一种具有内置二极管的IGBT结构制造技术

本实用新型专利技术提供一种具有内置二极管的IGBT结构，通过在半导体衬底的正面形成条形元胞区，在半导体衬底的背面形成交替平行排列的p型和n型条形掺杂区，正面条形元胞区和背面p型和n型条形掺杂区相互垂直，从而实现在制造IGBT的过程中,利用单面光刻机即可方便地完成晶圆背面结构与正面结构的自对准。并且，通过调整p型条形掺杂区与n型条形掺杂区的宽度比例，可以优化器件性能。此外，根据本实用新型专利技术实施例的具有内置二极管的IGBT由于结构分布均匀，器件工作时电流、功耗、温度等分布均匀，从而增强器件的稳定性。（*该技术在2022年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及半导体设计及制造
，特别涉及一种具有内置二极管的IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor,绝缘栅双极晶体管)结构。
技术介绍
IGBT 结合了功率 MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor-Field-Effect-Transistor，金属氧化物半导体场效应晶体管)及功率晶体管的优点，具有工作频率高，控 制电路简单，电流密度高，通态压低等特点，广泛应用于功率控制领域。在实际应用中，IGBT很少作为一个独立器件使用，尤其在感性负载的条件下，IGBT需要一个快恢复二极管续流。因此现有的IGBT产品，一般采用反并联一个二极管以起到续流作用，保护IGBT。为降低成本，反并联的二极管可以集成在IGBT芯片内，即集成反并联二极管的IGBT或具有内置二极管的IGBT。图I为典型的具有内置二极管的IGBT结构剖面图。如图I所示，以η沟道IGBT为例，该IGBT包括半导体衬底207’，形成在衬底207’中的两个P型阱区206’，分别形成在每个P型阱区206’中的表面区域的η型源区205’，依次形成在半导体衬底207’的正面上的第一绝缘层204’、多晶硅层203’、第二绝缘层202’和金属电极201’，形成在半导体衬底207’的背面上的P型集电区208’、η型集电区209’和金属电极210’。其中，半导体衬底207’为η-漂移区，多晶硅层203’为门极，金属电极210’连接P型集电区208’和η型集电区209’构成集电极，金属电极201’连接两个ρ型阱区206’和两个η型源区205’构成发射极。集成反并联二极管的IGBT的背面区域引入η型集电区的209’，由于η型集电区209’相对ρ型阱区206’的位置变化将会引起器件过流路径的变化，从而导致器件性能发生变化。因此，为保证产品性能一致性，在制作集成反并联二极管的IGBT的背面区域时，在光刻工艺中，需要将晶圆背面的掩膜板(mask)图案与已形成的晶圆正面结构的图案进行对准。由于在进行背面光刻时，晶圆已经翻转为背面朝上，普通的单面光刻机无法利用正面的对准标记，故背面的η型集电区的209’的图案无法与正面结构的图案对准，需要采用昂贵的双面光刻机。
技术实现思路
本技术的目的旨在至少解决上述技术缺陷，特别是解决具有内置二极管的IGBT的背面结构与正面结构的需要采用昂贵的双面光刻机才能对准的问题，提供一种具有内置二极管的IGBT结构，利用单面光刻机完成晶圆背面结构与正面结构的自对准，并且提闻器件的稳定性。为达到上述目的，本实用新提出了一种具有内置二极管的IGBT结构，包括半导体衬底；多个条形元胞区，所述多个条形元胞区形成在所述半导体衬底的第一表面，且沿第一方向平行排列，每个所述条形元胞区包括形成在所述半导体衬底中的第一阱区和第二阱区，位于所述第一阱区和第二阱区之间的积累区，形成在所述第一阱区中的第一源区，形成在所述第二阱区中的第二源区，和形成在所述半导体衬底上的第一绝缘层、栅极层、第二绝缘层、第一金属层，其中，所述第一绝缘层覆盖部分所述第一源区、部分所述第一阱区、所述积累区、部分所述第二阱区、部分所述第二源区，所述栅极层形成在所述第一绝缘层上，所述第二绝缘层覆盖部分所述第一源区、所述栅极层、部分所述第二源区，所述第一金属层覆盖部分所述第一阱区、所述第二绝缘层、部分所述第二阱区，所述第一金属层的两个端部分别嵌入所述第一阱区、所述第二阱区、所述第一源区以及所述第二源区中，且所述第一金属层的两个端部分别与部分所述第一阱区、部分所述第二阱区、部分所述第一源区以及部分所述第二源区重叠，其中，所述第一金属层的两个端部嵌入所述第一阱区、所述第二阱区中的深度大于所述第一源区、所述第二源区分别嵌入所述第一阱区、所述第二阱区中的深度；和多个第一类型条形掺杂区和多个第二类型条形掺杂区，所述多个第一类型条形掺杂区和多个第二类型条形掺杂区形成在所述半导体衬底的第二表面，且沿第二方向交替平行排列，所述第二方向和第一方向相互垂直，所述多个第一类型条形掺杂区和多个第二类型条形掺杂区上形成有第二金属层。其中，第一类型条形掺杂区和第二类型条形掺杂区分布为第一类型集电区和第二类型集电区，第一类型集电区与条形元胞区构成IGBT结构，第二类型集电区与条形元胞区·构成MOSFET结构，MOSFET结构寄生的二极管构成IGBT的反并联二极管。在本技术的一个实施例中，所述半导体衬底为半导体晶圆，所述第一方向平行或垂直于所述半导体晶圆的主平边。借助晶圆的主平边可以方便地实现晶圆正面条形元胞区和背面条形掺杂区的自对准。在本技术的一个实施例中，相邻的第一类型条形掺杂区和第二类型条形掺杂区之间的间距D满足D彡O。在本技术的一个实施例中，所述半导体衬底为第二类型轻掺杂，所述第一阱区和第二阱区为第一类型掺杂，所述第一源区和第二源区为第二类型掺杂。本技术提供一种具有内置二极管的IGBT结构，通过在半导体衬底的正面形成条形元胞区，在半导体衬底的背面形成交替平行排列的P型和η型条形掺杂区，正面条形元胞区和背面P型和η型条形掺杂区相互垂直，从而实现在制造IGBT的过程中，利用单面光刻机即可方便地完成晶圆背面结构与正面结构的自对准。并且，通过调整P型条形掺杂区与η型条形掺杂区的宽度比例，可以优化器件性能。此外，根据本技术实施例的具有内置二极管的IGBT由于结构分布均匀，器件工作时电流、功耗、温度等分布均匀，从而增强器件的稳定性。本技术附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本技术的实践了解到。附图说明本技术上述的和/或附加的方面和优点从以下结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中图I为典型的具有内置二极管的IGBT结构剖面图；图2为本技术实施例的晶圆第一表面的条形元胞和第二表面的P型和η型条形掺杂区的分布示意图；图3为本技术另一实施例的晶圆第一表面的条形元胞和第二表面的P型和η型条形掺杂区的分布示意图；图4为图2或图3所示的具有内置二极管的IGBT晶圆的立体示意图。具体实施方式下面详细描述本技术的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本技术，而不能解释为对本技术的限制。在本技术的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底” “内”、“外”等指示的方位或位置关系为 基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。需要说明的是，此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。进一步地，在本技术的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。本技术提供一本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种具有内置二极管的IGBT结构，其特征在于，包括：半导体衬底；多个条形元胞区，所述多个条形元胞区形成在所述半导体衬底的第一表面，且沿第一方向平行排列，每个所述条形元胞区包括：形成在所述半导体衬底中的第一阱区和第二阱区，位于所述第一阱区和第二阱区之间的积累区，形成在所述第一阱区中的第一源区，形成在所述第二阱区中的第二源区，和形成在所述半导体衬底上的第一绝缘层、栅极层、第二绝缘层、第一金属层，其中，所述第一绝缘层覆盖部分所述第一源区、部分所述第一阱区、所述积累区、部分所述第二阱区、部分所述第二源区，所述栅极层形成在所述第一绝缘层上，所述第二绝缘层覆盖部分所述第一源区、所述栅极层、部分所述第二源区，所述第一金属层覆盖部分所述第一阱区、所述第二绝缘层、部分所述第二阱区，所述第一金属层的两个端部分别嵌入所述第一阱区、所述第二阱区、所述第一源区以及所述第二源区中，且所述第一金属层的两个端部分别与部分所述第一阱区、部分所述第二阱区、部分所述第一源区以及部分所述第二源区重叠，其中，所述第一金属层的两个端部嵌入所述第一阱区、所述第二阱区中的深度大于所述第一源区、所述第二源区分别嵌入所述第一阱区、所述第二阱区中的深度；和多个第一类型条形掺杂区和多个第二类型条形掺杂区，所述多个第一类型条形掺杂区和多个第二类型条形掺杂区形成在所述半导体衬底的第二表面，且沿第二方向交替平行排列，所述第二方向和第一方向相互垂直，所述多个第一类型条形掺杂区和多个第二类型条形掺杂区上形成有第二金属层。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：肖秀光，刘鹏飞，吴海平，
申请(专利权)人：宁波比亚迪半导体有限公司，
类型：实用新型
国别省市：