CN102290436A - 新型绝缘栅双极晶体管背面结构及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种新型绝缘栅双极晶体管背面结构，在绝缘栅双极晶体管硅片背面从里至外依次连接有N型第二阻挡区、P型第二发射区、N型第一阻挡区以及P型第一发射区和集电极，其中，所述N型第二阻挡区的厚度在0～10μm，P型第二发射区的厚度在0.1～2μm，N型第一阻挡区的厚度在0.1～2μm，P型第一发射区的厚度在0.05～2μm。本发明将原背结构P型级发射区转变为P/N/P/N+多级发射区和阻挡区相结合的结构，实现对漂移区内的空穴分布精确控制的目的，在显著提高器件的性能下，解决了欧姆接触和低注入效率的矛盾，较好地解决了通态特性和开关特性之间的协调关系。

Description

新型绝缘栅双极晶体管背面结构及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种新型绝缘栅双极晶体管背面结构及其制备方法，属于半导体器件技术领域。
背景技术
绝缘栅双极晶体管(IGBT)由于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。
常规非穿通型(NPT)绝缘栅双极晶体管背面结构见图1所示，仅由P型发射区及集电极构成，常规场阻断型(FS)绝缘栅双极晶体管背面结构见图2所示，仅由N型阻挡区、P型发射区及集电极构成，通态压降主要由背面接触电阻及多子注入比决定，如果该发射区浓度大，多子注入效率高，可以保证背面欧姆接触，通态压降可以做小，但开关时间，特别是关断时间就会比较长，如果该发射区浓度小，多子注入效率低，开关时间，特别是关断时间比较短，但背面接触电阻大，通态压降高，因此低通态压降和低开关损耗经常难以协调。
发明内容
本发明的目的是提供一种能解决绝缘栅双极晶体管通态特性和开关特性之间的协调关系，同时又能尽量控制成本的新型绝缘栅双极晶体管背面结构及其制备方法。
本发明为达到上述目的的技术方案是：一种新型绝缘栅双极晶体管背面结构，其特征在于：在绝缘栅双极晶体管硅片背面从里至外依次连接有N型第二阻挡区、P型第二发射区、N型第一阻挡区以及P型第一发射区和集电极，其中，所述N型第二阻挡区的厚度在0～10μm，P型第二发射区的厚度在0.1～2μm，N型第一阻挡区的厚度在0.1～2μm，P型第一发射区的厚度在0.05～2μm。
其中：所述的N型第二阻挡区的厚度在0.1～5μm，P型第二发射区中的厚度在0.3～1.5μm，N型第一阻挡区的厚度在0.3～1.5μm，P型第一发射区中的厚度在0.1～0.5μm。
本发明新型绝缘栅双极晶体管背面结构的制备方法，其特征在于：按以下步骤进行，
(1)、先将绝缘栅双极晶体管硅片正面工艺进行完毕；
(2)、将绝缘栅双极晶体管硅片背面进行减薄，并用去离子水冲洗；
(3)、将N型离子注入到硅片背面，所述的N型离子注入剂量为0～1E14/cm2，注入能量为100～600KeV，形成厚度在0～10μm的N型第二阻挡区；
(4)、将P型离子注入到硅片背面，其中，所述的P型离子注入剂量为1E12～1E15/cm2，能量为30～160KeV，形成厚度在0.1～2μm的P型第二发射区；
(5)、将N型离子注入到硅片背面，其中，所述的N型离子注入剂量为5E11～5E14/cm2，能量为30～160KeV，形成厚度在0.1～2μm的N型第一阻挡区；
(6)、将P型离子注入到硅片背面，其中，所述的P型离子注入剂量为1E14～5E15/cm2，能量为30～160KeV，形成厚度在0.05～2μm的P型第一发射区；
(7)、将硅片放入退火炉内进行退火；
(8)、对硅片背面溅射金属形成集电极，
其中：所述的N型第二阻挡区的N型离子注入剂量为5E12/cm2～5E13/cm2，注入能量为250～500KeV，厚度在0.1～5μm，所述P型第二发射区中的P型离子注入剂量为1E13～5E14/cm2，能量为60～120KeV，制得的厚度在0.3～1.5μm；；所述N型第一阻挡区中的N型离子注入剂量为5E12～1E14/cm2，能量为60～120KeV，制得的厚度在0.3～1.5μm；所述P型第一发射区中的P型离子注入剂量为8E14～3E15/cm2，能量为40～80KeV，制得的厚度在0.1～0.5μm。
本发明在绝缘栅双极晶体管硅片背面分别注入N型离子注入、P型离子注入、N型离子注入以及P型离子注入，以构成P/N/P/N+多级发射区和阻挡区相结合的结构，通过合理调整N型和P型离子注入剂量和注入能量，使P型第一发射区与背面金属保证良好的欧姆接触，N型第一阻挡区能调节P型第一发射区的空穴注入效率，控制集电极注入空穴的浓度，P型第二发射区提供漂移区内的空穴注入，起到电导调制效应，通过二级发射区和一级阻挡区的控制，实现对漂移区内的空穴分布精确控制的目的，通过N型第二阻挡区能进一步调节上述两级发射区的空穴注入效率，同时可阻挡来自于正面的电场，提高器件的击穿电压，解决了欧姆接触和低注入效率的矛盾，较好地解决了通态特性和开关特性之间的协调关系，本发明在常规NPT-IGBT背面工艺流程的基础上利用多次离子注入工艺，使其背面形成P/N/P/N+多级发射区和阻挡区相结合的结构，工艺成本不会明显增加，却能显著提升绝缘栅双极晶体管背面结构的性能。
附图说明
下面结合附图对本发明的实施例作进一步的详细描述。
图1是常规非穿通型绝缘栅双极晶体管背面结构的结构示意图。
图2是常规场阻断型绝缘栅双极晶体管背面结构的结构示意图。
图3是本发明新型绝缘栅双极晶体管背面结构的示意图。
图4是本发明新型绝缘栅双极晶体管背面结构制作的流程图。
图5是常规与本发明新型绝缘栅双极晶体管通态电压(VCESAT(V))和关断时间(tf(ns))的曲线图。
其中：1-集电极，2-P型第一发射区，3-N型第一阻挡区，4-P型第二发射区，5-N型第二阻挡区。
具体实施方式
见图3所示，是本发明新型绝缘栅双极晶体管背面结构，绝缘栅双极晶体管硅片背面从里至外依次连接有N型第二阻挡区5、P型第二发射区4、N型第一阻挡区3以及P型第一发射区2和集电极1，即背面结构为P/N/P/N+多级发射区和阻挡区相结合的结构，N型第二阻挡区5的厚度在0～10μm，该厚度可控制在0.1μm、0.5μm、1μm、2μm、4μm、5μm、8μm、9μm、10μm等，最好控制在0.1～5μm之间，通过该N型第二阻挡区能调节上述两级发射区的注入效率，同时可阻挡来自于正面的电场。本发明的P型第二发射区4的厚度在0.1～2μm，该厚度可控制在0.3μm、0.5μm、0.8μm、1μm、1.2μm、1.5μm、1.8μm等，最好控制在0.3～1.5μm，以有效地提供漂移区内的空穴注入，起到电导调制效应。本发明N型第一阻挡区3的厚度在0.1～2μm，该厚度可控制在0.3μm、0.5μm、0.8μm、1μm、1.2μm、1.5μm、1.8μm等，最好控制在0.3～1.5μm，使该N型第一阻挡区能调节P型第一发射区的空穴注入效率，控制集电极注入空穴的浓度。本发明P型第一发射区的厚度在0.05～2μm，该厚度可控制在0.1μm、0.2μm、0.3μm、0.4μm、0.5μm、0.8μm、1μm、1.5μm等，最好控制在0.1～0.5μm，使其与背面金属保证良好的欧姆接触，同时更好的调节P型第一发射区的空穴注入效率，控制集电极注入空穴的浓度。本发明通过N型离子和P型离子注入需合理调整其注入剂量和注入能量，通过两级发射区和两级阻挡区的控制，实现对漂移区内的空穴分布精确控制的目的，解决了欧姆接触和低注入效率的矛盾，较好地解决了通态特性和开关特性之间的协调关系。
见图4所示，本发明新型绝缘栅双极晶体管的背面结构的制备方法，按以下步骤进行，
(1)、先将绝缘栅双极晶体管硅片正面工艺进行完毕；
(2)、将绝缘栅双极晶体管硅片背面进行减薄，可采用磨消进行减薄，厚度根据产品电压要求而定，如600V产品，厚度一般在120～200μm；1200V产品，厚度一般在140～240μm；1700V产品，厚度一般在180～300μm，并用去离子水冲洗，以保持背面的洁清，必要时还可进行去应力处理。
(3)、将N型离子注入到硅片背面，所述的N型离子注入剂量为0～1E14/cm2，注入能量为0～600KeV可采用常规的离子注入机将N型离子注入到硅片背面，形成N型第二阻挡区，该N型第二阻挡区的厚度在0～10μm，N型离子可采用磷离子或砷离子，最好N型离子注入剂量为5E12/cm2～5E13/cm2，注入能量为250～500KeV，最后形成厚度在0.1～5μm的N型第二阻挡区。
(4)、将P型离子注入到硅片背面，其中，该P型离子注入剂量为1E12～5E14/cm2，能量为30～160KeV，可采用常规的离子注入机将P型离子注入到硅片背面，以形成P型第二发射区，该P型第二发射区的厚度在0.1～2μm，P型离子可采用硼离子或二氟化硼离子，最好该P型离子注入剂量为1E13～1E15/cm2，能量为60～120KeV，以形成厚度在0.3～1.5μm的P型第二发射区。
(5)、将N型离子注入到硅片背面，其中，该N型离子注入剂量为5E11～5E14/cm2，能量为30～160KeV，可采用常规的离子注入机将N型离子注入到硅片背面，以形成N型第一阻挡区，该N型第一阻挡区的厚度在0.1～2μm，N型离子可采用磷离子或砷离子，本发明N型第一阻挡区中的N型离子注入剂量最好控制在5E12～1E14/cm2，能量为60～120KeV，以形成厚度在0.3～1.5μmN型第一阻挡区。
(6)、将P型离子注入到硅片背面，其中，该P型离子注入剂量为1E14～5E15/cm2，能量为30～160KeV，可采用常规的离子注入机将P型离子注入到硅片背面，以形成P型第一发射区，该P型第一发射区的厚度在0.05～2μm，P型离子采用硼离子或二氟化硼离子，P型离子注入剂量最好控制在8E14～3E15/cm2，能量为40～80KeV，以形成厚度在0.1～0.5μm的P型第一发射区。
(7)、将硅片放入退火炉内进行退火，可采用常规退火，退火温度控制在300～1400℃，时间控制在0.1～120min。
(8)、对硅片背面溅射金属形成集电极，在硅片背面从里至外制得N型第二阻挡区、P型第二发射区，N型第一阻挡区的以及P型第一发射区和集电极。
本发明新型绝缘栅双极晶体管的背面结构的具体实施例见表1
表1
Figure BDA0000091289470000041
图5是本发明背面结构为P/N/P/N+的新型绝缘栅双极晶体管与常规的绝缘栅双极晶体管的通态电压(VCESAT(V))和关断时间(tf(ns))的曲线图，从图中可以看出各实施例的通态电压(VCESAT(V))和关断时间(tf(ns))的曲线也接近于原点，而通态电压(VCESAT(V))和关断时间(tf(ns))的曲线越接近于原点，也就说明能同时保证低的通态压降和快的开关速度，能显著提高器件的性能，较好的实现通态特性和开关特性之间的协调关系。

Claims (4)

1.一种新型绝缘栅双极晶体管背面结构，其特征在于：在绝缘栅双极晶体管硅片背面从里至外依次连接有N型第二阻挡区、P型第二发射区、N型第一阻挡区以及P型第一发射区和集电极，其中，所述N型第二阻挡区的厚度在0～10μm，P型第二发射区的厚度在0.1～2μm，N型第一阻挡区的厚度在0.1～2μm，P型第一发射区的厚度在0.05～2μm。
2.根据权利要求1所述的新型绝缘栅双极晶体管背面结构，其特征在于：所述的N型第二阻挡区的厚度在0.1～5μm，P型第二发射区中的厚度在0.3～1.5μm，N型第一阻挡区的厚度在0.3～1.5μm，P型第一发射区中的厚度在0.1～0.5μm。
3.一种根据权利要求1所述的新型绝缘栅双极晶体管背面结构的制备方法，其特征在于：按以下步骤进行，
(1)、先将绝缘栅双极晶体管硅片正面工艺进行完毕；
(2)、将绝缘栅双极晶体管硅片背面进行减薄，并用去离子水冲洗；
(3)、将N型离子注入到硅片背面，所述的N型离子注入剂量为0～1E14/cm2，注入能量为0～600KeV，形成厚度在0～10μm的N型第二阻挡区；
(4)、将P型离子注入到硅片背面，其中，所述的P型离子注入剂量为1E12～1E15/cm2，能量为30～160KeV，形成厚度在0.1～2μm的P型第二发射区；
(5)、将N型离子注入到硅片背面，其中，所述的N型离子注入剂量为5E11～5E14/cm2，能量为30～160KeV，形成厚度在0.1～2μm的N型第一阻挡区；
(6)、将P型离子注入到硅片背面，其中，所述的P型离子注入剂量为1E14～5E15/cm2，能量为30～160KeV，形成厚度在0.05～2μm的P型第一发射区；
(7)、将硅片放入退火炉内进行退火；
(8)、对硅片背面溅射金属形成集电极.
4.根据权利要求3所述的新型绝缘栅双极晶体管背面结构的制备方法，其特征在于：所述的N型第二阻挡区的N型离子注入剂量为5E12/cm2～5E13/cm2，注入能量为250～500KeV，厚度在0.1～5μm，所述P型第二发射区中的P型离子注入剂量为1E13～5E14/cm2，能量为60～120KeV，制得的厚度在0.3～1.5μm；所述N型第一阻挡区中的N型离子注入剂量为5E12～1E14/cm2，能量为60～120KeV，制得的厚度在0.3～1.5μm；所述P型第一发射区中的P型离子注入剂量为8E14～3E15/cm2，能量为40～80KeV，制得的厚度在0.1～0.5μm。
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