TWM547186U - 具有降低翹曲風險的反向導通閘控雙極導通裝置 - Google Patents

Description

具有降低翹曲風險的反向導通閘控雙極導通裝置

本創作關於使用具有背面注入少數載子之雙極導通的功率裝置，更具體地關於包括反向導通二極體的絕緣閘極雙極電晶體(「RC-IGBT」)。

注意，下面討論的點可能反映從所揭露之申請書獲得的後見，且不一定被承認為先前技術。

絕緣閘極雙極電晶體(IGBT)是主要用作電子開關的三端功率半導體裝置。雙極電晶體動作係由MOS控制閘極初始。(在概念上，IGBT可被認為是合併裝置，其中場效控制電晶體控制對垂直雙極電晶體的基極驅動。)IGBT結合功率場效應電晶體與功率雙極電晶體的許多優點。IGBT係用以在許多現代設備中切換電力：變頻驅動器(VFD)、電動車、火車、變速冰箱、燈鎮流器、空調、甚至具有切換放大器的立體聲系統。使用IGBT的放大器可使用脈衝寬度調變和低通濾波器合成複雜波形。

目前，IGBT的現有技術是利用所謂的場截止(「FS」)、或光穿通(「LPT」)、或軟穿通(「SPT」)技術來最佳化n型緩衝層以防止在P型集極(陽極)區附近的高電場。這些技術分別在以下出版物中描述，所有這些文獻藉由引用併入本文：T.Laska等人的「Short Circuit Properties of Trench/Field Stop IGBTs Design Aspects for a Superior Robustness」，Proc.ISPSD 2002；H.K.Nakamura等人的「Advanced Wide Cell Pitch IGBT Having Light Punch Through(LPT) Structures」，Proc.ISPSD 2002；M.Rahimo等人的「Extending the Boundary Limits of High Voltage IGBTs and Diodes to above 8KV」，Proc.ISPSD 2002。

與極薄(「透明」)P+集極結合之具有n型緩衝層之精確設計的IGBT在裝置擊穿電壓、導通損耗、和切換損耗方面具有非常有希望的權衡特性。此先進IGBT的單元胞元結構在圖2A和圖2B中顯示。

圖2A顯示沒有反向導通能力的傳統場截止IGBT(FS-IGBT)(因為此裝置不包括體二極體)。圖2B顯示具有反向導通(「RC」)能力之修改的傳統結構。這是具有「短路陽極」結構的傳統場截止RC-IGBT，用於當裝置處於飛輪操作時產生通過體二極體的反向導通之能力。

在這兩種結構中，前表面元件覆蓋n型漂移區200，並包括絕緣溝槽閘極230、淺n++源極區242、p型射極區244、和圍繞射極區244的p型主體區246。在圖2A中，背表面結構僅包括比漂移區200更重摻雜的n型緩衝層210、和薄p+集極區220。集極側金屬化202與集極區220歐姆接觸。

圖2B的裝置具有不同的背表面結構。這裡，集極區220不覆蓋整個背表面。相反，在一些位置處，n+二極體接觸區212位於緩衝層210下方。

為了最佳化這些結構以獲得最佳效能，N-緩衝層和P+陽極的深度(或厚度)是非常關鍵的。N-緩衝的深度通常在幾微米(~2um)的範圍內，且P+陽極的深度小於一微米(~0.5um)。用於形成具有這種小尺寸之這些層的目前製程是將N-晶圓研磨至適當的厚度。例如，對於600V FS-IGBT，晶圓厚度約為70um，而對於1200V FS-IGBT，晶圓厚度約為110um。

然後，通過使用或不使用遮罩從晶圓背面注入n型摻雜劑(例如磷)和p型摻雜劑(例如硼)來完成N-緩衝和P+陽極的結構。這些摻雜劑的啟動 藉由雷射退火或爐退火來進行。然而，這些退火程序的熱預算對於以最小偏差實現良好效能是非常關鍵的，且必須精確控制以便在退火程序期間最小化摻雜劑重新分佈和層深度的變化。

然而，在薄晶圓上執行這些程序步驟從製造的觀點來看是非常具有挑戰性的。眾所周知，薄晶圓不太穩定，且在處理期間更易於受到應力、斷裂和翹曲。這些事件不僅會在基板研磨期間發生，而且會在包括注入、退火和蝕刻以及遮罩的後續程序步驟中發生。改進這些問題的當前技術是使用具有特殊晶圓支撐系統和載子的暫時晶圓接合。不幸的是，這些技術增加了製造程序的複雜性並增加了製造成本。

本申請書揭露用以實作具有反向導通(「RC」)能力之IGBT(和類似裝置)的新方法，特別是在薄集極區上使用薄緩衝層的情況下。本創作人已經認知由於提供反向導通二極體的二極體端區(在背面上)不需要具有與集極區(在同一表面上)相同之摻雜劑分佈的精確控制，因此這些區域中的半導體材料之附加厚度可用作機械支撐區域以避免翹曲問題。因此，集極區可被最佳化以使用緩衝和集極區的精確控制以及小的總厚度之半導體材料，而沒有處理非常薄之晶圓的缺點。

揭露實作這些概念的幾種不同方式。

101‧‧‧集極金屬化

101'‧‧‧平面化金屬化層

101”‧‧‧肖特基金屬化

102‧‧‧二極體接觸區

102‧‧‧半導體材料

102‧‧‧n++區

112‧‧‧n型緩衝層

112'‧‧‧緩衝層

114‧‧‧集極層

114'‧‧‧集極

114’‧‧‧層

200‧‧‧n型漂移區

202‧‧‧集極側金屬化

210‧‧‧n型緩衝層

212‧‧‧n+二極體接觸區

220‧‧‧p+集極區

230‧‧‧絕緣溝槽閘極

242‧‧‧n++源極區

244‧‧‧p型射極區

246‧‧‧p型主體區

將參照附圖來說明所揭露的應用，附圖顯示重要的示範具體實施例，並藉由引用併入本說明書中，其中：

〔圖1A~圖1F〕顯示在二極體端區中具有比在集極區中更厚之半導體材料的新的反向導通場截止IGBT之六個實作。

〔圖2A〕顯示沒有反向導通能力的傳統場截止IGBT(FS-IGBT)，圖2B顯示具有反向導通(「RC」)能力的不同傳統結構。

〔圖3~圖5〕顯示可用以製造圖1A-1F之結構的一系列步驟。

〔圖6〕顯示使用肖特基接觸集極的實作。

〔圖7〕顯示在其中一個新裝置之實例中的電流流動之分佈。

〔圖8〕比較新型和傳統場截止RC-IGBT裝置的前向特性。

〔圖9〕比較傳統IGBT、VDMOST、和新裝置的前向導通I-V特性。

〔圖10〕顯示使用雙緩衝層的新IGBT之進一步實作。

〔圖11〕顯示使用具有分段配置之三緩衝層的新IGBT之進一步實作。

〔圖12、圖13〕顯示使用具有P++和N++奈米層的更先進IGBT的進一步實作。

〔圖14、圖15〕顯示使用肖特基接觸集極的進一步實作。

將特別參考當前較佳的具體實施例(藉由舉例而非限制)來說明本申請的許多創新教導。本申請說明若干應用，且下面的陳述一般都不應被視為限制申請專利範圍。

本申請揭露用以實作具有反向導通(「RC」)能力之IGBT(和類似裝置)的新方法，特別是在集極(陽極)區上使用緩衝層的情況下。這些方 法適用於場截止(FS)、或光穿通(LPT)、或軟穿通(SPT)技術，特別是當使用薄(或「透明」)集極層時。

在本申請中，揭露新的製造裝置結構和程序以解決此挑戰。利用新技術，可生產先進的FS-IGBT，而不需要減薄基板和特殊的晶圓支撐系統或雷射退火。另外，裝置結構導致在前向電流電壓降VCEsat和由於RC-IGBT中之「短路陽極」結構引起的「負微分電阻」(NDR)問題之間之折衷的顯著改進。

這些最終裝置結構具有場截止層和留在溝槽底板處的透明P+陽極，其中保留厚N+基板以形成反向導通區或「陽極」層。此外，由於剩餘的N+基板具有正常厚度，所以其自然變為對整個晶圓的機械支撐。此外，剩餘的N+基板還導致最終裝置與薄基板相比具有更高的熱容量。結果，與傳統薄晶圓FS-IGBT相比，由於其較高的熱容量，預期瞬態電熱特性是優越的。

在給定的實例中，這些結構通常具有與圖2A和圖2B之傳統裝置相同的前表面結構。然而，背表面結構是非常不同的。

在圖1B中，二極體接觸區被厚n++二極體接觸區102覆蓋，n++二極體接觸區102是先前基板的殘餘物。集極114和n型緩衝層112被圖案化，以便不覆蓋二極體接觸區。集極金屬化101使歐姆接觸至二極體接觸區102和集極114。

圖1A一般類似於圖1B，除了集極114'在其邊緣處稍微延伸以部分地伸出二極體接觸區。

圖1C一般類似於圖1A，除了集極金屬化101不是連續的。在此實例中，對集極區和二極體接觸區進行單獨的連接。其他元件通常是相同的。

圖1D一般類似於圖1B，除了兩個差異。第一，如圖1C所示，集極金屬化101不是連續的。第二，也許更重要的是，緩衝層112'懸於集極層114之上，並將其與n++區102分離。

圖1E一般類似於圖1A，除了集極金屬化101(其近似共形)已被平面化的金屬化層101'代替。在此實例中，對集極區和二極體接觸區進行單獨的連接。其他元件通常是相同的。與二極體接觸區中的較厚半導體材料102的剛性相結合之平面化金屬化層101'的額外厚度提供了防止翹曲的額外保護。

圖1F一般類似於圖1E，除了與圖1E中的層114'不同之圖1F中的集極層114不突出n++區102。

圖3~-圖5顯示製造圖1A~圖1F之結構的一些步驟。在新程序中，將基板研磨至在完成晶圓前表面程序之後可由標準製造設備處理的正常厚度。例如，晶圓厚度可研磨至200um，如圖3所示。

然後，施用遮罩程序並藉由深溝槽蝕刻程序蝕刻矽。蝕刻程序應切穿N+基板層。應該適當地控制蝕刻的深度以避免移除太多的N-層。這又避免裝置之截止擊穿電壓的退化。這在圖4中示出。

在一實例中，在半導體材料已被研磨至200微米的情況下，背表面溝槽可被蝕刻至130微米深。這在集極存在的區域中留下70微米的厚度。然而，如本領域之通常技藝者將理解的，主動裝置區的厚度將基於額定電壓、漂移層摻雜、和半導體材料的其它特性來調整。

接下來，用不同的能量注入N型摻雜劑(如P或As)和P型摻雜劑(如B)以形成如圖5中給出的淺P+陽極(或集極)和N緩衝層。

隨後，移除遮罩層並進行背面退火。接著是標準背面金屬化以產生圖1A、圖1B、圖1C、圖1D、圖1E、和圖1F所示的各種最終裝置結構之任一者。這些最終裝置結構具有場截止層和位於溝槽底板處之具有厚N+基板剩餘部分的透明P+陽極以形成反向導通區或「陽極短路」層。此外，由於剩餘的N+基板具有正常厚度，所以其自然變為對整個晶圓的機械支撐。此外，剩餘的N+基板還導致最終裝置與薄基板相比具有更高的熱容量。結果，與傳統薄晶圓FSIGBT相比，由於其較高的熱容量，預期瞬態電熱特性是優異的。

圖6一般類似於圖1B，除了集極層114已被肖特基金屬化101”代替，其形成與上覆之半導體材料的肖特基能障接觸。其他元件通常是相同的。

具有平面閘極之新裝置內的前向電流係藉由二維程序和裝置CAD工具來模擬。結果如圖7所示。可以看出，流過厚N++基板的電子電流導通P+集極/N Epi接面。結果，PN接面的部分被前向偏置，且前向導通電流流過P+集極區。

為了比較，在圖8中模擬且給出新IGBT(根據本創作的一個樣本具體實施例)和傳統場截止RC-IGBT兩者的前向IV特性。對於在P+區和N++區之間的給定面積比(45：1)，新結構的電流比傳統RC-IGBT高得多。這是由於厚的N++基板，其在這裡具有~225um的示範厚度。這是比在具有非常淺的N++區(~1um)之傳統場截止RC-IGBT中發現的更高的N++電阻。新裝置中的P+集極/N-Epi接面更容易導通，這導致從P+區注入更高的電洞。此外，藉由P+/N++面積比之適當設計，可在新裝置中完全消除「負微分電阻」(NDR)，如圖8所示。

圖9比較傳統IGBT、VDMOST、和本創作之一樣本具體實施例的前向導通I-V特性。可以看出，與VDMOST相比，新裝置具有高得多的電流能力。 藉由N++基板(P+區域)之移除區域的適當設計，新裝置的前向導通電流可接近沒有反向導通能力的傳統IGBT。

此外，藉由採用本申請的創新技術，可創建許多更先進的背面結構以進一步改善IGBT特性。例如，圖10的樣本具體實施例展示具有雙緩衝層的新IGBT。

圖11顯示根據本創作之具有擁有分段配置之三緩衝層的新IGBT，其被期望產生IGBT之進一步最佳化的特性。

另外，如圖12和圖13的樣本具體實施例中所示，新程序還可用於藉由亞keV注入程序來創建具有P++和N++之奈米層的更高階IGBT。可以看出，這些IGBT結構具有與陽極短路結合在一起的穿隧陽極結構。

再者，可容易地形成具有擁有「短路陽極」之肖特基接觸集極的裝置。這些結構的樣本具體實施例被描繪於圖14和圖15中。

本申請的創新性教導還可應用於具有P++基板而不是N++基板的裝置。

優點

在各種具體實施例中，所揭露的創新提供至少以下優點之一或多個。然而，並非所有這些優點都是由所揭露的每個創新產生的，且此優點列表不限制各種主張的應用。

●驟回效應之較好控制；●改善的擊穿電壓；●減少的前向壓降；●增加的熱電容； ●改善的瞬態電熱特性；●改善前向電流壓降VCEsat和「負微分電阻」(NDR)問題之間的折衷。

根據一些但不一定所有具體實施例，提供了：一種具有雙極導通的反向導通閘控半導體裝置，包含：射極結構，在第一型半導體晶粒的第一表面上，其包括第二型射極區、及可選擇地將一第一型源極端連接至晶粒之體塊的控制端；集極結構，在半導體晶粒的第二表面上，其包括由第一型緩衝層覆蓋的薄第二型集極區；及第二型反向導通二極體端，在第二表面上；其中晶粒穿過二極體端的總厚度超過晶粒穿過集極結構的總厚度。

根據一些但不一定所有具體實施例，提供了：一種半導體裝置，包含：射極結構，在第一型半導體晶粒的第一表面上，其包括第二型射極區；集極結構，其僅佔據半導體晶粒之第二表面的一部分、及二極體結構，其佔據第二表面的其它部分；其中晶粒穿過二極體端的總厚度大於晶粒穿過集極結構之總厚度的兩倍；且其中集極結構包括對應於第一擴散長度的摻雜劑成分，第一擴散長度小於第二型射極區之摻雜劑成分的擴散長度。

根據一些但不一定所有具體實施例，提供了：一種反向導通IGBT，包含：射極結構，在第一型半導體晶粒的第一側上，其包括第二型射極區、及可選擇地將第一型源極端連接至晶粒之體塊的控制端；集極結構，在半導體晶粒的第二側上，其包括由第一型緩衝層覆蓋的薄第二型集極區；第二型反向導通二極體端，在第二側上；其中晶粒穿過二極體端的總厚度超過穿過集極結構的總厚度。

根據一些但不一定所有具體實施例，提供了：一種用於製造具有雙極導通之反向導通閘控半導體裝置的方法，包含：提供包括重摻雜第一型基板和較輕摻雜第一型漂移區兩者的半導體晶粒，及在晶粒的第一表面上形成第二型射極區及可選擇地將第一型源極端連接至晶粒之體塊的控制端；將凹槽蝕刻至半導體晶粒的第二表面中，從而從凹槽位置移除基板並將其留在其它位置；及僅在凹槽中形成集極結構；其中凹槽的深度大於晶粒之總厚度的三分之一；藉此第二表面上之基板的剩餘部分當作二極體端，而集極與射極區一起操作以傳導雙極電流。

根據一些但不一定所有具體實施例，提供了：反向導通IGBT，其中集極側包括二極體端區，且半導體材料穿過二極體端區比穿過集極區厚得多。這利用由二極體端區佔據的面積分數以為晶圓提供增加的剛性，從而避免翹曲。

修改和變化

如本領域之技藝者將認知本申請中所述的創新概念可在巨大的應用範圍內被修改和改變，且因此專利主題的範圍不受限於給出的任何具體示範教導。旨在包括落入所附申請專利範圍的精神和廣泛範圍內的所有這樣替代、修改和變化。

雖然上述之主要實例是IGBT，但是所揭露的創作也可應用於嚴格來說不是IGBT的類似裝置。

更一般地，所揭露的本創作還可應用於具有雙極導通和背表面載子注入(特別是若載子注入僅在部分背表面上發生)的任何其它裝置。在這種裝置中，使用低能量注入(或其它淺摻雜劑引入)和低Dt來定制少數載子注入結構 的能力與不是少數載子注入結構之一部分的增厚部分之額外剛度協同地結合，但是會使薄化結構更加穩定。

還應注意所揭露的創新不限於矽，而是可在其它半導體材料的晶圓中實作。這樣材料的實例包括SiGe、SiC、SiGeC、其它IV-IV半導體合金、III-V半導體(包括第三和第四和其它合金)、ZnS和其它II-VI合金、以及具有夠長足以使雙極導通實用之載子壽命的任何其它半導體合金。

各種圖案可用於二極體區102。例如，在一種預期的實作類型中，二極體區被佈置為從晶圓之中心輻射的輻條，以增強晶圓抗翹曲的剛度。

對於另一實例，即使溝槽閘控結構用於本申請中之新技術的演示，但新技術也可用在平面閘控裝置中。

在另一具體實施例中，可使用與上述類似的程序，除了在沉積頂表面金屬之前研磨晶圓。在這種情況下，頂表面被諸如二氧化矽的介電質材料覆蓋。執行類似的背表面程序，如圖3、圖4、和圖5所述，隨後進行射極接觸蝕刻、頂部金屬和背部(集極)金屬沉積。

本創作在上文中已以較佳實施例揭露，然熟習本項技術者應理解的是，該實施例僅用於描繪本創作，而不應解讀為限制本創作之範圍。應注意的是，舉凡與該實施例等效之變化與置換，均應設為涵蓋於本創作之範疇內。因此，本創作之保護範圍當以申請專利範圍所界定者為準。

101‧‧‧集極金屬化

102‧‧‧二極體接觸區

112‧‧‧n型緩衝層

114‧‧‧集極層

200‧‧‧n型漂移區

230‧‧‧絕緣溝槽閘極

242‧‧‧n++源極區

244‧‧‧p型射極區

246‧‧‧p型主體區

Claims (31)

1. 一種具有雙極導通的反向導通閘控半導體裝置，包含：a)一射極結構，在一第一型半導體晶粒的一第一表面上，其包括一第二型射極區、及可選擇地將一第一型源極端連接至該晶粒之體塊的一控制端；b)一集極結構，在該半導體晶粒的一第二表面上，其包括由一第一型緩衝層覆蓋的一薄第二型集極區；c)一第二型反向導通二極體端，在該第二表面上；其中該晶粒穿過該二極體端的總厚度超過該晶粒穿過該集極結構的總厚度。
2. 如請求項1所述之裝置，其中該晶粒穿過該二極體端的總厚度大於穿過該集極結構之總厚度的兩倍。
3. 如請求項1所述之裝置，其中該第一型是n型，且該第二型是p型。
4. 如請求項1所述之裝置，其中該半導體晶粒是矽。
5. 如請求項1所述之裝置，其中該第二型射極區被一第二型主體區包圍，且其中該控制端是可選擇地反向該主體區之一部分的一絕緣電極。
6. 如請求項1所述之裝置，其中該裝置是一絕緣閘極雙極電晶體(IGBT)。
7. 如請求項1所述之裝置，其中該集極區位於該晶粒之該第二表面中的凹槽中。
8. 如請求項1所述之裝置，其中該集極區位於該晶粒之該第二表面中的凹槽中，且該二極體端不在該凹槽中。
9. 如請求項1所述之裝置，其中該集極區位於該晶粒之該第二表面中的凹槽中，其延伸穿過多於該晶粒之該半導體材料之厚度的一半。
10. 如請求項1所述之裝置，更包含集極金屬化，其使歐姆接觸至該二極體端和該集極區兩者。
11. 如請求項1所述之裝置，更包含集極側金屬化，其在該第二表面上形成具有該半導體晶粒之至少一些第一型部分的一肖特基能障二極體。
12. 一種半導體裝置，包含：a)一射極結構，在一第一型半導體晶粒的一第一表面上，其包括一第二型射極區；b)一集極結構，其僅佔據該半導體晶粒之一第二表面的一部分；及c)一二極體結構，其佔據該第二表面的其它部分；其中該晶粒穿過該二極體端的總厚度大於該晶粒穿過該集極結構之總厚度的兩倍；且其中該集極結構包括對應於一第一擴散長度的摻雜劑成分，該第一擴散長度小於該第二型射極區之摻雜劑成分的擴散長度。
13. 如請求項12所述之裝置，其中該第一型是n型，且該第二型是p型。
14. 如請求項12所述之裝置，其中該半導體晶粒是矽。
15. 如請求項12所述之裝置，其中該第二型射極區被一第二型主體區包圍，且其中一絕緣電極可選擇地反向該主體區的一部分，從而將一第一型源極區連接至該半導體晶粒的體塊。
16. 如請求項12所述之裝置，其中該裝置是一絕緣閘極雙極電晶體(IGBT)。
17. 如請求項12所述之裝置，其中該集極結構位於該晶粒之該第二表面中的蝕刻凹槽中。
18. 如請求項12所述之裝置，其中該集極區位於該晶粒之該第二表面中的凹槽中，且該二極體端不在該凹槽中。
19. 如請求項12所述之裝置，更包含集極金屬化，其使歐姆接觸至該二極體端和該集極區的第二型部分兩者。
20. 如請求項12所述之裝置，更包含集極側金屬化，其在該第二表面上形成具有該半導體晶粒之至少一些第一型部分的一肖特基能障二極體。
21. 一種反向導通絕緣閘極雙極電晶體(IGBT)，包含：a)一射極結構，在一第一型半導體晶粒的一第一側上，其包括一第二型射極區、及可選擇地將一第一型源極端連接至該晶粒之體塊的一控制端；b)一集極結構，在該半導體晶粒的一第二側上，其包括由一第一型緩衝層覆蓋的一薄第二型集極區；c)一第二型反向導通二極體端，在該第二側上； 其中該晶粒穿過該二極體端的總厚度超過穿過該集極結構的總厚度。
22. 如請求項21所述之反向導通絕緣閘極雙極電晶體(IGBT)，其中該晶粒穿過該二極體端的總厚度超過10%以上的穿過該集極結構之總厚度。
23. 如請求項21所述之反向導通絕緣閘極雙極電晶體(IGBT)，其中該晶粒穿過該二極體端的總厚度大於穿過該集極結構之總厚度的兩倍。
24. 如請求項21所述之反向導通絕緣閘極雙極電晶體(IGBT)，其中該第一型是n型，且該第二型是p型。
25. 如請求項21所述之反向導通絕緣閘極雙極電晶體(IGBT)，其中該半導體晶粒是矽。
26. 如請求項21所述之反向導通絕緣閘極雙極電晶體(IGBT)，其中該第二型射極區被一第二型主體區包圍，且其中該控制端是可選擇地反向該主體區之一部分的一絕緣電極。
27. 如請求項21所述之反向導通絕緣閘極雙極電晶體(IGBT)，其中該集極區位於該晶粒之該第二表面中的凹槽中。
28. 如請求項21所述之反向導通絕緣閘極雙極電晶體(IGBT)，其中該集極區位於該晶粒之該第二表面中的凹槽中，且該二極體端不在該凹槽中。
29. 如請求項21所述之反向導通絕緣閘極雙極電晶體(IGBT)，其中該集極區位於該晶粒之該第二表面中的凹槽中，其延伸穿過多於該晶粒之該半導體材料之厚度的一半。
30. 如請求項21所述之反向導通絕緣閘極雙極電晶體(IGBT)，更包含集極金屬化，其使歐姆接觸至該二極體端和該集極區兩者。
31. 如請求項21所述之反向導通絕緣閘極雙極電晶體(IGBT)，更包含集極側金屬化，其在該第二表面上形成具有該半導體晶粒之至少一些第一型部分的一肖特基能障二極體。