一種具有改善型集電極結構的igbt的製作方法

2023-09-22 03:42:15 1

專利名稱：一種具有改善型集電極結構的igbt的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種功率半導體器件，尤其是一種具有改善型集電極結構的 IGBT。
背景技術：
絕緣柵雙極型電晶體IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)於二十世紀 八十年代被提出和迅速推廣，現已廣泛應用於中高壓大電流領域，並同MOSFET (金屬-氧 化物_半導體場效應電晶體)將功率電子技術推向了高頻時代，對比其它種類的功率半導 體，如雙極型電晶體、MOSFET ；所述絕緣柵雙極型電晶體能夠以更低的功率損耗處理更高的 功率，並且能夠工作於高頻的電路當中，是IGBT最為突出的特點和優勢。目前，已經被廣泛 生產和使用的IGBT種類包括有穿通型IGBT (PT-IGBT)、非穿通型IGBT (NPT-IGBT)、場截止 型IGBT (FS-IGBT)，上述種類的IGBT都為既能降低功率損耗、又能提高工作頻率的初衷和 目標被設計和發展。IGBT的功率損耗主要包括通態損耗和開關損耗。導通狀態時器件的電 壓降(簡稱通態壓降)越低，通態損耗越低；器件開關時間越短、關斷時的拖尾電流越小，開 關損耗越低。除了功率損耗以外，IGBT的抗衝擊能力也是評價器件性能的另一重要特性。以非 穿通型IGBT為例，其單個元胞的結構示意圖和等效電路圖分別如圖1和圖2所示。當非穿 通型IGBT關斷時，圖2等效電路中的二極體的反向恢復電流電壓波形示意圖如圖3，其中， Iem為最大反向恢復電流，Vem為最大反向恢復電壓，Qk為反向恢復電荷，t 為反向恢復時 間，並且，我們通常用軟化因子S來描述反向恢復電流=S = (Vt1V(Vt0)，t0、、與t2分 別表示對應的時間點。這種利用軟化因子S表徵方法一直被廣泛採用，通常要求軟化因子 S越大越好，因為越小，它會在電路電感中產生較高的電動勢，這個電勢疊加於電源電壓之 上，一起加在二極體及與其並聯的開關元件上，我們稱之為過衝電壓。這個電勢不僅提高了 二極體和開關元件的電壓要求及成本，而且是對器件的一大威脅。目前已知常用的非穿通型IGBT，其集電極結構包括P+集電區，如中國專利CN 101452951《非穿通(NPT)絕緣柵雙極型電晶體IGBT及其製造方法》中附圖。目前非穿通 型IGBT的集電極結構還包括集電極短路結構，所述集電極短路結構由短路N+區與P型集 電區相間排列形成，並且N+區連通P型集電區下面的金屬化集電極與P型集電區上面的 N-漂移區；如中國專利CN 101478001A《一種具有空穴注入結構的集電極短路IGBT》中附 圖4。上述兩種集電極結構擁有一個共同的特點即構成集電區的P型集電區摻雜濃度固 定不變，且摻雜濃度較濃。P型集電區摻雜濃度越濃，IGBT在正嚮導通狀態下，所述P型集 電區作為PNP雙極型電晶體的發射區的注入效率就會越高，空穴電流就會越大，從而通態 壓降就會越低；然而，由於注入效率的提高，導致器件反向恢復電荷、反向恢復時間和拖尾 電流都將增大，增加了器件關斷時的功率損耗，並且，由於P型集電區與N-型漂移區間的濃 度梯度非常大，使得注入進P型集電區的少數載流子數量非常有限，這些少數載流子在反 向恢復過程中被迅速掃出或複合，增加了反向恢復的硬度，即S值較小，降低了器件的耐衝擊性。相反，如果降低P型集電區的雜質濃度，那麼器件的通態壓降又會增大，導致通態耗 損增加，同樣不利於器件性能。
發明內容本實用新型的目的是克服現有技術中存在的不足，提供一種具有改善型集電極結 構的IGBT，其通態壓降低，具有較低的關斷損耗及較高的耐衝擊性能。按照本實用新型提供的技術方案，所述具有改善型集電極結構的IGBT，在所述半 導體IGBT器件的截面上，包括具有兩個相對主面的第一導電類型的半導體基板，半導體基 板包括第一主面與第二主面；所述半導體基板的第二主面上設置第二導電類型集電區，所 述第二導電類型集電區上澱積有金屬化集電極；所述半導體基板內設有第二導電類型基 區，所述第二導電類型基區鄰近第一主面，且與第一主面相接觸；所述第二導電類型基區的 上部設有第一導電類型發射區；所述半導體基板的第一主面上還設有絕緣柵、絕緣介質層 與金屬化發射極；所述絕緣柵與第一導電類型發射區相接觸，所述絕緣柵與金屬化發射極 利用絕緣介質層相隔離；所述金屬化發射極澱積在第一主面上，並與第一導電類型發射區、 第二導電類型基區電性接觸；其創新在於在所述半導體IGBT器件的截面上，所述第二導電類型集電區包括一個或多個具 有第一摻雜濃度的第一區域和一個或多個具有第二摻雜濃度的第二區域，所述第一區域包 圍多個第二區域或第一區域與第二區域交替鄰接設置；所述第一區域的第一摻雜濃度小於 第二區域的第二摻雜濃度，且所述第一區域的第一摻雜濃度大於第一導電類型半導體基板 的摻雜濃度。在所述半導體IGBT器件的截面上，所述絕緣柵包括絕緣氧化層和位於絕緣氧化 層上的導電多晶矽；所述絕緣氧化層位於第一主面上，所述絕緣氧化層與半導體基板上相 鄰的第二導電類型基區及所述相鄰第二導電類型基區內對應的第一導電類型發射區均相 接觸；所述相鄰的第二導電類型基區利用半導體基板的第一導電類型層相隔離。在所述半導體IGBT器件的截面上，所述絕緣柵包括溝槽；所述溝槽位於第二導電 類型基區內，並延伸到第二導電類型基區下方的第一導電類型半導體基板內；第二導電類 型基區位於半導體基板的上部，所述溝槽內壁生長有絕緣氧化層，並在所述生長有絕緣氧 化層的溝槽內澱積有導電多晶矽；所述溝槽的槽口由絕緣介質層覆蓋，所述溝槽對應於側 壁的上方均設有第一導電類型發射區，所述第一導電類型發射區與溝槽的相接觸。在所述半導體IGBT器件的截面上，所述第二導電類型集電區內的第一區域在沿 垂直於電流流動的方向分布，所述第一區域的形狀包括方形、條形、或圓形。在所述半導體 IGBT器件的截面上，所述第二導電類型集電區內的第二區域在沿垂直於電流流動的方向分 布，所述第二區域的形狀包括方形、條形、或圓形。在所述半導體IGBT器件的截面上，所述 第二導電類型集電區內對應的第一區域的面積與第二區域的面積比值為0. 01 1。 在所述半導體IGBT器件的截面上，所述第二導電類型集電區內設有第一導電類 型集電極短路區，所述第一導電類型集電極短路區與第一導電類型半導體基板、金屬化集 電極相接觸；所述金屬化集電極與第一導電類型集電極短路區、第一區域及第二區域均歐 姆接觸。所述絕緣介質層為矽玻璃(USG)、硼磷矽玻璃(BPSG)或磷矽玻璃(PSG)。所述半 導體基板的材料包括矽。[0012]所述「第一導電類型」和「第二導電類型」兩者中，對於N型絕緣柵雙極型電晶體 IGBT，第一導電類型指N型，第二導電類型為P型；對於P型絕緣柵雙極型電晶體IGBT，第 一導電類型與第二導電類型所指的類型與N型絕緣柵雙極型電晶體IGBT正好相反。本實用新型的優點通過在第二導電類型集電區內設置具有不同摻雜濃度的第一 區域與第二區域，對比傳統的非穿通型IGBT，提高了器件在關斷過程中的反向恢復「硬度」， 降低了器件反向恢復的過衝電壓，提高了器件的耐衝擊性，獲得了更好的通態壓降，使關斷 損耗和耐衝擊性能之間具有較好的平衡。

圖1為現有絕緣柵雙極型電晶體IGBT的結構示意圖。圖2為圖1的等效電路示意圖。圖3為圖2中對應的二極體反向恢復過程中電流電壓波形示意圖。圖4為本實用新型實施例1的結構示意圖。圖5為本實用新型實施例2的結構示意圖。圖6為本實用新型實施例3的結構示意圖。
具體實施方式
下面結合具體附圖和實施例對本實用新型作進一步說明。如圖4 圖6所示以N型非穿通型絕緣柵雙極型電晶體IGBT為例，本實用新型 包括P基區1、N型發射區2、絕緣氧化層3、導電多晶矽4、P+基區5、金屬化發射極6、N型 漂移區7、P型集電區8、金屬化集電極9、絕緣介質層10、第一區域11、溝槽12、N+集電極短 路區13、第二區域14、第一主面15及第二主面16。實施例1如圖4所示在所述絕緣柵雙極型電晶體IGBT截面上，N型半導體基板包括N型漂 移區7，所述N型漂移區7具有兩個相對主面，所述兩個相對主面包括第一主面15及第二主 面16。所述N型漂移區7的第二主面16上形成有P型集電區8，所述P型集電區8內包括 一個或多個第一區域11和一個或多個第二區域14，所述第一區域11與第二區域14均為P 導電類型；所述第一區域11包圍多個第二區域14或是第二區域14與第一區域11交替鄰 接設置。本實施例中採用第二區域14與第一區域11交替鄰接設置。所述第一區域11具 有第一摻雜濃度，第二區域14具有第二摻雜濃度，所述第一區域11的第一摻雜濃度小於第 二區域14的第二摻雜濃度；且第一區域11的第一摻雜濃度要大於N型漂移區7的摻雜濃 度，即所述第一區域11為輕摻雜的P+區域。所述P型集電區8上設有金屬化集電極9，所 述金屬化集電極9的材料包括鋁、鈦、鎳、銀或金。所述金屬化集電極9與P型集電區8內 的第一區域11、第二區域14均歐姆接觸。所述第一區域11與第二區域14間的面積比值範 圍為0. 01 1間。所述N型漂移區7的上部設有P基區1，所述P基區1內設有N型發射區2 ；所述 相鄰的P基區1利用N型漂移區7相隔離。所述P基區1的底部設有P+基區5。所述N型 漂移區7的第一主面15上設有平面型絕緣柵結構；所述絕緣柵包括絕緣氧化層3與導電多 晶矽4 ；所述絕緣氧化層3與N型漂移區7內相鄰的P基區1及所述P基區1內對應的N型發射區2相接觸。所述絕緣氧化層3與導電多晶矽4上設有絕緣介質層10，所述絕緣介質 層10包覆絕緣氧化層3與導電多晶矽4，絕緣介質層10能夠將絕緣氧化層3、導電多晶矽 4與金屬化發射極6相隔離。所述N型漂移區7的第一主面15上還澱積有金屬化發射極 6，所述金屬化發射極6覆蓋在第一主面15上，並包覆絕緣介質層10。所述金屬化發射極6 與N型發射區2、P基區1均電性連接，使得N型發射區2與P基區1間具有相等電位。所述絕緣氧化層3與導電多晶矽4均位於第一主面15上，形成平面型絕緣柵結 構。所述N型漂移區7的材料包括矽。絕緣介質層10的材料包括矽玻璃(USG)、硼磷矽玻 璃(BPSG)或磷矽玻璃(PSG)。在所述半導體IGBT器件的截面上，P型集電區8內的第一區 域11在沿垂直於電流流動的方向分布，所述第一區域11的形狀包括方形、條形、或圓形；P 型集電區8內的第二區域14在沿垂直於電流流動的方向分布，所述第二區域14的形狀包 括方形、條形、或圓形。實施例2如圖5所示為採用溝槽型絕緣柵結構的絕緣柵雙極型電晶體IGBT。在絕緣柵雙 極型電晶體IGBT截面上，所述N型漂移區7上部設有P基區1，所述P基區1貫穿N型漂移 區7。所述P基區1內設有溝槽12，所述溝槽12位於P基區1內，深度延伸到P基區1下 方的N型漂移區7。所述溝槽12內壁生長有絕緣氧化層3，在所述生長有絕緣氧化層3的 溝槽12內澱積有導電多晶矽4。所述溝槽12外壁的上方設有N型發射區2，所述N型發射 區2與溝槽12的外壁相接觸。溝槽12的槽口由絕緣介質層10覆蓋，在所述N型漂移區7 的第一主面15上還澱積有金屬化發射極6。所述金屬化發射極6覆蓋第一主面15，並包圍 絕緣介質層10 ；所述金屬化發射極6與N型發射區2、P基區1均電性連接，使P基區1與 N型發射區2具有相等電位。所述N型漂移區2的第二主面16上設有P+集電極8，所述P型集電區8內包括一 個或多個第一區域11和一個或多個第二區域14，所述第一區域11與第二區域14均為P導 電類型；所述第一區域11包圍多個第二區域14或是第二區域14與第一區域11交替鄰接 設置。本實施例中，所述第一區域11與第二區域14間採用交替鄰接設置，如圖5所示。所 述第一區域11具有第一摻雜濃度，第二區域14具有第二摻雜濃度，所述第一區域11的第 一摻雜濃度小於第二區域14的第二摻雜濃度；且第一區域11的第一摻雜濃度要大於N型 漂移區7的摻雜濃度，即所述第一區域11為輕摻雜的P+區域。所述P型集電區8上設有 金屬化集電極9，所述金屬化集電極9的材料包括鋁。所述金屬化集電極9與P型集電區8 內的第一區域11、第二區域14均歐姆接觸。實施例3如圖6所示為採用平面型絕緣柵結構的絕緣柵雙極型電晶體IGBT，在所述P型 集電區8內設有N+集電極短路區13。如圖6所示所述N型漂移區7的上部設有P基區 1，所述P基區1內設有兩個N型發射區2 ；所述相鄰的P基區1利用N型漂移區7相隔離。 所述P基區1的底部設有P+基區5。所述N型漂移區7的第一主面15上設有平面型絕緣 柵結構；所述絕緣柵包括絕緣氧化層3與導電多晶矽4 ；所述絕緣氧化層3與N型漂移區7 內相鄰的P基區1及所述P基區1內對應的N型發射區2相接觸。所述絕緣氧化層3與導 電多晶矽4上設有絕緣介質層10，所述絕緣介質層10包覆絕緣氧化層3與導電多晶矽4， 絕緣介質層10能夠將絕緣氧化層3、導電多晶矽4與金屬化發射極6相隔離。所述N型漂移區7的第一主面15上還澱積有金屬化發射極6，所述金屬化發射極6覆蓋在第一主面15 上，並包覆絕緣介質層10。所述金屬化發射極6與N型發射區2、P基區1均電性連接，使 得N型發射區2與P基區1間具有相等電位。所述N型漂移區7的第二主面16上形成有P型集電區8，所述P型集電區8內包 括一個或多個第一區域11和一個或多個第二區域14，所述第一區域11與第二區域14均 為P導電類型；所述第一區域11包圍多個第二區域14或是第二區域14與第一區域11交 替鄰接設置；本實施例中，所述第一區域11與第二區域14間採用交替鄰接設置，如圖6所 示。所述第一區域11具有第一摻雜濃度，第二區域14具有第二摻雜濃度，所述第一區域11 的第一摻雜濃度小於第二區域14的第二摻雜濃度；且第一區域11的第一摻雜濃度要大於 N型漂移區7的摻雜濃度，即所述第一區域11為輕摻雜的P+區域。所述P型集電區8內還 設有N+集電極短路區13，所述N+集電極短路區13與N型漂移區7的第二主面16、金屬化 集電極9均相接觸；所述P型集電區8上設有金屬化集電極9，所述金屬化集電極9的材料 包括鋁。所述金屬化集電極9與P型集電區8內的第一區域11、第二區域14、N+集電極短 路區13均歐姆接觸。本實用新型具有改善型集電極結構的IGBT的工作機理為所述IGBT的P型集電 區8對比傳統的非穿通型IGBT的集電區，設置為具有不同摻雜濃度的第一區域11與第二 區域14，所述第一區域11與第二區域14為交替鄰接設置或第一區域11包圍第二區域14， 從而形成具有高低摻雜濃度區域鑲嵌而成的P型集電區8。當絕緣柵雙極型電晶體IGBT工 作於正嚮導通狀態時，具體來講，為金屬化集電極9施加正向偏置電壓，金屬化發射極6接 零電位，柵極端施加高於器件閾值電壓(Vth)的偏置電壓，P型集電區8內低濃度的第一區 域11注入於N型漂移區7內的載流子數量要明顯低於P型集電區8內第二區域14注入於 N型漂移區7內的載流子數量，因此，低濃度第一區域11的存在減少了總體儲存於N型漂移 區7內的少數載流子數量，使得器件在反向恢復過程中的反向恢復電荷、反向恢復時間和 拖尾電流得以減小；同時，高濃度第二區域14的高注入效率又保證了器件仍然具有較低的 通態壓降。當絕緣柵雙極型電晶體IGBT工作於反向偏壓狀態時，具體來講，指金屬化集電 極9施加正向偏置電壓，金屬化發射極6接零電位，柵極端施加低於器件閾值電壓(Vth)的 偏置電壓或接零電位，由於P型集電區8第二區域14與N型漂移區7所形成的濃度梯度要 明顯小於第一區域11與N型漂移區7所形成的濃度梯度，因此，儲存於第二區域14內的少 數載流子數量要多於儲存於第一區域11內的少數載流子，這些儲存於P型集電區8內的少 數載流子在器件反向恢復過程中也會被掃出或複合，所以在器件反向恢復過程的後期，這 些存儲於P型集電區8內的少數載流子仍然需要通過複合消失，從而產生軟恢復特性，降低 了過衝電壓，提高了器件的耐衝擊性能。本實用新型通過在P型集電區8內設置具有不同摻雜濃度的第一區域11與第二 區域14，對比傳統的非穿通型IGBT，提高了器件在關斷過程中的反向恢復「硬度」，降低了 器件反向恢復的過衝電壓，提高了器件的耐衝擊性，獲得了更好的通態壓降，使關斷損耗和 耐衝擊性能之間具有較好的平衡。
權利要求一種具有改善型集電極結構的IGBT，在所述半導體IGBT器件的截面上，包括具有兩個相對主面的第一導電類型的半導體基板，半導體基板包括第一主面與第二主面；所述半導體基板的第二主面上設置第二導電類型集電區，所述第二導電類型集電區上澱積有金屬化集電極；所述半導體基板內設有第二導電類型基區，所述第二導電類型基區鄰近第一主面，且與第一主面相接觸；所述第二導電類型基區的上部設有第一導電類型發射區；所述半導體基板的第一主面上還設有絕緣柵、絕緣介質層與金屬化發射極；所述絕緣柵與第一導電類型發射區相接觸，所述絕緣柵與金屬化發射極利用絕緣介質層相隔離；所述金屬化發射極澱積在第一主面上，並與第一導電類型發射區、第二導電類型基區電性接觸；其特徵是在所述半導體IGBT器件的截面上，所述第二導電類型集電區包括一個或多個具有第一摻雜濃度的第一區域和一個或多個具有第二摻雜濃度的第二區域，所述第一區域包圍多個第二區域或第一區域與第二區域交替鄰接設置；所述第一區域的第一摻雜濃度小於第二區域的第二摻雜濃度，且所述第一區域的第一摻雜濃度大於第一導電類型半導體基板的摻雜濃度。
2.根據權利要求1所述具有改善型集電極結構的IGBT，其特徵是在所述半導體IGBT 器件的截面上，所述絕緣柵包括絕緣氧化層和位於絕緣氧化層上的導電多晶矽；所述絕緣 氧化層位於第一主面上，所述絕緣氧化層與半導體基板上相鄰的第二導電類型基區及所述 相鄰第二導電類型基區內對應的第一導電類型發射區均相接觸；所述相鄰的第二導電類型 基區利用半導體基板的第一導電類型層相隔離。
3.根據權利要求1所述具有改善型集電極結構的IGBT，其特徵是在所述半導體IGBT 器件的截面上，所述絕緣柵包括溝槽；所述溝槽位於第二導電類型基區內，並延伸到第二導 電類型基區下方的第一導電類型半導體基板內；第二導電類型基區位於半導體基板的上 部，所述溝槽內壁生長有絕緣氧化層，並在所述生長有絕緣氧化層的溝槽內澱積有導電多 晶矽；所述溝槽的槽口由絕緣介質層覆蓋，所述溝槽對應於側壁的上方均設有第一導電類 型發射區，所述第一導電類型發射區與溝槽的相接觸。
4.根據權利要求1所述具有改善型集電極結構的IGBT，其特徵是在所述半導體IGBT 器件的截面上，所述第二導電類型集電區內的第一區域在沿垂直於電流流動的方向分布， 所述第一區域的形狀包括方形、條形、或圓形。
5.根據權利要求1所述具有改善型集電極結構的IGBT，其特徵是在所述半導體IGBT 器件的截面上，所述第二導電類型集電區內的第二區域在沿垂直於電流流動的方向分布， 所述第二區域的形狀包括方形、條形、或圓形。
6.根據權利要求1所述具有改善型集電極結構的IGBT，其特徵是在所述半導體IGBT 器件的截面上，所述第二導電類型集電區內對應的第一區域的面積與第二區域的面積比值 為0. 01 1。
7.根據權利要求1所述具有改善型集電極結構的IGBT，其特徵是在所述半導體IGBT 器件的截面上，所述第二導電類型集電區內設有第一導電類型集電極短路區，所述第一導 電類型集電極短路區與第一導電類型半導體基板、金屬化集電極相接觸；所述金屬化集電 極與第一導電類型集電極短路區、第一區域及第二區域均歐姆接觸。
8.根據權利要求1所述具有改善型集電極結構的IGBT，其特徵是所述絕緣介質層為矽玻璃(USG)、硼磷矽玻璃(BPSG)或磷矽玻璃(PSG)。
9.根據權利要求1所述具有改善型集電極結構的IGBT，其特徵是所述半導體基板的 材料包括矽。
專利摘要本實用新型涉及一種具有改善型集電極結構的IGBT。其包括半導體基板；半導體基板的第二主面上設置第二導電類型集電區及金屬化集電極；半導體基板內設有第二導電類型基區；第二導電類型基區的上部設有第一導電類型發射區；半導體基板的第一主面上還設有絕緣柵、絕緣介質層與金屬化發射極；第二導電類型集電區包括一個或多個具有第一摻雜濃度的第一區域和一個或多個具有第二摻雜濃度的第二區域，第一區域包圍多個第二區域或第一區域與第二區域交替鄰接設置；第一區域的第一摻雜濃度小於第二區域的第二摻雜濃度，且第一區域的第一摻雜濃度大於第一導電類型半導體基板的摻雜濃度。本實用新型通態壓降低，具有較低的關斷損耗及較高的耐衝擊性能。
文檔編號H01L29/423GK201725797SQ20102021438
公開日2011年1月26日 申請日期2010年6月4日 優先權日2010年6月4日
發明者葉鵬, 朱袁正, 胡永剛 申請人:無錫新潔能功率半導體有限公司