CN112466936A - 一种高压igbt器件及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高压IGBT器件及其制备方法，其包括：P型衬底、N型重掺杂缓冲区、N型轻掺杂漂移区、CEL‑N型重掺杂区、P型阱区、P型发射区、N型重掺杂区、高K绝缘层、栅极多晶硅区、栅极、发射极和集电极，其中N型重掺杂缓冲区设在P型衬底上，集电极设在P型衬底的下表面，N型轻掺杂漂移区设在N型重掺杂缓冲区上，CEL‑N型重掺杂区设在N型轻掺杂漂移区上，P型阱区设在CEL‑N型重掺杂区两侧，P型阱区上设有与N型重掺杂区电连接的P型发射区和靠近栅结构区的N型重掺杂区，发射区电极设在P型发射区上，在CEL‑N重掺杂区和P型阱区的上表面设有高K绝缘层、栅极多晶硅区和栅极电极。通过该高压IGBT器件，可以有效地实现功率器件的运行快和损耗低的性能。
Description
技术领域
本发明涉及半导体功率技术领域，具体涉及一种高压IGBT器件及其制备方法。
背景技术
绝缘栅双极型晶体管IGBT是一种MOSFET和双极型晶体管复合的新型电力电子器件，其输入极为MOSFET，输出极为PNP晶体管。该IGBT既有MOSFET驱动简单和快速的优点，又有功率晶体管容量大的优点，因而广泛应用在能源转换、机车牵引、工业变频、汽车电子和消费电子等领域，是电力电子领域重要核心器件之一。
传统的IGBT功率器件采用硅材料为基底，对硅片进行IGBT功率器件的制作，这种硅基IGBT功率器件在高温条件下运行较慢，且损耗较高，这将影响高温条件下的电力电子设备的工作。
针对上述问题，传统的IGBT功率器件有以下不足：
(1)在高温条件下运行较慢；
(2)在高温条件下损耗较高；
因此，亟待一种高压IGBT器件，可以解决高温条件下运行慢和损耗高的现象。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种高压IGBT器件及其制备方法，利用SiC的耐高温、高临界电场和高热电导率等特性，对其进行IGBT器件的制备，采用N型沟道的IGBT，可以有效地实现功率器件的运行快和损耗低的性能，还可以在高频条件下提高开关速度。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案具体如下：
一种高压IGBT器件，包括：P型衬底、N型重掺杂缓冲区、N型轻掺杂漂移区、CEL-N型重掺杂区、P型阱区、P型发射区、N型重掺杂区、高K绝缘层、栅极多晶硅区、栅极电极、发射电极和集电极。
进一步设置，所述集电极形成在所述P型衬底的下表面，在所述P型衬底上设有所述N型重掺杂缓冲区，在所述N型重掺杂缓冲区的上表面设有N型轻掺杂漂移区，在所述N型轻掺杂漂移区的上表面设有所述CEL-N型重掺杂区，且所述CEL-N型重掺杂区的上表面与衬底基片的上表面在同一水平面上。
进一步设置，所述N型重掺杂缓冲区的厚度小于所述N型轻掺杂漂移区的厚度。
进一步设置，所述N型轻掺杂漂移区的厚度大于所述CEL-N型重掺杂区的厚度。
如此设置，采用N型重掺杂缓冲区可以提供合适的压降，采用CEL-N型重掺杂区可以减小JFET区的电阻和增强N型轻掺杂漂移区的电导率调制。
进一步设置，在所述CEL-N型重掺杂区的两侧设有所述P型阱区，所述P型阱区的上表面与所述CEL-N型重掺杂区的上表面在同一水平面上，在所述P型阱区上设有与所述N型重掺杂区电连接的P型发射区和靠近栅结构区的N型重掺杂区，且所述P型发射区远离栅结构区，所述发射区电极(E)设置在所述P型发射区上。
进一步设置，所述P型发射区选用掺杂P型的多晶硅材料。
进一步设置，在所述CEL-N重掺杂区和所述P型阱区的上表面设有所述高K绝缘层，在所述高K绝缘层上表面设有所述栅极多晶硅区，在所述栅极多晶硅区的上表面设有所述栅极电极。
进一步设置，所述高K绝缘层为一种单质或者化合物的高K绝缘材料。
进一步设置，所述发射极电极、栅极电极和集电极电极的材料为铜材料或者铝材料。
进一步设置，所述半导体衬底材料为半导体SiC基材料。
一种高压IGBT器件的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
S1、清洗、曝光：将P型SiC衬底进行清洗、烘干，在其上表面涂一层光刻胶，采用有所述N型掺杂区定义的掩膜版和激光器曝光，显影后形成所述N型掺杂区定义；
S2、N型重掺杂缓冲区的形成：通过离子注入方式，在所述P型SiC衬底中形成所述N型重掺杂缓冲区；
S3、N型轻掺杂漂移区的形成：通过离子注入方式，在所述P型SiC衬底中，且在所述N型重掺杂缓冲区的上表面形成所述N型轻掺杂漂移区；
S4、CEL-N型重掺杂区的形成：通过离子注入方式，在所述P型SiC衬底中，且在所述N型轻掺杂漂移区的上表面形成所述CEL-N型重掺杂区；
S5、P型阱区的定义：去除N型掺杂区定义的光刻胶，涂一层新的光刻胶，采用有所述P型阱区定义的掩膜版和激光器曝光，显影后形成所述P型阱区的定义；
S6、P型阱区的形成，通过离子注入方式，在所述P型SiC衬底中，且在所述CEL-N型重掺杂区的上表面形成所述P型阱区；
S7、P型发射区的定义：去除P型阱区定义的光刻胶，涂一层新的光刻胶，采用有所述P型发射区定义的掩膜版和激光器曝光，显影后形成所述P型发射区的定义；
S8、P型发射区的刻蚀：对定义的P型发射区的SiC基片进行蚀刻，在P型阱区蚀刻出P型发射区；
S9、P型多晶硅的形成：去除P型发射区定义的光刻胶，对SiC基片上的P型发射区进行P型多晶硅沉积，将其他区域的P型多晶硅去除；
S10、N型重掺杂区的形成：在所述SiC基片上涂一层光刻胶，采用有所述N型重掺杂区定义的掩膜版和激光器曝光，显影后形成所述N型重掺杂区的定义，通过离子注入方式，在所述P型发射区旁侧形成所述N型重掺杂区；
S11、栅极层结构的沉积：去除所述N型重掺杂区定义的光刻胶，在所述SiC基片上沉积所述高K绝缘材料，在所述高K绝缘材料上表面沉积栅极多晶硅；
S12、栅结构的定义：在沉积有栅极多晶硅的SiC基片上涂一层光刻胶，采用有所述栅结构区定义的掩膜版和激光器曝光，显影后形成所述栅结构区的定义；
S13、栅结构的形成：对定义的栅结构的SiC基片进行蚀刻，形成栅结构；
S14、电极的形成：对具有栅结构的SiC基片进行发射极、集电极和栅极的金属沉积，形成发射极电极、集电极电极和栅极电极。
有益效果
本发明专利为一种高压IGBT器件及其制备方法，利用SiC的耐高温、高临界电场和高热电导率等特性，对其进行IGBT器件的制备，采用N型沟道的IGBT，可以有效地实现功率器件的运行快和损耗低的性能，还可以在高频条件下提高开关速度。
附图说明
图1为本发明一种高压IGBT器件的结构示意图。
附图标号：1、P型衬底；2、N型重掺杂缓冲区；3、N型轻掺杂漂移区；4、CEL-N型重掺杂区；5、P型阱区；6、P型发射区；7、N型重掺杂区；8、高K绝缘层；9、栅极多晶硅区；E、发射区电极；C、集电极区电极；G、栅极电极。
图2为本发明一种高压IGBT器件的制备流程图。
图3为本发明一种高压IGBT器件中的15KV的IGBT(在Jc＝30A/cm2)正向压降与CEL-N的厚度的关系图。
图4为本发明一种高压IGBT器件中的15KV的IGBT的集电极电流密度与集电极电压的关系图。
图5为本发明一种高压IGBT器件中的15KV的IGBT的最大频率与有源面积的关系图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参阅图1所示，图1为本发明高压IGBT器件的结构示意图。
本发明提供的一种高压IGBT器件，包括：P型衬底1、N型重掺杂缓冲区2、N型轻掺杂漂移区3、CEL-N型重掺杂区4、P型阱区5、P型发射区6、N型重掺杂区7、高K绝缘层8、栅极多晶硅区9、栅极电极G、发射电极E和集电极C；其中所述集电极C形成在所述P型衬底1的下表面，在所述P型衬底1上设有所述N型重掺杂缓冲区2，在所述N型重掺杂缓冲区2的上表面设有N型轻掺杂漂移区3，在所述N型轻掺杂漂移区3的上表面设有所述CEL-N型重掺杂区4，且所述CEL-N型重掺杂区4的上表面与衬底基片的上表面在同一水平面上；在所述CEL-N型重掺杂区4的两侧设有所述P型阱区5，所述P型阱区5的上表面与所述CEL-N型重掺杂区4的上表面在同一水平面上，在所述P型阱区5上设有与所述N型重掺杂区7电连接的P型发射区6和靠近栅结构区的N型重掺杂区7，且所述P型发射区6远离栅结构区，所述发射区电极E设置在所述P型发射区6上，在所述CEL-N重掺杂区4和所述P型阱区5的上表面设有所述高K绝缘层8，在所述高K绝缘层8上表面设有所述栅极多晶硅区9，在所述栅极多晶硅区9的上表面设有所述栅极电极G。
实施例一
所述高压IGBT器件耐压15KV时，所述N型重掺杂缓冲区2的厚度为100μm，且掺杂浓度为5×1014cm-3，所述N型轻掺杂漂移区3的厚度为150μm，且掺杂浓度为4.5×1014cm-3；所述CEL-N型重掺杂区4的厚度为3μm，且掺杂浓度为8×1015cm-3；所述两个沟道长度分别为0.7μm；所述两个P型阱区5之间距离为5.1μm，且所述两个P型阱区5的掺杂浓度为4×1014cm-3；所述高K绝缘层8的厚度为50nm；所述栅极多晶硅区9的厚度为500nm。
参阅图2，一种高压IGBT器件的制备方法，所述方法包括以下步骤：
S1、清洗、曝光：将P型SiC衬底进行清洗、烘干，在其上表面涂一层光刻胶，采用有所述N型掺杂区定义的掩膜版和激光器曝光，显影后形成所述N型掺杂区定义；
S2、N型重掺杂缓冲区2的形成：通过离子注入方式，在所述P型SiC衬底中形成所述N型重掺杂缓冲区2；
S3、N型轻掺杂漂移区3的形成：通过离子注入方式，在所述P型SiC衬底中，且在所述N型重掺杂缓冲区2的上表面形成所述N型轻掺杂漂移区3；
S4、CEL-N型重掺杂区4的形成：通过离子注入方式，在所述P型SiC衬底中，且在所述N型轻掺杂漂移区3的上表面形成所述CEL-N型重掺杂区4；
S5、P型阱区5的定义：去除N型掺杂区定义的光刻胶，涂一层新的光刻胶，采用有所述P型阱区5定义的掩膜版和激光器曝光，显影后形成所述P型阱区5的定义；
S6、P型阱区5的形成，通过离子注入方式，在所述P型SiC衬底中，且在所述CEL-N型重掺杂区4的上表面形成所述P型阱区5；
S7、P型发射区6的定义：去除P型阱区5定义的光刻胶，涂一层新的光刻胶，采用有所述P型发射区6定义的掩膜版和激光器曝光，显影后形成所述P型发射区6的定义；
S8、P型发射区6的刻蚀：对定义的P型发射区6的SiC基片进行蚀刻，在P型阱区5蚀刻出P型发射区6；
S9、P型多晶硅的形成：去除P型发射区6定义的光刻胶，对SiC基片上的P型发射区进行P型多晶硅沉积，将其他区域的P型多晶硅去除；
S10、N型重掺杂区7的形成：在所述SiC基片上涂一层光刻胶，采用有所述N型重掺杂区7定义的掩膜版和激光器曝光，显影后形成所述N型重掺杂区7的定义，通过离子注入方式，在所述P型发射区6旁侧形成所述N型重掺杂区7；
S11、栅极层结构的沉积：去除所述N型重掺杂区7定义的光刻胶，在所述SiC基片上沉积所述高K绝缘材料，在所述高K绝缘材料上表面沉积栅极多晶硅；
S12、栅结构的定义：在沉积有栅极多晶硅的SiC基片上涂一层光刻胶，采用有所述栅结构区定义的掩膜版和激光器曝光，显影后形成所述栅结构区的定义；
S13、栅结构的形成：对定义的栅结构的SiC基片进行蚀刻，形成栅结构；
S14、电极的形成：对具有栅结构的SiC基片进行发射极、集电极和栅极的金属沉积，形成发射极电极、集电极电极和栅极电极。
基于实施例一，在125℃高温条件下，对所述高压IGBT器件进行性能测试，参阅图3，由于所述CEL-N型重掺杂区4的厚度会影响所述高压IGBT器件的压降，因此在所述CEL-N型重掺杂区4的厚度在3μm时，此时压降为7.24V；参阅图4，所述高压IGBT器件的集电极C的电压会影响所述集电极C的电流密度，因此所述高压IGBT器件的集电极C电压在6.8V时，此时集电极电流密度为30A/cm2；参阅图5，所述高压IGBT器件的有源面积会影响所述高压IGBT器件的最大频率，因此所述高压IGBT器件的有源面积在6mm2时，此时最大功率为8500Hz。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (8)
1.一种高压IGBT器件，其特征在于，包括：P型衬底(1)，N型重掺杂缓冲区(2)，N型轻掺杂漂移区(3)，CEL-N型重掺杂区(4)，P型阱区(5)，P型发射区(6)，N型重掺杂区(7)，高K绝缘层(8)，栅极多晶硅区(9)，栅极电极(G)，发射电极(E)和集电极(C)；
其中所述集电极(C)形成在所述P型衬底(1)的下表面，在所述P型衬底(1)上设有所述N型重掺杂缓冲区(2)，在所述N型重掺杂缓冲区(2)的上表面设有N型轻掺杂漂移区(3)，在所述N型轻掺杂漂移区(3)的上表面设有所述CEL-N型重掺杂区(4)，且所述CEL-N型重掺杂区(4)的上表面与衬底基片的上表面在同一水平面上；
在所述CEL-N型重掺杂区(4)的两侧设有所述P型阱区(5)，所述P型阱区(5)的上表面与所述CEL-N型重掺杂区(4)的上表面在同一水平面上，在所述P型阱区(5)上设有与所述N型重掺杂区(7)电连接的P型发射区(6)和靠近栅结构区的N型重掺杂区(7)，且所述P型发射区(6)远离栅结构区，所述发射区电极(E)设置在所述P型发射区(6)上，在所述CEL-N重掺杂区(4)和所述P型阱区(5)的上表面设有所述高K绝缘层(8)，在所述高K绝缘层(8)上表面设有所述栅极多晶硅区(9)，在所述栅极多晶硅区(9)的上表面设有所述栅极电极(G)。
2.根据权利要求1所述的一种高压IGBT器件，其特征在于，所述N型重掺杂缓冲区(2)的厚度小于所述N型轻掺杂漂移区(3)的厚度。
3.根据权利要求1所述的一种高压IGBT器件，其特征在于，所述N型轻掺杂漂移区(3)的厚度大于所述CEL-N型重掺杂区(4)的厚度。
4.根据权利要求1所述的一种高压IGBT器件，其特征在于，所述高K绝缘层(8)为一种单质或者化合物的高K绝缘材料。
5.根据权利要求1所述的一种高压IGBT器件，其特征在于，所述发射极电极(E)、栅极电极(G)和集电极电极(C)的材料为铜材料或者铝材料。
6.根据权利要求1所述的一种高压IGBT器件，其特征在于，所述P型发射区(6)选用掺杂P型的多晶硅材料。
7.根据权利要求1所述的一种高压IGBT器件，其特征在于，半导体衬底材料为半导体SiC基材料。
8.一种高压IGBT器件的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
S1、清洗、曝光：将P型SiC衬底进行清洗、烘干，在其上表面涂一层光刻胶，采用有所述N型掺杂区定义的掩膜版和激光器曝光，显影后形成所述N型掺杂区定义；
S2、N型重掺杂缓冲区(2)的形成：通过离子注入方式，在所述P型SiC衬底中形成所述N型重掺杂缓冲区(2)；
S3、N型轻掺杂漂移区(3)的形成：通过离子注入方式，在所述P型SiC衬底中，且在所述N型重掺杂缓冲区(2)的上表面形成所述N型轻掺杂漂移区(3)；
S4、CEL-N型重掺杂区(4)的形成：通过离子注入方式，在所述P型SiC衬底中，且在所述N型轻掺杂漂移区(3)的上表面形成所述CEL-N型重掺杂区(4)；
S5、P型阱区(5)的定义：去除N型掺杂区定义的光刻胶，涂一层新的光刻胶，采用有所述P型阱区(5)定义的掩膜版和激光器曝光，显影后形成所述P型阱区(5)的定义；
S6、P型阱区(5)的形成，通过离子注入方式，在所述P型SiC衬底中，且在所述CEL-N型重掺杂区(4)的上表面形成所述P型阱区(5)；
S7、P型发射区(6)的定义：去除P型阱区(5)定义的光刻胶，涂一层新的光刻胶，采用有所述P型发射区(6)定义的掩膜版和激光器曝光，显影后形成所述P型发射区(6)的定义；
S8、P型发射区(6)的刻蚀：对定义的P型发射区(6)的SiC基片进行蚀刻，在P型阱区(5)蚀刻出P型发射区(6)；
S9、P型多晶硅的形成：去除P型发射区(6)定义的光刻胶，对SiC基片上的P型发射区进行P型多晶硅沉积，将其他区域的P型多晶硅去除；
S10、N型重掺杂区(7)的形成：在所述SiC基片上涂一层光刻胶，采用有所述N型重掺杂区(7)定义的掩膜版和激光器曝光，显影后形成所述N型重掺杂区(7)的定义，通过离子注入方式，在所述P型发射区(6)旁侧形成所述N型重掺杂区(7)；
S11、栅极层结构的沉积：去除所述N型重掺杂区(7)定义的光刻胶，在所述SiC基片上沉积所述高K绝缘材料，在所述高K绝缘材料上表面沉积栅极多晶硅；
S12、栅结构的定义：在沉积有栅极多晶硅的SiC基片上涂一层光刻胶，采用有所述栅结构区定义的掩膜版和激光器曝光，显影后形成所述栅结构区的定义；
S13、栅结构的形成：对定义的栅结构的SiC基片进行蚀刻，形成栅结构；
S14、电极的形成：对具有栅结构的SiC基片进行发射极、集电极和栅极的金属沉积，形成发射极电极、集电极电极和栅极电极。
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