一種實現局域壽命控制的igbt及其製造方法
2023-05-23 17:11:41 1
一種實現局域壽命控制的igbt及其製造方法
【專利摘要】本發明提出了一種實現局域壽命控制的IGBT及其製造方法，該IGBT包括集電區，在集電區之上形成有緩衝層，在緩衝層之上形成有漂移區，在集電區與漂移區之間形成有至少一層低壽命高複合層，該低壽命高複合層內具有複合中心，能夠降低載流子的壽命，在漂移區內形成有阱區，在阱區內形成有發射區，在漂移區之上依次形成有柵介質層、柵極和發射極，在集電區之下形成有集電極。本發明在集電區與漂移區之間形成有至少一層低壽命高複合層，該低壽命高複合層可以複合器件通態時產生的大量過剩載流子，提高複合電流，減小集電區空穴注入，從而降低關斷拖尾時間，達到降低開關時間、開關損耗的目的，並提高器件抗閂鎖能力。
【專利說明】一種實現局域壽命控制的IGBT及其製造方法
【技術領域】
[0001]本發明屬於基本電氣元件領域，涉及半導體器件的製備，特別涉及一種實現局域壽命控制的IGBT結構及其製造方法。
【背景技術】
[0002]IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor,絕緣柵雙極型電晶體)是一種由BJT (雙極型三極體)和MOSFET (絕緣柵型場效應管)組成的複合型電壓控制的功率半導體器件，這種器件同時具有功率BJT和功率MOSFET的主要優點:輸入阻抗高，輸入驅動功率小，導通電阻小，電流容量大，開關速度快等。在這個高壓高頻電力電子器件時代，IGBT無疑成為電力電子應用領域的主流器件。IGBT發展到現在大致經歷了三代技術=PT-1GBT (穿通型IGBT)，NPT-1GBT (非穿通型IGBT)和FS-1GBT (電場終止型IGBT)。穿通與非穿通是指在擊穿電壓下，耗盡層是否穿通η-漂移區(耐壓層)。儘管NPT-1GBT和FS-1GBT技術越來越受到行內青睞，然而對於低壓類IGBT (如600V IGBT)，考慮到NPT-1GBT和FS-1GBT要求能夠處理薄片技術，工藝要求高的特點，普遍採用PT-1GBT結構，從而降低加工難度，減少製造成本。
[0003]如圖1所示的PT-1GBT，P+型單晶矽為集電區109，n_耐壓層107和η+緩衝層108通過外延獲得。集電區109作為集電區(背發射區)，具有厚度大、摻雜濃度高等特點。器件導通時，PNP電晶體的空穴發射率很高，η-耐壓層107積累了大量的電子空穴對，電導調製效應顯著。器件關斷時，電子很難從背面發射結流出，主要靠基區複合消失，因此開關時間長，開關損耗大。為提高關斷速度，PT-1GBT採用電子輻照或者重金屬摻雜的方法在η-耐壓層107產生大量複合中心，大幅降低其中的載流子壽命，加快IGBT關斷時η-耐壓層107中電子、空穴的複合。
[0004]這種方法雖然能夠提高PT-1GBT的關斷速度，但是電子輻照與重金屬摻雜壽命控制的方法屬於全局壽命控制，難以做到局域壽命控制，如在圖1所示的PT-1GBT中，正面PN結Jl和J2附近是不需要做壽命控制的，但是電子輻照和重金屬摻雜都不可避免會影響這裡的載流子壽命。這種全局壽命控制有一個顯著的缺陷就是，整個器件體區的載流子壽命都會隨著溫度的升高而顯著增加，當溫度升高時，整個η-耐壓層107存儲的載流子濃度顯著增加，通態壓降明顯降低，呈現顯著的負溫度係數，不利於並聯使用，而且關斷損耗也明顯增大，影響了器件的長期可靠使用。
【發明內容】
[0005]本發明旨在至少解決現有技術中存在的技術問題，特別創新地提出了一種實現局域壽命控制的IGBT及其製造方法。
[0006]為了實現本發明的上述目的，根據本發明的第一個方面，本發明提供了一種實現局域壽命控制的IGBT，其包括:集電區，所述集電區為重摻雜；在所述集電區之上形成有緩衝層，所述緩衝層為重摻雜，其導電類型與所述集電區的導電類型相反；在所述緩衝層之上形成有漂移區，所述漂移區為輕摻雜，其導電類型與所述集電區的導電類型相反；在所述集電區與所述漂移區之間形成有至少一層低壽命高複合層，所述低壽命高複合層內具有複合中心；在所述漂移區內形成有阱區，在所述阱區內形成有發射區，所述阱區的導電類型與所述集電區的導電類型相同，所述發射區為重摻雜，其導電類型與所述集電區的導電類型相反；在所述漂移區之上依次形成有柵介質層、柵極和發射極；在所述集電區之下形成有集電極。
[0007]本發明在集電區與漂移區之間形成有至少一層低壽命高複合層，該低壽命高複合層可以複合器件通態時產生的大量過剩載流子，提高複合電流，減小集電區空穴注入，從而降低關斷拖尾時間，達到降低開關時間、開關損耗的目的，並提高器件抗閂鎖能力。
[0008]為了實現本發明的上述目的，根據本發明的第二個方面，本發明提供了一種實現局域壽命控制的IGBT的製造方法，其包括如下步驟:
[0009]Sll:提供第一基片和第二基片，所述第一基片為輕摻雜，所述第二基片為重摻雜，所述第一基片的導電類型與所述第二基片的導電類型相反，所述第一基片用於形成漂移區，所述第二基片用於形成集電區；
[0010]S12:在所述第一基片背面形成緩衝層，所述緩衝層為重摻雜，其導電類型與所述第一基片的導電類型相同；
[0011]S13;將所述第一基片的緩衝層與所述第二基片鍵合，在所述緩衝層與所述第二基片之間形成低壽命高複合層，所述低壽命高複合層內具有複合中心；
[0012]S14:在所述第一基片的正面形成阱區，在所述阱區內形成發射區，所述阱區的導電類型與所述第一基片的導電類型相反，所述發射區為重摻雜，其導電類型與所述第一基片的導電類型相同；
[0013]在所述第一基片之上依次形成柵介質層、柵極和發射極；
[0014]在所述第二基片之下形成集電極。
[0015]為了實現本發明的上述目的，根據本發明的第三個方面，本發明提供了一種實現局域壽命控制的IGBT的製造方法，其包括如下步驟:
[0016]S21:提供第一基片和第二基片，所述第一基片為輕摻雜，所述第二基片為重摻雜，所述第一基片的導電類型與所述第二基片的導電類型相反，所述第一基片用於形成漂移區，所述第二基片用於形成集電區；
[0017]S22:在所述第二基片正面形成緩衝層，所述緩衝層為重摻雜，其導電類型與所述第一基片的導電類型相同；
[0018]S23:將所述第一基片與所述第二基片的緩衝層鍵合，在所述第一基片與所述緩衝層之間形成低壽命高複合層，所述低壽命高複合層內具有複合中心；
[0019]S24:在所述第一基片的正面形成阱區，在所述阱區內形成發射區，所述阱區的導電類型與所述第一基片的導電類型相反，所述發射區為重摻雜，其導電類型與所述第一基片的導電類型相同；
[0020]在所述第一基片之上依次形成柵介質層、柵極和發射極；
[0021]在所述第二基片之下形成集電極。
[0022]為了實現本發明的上述目的，根據本發明的第四個方面，本發明提供了一種實現局域壽命控制的IGBT的製造方法，其包括如下步驟:[0023]S31:提供第一基片、第二基片和第三基片，所述第一基片為輕摻雜，所述第二基片為重摻雜，所述第二基片的導電類型與所述第一基片的導電類型相同，所述第三基片為重摻雜，所述第三基片的導電類型與所述第一基片的導電類型相反，所述第一基片用於形成漂移區，所述第二基片用於形成緩衝層，所述第三基片用於形成集電區；
[0024]S32:將所述第二基片與所述第三基片鍵合，在所述第二基片與所述第三基片之間形成第二低壽命高複合層，所述第二低壽命高複合層內具有複合中心；
[0025]S33:將所述第二基片與所述第一基片鍵合，在所述第二基片與所述第一基片之間形成第一低壽命高複合層，所述第一低壽命高複合層內具有複合中心，能夠降低載流子的壽命；
[0026]S34:在所述第一基片的正面形成阱區，在所述阱區內形成發射區，所述阱區的導電類型與所述第一基片的導電類型相反，所述發射區為重摻雜，其導電類型與所述第一基片的導電類型相同；
[0027]在所述第一基片之上依次形成柵介質層、柵極和發射極；
[0028]在所述第三基片之下形成集電極。
[0029]本發明的採用的鍵合技術，能夠實現精確局域壽命控制，可以在器件最優需要做壽命控制的局部降低載流子壽命，而不影響其它部位的載流子壽命。且實現本發明局域壽命控制的低壽命高複合層形成在集電結與漂移區之間，通過鍵合的方法在鍵合界面附近形成一高缺陷層，該層缺陷引入複合中心使載流子複合，降低載流子壽命。
[0030]在本發明的一種優選實施例中，低壽命高複合層形成在所述集電區與所述緩衝層之間。
[0031]在本發明的另一種優選實施例中，低壽命高複合層形成在所述漂移區與所述緩衝層之間。
[0032]在本發明的再一種優選實施例中，低壽命高複合層包括第一低壽命高複合層和第二低壽命高複合層，所述第一低壽命高複合層形成在所述漂移區與緩衝層之間，所述第二低壽命高複合層形成在所述集電區與緩衝層之間。
[0033]本發明在集電區與漂移區之間可以形成一層低壽命高複合層，也可以形成兩層低壽命高複合層，更精確的實現了在需要做壽命控制的地方引入複合中心，降低載流子的壽命。同時器件的其他區域不會受到壽命控制的影響，這樣，儘管局部有壽命控制的地方，當溫度升高時，壽命會增加，有降低通態壓降的趨勢，但是其他沒有引入壽命控制的部位，載流子壽命不會隨著溫度增加而顯著增加，在這一部分，溫度對載流子遷移率的影響起主導作用，隨著溫度升高，遷移率顯著降低，有增大通態壓降的趨勢，這兩種效果相互抵消，弱化了通態壓降的負溫度係數，改善器件的高溫特性，易於並聯使用，提升器件長期可靠性。本發明形成的兩層低壽命高複合層內都具有複合中心，兩者結合作壽命控制，降低載流子壽命的效果更好。
[0034]在本發明的一種優選實施例中，所述第一基片、第二基片和緩衝層均為單晶矽，所述第一基片的晶向為100晶向，所述第二基片的晶向均為110晶向，所述緩衝層的晶向為100晶向。
[0035]在本發明的另一種優選實施例中，所述第一基片、第二基片和緩衝層均為單晶矽，所述第一基片的晶向為110晶向，所述第二基片的晶向均為110晶向，所述緩衝層為100晶向。
[0036] 在本發明的再一種優選實施例中，所述第一基片、第二基片和第三基片均為單晶娃，所述第一基片的晶向為110晶向，所述第二基片的晶向為100晶向，所述第二基片的晶向為110晶向。
[0037]在本發明的製造方法中採用單晶矽片，單晶矽片的晶向選擇可以是相同的，也可以不同，通過鍵合的方法在鍵合界面附近形成一高缺陷層。該層缺陷引入複合中心使載流子複合，降低載流子壽命。特別是當採用不同晶向的矽片鍵合時，形成的缺陷層缺陷更多，更緻密，載流子複合效果更明顯。
[0038]本發明的附加方面和優點將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變得明顯，或通過本發明的實踐了解到。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0039]本發明的上述和/或附加的方面和優點從結合下面附圖對實施例的描述中將變得明顯和容易理解，其中:
[0040]圖1是現有技術中η型溝道平面IGBT的結構示意圖；
[0041]圖2是本發明實現局域壽命控制的IGBT的第一優選實施方式的結構示意圖；
[0042]圖3-圖6是圖2中所示實現局域壽命控制的IGBT的工藝步驟示意圖；
[0043]圖7是本發明實現局域壽命控制的IGBT的第二優選實施方式的結構示意圖；
[0044]圖8-圖11是圖7中所示實現局域壽命控制的IGBT的工藝步驟示意圖；
[0045]圖12是本發明實現局域壽命控制的IGBT的第三優選實施方式的結構示意圖；
[0046]圖13-圖17是圖12中所示實現局域壽命控制的IGBT的工藝步驟示意圖。
[0047]附圖標記:
[0048]101發射極；102隔離層；103柵極；104柵介質層；105發射區；106阱區；
[0049]107漂移區；108緩衝層；109集電區；110集電極；
[0050]201發射極；202隔離層；203柵極；204柵介質層；205發射區；206阱區；
[0051]207漂移區；208緩衝層；209低壽命高複合層；210集電區；211集電極；
[0052]301發射極；302隔離層；303柵極；304柵介質層；305發射區；306阱區；
[0053]307漂移區；308緩衝層；309低壽命高複合層；310集電區；311集電極；
[0054]401發射極；402隔離層；403柵極；404柵介質層；405發射區；406阱區；
[0055]407漂移區；408緩衝層；409第一低壽命高複合層；410第二低壽命高複合層；
[0056]411集電區；412集電極。
【具體實施方式】
[0057]下面詳細描述本發明的實施例，所述實施例的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附圖描述的實施例是示例性的，僅用於解釋本發明，而不能理解為對本發明的限制。
[0058]在本發明的描述中，需要理解的是，術語「縱向」、「橫向」、「上」、「下」、「前」、「後」、「左」、「右」、「豎直」、「水平」、「頂」、「底」 「內」、「外」等指示的方位或位置關係為基於附圖所示的方位或位置關係，僅是為了便於描述本發明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構造和操作，因此不能理解為對本發明的限制。
[0059]在本發明的描述中，除非另有規定和限定，需要說明的是，術語「安裝」、「相連」、「連接」應做廣義理解，例如，可以是機械連接或電連接，也可以是兩個元件內部的連通，可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，對於本領域的普通技術人員而言，可以根據具體情況理解上述術語的具體含義。
[0060]圖2、圖7、圖12是本發明實現局域壽命控制的IGBT的三個優選實施方式的結構示意圖，圖中僅僅是示意的給出了各區域的尺寸，具體的尺寸可以根據器件參數的要求進行設計。從圖中可見，本發明的實現局域壽命控制的IGBT包括集電區，該集電區為重摻雜。在集電區之上形成有緩衝層，該緩衝層為重摻雜，其導電類型與集電區的導電類型相反。在緩衝層之上形成有漂移區，該漂移區為輕摻雜，其導電類型與集電區的導電類型相反。集電區、緩衝層和漂移區的材料可以是製備IGBT的任何材料，具體可以是但不限於矽、鍺、砷化鎵，在本實施方式中，優選採用單晶矽。集電區、緩衝層和漂移區的晶向可以相同也可以不同。在本發明的一種優選實施方式中，漂移區的晶向為100晶向，集電區的晶向均為110晶向，緩衝層的晶向為100晶向。在本發明另外一種優選實施方式中，漂移區的晶向為110晶向，集電區的晶向為110晶向，緩衝層的晶向為100晶向。
[0061]在集電區與漂移區之間形成有至少一層低壽命高複合層，該低壽命高複合層可以為但不限於由外延生長或鍵合工藝形成的缺陷層，其材料由與該低壽命高複合層相鄰的上下兩層的材料共同形成，該低壽命高複合層內具有複合中心，該複合中心為缺陷，具體可以為但不限於斷鍵缺陷，晶格錯位或移位缺陷，其內具有複合載流子，能夠吸收載流子達到電平衡，從而降低載流子的壽命。在本發明的第一優選實施方式中，該低壽命高複合層為一層，形成在集電區與緩衝層之間，在本實施方式中，低壽命高複合層可以與集電區和緩衝層界面清晰，也可以深入到集電區和緩衝層內部，該低壽命高複合層的厚度為0.03um-0.5um,其內部過剩載流子的壽命為5ns-40ns。在本發明的第二優選實施方式中，該低壽命高複合層為一層，形成在漂移區與緩衝層之間，該低壽命高複合層可以與漂移區和緩衝層界面清晰，也可以深入到漂移區和緩衝層內部，該低壽命高複合層的厚度為0.03um-0.5um，其內部過剩載流子的壽命為5ns-40ns。在本發明的第三優選實施方式中，該低壽命高複合層包括第一低壽命高複合層和第二低壽命高複合層，其中，第一低壽命高複合層形成在漂移區與緩衝層之間，第二低壽命高複合層形成在集電區與緩衝層之間，同樣，該第一低壽命高複合層可以與漂移區和緩衝層界面清晰，也可以深入到漂移區和緩衝層內部，該第一低壽命高複合層的厚度為0.03um-0.5um，其內部過剩載流子的壽命為5ns-40ns。該第二低壽命高複合層可以與集電區和緩衝層界面清晰，也可以深入到集電區和緩衝層內部，該第二低壽命高複合層的厚度為0.03um-0.5um，其內部過剩載流子的壽命為5ns-40ns。
[0062]在漂移區內還形成有阱區，在阱區內形成有發射區，阱區的導電類型與集電區的導電類型相同，發射區為重摻雜，其導電類型與集電區的導電類型相反。在漂移區之上依次形成有柵介質層、柵極和發射極。在集電區之下形成有集電極。在本實施方式中，在柵極與發射極之間還形成有隔離層，該隔離層的材料可以為但不限於矽的氧化物或矽的氮氧化物，用於柵極與發射極之間的絕緣隔離。
[0063]本發明在集電區與漂移區之間形成有至少一層低壽命高複合層，該低壽命高複合層可以器件通態時產生的大量過剩載流子，提高複合電流，減小集電區空穴注入，從而降低關斷拖尾時間，達到降低開關時間、開關損耗的目的，並提高器件抗閂鎖能力。
[0064]本發明在集電區與漂移區之間可以形成一層低壽命高複合層，也可以形成兩層低壽命高複合層，更精確地實現了在需要做壽命控制的地方引入複合中心，降低載流子的壽命。同時，器件的其他區域不會受到壽命控制的影響，這樣，儘管局部有壽命控制的地方，當溫度升高時，壽命會增加，有降低通態壓降的趨勢，但是其他沒有引入壽命控制的部位，載流子壽命不會隨著溫度增加而顯著增加，在這一部分，溫度對載流子遷移率的影響起主導作用，隨著溫度升高，遷移率顯著降低，有增大通態壓降的趨勢，這兩種效果相互抵消，弱化了通態壓降的負溫度係數，改善器件的高溫特性，易於並聯使用，提升器件長期可靠性。本發明形成的兩層低壽命高複合層內都具有複合中心，兩者結合作壽命控制，降低載流子壽命的效果更好。
[0065]本發明還提供了實現局域壽命控制的IGBT的製造方法，在本發明的第一優選實施方式中，如圖3-圖6所示，該實現局域壽命控制的IGBT的製造方法包括如下步驟:
[0066]Sll:提供第一基片和第二基片，該第一基片為輕摻雜，第二基片為重摻雜，並且第一基片的導電類型與第二基片的導電類型相反，在最後完成的器件中，該第一基片形成漂移區207，該第二基片形成集電區210，該第一基片和第二基片的材料可以是製備IGBT的任何半導體材料，具體可以是但不限於矽、鍺、砷化鎵，在本實施方式中，優選採用單晶矽，第一基片和第二基片的晶向可以相同也可以不同，在本實施方式中，第一基片的晶向為100晶向，第二基片的晶向為110晶向。
[0067]S12:在第一基片背面形成緩衝層208，本發明所指正面是指基片的上表面，背面是指基片的下表面，形成的緩衝層208為重摻雜，其導電類型與第一基片的導電類型相同，形成緩衝層208的方法可以為但不限於離子注入方法或外延生長方法，在本實施方式中，優選採用離子注入方法，如圖3-圖4所示，具體是光刻，在掩膜掩蔽的情況下進行離子注入，並擴散，退火，形成的緩衝層208的晶向與第一基片的晶向相同為100晶向。當採用外延生長方法形成緩衝層208時，緩衝層208的晶向與第一基片的晶向可以相同，也可以不同，具體可以為生長為110晶向。
[0068]S13:如圖5-圖6所示，將第一基片的緩衝層208與第二基片鍵合，在緩衝層208與第二基片之間形成低壽命高複合層209，該低壽命高複合層209可以與集電區210和緩衝層208界面清晰，也可以深入到集電區210和緩衝層208內部，該低壽命高複合層209內具有複合中心，能夠降低載流子的壽命。具體採用的鍵合方法可以為親水鍵合也可以為疏水鍵合，優選採用親水鍵合，鍵合過程中退火的溫度範圍為400°C -1300°C，鍵合時施加在第一基片和第二基片上的壓力範圍為15N-30N，形成的低壽命高複合層的厚度為
0.03um-0.5um,其內部過剩載流子的壽命為5ns_40ns。
[0069]本實施方式通過採用矽片進行鍵合，在鍵合界面附近形成一高缺陷層，該層缺陷引入複合中心使載流子複合，能夠降低載流子壽命。
[0070]S14:在第一基片的正面形成阱區206，在阱區206內形成發射區205，該阱區206的導電類型與第一基片的導電類型相反，發射區為重摻雜，其導電類型與第一基片的導電類型相同；在第一基片之上依次形成柵介質層204、柵極203和發射極201 ;在第二基片之下形成集電極211。在柵極203與發射極201之間還形成有隔離層202，該隔離層202的材料可以為但不限於矽的氧化物或矽的氮氧化物，用於柵極203與發射極201之間的絕緣隔離。
[0071]在圖7所示的本發明第二優選實施方式中，實現局域壽命控制的IGBT的製造方法包括如下步驟:
[0072]S21:提供第一基片和第二基片，該第一基片為輕摻雜，第二基片為重摻雜，並且第一基片的導電類型與第二基片的導電類型相反，在最後完成的器件中，該第一基片形成漂移區307，該第二基片形成集電區310，該第一基片和第二基片的材料可以是製備IGBT的任何半導體材料，具體可以是但不限於矽、鍺、砷化鎵，在本實施方式中，優選採用單晶矽，第一基片和第二基片的晶向可以相同也可以不同，在本實施方式中，第一基片與第二基片的晶向相同，均為110晶向。
[0073]S22:如圖8-圖9所示，在第二基片正面形成緩衝層308，該緩衝層308為重摻雜，其導電類型與第一基片的導電類型相同，形成緩衝層308的方法可以為但不限於離子注入方法或外延生長方法，在本實施方式中，優選採用外延生長方法，具體可以是採用化學氣相澱積的方法在第二基片正面外延形成緩衝層，形成的緩衝層的晶向與第二基片可以相同也可以不同，優選為100晶向。
[0074]S23:如圖10-圖11所示，將第一基片與第二基片的緩衝層308鍵合，在第一基片與緩衝層308之間形成低壽命高複合層309，該低壽命高複合層309可以與漂移區307和緩衝層308界面清晰，也可以深入到漂移區307和緩衝層308內部，該低壽命高複合層309內具有複合中心，能夠降低載流子的壽命。具體採用的鍵合方法可以為親水鍵合也可以為疏水鍵合，優選採用親水鍵合，鍵合過程中退火的溫度範圍為400°C -1300°C，鍵合時施加在第一基片和第二基片上的壓力範圍為15N-30N，形成的低壽命高複合層的厚度為
0.03um-0.5um,其內部過剩載流子的壽命為5ns_40ns。本實施方式採用不同晶向的娃片進行鍵合，形成的缺陷層缺陷更多，更緻密，載流子複合效果更明顯。
[0075]S24:在第一基片的正面形成阱區306，在阱區306內形成發射區305，阱區306的導電類型與第一基片的導電類型相反，發射區為重摻雜，其導電類型與第一基片的導電類型相同，在第一基片之上依次形成柵介質層304、柵極303和發射極301，在第二基片之下形成集電極311。在本實施方式中，在柵極303與發射極301之間還形成有隔離層302，該隔離層302的材料可以為但不限於矽的氧化物或矽的氮氧化物，用於柵極303與發射極301之間的絕緣隔離。
[0076]在圖12所示的本發明第三優選實施方式中，實現局域壽命控制的IGBT的製造方法包括如下步驟:
[0077]S31:提供第一基片、第二基片和第三基片，其中，第一基片為輕摻雜，第二基片為重摻雜，第二基片的導電類型與第一基片的導電類型相同，第三基片為重摻雜，第三基片的導電類型與第一基片的導電類型相反，在最後完成的器件中，該第一基片形成漂移區407，該第二基片形成緩衝層408，該第三基片形成集電區411，該第一基片、第二基片和第三基片的材料可以是製備IGBT的任何半導體材料，具體可以是但不限於矽、鍺、砷化鎵，在本實施方式中，優選採用單晶矽，第一基片、第二基片和第三基片的晶向可以相同也可以不同，在本實施方式中，第一基片的晶向為110晶向，第二基片的晶向為100晶向，第三基片的晶向為110晶向。[0078]S32:如圖13-圖14所示，將第二基片的一面與第三基片鍵合，在第二基片與第三基片之間形成第二低壽命高複合層410，該第二低壽命高複合層410可以與緩衝層408和集電區411界面清晰，也可以深入到緩衝層408和集電區411內部，該第二低壽命高複合層410內具有複合中心，能夠降低載流子的壽命。具體採用的鍵合方法可以為親水鍵合也可以為疏水鍵合，優選採用親水鍵合，鍵合過程中退火的溫度範圍為400°C -1300°C，鍵合時施加在第二基片和第三基片上的壓力範圍為15N-30N，形成的第二低壽命高複合層的厚度為
0.03um-0.5um,其內部過剩載流子的壽命為5ns_40ns。
[0079]S33:如圖16-圖17所示，將第二基片的另一面與第一基片鍵合，在第二基片與第一基片之間形成第一低壽命高複合層409,該第一低壽命高複合層409可以與漂移區407和緩衝層408的界面清晰，也可以深入到漂移區407和緩衝層408內部，該第一低壽命高複合層409內具有複合中心，能夠降低載流子的壽命。具體採用的鍵合方法可以為親水鍵合也可以為疏水鍵合，優選採用親水鍵合，鍵合過程中退火的溫度範圍為400°C -1300°C，鍵合時施加在第一基片和第二基片上的壓力範圍為15N-30N，形成的第一低壽命高複合層的厚度為0.03um-0.5um，其內部過剩載流子的壽命為5ns-40ns。
[0080]在本發明一種優選實施方式中，如圖15所示，在步驟S32與步驟S33之間還具有以下步驟:減薄第二基片，減薄方法可以是任何基片減薄技術，具體可以是但不限於研磨、化學機械拋光、幹法刻蝕、電化學腐蝕或溼法腐蝕方法，優選採用研磨方法，減薄後第二基片的厚度為5um-50um。
[0081]在本發明另外的優選實施方式中，可以先將第一基片與第二基片鍵合，然後將第二基片與第三基片鍵合，在本實施方式中，也可以在第一基片與第二基片鍵合後減薄的二基片，具體步驟為:
[0082]S32:將第一基片與第二基片鍵合，在第一基片與第二基片之間形成第一低壽命高複合層409，該第一低壽命高複合層409可以與漂移區407與緩衝層408的界面清晰，也可以深入到漂移區407和緩衝層408內部，該第一低壽命高複合層409內具有複合中心，能夠降低載流子的壽命。具體採用的鍵合方法可以為親水鍵合也可以為疏水鍵合，優選採用親水鍵合，鍵合過程中退火的溫度範圍為400°C -1300°C，鍵合時施加在第一基片和第二基片上的壓力範圍為15N-30N，形成的第一低壽命高複合層的厚度為0.03um-0.5um，其內部過剩載流子的壽命為5ns-40ns。
[0083]減薄第二基片，減薄方法可以是任何基片減薄技術，具體可以是但不限於研磨、化學機械拋光、幹法刻蝕、電化學腐蝕或溼法腐蝕方法，優選採用研磨方法，減薄後第二基片的厚度為:5um-50um ；
[0084]S33:將第二基片與第三基片鍵合，在第三基片與第三基片之間形成第二低壽命高複合層410，該第二低壽命高複合層410可以與緩衝層408和集電區411界面清晰，也可以深入到緩衝層408和集電區411內部，該第二低壽命高複合層410內具有複合中心，能夠降低載流子的壽命。具體採用的鍵合方法可以為親水鍵合也可以為疏水鍵合，優選採用親水鍵合，鍵合過程中退火的溫度範圍為400°C -1300°C，鍵合時施加在第二基片和第三基片上的壓力範圍為15N-30N，形成的第二低壽命高複合層的厚度為0.03um-0.5um，其內部過剩載流子的壽命為5ns-40ns。
[0085]S34:在第一基片的正面形成阱區406，在阱區406內形成發射區405，阱區406的導電類型與第一基片的導電類型相反，發射區為重摻雜，其導電類型與第一基片的導電類型相同，在第一基片之上依次形成柵介質層404、柵極403和發射極401，在第二基片之下形成集電極412。在本實施方式中，在柵極403與發射極401之間還形成有隔離層402，該隔離層402的材料可以為但不限於矽的氧化物或矽的氮氧化物，用於柵極403與發射極401之間的絕緣隔離。
[0086]根據本發明實現局域壽命控制的IGBT的製造方法，以最後形成集電區為P型為例進行說明，對於n型集電區及以其為基礎的器件，按照相反的導電類型摻雜即可。以本發明的第三優選實施方式為例進行說明，首先，將重摻雜的n型第二基片與重摻雜的p型第三基片採用親水方法鍵合形成第二低壽命高複合層，鍵合過程中退火的溫度為1000°C，鍵合時施加在第二基片和第三基片上的壓力為20N，形成的第二低壽命高複合層的厚度為0.1um,其內部過剩載流子的壽命為5ns-40ns。然後，採用研磨的工藝方法減薄第二基片至lOum，再後，將輕摻雜的n型第一基片與第二基片米用親水方法鍵合形成第一低壽命高複合層，鍵合過程中退火的溫度為900°C，鍵合時施加在第一基片和第二基片上的壓力為22N，形成的第一低壽命高複合層的厚度為0.15um，其內部過剩載流子的壽命為5ns-40ns。最後，在第一基片的正面形成P型阱區，在P型阱區內形成重摻雜的n型發射區，在第一基片之上依次形成柵介質層、柵極、隔離層和發射極，在第三基片之下形成集電極。
[0087]本發明在集電區與漂移區之間可以形成一層低壽命高複合層，也可以形成兩層低壽命高複合層，更精確的實現了在需要做壽命控制的地方引入複合中心，降低載流子的壽命。同時器件的其他區域不會受到壽命控制的影響，這樣，儘管局部有壽命控制的地方，當溫度升高時，壽命會增加，有降低通態壓降的趨勢，但是其他沒有引入壽命控制的部位，載流子壽命不會隨著溫度增加而顯著增加，在這一部分，溫度對載流子遷移率的影響起主導作用，隨著溫度升高，遷移率顯著降低，有增大通態壓降的趨勢，這兩種效果相互抵消，弱化了通態壓降的負溫度係數，改善器件的高溫特性，易於並聯使用，提升器件長期可靠性。本發明形成的兩層低壽命高複合層內都具有複合中心，兩者結合作壽命控制，降低載流子壽命的效果更好。
[0088]在本說明書的描述中，參考術語「一個實施例」、「一些實施例」、「示例」、「具體示例」、或「一些示例」等的描述意指結合該實施例或示例描述的具體特徵、結構、材料或者特點包含於本發明的至少一個實施例或示例中。在本說明書中，對上述術語的示意性表述不一定指的是相同的實施例或示例。而且，描述的具體特徵、結構、材料或者特點可以在任何的一個或多個實施例或示例中以合適的方式結合。
[0089]儘管已經示出和描述了本發明的實施例，本領域的普通技術人員可以理解:在不脫離本發明的原理和宗旨的情況下可以對這些實施例進行多種變化、修改、替換和變型，本發明的範圍由權利要求及其等同物限定。
【權利要求】
1.一種實現局域壽命控制的IGBT，其特徵在於，包括: 集電區，所述集電區為重摻雜； 在所述集電區之上形成有緩衝層，所述緩衝層為重摻雜，其導電類型與所述集電區的導電類型相反； 在所述緩衝層之上形成有漂移區，所述漂移區為輕摻雜，其導電類型與所述集電區的導電類型相反； 在所述集電區與所述漂移區之間形成有至少一層低壽命高複合層，所述低壽命高複合層內具有複合中心； 在所述漂移區內形成有阱區，在所述阱區內形成有發射區，所述阱區的導電類型與所述集電區的導電類型相同，所述發射區為重摻雜，其導電類型與所述集電區的導電類型相反； 在所述漂移區之上依次形成有柵介質層、柵極和發射極； 在所述集電區之下形成有集電極。
2.如權利要求1所述的實現局域壽命控制的IGBT，其特徵在於，所述低壽命高複合層形成在所述集電區與所述緩衝層之間。
3.如權利要求1所述的實現局域壽命控制的IGBT，其特徵在於，所述低壽命高複合層形成在所述漂移區與所述緩衝層之間。
4.如權利要求2或3所述的實現局域壽命控制的IGBT，其特徵在於，所述低壽命高複合層的厚度為0.03um-0.5um，其內部過剩載流子的壽命為5ns-40ns。
5.如權利要求1所述的實現局域壽命控制的IGBT，其特徵在於，所述低壽命高複合層包括第一低壽命高複合層和第二低壽命高複合層，所述第一低壽命高複合層形成在所述漂移區與緩衝層之間，所述第二低壽命高複合層形成在所述集電區與緩衝層之間。
6.如權利要求5所述的實現局域壽命控制的IGBT，其特徵在於，所述第一低壽命高複合層的厚度為0.03um-0.5um，其內部過剩載流子的壽命為5ns-40ns ;所述第二低壽命高複合層的厚度為0.03um-0.5um，其內部過剩載流子的壽命為5ns-40ns。
7.一種實現局域壽命控制的IGBT的製造方法，其特徵在於，包括如下步驟: 511:提供第一基片和第二基片，所述第一基片為輕摻雜，所述第二基片為重摻雜，所述第二基片的導電類型與所述第一基片的導電類型相反，所述第一基片用於形成漂移區，所述第二基片用於形成集電區； 512:在所述第一基片背面形成緩衝層，所述緩衝層為重摻雜，其導電類型與所述第一基片的導電類型相同； 513;將所述緩衝層與所述第二基片鍵合， 在所述緩衝層與所述第二基片之間形成低壽命高複合層，所述低壽命高複合層內具有複合中心； S14:在所述第一基片的正面形成阱區，在所述阱區內形成發射區，所述阱區的導電類型與所述第一基片的導電類型相反，所述發射區為重摻雜，其導電類型與所述第一基片的導電類型相同； 在所述第一基片之上依次形成柵介質層、柵極和發射極； 在所述第二基片之下形成集電極。
8.如權利要求7所述的實現局域壽命控制的IGBT的製造方法，其特徵在於，所述第一基片、第二基片和緩衝層均為單晶矽，所述第一基片的晶向為100晶向，所述第二基片的晶向均為110晶向，所述緩衝層的晶向為100晶向。
9.如權利要求7所述的實現局域壽命控制的IGBT的製造方法，其特徵在於，所述鍵合時的退火溫度範圍為400°C -1300°C，所述鍵合時施加在第一基片和第二基片上的壓力範圍為 15N-30N。
10.如權利要求7所述的實現局域壽命控制的IGBT的製造方法，其特徵在於，所述低壽命高複合層的厚度為0.03um-0.5um，其內部過剩載流子的壽命為5ns-40ns。
11.一種實現局域壽命控制的IGBT的製造方法，其特徵在於，包括如下步驟: S21:提供第一基片和第二基片，所述第一基片為輕摻雜，所述第二基片為重摻雜，所述第一基片的導電類型與所述第二基片的導電類型相反，所述第一基片用於形成漂移區，所述第二基片用於形成集電區； S22:在所述第二基片正面形成緩衝層，所述緩衝層為重摻雜，其導電類型與所述第一基片的導電類型相同； S23 ;將所述第一基片與所述緩衝層鍵合，在所述第一基片與所述緩衝層之間形成低壽命高複合層，所述低壽命高複合層內具有複合中心； S24:在所述第一基片的正面形成阱區，在所述阱區內形成發射區，所述阱區的導電類型與所述第一基片的導電類型相反，所述發射區為重摻雜，其導電類型與所述第一基片的導電類型相同； 在所述第一基片之上依次形成柵介質層、柵極和發射極； 在所述第二基片之下形成集電極。
12.如權利要求11所述的實現局域壽命控制的IGBT的製造方法，其特徵在於，所述第一基片、第二基片和緩衝層均為單晶矽，所述第一基片的晶向為110晶向，所述第二基片的晶向均為110晶向，所述緩衝層為100晶向。
13.如權利要求11所述的實現局域壽命控制的IGBT的製造方法，其特徵在於，所述鍵合時的退火溫度範圍為400°C -1300°C，所述鍵合時施加在第一基片和第二基片上的壓力範圍為15N-30N。
14.如權利要求11所述的實現局域壽命控制的IGBT的製造方法，其特徵在於，所述低壽命高複合層的厚度為0.03um-0.5um，其內部過剩載流子的壽命為5ns-40ns。
15.一種實現局域壽命控制的I GBT的製造方法，其特徵在於，包括如下步驟: 531:提供第一基片、第二基片和第三基片，所述第一基片為輕摻雜，所述第二基片為重摻雜，所述第二基片的導電類型與所述第一基片的導電類型相同，所述第三基片為重摻雜，所述第三基片的導電類型與所述第一基片的導電類型相反，所述第一基片用於形成漂移區，所述第二基片用於形成緩衝層，所述第三基片用於形成集電區； 532:將所述第二基片與所述第三基片鍵合，在所述第二基片與所述第三基片之間形成第二低壽命高複合層，所述第二低壽命高複合層內具有複合中心； 533:將所述第二基片與所述第一基片鍵合，在所述第二基片與所述第一基片之間形成第一低壽命高複合層，所述第一低壽命高複合層內具有複合中心，能夠降低載流子的壽命; S34:在所述第一基片的正面形成阱區，在所述阱區內形成發射區，所述阱區的導電類型與所述第一基片的導電類型相反，所述發射區為重摻雜，其導電類型與所述第一基片的導電類型相同； 在所述第一基片之上依次形成柵介質層、柵極和發射極； 在所述第三基片之下形成集電極。
16.如權利要求15所述的實現局域壽命控制的IGBT的製造方法，其特徵在於，在所述步驟S32與步驟S33之間還具有以下步驟:減薄所述第二基片。
17.如權利要求16所述的實現局域壽命控制的IGBT的製造方法，其特徵在於，所述第二基片減薄後的厚度為5um-50um。
18.如權利要求16所述的實現局域壽命控制的IGBT的製造方法，其特徵在於，所述第一基片、第二基片和第三基片均為單晶矽，所述第一基片的晶向為110晶向，所述第二基片的晶向為100晶向，所述第二基片的晶向為110晶向。
19.如權利要求15所述的實現局域壽命控制的IGBT的製造方法，其特徵在於，在形成所述第一低壽命高複合層時，鍵合時退火的溫度範圍為400°C -1300°C，鍵合時施加在第一基片和第二基片上的壓力範圍為15N-30N。
20.如權利要求15所述的實現局域壽命控制的IGBT的製造方法，其特徵在於，在形成所述第二低壽命高複合層時，鍵合時退火的溫度範圍為400°C -1300°C，鍵合時施加在第二基片和第三基片上的壓力範圍為15N-30N。
21.如權利要求15所述的實現局域壽命控制的IGBT的製造方法，其特徵在於，所述第一低壽命高複合層的厚度為0.03um-0.5um，其內部過剩載流子的壽命為5ns-40ns ;所述第二低壽命高複合層的厚度為0.03um-0.5um，其內部過剩載流`子的壽命為5ns-40ns。
【文檔編號】H01L29/06GK103633129SQ201210307678
【公開日】2014年3月12日 申請日期:2012年8月27日 優先權日:2012年8月27日
【發明者】吳海平, 秦博, 肖秀光 申請人:比亞迪股份有限公司