CN113066850B - 逆导型igbt器件及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种逆导型IGBT器件及制备方法，包括漂移层和设置在漂移层上表面的正面结构，漂移层下表面设置有缓冲层，缓冲层内设有多个空腔区；缓冲层表面设有导电层，空腔区与导电层之间设有间隙，导电层由而背面第一导电类型区和背面第二导电类型区间隔设置，背面第二导电类型区设置在空腔区下方，导电层表面设有集电极层。根据本申请实施例提供的技术方案，通过在缓冲层内设置空腔区，且将空腔区设置在背面第二导电类型区的上方，形成电流散射中心，使背面第二导电类型区的空穴在IGBT开通时能以更快的速度注入IGBT的漂移层，能够明显消除电压折回现象。
Description
技术领域
本发明一般涉及半导体器件领域，尤其涉及逆导型IGBT器件及制备方法。
背景技术
现今IGBT((Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)器件在电力应用系统中占有重要位置，而应用电路一般要求具有双向导通能力，但是传统的IGBT器件是一个单向导通器件，这就要求IGBT必须反向并联一个器件(一般指的是二极管)来满足电力系统的应用，这就增加了系统的复杂性和应用成本。
针对这一现状，有人提出了逆导型IGBT器件，其为保持传统IGBT器件正面结构不变，在IGBT器件背面部分掺杂N型杂质，在背面就形成了N型杂质与P型杂质共存形态，背面的N型杂质区和正面的P型杂质区就分别形成了二极管阴极和阳极结构。相较传统的IGBT，逆导型IGBT集成了二极管特性，在应用中就可以单独使用，无需并联二极管，这就大大的简化了系统的复杂性，也进一步降低了应用成本。
但是这种逆导型IGBT在正向导通时会存在电压折回现象，这是由于在导通时，电子快速从背面N区导出，相当于仅工作在Mosfet模式，由于背面PN结存在结势垒，空穴无法在开通时马上注入，只有当电流到达特定值，叠加在PN结上的电势超过结势垒时，空穴才能注入IGBT漂移区，当空穴注入时，才形成了电导调制效应，此时IGBT的压降相比仅工作在Mosfet模式时明显减小，这也是电压折回的根本原因。IGBT器件在电力应用系统中一般是并联使用，如果器件存在电压折回的输出特性，在并联使用中极易出现电流不均的严重情况，最终的后果是IGBT器件过热烧毁，对应用系统造成损害。
发明内容
鉴于现有技术中的上述缺陷或不足，期望提供一种逆导型IGBT器件及制备方法。
第一方面，提供一种逆导型IGBT器件，包括漂移层和设置在所述漂移层上表面的正面结构，所述漂移层下表面设置有缓冲层，所述缓冲层内设有多个空腔区；
所述缓冲层表面设有导电层，所述空腔区与所述导电层不接触，所述导电层由而背面第一导电类型区和背面第二导电类型区间隔设置，所述背面第一导电类型区设置在所述空腔区下方，
所述导电层表面设有集电极层。
进一步的，所述空腔区延伸至所述漂移层设置。
进一步的，每个所述空腔区为一个独立空腔。
进一步的，每个所述空腔区由多个分隔的空腔组成。
进一步的，每个所述空腔区内的空腔间隔设置，相邻所述空腔之间间距不尽相同，相邻所述空腔之间间距为0.01um～1um。
第二方面，提供一种逆导型IGBT器件制备方法，包括步骤：
S1：提供第一导电类型的衬底，在所述衬底上表面形成正面结构；
S2：在所述衬底内部多个区域注入离子，随后进行退火操作形成多个空腔区；
S3：随后在所述衬底下表面形成缓冲层，所述缓冲层至少部分覆盖所述空腔区；
S4：在所述缓冲层表面形成导电层，所述导电层由背面第一导电类型区和背面第二导电类型区间隔设置，所述背面第一导电类型区设置在所述空腔区下方；
S5：在所述导电层表面形成背面金属层。
进一步的，所述离子为氢离子和/或者氦离子和/或者氩离子。
进一步的，所述退火的方式为高温炉管退火或者激光退火，所述退火温度为300℃-800℃。
进一步的，所述第一导电类型的衬底为磷粒子轻掺杂，所述的轻掺杂浓度为2×1013cm-3～4×1014cm-3，所述轻掺杂浓度是线性分布或者高斯分布。
进一步的，所述缓冲层通过注入或者驱入或者扩散的方式将磷粒子掺杂至所述衬底下表面，所述掺杂为重掺杂，所述重掺杂浓度为1016cm-3～1018cm-3，所述重掺杂浓度是线性分布或者高斯分布；
第一导电类型区掺杂杂质为磷,该掺杂为重掺杂，掺杂浓度为1014～1016cm-3，第二导电类型区掺杂杂质为硼，该掺杂为重掺杂，掺杂浓度为1014～1016cm-3。
根据本申请实施例提供的技术方案，通过在缓冲层内设置空腔区，且将空腔区设置在背面第二导电类型区的上方，形成电流散射中心，当该IGBT器件开通时，电子流通到达空腔上方时，由于空腔的散射作用及相对位置，电子的流通路径将通过背面第二导电类型区上方，最终到达背面第一导电类型区，在背面第二导电类型区上方流通时，产生的电势可以抵消PN结固有的势垒，使背面第二导电类型区的空穴在IGBT开通时能以更快的速度注入IGBT的漂移层，能够明显消除电压折回现象。
附图说明
通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明一实施例中IGBT器件结构示意图；
图2为本发明另一实施例中IGBT器件结构示意图；
图3为本发明实施例中逆导型IGBT器件制备方法流程图；
图4-图9为本发明实施例中逆导型IGBT器件制备过程结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与发明相关的部分。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
请参考图1，本实施例提供一种逆导型IGBT器件，包括漂移层105和设置在所述漂移层105上表面的正面结构，所述漂移层105下表面设置有缓冲层104，所述缓冲层104内设有多个空腔区111；
所述缓冲层104表面设有导电层，所述空腔区111与所述导电层不接触，所述导电层由而背面第一导电类型区102和背面第二导电类型区103间隔设置，所述背面第一导电类型区102设置在所述空腔区111下方，
所述导电层表面设有集电极层101。
本实施例中在缓冲层内设置空腔区，且将空腔区设置在背面第一导电类型区的上方，空腔区与导电层之间留有一定的距离，两者不接触设置，空腔区形成电流散射中心，当该IGBT器件开通时，电子流通到达空腔上方时，由于空腔的散射作用及相对位置，电子的流通路径将通过背面第二导电类型区上方，最终到达背面第一导电类型区，在背面第二导电类型区上方流通时，产生的电势可以抵消PN结固有的势垒，使背面第二导电类型区的空穴在IGBT开通时能以更快的速度注入IGBT的漂移层，能够明显消除电压折回现象。
进一步的，所述空腔区111延伸至所述漂移层105设置。
本实施例中在缓冲层内设置空腔区，通过该空腔区的设置能够有效消除电压折回现象，其中空腔区可以设置在缓冲层内部，被缓冲层包围，也可以将该空腔区延伸至漂移层(附图中并未示出)，该空腔区延伸出漂移层的距离设置在0.01um～1um之间，也可以根据实际情况延伸出更长的距离。
进一步的，每个所述空腔区111为一个独立空腔。
如图1所示为本实施例IGBT器件的结构示意图，其中设置有多个空腔区，每个空腔区均为一个独立的空腔设置在背面第二导电区的上方，该空腔区对电子起到一定的散射作用。
进一步的，每个所述空腔区111由多个分隔的空腔组成。图2还给出了一种IGBT器件的结构示意图，其中将每个空腔区设置成多个分隔的空腔，间隔设置的空腔不仅能够实现上述消除电压折回的现象，还能够在IGBT器件反向导通的时候提供更短的电流路径，降低IGBT器件的反向导通压降，进一步的提升IGBT器件的性能。
进一步的，每个所述空腔区111内的空腔间隔设置，相邻所述空腔之间间距不尽相同，相邻所述空腔之间间距为0.01um～1um。
如图2所示，本实施例提供了另一种IGBT器件的结构图，其中将每个空腔区设定为多个分隔的空腔，各个分隔的空腔之间间距可以设置成相同的，也可以设置成不等间距的，间距范围为0.01um～1um，根据实际情况可以设置的更大；本实施例中通过将每个空腔区设置为间隔的空腔，一方面同样能够消除电压折回的现象，另一方面，还能在IGBT器件反向导通的时候提供更短的电流路径，降低IGBT器件的反向导通压降。
进一步的，所述漂移层105上设有正面第二导电区107，所述正面第二导电区107上设有栅极沟槽，所述栅极沟槽延伸至所述漂移层105设置，所述栅极沟槽105内设有栅极层106，
所述正面第二导电区107上方设有正面第一导电区108，所述正面第一导电区108间隔设置，且所述正面第一导电区108围绕所述栅极层106设置；
所述正面第一导电区108与所述栅极层106上方设有绝缘层109，所述绝缘层109间隔设置，覆盖所述正面第一导电区108与所述栅极层106上表面；
所述绝缘层109上设有(正面金属电极层)发射极层110，所述发射极层110包覆所述绝缘层109和所述正面第一导电区108。
如图1或者图2所示，本实施例采用沟槽栅极结构的IGBT器件为例，在漂移层上设置上层结构，该上层结构分别包括设置在漂移层105上的正面第二导电区107，并且在漂移层105和正面第二导电区107上设置了栅极沟槽，栅极层106设置在该栅极沟槽内，还包括设置在正面第二导电区107上方的正面第一导电区108，该正面第一导电区108不覆盖栅极层106，仅设置在正面第二导电区107上方并围绕栅极层设置，且相邻栅极层周围的正面第一导电区108也需要间隔设置，形成如图1所示的正面第一导电区108之间的小沟槽；还包括设置在正面第一导电区108和栅极层106上方的绝缘层109，通过该绝缘层109一方面用于防止外部杂质进入栅极沟槽区，影响阈值电压，另一方面将正面金属电极层与第一导电区进行隔离，防止短路影响电气特性，且该绝缘层的材料可以是硅氧化物，例如二氧化硅；最后该上层结构还包括发射极层110，该发射极层覆盖整个上表面，包覆绝缘层109和正面第一导电区108设置，
其中需要说明的是，栅极沟槽穿过第二导电区延伸至漂移层设置，该栅极沟槽的结构可以不仅仅是图中所示的U型结构，还可以为矩形槽、梯形槽或者异形槽，可根据实际情况进行选择；并且本实施例中提供的逆导型IGBT的结构，在缓冲层内设置空腔以消除电压折回的现象还可以应用于其他类型的IGBT器件，例如平面IGBT器件等，其通过设置空腔明显消除电压折回现象的技术特征不受IGBT器件的类型影响，不同类型的IGBT器件均可以在缓冲层内设置空腔，具体将该空腔设置在背面第一导电类型区上方。
如图3所示，本实施例还提供一种逆导型IGBT器件的制备方法，包括步骤：
S1：提供第一导电类型的衬底105，在所述衬底105上表面形成正面结构；
S2：在所述衬底105内部多个区域注入离子，随后进行退火操作形成多个空腔区111；
S3：随后在所述衬底下表面形成缓冲层104，所述缓冲层104至少部分覆盖所述空腔区111；
S4：在所述缓冲层104表面形成导电层，所述导电层由背面第一导电类型区102和背面第二导电类型区103间隔设置，所述背面第一导电类型区102设置在所述空腔区111下方；
S5：在所述导电层表面形成背面金属层101。
本实施例中提供了该逆导型IGBT器件的制备方法，首先提供一个第一导电类型的衬底，在该衬底上表面形成正面结构，随后在衬底内部形成空腔区，通过该空腔区的形成消除IGBT器件的电压折回现象，其中通过在衬底内部注入离子，随后退火形成该空腔区，空腔区形成后在衬底下表面再形成缓冲层，通过注入或者激活等工艺形成该缓冲层，也就是背面第一导电类型区，在形成该缓冲层之前还可以根据实际需要对该衬底利用化学或者物理方式进行减薄，形成的缓冲层可以完全包裹该空腔区，也可以包裹住部分空腔区，该全部包裹空腔区或者部分包裹该空腔区的技术特征不会影响该空腔区的作用，空腔区均能够实现形成电流散射中心，当该IGBT器件开通时，电子流通到达空腔上方时，由于空腔的散射作用及相对位置，电子的流通路径将通过背面第二导电类型区上方，最终到达背面第一导电类型区，在背面第二导电类型区上方流通时，产生的电势可以抵消PN结固有的势垒，使背面第二导电类型区的空穴在IGBT开通时能以更快的速度注入IGBT的漂移层，能够明显消除电压折回现象；
随后在缓冲层表面形成导电层，该导电层由背面第一导电类型区和背面第二导电类型区间隔设置，该区域通过选择性的注入或者驱入或者激活等工艺步骤形成，其中将背面第一导电类型区设置在空腔区的下方实现本实施所要的效果；最后在导电层表面形成背面金属层。
进一步的，所述离子为氢离子和/或者氦离子和/或者氩离子。本实施了中形成空腔区的离子可以是上述离子中的任一一种或者多种离子的组合。
进一步的，所述退火的方式为高温炉管退火或者激光退火，所述退火温度为300℃-800℃。注入离子后通过退火的方式形成空腔区，退火方式可以多样，退火温度控制在300-800℃，可以根据实际情况控制温度更高，根据对空腔的深度、尺寸等方面的不同要求，通过调节注入的角度、退火温度等实现；形成的空腔区与导电区之间相互不接触，存在一定的距离，空腔区与导电区之间的距离一般为0.01μm-0.1μm，根据实际情况可以将该间距设置的更大；其中背面第一导电类型区设置在空腔区的下方，该空腔区也可以延伸至第二导电类型区的上方，不会影响空腔区消除电压折回现象的效果；本实施例中采用离子注入的方式实现该空腔区的设置，优选的采用氢离子和/或者氦离子和/或者氩离子进行注入，这些离子具有较强的活性，注入后会产生对应的气体，例如氢气等，需要采用退火工艺将产生的气体排出，该区域形成空腔对电压折回现象进行消除。
上述在衬底上表面形成正面结构，具体包括步骤：S11：提供第一导电类型的衬底105，在所述衬底上形成栅极层106；
S12：在所述衬底上形成正面第二导电区107和正面第一导电区108；
S13：在所述正面第一导电区108表面形成绝缘层109；
S14：在所述绝缘层109上形成正面金属电极层110，所述正面金属电极层110包裹所述绝缘层109。
如图4至图9所示为上述实施例的步骤结构图，如图4所示，首先提供第一导电类型的衬底105，在该衬底上形成栅极沟槽，其中图4所示的栅极沟槽为U型，可以根据实际需求将该沟槽设置为矩形槽、梯形槽、U形槽或者异形槽，该沟槽的形成可以利用光刻胶或者特定硅蚀刻液或者干法刻蚀实现，其中栅极沟槽设置在衬底上的深度为2.5μm-5.5μm，相邻沟槽之间的间距为1μm-10μm；随后进行氧化层生长或者淀积，再进行多晶硅的淀积以及对多晶硅进行刻蚀或者采用化学机械研磨的方式进行研磨形成图示的结构；
进一步的，所述第一导电类型的衬底为磷粒子轻掺杂，所述的轻掺杂浓度为2×1013cm-3～4×1014cm-3，所述轻掺杂浓度是线性分布或者高斯分布；
随后通过选择性的注入或者扩散或者驱入杂质的工艺在衬底上形成正面第二导电区107和正面第一导电区108，正面第二导电区107上方设有正面第一导电区108，所述正面第一导电区108间隔设置，且所述正面第一导电区108围绕所述栅极层106设置，形成如图5所示的结构；
随后如图6所示，在栅极层106和正面第一导电区108上方设置绝缘层109，该绝缘层109间隔设置并覆盖栅极层106和正面第一导电区108，通过该绝缘层109一方面用于防止外部杂质进入栅极沟槽区，影响阈值电压，另一方面将正面金属电极层与第一导电区进行隔离，防止短路影响电气特性，且该绝缘层的材料可以是硅氧化物，例如二氧化硅，也可以是PSG，USG，BPSG；随后通过蒸镀或者溅射等方法形成发射极层，即正面金属电极层，该发射极层的材料可以是AlSi或AlSiCu或AlCu；
随后通过选择性的注入氢离子和/或者氦离子和/或者氩离子到特定的区域，并进行退火操作，形成晶体缺陷区即上述的空腔区，通过设置该空腔区实现载流子散射功能，消除电压折回现象，形成如图7所示的结构，该步骤中的退火方式为高温炉管退火或者激光退火，所述退火温度为300℃-800℃，该退火温度可以根据实际情况控制的更高，并且上述形成空腔区的步骤可以根据对空腔的深度、尺寸等方面的不同要求，调节离子注入的角度以及上述退火的温度形成不同尺寸以及不同位置的空腔；
随后对衬底105的下表面通过化学或者物理方式进行减薄，减薄至所需要的厚度即可，随后通过注入或者激活等工艺在衬底背面形成缓冲层104，形成如图8所示的结构，形成的缓冲层104可以完全覆盖空腔区111，即缓冲层104将空腔区完全包覆在该缓冲层104的内部，也可以设置为该缓冲层104部分覆盖空腔区，例如缓冲层104包裹空腔区的下面部分，空腔区的上面部分伸出该缓冲层一直到衬底上，此时所说的衬底即为漂移层105(部分覆盖的方案图中并未示出)，进一步的，所述缓冲层通过注入或者驱入或者扩散的方式将磷粒子掺杂至所述衬底下表面，所述掺杂为重掺杂，所述重掺杂浓度为1016cm-3～1018cm-3，所述重掺杂浓度是线性分布或者高斯分布；
上述步骤形成的多个空腔区，可以是每个空腔区为一个独立的空腔，如图8所示，或者每个空腔区由多个分隔的空腔组成，如图2所示，均能实现所要达到的技术效果，空腔区设置的形式不同可以通过注入离子的位置等参数不同进行控制；
随后在缓冲层104表面形成导电层，如图9所示，该导电层包括有背面第一导电类型区102和背面第二导电类型区103，该背面第一导电类型区102和背面第二导电类型区103间隔设置，并且需要将背面第一导电类型区102设置在空腔区111的下方，该设置方式才能使得IGBT器件开通时，电子流通到达空腔上方时，由于空腔的散射作用以及其相对位置(该位置即为将空腔区111设置在背面第一导电类型区102的上方)，电子的流通路径将通过背面第二导电类型区上方，最终到达背面第一导电类型区，在背面第二导电类型区上方流通时，产生的电势可以抵消PN结固有的势垒，使背面第二导电类型区的空穴在IGBT开通时能以更快的速度注入IGBT的漂移层，能够明显消除电压折回现象；进一步的，背面第一导电类型区掺杂杂质为磷,该掺杂为重掺杂，掺杂浓度为1014～1016cm-3，背面第二导电类型区掺杂杂质为硼，该掺杂为重掺杂，掺杂浓度为1014～1016cm-3，均可以通过注入或者驱入扩散等方式实现，且上述掺杂浓度是线性分布或者高斯分布；
最后在导电区表面形成背面金属层101，形成如图1所示的结构，该背面金属层可以通过蒸发或者溅射等方法实现，该背面金属层的材料可以是AlTiNiAg或AlTiNNiAg或AlTiNiAu等。
本发明通过在缓冲层内设置空腔区，且将空腔区设置在背面第二导电类型区的上方，形成电流散射中心，当该IGBT器件开通时，电子流通到达空腔上方时，由于空腔的散射作用及相对位置，电子的流通路径将通过背面第二导电类型区上方，最终到达背面第一导电类型区，在背面第二导电类型区上方流通时，产生的电势可以抵消PN结固有的势垒，使背面第二导电类型区的空穴在IGBT开通时能以更快的速度注入IGBT的漂移层，能够明显消除电压折回现象。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。
Claims (10)
1.一种逆导型IGBT器件，其特征在于，包括漂移层和设置在所述漂移层上表面的正面结构，所述漂移层下表面设置有缓冲层，所述缓冲层内设有多个空腔区，所述漂移层和所述缓冲层为N型；
所述缓冲层表面设有导电层，所述空腔区与所述导电层不接触，所述导电层由背面第一导电类型区和背面第二导电类型区间隔设置，所述背面第一导电类型区设置在所述空腔区下方，所述第一导电类型为N型，所述第二导电类型为P型；
所述导电层表面设有集电极层，所述集电极层为金属层，用作集电极。
2.根据权利要求1所述的逆导型IGBT器件，其特征在于，所述空腔区延伸至所述漂移层设置。
3.根据权利要求1或2所述的逆导型IGBT器件，其特征在于，每个所述空腔区为一个独立空腔。
4.根据权利要求1或2所述的逆导型IGBT器件，其特征在于，每个所述空腔区由多个分隔的空腔组成。
5.根据权利要求4所述的逆导型IGBT器件，其特征在于，每个所述空腔区内的空腔间隔设置，相邻所述空腔之间间距不尽相同，相邻所述空腔之间间距为0.01um～1um。
6.一种权利要求1-5任一所述的逆导型IGBT器件制备方法，其特征在于，包括步骤：
S1：提供第一导电类型的衬底，在所述衬底上表面形成正面结构；
S2：在所述衬底内部多个区域注入离子，随后进行退火操作形成多个空腔区；
S3：随后在所述衬底下表面形成缓冲层，所述缓冲层至少部分覆盖所述空腔区；
S4：在所述缓冲层表面形成导电层，所述导电层由背面第一导电类型区和背面第二导电类型区间隔设置，所述背面第一导电类型区设置在所述空腔区下方；
S5：在所述导电层表面形成背面金属层，所述背面金属层为集电极层，用作集电极。
7.根据权利要求6所述的逆导型IGBT器件制备方法，其特征在于，所述离子为氢离子和/或者氦离子和/或者氩离子。
8.根据权利要求7所述的逆导型IGBT器件制备方法，其特征在于，所述退火的方式为高温炉管退火或者激光退火，所述退火温度为300℃-800℃。
9.根据权利要求6所述的逆导型IGBT器件制备方法，其特征在于，所述第一导电类型的衬底为磷粒子轻掺杂，所述的轻掺杂浓度为2×1013cm-3～4×1014cm-3，所述轻掺杂浓度是线性分布或者高斯分布。
10.根据权利要求6所述的逆导型IGBT器件制备方法，其特征在于，所述缓冲层通过注入或者驱入或者扩散的方式将磷粒子掺杂至所述衬底下表面，所述掺杂为重掺杂，所述重掺杂浓度为1016cm-3～1018cm-3，所述重掺杂浓度是线性分布或者高斯分布；
第一导电类型区掺杂杂质为磷,该掺杂为重掺杂，掺杂浓度为1014～1016cm-3，第二导电类型区掺杂杂质为硼，该掺杂为重掺杂，掺杂浓度为1014～1016cm-3。
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