CN202917494U - 场截止缓冲层及具有场截止缓冲层的igbt器件 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种场截止缓冲层，形成在IGBT器件中，包括：N型衬底；以及P型埋层，形成在N型衬底中。本实用新型还提供一种具有场截止缓冲层的IGBT器件，包括：场截止缓冲层，场截止缓冲层包括N型衬底和形成在N型衬底中的P型埋层；N-外延层，形成在N型衬底表面上；IGBT正面结构，形成在N-外延层表面上；阳极空穴发射区，形成在远离N-外延层的N型衬底的背面上；以及背面阳极集电极，形成在阳极空穴发射区上。本实用新型又提出一种具有场截止缓冲层的IGBT器件，通过增加场截止缓冲层厚度以及调整P型埋层与N型衬底之间的浓度和厚度，以提高IGBT器件的电流密度，降低导通损耗。

Description

场截止缓冲层及具有场截止缓冲层的IGBT器件

技术领域

本实用新型属于功率半导体器件技术领域，尤其涉及一种具有场截止缓冲层的IGBT器件。 

背景技术

绝缘栅双极型晶体管(IGBT)是一种常用的通过电压控制的功率开关器件，具有输入电容大、输入阻抗高、驱动电流小、速度快、耐压高、热稳定性强、工作温度高、控制电路简单等特点，现阶段已经成为电力电子装置的主流器件。 

IGBT器件从20世纪80年代实用新型至今，经历了PT(穿通)型，具有N+缓冲层的PT(穿通)型，以及NPT(非穿通)型等场截止(FS)型IGBT等一系列的演变，IGBT芯片的厚度也从初期的300um减小至现在的70um左右，芯片加工工艺，尤其薄片加工工艺要求越来越高。 

IGBT器件作为现代电力电子装置的主流器件，在开关电源、整流器、逆变器、UPS(不断电系统)以及感应加热等领域有着广泛的应用。早期的IGBT器件在器件关断时存在拖尾电流引起的关断时间较长、工作频率无法进一步提升的问题。后续经不断的努力，发展出了最新的场截止(FS)型IGBT，以现有600V场截止型IGBT器件为例，其制造方法为：提供一N-外延层，在所述N-外延层的表面上形成IGBT正面结构，减薄所述N-外延层至60-70um后，向远离IGBT正面结构的所述N-外延层的背面上注入N型杂质，形成场截止N型缓冲层，在所述场截止N型缓冲层上形成阳极空穴发射区，在所述阳极空穴发射区上形成背面阳极集电极。因此，现有600V场截止型IGBT器件的典型厚度在60-80um之间，尤其所述N-外延层的厚度为60-70um，减薄后的所述N-外延层在后续加工工艺中，容易损坏，增加了后续工艺加工难度。虽然这种场截止型 IGBT基本解决了IGBT器件存在的关断时间过长的问题，其关断时间及关断损耗已经小于其导通损耗。但是，在整个IGBT器件应用过程中，由于所述场截止N型缓冲层的厚度却在2-10um之间，其导通损耗占了较大的比重的问题却变的日益突出，不可再被忽略。 

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种具有场截止缓冲层的IGBT器件，以提高IGBT器件的电流密度，降低导通损耗。 

为了解决上述问题，本实用新型提供一种场截止缓冲层，形成在IGBT器件中，包括：N型衬底；以及P型埋层，形成在所述N型衬底中。 

优选的，所述N型衬底为直拉单晶法的N型<100>衬底。 

优选的，所述P型埋层掺杂的浓度与N型衬底掺杂的浓度在同一数量级。 

优选的，所述N型衬底的厚度为15-40um，电阻率为1.0-10.0Ω·cm。 

优选的，所述P型埋层的厚度为5-20um，电阻率为1.0-10.0Ω·cm，且距离所述N型衬底的上边界的间距大于2um。 

根据本实用新型的另一方面，提供一种具有场截止缓冲层的IGBT器件，包括： 

场截止缓冲层，所述场截止缓冲层包括N型衬底和形成在所述N型衬底中的P型埋层； 

N-外延层，形成在所述N型衬底表面上； 

IGBT正面结构，形成在所述N-外延层表面上； 

阳极空穴发射区，形成在远离所述N-外延层的N型衬底的背面上；以及 

背面阳极集电极，形成在所述阳极空穴发射区上。 

优选的，所述N型衬底为直拉单晶法的N型<100>衬底。 

优选的，所述P型埋层掺杂的浓度与N型衬底掺杂的浓度在同一数量级。 

优选的，所述N型衬底的厚度为15-40um，电阻率为1.0-10.0Ω·cm。 

优选的，所述P型埋层的厚度为5-20um，电阻率为1.0-10.0Ω·cm，且距离所述N型衬底的上边界的间距大于2um。 

优选的，所述N-外延层的电阻率为20.0-60.0Ω·cm，厚度为30.0-100.0um。 

由上述技术方案可见，本实用新型在提供的N型衬底中形成P型埋层后，由所述N型衬底和P型埋层形成了场截止缓冲层，在所述场截止缓冲层上生长N-外延层，在所述N-外延层上形成了IGBT正面结构，再减薄所述N型衬底，在远离所述N-外延层的N型衬底的表面上进行P型杂质注入后，采用第一退火工艺形成阳极空穴发射层，以及在所述阳极空穴发射层上淀积金属层形成背面阳极集电极。因此，本实用新型具有以下有益效果： 

1.提供的N型衬底较厚，在较厚的N型衬底中形成P型埋层后，形成的场截止缓冲层可以具有比传统的场截止型IGBT器件更厚的场截止区域，因此在得到同样性能的条件下，使得IGBT芯片厚度增加，可降低由于现有IGBT器件中减薄N-外延层后导致的加工工艺要求，可用常规工艺来实现N型衬底的加工，提高工艺可实施性。 

2.本实用新型中的场截止缓冲层中的内嵌P型埋层与N型衬底之间形成的自建电场能够减缓集电极注入过来的空穴的漂移，在P型埋层附近形成空穴的积累，提高器件导通时IGBT器件阳极区域的空穴少子浓度，从而提高电流密度，降低IGBT器件的饱和压降，减少IGBT器件导通损耗，进而改善IGBT器件的导通特性。 

3.本实用新型在较厚的N型衬底中形成P型埋层后，预留出较大的N型衬底，不仅增加了场截止缓冲层的厚度，且仍预留出较大的场截止缓冲层，保持了传统的场截止型IGBT器件的拖尾小，关断时间短的优点，并进一步地减少了IGBT器件导通时的上升时间和关断损耗。 

附图说明

图1为本实用新型具有场截止缓冲层的IGBT器件的制造方法流程； 

图2至图7为本实用新型具有场截止缓冲层的IGBT器件的制造方法； 

图8为本实用新型IGBT器件与传统场截至型IGBT器件输出特性对照图； 

图9为本实用新型IGBT器件与传统场截至型IGBT器件导通特性对照图。 

具体实施方式

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本实用新型的具体实施方式做详细的说明。 

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本实用新型。但是本实用新型能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本实用新型内涵的情况下做类似推广，因此本实用新型不受下面公开的具体实施的限制。 

参见图7，本实用新型提供一种场截止缓冲层，形成在IGBT器件中，包括：N型衬底100；以及P型埋层108，形成在所述N型衬底100中。 

参见图7，本实用新型还提供一种具有场截止缓冲层的IGBT器件，包括：场截止缓冲层，所述场截止缓冲层包括N型衬底100和形成在所述N型衬底100中的P型埋层108；N-外延层112，形成在所述N型衬底100表面上；IGBT正面结构128，形成在所述N-外延层112表面上；阳极空穴发射区130，形成在远离所述N-外延层112的N型衬底100的背面上；以及背面阳极集电极132，形成在所述阳极空穴发射区130上。 

参见图1，结合图2至图7，本实用新型提供一种具有场截止缓冲层的IGBT器件的制造方法，包括： 

S1：提供一N型衬底，在所述N型衬底中形成P型埋层后，形成一场截止缓冲层。 

参见图2，提供一N型衬底100，所述N型衬底100为直拉单晶法的N型<100>衬底，所述N型衬底100的电阻率为1.0-10.0Ω·cm。 

在所述N型衬底100上形成一厚度为0.2-0.6um的埋层氧化层102；在所述埋层氧化层102上形成一光阻层104，采用光刻工艺去除部分所述光阻层104，在去除部分所述光阻层104的区域形成埋层窗口106，以留下的所述光阻层104为掩膜层，向所述埋层窗口106进行P型离子注入，所述P型离子为硼，注入能量为60-2000KeV，注入剂量为1E12-5E15，其后，在退火温度为1100-1250℃，退火时间为1-5小时的第二退火工艺下，形成P型埋层108，去除所述光阻层104和埋层氧化层102，如图3所示，由所述N型衬底100和P型埋层108形成了场截止缓冲层110。当采用电阻率为5Ω*cm的N型衬底100，在所述N型衬底100的基础上进行注入能量为1200KeV、注入剂量为5E12的硼离子注入，并在退火温度为1250℃、退火时间为4小时的条件下，可以得到厚度大于10um的P型埋层108，且所述P型埋层108的掺杂浓度与所述N型衬底100接近，以此类推，通过不同的工艺条件的组合，可获得不同的所述P型埋层108及N型衬底100浓度及厚度匹配关系，以便适应不同的产品需求。 

所述P型埋层108掺杂的浓度与N型衬底100掺杂的浓度在同一数量级，所以所述P型埋层108的电阻率也为1.0-10.0Ω·cm，厚度为5-20um，且距离所述N型衬底100的上边界的间距D大于2um。 

S2：在所述场截止缓冲层上生长N-外延层。 

参见图4，在所述场截止缓冲层110上生长N-外延层112，作为IGBT器件的元胞主要形成区域。所述N-外延层112的电阻率为20.0-60.0Ω·cm，厚度为30.0-100.0um。 

在步骤S1之后、步骤S2之前，还可用1∶10-1∶20的HF酸进行清洗。 

S3：在所述N-外延层上形成一IGBT正面结构。 

参见图5，在所述N-外延层112上，通过形成IGBT分压环(图中未示)、P阱114、P+区域116、N+发射区118、隔离氧化层120、多晶硅栅122、介质层 123(Boro-phospho-silicate-glass，BPSG)、金属引线孔124和正面金属发射极126及钝化保护层和压点窗口，形成业界熟知的IGBT正面结构128。 

S4：减薄所述N型衬底，在远离所述N-外延层的N型衬底的背面上进行P型杂质注入后，采用第一退火工艺，形成阳极空穴发射层。 

参见图6，对形成有IGBT器件正面结构128的所述N型衬底100进行减薄至所需厚度，减薄后的所述N型衬底的厚度为15-40um，以600V IGBT器件为例，IGBT硅片厚度可减薄至100-110um之间。 

然后在远离所述N-外延层的N型衬底的背面上进行P型杂质注入，注入离子为硼，注入能量为60-120KeV，注入剂量在5E13～2E15之间，再在退火温度为500℃，退火氛围为氮气(N2)，退火时间为0.5-2小时的第一退火工艺下，形成阳极空穴发射区130。 

S5：在所述阳极空穴发射层上淀积金属层，形成背面阳极集电极。 

参见图7，在所述阳极空穴发射区130上淀积金属层，所述金属层可采用在本领域已公开或已知的任意结构，形成背面阳极集电极132。 

因此，本实用新型提供的N型衬底较厚，在较厚的N型衬底中形成P型埋层后，形成的场截止缓冲层可以具有比传统的场截止型IGBT器件更厚的场截止区域，通过对场截止缓冲层中的N型衬底、P型埋层及N-外延层的电阻率及厚度的匹配，可在得到同样性能的条件下，使得IGBT芯片厚度增加，从而降低了现有的IGBT器件中减薄N-外延层后导致的加工工艺要求，可用常规工艺来实现N型衬底的加工，提高工艺可实施性。 

此外，参见图8，横坐标为背面阳极集电极132电压，纵坐标为电流密度，所述自建电场能够减缓背面阳极集电极132注入过来的空穴的漂移，在阳极空穴发射区130附近形成空穴的积累，提高器件导通时IGBT器件阳极区域的空穴少子浓度，从而提高电流密度，在电流密度一定时，降低IGBT器件的饱和压降，背面阳极集电极132输出电压小，减少IGBT器件导通损耗，进而改善IGBT器件的导通特性。 

另外，参见图9，横坐标为IGBT器件关断时间(纳秒级别)，纵坐标为电流密度，所述N-外延层的厚度保持不变，却增加了N型衬底的厚度，其600VIGBT器件的厚度可达100-110um左右，且在较厚的N型衬底中形成P型埋层后，仍预留出较大的N型衬底，因此，不仅增加了场截止缓冲层的厚度，且仍预留出较大的场截止缓冲层，保持了传统的场截止型IGBT器件的拖尾小，关断时间短的优点，并进一步地减少了IGBT器件导通时的上升时间和关断损耗。 

本实用新型虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定权利要求，任何本领域技术人员在不脱离本实用新型的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改，因此本实用新型的保护范围应当以本实用新型权利要求所界定的范围为准。 

Claims (11)

1.一种场截止缓冲层，形成在IGBT器件中，包括： 

N型衬底；以及 

P型埋层，形成在所述N型衬底中。 

2.如权利要求1所述的场截止缓冲层，其特征在于，所述N型衬底为直拉单晶法的N型衬底（100）。 

3.如权利要求1所述的场截止缓冲层，其特征在于，所述P型埋层掺杂的浓度与N型衬底掺杂的浓度在同一数量级。 

4.如权利要求1所述的场截止缓冲层，其特征在于，所述N型衬底的厚度为15-40um，电阻率为1.0-10.0Ω·cm。 

5.如权利要求1所述的场截止缓冲层，其特征在于，所述P型埋层的厚度为5-20um，电阻率为1.0-10.0Ω·cm，且距离所述N型衬底的上边界的间距大于2um。 

6.一种场截止缓冲层的IGBT器件，包括： 

场截止缓冲层，所述场截止缓冲层包括N型衬底和形成在所述N型衬底中的P型埋层； 

N-外延层，形成在所述N型衬底表面上； 

IGBT正面结构，形成在所述N-外延层表面上； 

阳极空穴发射区，形成在远离所述N-外延层的N型衬底的背面上；以及 

背面阳极集电极，形成在所述阳极空穴发射区上。 

7.如权利要求6所述的具有场截止缓冲层的IGBT器件，其特征在于，所述N型衬底为直拉单晶法的N型衬底（100）。 

8.如权利要求6所述的具有场截止缓冲层的IGBT器件，其特征在于，所述P型埋层掺杂的浓度与N型衬底掺杂的浓度在同一数量级。 

9.如权利要求6所述的具有场截止缓冲层的IGBT器件，其特征在于，所述N型衬底的厚度为15-40um，电阻率为1.0-10.0Ω·cm。 

10.如权利要求6所述的具有场截止缓冲层的IGBT器件，其特征在于，所述P型埋层的厚度为5-20um，电阻率为1.0-10.0Ω·cm，且距离所述N型衬底的上边界的间距大于2um。 

11.如权利要求6所述的具有场截止缓冲层的IGBT器件，其特征在于，所述N-外延层的电阻率为20.0-60.0Ω·cm，厚度为30.0-100.0um。 

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