[发明专利]一种具有高可靠度的功率半导体元件及其制造方法

权利要求书

1.一种具有高可靠度的功率半导体元件，其特征在于，自下到上依次包括集电极层、P+型硅衬底层、N+型缓冲区磊晶硅层、N-型漂移区磊晶硅层、N型场截止层、P型基层、贯穿N-型漂移区磊晶硅层、N型场截止层和P型基层的沟槽、包围于沟槽侧壁以及底部的闸极绝缘氧化层、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、位于沟槽上方的第二绝缘隔离层、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，所述沟槽的内部为复晶硅闸极电极，所述N-型漂移区磊晶硅层横向磊晶浓度自沟槽向下呈间隔式阶梯性增加。

2.根据权利要求1所述的具有高可靠度的功率半导体元件，其特征在于，所述N-型漂移区磊晶硅层包括x个横向磊晶浓度相同层和N个横向磊晶浓度增加层，所述每个横向磊晶浓度增加层的两侧均为横向磊晶浓度相同层，其中x≥1，N≥1。

3.根据权利要求2所述的具有高可靠度的功率半导体元件，其特征在于，所述横向磊晶浓度相同层的磊晶浓度在1-2.0e¹³cm^-3，厚度在20-25nm。

4.根据权利要求3所述的具有高可靠度的功率半导体元件，其特征在于，所述横向磊晶浓度相同层的磊晶浓度为2.0e¹³cm^-3，厚度在20-25nm。

5.根据权利要求4所述的具有高可靠度的功率半导体元件，其特征在于，所述N个横向磊晶浓度增加层自沟槽向下依次包括N3横向磊晶浓度增加层、N2横向磊晶浓度增加层和N1横向磊晶浓度增加层，所述N2横向磊晶浓度增加层的磊晶浓度大于N3横向磊晶浓度增加层的磊晶浓度，所述N1横向磊晶浓度增加层的磊晶浓度大于N2横向磊晶浓度增加层的磊晶浓度。

6.根据权利要求5所述的具有高可靠度的功率半导体元件，其特征在于，所述N3横向磊晶浓度增加层的磊晶浓度为1.0-4.0e¹⁴cm^-3，厚度在0.5-2.0nm，N2横向磊晶浓度增加层的磊晶浓度为5.0-9.0e¹⁴cm^-3，厚度在0.5-2.0nm，N1横向磊晶浓度增加层的磊晶浓度为2.0-6.0e¹⁵cm^-3，厚度在0.5-2.0nm。

7.根据权利要求1所述的具有高可靠度的功率半导体元件，其特征在于，所述P+型硅衬底层的电阻率为0.01-0.03Ω·m。

8.根据权利要求1所述的具有高可靠度的功率半导体元件，其特征在于，所述N+型缓冲区磊晶硅层中磊晶浓度在10¹⁶-10¹⁷cm^-3，厚度在2-5um。

9.根据权利要求1-8任一项所述的具有高可靠度的功率半导体元件，其特征在于，所述第二绝缘隔离层为绝缘氧化层。

10.一种根据权利要求1-9任一项所述的具有高可靠度的功率半导体元件的制造方法，其特征在于，至少包括以下步骤：

(1)准备P+型硅衬底层、在P+型硅衬底层上形成N+型缓冲区磊晶硅层、在N+型缓冲层磊晶硅层上形成N-型漂移区磊晶硅层、在N-型漂移区磊晶硅层上形成N型扩散层，所述N型扩散层的厚度在4-6um，所述N型扩散层中磷原子的注入量为3e¹³-5e¹³cm^-2，能量为50-120KeV，退火温度为1100-1200℃，退火时间为150-240min；

(2)所述N-型漂移区磊晶硅层通过堆叠的方式形成横向磊晶浓度自上向下呈间隔式阶梯性增加；

(3)所述N型扩散层的厚度在4-6um，在N型扩散层上设置离子布植光罩，以P型基层离子布植光罩，注入硼原子，硼原子的注入量为3e¹³-9e¹³cm-²，能量为50-150KeV，退火温度为1000-1200℃，退火时间为3-30min，使之形成N型场截止层、P型基层；

(4)通过蚀刻的方法形成贯穿N-型漂移区磊晶硅层、N型场截止层和P型基层的的沟槽；

(5)在沟槽的底部与侧壁生成牺牲氧化层，所述牺牲氧化层的厚度在350-500A，去除沟槽表面蚀刻缺陷；

(6)去除牺牲氧化层，然后在沟槽的侧壁以及底部形成闸极绝缘氧化层，所述闸极绝缘氧化层的厚度在100-150um；

(7)在沟槽内部沉积掺杂的复晶硅闸极电极，并蚀刻定义出复晶硅闸极；

(8)在靠近沟槽两侧的P型基层上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50-110KeV，所述硼原子的注入量为1e¹⁴-1e¹⁵cm^-2，能量为50-110KeV；

(9)在沟槽的上方设置第二绝缘隔离层，所述第二绝缘隔离层延伸至沟槽的两侧，并分别伸入到沟槽两侧的N+射极极区中；

(10)最后在P+射极极区、N+射极极区上覆盖发射极层金属，并在P型硅衬底层的下部覆盖集电极层金属，即得到。