CN103022099B - 一种igbt集电极结构及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种IGBT的集电极结构，包括N-型基区，还包括在N-型基区的背面形成的N+型缓冲层和P+型集电极层，所述N+型缓冲层的表面包括阵列式的岛状凸起部以及岛状凸起部之间的凹下部；P+型集电极层位于N+型缓冲层的岛状凸起部以及岛状凸起部之间的凹下部的表层。所述N+型缓冲层的阵列式的岛状凸起部和岛状凸起部之间的凹下部的面积比例能够根据IGBT器件的需要而调节设定。本发明还提出一种所述IGBT集电极结构的制备方法。本发明用于改善场截止型IGBT的性能。

Description

一种IGBT集电极结构及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种电子元件的结构，尤其是一种IGBT集电极结构。

背景技术

IGBT：绝缘栅型双极晶体管的首字母简称，一种压控型功率器件，作为高压开关被普遍应用。通常按照电场在漂移区内耗尽情况，分为穿通型和非穿通型，后随工艺发展又出现场截止型。如图1所示，为非穿通型（NPT）器件，其芯片设计厚度较厚，导致器件的饱和导通压降Vce(sat)较高，而且在器件关断时，存在载流子复合过程，关断时间较长，器件的动、静态性能都较差。如图2所示，为场截止型（FS）器件，由于在芯片设计中引入N+缓冲层（图2中的附图标记601所示）来截止电场，芯片设计厚度较薄，器件的Vce(sat)及开关性能均要优于NPT器件。目前由于其综合性能较好，场截止型IGBT正在逐步替代传统NPT型IGBT。但是传统的场截止型IGBT也有一些弱点，比如抗短路能力要比NPT型器件差，Vce(sat)虽然也是正温度系数，但是不如NPT型器件优异，不太适用于并联应用。

发明内容

本发明的目的是补充现有技术中存在的不足，提供一种IGBT的集电极结构，对于传统的场截止型IGBT的集电极结构进行了改进。采用了本结构的IGBT，一方面保留了普通FS型器件的优点，器件的动静态性能很好。同时，由于背面N+型缓冲层是凹凸分布，可以通过控制注入效率，进一步优化器件的动静态性能，另外，该设计可以提高器件的抗短路能力，改善Vce(sat)与温度的关系，使Vce(sat)为较强烈的正温度系数，更适用于并联应用。本发明采用的技术方案是：

一种IGBT的集电极结构，包括N-型基区，还包括在N-型基区的背面形成的N+型缓冲层和P+型集电极层，所述N+型缓冲层的表面包括阵列式的岛状凸起部以及岛状凸起部之间的凹下部；P+型集电极层位于N+型缓冲层的岛状凸起部以及岛状凸起部之间的凹下部的表层。

所述N+型缓冲层的阵列式的岛状凸起部和岛状凸起部之间的凹下部的面积比例能够根据IGBT器件的需要而调节设定。

一种IGBT的集电极结构的制备方法，包括以下步骤，

(a)首先根据设计目标选取合适的衬底材料，作为N-型基区的材料；将未减薄的N-型硅圆片作为衬底材料；

(b)将衬底材料减薄至需要的厚度，得到N-型基区；随后使用双扩散工艺，在N-型基区的两面各生长一层N+型层，得到正面N+型层和背面的N+型层；

(c)接着对正面N+型层进行保护，对背面的N+型层进行刻蚀，使得背面的N+型层呈现阵列式的岛状凸起部以及岛状凸起部之间的凹下部，成为N+型缓冲层；

(d)然后，对背面结构进行保护，进行正面结构的生成步骤，在此步骤中，先生成氧化层和多晶硅栅极，然后在正面N+型层上进行P+阱区的P型离子注入及N+源区的N型离子注入，并进行退火，形成P+阱区及N+源区，随后完成正面的金属化及钝化工作；

(e)最后，对正面结构进行保护，对背面的N+型缓冲层进行P型离子注入，通过激光退火或者低温退火，在背面的N+型缓冲层的表层形成一层P+型集电极层。

本发明的优点：1.背面的N+型缓冲层可以承受很强的耐压，可以用于超高压IGBT的电场截止层，或者降低同样耐压器件的厚度，提升综合性能。2.可以通过控制N+型缓冲层的阵列式的岛状凸起部和岛状凸起部之间的凹下部的面积比例，有效的控制器件的注入效率，从而来优化调节器件的动静态性能。3.器件的抗短路能力较好，同时也更适合于并联应用。

附图说明

图1为非穿通型IGBT结构图。

图2为场截止型IGBT结构图。

图3为本发明的衬底材料示意图。

图4为本发明的正面N+型层和背面的N+型层示意图。

图5为本发明的N+型缓冲层示意图。

图6为本发明的IGBT正面结构示意图。

图7为本发明的IGBT正面结构和背面的P+型集电极层示意图。

图8为本发明的IGBT背面的P+型集电极层示意图。

具体实施方式

下面结合具体附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图7、图8所示：

一种IGBT的集电极结构，包括N-型基区5，还包括在N-型基区5的背面形成的N+型缓冲层6和P+型集电极层7，所述N+型缓冲层6的表面包括阵列式的岛状凸起部以及岛状凸起部之间的凹下部；P+型集电极层7位于N+型缓冲层6的岛状凸起部以及岛状凸起部之间的凹下部的表层。

所述N+型缓冲层6的阵列式的岛状凸起部和岛状凸起部之间的凹下部的面积比例能够根据IGBT器件的需要而调节设定。

通常IGBT器件的制备包括正面工艺和背面工艺，然后在N-型基区上形成IGBT正面结构和IGBT背面结构（主要是指IGBT集电极结构）。本发明的IGBT正面结构和传统的场截止型IGBT相同，本发明主要对IGBT集电极结构（IGBT背面结构）做了改进，以改善传统的场截止型IGBT的性能。

如图7所示，IGBT正面结构包括发射极金属层1、氧化层2、多晶硅栅极3、正面N+型层4、N+源区8、P+阱区9。IGBT背面结构包含在N-型基区5的背面形成的N+型缓冲层6和P+型集电极层7。本发明的N+型缓冲层6和P+型集电极层7的形状经过优化改进设计。

下面结合图3至图8说明本IGBT的集电极结构的制备方法。

(a)首先根据设计目标选取合适的衬底材料，作为N-型基区5的材料；如图3所示，将未减薄的N-型硅圆片作为衬底材料；

(b)将衬底材料减薄至需要的厚度，得到N-型基区5；如图4所示，随后使用双扩散工艺，在N-型基区5的两面各生长一层N+型层，得到正面N+型层4和背面的N+型层；

(c)如图5所示，接着对正面N+型层4进行保护，对背面的N+型层进行刻蚀，使得背面的N+型层呈现阵列式的岛状凸起部以及岛状凸起部之间的凹下部，成为N+型缓冲层6；

(d)然后，如图6所示，对背面结构进行保护，进行正面结构的生成步骤，在此步骤中，先生成氧化层2和多晶硅栅极3，然后在正面N+型层4上进行P+阱区的P型离子注入及N+源区的N型离子注入，并进行退火，形成P+阱区9及N+源区8，随后完成正面的金属化及钝化工作；

(e)最后，如图7所示，对正面结构进行保护，对背面的N+型缓冲层6进行P型离子注入，通过激光退火或者低温退火，在背面的N+型缓冲层6的表层形成一层P+型集电极层7。所述P+型集电极层7为一薄层。

最后形成的IGBT集电极结构如图7和图8所示。

本方法中，对背面的N+型缓冲层6的形貌进行了控制，可以通过调整N+型缓冲层6的阵列式的岛状凸起部和岛状凸起部之间的凹下部的面积比例，来有效的调整P+型集电极层7的P型离子注入效率，来优化器件的动静态性能。

背面的N+型缓冲层6可以承受很强的耐压，可以用于超高压IGBT的电场截止层，或者降低同样耐压器件的厚度，提升综合性能。

N-型基区5两面的N+型层，可以在所有工艺大部分工艺开始之前进行加工，可以有效的控制N+型层的厚度、浓度，更加容易设计，实现。

采用了本结构的IGBT，一方面保留了普通FS型器件的优点，器件的动静态性能很好。同时，由于背面的N+型缓冲层6是凹凸分布，可以通过控制注入效率，进一步优化器件的动静态性能，另外，该设计可以提高器件的抗短路能力较好，改善Vce(sat)与温度的关系，使Vce(sat)为较强烈的正温度系数，更适用于并联应用。

Claims (1)

1.一种IGBT的集电极结构的制备方法，所述IGBT的集电极结构，包括N-型基区(5)，以及在N-型基区(5)的背面形成的N+型缓冲层(6)和P+型集电极层(7)，所述N+型缓冲层(6)的表面包括阵列式的岛状凸起部以及岛状凸起部之间的凹下部；P+型集电极层(7)位于N+型缓冲层(6)的岛状凸起部以及岛状凸起部之间的凹下部的表层；其特征在于：所述方法包括以下步骤，

(a)首先根据设计目标选取合适的衬底材料，作为N-型基区(5)的材料；将未减薄的N-型硅圆片作为衬底材料；

(b)将衬底材料减薄至需要的厚度，得到N-型基区(5)；随后使用双扩散工艺，在N-型基区(5)的两面各生长一层N+型层，得到正面N+型层(4)和背面的N+型层；

(c)接着对正面N+型层(4)进行保护，对背面的N+型层进行刻蚀，使得背面的N+型层呈现阵列式的岛状凸起部以及岛状凸起部之间的凹下部，成为N+型缓冲层(6)；

(d)然后，对背面结构进行保护，进行正面结构的生成步骤，在此步骤中，先生成氧化层(2)和多晶硅栅极(3)，然后在正面N+型层(4)上进行P+阱区的P型离子注入及N+源区的N型离子注入，并进行退火，形成P+阱区(9)及N+源区(8)，随后完成正面的金属化及钝化工作；

(e)最后，对正面结构进行保护，对背面的N+型缓冲层(6)进行P型离子注入，通过激光退火，在背面的N+型缓冲层(6)的表层形成一层P+型集电极层(7)。