CN102945858B - 具有场截止缓冲层的igbt器件及制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种场截止缓冲层，形成在IGBT器件中，包括：N型衬底；以及P型埋层，形成在N型衬底中。本发明还提供一种具有场截止缓冲层的IGBT器件，包括：场截止缓冲层，场截止缓冲层包括N型衬底和形成在N型衬底中的P型埋层；N-外延层，形成在N型衬底表面上；IGBT正面结构，形成在N-外延层表面上；阳极空穴发射区，形成在远离N-外延层的N型衬底的背面上；以及背面阳极集电极，形成在阳极空穴发射区上。本发明又提出一种具有场截止缓冲层的IGBT器件的制造方法，通过增加场截止缓冲层厚度以及调整P型埋层与N型衬底之间的浓度和厚度，以提高IGBT器件的电流密度，降低导通损耗。
Description
技术领域
本发明属于功率半导体器件技术领域，尤其涉及一种具有场截止缓冲层的IGBT器件及制造方法。
背景技术
绝缘栅双极型晶体管(IGBT)是一种常用的通过电压控制的功率开关器件，具有输入电容大、输入阻抗高、驱动电流小、速度快、耐压高、热稳定性强、工作温度高、控制电路简单等特点，现阶段已经成为电力电子装置的主流器件。
IGBT器件从20世纪80年代发明至今，经历了PT(穿通)型，具有N+缓冲层的PT(穿通)型，以及NPT(非穿通)型等场截止(FS)型IGBT等一系列的演变，IGBT芯片的厚度也从初期的300um减小至现在的70um左右，芯片加工工艺，尤其薄片加工工艺要求越来越高。
IGBT器件作为现代电力电子装置的主流器件，在开关电源、整流器、逆变器、UPS(不断电系统)以及感应加热等领域有着广泛的应用。早期的IGBT器件在器件关断时存在拖尾电流引起的关断时间较长、工作频率无法进一步提升的问题。后续经不断的努力，发展出了最新的场截止(FS)型IGBT，以现有600V场截止型IGBT器件为例，其制造方法为：提供一N-外延层，在所述N-外延层的表面上形成IGBT正面结构，减薄所述N-外延层至60-70um后，向远离IGBT正面结构的所述N-外延层的背面上注入N型杂质，形成场截止N型缓冲层，在所述场截止N型缓冲层上形成阳极空穴发射区，在所述阳极空穴发射区上形成背面阳极集电极。因此，现有600V场截止型IGBT器件的典型厚度在60-80um之间，尤其所述N-外延层的厚度为60-70um，减薄后的所述N-外延层在后续加工工艺中，容易损坏，增加了后续工艺加工难度。虽然这种场截止型IGBT基本解决了IGBT器件存在的关断时间过长的问题，其关断时间及关断损耗已经小于其导通损耗。但是，在整个IGBT器件应用过程中，由于所述场截止N型缓冲层的厚度却在2-10um之间，其导通损耗占了较大的比重的问题却变的日益突出，不可再被忽略。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有场截止缓冲层的IGBT器件及制造方法，以提高IGBT器件的电流密度，降低导通损耗。
为了解决上述问题，本发明提供一种场截止缓冲层，形成在IGBT器件中，包括：N型衬底；以及P型埋层，形成在所述N型衬底中。
优选的，所述N型衬底为直拉单晶法的N型〈100〉衬底。
优选的，所述P型埋层掺杂的浓度与N型衬底掺杂的浓度在同一数量级。
优选的，所述N型衬底的厚度为15-40um，电阻率为1.0-10.0Ω·cm。
优选的，所述P型埋层的厚度为5-20um，电阻率为1.0-10.0Ω·cm，且距离所述N型衬底的上边界的间距大于2um。
根据本发明的另一方面，提供一种具有场截止缓冲层的IGBT器件，包括：
场截止缓冲层，所述场截止缓冲层包括N型衬底和形成在所述N型衬底中的P型埋层；
N-外延层，形成在所述N型衬底表面上；
IGBT正面结构，形成在所述N-外延层表面上；
阳极空穴发射区，形成在远离所述N-外延层的N型衬底的背面上；以及
背面阳极集电极，形成在所述阳极空穴发射区上。
优选的，所述N型衬底为直拉单晶法的N型〈100〉衬底。
优选的，所述P型埋层掺杂的浓度与N型衬底掺杂的浓度在同一数量级。
优选的，所述N型衬底的厚度为15-40um，电阻率为1.0-10.0Ω·cm。
优选的，所述P型埋层的厚度为5-20um，电阻率为1.0-10.0Ω·cm，且距离所述N型衬底的上边界的间距大于2um。
优选的，所述N-外延层的电阻率为20.0-60.0Ω·cm，厚度为30.0-100.0um。
根据本发明的又一方面，提供一种具有场截止缓冲层的IGBT器件的制造方法，包括：
提供一N型衬底，在所述N型衬底中形成P型埋层后，形成一场截止缓冲层；
在所述场截止缓冲层上生长N-外延层；
在所述N-外延层上形成一IGBT正面结构；
减薄所述N型衬底，在远离所述N-外延层的N型衬底的背面上进行P型杂质注入后，采用第一退火工艺，形成阳极空穴发射层；
在所述阳极空穴发射层上淀积金属层，形成背面阳极集电极。
优选的，所述N型衬底为直拉单晶法的N型〈100〉衬底。
进一步的，在所述N型衬底中形成P型埋层的步骤包括：
在所述N型衬底上形成一埋层氧化层；
在所述埋层氧化层中形成一光阻层；
采用光刻工艺，在所述光阻层中形成埋层窗口；
向所述埋层窗口进行P型离子注入后，采用第二退火工艺，形成P型埋层，去除埋层氧化层和光阻层。
进一步的，所述P型离子为硼，注入能量为60-2000KeV，注入剂量为1E12-5E15cm-3。
进一步的，所述第二退火工艺的条件为：退火温度为1100-1250℃，退火时间为1-5小时。
优选的，所述P型埋层的电阻率为1.0-10.0Ω·cm，厚度为5-20um，且距离所述N型衬底的上边界的间距大于5um。
优选的，所述N-外延层的电阻率为20.0-60.0Ω·cm，厚度为30.0-100.0um。
优选的，减薄后的所述N型衬底的厚度为15-40um。
优选的，所述P型杂质为硼，注入能量为60-120KeV，注入剂量为5E13-2E15cm-3。
优选的，所述第一退火工艺的条件为：退火温度为500℃，退火氛围为氮气，退火时间为0.5-2小时。
由上述技术方案可见，本发明在提供的N型衬底中形成P型埋层后，由所述N型衬底和P型埋层形成了场截止缓冲层，在所述场截止缓冲层上生长N-外延层，在所述N-外延层上形成了IGBT正面结构，再减薄所述N型衬底，在远离所述N-外延层的N型衬底的表面上进行P型杂质注入后，采用第一退火工艺形成阳极空穴发射层，以及在所述阳极空穴发射层上淀积金属层形成背面阳极集电极。因此，本发明具有以下有益效果：
1.提供的N型衬底较厚，在较厚的N型衬底中形成P型埋层后，形成的场截止缓冲层可以具有比传统的场截止型IGBT器件更厚的场截止区域，因此在得到同样性能的条件下，使得IGBT芯片厚度增加，可降低由于现有IGBT器件中减薄N-外延层后导致的加工工艺要求，可用常规工艺来实现N型衬底的加工，提高工艺可实施性。
2.本发明中的场截止缓冲层中的内嵌P型埋层与N型衬底之间形成的自建电场能够减缓集电极注入过来的空穴的漂移，在P型埋层附近形成空穴的积累，提高器件导通时IGBT器件阳极区域的空穴少子浓度，从而提高电流密度，降低IGBT器件的饱和压降，减少IGBT器件导通损耗，进而改善IGBT器件的导通特性。
3.本发明在较厚的N型衬底中形成P型埋层后，预留出较大的N型衬底，不仅增加了场截止缓冲层的厚度，且仍预留出较大的场截止缓冲层，保持了传统的场截止型IGBT器件的拖尾小，关断时间短的优点，并进一步地减少了IGBT器件导通时的上升时间和关断损耗。
附图说明
图1为本发明具有场截止缓冲层的IGBT器件的制造方法流程；
图2至图7为本发明具有场截止缓冲层的IGBT器件的制造方法；
图8为本发明IGBT器件与传统场截至型IGBT器件输出特性对照图；
图9为本发明IGBT器件与传统场截至型IGBT器件导通特性对照图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。
参见图7，本发明提供一种场截止缓冲层，形成在IGBT器件中，包括：N型衬底100；以及P型埋层108，形成在所述N型衬底100中。
参见图7，本发明还提供一种具有场截止缓冲层的IGBT器件，包括：场截止缓冲层，所述场截止缓冲层包括N型衬底100和形成在所述N型衬底100中的P型埋层108；N-外延层112，形成在所述N型衬底100表面上；IGBT正面结构128，形成在所述N-外延层112表面上；阳极空穴发射区130，形成在远离所述N-外延层112的N型衬底100的背面上；以及背面阳极集电极132，形成在所述阳极空穴发射区130上。
参见图1，结合图2至图7，本发明提供一种具有场截止缓冲层的IGBT器件的制造方法，包括：
S1：提供一N型衬底，在所述N型衬底中形成P型埋层后，形成一场截止缓冲层。
参见图2，提供一N型衬底100，所述N型衬底100为直拉单晶法的N型〈100〉衬底，所述N型衬底100的电阻率为1.0-10.0Ω·cm。
在所述N型衬底100上形成一厚度为0.2-0.6um的埋层氧化层102；在所述埋层氧化层102上形成一光阻层104，采用光刻工艺去除部分所述光阻层104，在去除部分所述光阻层104的区域形成埋层窗口106，以留下的所述光阻层104为掩膜层，向所述埋层窗口106进行P型离子注入，所述P型离子为硼，注入能量为60-2000KeV，注入剂量为1E12-5E15cm-3，其后，在退火温度为1100-1250℃，退火时间为1-5小时的第二退火工艺下，形成P型埋层108，去除所述光阻层104和埋层氧化层102，如图3所示，由所述N型衬底100和P型埋层108形成了场截止缓冲层110。当采用电阻率为5Ω*cm的N型衬底100，在所述N型衬底100的基础上进行注入能量为1200KeV、注入剂量为5E12cm-3的硼离子注入，并在退火温度为1250℃、退火时间为4小时的条件下，可以得到厚度大于10um的P型埋层108，且所述P型埋层108的掺杂浓度与所述N型衬底100接近，以此类推，通过不同的工艺条件的组合，可获得不同的所述P型埋层108及N型衬底100浓度及厚度匹配关系，以便适应不同的产品需求。
所述P型埋层108掺杂的浓度与N型衬底100掺杂的浓度在同一数量级，所以所述P型埋层108的电阻率也为1.0-10.0Ω·cm，厚度为5-20um，且距离所述N型衬底100的上边界的间距D大于2um。
S2：在所述场截止缓冲层上生长N-外延层。
参见图4，在所述场截止缓冲层110上生长N-外延层112，作为IGBT器件的元胞主要形成区域。所述N-外延层112的电阻率为20.0-60.0Ω·cm，厚度为30.0-100.0um。
在步骤S1之后、步骤S2之前，还可用1：10-1：20的HF酸进行清洗。
S3：在所述N-外延层上形成一IGBT正面结构。
参见图5，在所述N-外延层112上，通过形成IGBT分压环(图中未示)、P阱114、P+区域116、N+发射区118、隔离氧化层120、多晶硅栅122、介质层123(Boro-phospho-silicate-glass，BPSG)、金属引线孔124和正面金属发射极126及钝化保护层和压点窗口，形成业界熟知的IGBT正面结构128。
S4：减薄所述N型衬底，在远离所述N-外延层的N型衬底的背面上进行P型杂质注入后，采用第一退火工艺，形成阳极空穴发射层。
参见图6，对形成有IGBT器件正面结构128的所述N型衬底100进行减薄至所需厚度，减薄后的所述N型衬底的厚度为15-40um，以600V IGBT器件为例，IGBT硅片厚度可减薄至100-110um之间。
然后在远离所述N-外延层的N型衬底的背面上进行P型杂质注入，注入离子为硼，注入能量为60-120KeV，注入剂量在5E13～2E15cm-3之间，再在退火温度为500℃，退火氛围为氮气(N2)，退火时间为0.5-2小时的第一退火工艺下，形成阳极空穴发射区130。
S5：在所述阳极空穴发射层上淀积金属层，形成背面阳极集电极。
参见图7，在所述阳极空穴发射区130上淀积金属层，所述金属层可采用在本领域已公开或已知的任意结构，形成背面阳极集电极132。
因此，本发明提供的N型衬底较厚，在较厚的N型衬底中形成P型埋层后，形成的场截止缓冲层可以具有比传统的场截止型IGBT器件更厚的场截止区域，通过对场截止缓冲层中的N型衬底、P型埋层及N-外延层的电阻率及厚度的匹配，可在得到同样性能的条件下，使得IGBT芯片厚度增加，从而降低了现有的IGBT器件中减薄N-外延层后导致的加工工艺要求，可用常规工艺来实现N型衬底的加工，提高工艺可实施性。
此外，参见图8，横坐标为背面阳极集电极132电压，纵坐标为电流密度，所述自建电场能够减缓背面阳极集电极132注入过来的空穴的漂移，在阳极空穴发射区130附近形成空穴的积累，提高器件导通时IGBT器件阳极区域的空穴少子浓度，从而提高电流密度，在电流密度一定时，降低IGBT器件的饱和压降，背面阳极集电极132输出电压小，减少IGBT器件导通损耗，进而改善IGBT器件的导通特性。
另外，参见图9，横坐标为IGBT器件关断时间(纳秒级别)，纵坐标为电流密度，所述N-外延层的厚度保持不变，却增加了N型衬底的厚度，其600VIGBT器件的厚度可达100-110um左右，且在较厚的N型衬底中形成P型埋层后，仍预留出较大的N型衬底，因此，不仅增加了场截止缓冲层的厚度，且仍预留出较大的场截止缓冲层，保持了传统的场截止型IGBT器件的拖尾小，关断时间短的优点，并进一步地减少了IGBT器件导通时的上升时间和关断损耗。
本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定权利要求，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改，因此本发明的保护范围应当以本发明权利要求所界定的范围为准。
Claims (16)
1.一种具有场截止缓冲层的IGBT器件，包括：
场截止缓冲层，所述场截止缓冲层包括N型衬底和形成在所述N型衬底中的P型埋层；
N-外延层，形成在所述N型衬底表面上；
IGBT正面结构，形成在所述N-外延层表面上；
阳极空穴发射区，形成在远离所述N-外延层的N型衬底的背面上；以及
背面阳极集电极，形成在所述阳极空穴发射区上。
2.如权利要求1所述的具有场截止缓冲层的IGBT器件，其特征在于，所述N型衬底为直拉单晶法的N型〈100〉衬底。
3.如权利要求1所述的具有场截止缓冲层的IGBT器件，其特征在于，所述P型埋层掺杂的浓度与N型衬底掺杂的浓度在同一数量级。
4.如权利要求1所述的具有场截止缓冲层的IGBT器件，其特征在于，所述N型衬底的厚度为15-40um，电阻率为1.0-10.0Ω·cm。
5.如权利要求1所述的具有场截止缓冲层的IGBT器件，其特征在于，所述P型埋层的厚度为5-20um，电阻率为1.0-10.0Ω·cm，且距离所述N型衬底的上边界的间距大于2um。
6.如权利要求1所述的具有场截止缓冲层的IGBT器件，其特征在于，所述N-外延层的电阻率为20.0-60.0Ω·cm，厚度为30.0-100.0um。
7.一种具有场截止缓冲层的IGBT器件的制造方法，包括：
提供一N型衬底，在所述N型衬底中形成P型埋层后，形成一场截止缓冲层；
在所述场截止缓冲层上生长N-外延层；
在所述N-外延层上形成一IGBT正面结构；
减薄所述N型衬底，在远离所述N-外延层的N型衬底的背面上进行P型杂质注入后，采用第一退火工艺，形成阳极空穴发射层；
在所述阳极空穴发射层上淀积金属层，形成背面阳极集电极。
8.如权利要求7所述的制造方法，其特征在于，所述N型衬底为直拉单晶法的N型〈100〉衬底。
9.如权利要求7所述的制造方法，其特征在于，在所述N型衬底中形成P型埋层的步骤包括：
在所述N型衬底上形成一埋层氧化层；
在所述埋层氧化层中形成一光阻层；
采用光刻工艺，在所述光阻层中形成埋层窗口；
向所述埋层窗口进行P型离子注入后，采用第二退火工艺，形成P型埋层，去除埋层氧化层和光阻层。
10.如权利要求9所述的制造方法，其特征在于，所述P型离子为硼，注入能量为60-2000KeV，注入剂量为1E12-5E15cm-3。
11.如权利要求9所述的制造方法，其特征在于，所述第二退火工艺的条件为：退火温度为1100-1250℃，退火时间为1-5小时。
12.如权利要求7所述的制造方法，其特征在于，所述P型埋层的电阻率为1.0-10.0Ω·cm，厚度为5-20um，且距离所述N型衬底的上边界的间距大于5um。
13.如权利要求7所述的制造方法，其特征在于，所述N-外延层的电阻率为20.0-60.0Ω·cm，厚度为30.0-100.0um。
14.如权利要求7所述的制造方法，其特征在于，减薄后的所述N型衬底的厚度为15-40um。
15.如权利要求7所述的制造方法，其特征在于，所述P型杂质为硼，注入能量为60-120KeV，注入剂量为5E13-2E15cm-3。
16.如权利要求7所述的制造方法，其特征在于，所述第一退火工艺的条件为：退火温度为500℃，退火氛围为氮气，退火时间为0.5-2小时。
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