9)，所述栅氧层(9)的上方设置有多晶硅栅极(10)，所述栅氧层(9)的一端与所述发射极n+区(8)连接，所述n型缓冲层(6)的上表面设置有集电阳极区(11)，所述场氧层(4)的上层设置有隔离层(12)，所述隔离层(12)的两端分别覆盖至所述p型体区(5)和所述n型缓冲层(6)的上表面，所述隔离层(12)的上表面两端分别设置有发射极金属(13)和集电极金属(14)。2.一种具有抗辐照结构的igbt器件的制备方法，应用于权利要求1所述的一种具有抗辐照结构的igbt器件，其特征在于，包括以下步骤：s1，采用p型衬底(1)硅片，在其上层生长形成n型漂移区(2)，并进行一次氧化；s2，在n型漂移区(2)下方注入高能氧离子，经高温固化后形成埋氧层(3)；s3，在n型漂移区(2)表面进行二次氧化，生长场氧层(4)；s4，在场氧层(4)一侧通过离子注入p型杂质推结形成p型体区(5)；s5，在p型体区(5)表面依次通过硼扩散和磷注入形成发射极p+区(7)和发射极n+区(8)；s6，去除场氧层(4)表面氧化层，重新生长栅氧层(9)，并在栅氧层(9)上方淀积多晶硅，形成多晶硅栅极(10)；s7，在场氧层(4)另一侧离子注入形成n型缓冲层(6)，再在n型缓冲层(6)上注入形成集电阳极区；s8，在场氧层(4)上方通过化学气相淀积生长隔离层(12)，并蚀刻通孔；s9，在隔离层(12)上方溅射金属分别形成发射极金属(13)和集电极金属(14)，发射极金属(13)通过通孔与发射极p+区(7)和发射极n+区(8)连接，集电极金属(14)通过通孔与集电阳极区(11)连接；s10，翻转器件，在p型衬底(1)的背面依次淀积钛、镍、金三层金属。

技术总结
本发明提供了一种具有抗辐照结构的IGBT器件及其制备方法，属于半导体技术领域，该器件包括P型衬底和N型漂移区，P型衬底与N型漂移区之间设置有埋氧层，N型漂移区的上层设置有场氧层，场氧层的两端分别设置有P型体区和N型缓冲层，P型体区的上表面设置有发射极P+区和发射极N+区，P型体区的上层设置有栅氧层，栅氧层的上方设置有多晶硅栅极，栅氧层的一端与发射极N+区连接，N型缓冲层的上表面设置有集电阳极区，场氧层的上层设置有隔离层，隔离层的上表面两端分别设置有发射极金属和集电极金属，该器件结构紧凑，能有效提高IGBT器件的抗辐照能力，使用安全可靠。使用安全可靠。使用安全可靠。


技术研发人员：王丕龙 王新强 杨玉珍
受保护的技术使用者：青岛佳恩半导体有限公司
技术研发日：2023.08.14
技术公布日：2023/9/19