绝缘栅双极晶体管的背面结构及其制作方法技术

本发明专利技术涉及一种绝缘栅双极晶体管的背面结构，在硅片的背面间隔设有背面沟槽，背面沟槽的槽壁与水平面之间的夹角α在60～88°，在背面沟槽的沟槽底部及侧壁通过注入形成沟槽状的N+型场截止层及沟槽状的P+型集电极层，沟槽状的N+型场截止层与N型衬底相连，沟槽状的P+型集电极层与N+型场截止层的槽底及侧壁相连，N+型场截止层的沟槽顶面和P+型集电极层的沟槽顶面与N+型集电极层相连，连接在N+型集电极层6上的背面的金属层5及设置在对应背面沟槽4内金属层5的凸起5-1形成集电极。本发明专利技术能降低制造成本和碎片率，不需要借助薄片工艺即可实现场截止型绝缘栅双极晶体管。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种，属于绝缘栅双极晶体管

技术介绍
绝缘栅双极晶体管(IGBT)由由双极型三极管和绝缘栅型场效应管和成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件，具有绝缘栅型场效应管的高输入阻抗及双极型三极管的低导通压降、以及驱动电路简单、安全工作区宽等优点，无论在传统产业的技术改造方面，如电机调速、各种高频开关电源等，还是在新能源的开发方面，如太阳能发电、风能发电和新能源汽车等，以及新兴产业方面，如智能电网、轨道交通等，作为电力电子系统核心开关器件的IGBT都起到了不可取代的关键的作用。对于IGBT优化来说，正面结构从平面栅结构升级到了沟槽栅结构，背面结构从穿通(PT)、非穿通(NPT)升级到了薄片电场截止(FS)技术，使得器件特性越来越接近技术原点，低压降，低损耗，从而减小了能耗，提高了用电效率。常规场阻断型(FS)绝缘栅双极晶体管背面结构见图1所示，由N+型阻挡层、P+型发射层及集电极层构成。然而，现在国内可以稳定量产背面FS结构的代工厂并不多，成为了国产IGBT替代进口 IGBT的一道技术屏障。由于阻断型(FS)绝缘栅双极晶体管背面结构需要采用薄片工艺加工，而薄片工艺加工设备和工艺都需要特别定制，造成芯片加工费用高，而且晶片容易碎片。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种，能降低制造成本和碎片率，不需要借助薄片工艺即可实现场截止型绝缘栅双极晶体管。本专利技术为达到上述目的的技术方案是:一种绝缘栅双极晶体管的背面结构，其特征在于:在硅片的背面间隔设有背面沟槽，背面沟槽的槽壁与水平面之间的夹角α在60?88°，在背面沟槽的沟槽底部及侧壁通过注入形成沟槽状的Ν+型场截止层及沟槽状的Ρ+型集电极层，沟槽状的Ν+型场截止层与Ν型衬底相连，沟槽状的Ρ+型集电极层与Ν+型场截止层的槽底及侧壁相连，Ν+型场截止层的沟槽顶面和Ρ+型集电极层的沟槽顶面与Ν+型集电极层相连，连接在Ν+型集电极层6上的背面的金属层5及设置在对应背面沟槽4内金属层5的凸起5-1形成集电极。其中:所述硅片上的背面沟槽、Ν+型场截止层上的沟槽和Ρ+型集电极层上的沟槽呈梯形。所述背面沟槽的深度h在10?lOOum，槽宽b在5?50um，两背面沟槽中心距Η在50?150umo所述N+型集电极层的厚度δ在0.1?0.5um。所述N+型场截止层的厚度δ2在0.5?5um。所述P+型集电极层的厚度δ?在0.1?0.5um。本专利技术绝缘栅双极晶体管的背面结构的制作方法，其特征在于:将绝缘栅双极晶体管硅片正面工艺进行完毕后，按以下步骤进行:⑴、将硅片背面减薄至150?250um;⑵、在背面注入N型离子，注入剂量为5E14?5E15/cm2，注入能量为30?400KeV，形成厚度δ在0.1?0.5um的N+型集电极层；⑶、光刻刻蚀沟槽形成背面沟槽，且背面沟槽侧壁与平面夹角α在60?88°，背面沟槽的深度h在10?10011111，槽宽13在5?5011111;⑷、在背面沟槽的槽底部和侧壁注入杂质为N型离子，注入剂量为5E11?5E14/cm2，注入能量为30KeV?1 IMeV，形成沟槽状的N+型场截止层，且N+型场截止层的厚度δ2在0.5?5um;(5)、再在N+型场截止层的沟槽底部和侧壁注入P型离子，注入剂量为5E14?5E15/cm2，注入能量为30?170KeV，形成沟槽状的P+型集电极层，P+型集电极层的厚度δ?在0.1?0.5um；(6)、退火后，在背面淀积金属层，使金属层上的凸起充填在对应的背面沟槽内形成集电极。本专利技术在绝缘栅双极晶体管背面形成了背面沟槽结构，背面沟槽侧壁不是垂直的，在背面沟槽的槽底部及侧面通过注入即可形成沟槽状的N+型场截止层及P+型集电极层，因此不需要薄片工艺即可实现背面FS结构。本专利技术通过沟槽状的N+型场截止层可以有效截止电场，提高击穿电压，且在无沟槽区背面形成N+型集电极层，有利于缩短关断时间，保证击穿电压满足要求的同时实现压降与关断速度更好的折衷。本专利技术绝缘栅双极晶体管设置了背面沟槽，背面的金属层具有凸起而能增加与硅片接触面积，降低了背面接触电阻，增加了晶片的韧性，不易碎片，热阻比厚片大大降低。本专利技术对绝缘栅双极晶体管背面结构进行了改进，正面M0S结构制作完成后，将晶片背面减薄厚度只需要和NPT背面工艺要求厚度接近即可，不需要将晶片背面减薄到FS背面工艺要求厚度，使硅片厚度减薄到150?250um，而能降低晶片的碎片率，统一注入N型离子以形成N+型集电极层，并通过光刻刻蚀出背面沟槽，且使背面沟槽的槽侧壁不与平面垂直，再向背面沟槽的槽底部及槽侧面注入N型离子形成场截止层，能有效截止电场，提高击穿电压，同时因为纵向结构电阻并联，形成FS结构处的硅片厚度较薄，压降小，可以保证器件整体压降仍然较小。而FS结构在关断过程中，因为晶片较薄，本身关断就比较快，无沟槽区背面部分保持N+掺杂，以形成N+型集电极层，在关断过程中有利于空穴的快速导出，同样有利于加快关断速度。本专利技术仅局部形成了薄片工艺，相较于NPT工艺，因为背面沟槽的存在，增加了背面金属与硅的接触面积，降低了背面接触电阻，同时也增加了晶片的韧性，本专利技术借助于薄片工艺即可实现FS背面工艺，并能实现参数的优化，具有重要的意义。【附图说明】下面结合附图对本专利技术的实施例作进一步的详细描述。图1是原绝缘栅双极晶体管背面结构的示意图。图2是本专利技术绝缘栅双极晶体管背面结构的示意图。图3是本专利技术绝缘栅双极晶体管特性与FS工艺及NPT工艺特性的对比示意图。其中:1一硅片，2—N+型场截止层，3—P+型集电极层，4一背面沟槽，5—金属层，5_1 一凸起，6—N+型集电极层。【具体实施方式】见图2所示，本专利技术的绝缘栅双极晶体管的背面结构，在硅片1的背面间隔设有背面沟槽4，本专利技术的背面沟槽4的槽壁与水平面之间的夹角α在60?88°之间，在背面沟槽4的沟槽底部及侧壁通过注入形成沟槽状的Ν+型场截止层2及沟槽状的Ρ+型集电极层3，通过Ν+型场截止层2可以有效截止电场，提高击穿电压，保证击穿电压满足要求的同时，实现较好的压降与关断速度的关系。见图2所示，本专利技术沟槽状的Ν+型场截止层2与Ν型衬底相连，沟槽状的Ρ+型集电极层3与Ν+型场截止层2的槽底及侧壁相连，Ν+型场截止层2的沟槽顶面和Ρ+型集电极层3的沟槽顶面与Ν+型集电极层6相连，由于Ν+型集电极层无沟槽结构，有利于缩短关断时间。本专利技术连接在Ν+型集电极层6上的背面的金属层5及设置在对应背面沟槽4内金属层5的凸起5-1形成集电极，由于金属层5上的凸起5-1设置在对应的背面沟槽4内，能增加背面金属与硅的接触面积，降低背面接触电阻，降低制造碎片率。见图2所示，本专利技术硅片1上的背面沟槽4、Ν+型场截止层2上的沟槽和Ρ+型集电极层3上的沟槽呈梯形槽，该梯形槽可为等边梯形槽或不等边梯形槽，本专利技术背面沟槽4的深度h在10?lOOum，槽宽b在5?50um，而两沟槽中心距Η为50?150um，通过对背面沟槽区域的占比控制，使得器件压降较小的同时，也降低了关断损耗，且硅片工艺容易控制，实现影响器件工艺与特性的折衷。见图2所示，本专利技术N+型集电极层6的厚度δ在0.1?0.5um，N+型场截止层2的厚度δ2在0.5?5um，P+型集电极层3的厚度δ本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种绝缘栅双极晶体管的背面结构，其特征在于：在硅片(1)的背面间隔设有背面沟槽(4)，背面沟槽(4)的槽壁与水平面之间的夹角α在60～88°，在背面沟槽(4)的沟槽底部及侧壁通过注入形成沟槽状的N+型场截止层(2)及沟槽状的P+型集电极层(3)，沟槽状的N+型场截止层(2)与N型衬底相连，沟槽状的P+型集电极层(3)与N+型场截止层(2)的槽底及侧壁相连，N+型场截止层(2)的沟槽顶面和P+型集电极层(3)的沟槽顶面与N+型集电极层(6)相连，连接在N+型集电极层(6)上的背面的金属层(5)及设置在对应背面沟槽(4)内金属层(5)的凸起(5‑1)形成集电极。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：戚丽娜，周东海，井亚会，张景超，刘利峰，
申请(专利权)人：江苏宏微科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32