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CN110875309A - 一种带有内置电流传感器的沟槽igbt器件结构及制作方法 - Google Patents

一种带有内置电流传感器的沟槽igbt器件结构及制作方法 Download PDF

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汤艺
永福
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Abstract

一种带有内置电流传感器的沟槽IGBT器件结构及制作方法，该制造方法包括如下步骤：在选定的N型外延硅衬底或者区熔片上定义有源区，生长场区氧化层；选择性的定义深P阱或者不做此步骤；光刻沟槽图形，干法刻蚀硅衬底；生长栅极氧化层，淀积原位参杂的多晶硅材料填充沟槽；然后光刻栅极图形，刻蚀多晶硅形成顶层结构的栅极；注入P型杂质并扩散形成浅P阱作为沟道区；光刻N型源区注入N型杂质；然后淀积氧化层或者氮化硅等绝缘材料并退火致密，光刻接触孔，刻蚀绝缘层裸露出之前形成的所有元胞的P阱区和N型源区硅表面；注入P型杂质并激活，溅射顶层金属，光刻刻蚀顶层金属，淀积钝化层，光刻刻蚀钝化层，合金完成顶层结构的制作。

Description

一种带有内置电流传感器的沟槽IGBT器件结构及制作方法
技术领域
本发明属于IGBT器件的制作技术领域，具体涉及一种带有内置电流传感器的沟槽IGBT器件结构及制作方法。
背景技术
作为新型电力半导体器件的主要代表，IGBT被广泛用于工业、信息、新能源、医学、交通、军事和航空领域。目前，市场上的IGBT器件的耐压高达6500V,单管芯电流高达200A,频率达到300KHz。在高频大功率领域，目前还没有任何一个其它器件可以代替它。随着半导体材料和加工工艺的不断进步，采用沟槽技术的IGBT器件已成为主流产品。同时对沟槽IGBT器件电学性能的要求也越来越高。在实际应用中，系统经常需要能够尽快地检测出过流情况的发生，以便及时做出响应，确保系统的保护和正常运作。通常外置电流传感器会增加模块及电路的复杂性和面积，并且在响应时间上比较延迟。IGBT芯片的内置传感器，能够有效及时地提供芯片内电流的信息，从而简化电路，保护系统。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种工艺控制简单，与通用的沟槽型IGBT工艺兼容，并且无需增加工艺制作成本的带有内置电流传感器的沟槽IGBT器件结构该IGBT器件结构的制作方法。
本发明的目的是通过如下技术方案来完成的，一种带有内置电流传感器的沟槽IGBT器件结构，包括一体式并列设置的主IGBT及电流采样IGBT，主IGBT结构通过沟槽与所述电流采样IGBT隔离，且所述主IGBT及电流采样IGBT均包括N型衬底、P型衬底、N型电荷储存层、P型沟道区、沟槽及接触孔；所述N型衬底上依次设置有N型电荷储存层及P型沟道区，N型衬底的底部设置有P型衬底；所述P型沟道区的顶部开设有若干底部与所述N型衬底连通的沟槽，所述沟槽之间通过N型源区设置有至少一组接触孔，所述沟槽内设置有沟槽氧化层及多晶硅；所述沟槽贯穿P型沟道区、N型电荷储存层及N型衬底,所述沟槽氧化层设置在所述沟槽内且覆盖每个所述沟槽的表面。
所述制造方法包括如下步骤：
1）在选定的N型衬底或者区熔片上定义有源区，生长场区氧化层；
2）根据终端结构和有源区单胞的设计，选择性的定义深P阱或者不做此步骤；
3）光刻沟槽图形，干法刻蚀硅衬底，此次的沟槽同时定义了有源区栅极沟槽和用于隔离电流采样IGBT的沟槽；
4）生长栅极氧化层，淀积原位参杂的多晶硅材料填充沟槽；然后光刻栅极图形，刻蚀多晶硅形成顶层结构的栅极；
5）注入P型杂质并扩散形成浅P阱（P-base）作为沟道区；浅P阱沟道区（P-base）也可选择形成在定义沟槽之前；
6）光刻N型源区注入N型杂质；然后淀积氧化层或者氮化硅等绝缘材料并退火致密，光刻接触孔，刻蚀绝缘层裸露出之前形成的所有元胞的P阱区和N型源区硅表面；
7）注入P型杂质并激活，确保P阱区与顶层金属的欧姆接触，溅射顶层金属，光刻刻蚀顶层金属，淀积钝化层，光刻刻蚀钝化层，合金完成顶层结构的制作；然后硅片背面减薄到特定的厚度，背面注入P型或注入N型及P型杂质，通过低温退火或者激光退火形成IGBT集电区或者带有场终止层次的FS-IGBT，最后通过溅射或者蒸发的方法淀积背面金属完成整个IGBT器件及电流传感器的制作过程。
进一步地，该制作方法是利用过渡区沟槽和深P阱设计隔离无效有源区与有效沟道区。
进一步地，步骤3）中，所述用于隔离电流传感器的沟槽连接到发射极。
本发明的有益技术效果在于：工艺控制简单，与通用的沟槽型IGBT工艺兼容，并且无需增加工艺制作成本，传感器的采样比例稳定，和主IGBT达到了良好的隔离作用。
附图说明
图1为现有的沟槽IGBT器件电流传感器的结构图；
图2为现有的另一种常用沟槽IGBT器件电流传感器的结构图；
图3为现有的另一种常用沟槽IGBT器件电流传感器的结构图；
图4为本发明所述的沟槽IGBT器件电流传感器的横截面示意图；
图5为本发明所述的沟槽IGBT器件电流传感器的俯视结构示意图；
图6为本发明所述的沟槽IGBT器件电流传感器的第一种俯视结构示意图；
图7为本发明所述的沟槽IGBT器件电流传感器的第二种俯视结构示意图；
图8为本发明所使用的电流采样IGBT以及主IGBT电路示意图；
图9为本发明所述的沟槽IGBT器件电流传感器的另一种结构示意图；
图10为图7的俯视结构示意图。
具体实施方式
为使本领域的普通技术人员更加清楚地理解本发明的目的、技术方案和优点，以下结合附图和实施例对本发明做进一步的阐述。
为了提高沟槽IGBT器件在系统中的工作安全性同时不增加电路系统的复杂度，需要设计芯片内置的电流传感器，通常采用的方法是在有源区内设置小的IGBT区域，输出采样电流；然而，如果没有有效地把电流传感器区域和主IGBT区域隔离开，电流传感器区域和主IGBT之间存在一个寄生电阻,容易导致传感器的采样电流比例不稳定，同时，传感器的位置也有着重要的作用，如果传感器远离主IGBT，容易造成传感器载流子承受过多的扩展电阻,从而进一步影响传感器的采样精度。
参照图1所示，现有的一种结构是把电流传感器设置在深P阱的另一端，由于深P阱内部的阻抗，造成电流传感器和主IGBT之间存在内置的电阻；这会造成发射极电流的分流，从而使得电流采样密度随外部电阻的改变而改变；参照图2所示，通过两个不同的深P阱来分割电流传感器和主IGBT，其优点是基本解决了内在电阻连接的问题，但是由于深P阱之间的距离，使得电流传感器的有效区域远离主IGBT的有效区域，电流传感器载流子的扩展电阻大大增加，从而影响采样的比例；图3所示的结构，看似用沟槽进行了电流传感器和主IGBT的隔离，但是在第三个方向，沟槽之间的P阱还是会使得电流传感器和主IGBT之间存在一个内置电阻。
如图3-9所示，本发明所述的一种沟槽IGBT器件结构，包括一体式并列设置的主IGBT及电流采样IGBT，主IGBT结构通过沟槽与所述电流采样IGBT隔离，且所述主IGBT及电流采样IGBT均包括N型衬底、P型衬底、N型电荷储存层、P型沟道区、沟槽及接触孔；所述N型衬底上依次设置有N型电荷储存层及P型沟道区，N型衬底的底部设置有P型衬底；所述P型沟道区的顶部开设有若干底部与所述N型衬底连通的沟槽，所述沟槽之间通过N型源区设置有至少一组接触孔，所述沟槽内设置有沟槽氧化层及多晶硅；所述沟槽贯穿P型沟道区、N型电荷储存层及N型衬底,所述沟槽氧化层设置在所述沟槽内且覆盖每个所述沟槽的表面。电流采样IGBT的结构与主IGBT相同，与主IGBT共享沟槽门极以及背面的集电极，但是其发射极是分开的，通过沟槽实现了与主IGBT发射极之间的电学隔离。
所述制造方法包括如下步骤：
1）在选定的N型衬底或者区熔片上定义有源区，生长场区氧化层；
2）根据终端结构和有源区单胞的设计，选择性的定义深P阱或者不做此步骤；
3）光刻沟槽图形，干法刻蚀硅衬底，此次的沟槽同时定义了有源区栅极沟槽和用于隔离电流采样IGBT的沟槽；
4）生长栅极氧化层，淀积原位参杂的多晶硅材料填充沟槽；然后光刻栅极图形，刻蚀多晶硅形成顶层结构的栅极；
5）注入P型杂质并扩散形成浅P阱（P-base）作为沟道区；浅P阱沟道区（P-base）也可选择形成在定义沟槽之前；
6）光刻N型源区注入N型杂质；然后淀积氧化层或者氮化硅等绝缘材料并退火致密，光刻接触孔，刻蚀绝缘层裸露出之前形成的所有元胞的P阱区和N型源区硅表面；
7）注入P型杂质并激活，确保P阱区与顶层金属的欧姆接触，溅射顶层金属，光刻刻蚀顶层金属，淀积钝化层，光刻刻蚀钝化层，合金完成顶层结构的制作；然后硅片背面减薄到特定的厚度，背面注入P型或注入N型及P型杂质，通过低温退火或者激光退火形成IGBT集电区或者带有场终止层次的FS-IGBT，最后通过溅射或者蒸发的方法淀积背面金属完成整个IGBT器件及电流传感器的制作过程。
该制作方法是利用过渡区沟槽和深P阱设计隔离无效有源区与有效沟道区；步骤3）中，所述用于隔离电流传感器的沟槽连接到发射极。
图4-5是本发明的沟槽IGBT器件电流传感器的沟槽隔离设计，接触孔设计和位置结构图，其特点是利用沟槽和接触孔的位置来保证电流传感器和主IGBT的隔离，确保精确的采样密度。图4的截面图显示了电流传感器和主IGBT之间没有设置深P阱的隔离，而是使用沟槽隔离，从而避免两者之间的内置电阻连接问题，确保了两者之间的电学隔离，保证电流传感器的采样比例。并且由于电流传感器跟主IGBT设置在同一个有源区，有效地避免了电流传感器的扩展电阻造成的采样电流密度过低。图5是本发明的版图设计，显示了同时在x和y两个方向上，都设置了沟槽隔离，从而有效地将电流传感器和主IGBT的发射极之间分隔开来。在接触孔的设置上，确保电流传感器的接触孔只局限在 P阱区域，避免在边缘的深P阱区域设置电流传感器的接触孔。以保证电流传感器和主IGBT之间不会因为深P阱的连接而产生内置电阻。
图6-10为本发明可同时适用于并且不仅限于其他的沟槽类IGBT和MOSFET的电流传感器，其中的几种沟槽结构如图示。
本文中所描述的具体实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，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发明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，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (4)

1.一种带有内置电流传感器的沟槽IGBT器件结构，其特征在于，包括一体式并列设置的主IGBT及电流采样IGBT，主IGBT结构通过沟槽与所述电流采样IGBT隔离，且所述主IGBT及电流采样IGBT均包括N型衬底、P型衬底、N型电荷储存层、P型沟道区、沟槽及接触孔；所述N型衬底上依次设置有N型电荷储存层及P型沟道区，N型衬底的底部设置有P型衬底；所述P型沟道区的顶部开设有若干底部与所述N型衬底连通的沟槽，所述沟槽之间通过N型源区设置有至少一组接触孔，所述沟槽内设置有沟槽氧化层及多晶硅；所述沟槽贯穿P型沟道区、N型电荷储存层及N型衬底,所述沟槽氧化层设置在所述沟槽内且覆盖每个所述沟槽的表面。
2.一种如权利要求1所述的沟槽IGBT器件结构的制作方法，其特征在于，所述制造方法包括如下步骤：
1）在选定的N型衬底或者区熔片上定义有源区，生长场区氧化层；
2）根据终端结构和有源区单胞的设计，选择性的定义深P阱或者不做此步骤；
3）光刻沟槽图形，干法刻蚀硅衬底，此次的沟槽同时定义了有源区栅极沟槽和用于隔离电流采样IGBT的沟槽；
4）生长栅极氧化层，淀积原位参杂的多晶硅材料填充沟槽；然后光刻栅极图形，刻蚀多晶硅形成顶层结构的栅极；
5）注入P型杂质并扩散形成浅P阱（P-base）作为沟道区；浅P阱沟道区（P-base）也可选择形成在定义沟槽之前；
6）光刻N型源区注入N型杂质；然后淀积氧化层或者氮化硅等绝缘材料并退火致密，光刻接触孔，刻蚀绝缘层裸露出之前形成的所有元胞的P阱区和N型源区硅表面；
7）注入P型杂质并激活，确保P阱区与顶层金属的欧姆接触，溅射顶层金属，光刻刻蚀顶层金属，淀积钝化层，光刻刻蚀钝化层，合金完成顶层结构的制作；然后硅片背面减薄到特定的厚度，背面注入P型或注入N型及P型杂质，通过低温退火或者激光退火形成IGBT集电区或者带有场终止层次的FS-IGBT，最后通过溅射或者蒸发的方法淀积背面金属完成整个IGBT器件及电流传感器的制作过程。
3.根据权利要求2所述的沟槽IGBT器件的制作方法，其特征在于，该制作方法是利用过渡区沟槽和深P阱设计隔离无效有源区与有效沟道区。
4.根据权利要求2所述的沟槽IGBT器件的制作方法，其特征在于，步骤3）中，所述用于隔离电流传感器的沟槽连接到发射极。
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