具有空穴複合層的igbt終端結構及其製備方法

2023-05-16 08:56:26 2

具有空穴複合層的igbt終端結構及其製備方法
【專利摘要】具有空穴複合層的IGBT終端結構及其製備方法，屬於功率半導體器件【技術領域】。所述IGBT終端結構是在常規IGBT終端結構的P型等位環中引入空穴複合層（由注入到P型等位環內的碳離子和氧離子經400～550℃溫度條件下的退火處理所形成）。空穴複合層的引入可有效降低等位環處的空穴電流密度，減弱器件關斷時的電流集中現象，抑制動態雪崩擊穿和熱擊穿，提高IGBT器件的可靠性。由於空穴複合層的引入僅在器件終端的等位環內部，器件正嚮導通時漂移區的電導調製效應不受影響，因此正嚮導通壓降不會改變。所述製備方法只要增加一張掩膜版進行碳、氧的離子注入，不會增加過多的附加成本。
【專利說明】具有空穴複合層的IGBT終端結構及其製備方法
【技術領域】
[0001]本發明屬於功率半導體器件【技術領域】，涉及絕緣柵雙極型電晶體(InsulatedGate Bipolar Transistor, IGBT),具體涉及 IGBT 終端結構。
【背景技術】
[0002]IGBT是一種電壓控制的M0S/BJT複合型器件。從結構上，IGBT的結構與VDMOS極為相似，只是將VDMOS的N+襯底調整為P+襯底，但是引入的電導調製效應克服了 VDMOS本身固有的導通電阻與擊穿電壓的矛盾，從而使IGBT同時具有雙極型功率電晶體和功率MOSFET的主要優點:輸入阻抗高、導通壓降低、電流容量大、開關速度快等。正是由於IGBT獨特的、不可取代的性能優勢使其自推出實用型產品便在諸多領域得到廣泛的應用，例如:新能源技術、以動車、高鐵為代表的先進交通運輸工具、混合動力汽車、辦公自動化以及家用電器等領域。
[0003]IGBT正嚮導通時，正的柵極電壓使得溝道開啟，發射極電子經過溝道流向漂移區，由於集電極正向偏置以及電中性的要求，大量空穴從集電極注入漂移區並和漂移區的電子形成電導調製。正是由於IGBT正嚮導通時的電導調製效應使得IGBT具有低正嚮導通壓降、高通態電流、低損耗的優點。然而在IGBT關斷過程中，當柵極電壓減小到低於閾值電壓後，溝道截止，發射極電子電流變為零。在廣泛應用的感性負載的應用電路中，由於電感電流不能突變，即:流過IGBT的電流不能突變。因此，所有流過IGBT的電流必須由集電極注入漂移區的空穴形成的空穴電流提供。此時，對於 IGBT器件的終端區域(如圖1所示)，漂移區內的大量空穴不能直接從終端浮空的場限環處抽走，而是在終端的等位環處集中，從而在終端的等位環處形成空穴電流的局部積聚效應(如圖2所示)，導致局部的高壓大電流，使器件溫度急劇升高，引起器件的動態雪崩擊穿和熱擊穿，使器件燒毀，導致器件的關斷失效。

【發明內容】

[0004]為了減小IGBT器件終端等位環處的電流積聚效應，提升IGBT器件的可靠性，本發明提供一種具有空穴複合層的IGBT終端結構。該IGBT終端結構在終端等位環中引入空穴複合層，能夠有效降低終端等位環處的空穴電流密度，減弱對應的電流集中現象，抑制由於電流集中引起的動態雪崩擊穿和熱擊穿，提高IGBT器件的可靠性。同時空穴複合層的引入僅在器件終端的等位環內部，正嚮導通時漂移區的電導調製效應不受影響，因此正嚮導通壓降不會改變。本發明同時提供具有空穴複合層的IGBT終端結構的製備方法。
[0005]本發明技術方案如下:
[0006]具有空穴複合層的IGBT終端結構，其結構如圖3所示，包括與IGBT有源區相連接的IGBT終端結構，所述IGBT終端結構包括K漂移區7、N型緩衝層8、P+集電區9、金屬集電極10、P型等位環12、P型場限環14和N+截止環20 ;其中N型緩衝層8位於N_漂移區I和P+集電區9之間，P+集電區9位於N型緩衝層8和金屬集電極10之間；所述P型等位環12位於靠近IGBT有源區的【漂移區7中，P型等位環12中具有等位環的P+接觸區11，所述等位環的P+接觸區11通過金屬連線實現與IGBT有源區中金屬發射極的等電位連接；所述N+截止環20位於遠離IGBT有源區的N—漂移區7中；P型等位環12和N+截止環20之間的N_漂移區7中具有若干P型場限環14 ；P型等位環12、P型場限環14、N+截止環20和N—漂移區7的表面具有場氧化層16，場氧化層16表面與P型等位環12、P型場限環14和N+截止環20對應的位置處分別具有金屬場板13、15、18和19 ;在所述P型等位環12內還具有空穴複合層21，所述空穴複合層21由注入到P型等位環12內的碳(C)離子和氧(O)離子經400?550°C溫度條件下的退火處理所形成。
[0007]本發明同時提供具有空穴複合層的IGBT終端結構的製備方法，包括如下工藝步驟:在IGBT製造工藝中終端N—漂移區7中硼注入與推阱分別形成P型等位環12、P型場限環14和N+截止環20後，在P型等位環12內進行碳(C)離子和氧(0)離子注入，然後經400?550°C溫度條件下的退火處理形成P型等位環12內的空穴複合層21。在形成P型等位環12內的空穴複合層21後，在進行後續工藝(包括有源區的光刻與柵槽的刻蝕，柵氧化層的生長，N+多晶矽的澱積與光刻，P_基區的自對準硼注入與推阱，N+發射區的砷注入與推阱，防閂鎖P+層的硼注入，BPSG的澱積與回流，接觸孔的光刻、硼注入與退火，正面鋁層的澱積與光刻，背面減薄，背面金屬化等。)
[0008]在空穴複合層的具體製作工藝方面，在以80?120KeV能量、1E15?4E15cnT2劑量進行硼注入，形成等位環與場限環後，在矽片水平放置的條件下分別向等位環內部離子注入碳離子和氧離子(如圖4所示)，其中碳離子注入的能量和劑量分別為:40?60KeV、1E12?3E12cnT2，氧離子注入的能量和劑量分別為:50?70KeV、2E12?6E12cnT2。然後在400?550°C條件下進行退火。
[0009]關於碳、氧的離子的具體注入能量與劑量、退火溫度，需根據IGBT器件的實際設計要求進行合理的優化與選取，以期達到最理想的效果。
[0010]本發明的工作原理:
[0011]對於傳統的IGBT終端結構(如圖1所示)，在IGBT關斷時，漂移區內的大量空穴不能直接從終端浮空的場限環處抽走，而是在終端的等位環處集中，從而在終端的等位環處形成空穴電流的局部積聚效應(如圖2所示)，導致局部的高壓大電流，使器件溫度急劇升高，引起器件的動態雪崩擊穿和熱擊穿，使器件燒毀，導致器件的關斷失效。本發明提供的具有空穴複合層的IGBT終端結構，基於傳統的IGBT終端結構，在形成等位環與場限環後，在矽片水平放置的條件下分別向等位環內部離子注入碳、氧(如圖4所示)，然後進行低溫退火。作為非導電雜質的碳、氧，在矽晶格間進行耦合，形成空穴複合層，即為圖3中的編號21所指的部分。在IGBT關斷過程中，漂移區內存儲的大量空穴由於不能直接從浮空的場限環處抽取，將在等位環處集中，並從等位環的P+接觸區引出，從而形成空穴電流積聚。等位環處積聚的大量空穴被抽取並經過空穴複合層的過程中，一部分空穴被複合消失，從而有效降低此處的空穴電流密度，減弱對應的電流集中現象，抑制由於電流集中引起的動態雪崩擊穿和熱擊穿，提高了 IGBT器件的可靠性。
[0012]綜上所述，本發明提供的具有空穴複合層的IGBT終端結構。該IGBT終端結構在終端等位環中引入空穴複合層，能夠有效降低終端等位環處的空穴電流密度，減弱對應的電流集中現象，抑制由於電流集中引起的動態雪崩擊穿和熱擊穿，提高IGBT器件的可靠性。同時空穴複合層的引入僅在器件終端的等位環內部，正嚮導通時漂移區的電導調製效應不受影響，因此正嚮導通壓降不會改變。此外，本發明提出的具有空穴複合層的IGBT終端結構對應的製作方法，只要增加一張掩膜版進行碳、氧的離子注入，在儘量降低新增工藝步驟帶來的附加成本條件下，可以獲得最佳的IGBT器件可靠性改善作用。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]圖1是傳統IGBT終端結構示意圖。[0014]圖2是傳統IGBT終端結構的空穴電流分布示意圖。
[0015]圖3是提出的一種IGBT終端結構示意圖。
[0016]圖4是提出的一種IGBT終端結構的離子注入空穴複合層示意圖。
[0017]圖1至圖4中:包括I為柵極，2為發射極，3為N+區，4為P+區，5 SP_基區，6為N+多晶矽，7為N_漂移區，8為N型緩衝層，9為P+集電區，10為金屬集電極，11為等位環的P+接觸區，12為P型等位環，14為P型場限環，16為場氧化層，13、15、18、19為金屬場板，20為N+截止環，21為空穴複合層，22、23為阱氧化層。
【具體實施方式】
[0018]具有空穴複合層的IGBT終端結構，其結構如圖3所示，包括與IGBT有源區相連接的IGBT終端結構，所述IGBT終端結構包括K漂移區7、N型緩衝層8、P+集電區9、金屬集電極10、P型等位環12、P型場限環14和N+截止環20 ;其中N型緩衝層8位於N_漂移區I和P+集電區9之間，P+集電區9位於N型緩衝層8和金屬集電極10之間；所述P型等位環12位於靠近IGBT有源區的【漂移區7中，P型等位環12中具有等位環的P+接觸區11，所述等位環的P+接觸區11通過金屬連線實現與IGBT有源區中金屬發射極的等電位連接；所述N+截止環20位於遠離IGBT有源區的N—漂移區7中；P型等位環12和N+截止環20之間的N_漂移區7中具有若干P型場限環14 ；P型等位環12、P型場限環14、N+截止環20和N—漂移區7的表面具有場氧化層16，場氧化層16表面與P型等位環12、P型場限環14和N+截止環20對應的位置處分別具有金屬場板13、15、18和19 ;在所述P型等位環12內還具有空穴複合層21，所述空穴複合層21由注入到P型等位環12內的碳(C)離子和氧(0)離子經400~550°C溫度條件下的退火處理所形成。
[0019]本發明同時提供具有空穴複合層的IGBT終端結構的製備方法，包括如下工藝步驟:在IGBT製造工藝中終端N—漂移區7中硼注入與推阱分別形成P型等位環12、P型場限環14和N+截止環20後，在P型等位環12內進行碳(C)離子和氧(0)離子注入，然後經400~550°C溫度條件下的退火處理形成P型等位環12內的空穴複合層21。在形成P型等位環12內的空穴複合層21後，在進行後續工藝(包括有源區的光刻與柵槽的刻蝕，柵氧化層的生長，N+多晶矽的澱積與光刻，P—基區的自對準硼注入與推阱，N+發射區的砷注入與推阱，防閂鎖P+層的硼注入，BPSG的澱積與回流，接觸孔的光刻、硼注入與退火，正面鋁層的澱積與光刻，背面減薄，背面金屬化等。)
[0020]在空穴複合層的具體製作工藝方面，在以80~120KeV能量、1E15~4E15cnT2劑量進行硼注入，形成等位環與場限環後，在矽片水平放置的條件下分別向等位環內部離子注入碳離子和氧離子(如圖4所示)，其中碳離子注入的能量和劑量分別為:40~60KeV、1E12~3E12cnT2，氧離子注入的能量和劑量分別為:50~70KeV、2E12~6E12cnT2。然後在 400?550°C條件下進行退火。
【權利要求】
1.具有空穴複合層的IGBT終端結構，其結構包括與IGBT有源區相連接的IGBT終端結構，所述IGBT終端結構包括N_漂移區(7)、N型緩衝層(8)、P+集電區(9)、金屬集電極(10)、P型等位環(12)、P型場限環(14)和N+截止環(20);其中N型緩衝層(8)位於N_漂移區(7)和P+集電區(9)之間，P+集電區(9)位於N型緩衝層(8)和金屬集電極(10)之間；所述P型等位環(12)位於靠近IGBT有源區的K漂移區(7)中，P型等位環(12)中具有等位環的P+接觸區(11 )，所述等位環的P+接觸區(11)通過金屬連線實現與IGBT有源區中金屬發射極的等電位連接；所述N+截止環(20)位於遠離IGBT有源區的N_漂移區(7)中；P型等位環(12 )和N+截止環(20 )之間的N_漂移區(7 )中具有若干P型場限環(14 ) ;P型等位環(12)、P型場限環(14)、N+截止環(20)和【漂移區(7)的表面具有場氧化層(16)，場氧化層(16)表面與P型等位環(12)、P型場限環(14)和N+截止環(20)對應的位置處分別具有金屬場板(13、15、18和19);在所述P型等位環(12)內還具有空穴複合層(21)，所述空穴複合層(21)由注入到P型等位環(12)內的碳離子和氧離子經400~550°C溫度條件下的退火處理所形成。
2.具有空穴複合層的IGBT終端結構的製備方法，包括如下工藝步驟:在IGBT製造工藝中終端N_漂移區(7)中硼注入與推阱分別形成P型等位環(12)、P型場限環(14)和N+截止環(20)後，在P型等位環(12)內進行碳離子和氧離子注入，然後經400~550°C溫度條件下的退火處理形成P型等位環(12 )內的空穴複合層(21)。
3.根據權利要求2所述的具有空穴複合層的IGBT終端結構的製備方法，其特徵在於，所述碳離子注入的能量和劑量分別為:40~60KeV、lE12~3E12cm_2，所述氧離子注入的能量和劑量分別為:50~70KeV、2E12~6E12cnT2。`
【文檔編號】H01L21/336GK103489909SQ201310422648
【公開日】2014年1月1日 申請日期:2013年9月17日 優先權日:2013年9月17日
【發明者】李澤宏, 宋文龍, 鄒有彪, 顧鴻鳴, 吳明進, 張金平, 任敏 申請人:電子科技大學