CN113851379A - Igbt器件及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种IGBT器件及其制作方法，IGBT器件包括：衬底，衬底包括相对的第一主面及第二主面，第一主面形成有IGBT器件的正面结构；第一导电类型缓冲区，位于衬底的第二主面内；集电极区，位于衬底的第二主面；氦离子缺陷层，位于衬底的第二主面，且氦离子缺陷层位于第一导电类型缓冲区内。本发明通过在IGBT器件背面增加氦离子缺陷层，实现在不影响通态压降的基础下，有效降低IGBT器件的关断损耗，实现IGBT器件的通态压降与关断损耗的折中曲线往坐标原点靠近，可大大提升IGBT器件的性能。
Description
技术领域
本发明属于半导体功率器件设计及制造领域，特别是涉及一种低关断损耗的IGBT器件及其制作方法。
背景技术
IGBT自20世纪80年代末开始工业化应用以来发展迅速，广泛应用于工业、汽车、通信及消费电子领域，其主要电压应用范围在600V-1200V。由于经济的飞速发展，我国能源需求量大幅上升，在节能减排政策的背景下，工业控制、变频白色家电等节能效果明显的产品近年来市场规模不断扩大，对IGBT需求量持续上升。IGBT芯片已经历了7代升级，衬底从PT穿通到NPT非穿通再到FS场截止，栅极从平面到沟槽，随着技术的升级，IGBT通态功耗和开关功耗均不断减少，IGBT工作频率不断提升。在高频应用线路中，往往希望IGBT的通态功耗低且开关功耗也低，特别是要求关断功耗低。如何在不影响通态功耗基础上降低关断功耗，或者同时降低通态功耗和关断功耗一直是各国研究人员研究热点。
目前，公开的IGBT结构主要有载流子存储沟槽IGBT(CSTBT)和微尺寸沟槽IGBT(MPT)，这些结构改进主要集中在IGBT芯片正面。目前对IGBT器件背面结构的改进方案国内仍处于较低的水平。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种IGBT器件及其制作方法，用于解决现有技术中IGBT器件关断功耗较大的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种IGBT器件的制作方法，所述制作方法包括步骤：提供一衬底，所述衬底包括相对的第一主面及第二主面，于所述第一主面制作IGBT器件的正面结构；对所述衬底的第二主面进行第一导电类型离子注入，以在所述衬底的第二主面内形成第一导电类型缓冲区；对所述衬底的第二主面进行第二导电类型离子注入，并在所述衬底的第二主面形成集电极区；对所述衬底的第二主面进行氦离子注入，以在所述的第二主面内形成氦离子缺陷层，所述氦离子缺陷层位于所述第一导电类型缓冲区内。
可选地，所述IGBT器件的正面结构包括设置于所述衬底的第一主面的阱区、沟槽栅结构、发射极区、发射极金属层及载流子存储掺杂区，所述沟槽栅结构贯穿所述阱区至所述衬底中，所述发射极区设置于所述阱区内，且位于所述沟槽栅结构的侧面，所述载流子存储掺杂区设置于所述阱区下方，所述发射极金属层与所述发射极区和所述阱区连接。
可选地，所述制作方法包括步骤：
a)对所述衬底的第二主面进行第一导电类型离子注入，注入离子包括磷离子，注入能量介于100KeV～2000KeV之间，注入剂量介于1e11cm-2～1e13cm-2之间；
b)对所述衬底的第二主面进行第二导电类型离子注入，注入离子包括硼离子，注入能量介于20KeV～60KeV之间，注入剂量为1e12cm-2～1e14cm-2之间；
c)采用退火工艺将注入的磷离子与硼离子同时激活，以在所述衬底的第二主面内形成第一导电类型缓冲区，并在所述衬底的第二主面形成集电极区；
d)对所述衬底的第二主面进行氦离子注入，以在所述的第二主面内形成氦离子缺陷层。
可选地，对所述衬底的第二主面进行氦缺陷离子注入的注入剂量介于1e10 cm-2～1e12cm-2之间，注入深度介于2μm～6μm之间，接着进行退火工艺，退火温度介于250℃～350℃之间，退火时间介于0.5h～2h之间。
可选地，所述制作方法包括步骤：
a)对所述衬底的第二主面进行第二导电类型离子注入，注入离子包括硼离子，离子注入能量介于20KeV～60KeV之间，注入剂量介于1e12cm-2～1e14cm-2之间，采用退火工艺将注入的硼离子进行激活，以在所述衬底的第二主面形成集电极区；
b)对所述衬底的第二主面进行第一导电类型离子注入，注入离子包括氢，注入能量介于200KeV～1.5MeV之间，注入剂量介于5e11cm-2～5e14cm-2之间；
c)对所述衬底的第二主面进行氦缺陷离子注入，以在所述的第二主面内形成氦离子缺陷层，接着进行退火工艺，退火温度介于250℃～350℃之间，退火时间介于0.5h～2h之间。
可选地，步骤c)对所述衬底的第二主面进行氦缺陷离子注入的注入离子的注入剂量介于1e10 cm-2～1e12cm-2之间，注入深度介于2μm～6μm之间。
可选地，步骤b)包括对所述衬底的第二主面进行多次氢离子注入并退火，以使所述第一导电类型缓冲区具有不同氢离子掺杂浓度的多个氢离子掺杂层，多个所述氢离子掺杂层的氢离子掺杂浓度自所述第二主面向所述第一主面的方向逐渐减小。
本发明还提供一种IGBT器件，所述IGBT器件包括：衬底，所述衬底包括相对的第一主面及第二主面，所述第一主面形成有IGBT器件的正面结构；第一导电类型缓冲区，位于所述衬底的第二主面内；集电极区，位于所述衬底的第二主面；氦离子缺陷层，位于所述衬底的第二主面，且所述氦离子缺陷层位于所述第一导电类型缓冲区内。
可选地，所述IGBT器件的正面结构包括设置于所述衬底的第一主面的阱区、沟槽栅结构、发射极区、发射极金属层及载流子存储掺杂区，所述沟槽栅结构贯穿所述阱区至所述衬底中，所述发射极区设置于所述阱区内，且位于所述沟槽栅结构的侧面，所述载流子存储掺杂区设置于所述阱区下方，所述发射极金属层与所述发射极区和所述阱区连接。
可选地，所述氦离子缺陷层包含的氦离子注入剂量介于1e10cm-2～1e12cm-2之间，所述氦离子缺陷层的深度介于2μm～6μm之间。
可选地，所述集电极区的掺杂离子包括硼离子，所述集电极区包含的离子注入剂量介于1e12cm-2～1e14cm-2之间，离子注入能量介于20KeV～60KeV之间。
可选地，所述第一导电类型缓冲区的掺杂离子包括磷离子，所述第一导电类型缓冲区包含的离子注入剂量介于1e11cm-2～1e13cm-2之间，离子注入能量介于100KeV～2000KeV之间。
可选地，所述第一导电类型缓冲区的掺杂离子包括氢，所述第一导电类型缓冲区包含的离子注入剂量介于5e11cm-2～5e14cm-2之间，离子注入能量介于200KeV～1.5MeV之间。
可选地，所述第一导电类型缓冲区具有不同氢离子掺杂浓度的多个氢离子掺杂层，多个所述氢离子掺杂层的氢离子掺杂浓度自所述第二主面向所述第一主面的方向逐渐减小。
如上所述，本发明的IGBT器件及其制作方法，具有以下有益效果：
IGBT器件关断过程中，在电场作用下，电子和空穴不断抽出，即电子往芯片背面流动，空穴往芯片正面流动，进而形成空间电荷区，随着IGBT器件两端电压的上升，空间电荷区由IGBT器件正面往背面不断展宽，当IGBT器件电压维持在稳定工作电压时，空间电荷区不再展宽；之后电子需要通过扩散方式从IGBT集电极流出，此过程一般时间较长。本发明通过在IGBT器件背面引入氦离子缺陷层，降低此处的载流子寿命，加快电子与空穴的复合速度，进而加快IGBT器件的关断速度，降低IGBT器件的关断损耗。
本发明通过在IGBT器件背面增加氦离子缺陷层，实现在不影响通态压降的基础下，有效降低IGBT器件的关断损耗，实现IGBT器件的通态压降与关断损耗的折中曲线往坐标原点靠近，可大大提升IGBT器件的性能。
附图说明
图1～图5显示为本发明实施例1的IGBT器件的制作方法各步骤所呈现的结构示意图，其中，图5显示为本发明实施例1的IGBT器件的结构示意图。
图6～图10显示为本发明实施例2的IGBT器件的制作方法各步骤所呈现的结构示意图，其中，图10显示为本发明实施例2的IGBT器件的结构示意图。
图11显示为传统的IGBT器件与本发明实施例的具有氦离子缺陷层的IGBT器件的关断仿真曲线图。
图12显示为在一工作状态下IGBT器件体内电荷分布图。
元件标号说明
101 衬底
102 栅介质层
103 多晶硅层
104 载流子存储掺杂区
105 阱区
106 发射极区
107 绝缘层
108 正面金属
109 集电极区
110、210 缓冲区
111 氦离子缺陷层
112 背面金属
211、212、213、214 掺杂峰
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
如在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。
为了方便描述，此处可能使用诸如“之下”、“下方”、“低于”、“下面”、“上方”、“上”等的空间关系词语来描述附图中所示的一个元件或特征与其他元件或特征的关系。将理解到，这些空间关系词语意图包含使用中或操作中的器件的、除了附图中描绘的方向之外的其他方向。此外，当一层被称为在两层“之间”时，它可以是所述两层之间仅有的层，或者也可以存在一个或多个介于其间的层。
在本申请的上下文中，所描述的第一特征在第二特征“之上”的结构可以包括第一和第二特征形成为直接接触的实施例，也可以包括另外的特征形成在第一和第二特征之间的实施例，这样第一和第二特征可能不是直接接触。
需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
实施例1
如图1～图5所示，本实施例提供一种IGBT器件的制作方法，所述制作方法包括以下步骤：
如图1～图2所示，首先进行步骤1)，提供一衬底101，所述衬底101包括相对的第一主面及第二主面，于所述第一主面制作IGBT器件的正面结构。
所述衬底101可以是单晶硅衬底。在一些实施例中所述衬底也可由其它材料制成，例如但不限于硅锗或锗。在其它实施例中，所述衬底101还可以为包括其他元素半导体或化合物半导体的衬底，例如砷化镓、磷化铟或碳化硅等。
所述IGBT器件的正面结构包括设置于所述衬底101的第一主面的阱区105、沟槽栅结构、发射极区106、发射极金属层及载流子存储掺杂区104，所述沟槽栅结构贯穿所述阱区105至所述衬底101中，所述沟槽栅结构贯穿所述阱区105至所述衬底101中，所述沟槽栅结构包括延伸至所述阱区105下方的沟槽、位于所述沟槽侧壁的栅介质层102及填充于所述沟槽中的多晶硅层103，所述发射极区106设置于所述阱区105内，且位于所述沟槽栅结构的侧面，所述载流子存储掺杂区104设置于所述阱区105下方，所述发射极金属层与所述发射极区106和所述阱区105连接。所述IGBT器件的第一主面上还形成有绝缘层107，所述绝缘层107上形成有正面金属108，所述正面金属108包括发射极金属，所述发射极金属通过连接孔与所述发射极区106及阱区105连接。
在本实施例中，所述IGBT器件基于N型衬底101实现，所述衬底101为N型掺杂，所述阱区105为P型掺杂，所述发射极区106为N型掺杂，所述载流子存储掺杂区104为N型掺杂。上述各掺杂区的离子掺杂浓度可依据器件的导通电阻、反向耐压性能等参数设定。
如图2所示，在一实施例中，完成制作IGBT器件的正面结构之后，还包括对所述衬底101的第二主面进行减薄的步骤，所述减薄的工艺例如可以为研削工艺等，所述衬底101的减薄厚度可以依据器件的耐压等性能进行设定。
如图3所示，然后进行步骤2)，对所述衬底101的第二主面进行第一导电类型离子注入，以在所述衬底101的第二主面内形成第一导电类型缓冲区210。
具体地，对所述衬底101的第二主面进行第一导电类型离子注入，注入离子包括磷离子，注入次数为1-3次，注入能量介于100KeV～2000KeV之间，注入剂量介于1e11cm-2～1e13cm-2之间，此时，暂时不对所述磷离子进行退火。
如图3所示，接着进行步骤3)，对所述衬底101的第二主面进行第二导电类型离子注入，并在所述衬底101的第二主面形成集电极区109。
具体地，对所述衬底101的第二主面进行第二导电类型离子注入，注入离子包括硼离子，注入能量介于20KeV～60KeV之间，注入剂量介于1e12cm-2～1e14cm-2之间。
最后，采用退火工艺将注入的磷离子与硼离子同时激活，以在所述衬底101的第二主面内形成第一导电类型缓冲区210，并在所述衬底101的第二主面形成集电极区109，例如，所述退火工艺可以为激光退火工艺。
如图4所示，接着进行步骤4)，对所述衬底101的第二主面进行氦离子注入，以在所述的第二主面内形成氦离子缺陷层111，所述氦离子缺陷层111位于所述第一导电类型缓冲区210内。
具体地，对所述衬底101的第二主面进行氦缺陷离子注入剂量介于1e10 cm-2～1e12cm-2之间，注入深度介于2μm～6μm之间，接着进行退火工艺，退火温度介于250℃～350℃之间，退火时间介于0.5h～2h之间，例如，所述退火工艺可以为炉管退火工艺，所述退火工艺可以消除高温不稳定的氦离子缺陷，留下高温稳定的氦离子缺陷。
如图5所示，最后进行步骤5)，于所述衬底101的第二主面形成背面金属112，以完成所述IGBT器件的制作。例如，所述背面金属112可以为Al/Ti/Ni/Ag金属叠层。
如图5所示，本实施例还提供一种IGBT器件，所述IGBT器件包括：衬底101，所述衬底101包括相对的第一主面及第二主面，所述第一主面形成有IGBT器件的正面结构；第一导电类型缓冲区110，位于所述衬底101的第二主面内；集电极区109，位于所述衬底101的第二主面；氦离子缺陷层111，位于所述衬底101的第二主面，且所述氦离子缺陷层111位于所述第一导电类型缓冲区110内。
例如，所述衬底101可以是单晶硅衬底。在一些实施例中所述衬底也可由其它材料制成，例如但不限于硅锗或锗。在其它实施例中，所述衬底101还可以为包括其他元素半导体或化合物半导体的衬底，例如砷化镓、磷化铟或碳化硅等。
具体地，如图5所示，所述IGBT器件的正面结构包括设置于所述衬底101的第一主面的阱区105、沟槽栅结构、发射极区106、发射极金属层及载流子存储掺杂区104，所述沟槽栅结构贯穿所述阱区105至所述衬底101中，所述沟槽栅结构贯穿所述阱区105至所述衬底101中，所述沟槽栅结构包括延伸至所述阱区105下方的沟槽、位于所述沟槽侧壁的栅介质层102及填充于所述沟槽中的多晶硅层103，所述发射极区106设置于所述阱区105内，且位于所述沟槽栅结构的侧面，所述载流子存储掺杂区104设置于所述阱区105下方，所述发射极金属层与所述发射极区106和所述阱区105连接。所述IGBT器件的第一主面上还形成有绝缘层107，所述绝缘层107上形成有正面金属108，所述正面金属108包括发射极金属，所述发射极金属通过连接孔与所述发射极区106及阱区105连接。
在本实施例中，所述IGBT器件基于N型衬底101实现，所述衬底101为N型掺杂，所述阱区105为P型掺杂，所述发射极区106为N型掺杂，所述载流子存储掺杂区104为N型掺杂。上述各掺杂区的离子掺杂浓度可依据器件的导通电阻、反向耐压性能等参数设定。
所述氦离子缺陷层111包含的氦离子注入剂量介于1e10 cm-2～1e12cm-2之间，所述氦离子缺陷层111的深度介于2μm～6μm之间。
所述集电极区109的掺杂离子包括硼离子，所述集电极区109包含的离子注入剂量介于1e12cm-2～1e14cm-2之间，离子注入能量介于20KeV～60KeV之间。
所述第一导电类型缓冲区110的掺杂离子包括磷离子，所述第一导电类型缓冲区110包含的离子注入剂量介于1e11cm-2～1e13cm-2之间，离子注入能量介于100KeV～2000KeV之间。
如图5所示，所述衬底101的第二主面还形成有背面金属112。例如，所述背面金属112可以为Al/Ti/Ni/Ag金属叠层。
实施例2
如图6～图10所示，本实施例提供一种IGBT器件的制作方法，所述制作方法包括以下步骤：
如图6～图7所示，首先进行步骤1)，提供一衬底101，所述衬底101包括相对的第一主面及第二主面，于所述第一主面制作IGBT器件的正面结构。
所述衬底101可以是单晶硅衬底。在一些实施例中所述衬底也可由其它材料制成，例如但不限于硅锗或锗。在其它实施例中，所述衬底101还可以为包括其他元素半导体或化合物半导体的衬底，例如砷化镓、磷化铟或碳化硅等。
所述IGBT器件的正面结构包括设置于所述衬底101的第一主面的阱区105、沟槽栅结构、发射极区106、发射极金属层及载流子存储掺杂区104，所述沟槽栅结构贯穿所述阱区105至所述衬底101中，所述沟槽栅结构贯穿所述阱区105至所述衬底101中，所述沟槽栅结构包括延伸至所述阱区105下方的沟槽、位于所述沟槽侧壁的栅介质层102及填充于所述沟槽中的多晶硅层103，所述发射极区106设置于所述阱区105内，且位于所述沟槽栅结构的侧面，所述载流子存储掺杂区104设置于所述阱区105下方，所述发射极金属层与所述发射极区106和所述阱区105连接。所述IGBT器件的第一主面上还形成有绝缘层107，所述绝缘层107上形成有正面金属108，所述正面金属108包括发射极金属，所述发射极金属通过连接孔与所述发射极区106及阱区105连接。
在本实施例中，所述IGBT器件基于N型衬底101实现，所述衬底101为N型掺杂，所述阱区105为P型掺杂，所述发射极区106为N型掺杂，所述载流子存储掺杂区104为N型掺杂。上述各掺杂区的离子掺杂浓度可依据器件的导通电阻、反向耐压性能等参数设定。
如图7所示，在一实施例中，完成制作IGBT器件的正面结构之后，还包括对所述衬底101的第二主面进行减薄的步骤，所述减薄的工艺例如可以为研削工艺等，所述衬底101的减薄厚度可以依据器件的耐压等性能进行设定。
如图8所示，然后进行步骤2)，对所述衬底101的第二主面进行第二导电类型离子注入，注入离子包括硼离子，离子注入能量介于20KeV～60KeV之间，注入剂量介于1e12cm-2～1e14cm-2之间，采用退火工艺将注入的硼离子进行激活，以在所述衬底101的第二主面形成集电极区109。
如图9～图10所示，接着进行步骤3)，对所述衬底101的第二主面进行第一导电类型离子注入，注入离子包括氢，注入能量介于200KeV-1.5MeV之间，注入剂量介于5e11cm-2～5e14cm-2之间，以及进行步骤4)对所述衬底101的第二主面进行氦缺陷离子注入，以在所述的第二主面内形成氦离子缺陷层111，接着进行退火工艺，退火温度介于250℃～350℃之间，退火时间介于0.5h～2h之间。
具体地，对所述衬底101的第二主面进行氦缺陷离子注入剂量介于1e10 cm-2～1e12cm-2之间，注入深度介于2μm～6μm之间。
例如，所述退火工艺可以为炉管退火工艺，所述退火工艺可以消除高温不稳定的氦离子缺陷，留下高温稳定的氦离子缺陷。在本实施例中，所述氢离子注入的次数介于2次～4次之间，通过调整每次所述氢离子注入的剂量和能量，在退火后可以在所述衬底101中形成具有多个不同掺杂峰的氢离子掺杂层，例如，在本实施例中，所述氢离子掺杂区中具有四个不同的掺杂峰211、212、213及214，如图9所示。
如图10所示，最后进行步骤5)，于所述衬底101的第二主面形成背面金属112，以完成所述IGBT器件的制作。例如，所述背面金属112可以为Al/Ti/Ni/Ag金属叠层。
如图10所示，本实施例还提供一种IGBT器件，所述IGBT器件包括：衬底101，所述衬底101包括相对的第一主面及第二主面，所述第一主面形成有IGBT器件的正面结构；第一导电类型缓冲区210，位于所述衬底101的第二主面内；集电极区109，位于所述衬底101的第二主面；氦离子缺陷层111，位于所述衬底101的第二主面，且所述氦离子缺陷层111位于所述第一导电类型缓冲区210内。
例如，所述衬底101可以是单晶硅衬底。在一些实施例中所述衬底101也可由其它材料制成，例如但不限于硅锗或锗。在其它实施例中，所述衬底101还可以为包括其他元素半导体或化合物半导体的衬底，例如砷化镓、磷化铟或碳化硅等。
具体地，如图10所示，所述IGBT器件的正面结构包括设置于所述衬底101的第一主面的阱区105、沟槽栅结构、发射极区106、发射极金属层及载流子存储掺杂区104，所述沟槽栅结构贯穿所述阱区105至所述衬底101中，所述沟槽栅结构贯穿所述阱区105至所述衬底101中，所述沟槽栅结构包括延伸至所述阱区105下方的沟槽、位于所述沟槽侧壁的栅介质层102及填充于所述沟槽中的多晶硅层103，所述发射极区106设置于所述阱区105内，且位于所述沟槽栅结构的侧面，所述载流子存储掺杂区104设置于所述阱区105下方，所述发射极金属层与所述发射极区106和所述阱区105连接。所述IGBT器件的第一主面上还形成有绝缘层107，所述绝缘层107上形成有正面金属108，所述正面金属108包括发射极金属，所述发射极金属通过连接孔与所述发射极区106及阱区105连接。
在本实施例中，所述IGBT器件基于N型衬底101实现，所述衬底101为N型掺杂，所述阱区105为P型掺杂，所述发射极区106为N型掺杂，所述载流子存储掺杂区104为N型掺杂。上述各掺杂区的离子掺杂浓度可依据器件的导通电阻、反向耐压性能等参数设定。
所述氦离子缺陷层111包含的氦离子注入剂量介于1e10 cm-2～1e12cm-2之间，所述氦离子缺陷层111的深度介于2μm～6μm之间，在一个优选示例中，所述氦离子缺陷层111的深度介于3μm～5μm。
所述集电极区109的掺杂离子包括硼离子，所述集电极区109包含的离子注入剂量为1e12-1e14cm-2之间，离子注入能量介于20KeV～60KeV之间。
所述第一导电类型缓冲区210的掺杂离子包括氢，所述第一导电类型缓冲区210包含的离子注入剂量介于5e11cm-2～5e14cm-2之间，离子注入能量介于200KeV～1.5MeV。
所述第一导电类型缓冲区210具有不同氢离子掺杂浓度的多个氢离子掺杂层，多个所述氢离子掺杂层的氢离子掺杂浓度自所述第二主面向所述第一主面的方向逐渐减小。
如图10所示，所述衬底101的第二主面还形成有背面金属112。例如，所述背面金属112可以为Al/Ti/Ni/Ag金属叠层。
IGBT关断过程中，在电场作用下，电子和空穴不断抽出，即电子往芯片背面流动，空穴往芯片正面流动，进而形成空间电荷区，随着IGBT两端电压的上升，空间电荷区由IGBT正面往背面不断展宽，当IGBT电压维持在稳定工作电压时，空间电荷区不再展宽，此时IGBT芯片体内电荷分布如图12所示。之后电子需要通过扩散方式从IGBT集电极流出，此过程一般时间较长。通过在IGBT芯片背面引入缺陷层，降低此处的载流子寿命，加快电子与空穴的复合速度，进而加快IGBT关断速度，降低IGBT关断损耗。在相同通态压降下，常规IGBT与加入缺陷层的IGBT关断仿真曲线如图11所示，常规IGBT电流曲线用“IC”表示，常规IGBT电压曲线用“VC”表示，本发明的IGBT电流曲线用“IC_New_1”表示，本发明的IGBT电压曲线用“VC_New_1”表示，从图中可以看出本发明的IGBT的关断损耗小于常规IGBT的关断损耗。需要特别注意的是，背面缺陷层位置非常重要，如果缺陷层位置选取不合理，可能会导致在相同的压降下，关断时间增加，关断损耗增加。在本发明基础上，若将缺陷层的位置加深5μm,电流曲线用IC_NEW_2表示，电压曲线用“VC_New_2”表示，由图11可知，在相同的压降下，此种结构不但没有降低关断损耗，反而明显增加IGBT关断损耗。需要特别注意的是，背面缺陷层位置非常重要，如果缺陷层位置选取不合理，可能会导致在相同的压降下，关断时间增加，关断损耗增加。在本发明基础上，若将缺陷层的位置加深5μm,电流曲线用IC_NEW_2表示，电压曲线用“VC_New_2”表示，由图11可知，在相同的压降下，此种结构不但没有降低关断损耗，反而明显增加IGBT关断损耗。
氢和氦注入形成的缺陷能级靠近硅的禁带中心，氢或氦注入常被用做降低硅本体寿命。由于氢原子比氦原子质量小，使得氢注入射程波动范围比氦注入射程波动范围大，而本发明增加的背面缺陷层位置存在最优值，不同的背面缺陷层位置，会导致不同的电学参数，因此氦注入更适合作为本发明结构器件的寿命控制方式。氦离子从图中可以看出，本发明的IGBT器件的关断损耗小于常规IGBT器件的关断损耗。本发明通过在IGBT器件背面引入氦离子缺陷层111，降低此处的载流子寿命，加快电子与空穴的复合速度，进而加快IGBT器件的关断速度，降低IGBT器件的关断损耗。
如上所述，本发明的IGBT器件及其制作方法，具有以下有益效果：
IGBT器件关断过程中，在电场作用下，电子和空穴不断抽出，即电子往芯片背面流动，空穴往芯片正面流动，进而形成空间电荷区，随着IGBT器件两端电压的上升，空间电荷区由IGBT器件正面往背面不断展宽，当IGBT器件电压维持在稳定工作电压时，空间电荷区不再展宽；之后电子需要通过扩散方式从IGBT集电极流出，此过程一般时间较长。本发明通过在IGBT器件背面引入氦离子缺陷层111，降低此处的载流子寿命，加快电子与空穴的复合速度，进而加快IGBT器件的关断速度，降低IGBT器件的关断损耗。
本发明通过在IGBT器件背面增加氦离子缺陷层111，实现在不影响通态压降的基础下，有效降低IGBT器件的关断损耗，实现IGBT器件的通态压降与关断损耗的折中曲线往坐标原点靠近，可大大提升IGBT器件的性能。
所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (10)
1.一种IGBT器件的制作方法，其特征在于，所述制作方法包括步骤：
提供一衬底，所述衬底包括相对的第一主面及第二主面，于所述第一主面制作IGBT器件的正面结构；
对所述衬底的第二主面进行第一导电类型离子注入，以在所述衬底的第二主面内形成第一导电类型缓冲区；
对所述衬底的第二主面进行第二导电类型离子注入，并在所述衬底的第二主面形成集电极区；
对所述衬底的第二主面进行氦离子注入，以在所述的第二主面内形成氦离子缺陷层，所述氦离子缺陷层位于所述第一导电类型缓冲区内。
2.根据权利要求1所述的IGBT器件的制作方法，其特征在于：所述IGBT器件的正面结构包括设置于所述衬底的第一主面的阱区、沟槽栅结构、发射极区、发射极金属层及载流子存储掺杂区，所述沟槽栅结构贯穿所述阱区至所述衬底中，所述发射极区设置于所述阱区内，且位于所述沟槽栅结构的侧面，所述载流子存储掺杂区设置于所述阱区下方，所述发射极金属层与所述发射极区和所述阱区连接。
3.根据权利要求1所述的IGBT器件的制作方法，其特征在于：所述制作方法包括步骤：
a)对所述衬底的第二主面进行第一导电类型离子注入，注入离子包括磷离子，注入能量介于100KeV～2000KeV之间，注入剂量介于1e11cm-2～1e13cm-2之间；
b)对所述衬底的第二主面进行第二导电类型离子注入，注入离子包括硼离子，注入能量介于20KeV～60KeV之间，注入剂量为1e12cm-2～1e14cm-2之间；
c)采用退火工艺将注入的磷离子与硼离子同时激活，以在所述衬底的第二主面内形成第一导电类型缓冲区，并在所述衬底的第二主面形成集电极区；
d)对所述衬底的第二主面进行氦离子注入，以在所述的第二主面内形成氦离子缺陷层。
4.根据权利要求3所述的IGBT器件的制作方法，其特征在于：对所述衬底的第二主面进行氦缺陷离子注入剂量介于1e10cm-2～1e12cm-2之间，注入深度介于2μm～6μm之间，接着进行退火工艺，退火温度介于250℃～350℃之间，退火时间介于0.5h～2h之间。
5.根据权利要求1所述的IGBT器件的制作方法，其特征在于：所述制作方法包括步骤：
a)对所述衬底的第二主面进行第二导电类型离子注入，注入离子包括硼离子，离子注入能量介于20KeV～60KeV之间，注入剂量介于1e12cm-2～1e14cm-2之间，采用退火工艺将注入的硼离子进行激活，以在所述衬底的第二主面形成集电极区；
b)对所述衬底的第二主面进行第一导电类型离子注入，注入离子包括氢，注入能量介于200KeV～1.5MeV之间，注入剂量介于5e11cm-2～5e14cm-2之间；
c)对所述衬底的第二主面进行氦缺陷离子注入，以在所述的第二主面内形成氦离子缺陷层，接着进行退火工艺，退火温度介于250℃～350℃之间，退火时间介于0.5h～2h之间。
6.根据权利要求5所述的IGBT器件的制作方法，其特征在于：步骤c)对所述衬底的第二主面进行氦缺陷离子的注入剂量介于1e10cm-2～1e12cm-2之间，注入深度介于2μm～6μm之间；步骤b)包括对所述衬底的第二主面进行多次氢离子注入并退火，以使所述第一导电类型缓冲区具有不同氢离子掺杂浓度的多个氢离子掺杂层，多个所述氢离子掺杂层的氢离子掺杂浓度自所述第二主面向所述第一主面的方向逐渐减小。
7.一种IGBT器件，其特征在于，所述IGBT器件包括：
衬底，所述衬底包括相对的第一主面及第二主面，所述第一主面形成有IGBT器件的正面结构；
第一导电类型缓冲区，位于所述衬底的第二主面内；
集电极区，位于所述衬底的第二主面；
氦离子缺陷层，位于所述衬底的第二主面，且所述氦离子缺陷层位于所述第一导电类型缓冲区内。
8.根据权利要求7所述的IGBT器件，其特征在于：所述IGBT器件的正面结构包括设置于所述衬底的第一主面的阱区、沟槽栅结构、发射极区、发射极金属层及载流子存储掺杂区，所述沟槽栅结构贯穿所述阱区至所述衬底中，所述发射极区设置于所述阱区内，且位于所述沟槽栅结构的侧面，所述载流子存储掺杂区设置于所述阱区下方，所述发射极金属层与所述发射极区和所述阱区连接。
9.根据权利要求7所述的IGBT器件，其特征在于：所述氦离子缺陷层包含的氦离子注入剂量介于1e10cm-2～1e12cm-2之间，所述氦离子缺陷层的深度介于2μm～6μm之间；所述集电极区的掺杂离子包括硼离子，所述集电极区包含的离子注入剂量介于1e12cm-2～1e14cm-2之间，离子注入能量介于20KeV～60KeV之间；所述第一导电类型缓冲区的掺杂离子包括磷离子，所述第一导电类型缓冲区包含的离子注入剂量介于1e11cm-2～1e13cm-2之间，离子注入能量介于100KeV～2000KeV之间；所述第一导电类型缓冲区的掺杂离子包括氢，所述第一导电类型缓冲区包含的离子注入剂量介于5e11cm-2～5e14cm-2之间，离子注入能量介于200KeV～1.5MeV之间。
10.根据权利要求7所述的IGBT器件，其特征在于：所述第一导电类型缓冲区具有不同氢离子掺杂浓度的多个氢离子掺杂层，多个所述氢离子掺杂层的氢离子掺杂浓度自所述第二主面向所述第一主面的方向逐渐减小。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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