CN103839987A - 功率器件-mpt-ti-igbt的结构及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种功率器件-MPT-TI-IGBT的结构,正面结构包括漂移区、栅极、栅氧、发射区、包围在发射区下部将发射区与漂移区隔开的基区、及重掺杂区,所述发射区和重掺杂区与发射极连接,所述发射区和漂移区与栅极连接,所述栅极通过栅氧与半导体区域绝缘;背面结构包括集电区、短路区、及位于漂移区下方的微穿通区,所述集电区和短路区相间分布的结构与集电极金属相连引出集电极。本发明提供的一种功率器件-MPT-TI-IGBT不仅关断速度快,而且可以降低器件的导通压降及通态损耗。

Description

功率器件-MPT-TI-IGBT的结构及其制备方法
技术领域
本发明涉及半导体器件,特别涉及一种功率器件-MPT-TI-IGBT的结构及其制备方法。
背景技术
VDMOS器件的背面是N型半导体,属于单极器件,开关速度快,但是随着耐压的增加,器件的导通压降迅速增大。IGBT器件的背面是P型半导体,在导通时P型集电极会注入大量的空穴,从而发生电导调制效应,降低了导通压降。但另一方面由于注入了大量少子,器件关断时需要将过剩的少子复合掉,这导致器件关断较慢。传统的技术是以比较厚的硅片为基础的,在关断期间整个衬底中电场强度线性下降,最后到零。这种电场分布对应的杂质浓度分布是一种很差的分布,意味着导通状态下导通电阻相当大,器件的饱和压降VCE较高,通态损耗大。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种关断速度快、功耗小的功率器件-MPT-TI-IGBT的结构及其制备方法
为解决上述技术问题,本发明提供了一种功率器件-MPT-TI-IGBT的结构,正面结构包括漂移区、栅极、栅氧、发射区、包围在发射区下部将发射区与漂移区隔开的基区、及重掺杂区,所述发射区和重掺杂区分别与发射极连接,所述发射区和漂移区分别与栅极连接,所述栅极通过栅氧与半导体区域绝缘;背面结构包括集电区、短路区、及位于漂移区下方的微穿通区,所述集电区和短路区相间分布的结构与集电极金属相连引出集电极。
本发明还提供了一种功率器件-MPT-TI-IGBT的制备方法:在完成器件的正面结构后,先在漂移区下面制备微穿通区,然后通过两次光刻,注入P型掺杂或N型掺杂,制作集电区和短路区,最后背面金属化形成集电极金属。
所述制备微穿通区包括:在P型衬底上外延一层微穿通区。
所述制备微穿通区包括:先取N型衬底半导体做为漂移区,然后减薄后从背面注入第一导电类型的杂质,并扩散形成微穿通区。
所述制备微穿通区包括:先完成器件的正面工艺,将硅片从背面减薄后,从背面注入第一导电类型的杂质,并扩散形成微穿通区。
制备功率器件-MPT-TI-IGBT的另一种方法:在完成器件的正面结构后,在漂移区下面制备微穿通区后先整体注入P型掺杂或N型掺杂,然后掩膜,光刻掉部分区域的Si至杂质射程外的深度后,再注入N型掺杂或P型掺杂后退火形成短路区或集电区,最后背面金属化形成集电极金属。
所述制备微穿通区包括:在P型衬底上外延一层微穿通区。
所述制备微穿通区包括:先取N型衬底半导体做为漂移区,然后减薄后从背面注入N型掺杂并扩散形成微穿通区。
所述制备微穿通区包括:先完成器件的正面工艺,将硅片从背面减薄后,从背面注入第一导电类型的杂质,并扩散形成微穿通区。
本发明提供的功率器件-MPT-TI-IGBT,在功率器件TI-IGBT的基础上,采用了MPT技术,即在集电极与漂移区之间加入第一导电类型的微穿通区,可以使功率器件TI-IGBT的电压阻断能力与衬底厚度不再有关系,基区可以明显减薄,这就使得IGBT具有更低的导通电阻、饱和压降、以及更低的通态损耗。而且又能降低该发射结的注入系数,以抑制“晶闸管效应”,同时,在硬开关应用时,微穿通区还具有另一个优越性,即它能比传统IGBT关断更快,基本没有电流拖尾,这就减少了功率损耗,因为电流拖尾造成的功耗在总开关损耗中占有不少比例。
附图说明
图1为本发明实施例提供的功率器件MPT-TI-IGBT的平面型结构示意图。
图2为本发明实施例提供的功率器件MPT-TI-IGBT的沟槽型结构示意图。
图3为本发明实施例一提供的制备功率器件MPT-TI-IGBT步骤中用掩膜定义光刻胶形状后注入N型掺杂(或P型掺杂)的示意图。
图4为本发明实施例一提供的制备功率器件MPT-TI-IGBT步骤中去胶退火后形成第一(或第二)导电类型的短路区(或集电区)的示意图。
图5为本发明实施例一提供的制备功率器件MPT-TI-IGBT步骤中用掩膜定义光刻胶形状后注入P型掺杂(或N型掺杂)的示意图。
图6为本发明实施例一提供的制备功率器件MPT-TI-IGBT步骤中去胶退火后形成第二(或第一)导电类型的集电区(或短路区)的示意图。
图7为本发明实施例一提供的制备功率器件MPT-TI-IGBT步骤中背面金属化示意图。
图8为本发明实施例二提供的制备功率器件MPT-TI-IGBT步骤中整个硅片背面注入P型掺杂(或N型掺杂)的示意图。
图9为本发明实施例二提供的制备功率器件MPT-TI-IGBT步骤中退火后在整个硅片上形成第一(或第二)导电类型的短路区(或集电区)的示意图。
图10为本发明实施例二提供的制备功率器件MPT-TI-IGBT步骤中用掩膜定义光刻胶并在硅片部分区域保留短路区(或集电区)的示意图。
图11为本发明实施例二提供的制备功率器件MPT-TI-IGBT步骤中注入N型掺杂(或P型掺杂)后去胶退火形成第二(或第一)导电类型的集电区(或短路区)的示意图。
图12为本发明实施例二提供的制备功率器件MPT-TI-IGBT步骤中背面金属化的示意图。
具体实施方式
参见图1,本发明实施例提供的一种功率器件MPT-TI-IGBT的结构,正面结构包括漂移区106、栅极101、栅氧102、发射区104、包围在发射区下部将发射区与漂移区隔开的基区103、及重掺杂区105,发射区104和重掺杂区105分别与发射极连接,发射区104和漂移区106分别与栅极101连接,栅极101为平面栅,位于半导体表面,栅极101通过栅氧102与半导体区域绝缘;背面结构包括集电区109、短路区108、及位于漂移区106下方的微穿通区107,集电区109和短路区108相间分布的结构与集电极金属相连引出集电极。
参见图2,栅极101也可位于沟槽内部,通过热氧化生长在沟槽侧壁的栅氧102与底部的二氧化硅薄层一起将栅极101与半导体区域绝缘。
本发明提供的功率器件-MPT-TI-IGBT的制备方法:通过常规工艺完成器件的正面结构后,先在漂移区106下面制备微穿通区,然后通过两次光刻,分别刻出集电区109窗口和短路区108窗口,再分别注入N型掺杂(或P型掺杂)后退火形成短路区108和集电区109,最后背面金属化;也可以先整体注入P型掺杂(或N型掺杂),然后掩膜,光刻掉部分区域的Si至杂质射程外的深度后,再注入N型掺杂(或P型掺杂)后退火形成短路区108或集电区109,最后背面金属化。
实施例一:
正面工艺完成后将硅片从背面减薄后,在漂移区106下面形成微穿通层107;
参见图3,用掩膜定义光刻胶402形状后注入N型掺杂(或P型掺杂)401;
参见图4,去胶退火后形成第一(或第二)导电类型的短路区108(或集电区109);
参见图5,用掩膜定义光刻胶404形状后注入P型掺杂(或N型掺杂)403;
参见图6,去胶退火后形成第二(或第一)导电类型的集电区109(或短路区108);
参见图7,最后背面金属化,形成集电极金属301。
实施例二:
正面工艺完成后将硅片从背面减薄后,在漂移区106下面形成微穿通层107;
参见图8,整个硅片背面注入N型掺杂(或P型掺杂)401;
参见图9,退火后在整个硅片上形成第一(或第二)导电类型的短路区108(或集电区109);
参见图10,用掩膜定义光刻胶并刻蚀掉部分注入杂质404的第一(或第二)导电类型的短路区108(或集电区109),只在硅片部分区域保留第一(或第二)导电类型的短路区108(或集电区109);
参见图11,注入P型掺杂(或N型掺杂)403后去胶退火形成第二(或第一)导电类型的集电区109(或短路区108),注入杂质后退火形成短路区108(或集电区109);
参见图12,最后背面金属化,形成集电极金属301。
其中,制备微穿通区可以有如下三种方案:
方案一、外延
在P型衬底上外延一层微穿通区107,然后再进行其它的工艺。
方案二、正面工艺前通过背面注入形成
先取N型衬底半导体做为漂移区106,然后减薄后从背面注入N型掺杂并扩散形成微穿通区107。
方案三、正面工艺完成后通过背面注入形成
先完成正面的器件工艺,将硅片从背面减薄后,从背面注入N型掺杂并扩散形成微穿通区107。
本发明提供的一种MPT-TI-IGBT器件,一方面是在集电区109和短路区108与漂移区106之间加入微穿通区107,它是通过高能离子注入形成的,其掺杂浓度比漂移区106的浓度高,使得电场在其中的分布呈斜角梯形分布,衬底的电场强度在这微穿通区107中基本降到零,从而使IGBT的电压阻断能力与衬底厚度不再有关系,基区103可以明显减薄,这就使得IGBT具有更低的导通电阻、饱和压降、以及更低的通态损耗;并且又能降低该发射极的注入系数,以抑制“晶闸管效应”;同时,在硬开关应用时,微穿通区107还具有另一个优越性,即它能比传统IGBT关断更快,基本没有电流拖尾,这就减少了功率损耗,因为电流拖尾造成的功耗在总开关损耗中占有不少比例。
最后所应说明的是,以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制,尽管参照实例对本发明进行了详细说明,本领域的普通技术人员应当理解,可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换,而不脱离本发明技术方案的精神和范围,其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (9)

1.一种功率器件-MPT-TI-IGBT的结构,其特征在于:正面结构包括漂移区、栅极、栅氧、发射区、包围在发射区下部将发射区与漂移区隔开的基区、及重掺杂区,所述发射区和重掺杂区分别与发射极连接,所述发射区和漂移区分别与栅极连接,所述栅极通过栅氧与半导体区域绝缘;背面结构包括集电区、短路区、及位于漂移区下方的微穿通区,所述集电区和短路区相间分布的结构与集电极金属相连引出集电极。
2.一种权利要求1所述的功率器件-MPT-TI-IGBT的制备方法,其特征在于,包括:在完成器件的正面结构后,先在漂移区下面制备微穿通区,然后通过两次光刻,注入P型掺杂或N型掺杂,制作集电区和短路区,最后背面金属化形成集电极金属。
3.根据权利要求2所述的功率器件-MPT-TI-IGBT的制备方法,其特征在于,所述制备微穿通区包括:
在P型衬底上外延一层微穿通区。
4.根据权利要求2所述的功率器件-MPT-TI-IGBT的制备方法,其特征在于,所述制备微穿通区包括:
先取N型衬底半导体作为漂移区,然后减薄后从背面注入第一导电类型的杂质,并扩散形成微穿通区。
5.根据权利要求2所述的功率器件-MPT-TI-IGBT的制备方法,其特征在于,所述制备微穿通区包括:
先完成器件的正面工艺,将硅片从背面减薄后,从背面注入第一导电类型的杂质,并扩散形成微穿通区。
6.一种权利要求1所述的功率器件-MPT-TI-IGBT的制备方法,其特征在于,包括:在完成器件的正面结构后,先在漂移区下面制备微穿通区,整体注入P型掺杂或N型掺杂,然后掩膜,光刻掉部分区域的Si至杂质射程外的深度后,再注入N型掺杂或P型掺杂后退火形成短路区或集电区,最后背面金属化。
7.根据权利要求6所述的功率器件-MPT-TI-IGBT的制备方法,其特征在于,所述制备微穿通区包括:
在P型衬底上外延一层微穿通区。
8.根据权利要求6所述的功率器件-MPT-TI-IGBT的制备方法,其特征在于,所述制备微穿通区包括:
先取N型衬底半导体做为漂移区,然后减薄后从背面注入第一导电类型杂质,并扩散形成微穿通区。
9.根据权利要求6所述的功率器件-MPT-TI-IGBT的制备方法,其特征在于,所述制备微穿通区包括:
先完成器件的正面工艺,将硅片从背面减薄后,从背面注入第一导电类型的杂质,并扩散形成微穿通区。
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