CN102386220A - 一种具有背注增强结构的igbt及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种具有背注增强结构的IGBT，属于晶体管结构领域。该发明将传统IGBT均匀的P+型集电极区改为N-型漂移区与P+型集电极区相接触的面为凸凹结构，相应的P+型集电极区、集电极也为凸凹结构。另外，本发明还提供了一种具有背注增强结构的IGBT的制造方法。本发明中IGBT的N-型漂移区与P+型集电极区相接触的面为凸凹结构，相应的P+型集电极区、集电极也为凸凹结构。增大了集电极区PN结的面积，达到了减小IGBT正向导通压降的目的。

Description

一种具有背注增强结构的IGBT及其制造方法

技术领域

本发明属于晶体管结构领域，尤其涉及一种具有背注增强结构的IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)。 

背景技术

IGBT是重要的大功率开关器件，其正向导通压降是IGBT最重要的性能参数之一。与所有的功率开关器件一样，IGBT通态下的电压-电流特性决定着其通态功耗，对于确定电流处理能力及其重要。 

IGBT器件的结构来源于VDMOS(垂直双扩散金属-氧化物半导体场效应晶体管)，IGBT器件用P+衬底取代了VDMOS中的N+材料，但其元胞结构仍十分相似。一个NPT-IGBT(非穿通型IGBT)元胞的剖面如图1所示。IGBT元胞区的表面部分包括：与发射极E连接的N+型发射极区101、与发射极E连接的P+型体接触区105，以及围绕P+型体接触区105和发射极E的P型体区102；P+型体接触区105和P型体区102可合称为体区。在P型体区102下方形成N-型漂移区107，在N-型漂移区107的下方形成P+型集电极区106。P+型集电极区106与集电极C连接。栅极G控制集电极C和发射极E之间电流的连通或关断，栅极G与N-型漂移区107、P型体区102、N+型发射极区101之间隔着栅氧化层104。栅极G上覆盖绝缘层103。图1中：P+型集电极区106与N-型漂移区107之间的PN结为第一PN结，P+型体接触区105与N-型漂移区107之间的衬底结为第二PN结。 

对于接通状态下IGBT元胞区的操作进行说明。当发射极E接地时，对集电极C、栅极G施加正电压。从而在P型体区102中通过栅氧化层104面对栅极G的部分反转成N型。因此，电子载流子通过已反转为N型的沟道从N+型 发射极区101向N-型漂移区107注入，并聚集在N-型漂移区107中。当电子载流子在N-型漂移区107中聚集时，N-型漂移区107与P+型集电极区106的接触电势差降低，从而空穴载流子从P+型集电极区106注入到N-型漂移区107。通过这种方式，N-型漂移区107发生电导调制，从而电阻降低。从P+型集电极区106注入的空穴载流子与电子复合而消失，或通过P型体区102和P+型体接触区105释放到发射极E。 

这种结构的IGBT具有均匀的P+型集电极区，集电极区面积与芯片面积相等，造成正向导通压降较高。与所有功率开关器件一样，IGBT通态下的电压-电流特性决定着其通态功耗，对于确立电流处理能力是非常重要的。正向导通压降高会导致IGBT使用中具有更高的通态功耗。 

发明内容

本发明为解决现有IGBT正向导通压降较高的技术问题，提供一种正向导通压降低、具有背注增强结构的IGBT及其制造方法。 

一种具有背部增强结构的IGBT，包括：集电极、P+型集电极区、N-型漂移区、第一体区、第二体区、第一N+型发射极区、第二N+型发射极区、栅氧化层、栅极、绝缘层、发射极； 

器件从底层往上依次为集电极、P+型集电极区、N-型漂移区；所述N-型漂移区上部依次为第一体区、第二体区，第一体区与第二体区被N-型漂移区突出的部分隔离开；第一N+型发射极区与第一体区较薄部分相连、第二N+型发射极区与第二体区较薄部分相连；栅氧化层与N-型漂移区突出的部分、第一体区较薄部分、第二体区较薄部分、第一N+型发射极区、第二N+型发射极区相连；栅极与栅氧化层相连；绝缘层位于栅极与发射极之间；发射极分别与第一体区、绝缘层、第二体区相连； 

所述N-型漂移区与P+型集电极区相接触的面设有凸凹结构，相应的P+型集电极区、集电极也为凸凹结构。 

另外，本发明还提供了一种具有背注增强结构的IGBT的制造方法，包括如下步骤： 

利用干法氧化在N-型漂移区上生长形成栅氧化层；在栅氧化层上垫积多晶硅并对多晶硅进行刻蚀形成栅极；利用多晶硅栅的自对准作用进行P型体区的离子注入；并通过掩膜版形成P+型体接触区的离子注入；利用N+掩膜版离子注入形成N+型发射极区；在栅极上垫积绝缘层；在绝缘层及P+型体接触区上垫积金属形成发射极； 

将N-型漂移区刻蚀成凸凹结构；对N-型漂移区的凸凹面进行离子注入，形成具有凸凹结构的P+型集电极区；对P+型集电极区进行金属化，形成集电极。 

本发明中IGBT的N-型漂移区与P+型集电极区相接触的面为凸凹结构，相应的P+型集电极区、集电极也为凸凹结构。增大了集电极区PN结的面积，达到了减小IGBT正向导通压降的目的。 

附图说明

图1是现有技术提供的NPT-IGBT元胞的剖面示意图； 

图2是本发明实施例提供的分析IGBT通态特性的简化等效电阻示意图； 

图3是本发明实施例1提供的具有背注增强结构的IGBT剖面示意图； 

图4是本发明实施例提供的具有背注增强结构的IGBT正面结构示意图； 

图5是本发明实施例提供的具有背注增强结构的IGBT背面刻蚀后示意图； 

图6是本发明实施例提供的具有背注增强结构的IGBT背面离子注入示意图； 

图7是本发明实施例提供的具有背注增强结构的IGBT背面形成凸凹状P+型集电极区示意图； 

图8是本发明实施例提供的具有背注增强结构沟槽栅IGBT示意图； 

图9是本发明实施例2提供的具有背注增强结构IGBT示意图。 

具体实施方式

为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。 

IGBT中的电导调制效应是P+NP双极型晶体管在大注入条件下工作时所出现的基区电导率增高的一种现象，又称为基区电导调制效应。对P+NP晶体管，当发射结电压较大、往基区大量地注入少数载流子——空穴时，相应地基区中也有大量的多数载流子——电子的积累，并维持与空穴有相同的浓度梯度。这就相当于增加了基区的掺杂浓度，使得基区的电阻率下降；注入越大，降低的越多。 

IGBT总导通压降可以等效成沟道压降V_ch、漂移区压降V_D、与二极管正向压降V_j之和，如图2所示。其中漂移区压降V_D的大小主要取决于IGBT背面P+NP双极型晶体管的发射极空穴注入情况，即电导调制效应的强弱。 

本发明主要通过改变IGBT背面形貌来降低IGBT的正向导通压降。如图3所示，为本发明实施例1提供的具有背注增强结构的非穿通型IGBT剖面示意图；包括：集电极C、P+型集电极区301、N-型漂移区302、第一体区303、第二体区304、第一N+型发射极区305、第二N+型发射极区306、栅氧化层307、栅极G、绝缘层308、发射极E。 

IGBT器件从底层往上依次为集电极C、P+型集电极区301、N-型漂移区302；所述N-型漂移区302上部依次为第一体区303、第二体区304，第一体区303与第二体区304被N-型漂移区302突出的部分隔离开；第一N+型发射极区305与第一体区303较薄部分相连、第二N+型发射极区306与第二体区304较薄部分相连；栅氧化层307与N-型漂移区302突出的部分、第一体区303较薄部分、第二体区304较薄部分、第一N+型发射极区305、第二N+型发射极区306相连；栅极G与栅氧化层307相连；绝缘层38位于栅极G与发射极E之间；发射极E分别与第一体区303、绝缘层308、第二体区304相连。 

所述N-型漂移区302与P+型集电极区301相接触的面设有凸凹结构，相应的P+型集电极区301、集电极C也为凸凹结构。 

所述凸凹结构的形状为梯形，另外，如图9所示，凸凹结构也可为扇形，另外凸凹结构还可以为矩形；只要能增大集电极区PN结的面积，且工艺上比较容易实现即可。 

根据区域厚度的不同，所述第一体区303可分为：第一P型体区、第一P+型体接触区，所述第一P型体区比第一P+型体接触区厚度小；所述第二体区304可分为：第二P型体区、第二P+型体接触区，所述第二P型体区比第二P+型体接触区厚度小。 

传统IGBT结构的背部P+型集电极区分布均匀，集电极区面积与芯片面积相等。本发明将IGBT结构的P+集电极区形成凹凸状结构，增大了集电极区PN结面积。在IGBT导通时，由背面二极管PN结注入N-型漂移区的空穴增多，电导调制效应增强，基区电阻率降低，从而减少了漂移区压降V_D，实现了降低IGBT正向导通压降的目的。另外，由于背面半导体凹凸状形貌，使金属与半导体的接触面积变大，降低了IGBT中P+型集电极区109与集电极之间的欧姆接触电阻，同样实现了降低IGBT正向导通压降的目的。 

本发明还提供了一种具有背注增强结构的IGBT的制造方法，包括如下步骤： 

a、利用干法氧化在N-型漂移区上生长形成栅氧化层；在栅氧化层上垫积多晶硅并对多晶硅进行刻蚀形成栅极；利用多晶硅栅的自对准作用进行P型体区的离子注入；并通过掩膜版形成P+型体接触区的离子注入；利用N+掩膜版离子注入形成N+型发射极区；在栅极上垫积绝缘层；在绝缘层及P+型体接触区上垫积金属形成发射极； 

b、将N-型漂移区刻蚀成凸凹结构；对N-型漂移区的凸凹面进行离子注入，形成具有凸凹结构的P+型集电极区；对P+型集电极区进行金属化，形成集电极。 

为了更加详细了解该发明中的一种具有背注增强结构的IGBT的制造方法， 结合附图对方法步骤进行具体描述。 

在IGBT的制作过程中，如图4所示，先利用干法氧化在N-型漂移区408上生长形成栅氧化层405；在栅氧化层504上垫积多晶硅并对多晶硅形成栅极G；利用多晶硅栅的自对准作用进行离子注入形成P型体区402，并通过掩膜版形成P+型体接触区406的离子注入；利用N+掩膜版离子注入形成N+型发射极区401；垫积绝缘层403；垫积金属形成发射极E；IGBT正面结构的工艺就完成了。 

背面工艺开始时，通过光阻掩膜板和刻蚀等传统工艺对N-型漂移区进行刻蚀，得到如图5所示的背面结构。刻蚀完成后去除光刻胶和掩蔽层进行背面离子注入，如图6所示。退火后形成具有凸凹结构的P+型集电极区，如图7所示结构。这种结构使得背面PN结具有比传统工艺更大的结面积，在导通时空穴注入更多，电导调制效应更强，IGBT具有更低的正向导通压降。背面金属化完成后，最终形成如图3所示结构的IGBT。 

图8为具有背注增强结构的沟槽栅IGBT示意图。正向结构不变，特点在于具有凸凹结构的N-型漂移区801、P+型集电极区802和集电极G。在沟槽栅IGBT导通时，由背面二极管PN结注入N-型漂移区801的空穴增多，电导调制效应增强，基区电阻率降低，从而减少了漂移区压降，实现了降低沟槽栅IGBT正向导通压降的目的。另外，由于背面半导体凹凸状形貌，使金属与半导体的接触面积变大，降低了沟槽栅IGBT中P+型集电极区802与集电极G之间的欧姆接触电阻，同样实现了降低沟槽栅IGBT正向导通压降的目的。 

本发明中IGBT的N-型漂移区与P+型集电极区相接触的面为凸凹结构，相应的P+型集电极区、集电极也为凸凹结构。增大了集电极区PN结的面积，达到了减小IGBT正向导通压降的目的。 

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。 

Claims (6)

1.一种具有背注增强结构的IGBT，包括：集电极、P+型集电极区、N-型漂移区、第一体区、第二体区、第一N+型发射极区、第二N+型发射极区、栅氧化层、栅极、绝缘层、发射极；

器件从底层往上依次为集电极、P+型集电极区、N-型漂移区；所述N-型漂移区上部依次为第一体区、第二体区，第一体区与第二体区被N-型漂移区突出的部分隔离开；第一N+型发射极区与第一体区较薄部分相连、第二N+型发射极区与第二体区较薄部分相连；栅氧化层与N-型漂移区突出的部分、第一体区较薄部分、第二体区较薄部分、第一N+型发射极区、第二N+型发射极区相连；栅极与栅氧化层相连；绝缘层位于栅极与发射极之间；发射极分别与第一体区、绝缘层、第二体区相连；

其特征在于：N-型漂移区与P+型集电极区相接触的面设有凸凹结构，相应的P+型集电极区、集电极也为凸凹结构。

2.如权利要求1所述的具有背注增强结构的IGBT，其特征在于：所述凸凹结构的形状为梯形、扇形或矩形。

3.如权利要求1所述的具有背注增强结构的IGBT，其特征在于：所述第一体区包括：第一P型体区、第一P+型体接触区，所述第一P型体区比第一P+型体接触区厚度小；所述第二体区包括：第二P型体区、第二P+型体接触区，所述第二P型体区比第二P+型体接触区厚度小。

4.一种具有背注增强结构的IGBT的制造方法，其特征在于，包括如下步骤：

a、利用干法氧化在N-型漂移区上生长形成栅氧化层；在栅氧化层上垫积多晶硅并对多晶硅进行刻蚀形成栅极；利用多晶硅栅的自对准作用进行P型体区的离子注入；并通过掩膜版形成P+型体接触区的离子注入；利用N+掩膜版离子注入形成N+型发射极区；在栅极上垫积绝缘层；在绝缘层及P+型体接触区上垫积金属形成发射极；

b、将N-型漂移区刻蚀成凸凹结构；对N-型漂移区的凸凹面进行离子注入，形成具有凸凹结构的P+型集电极区；对P+型集电极区进行金属化，形成集电极。

5.如权利要求4所述的具有背注增强结构的IGBT的制造方法，其特征在于：所述IGBT为非穿通型绝缘栅双极型晶体管。

6.如权利要求4所述的具有背注增强结构的IGBT的制造方法，其特征在于：所述IGBT为沟槽栅绝缘栅双极型晶体管。

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