CN103996704B - 一种具有精确检测功能的igbt及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种具有精确检测功能的IGBT及其制造方法。所述IGBT器件包括：主器件区域、被主器件区域包围的检测区域、隔离主器件区域和检测区域的隔离区域。所述IGBT检测区域栅电极通过隔离区域栅电极与主器件区域栅电极相连；第二导电类型隔离区域体区与第二导电类型主器件区域体区及第二导电类型检测区域体区均无电性连通；第二导电类型隔离区域体区与主器件区域发射极金属和检测区域发射极金属均无电性连通；第二导电类型隔离区域体区结深等于或大于第二导电类型主器件区域体区结深。本发明的IGBT器件有效的减少了隔离区域对检测信号的影响，提高了检测信号精度，并且与现有工艺完全兼容，不增加任何制造成本。

Description

一种具有精确检测功能的IGBT及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种IGBT及其制造方法，尤其是一种具有精确检测功能的IGBT及其制造方法。

背景技术

绝缘栅双极型晶体管(Insulated gate bipolar transistor，以下简称IGBT)具有场效应晶体管的高输入阻抗和双极型晶体管的电流驱动能力，特别适合作为电源开关器件使用，尤其是作为大电流开关器件或功率模块使用。

在大电流IGBT开关器件或功率模块中，为防止IGBT短路和类似原因造成的过电流烧毁问题，广泛的采用了一种方法，制造具有检测功能的IGBT器件，并基于该检测电流信号来控制IGBT器件栅极，从而进一步控制流经IGBT的电流。在用于防止IGBT器件过流的一般检测方法中，电流检测电阻与IGBT器件中的电流检测部分相串联，并检测由穿过该电流检测电阻器的检测电流所引起的电势差；当IGBT器件中电流突然增大时，该电势差会急剧增大，可以用于触发报警，或启动保护电路，因此可以防止IGBT器件或模块被破坏。

以最常见的N沟道矩形栅IGBT为例，传统的具有电流检测功能的IGBT设计如图1A、图1B所示，带有电流检测功能的IGBT芯片，一般包含：主器件区域101；从该主器件区域部分分割的、与主器件区域共用栅极和集电极的，并且尺寸很小的电流检测区域103；隔离主器件区域和电流检测区域的隔离区域102。

主器件区域的P型体区13和隔离区域及电流检测器件区域的P型体区13电性相连，如图1B所示；主器件区域与电流检测区域栅极17电性连通；主器件区域与电流检测区域共用集电极10；主器件区域发射极金属15与检测区域发射极金属16彼此独立。利用主器件区域与电流检测区域的面积比例，可以通过电流检测区域的检测电流，估算主器件区域的实际电流。该方式设计简单，但存在问题在于：由于电流检测区域面积往往较小，而在高压大电流器件或模块中，隔离区域宽度一般较大，隔离区域面积已经与电流检测区域面积具备可比性；当IGBT处于导通状态时，背面空穴通过漂移层被P型体区收集，并分别流至主器件区域发射极和电流检测区域发射极。但由于隔离区域表面没有金属接触，隔离区域的P型体区收集到的空穴，既有流向主器件区域的，也有流向电流检测区域的，并且随着温度变化引起的空穴电流比例变化，这部分电流的具有很大的不确定性，造成电流检测区域的检测信号不能精确反映主器件区域电流，检测信号精确度不高。

因此，为了更好的提高IGBT器件和模块中IGBT的电流检测精度，有必要进一步优化现有的IGBT电流检测设计。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中存在的不足，提供一种具有精确检测功能的IGBT及其制造方法，提高电流检测精度，并且器件设计及工艺简单，与现有技术完全兼容，不增加工艺成本的。

本发明的技术方案如下：

一种具有精确检测功能的IGBT，在所述IGBT器件第一主面的俯视平面上，包含主器件区域、检测区域以及隔离区域；所述主器件区域包含主器件栅电极接触和主器件发射电极接触及终端保护结构；所述检测区域被主器件区域包围，包含检测区域发射极电极；所述隔离区域将主器件区域和检测区域隔离；

所述IGBT器件的截面上，半导体基板具有两个相对的主面，所述主面包括第一主面与第二主面，半导体基板的第一主面与第二主面间包括第一导电类型漂移层；所述半导体基板的第二主面含有被主器件区域和检测器件区域共用的集电极金属，所述集电极金属与第一导电类型漂移层之间设置有第二导电类型层；

在半导体基板第一主面漂移层上部，在主器件区域设置有被绝缘介质层包围的主器件区域栅电极和第二导电类型主器件区域体区，在第二导电类型主器件区域体区内设置有第一导电类类型主器件区域源区，第二导电类型主器件区域体区和第一导电类型主器件区域源区与主器件区域发射极金属电性连接；在检测区域设置有被绝缘介质层包围的检测区域栅电极和第二导电类型检测区域体区，在第二导电类型检测区域体区内设置有第一导电类型检测区域源区，第二导电类型检测区域体区和第一导电类型检测区域源区与检测区域发射极金属电性连接；在隔离区域漂移层上方设置有第二导电类型隔离区域体区和被绝缘介质层包围的隔离区域栅电极；

所述检测区域栅电极通过隔离区域栅电极与主器件区域栅电极相连；第二导电类型隔离区域体区与第二导电类型主器件区域体区及第二导电类型检测区域体区均无电性连通；第二导电类型隔离区域体区与主器件区域发射极金属和检测区域发射极金属均无电性连通；第二导电类型隔离区域体区的结深等于或大于第二导电类型主器件区域体区的结深。

其进一步的技术方案为：

所述IGBT器件中，在俯视平面上，所述检测区域的面积小于所述主器件区域的面积。

所述IGBT器件中，在截面上，所述IGBT器件包括平面栅型IGBT结构和沟槽栅型IGBT结构。

所述IGBT器件中，在俯视平面上，所述栅电极为矩形、方形以及其他多边形。

此外，本发明还提供一种具有精确检测功能的IGBT的制造方法，包括以下步骤：

(a)、提供具有两个相对主面的第一导电类型的半导体基板，所述两个主面包括第一主面和第二主面；半导体基板的第一主面与第二主面间包括第一导电类型漂移区；

(b)、在上述半导体基板的第一主面上，通过常规半导体工艺，形成主器件区域栅氧化层、主器件区域栅电极、隔离区域栅氧化层、隔离区域栅电极、检测区域栅氧化层、检测区域电栅；

(c)、在半导体材料表面注入第二导电类型杂质，并进行高温推结，分别形成彼此不接触的第二导电类型主器件区域体区、第二导电类型隔离区域体区、第二导电类型检测区域体区；

(d)、在上述半导体基板的第一主面上，通过常规半导体工艺，得到IGBT器件相对应的有源区及截止保护区；

(e)、在上述半导体基板的第一主面上的主器件区域和检测区域分别形成彼此独立的主器件区域发射极金属和检测区域发射极金属；

(f)、在上述半导体基板的第二主面上，注入第二导电类型杂质离子，通过高温推结形成第二导电类型集电区；

(g)、在所述半导体基板的第二主面上淀积金属层，形成集电极金属。

其进一步的技术方案为：

所述常规半导体工艺包括沟槽型IGBT工艺或平面型IGBT工艺。

注：上述“第一导电类型”和“第二导电类型”两者中，对于N沟道IGBT器件，第一导电类型为N型，第二导电类型为P型；对于P沟道IGBT器件，第一导电类型与第二导电类型所指的类型与N沟道IGBT器件相反。

本发明的有益技术效果是：

当IGBT导通时，少数载流子电流从背面集电极通过漂移层，被第二导电类型体区收集，形成调制电流；其中由于隔离区域的第二导电类型体区与主器件区域体区和检测区域体区均无电性连通，与主器件发射极金属和检测区域发射极金属均无电性连通，所以隔离区域体区不会收集少数载流子。因此，隔离区域不会有少数载流子电流流向主器件区域或检测区域，最大限度减少隔离区域对检测信号的影响，有效的提高检测精度，并且与现有工艺完全兼容，不增加任何制造成本。

附图说明

图1A是传统具有检测功能的IGBT的俯视平面图。

图1B是传统具有检测功能的IGBT延图1A中AA’方向的截面图。

图2A是本发明具有精确检测功能的IGBT的俯视平面图。

图2B是本发明具有精确检测功能的IGBT延图2A中AA’方向的截面图。

图2C是本发明具有精确检测功能的IGBT延图2A中BB’方向的截面图。

图3～图7是图2A中BB截面上具体工艺实施各阶段的剖面图，其中：

图3是半导体材料的剖视图。

图4是完成IGBT栅极后的剖视图。

图5是P型体区注入、推结后的剖视图。

图6是完成源区等常规IGBT工艺后的剖视图。

图7是完成IGBT正面金属后的剖视图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明。

图2A～图2C以N沟道沟槽栅型IGBT为例，包括：主器件区域201，隔离区域202，检测区域203；P型层21，N型漂移层22，P型主器件区域体区213，P型隔离区域体区223，P型检测区域体区233，主器件区域栅氧化层216，隔离区域栅氧化层226，检测区域栅氧化层236，主器件区域栅电极217，隔离区域栅电极227，检测区域栅电极237，绝缘介质层214、224、234，N+型主器件区域源区218，N+型检测区域源区238，主器件区域发射极金属215，检测区域发射极金属235。

如图2A所示，为本实施例IGBT的俯视平面图(仅显示了器件栅极和P型体区，其余部分未示出)。在所述IGBT的俯视平面上，主器件区域201包含主器件栅电极接触和主器件发射极电极接触及器件的终端耐压保护结构等常规IGBT器件的必备结构(图中未示出)；检测区域203包含检测区域发射极电极接触(图中未示出)；隔离区域202用于隔离主器件区域201和检测区域203。

如图2B和图2C所示，所述IGBT的截面上，半导体基板具有两个相对的主面：第一主面与第二主面；半导体基板的第一主面与第二主面间包括N型漂移层22；所述半导体基板的第二主面含有被主器件区域201和检测区域203共用的集电极金属20；在集电极金属20和N型漂移层22之间设置有P型层21。

在N型漂移层22上部，在主器件区域201中设置有被主器件区域栅氧化层216和绝缘介质层214包围的主器件区域栅电极217和P型主器件区域体区213，在P型主器件区域体区213内设置有N+型主器件区域源区218，P型主器件区域体区213和N+型主器件区域源区218与主器件区域发射极金属215电性连接；在检测区域203内设置有被检测区域栅氧化层236和绝缘介质层234包围的检测区域栅电极237和P型检测区域体区233，在P型检测区域体区233内设置有N+型检测区域源区238，P型检测区域体区233和N+型检测区域源区238与检测区域发射极金属235电性连接；在隔离区域202的漂移层上方设置有P型隔离区域体区223及被隔离区域栅氧化层226和绝缘介质层224包围的隔离区域栅电极227。

该IGBT的主要特征在于：检测区域栅电极237通过隔离区域栅电极227与主器件区域栅电极217电性相连；P型隔离区域体区223与P型主器件区域体区213及P型检测区域体区233均无电性连通；P型隔离区域体区223与主器件区域发射极金属215和电流检测区域发射极金属235均无电性连通；P型隔离区域体区223的深度(结深)等于或大于P型主器件区域体区213的深度(结深)。

所述IGBT中的截面上，所述IGBT器件包括平面栅型IGBT结构和沟槽栅型IGBT结构。

所述IGBT中，在俯视平面上，栅电极可以是矩形，方形，以及其他多边形。

上述实施例的半导体结构，如图3～图7所示，以图2C所示截面为例，采用下述工艺步骤实现：

步骤(a)、提供具有两个相对主面的N型的半导体基板，所述两个主面包括第一主面和第二主面；半导体基板的第一主面与第二主面间包括N型漂移区，如图3所示。

步骤(b)、在上述半导体基板的第一主面上，通过常规半导体工艺，形成主器件区域栅氧化层216、主器件区域栅电极217、隔离区域栅氧化层226、隔离区域栅电极227、检测区域栅氧化层236、检测区域电栅237，如图4所示。

步骤(c)、在半导体材料表面注入P型杂质，并进行高温推结，分别形成彼此不接触的P型主器件区域体区213、P型隔离区域体区223、P型检测区域体区233，如图5所示。

步骤(d)、在上述半导体基板的第一主面上，通过常规半导体工艺，得到IGBT器件相对应的N+型主器件区域源区218、N+型检测区域源区238，及绝缘介质层214、223、234，如图6所示。

步骤(e)、在上述半导体基板的第一主面上的主器件区域和检测区域分别形成彼此独立的主器件区域发射极金属215和检测区域发射极金属235，如图7所示。

步骤(f)、在上述半导体基板的第二主面上，注入P型杂质离子，通过高温推结形成P型集电区。

步骤(g)、在所述半导体基板的第二主面上淀积金属层，形成集电极金属，最终形成图2A～图2C所示器件。

所述IGBT常规工艺包括沟槽型IGBT工艺或平面型IGBT工艺；

可选的，适当增加P型隔离区域体区223的深度(结深)，可以更能保证本发明中IGBT的耐压特性。

本发明的工作机理在于：当IGBT导通时，空穴电流从背面集电极通过漂移层，被P型体区收集，形成调制电流；其中由于P型隔离区域体区223与P型主器件区域体区213和P型检测区域体区233均无电性连通，与主器件区域发射极金属215和检测区域发射极金属235均无电性连通，所以P型隔离区域体区223不会收集空穴电流。因此，隔离区域202不会有空穴电流流向主器件区域201或检测区域203，最大限度减少隔离区域对检测信号的影响，有效的提高检测精度，并且与现有工艺完全兼容，不增加任何制造成本。

注，上述实施例是以N沟道IGBT为例加以描述的。本发明也可以用于P沟道IGBT，仅需要上述实施例中的导电类型由P型改为N型、N型改为P型即可。

以上所述的仅是本发明的优选实施方式，本发明不限于以上实施例。可以理解，本领域技术人员在不脱离本发明的基本构思的前提下直接导出或联想到的其他改进和变化，均应认为包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种具有精确检测功能的IGBT，其特征在于：

在所述IGBT器件第一主面的俯视平面上，包含主器件区域、检测区域以及隔离区域；所述主器件区域包含主器件栅电极接触和主器件发射电极接触及终端保护结构；所述检测区域被主器件区域包围，包含检测区域发射极电极；所述隔离区域将主器件区域和检测区域隔离；

所述IGBT器件的截面上，半导体基板具有两个相对的主面，所述主面包括第一主面与第二主面，半导体基板的第一主面与第二主面间包括第一导电类型漂移层；所述半导体基板的第二主面含有被主器件区域和检测器件区域共用的集电极金属，所述集电极金属与第一导电类型漂移层之间设置有第二导电类型层；

在半导体基板第一主面漂移层上部，在主器件区域设置有被绝缘介质层包围的主器件区域栅电极和第二导电类型主器件区域体区，在第二导电类型主器件区域体区内设置有第一导电类类型主器件区域源区，第二导电类型主器件区域体区和第一导电类型主器件区域源区与主器件区域发射极金属电性连接；在检测区域设置有被绝缘介质层包围的检测区域栅电极和第二导电类型检测区域体区，在第二导电类型检测区域体区内设置有第一导电类型检测区域源区，第二导电类型检测区域体区和第一导电类型检测区域源区与检测区域发射极金属电性连接；在隔离区域漂移层上方设置有第二导电类型隔离区域体区和被绝缘介质层包围的隔离区域栅电极；

所述检测区域栅电极通过隔离区域栅电极与主器件区域栅电极相连；第二导电类型隔离区域体区与第二导电类型主器件区域体区及第二导电类型检测区域体区均无电性连通；第二导电类型隔离区域体区与主器件区域发射极金属和检测区域发射极金属均无电性连通；第二导电类型隔离区域体区的结深等于或大于第二导电类型主器件区域体区的结深。

2.根据权利要求1所述具有精确检测功能的IGBT，其特征在于：所述IGBT器件中，在俯视平面上，所述检测区域的面积小于所述主器件区域的面积。

3.根据权利要求1所述具有精确检测功能的IGBT，其特征在于：所述IGBT器件中，在截面上，所述IGBT器件包括平面栅型IGBT结构和沟槽栅型IGBT结构。

4.根据权利要求1所述具有精确检测功能的IGBT，其特征在于：所述IGBT器件中，在俯视平面上，所述栅电极为矩形、方形以及其他多边形。

5.一种具有精确检测功能的IGBT的制造方法，其特征在于包括以下步骤：

(a)、提供具有两个相对主面的第一导电类型的半导体基板，所述两个主面包括第一主面和第二主面；半导体基板的第一主面与第二主面间包括第一导电类型漂移区；

(b)、在上述半导体基板的第一主面上，通过常规半导体工艺，形成主器件区域栅氧化层、主器件区域栅电极、隔离区域栅氧化层、隔离区域栅电极、检测区域栅氧化层、检测区域电栅；

(c)、在半导体材料表面注入第二导电类型杂质，并进行高温推结，分别形成彼此不接触的第二导电类型主器件区域体区、第二导电类型隔离区域体区、第二导电类型检测区域体区；

(d)、在上述半导体基板的第一主面上，通过常规半导体工艺，得到IGBT器件相对应的有源区及截止保护区；

(e)、在上述半导体基板的第一主面上的主器件区域和检测区域分别形成彼此独立的主器件区域发射极金属和检测区域发射极金属；

(f)、在上述半导体基板的第二主面上，注入第二导电类型杂质离子，通过高温推结形成第二导电类型集电区；

(g)、在所述半导体基板的第二主面上淀积金属层，形成集电极金属；

检测区域被主器件区域包围，第二导电类型隔离区域体区与第二导电类型主器件区域体区及第二导电类型检测区域体区均无电性连通、第二导电类型隔离区域体区与主器件区域发射极金属和检测区域发射极金属均无电性连通；所述常规半导体工艺包括沟槽型IGBT工艺或平面型IGBT工艺。