具有超势垒集电极结构的IGBT器件及其制造方法技术

技术编号:13679912 阅读:78 留言:0更新日期:2016-09-08 07:44
本发明专利技术属于功率半导体器件技术领域,涉及具有超势垒集电极结构的IGBT器件及其制造方法。本发明专利技术器件的集电极结构通过MOS沟道,利用MOS的体效应降低了势垒高度,为电子创建一个“超势垒”,即此集电极结构势垒MOS比以往的IGBT背部PN结势垒电压低,因此本发明专利技术的IGBT在小于0.7V的电压下就可以开启,且该结构同样存在电导调制效应,减小了IGBT导通时的正向压降。关断时,集电极处于开启状态的MOS沟道加快了发射极附近的过剩载流子的抽取过程。因此,本发明专利技术发射极采用超势垒结构的IGBT,降低了开关损耗的同时,正向压降得以减小,开关优值得到大幅的降低。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于功率半导体器件
,涉及具有超势垒集电极结构的IGBT器件及其制造方法
技术介绍
绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor-IGBT)结合了功率MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)开关速度快、输入阻抗高等优点和双极结型晶体管(Bipolar Junction Transistor—BJT)通态压降小,同时克服了在中高压领域功率MOSFET导通电阻随器件耐压的2.5次方增加缺点。但是现有的IGBT结构通常在优化器件开关损耗的同时,导致较高的通态压降;而在优化通态压降时,器件的开关损耗又比较大。因此如何进一步降低IGBT器件的开关优值(通态压降与开关损耗的乘积)以得到性能最优的IGBT,一直是国际上电力电子器件领域的研究热点。IGBT导通损耗深受漂移区少数载流子的分布状态和数量影响。在导通期间,由于集电极区域注入漂移区大量的少数载流子,漂移区产生电导调制效应,并且导通压降随集电极的注入效率增加而降低,导通损耗相应减小;在关断过程中,由于IGBT集电极区域固有的浓度较高的少数载流子积累,集电极PN结在关断过程很长一段时间内处于正偏,并且集电极附近的多余载流子将只会在关断过程结束时才会全部移走,此时的VCE已经很高,这意味着给器件带来较大的关断损耗,并且关断损耗随集电极的注入效率增加而增加。因此优化集电极结构,将是降低IGBT器件的开关优值关键技术。传统的IGBT器件如图1所示,集电极的掺杂浓度比较高,导致集电极PN结附近在导通状态下积累大量的少数载流子,此处的过剩载流子通过复合消失,带来IGBT关断过程中较长的拖尾电流时间,关断损耗比较大。目前大都采用降低集电极注入效率的方式来减小关断损耗,但带来器件的导通损耗增加。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种绝缘栅双极型晶体管的新结构,通过改变绝缘栅双极型晶体管的背部集电极结构,减小功率IGBT的开关损耗,并且获得更小的导通损耗。本专利技术同时给出了所述绝缘栅双极型晶体管新结构的制备方法。本专利技术的技术方案为:具有超势垒集电极结构的IGBT器件,如图2所示,包括N-漂移
区8;所述N-漂移区8上层两端分别具有第一P-阱区7;所述第一P-阱区7中具有第一N+区5和第一P+区6,所述第一P+区6位于器件外侧;所述N-漂移区8上表面具有发射极金属1;所述发射区金属1中具有介质层3和位于介质层3中的栅电极2和栅氧化层4,所述栅电极2位于栅氧化层4的上表面;所述栅氧化层4的下表面与N-漂移区8的上表面、第一P-阱区7的上表面和部分第一N+区5的上表面接触;所述N-漂移区8的下表面具有集电极金属14;其特征在于,所述N-漂移区8的下层两端分别具有第二P-阱区10;所述第二P-阱区10中具有第二N+区11和第二P+区9,所述第二P+区9位于器件外侧;所述集电极金属14中具有超势垒MOS栅氧层12和位于超势垒MOS栅氧层12下表面的超势垒MOS栅电极13;所述超势垒MOS栅氧层12的上表面与N-漂移区8的下表面、第二P-阱区10的下表面和部分第二N+区11的下表面接触。具有超势垒集电极结构的IGBT器件的制造方法,其特征在于,包括以下步骤:步骤1:采用两片具有相同电阻率的N-型<100>单晶片,分别标记为wafer1和wafer2;步骤2:在wafer1表面热生长栅氧化层4;步骤3:淀积多晶硅及对多晶硅磷注入,通过注入磷离子的剂量控制多晶硅电阻,光刻并刻蚀多晶硅在栅氧化层4上表面形成第一栅电极2;步骤4:通过自对准工艺,在wafer1上层两端进行高能量硼离子注入,并高温退火形成发射极区的第一P-阱区7;步骤5:通过自对准工艺,在第一P-阱区7上层进行砷离子注入以及低温退火,形成第一N+区5;步骤6:采用光刻工艺,在第一P-阱区7外侧光刻出P+区,高剂量硼离子注入形成第一P+区6;步骤7:淀积多晶硅栅与发射极金属电极之间的介质层3,在介质层3上光刻和刻蚀发射极极接触孔,淀积金属铝,形成发射极金属1;步骤8:在wafer2表面热生长超势垒MOS栅氧层12;步骤9:淀积多晶硅及对多晶硅磷注入,通过注入磷离子的剂量控制多晶硅电阻,光刻并刻蚀多晶硅在超势垒MOS栅氧层12上表面形成超势垒MOS多晶硅栅电极13;步骤10:通过自对准工艺,进行硼离子注入,并高温退火在wafer2上层两侧形成第二
P-阱区10;步骤11:通过自对准工艺,在第二P-阱区10上层进行砷离子注入以及低温退火,形成第二N+区11;步骤12:采用光刻工艺,在第二P-阱区10外侧光刻出P+区,高剂量硼离子注入形成第二P+区9;步骤13:淀积金属铝,在wafer2上表面形成集电极金属14;步骤14:通过硅片直接键合技术,将wafer1的下部与wafer2的下部直接键合,其中wafer1作为器件的正面结构,wafer2作为器件的背面结构。本专利技术的另一种单片制造方法为:具有超势垒集电极结构的IGBT器件的制造方法,其特征在于,包括以下步骤:步骤1:在一片硅片上形成从下至上依次层叠设置的N型衬底、N型漂移区8;步骤2:在N型漂移区8上表面热生长栅氧化层4;步骤3:在N型漂移区8上表面淀积多晶硅及对多晶硅磷注入,通过注入磷离子的剂量控制多晶硅电阻,光刻并刻蚀多晶硅在栅氧化层4上表面形成第一栅电极2;步骤4:通过自对准工艺,在N型漂移区8上表面两端进行高能量硼离子注入,并高温退火形成发射极区的第一P-阱区7;步骤5:通过自对准工艺,在第一P-阱区7上层进行砷离子注入以及低温退火,形成第一N+区5;步骤6:采用光刻工艺,在第一P-阱区7外侧光刻出P+区,高剂量硼离子注入形成第一P+区6;步骤7:淀积多晶硅栅与发射极金属电极之间的介质层3,在介质层3上光刻和刻蚀发射极极接触孔,淀积金属铝,形成发射极金属1;步骤8:硅片背部减薄,在硅片背部热生长超势垒MOS栅氧层12;步骤9:在硅片背部淀积多晶硅及对多晶硅磷注入,通过注入磷离子的剂量控制多晶硅电阻,光刻并刻蚀多晶硅,形成超势垒MOS多晶硅栅电极13;步骤10:在硅片的背部,通过自对准工艺,进行硼离子注入,并高温退火形成第二P-
阱区10;步骤11:通过自对准工艺,对第二P-阱区10内进行砷离子注入以及低温退火,形成第二N+区11;步骤12:采用背面光刻工艺,在第二P-阱区10外侧光刻出P+区,高剂量硼离子注入形成第二P+区9;步骤13:淀积金属铝,在硅片背部成集电极金属14。本专利技术的有益效果为,本专利技术器件的集电极结构通过MOS沟道,利用MOS的体效应降低了势垒高度,为电子创建一个“超势垒”,即此集电极结构势垒MOS比以往的IGBT背部PN结势垒电压低,因此本专利技术的IGBT在小于0.7V的电压下就可以开启,且该结构同样存在电导调制效应,减小了IGBT导通时的正向压降。关断时,集电极处于开启状态的MOS沟道加快了发射极附近的过剩载流子的抽取过程。因此,本专利技术发射极采用超势垒结构的IGBT,降低了开关损耗的同时,正向压降得以减小,开关优值得到大幅的降低。附图说明图1是传统IGBT器件结构示意图;图2是专利技术提本文档来自技高网
...

【技术保护点】
具有超势垒集电极结构的IGBT器件,包括N‑漂移区(8);所述N‑漂移区(8)上层两端分别具有第一P‑阱区(7);所述第一P‑阱区(7)中具有第一N+区(5)和第一P+区(6),所述第一P+区(6)位于器件外侧;所述N‑漂移区(8)上表面具有发射极金属(1);所述发射区金属(1)中具有介质层(3)和位于介质层(3)中的栅电极(2)和栅氧化层(4),所述栅电极(2)位于栅氧化层(4)的上表面;所述栅氧化层(4)的下表面与N‑漂移区(8)的上表面、第一P‑阱区(7)的上表面和部分第一N+区(5)的上表面接触;所述N‑漂移区(8)的下表面具有集电极金属(14);其特征在于,所述N‑漂移区(8)的下层两端分别具有第二P‑阱区(10);所述第二P‑阱区(10)中具有第二N+区(11)和第二P+区(9),所述第二P+区(9)位于器件外侧;所述集电极金属(14)中具有超势垒MOS栅氧层(12)和位于超势垒MOS栅氧层(12)下表面的超势垒MOS栅电极(13);所述超势垒MOS栅氧层(12)的上表面与N‑漂移区(8)的下表面、第二P‑阱区(10)的下表面和部分第二N+区(11)的下表面接触。

【技术特征摘要】
1.具有超势垒集电极结构的IGBT器件,包括N-漂移区(8);所述N-漂移区(8)上层两端分别具有第一P-阱区(7);所述第一P-阱区(7)中具有第一N+区(5)和第一P+区(6),所述第一P+区(6)位于器件外侧;所述N-漂移区(8)上表面具有发射极金属(1);所述发射区金属(1)中具有介质层(3)和位于介质层(3)中的栅电极(2)和栅氧化层(4),所述栅电极(2)位于栅氧化层(4)的上表面;所述栅氧化层(4)的下表面与N-漂移区(8)的上表面、第一P-阱区(7)的上表面和部分第一N+区(5)的上表面接触;所述N-漂移区(8)的下表面具有集电极金属(14);其特征在于,所述N-漂移区(8)的下层两端分别具有第二P-阱区(10);所述第二P-阱区(10)中具有第二N+区(11)和第二P+区(9),所述第二P+区(9)位于器件外侧;所述集电极金属(14)中具有超势垒MOS栅氧层(12)和位于超势垒MOS栅氧层(12)下表面的超势垒MOS栅电极(13);所述超势垒MOS栅氧层(12)的上表面与N-漂移区(8)的下表面、第二P-阱区(10)的下表面和部分第二N+区(11)的下表面接触。2.具有超势垒集电极结构的IGBT器件的制造方法,其特征在于,包括以下步骤:步骤1:采用两片具有相同电阻率的N-型<100>单晶片,分别标记为wafer1和wafer2;步骤2:在wafer1表面热生长栅氧化层(4);步骤3:淀积多晶硅及对多晶硅磷注入,通过注入磷离子的剂量控制多晶硅电阻,光刻并刻蚀多晶硅在栅氧化层(4)上表面形成第一栅电极(2);步骤4:通过自对准工艺,在wafer1上层两端进行高能量硼离子注入,并高温退火形成发射极区的第一P-阱区(7);步骤5:通过自对准工艺,在第一P-阱区(7)上层进行砷离子注入以及低温退火,形成第一N+区(5);步骤6:采用光刻工艺,在第一P-阱区(7)外侧光刻出P+区,高剂量硼离子注入形成第一P+区(6);步骤7:淀积多晶硅栅与发射极金属电极之间的介质层(3),在介质层(3)上光刻和刻蚀发射极极接触孔,淀积金属铝,形成发射极金属(1);步骤8:在wafer2表面热生长超势垒MOS栅氧层(12);步骤9:淀积多晶硅及对多晶硅磷注入,通过注入磷离子的剂量控制多晶硅电阻,光刻
\t并刻蚀多晶硅...

【专利技术属性】
技术研发人员:李泽宏史建东陈钱刘永李佳驹其他发明人请求不公开姓名
申请(专利权)人:电子科技大学
类型:发明
国别省市:四川;51

网友询问留言 已有0条评论
  • 还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。

1