CN102945858A - 具有场截止缓冲层的igbt器件及制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种场截止缓冲层,形成在IGBT器件中,包括:N型衬底;以及P型埋层,形成在N型衬底中。本发明还提供一种具有场截止缓冲层的IGBT器件,包括:场截止缓冲层,场截止缓冲层包括N型衬底和形成在N型衬底中的P型埋层;N-外延层,形成在N型衬底表面上;IGBT正面结构,形成在N-外延层表面上;阳极空穴发射区,形成在远离N-外延层的N型衬底的背面上;以及背面阳极集电极,形成在阳极空穴发射区上。本发明又提出一种具有场截止缓冲层的IGBT器件的制造方法,通过增加场截止缓冲层厚度以及调整P型埋层与N型衬底之间的浓度和厚度,以提高IGBT器件的电流密度,降低导通损耗。
Description
技术领域
本发明属于功率半导体器件技术领域,尤其涉及一种具有场截止缓冲层的IGBT器件及制造方法。
背景技术
绝缘栅双极型晶体管(IGBT)是一种常用的通过电压控制的功率开关器件,具有输入电容大、输入阻抗高、驱动电流小、速度快、耐压高、热稳定性强、工作温度高、控制电路简单等特点,现阶段已经成为电力电子装置的主流器件。
IGBT器件从20世纪80年代发明至今,经历了PT(穿通)型,具有N+缓冲层的PT(穿通)型,以及NPT(非穿通)型等场截止(FS)型IGBT等一系列的演变,IGBT芯片的厚度也从初期的300um减小至现在的70um左右,芯片加工工艺,尤其薄片加工工艺要求越来越高。
IGBT器件作为现代电力电子装置的主流器件,在开关电源、整流器、逆变器、UPS(不断电***)以及感应加热等领域有着广泛的应用。早期的IGBT器件在器件关断时存在拖尾电流引起的关断时间较长、工作频率无法进一步提升的问题。后续经不断的努力,发展出了最新的场截止(FS)型IGBT,以现有600V场截止型IGBT器件为例,其制造方法为:提供一N-外延层,在所述N-外延层的表面上形成IGBT正面结构,减薄所述N-外延层至60-70um后,向远离IGBT正面结构的所述N-外延层的背面上注入N型杂质,形成场截止N型缓冲层,在所述场截止N型缓冲层上形成阳极空穴发射区,在所述阳极空穴发射区上形成背面阳极集电极。因此,现有600V场截止型IGBT器件的典型厚度在60-80um之间,尤其所述N-外延层的厚度为60-70um,减薄后的所述N-外延层在后续加工工艺中,容易损坏,增加了后续工艺加工难度。虽然这种场截止型IGBT基本解决了IGBT器件存在的关断时间过长的问题,其关断时间及关断损耗已经小于其导通损耗。但是,在整个IGBT器件应用过程中,由于所述场截止N型缓冲层的厚度却在2-10um之间,其导通损耗占了较大的比重的问题却变的日益突出,不可再被忽略。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有场截止缓冲层的IGBT器件及制造方法,以提高IGBT器件的电流密度,降低导通损耗。
为了解决上述问题,本发明提供一种场截止缓冲层,形成在IGBT器件中,包括:N型衬底;以及P型埋层,形成在所述N型衬底中。
优选的,所述N型衬底为直拉单晶法的N型<100>衬底。
优选的,所述P型埋层掺杂的浓度与N型衬底掺杂的浓度在同一数量级。
优选的,所述N型衬底的厚度为15-40um,电阻率为1.0-10.0Ω·cm。
优选的,所述P型埋层的厚度为5-20um,电阻率为1.0-10.0Ω·cm,且距离所述N型衬底的上边界的间距大于2um。
根据本发明的另一方面,提供一种具有场截止缓冲层的IGBT器件,包括:
场截止缓冲层,所述场截止缓冲层包括N型衬底和形成在所述N型衬底中的P型埋层;
N-外延层,形成在所述N型衬底表面上;
IGBT正面结构,形成在所述N-外延层表面上;
阳极空穴发射区,形成在远离所述N-外延层的N型衬底的背面上;以及
背面阳极集电极,形成在所述阳极空穴发射区上。
优选的,所述N型衬底为直拉单晶法的N型<100>衬底。
优选的,所述P型埋层掺杂的浓度与N型衬底掺杂的浓度在同一数量级。
优选的,所述N型衬底的厚度为15-40um,电阻率为1.0-10.0Ω·cm。
优选的,所述P型埋层的厚度为5-20um,电阻率为1.0-10.0Ω·cm,且距离所述N型衬底的上边界的间距大于2um。
优选的,所述N-外延层的电阻率为20.0-60.0Ω·cm,厚度为30.0-100.0um。
根据本发明的又一方面,提供一种具有场截止缓冲层的IGBT器件的制造方法,包括:
提供一N型衬底,在所述N型衬底中形成P型埋层后,形成一场截止缓冲层;
在所述场截止缓冲层上生长N-外延层;
在所述N-外延层上形成一IGBT正面结构;
减薄所述N型衬底,在远离所述N-外延层的N型衬底的背面上进行P型杂质注入后,采用第一退火工艺,形成阳极空穴发射层;
在所述阳极空穴发射层上淀积金属层,形成背面阳极集电极。
优选的,所述N型衬底为直拉单晶法的N型<100>衬底。
进一步的,在所述N型衬底中形成P型埋层的步骤包括:
在所述N型衬底上形成一埋层氧化层;
在所述埋层氧化层中形成一光阻层;
采用光刻工艺,在所述光阻层中形成埋层窗口;
向所述埋层窗口进行P型离子注入后,采用第二退火工艺,形成P型埋层,去除埋层氧化层和光阻层。
进一步的,所述P型离子为硼,注入能量为60-2000KeV,注入剂量为1E12-5E15。
进一步的,所述第二退火工艺的条件为:退火温度为1100-1250℃,退火时间为1-5小时。
优选的,所述P型埋层的电阻率为1.0-10.0Ω·cm,厚度为5-20um,且距离所述N型衬底的上边界的间距大于5um。
优选的,所述N-外延层的电阻率为20.0-60.0Ω·cm,厚度为30.0-100.0um。
优选的,减薄后的所述N型衬底的厚度为15-40um。
优选的,所述P型杂质为硼,注入能量为60-120KeV,注入剂量为5E13-2E15。
优选的,所述第一退火工艺的条件为:退火温度为500℃,退火氛围为氮气,退火时间为0.5-2小时。
由上述技术方案可见,本发明在提供的N型衬底中形成P型埋层后,由所述N型衬底和P型埋层形成了场截止缓冲层,在所述场截止缓冲层上生长N-外延层,在所述N-外延层上形成了IGBT正面结构,再减薄所述N型衬底,在远离所述N-外延层的N型衬底的表面上进行P型杂质注入后,采用第一退火工艺形成阳极空穴发射层,以及在所述阳极空穴发射层上淀积金属层形成背面阳极集电极。因此,本发明具有以下有益效果:
1.提供的N型衬底较厚,在较厚的N型衬底中形成P型埋层后,形成的场截止缓冲层可以具有比传统的场截止型IGBT器件更厚的场截止区域,因此在得到同样性能的条件下,使得IGBT芯片厚度增加,可降低由于现有IGBT器件中减薄N-外延层后导致的加工工艺要求,可用常规工艺来实现N型衬底的加工,提高工艺可实施性。
2.本发明中的场截止缓冲层中的内嵌P型埋层与N型衬底之间形成的自建电场能够减缓集电极注入过来的空穴的漂移,在P型埋层附近形成空穴的积累,提高器件导通时IGBT器件阳极区域的空穴少子浓度,从而提高电流密度,降低IGBT器件的饱和压降,减少IGBT器件导通损耗,进而改善IGBT器件的导通特性。
3.本发明在较厚的N型衬底中形成P型埋层后,预留出较大的N型衬底,不仅增加了场截止缓冲层的厚度,且仍预留出较大的场截止缓冲层,保持了传统的场截止型IGBT器件的拖尾小,关断时间短的优点,并进一步地减少了IGBT器件导通时的上升时间和关断损耗。
附图说明
图1为本发明具有场截止缓冲层的IGBT器件的制造方法流程;
图2至图7为本发明具有场截止缓冲层的IGBT器件的制造方法;
图8为本发明IGBT器件与传统场截至型IGBT器件输出特性对照图;
图9为本发明IGBT器件与传统场截至型IGBT器件导通特性对照图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂,下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施,本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广,因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。
参见图7,本发明提供一种场截止缓冲层,形成在IGBT器件中,包括:N型衬底100;以及P型埋层108,形成在所述N型衬底100中。
参见图7,本发明还提供一种具有场截止缓冲层的IGBT器件,包括:场截止缓冲层,所述场截止缓冲层包括N型衬底100和形成在所述N型衬底100中的P型埋层108;N-外延层112,形成在所述N型衬底100表面上;IGBT正面结构128,形成在所述N-外延层112表面上;阳极空穴发射区130,形成在远离所述N-外延层112的N型衬底100的背面上;以及背面阳极集电极132,形成在所述阳极空穴发射区130上。
参见图1,结合图2至图7,本发明提供一种具有场截止缓冲层的IGBT器件的制造方法,包括:
S1:提供一N型衬底,在所述N型衬底中形成P型埋层后,形成一场截止缓冲层。
参见图2,提供一N型衬底100,所述N型衬底100为直拉单晶法的N型<100>衬底,所述N型衬底100的电阻率为1.0-10.0Ω·cm。
在所述N型衬底100上形成一厚度为0.2-0.6um的埋层氧化层102;在所述埋层氧化层102上形成一光阻层104,采用光刻工艺去除部分所述光阻层104,在去除部分所述光阻层104的区域形成埋层窗口106,以留下的所述光阻层104为掩膜层,向所述埋层窗口106进行P型离子注入,所述P型离子为硼,注入能量为60-2000KeV,注入剂量为1E12-5E15,其后,在退火温度为1100-1250℃,退火时间为1-5小时的第二退火工艺下,形成P型埋层108,去除所述光阻层104和埋层氧化层102,如图3所示,由所述N型衬底100和P型埋层108形成了场截止缓冲层110。当采用电阻率为5Ω*cm的N型衬底100,在所述N型衬底100的基础上进行注入能量为1200KeV、注入剂量为5E12的硼离子注入,并在退火温度为1250℃、退火时间为4小时的条件下,可以得到厚度大于10um的P型埋层108,且所述P型埋层108的掺杂浓度与所述N型衬底100接近,以此类推,通过不同的工艺条件的组合,可获得不同的所述P型埋层108及N型衬底100浓度及厚度匹配关系,以便适应不同的产品需求。
所述P型埋层108掺杂的浓度与N型衬底100掺杂的浓度在同一数量级,所以所述P型埋层108的电阻率也为1.0-10.0Ω·cm,厚度为5-20um,且距离所述N型衬底100的上边界的间距D大于2um。
S2:在所述场截止缓冲层上生长N-外延层。
参见图4,在所述场截止缓冲层110上生长N-外延层112,作为IGBT器件的元胞主要形成区域。所述N-外延层112的电阻率为20.0-60.0Ω·cm,厚度为30.0-100.0um。
在步骤S1之后、步骤S2之前,还可用1∶10-1∶20的HF酸进行清洗。
S3:在所述N-外延层上形成一IGBT正面结构。
参见图5,在所述N-外延层112上,通过形成IGBT分压环(图中未示)、P阱114、P+区域116、N+发射区118、隔离氧化层120、多晶硅栅122、介质层123(Boro-phospho-silicate-glass,BPSG)、金属引线孔124和正面金属发射极126及钝化保护层和压点窗口,形成业界熟知的IGBT正面结构128。
S4:减薄所述N型衬底,在远离所述N-外延层的N型衬底的背面上进行P型杂质注入后,采用第一退火工艺,形成阳极空穴发射层。
参见图6,对形成有IGBT器件正面结构128的所述N型衬底100进行减薄至所需厚度,减薄后的所述N型衬底的厚度为15-40um,以600V IGBT器件为例,IGBT硅片厚度可减薄至100-110um之间。
然后在远离所述N-外延层的N型衬底的背面上进行P型杂质注入,注入离子为硼,注入能量为60-120KeV,注入剂量在5E13~2E15之间,再在退火温度为500℃,退火氛围为氮气(N2),退火时间为0.5-2小时的第一退火工艺下,形成阳极空穴发射区130。
S5:在所述阳极空穴发射层上淀积金属层,形成背面阳极集电极。
参见图7,在所述阳极空穴发射区130上淀积金属层,所述金属层可采用在本领域已公开或已知的任意结构,形成背面阳极集电极132。
因此,本发明提供的N型衬底较厚,在较厚的N型衬底中形成P型埋层后,形成的场截止缓冲层可以具有比传统的场截止型IGBT器件更厚的场截止区域,通过对场截止缓冲层中的N型衬底、P型埋层及N-外延层的电阻率及厚度的匹配,可在得到同样性能的条件下,使得IGBT芯片厚度增加,从而降低了现有的IGBT器件中减薄N-外延层后导致的加工工艺要求,可用常规工艺来实现N型衬底的加工,提高工艺可实施性。
此外,参见图8,横坐标为背面阳极集电极132电压,纵坐标为电流密度,所述自建电场能够减缓背面阳极集电极132注入过来的空穴的漂移,在阳极空穴发射区130附近形成空穴的积累,提高器件导通时IGBT器件阳极区域的空穴少子浓度,从而提高电流密度,在电流密度一定时,降低IGBT器件的饱和压降,背面阳极集电极132输出电压小,减少IGBT器件导通损耗,进而改善IGBT器件的导通特性。
另外,参见图9,横坐标为IGBT器件关断时间(纳秒级别),纵坐标为电流密度,所述N-外延层的厚度保持不变,却增加了N型衬底的厚度,其600VIGBT器件的厚度可达100-110um左右,且在较厚的N型衬底中形成P型埋层后,仍预留出较大的N型衬底,因此,不仅增加了场截止缓冲层的厚度,且仍预留出较大的场截止缓冲层,保持了传统的场截止型IGBT器件的拖尾小,关断时间短的优点,并进一步地减少了IGBT器件导通时的上升时间和关断损耗。
本发明虽然以较佳实施例公开如上,但其并不是用来限定权利要求,任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内,都可以做出可能的变动和修改,因此本发明的保护范围应当以本发明权利要求所界定的范围为准。
Claims (21)
1.一种场截止缓冲层,形成在IGBT器件中,包括:
N型衬底;以及
P型埋层,形成在所述N型衬底中。
2.如权利要求1所述的场截止缓冲层,其特征在于,所述N型衬底为直拉单晶法的N型<100>衬底。
3.如权利要求1所述的场截止缓冲层,其特征在于,所述P型埋层掺杂的浓度与N型衬底掺杂的浓度在同一数量级。
4.如权利要求1所述的场截止缓冲层,其特征在于,所述N型衬底的厚度为15-40um,电阻率为1.0-10.0Ω·cm。
5.如权利要求1所述的场截止缓冲层,其特征在于,所述P型埋层的厚度为5-20um,电阻率为1.0-10.0Ω·cm,且距离所述N型衬底的上边界的间距大于2um。
6.一种场截止缓冲层的IGBT器件,包括:
场截止缓冲层,所述场截止缓冲层包括N型衬底和形成在所述N型衬底中的P型埋层;
N-外延层,形成在所述N型衬底表面上;
IGBT正面结构,形成在所述N-外延层表面上;
阳极空穴发射区,形成在远离所述N-外延层的N型衬底的背面上;以及
背面阳极集电极,形成在所述阳极空穴发射区上。
7.如权利要求6所述的具有场截止缓冲层的IGBT器件,其特征在于,所述N型衬底为直拉单晶法的N型<100>衬底。
8.如权利要求6所述的具有场截止缓冲层的IGBT器件,其特征在于,所述P型埋层掺杂的浓度与N型衬底掺杂的浓度在同一数量级。
9.如权利要求6所述的具有场截止缓冲层的IGBT器件,其特征在于,所述N型衬底的厚度为15-40um,电阻率为1.0-10.0Ω·cm。
10.如权利要求6所述的具有场截止缓冲层的IGBT器件,其特征在于,所述P型埋层的厚度为5-20um,电阻率为1.0-10.0Ω·cm,且距离所述N型衬底的上边界的间距大于2um。
11.如权利要求6所述的具有场截止缓冲层的IGBT器件,其特征在于,所述N-外延层的电阻率为20.0-60.0Ω·cm,厚度为30.0-100.0um。
12.一种具有场截止缓冲层的IGBT器件的制造方法,包括:
提供一N型衬底,在所述N型衬底中形成P型埋层后,形成一场截止缓冲层;
在所述场截止缓冲层上生长N-外延层;
在所述N-外延层上形成一IGBT正面结构;
减薄所述N型衬底,在远离所述N-外延层的N型衬底的背面上进行P型杂质注入后,采用第一退火工艺,形成阳极空穴发射层;
在所述阳极空穴发射层上淀积金属层,形成背面阳极集电极。
13.如权利要求8所述的制造方法,其特征在于,所述N型衬底为直拉单晶法的N型<100>衬底。
14.如权利要求8所述的制造方法,其特征在于,在所述N型衬底中形成P型埋层的步骤包括:
在所述N型衬底上形成一埋层氧化层;
在所述埋层氧化层中形成一光阻层;
采用光刻工艺,在所述光阻层中形成埋层窗口;
向所述埋层窗口进行P型离子注入后,采用第二退火工艺,形成P型埋层,去除埋层氧化层和光阻层。
15.如权利要求14所述的制造方法,其特征在于,所述P型离子为硼,注入能量为60-2000KeV,注入剂量为1E12-5E15。
16.如权利要求14所述的制造方法,其特征在于,所述第二退火工艺的条件为:退火温度为1100-1250℃,退火时间为1-5小时。
17.如权利要求12所述的制造方法,其特征在于,所述P型埋层的电阻率为1.0-10.0Ω·cm,厚度为5-20um,且距离所述N型衬底的上边界的间距大于5um。
18.如权利要求12所述的制造方法,其特征在于,所述N-外延层的电阻率为20.0-60.0Ω·cm,厚度为30.0-100.0um。
19.如权利要求12所述的制造方法,其特征在于,减薄后的所述N型衬底的厚度为15-40um。
20.如权利要求12所述的制造方法,其特征在于,所述P型杂质为硼,注入能量为60-120KeV,注入剂量为5E13-2E15。
21.如权利要求12所述的制造方法,其特征在于,所述第一退火工艺的条件为:退火温度为500℃,退火氛围为氮气,退火时间为0.5-2小时。
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