[发明专利]具有薄底部射极层并在屏蔽区域和终止环中的渠沟中植入掺杂物的垂直功率电晶体

说明书

本发明公开了在垂直电晶体(例如IGBT)中的各种改进。该等改进包括在生长基板的顶端表面区中形成周期性高度掺杂p型射极熔接点，接着是生长该等各种电晶体层，接着是磨光该基板的底面，接着是该底面的湿式蚀刻以暴露该高浓度掺杂p+层。金属接点随后在该p+层上面形成。在另一改进中，边缘终止结构利用植入渠沟中的p‑掺杂物以产生用于塑形该电场的深p‑区，以及在该等渠沟之间用于在截止之后快速地去除电洞的浅p‑区。在另一改进中，使用n‑层和分布式n+区的双缓冲层改进崩溃电压和饱和电压。在另一改进中，在终止结构中不同浓度的p‑分区借由变化渠沟的间距而形成。在另一改进中，斜切锯道提高崩溃电压。

本申请案是由Hamza Yilmaz于2016年9月8日所申请的美国专利申请案序号 15/259,877的国际申请案，其对2015年10月20日所申请的美国临时申请案序号62/244,120主张优先权。15/259,877和62/244,120两者皆转让给本发明受让人，且并入文中作为参考。

技术领域

本发明涉及隔离闸极装置，例如垂直绝缘闸极双极性电晶体(Insulated gatebipolar transistors，IGBTs)，尤其是关于改进效率并提高崩溃电压的装置结构和制造技术。

背景技术

尽管本发明可应用于多种垂直隔离闸极装置，但是IGBT将用作范例。

常见垂直IGBT的一种类型含有借由开始载子的注入的MOSFET而驱动的垂直pnp双极性电晶体(由并行的许多单元形成)，其随后完全接通该pnp电晶体。在高电流准位下，在垂直IGBT中的正向电压降(Vce-sat)通常低于垂直 MOSFET。在处理高电流和高电压(例如用于工业马达控制、感应加热等)的高功率IGBT中，该n型基极需要相对较轻掺杂以产生宽空乏层，以在该截止状态下耐受该高电压。这种厚且轻掺杂n型基极层系降低该Vcs-sat的瓶颈。当该电晶体从接通切换为截止时，重要的是从该n型基极迅速地去除电洞，以快速地停止该电流流动。

更薄、更高浓度掺杂p型射极(其可能是该IGBT的底部半导体层)欲提高电洞注入效率并减少该IGBT的Vce-sat。不过，在提高注入效率与该IGBT的截止速度之间有权衡利弊。薄p型射极层通常在完成该等前端制程之后(即在形成该等电晶体层之后)形成，其中该晶圆(硅基板)的底面机械地磨光，接着是植入该底面中的该等p型射极掺杂物，接着是退火步骤。雷射退火是所需的，因为该所得到的热不会导致任何该等正面掺杂物进一步扩散。此退火步骤添加该制造过程复杂度并需要专门设备。

所需该装置具有高崩溃电压但是低Vce-sat。在该等主动单元的区域中的崩溃(在该截止状态下)可导致永久性装置故障，因此所需该装置提供远离该精细主动单元数组的崩溃路径。高电压的有效处理而无损害一般指称为坚固性。

接近该晶粒的该等边缘的区域特别容易由于电场拥挤而崩溃，且不应为该装置的整体崩溃电压的瓶颈。终止结构通常在该晶粒的该等边缘周围用于高功率装置。

在所有该等以上所提及区域中的改进皆是所需，以产生更坚固又有效的 IGBT。

发明内容

本发明所公开的内容说明减少正向电压降(Vce-sat)、改进截止时间以及改进该主动单元数组的坚固性的IGBT结构和制造方法。该等教示可应用于各种其他类型的功率装置。

在一个具体实施例中，相对较浅且窄的渠沟式闸极在主动单元数组区域中形成以形成MOSFET或IGBT，且用闸极材料填充的较宽深渠沟在围绕主动区域的屏蔽区中形成。深浮接p-区在深渠沟下方形成(借由植入渠沟中)，从而在主动区域周围产生等电位环以改进装置的崩溃电压。在屏蔽区中的深渠沟之间的较浅p-区至顶部源极金属短路，以在IGBT闸极已截止之后，从n型基极迅速地去除电洞，以加速电流流动的截止。深浮接p-区区域专为在正常截止和 IGBT截止模式期间屏蔽浅p-区以免崩溃所设计。