一种能调整导通电压值的绝缘双极型晶体管及其制备方法与流程

电气元件制品的制造及其应用技术1.本发明涉及半导体技术领域，更具体地涉及一种能调整导通电压值的绝缘双极型晶体管及其制备方法。背景技术：2.igbt是绝缘栅双极型晶体管的简称，是由bjt(双极型三极管)和mos(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件,兼有mos的高输入阻抗和gtr的低导通压降两方面的优点。gtr饱和压降低，载流密度大，但驱动电流较大；mos驱动功率很小，开关速度快，但导通压降大，载流密度小。igbt综合了以上两种器件的优点，驱动功率小而饱和压降低。非常适合应用于直流电压为600v及以上的变流系统如交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域。igbt模块具有节能、安装维修方便、散热稳定等特点；当前市场上销售的多为此类模块化产品，一般所说的igbt也指igbt模块；随着节能环保等理念的推进，此类产品在市场上将越来越多见。3.从igbt发明以来，人们一直致力于改善igbt的性能。经过几十年的发展，相继提出了多种半导体器件结构，使器件性能得到了稳步的提升。可列举的的产品有iegt(增强型注入绝缘闸双极性晶体管)，通过提高n-漂移区导电度调变而降低模块的导通压降；cstbt(载子储存沟渠式闸极双极性晶体管)，通过提高n-漂移区之导电度调变而降低导通电压；专利号为cn 102779842a的专利中，公开了一种变形槽栅介质的cstbt器件，该半导体器件能够极大程度的提高击穿电压；专利号为cn 102779847a的专利中，公开了一种载流子储存的沟槽双极型晶体管，该双极型晶体管通过提高载流子储存层与漂移区的电子浓度，降低导通压降提高电流与降低打开时间及关断特性。沟槽栅电极的采用会导致发射极层-集电极层电容大，然而igbt器件的开关过程就是对发射极层电容进行冲、放电的过程，发射极层电容越大冲、放电时间越长，大的发射极层电容降低了器件的开关速度，增大了器件的开关损耗，影响了器件的正向导通压降和开关损耗的折中特性。4.现亟需一种既具有高击穿电压、低导通电压、关断时又具有低关断时间的晶体管。技术实现要素：5.为了解决上述问题，本发明提供了一种能调整导通电压的绝缘双极型晶体管，其特征在于，自下到上依次包括集电极层、p+型硅衬底层、n+型缓冲层磊晶硅层、n-型第一漂移层磊晶硅层、n型场截止层、p型基层、贯穿n型场截止层和p型基层并延伸至n-型第一漂移层磊晶硅层的沟槽、位于沟槽两侧的p型基层上方的n+射极极区和p+射极极区、位于沟槽上方的第一绝缘隔离层、分别位于沟槽两侧的n+射极极区和p+射极极区上方的发射极层，所述沟槽的底部为第二绝缘隔离层，所述沟槽的内部为复晶硅闸极电极，所述沟槽侧壁为闸极绝缘氧化层。6.优选的，所述第二绝缘隔离层包括绝缘氧化层，位于绝缘氧化层上方的绝缘氮化层。7.优选的，所述绝缘氧化层的厚度为300-1500a。8.优选的，所述绝缘氮化层的厚度为500-1500a。9.优选的，所述n+型缓冲层磊晶硅层的浓度在1016-1017cm-3，厚度在2-5um。10.优选的，所述n-型第一漂移层磊晶硅层的浓度在3e13-3e14cm-3，厚度在100-130um。11.优选的，所述p+型硅衬底层的电阻率为0.01-0.02ω·m。12.优选的，所述n+射极极区中磷原子的掺杂浓度为1e15-5e15cm-2，能量为60-100kev。13.优选的，所述p+射极极区中硼原子的掺杂浓度为1e14-1e15cm-2，能量为60-100kev。14.本发明的第二个方面提供了所述的能调整导通电压的绝缘双极型晶体管的制备方法，至少包括：15.(1)准备p+型硅衬底层、在p+型硅衬底层上形成n+型缓冲层磊晶硅层、在n+型缓冲层磊晶硅层上形成n-型第一漂移层磊晶硅层、在n-型第一漂移层磊晶硅层上形成n型扩散层；16.(2)在n型扩散层上设置离子布植光罩，并注入硼原子，硼原子的注入量为3e13-9e13cm-2，能量为60-120kev，退火温度为1100-1200℃，退火时间为5-20min，使之形成n型场截止层、p型基层；17.(3)通过蚀刻的方法形成贯穿p型基层、n型场截止层并延伸至n-型第一漂移层磊晶硅层的沟槽；18.(4)在沟槽的底部形成第二绝缘隔离层，所述第二绝缘隔离层包括绝缘氧化层、位于绝缘氧化层之上的绝缘氮化层；19.(5)对沟槽侧壁器件通道进行侧向离子布植，注入磷原子，磷原子的注入量为1e12-6e12cm-2，能量为40-150kev，侧向离子布植时与沟槽侧壁的角度在30-45°，进行侧向离子布植时，根据沟槽的具体结构可进行多次旋转，之后并去除沟槽刻蚀的光罩层；20.(6)在沟槽的侧壁设置闸极绝缘氧化层，然后沉积掺杂的复晶硅闸极电极；21.(7)对p型基层中部进行磷原子注入形成n+射极极区，并在n+射极极区的两侧进行硼原子注入形成p+射极极区，所述磷原子的注入量为1e15-5e15cm-2，能量为60-100kev，所述硼原子的注入量为1e14-1e15cm-2，能量为60-100kev；22.(8)在沟槽的上方设置第一绝缘隔离层，所述第一绝缘隔离层延伸至沟槽的两侧，所述第一绝缘隔离层的材质为二氧化硅，并分别伸入到沟槽两侧的n+射极极区中；23.(9)最后在p+射极极区、n+射极极区上覆盖发射极层，并在p型硅衬底层的下部覆盖集电极层，即得到。24.有益效果：本技术方案中发明人通过侧向离子布植的方式，对沟通内进行侧向离子布植，根据离子布植的浓度可以调整导通电压值，发明人在保持该晶体管原本掺杂原子浓度和击穿电压不变的情况下，降低了导通电压，提高了电流和切断速度，并且还能维持高栓锁免疫能力。并且通过在沟槽的底部设置第二绝缘隔离层包括绝缘氧化层和绝缘氮化层，能够有效阻挡反冲磷原子，从而进一步调整闸极临界电压，本技术方案中的晶体管的崩溃电压≥1300v,栅极电压＜2v，正向导通电压＜1.2v@100a/cm2，短路时间＜3us。附图说明25.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。26.图1为实施例1中的制备方法步骤(1)中晶体管的结构图。27.图2为实施例1中的制备方法步骤(2)中晶体管的结构图。28.图3为实施例1中的制备方法步骤(4)中晶体管的结构图。29.图4为实施例1中的制备方法步骤(6)中晶体管的的结构图。30.图5为实施例1中的晶体管的完整结构图。31.图6为实施例1中晶体管的正向导通电压性能测试图，其中实线代表实施例中技术方案的测试曲线，虚线代表不含有第二绝缘层的晶体管的测试曲线。32.图7为实施例1中晶体管的栅极电压性能测试图，其中实线代表实施例中技术方案的测试曲线，虚线代表不含有第二绝缘层的晶体管的测试曲线。33.图8为实施例1中晶体管的崩溃电压性能测试图，其中实线代表实施例中技术方案的测试曲线，虚线代表不含有第二绝缘层的晶体管的测试曲线。34.图9为实施例1中晶体管的抗栓锁能力的电压电流性能测试图，其中实线代表实施例中技术方案的测试曲线，虚线代表不含有第二绝缘层的晶体管的测试曲线。35.其中，1-n型扩散层、2-n-型第一漂移层磊晶硅层、3-n+型缓冲层磊晶硅层、4-p+型硅衬底层、5-p型基层、6-n型场截止层、7-沟槽刻蚀的光罩层、8-绝缘氧化层、9-绝缘氮化层、10-p+射极极区、11-n+射极极区、12-发射极层、13-第一绝缘隔离层、14-集电极层、15-沟槽、16-复晶硅闸极电极。具体实施方式36.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”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，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，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装置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。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。以下仅是为了便于理解本发明的技术方案，而列举的部分实施例。37.为了解决上述问题，本发明提供了一种能调整导通电压的绝缘双极型晶体管，其特征在于，自下到上依次包括集电极层、p+型硅衬底层、n+型缓冲层磊晶硅层、n-型第一漂移层磊晶硅层、n型场截止层、p型基层、贯穿n型场截止层和p型基层并延伸至n-型第一漂移层磊晶硅层的沟槽、位于沟槽两侧的p型基层上方的n+射极极区和p+射极极区、位于沟槽上方的第一绝缘隔离层、分别位于沟槽两侧的n+射极极区和p+射极极区上方的发射极层，所述沟槽的底部为第二绝缘隔离层，所述沟槽的内部为复晶硅闸极电极，所述沟槽侧壁为闸极绝缘氧化层。38.作为一种优选的技术方案，所述第二绝缘隔离层包括绝缘氧化层，位于绝缘氧化层上方的绝缘氮化层。39.作为一种优选的技术方案，所述绝缘氧化层的厚度为300-1500a。40.作为一种优选的技术方案，所述绝缘氮化层的厚度为500-1500a。41.发明人发现在使用侧向离子布植的方法进行离子布植时，反冲原子会在沟槽的底部堆积形成堆积层，影响晶体管器件的浓度平衡，甚至会影响晶体管器件的导通电压，使导通电压进一步提高。发明人发现通过设置绝缘氧化层能够阻挡反冲原子的积累，但是绝缘氧化层的厚度较小时，阻挡效果不明显，绝缘氧化层的厚度较大时，阻挡效果虽然明显但是会影响晶体管的崩溃电压和短路时间，发明人意外发现当在绝缘氧化层的上方设置绝缘氮化层时，尤其是当绝缘氧化层的厚度为300-1500a，绝缘氮化层的厚度为500-1500a时，不仅能够较好的阻挡反冲原子，且不会影响晶体管的崩溃电压和短路时间。42.作为一种优选的技术方案，所述n+型缓冲层磊晶硅层的浓度在1016-1017cm-3，厚度在2-5um。43.作为一种优选的技术方案，所述n-型第一漂移层磊晶硅层的浓度在3e13-3e14cm-3，厚度在100-130um。44.作为一种优选的技术方案，所述p+型硅衬底层的电阻率为0.01-0.02ω·m。45.作为一种优选的技术方案，所述n+射极极区中磷原子的掺杂浓度为1e15-5e15cm-2，能量为60-100kev。46.作为一种优选的技术方案，所述p+射极极区中硼原子的掺杂浓度为1e14-1e15cm-2，能量为60-100kev。47.本发明的第二个方面提供了所述的能调整导通电压的绝缘双极型晶体管的制备方法，至少包括：48.(1)准备p+型硅衬底层、在p+型硅衬底层上形成n+型缓冲层磊晶硅层、在n+型缓冲层磊晶硅层上形成n-型第一漂移层磊晶硅层、在n-型第一漂移层磊晶硅层上形成n型扩散层；49.(2)在n型扩散层上设置离子布植光罩，并注入硼原子，硼原子的注入量为3e13-9e13cm-2，能量为60-120kev，退火温度为1100-1200℃，退火时间为5-20min，使之形成n型场截止层、p型基层；50.(3)通过蚀刻的方法形成贯穿p型基层、n型场截止层并延伸至n-型第一漂移层磊晶硅层的沟槽；51.(4)在沟槽的底部形成第二绝缘隔离层，所述第二绝缘隔离层包括绝缘氧化层、位于绝缘氧化层之上的绝缘氮化层；52.(5)对沟槽侧壁器件通道进行侧向离子布植，注入磷原子，磷原子的注入量为1e12-6e12cm-2，能量为40-150kev，侧向离子布植时与沟槽侧壁的角度在30-45°，进行侧向离子布植时，根据沟槽的具体结构可进行多次旋转，并去除沟槽刻蚀的光罩层；53.(6)在沟槽的侧壁设置闸极绝缘氧化层，然后沉积掺杂的复晶硅闸极电极；54.(7)对p型基层中部进行磷原子注入形成n+射极极区，并在n+射极极区的两侧进行硼原子注入形成p+射极极区，所述磷原子的注入量为1e15-5e15cm-2，能量为60-100kev，所述硼原子的注入量为1e14-1e15cm-2，能量为60-100kev；55.(8)在沟槽的上方设置第一绝缘隔离层，所述第一绝缘隔离层延伸至沟槽的两侧，所述第一绝缘隔离层的材质为二氧化硅，并分别伸入到沟槽两侧的n+射极极区中；56.(9)最后在p+射极极区、n+射极极区上覆盖发射极层，并在p型硅衬底层的下部覆盖集电极层，即得到。57.本技术方案中发明人通过在沟槽的侧向进行离子布植，通过调整离子布植的浓度可以调整导通电压值，从而更好的降低晶体管的导通压降。并且在侧向离子布植时与沟槽侧壁的角度在30-45°时，能够布植的更均匀。58.实施例59.下面通过实施例对本发明进行具体描述。有必要在此指出的是，以下实施例只用于对本发明作进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域的专业技术人员根据上述本发明的内容做出的一些非本质的改进和调整，仍属于本发明的保护范围。60.实施例161.本实施例提供了一种能调整导通电压的绝缘双极型晶体管，自下到上依次包括集电极层14、p+型硅衬底层4、n+型缓冲层磊晶硅层3、n-型第一漂移层磊晶硅层2、n型场截止层6、p型基层5、贯穿n型场截止层6和p型基层5并延伸至n-型第一漂移层磊晶硅层3的沟槽15、位于沟槽15两侧的p型基极层5上方的n+射极极区11和p+射极极区10、位于沟槽15上方的第一绝缘隔离层13、分别位于沟槽15两侧的n+射极极区11和p+射极极区10上方的发射极层12，所述沟槽15的底部为第二绝缘隔离层，所述沟槽的内部为复晶硅闸极电极16，所述沟槽15侧壁为闸极绝缘氧化层。所述第二绝缘隔离层包括绝缘氧化层8，位于绝缘氧化层8上方的绝缘氮化层9。所述绝缘氧化层8的厚度为1500a。所述绝缘氮化层9厚度为1500a。所述n+型缓冲层磊晶硅层3的浓度1017cm-3，厚度在5um。所述n-型第一漂移层磊晶硅层2的浓度在3e14cm-3，厚度在130um。所述p+型硅衬底层4的电阻率为0.01ω·m。所述n+射极极区中磷原子的掺杂浓度为5e15cm-2，能量为100kev。所述p+射极极区中硼原子的掺杂浓度为1e15cm-2，能量为100kev。62.本实施例的第二个方面提供了所述的能调整导通电压的绝缘双极型晶体管的制备方法，包括：63.(1)如图1所示，准备p+型硅衬底层4、在p+型硅衬底层4上形成n+型缓冲层磊晶硅层3、在n+型缓冲层磊晶硅层3上形成n-型第一漂移层磊晶硅层2、在n-型第一漂移层磊晶硅层2上形成n型扩散层1，所述p+型硅衬底层4中的电阻率为0.01ω·m；64.(2)如图2所示，在n型扩散层1上设置离子布植光罩，并注入硼原子，硼原子的注入量为9e13cm-2，能量为120kev，退火温度为1200℃，退火时间为20min，使之形成n型场截止层6、p型基层5；65.(3)如图3所示，通过蚀刻的方法形成贯穿p型基层5、n型场截止层6并延伸至n-型第一漂移层磊晶硅层2的沟槽15；66.(4)如图3所示，在沟槽15的底部形成第二绝缘隔离层，所述第二绝缘隔离层包括绝缘氧化层8、位于绝缘氧化层8之上的绝缘氮化层9；67.(5)如图4所示，对沟槽15侧壁器件通道进行侧向离子布植，注入磷原子，磷原子的注入量为1e12-6e12cm-2，能量为40-150kev，侧向离子布植时与沟槽侧壁的角度在30-45°，进行侧向离子布植时，根据沟槽的具体结构可进行多次旋转，并去除沟槽刻蚀的光罩层7；68.(6)在沟槽15的侧壁设置闸极绝缘氧化层，然后沉积掺杂的复晶硅闸极电极；69.(7)对p型基层5中部进行磷原子注入形成n+射极极区11，并在n+射极极区11的两侧进行硼原子注入形成p+射极极区10，所述磷原子的注入量为1e15-5e15cm-2，能量为60-100kev，所述硼原子的注入量为1e14-1e15cm-2，能量为60-100kev；70.(8)如图5所示，在沟槽的上方设置第一绝缘隔离层13，所述第一绝缘隔离层13延伸至沟槽的两侧，所述第一绝缘隔离层13的材质为二氧化硅，并分别伸入到沟槽15两侧的n+射极极区11中；71.(9)最后在p+射极极区10、n+射极极区11上覆盖发射极层，并在p型硅衬底层4的下部覆盖集电极层14，即得到。72.本技术方案中发明人通过在沟槽的侧向进行离子布植，通过调整离子布植的浓度可以调整导通电压值，从而更好的降低晶体管的导通压降。并且在侧向离子布植时与沟槽侧壁的角度在45°时，能够布植的更均匀。如图6-图9所示本实施例中的晶体管的崩溃电压≥1300v,栅极电压＜2v，正向导通电压＜1.2v@100a/cm2，短路时间＜3us，且具有较好的静态抗栓锁能力。73.前述的实例仅是说明性的，用于解释本发明所述方法的一些特征。所附的权利要求旨在要求可以设想的尽可能广的范围，且本文所呈现的实施例仅是根据所有可能的实施例的组合的选择的实施方式的说明。因此，申请人的用意是所附的权利要求不被说明本发明的特征的示例的选择限制。在权利要求中所用的一些数值范围也包括了在其之内的子范围，这些范围中的变化也应在可能的情况下解释为被所附的权利要求覆盖。









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