CN111834336B - 一种igbt芯片及其制备方法、ipm模块 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种IGBT芯片及其制备方法、IPM模块，IGBT芯片，包括衬底，衬底上设置截止环，衬底上表面分别设置第一发射极焊盘、第二发射极焊盘和栅极焊盘，第一发射极焊盘、第二发射极焊盘和栅极焊盘在截止环内侧，截止环外侧的衬底上设置热敏电阻，热敏电阻在IGBT芯片的制备过程中直接集成到衬底上；IGBT芯片的制备方法，在氧化物层淀积之后和氧化物层刻蚀之前，还包括热敏电阻材料层淀积和热敏电阻材料层刻蚀步骤；IPM模块，包括基板，在基板上设有IGBT芯片、FRD芯片和控制电路，IGBT芯片为集成有热敏电阻的IGBT芯片。本发明所述的IGBT芯片，将热敏电阻直接集成在IGBT上，热敏电阻能够直接采集IGBT芯片的温度，大大提升采样温度的准确性。
Description
技术领域
本发明涉及半导体器件领域，尤其涉及一种IGBT芯片及其制造方法、以及包含该IGBT芯片的IPM模块。
背景技术
IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)，又称绝缘栅双极型晶体管，作为弱电控制强电的核心半导体器件广泛应用于工业、4C(通信、计算机、消费电子、汽车电子)、家电等产业领域。IPM（Intelligent Power Module），即智能功率模块，是将IGBT、FRD（快恢复二极管）与驱动电路集成到一起，内置相关保护电路的开关器件。其可靠性高、性能强、使用方便。
但由于IGBT是大功率半导体器件，损耗功率大，发热现象严重，且IGBT的耐过热能力较差，加之IGBT有最高结温限制，大多不能超过150℃，所以IGBT芯片不易长期工作在较高温度下。为了保证IGBT的长期安全工作，在提高散热能力的同时，监控IGBT芯片温度以对其进行过热保护至关重要。
在传统的IPM模块中，为了防止IGBT芯片过热导致失效，一般会在模块内部集成热敏元件来检测IGBT温度，当温度过高时对模块进行保护。
专利号为CN 207765432 U的中国专利公开了一种水冷绝缘栅双极型晶体管IGBT模块，热敏电阻通过焊接方式固定在绝缘基板DBC上，以检测IGBT模块的温度。除此之外，还有将热敏电阻集成在内部电路的方式来检测温度。上述两种检测IGBT模块温度的结果与IGBT芯片真实的温度存在偏差，影响功率模块的可靠性，同时影响功率模块的集成度。
发明内容
本发明的目的在于提供一种IGBT芯片及其制备方法、IPM模块，一方面，以解决现有的IGBT芯片无法精确监控芯片温度的技术问题，另一方面，以解决现有功率模块检测IGBT芯片温度时存在较大偏差影响可靠性的技术问题。
为实现上述目的，本发明的一种IGBT芯片及其制备方法、IPM模块的具体技术方案如下：
一种IGBT芯片，包括衬底，衬底上设置截止环，衬底上表面分别设置第一发射极焊盘、第二发射极焊盘和栅极焊盘，第一发射极焊盘、第二发射极焊盘和栅极焊盘在截止环内侧，截止环外侧的衬底上设置热敏电阻，热敏电阻在IGBT芯片的制备过程中直接集成到衬底上。
进一步的，热敏电阻的长边与截止环平行，热敏电阻的短边分别设置用于引出导线的热敏电阻焊盘，通过导线将热敏电阻的温度信号传输到外部的控制电路。
进一步的，热敏电阻由负温度系数的热敏电阻材料制成。
进一步的，热敏电阻材料为钴、锰、镍、铜等过渡金属的氧化物。
进一步的，热敏电阻的长边不超过IGBT芯片长度的50%，热敏电阻的短边不超过IGBT芯片宽度的10%。
一种IGBT芯片的制备方法，包括如下步骤：
制备截止环及发射极：提供衬底，在衬底上表面制备截止环，在衬底上表面有源区形成沟槽栅、第一发射极、第二发射极；
淀积氧化物层；
淀积热敏电阻材料层；
刻蚀热敏电阻材料层；
和刻蚀氧化物层。
进一步的，制备截止环前，在截止环外侧的衬底上预留制备热敏电阻的区域。
进一步的，在氧化物层淀积之后，通过化学气相沉积工艺在衬底上完成热敏电阻材料层的淀积；通过刻蚀工艺对热敏电阻材料层进行刻蚀，刻蚀完毕后，仅保留截止环外侧的衬底边缘预留区域内的热敏电阻材料。
进一步的，在氧化物层刻蚀完成后，还包括金属电极图形化步骤：在衬底上表面淀积金属电极层，并通过刻蚀工艺将金属层刻蚀形成第一发射极焊盘、第二发射极焊盘和栅极焊盘，同时为热敏电阻短边处刻蚀出热敏电阻焊盘。
进一步的，在金属电极图形化完成后，还包括钝化层图形化步骤：在金属电极图形化步骤完成后，在衬底上表面淀积一层钝化层，并通过刻蚀工艺将钝化层刻蚀，将栅极焊盘、发射极焊盘、热敏电阻焊盘上面的钝化层刻开。
一种IPM模块，包括基板，在基板上设有IGBT芯片、FRD芯片和控制电路，IGBT芯片为上述的集成有热敏电阻的IGBT芯片，热敏电阻通过导线与控制电路相连。
本发明的一种IGBT芯片及其制备方法、IPM模块具有以下优点：
本发明所述的IGBT芯片，将热敏电阻直接集成在IGBT上，热敏电阻能够直接采集IGBT芯片的温度，大大提升采样温度的准确性。
进一步的，本发明所述的制备方法，在氧化物层淀积之后、孔刻蚀之前，该方法简单，仅需在现有IGBT的制程中增加热敏电阻材料淀积和刻蚀的步骤，无需增加其他步骤或改造产线现有的设备。
最后，本发明所述的IGBT芯片集成热敏电阻后，在IPM模块中无需安装其他的热敏电阻，能够大大提升IPM模块的集成度，同时，IGBT芯片的采样温度准确度高，能够对IGBT芯片起到更好的保护作用。
附图说明
图1为本发明的IGBT芯片的俯视图；
图2为本发明IGBT芯片制备工艺的流程图；
图3为本发明的IGBT芯片制备工艺过程中芯片的剖视图；
图4为本发明中热敏电阻的性能图。
图中标号说明：1、衬底；11、截止环；12、耐压环；13、沟槽栅；2、第一发射极焊盘；3、第二发射极焊盘；4、栅极焊盘；5、热敏电阻；6、导线；7、氧化物层；8、热敏电阻材料层；9、金属层。
具体实施方式
为了更好地了解本发明的目的、结构及功能，下面结合附图，对本发明的一种IGBT芯片及其制备方法、IPM模块做进一步详细的描述。
如图1所示，本发明所述的IGBT芯片，包括衬底1，衬底1可为硅衬底或其他材料的衬底1，衬底1相对的设置上表面和下表面，衬底1上设置截止环11，在衬底1上表面分别设置第一发射极焊盘2、第二发射极焊盘3和栅极焊盘4，第一发射极焊盘2、第二发射极焊盘3和栅极焊盘4设置在截止环11内侧，截止环11外侧的衬底1上表面设置热敏电阻5。
热敏电阻5可以设置在IGBT芯片衬底1四个边中的任意一边，热敏电阻5的长边与截止环11的平行，热敏电阻5的短边分别设置用于引出导线6的热敏电阻焊盘，通过导线6将热敏电阻5的温度信号传输到外部的控制电路。
热敏电阻焊盘与导线6的一端焊接固定，导线6的另一端接入到外部的控制电路，当IGBT芯片温度过高时，热敏电阻5将温度信号转换为电信号通过导线6传输至控制电路，控制电路根据热敏电阻5阻值的变化开启内部保护电路，从而对IGBT芯片进行过热保护。
热敏电阻5通过在IGBT芯片的制备过程中制备热敏电阻层以直接集成到衬底1上，附着力将常规焊接工艺固定的附着力强。
热敏电阻5可为由正温度系数的热敏电阻材料制成，也可由负温度系数的热敏电阻材料制成，优选的，为了便于热敏电阻5在IGBT芯片制备过程中的集成，热敏电阻5由负温度系数的热敏电阻材料制成。
热敏电阻材料为钴、锰、镍、铜等过渡金属的氧化物。
通常的，当热敏电阻5直接集成到IGBT芯片时，热敏电阻5的尺寸可以根据芯片的尺寸而定，优选的，热敏电阻5的长边不超过IGBT芯片长度的50%，热敏电阻5的短边不超过IGBT芯片宽度的10%。
如图2-图3所示，一种IGBT芯片的制备方法，包括如下步骤：
S1制备截止环11：提供衬底1，在衬底1上表面进行有源区光刻刻蚀，形成截止环11的刻蚀区，向截止环11的刻蚀区进行N+表面离子注入，形成截止环11，在截止环11外侧的衬底1上预留制备热敏电阻5的区域；
S2制备发射极：在衬底1上表面有源区形成沟槽栅13，在淀积多晶硅之后，进行P型体区离子注入，形成第一发射极；进行N+阱光刻、注入、退火，形成第二发射极，完成后如图3（a）所示；
S3淀积氧化物层7，如图3（b）所示，通过化学气相沉积（CVD）工艺淀积氧化物层7；
S4热敏电阻5材料层淀积：如图3（c）所示，通过低压化学气相沉积（LPCVD）工艺完成热敏电阻材料层8的淀积；
热敏电阻材料不做具体限定，可为正温度系数热敏电阻材料，也可为负温度系数热敏电阻材料。优选的，热敏电阻材料为负温度系数热敏电阻材料，如钴、锰、镍、铜等过渡金属的氧化物。
过渡金属氧化物的LPCVD工艺技术成熟，在此不再赘述。
S5热敏电阻材料层8刻蚀：如图3（d）所示，通过氧化物材料的刻蚀工艺对热敏电阻材料层8进行刻蚀，刻蚀完毕后，保留截止环11外侧的衬底1边缘预留区域内的热敏电阻材料，其余部分的热敏电阻材料全部刻蚀干净，这样在氧化物层7上面就形成了热敏电阻5；
关于金属氧化物的刻蚀，包括湿法刻蚀工艺和干法刻蚀工艺，在本申请中不做具体限定。
热敏电阻5的尺寸可以根据芯片的尺寸而定，优选的，热敏电阻5的长边不超过IGBT芯片长度的50%，热敏电阻5的短边不超过IGBT芯片宽度的10%。
S6氧化物层7刻蚀：如图3（e）所示，将IGBT芯片中需要正常开孔的位置正常刻蚀即可；
S7金属电极图形化：如图3（f）和图3（g）所示，在氧化物层7刻蚀步骤完成后，在衬底1上表面淀积一层金属层9，金属层9为铝，并通过刻蚀工艺将金属层9进行刻蚀，形成第一发射极焊盘2、第二发射极焊盘3和栅极焊盘4，同时为热敏电阻5短边处刻蚀出热敏电阻焊盘；
S8钝化层图形化：在金属电极图形化步骤完成后，在衬底1上表面淀积一层钝化层，并通过刻蚀工艺将钝化层刻蚀，将栅极焊盘4、发射极焊盘、热敏电阻焊盘上面的钝化层刻开。
通过钝化层图形化过程，在热敏电阻5外覆盖一层钝化层对其进行保护，防止外界环境对热敏电阻5材料造成损害，以提升热敏电阻5的使用寿命。
IGBT芯片集成热敏电阻5后，热敏电阻5的特性如图4所示。
一种IPM模块，包括DBC基板，在DBC基板上设有IGBT芯片、FRD芯片和控制电路，其中，IGBT芯片为上述的集成有热敏电阻5的IGBT芯片，热敏电阻5通过导线6与控制电路相连。
该IGBT芯片将热敏电阻5直接集成在IGBT芯片上，热敏电阻5能够直接采集IGBT芯片的温度，大大提升采样温度的准确性。在IGBT芯片的制备方法中，仅需在现有IGBT芯片的制程中在氧化物层7淀积之后、氧化物层7刻蚀之前增加热敏电阻材料层8淀积和刻蚀的步骤，无需增加其他步骤或改造产线现有的设备，该方法简单，易实现，且与现有工艺集成度高。IGBT芯片集成热敏电阻5后，在IPM模块中无需安装其他的热敏电阻5，能够大大提升IPM模块的集成度，同时，IGBT芯片的采样温度准确度高，能够对IGBT芯片起到更好的保护作用。
可以理解，本发明是通过一些实施例进行描述的，本领域技术人员知悉的，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。另外，在本发明的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本发明的精神和范围。因此，本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本申请的权利要求范围内的实施例都属于本发明所保护的范围内。
Claims (9)
1.一种IGBT芯片，包括衬底(1)，衬底(1)上设置截止环(11)，衬底(1)上表面分别设置第一发射极焊盘(2)、第二发射极焊盘(3)和栅极焊盘(4)，第一发射极焊盘(2)、第二发射极焊盘(3)和栅极焊盘(4)在截止环(11)内侧，其特征在于，在截止环(11)外侧的衬底(1)上沉淀有热敏电阻材料层(8)，热敏电阻材料层(8)刻蚀形成热敏电阻(5)，以将热敏电阻(5)在IGBT芯片的制备过程中直接集成到衬底(1)上；
热敏电阻(5)的长边与截止环(11)平行，热敏电阻(5)的短边分别设置用于引出导线(6)的热敏电阻焊盘，热敏电阻(5)的长边不超过IGBT芯片长度的50%，热敏电阻(5)的短边不超过IGBT芯片宽度的10%。
2.根据权利要求1所述的IGBT芯片，其特征在于，热敏电阻(5)通过导线(6)将温度信号传输到外部的控制电路。
3.根据权利要求1所述的IGBT芯片，其特征在于，热敏电阻(5)由负温度系数的热敏电阻材料制成。
4.根据权利要求3所述的IGBT芯片，其特征在于，热敏电阻(5)材料为钴、锰、镍、铜等过渡金属的氧化物。
5.一种IGBT芯片的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
制备截止环(11)及发射极：提供衬底(1)，在衬底(1)上表面制备截止环(11)，在衬底(1)上表面有源区形成沟槽栅(13)、第一发射极、第二发射极；
淀积氧化物层(7)；
淀积热敏电阻材料层(8)；
刻蚀热敏电阻材料层(8)，以形成热敏电阻(5)，热敏电阻(5)的长边不超过IGBT芯片长度的50%，热敏电阻(5)的短边不超过IGBT芯片宽度的10%，热敏电阻(5)的长边与截止环(11)平行；刻蚀氧化物层(7)；
和金属电极图形化，在衬底(1)上表面淀积金属层(9)，并通过刻蚀工艺将金属层(9)刻蚀形成第一发射极焊盘(2)、第二发射极焊盘(3)和栅极焊盘(4)，同时为热敏电阻(5)短边处刻蚀出热敏电阻焊盘。
6.根据权利要求5所述的IGBT芯片的制备方法，其特征在于，制备截止环(11)前，在截止环(11)外侧的衬底(1)上预留制备热敏电阻(5)的区域。
7.根据权利要求6所述的IGBT芯片的制备方法，其特征在于，在氧化物层(7)淀积之后，通过化学气相沉积工艺在衬底(1)上完成热敏电阻材料层(8)的淀积；通过刻蚀工艺对热敏电阻材料层(8)进行刻蚀，刻蚀完毕后，仅保留截止环(11)外侧的衬底(1)边缘预留区域内的热敏电阻材料。
8.根据权利要求5所述的IGBT芯片的制备方法，其特征在于，在金属电极图形化完成后，还包括钝化层图形化步骤：在金属电极图形化步骤完成后，在衬底(1)上表面淀积一层钝化层，并通过刻蚀工艺将钝化层刻蚀，将栅极焊盘(4)、发射极焊盘、热敏电阻焊盘上面的钝化层刻开。
9.一种IPM模块，包括基板，在基板上设有IGBT芯片、FRD芯片和控制电路，其特征在于，IGBT芯片为上述权利要求1-4任一项所述的集成有热敏电阻(5)的IGBT芯片，热敏电阻(5)通过导线(6)与控制电路相连。
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