專利名稱：新型絕緣柵雙極晶體管背面結(jié)構(gòu)及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種新型絕緣柵雙極晶體管背面結(jié)構(gòu)及其制備方法，屬于半導(dǎo)體器件技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
絕緣柵雙極晶體管(IGBT)由于雙極型三極管和絕緣柵型場效應(yīng)管和成的復(fù)合全控型電壓驅(qū)動式功率半導(dǎo)體器件，具有絕緣柵型場效應(yīng)管的高輸入阻抗及雙極型三極管的低導(dǎo)通壓降、以及驅(qū)動電路簡單、安全工作區(qū)寬等優(yōu)點(diǎn)，無論在傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的技術(shù)改造方面， 如電機(jī)調(diào)速、各種高頻開關(guān)電源等，還是在新能源的開發(fā)方面，如太陽能發(fā)電、風(fēng)能發(fā)電和新能源汽車等，以及新興產(chǎn)業(yè)方面，如智能電網(wǎng)、軌道交通等，作為電力電子系統(tǒng)核心開關(guān)器件的IGBT都起到了不可取代的關(guān)鍵的作用。常規(guī)非穿通型(NPT)絕緣柵雙極晶體管背面結(jié)構(gòu)見圖1所示，僅由P型發(fā)射區(qū)及集電極構(gòu)成，常規(guī)場阻斷型(FS)絕緣柵雙極晶體管背面結(jié)構(gòu)見圖2所示，僅由N型阻擋區(qū)、 P型發(fā)射區(qū)及集電極構(gòu)成，通態(tài)壓降主要由背面接觸電阻及多子注入比決定，如果該發(fā)射區(qū)濃度大，多子注入效率高，可以保證背面歐姆接觸，通態(tài)壓降可以做小，但開關(guān)時間，特別是關(guān)斷時間就會比較長，如果該發(fā)射區(qū)濃度小，多子注入效率低，開關(guān)時間，特別是關(guān)斷時間比較短，但背面接觸電阻大，通態(tài)壓降高，因此低通態(tài)壓降和低開關(guān)損耗經(jīng)常難以協(xié)調(diào)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種能解決絕緣柵雙極晶體管通態(tài)特性和開關(guān)特性之間的協(xié)調(diào)關(guān)系，同時又能盡量控制成本的新型絕緣柵雙極晶體管背面結(jié)構(gòu)及其制備方法。本發(fā)明為達(dá)到上述目的的技術(shù)方案是一種新型絕緣柵雙極晶體管背面結(jié)構(gòu)，其特征在于在絕緣柵雙極晶體管硅片背面從里至外依次連接有N型第二阻擋區(qū)、P型第二發(fā)射區(qū)、N型第一阻擋區(qū)以及P型第一發(fā)射區(qū)和集電極，其中，所述N型第二阻擋區(qū)的厚度在 0 10 μ m，P型第二發(fā)射區(qū)的厚度在0. 1 2 μ m，N型第一阻擋區(qū)的厚度在0. 1 2 μ m，P 型第一發(fā)射區(qū)的厚度在0. 05 2 μ m。其中所述的N型第二阻擋區(qū)的厚度在0. 1 5 μ m，P型第二發(fā)射區(qū)中的厚度在 0.3 1. 5 μ m，N型第一阻擋區(qū)的厚度在0.3 1. 5 μ m，P型第一發(fā)射區(qū)中的厚度在0. 1 0. 5 μ m0本發(fā)明新型絕緣柵雙極晶體管背面結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于按以下步驟進(jìn)行，(1)、先將絕緣柵雙極晶體管硅片正面工藝進(jìn)行完畢；(2)、將絕緣柵雙極晶體管硅片背面進(jìn)行減薄，并用去離子水沖洗；(3)、將N型離子注入到硅片背面，所述的N型離子注入劑量為0 lE14/cm2，注入能量為100 600KeV，形成厚度在0 10 μ m的N型第二阻擋區(qū)；、將P型離子注入到硅片背面，其中，所述的P型離子注入劑量為1E12 1E15/cm2,能量為30 160KeV，形成厚度在0. 1 2 μ m的P型第二發(fā)射區(qū)；(5)、將N型離子注入到硅片背面，其中，所述的N型離子注入劑量為5E11 5E14/ cm2,能量為30 160KeV，形成厚度在0. 1 2 μ m的N型第一阻擋區(qū)；(6)、將P型離子注入到硅片背面，其中，所述的P型離子注入劑量為1E14 5E15/ cm2,能量為30 160KeV，形成厚度在0. 05 2 μ m的P型第一發(fā)射區(qū)；(7)、將硅片放入退火爐內(nèi)進(jìn)行退火；(8)、對硅片背面濺射金屬形成集電極，其中所述的N型第二阻擋區(qū)的N型離子注入劑量為5E12/cm2 5E13/cm2，注入能量為250 500KeV，厚度在0. 1 5 μ m，所述P型第二發(fā)射區(qū)中的P型離子注入劑量為 1E13 5E14/cm2，能量為60 120KeV，制得的厚度在0. 3 1. 5 μ m ；；所述N型第一阻擋區(qū)中的N型離子注入劑量為5E12 lE14/cm2，能量為60 120KeV，制得的厚度在0. 3 1.5μπι;所述P型第一發(fā)射區(qū)中的P型離子注入劑量為8Ε14 3E15/cm2，能量為40 80KeV，制得的厚度在0. 1 0. 5 μ m。本發(fā)明在絕緣柵雙極晶體管硅片背面分別注入N型離子注入、P型離子注入、N型離子注入以及P型離子注入，以構(gòu)成P/N/P/N+多級發(fā)射區(qū)和阻擋區(qū)相結(jié)合的結(jié)構(gòu)，通過合理調(diào)整N型和P型離子注入劑量和注入能量，使P型第一發(fā)射區(qū)與背面金屬保證良好的歐姆接觸，N型第一阻擋區(qū)能調(diào)節(jié)P型第一發(fā)射區(qū)的空穴注入效率，控制集電極注入空穴的濃度，P型第二發(fā)射區(qū)提供漂移區(qū)內(nèi)的空穴注入，起到電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，通過二級發(fā)射區(qū)和一級阻擋區(qū)的控制，實(shí)現(xiàn)對漂移區(qū)內(nèi)的空穴分布精確控制的目的，通過N型第二阻擋區(qū)能進(jìn)一步調(diào)節(jié)上述兩級發(fā)射區(qū)的空穴注入效率，同時可阻擋來自于正面的電場，提高器件的擊穿電壓，解決了歐姆接觸和低注入效率的矛盾，較好地解決了通態(tài)特性和開關(guān)特性之間的協(xié)調(diào)關(guān)系，本發(fā)明在常規(guī)NPT-IGBT背面工藝流程的基礎(chǔ)上利用多次離子注入工藝，使其背面形成P/N/P/礦多級發(fā)射區(qū)和阻擋區(qū)相結(jié)合的結(jié)構(gòu)，工藝成本不會明顯增加，卻能顯著提升絕緣柵雙極晶體管背面結(jié)構(gòu)的性能。


下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實(shí)施例作進(jìn)一步的詳細(xì)描述。圖1是常規(guī)非穿通型絕緣柵雙極晶體管背面結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是常規(guī)場阻斷型絕緣柵雙極晶體管背面結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3是本發(fā)明新型絕緣柵雙極晶體管背面結(jié)構(gòu)的示意圖。圖4是本發(fā)明新型絕緣柵雙極晶體管背面結(jié)構(gòu)制作的流程圖。圖5是常規(guī)與本發(fā)明新型絕緣柵雙極晶體管通態(tài)電壓(V。ESAT(V))和關(guān)斷時間 (tf(ns))的曲線圖。其中1-集電極，2-P型第一發(fā)射區(qū)，3-N型第一阻擋區(qū)，4-P型第二發(fā)射區(qū)，5-N型第二阻擋區(qū)。
具體實(shí)施例方式見圖3所示，是本發(fā)明新型絕緣柵雙極晶體管背面結(jié)構(gòu)，絕緣柵雙極晶體管硅片背面從里至外依次連接有N型第二阻擋區(qū)5、P型第二發(fā)射區(qū)4、N型第一阻擋區(qū)3以及P型第一發(fā)射區(qū)2和集電極1，即背面結(jié)構(gòu)為P/N/P/N+多級發(fā)射區(qū)和阻擋區(qū)相結(jié)合的結(jié)構(gòu)， N型第二阻擋區(qū)5的厚度在0 10 μ m，該厚度可控制在0. ΙμπκΟ. 5μπ 、1μπ 、2μπ 、4μπ 、 5口111、8 4 111、9 4 111、1(^111等，最好控制在0. 1 5 μ m之間，通過該N型第二阻擋區(qū)能調(diào)節(jié)上述兩級發(fā)射區(qū)的注入效率，同時可阻擋來自于正面的電場。本發(fā)明的P型第二發(fā)射區(qū)4的厚度在 0. 1 2 μ m，該厚度可控制在 0. 3 μ m、0. 5 μ m、0. 8 μ m、1 μ m、1. 2 μ m、1. 5 μ m、1. 8 μ m 等，最好控制在0. 3 1. 5 μ m，以有效地提供漂移區(qū)內(nèi)的空穴注入，起到電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)。本發(fā)明N型第一阻擋區(qū)3的厚度在0. 1 2μπι，該厚度可控制在0. 3μπι、0. 5μπι、0. 8μπκ 1 μ m、1. 2 μ m、1. 5 μ m、1. 8 μ m等，最好控制在0. 3 1. 5 μ m，使該N型第一阻擋區(qū)能調(diào)節(jié)P 型第一發(fā)射區(qū)的空穴注入效率，控制集電極注入空穴的濃度。本發(fā)明P型第一發(fā)射區(qū)的厚度在 0. 05 2 μ m，該厚度可控制在 0. 1 μ m、0. 2 μ m、0. 3 μ m、0. 4 μ m、0. 5 μ m、0. 8 μ m、1 μ m、 1. 5 μ m等，最好控制在0. 1 0. 5 μ m，使其與背面金屬保證良好的歐姆接觸，同時更好的調(diào)節(jié)P型第一發(fā)射區(qū)的空穴注入效率，控制集電極注入空穴的濃度。本發(fā)明通過N型離子和 P型離子注入需合理調(diào)整其注入劑量和注入能量，通過兩級發(fā)射區(qū)和兩級阻擋區(qū)的控制，實(shí)現(xiàn)對漂移區(qū)內(nèi)的空穴分布精確控制的目的，解決了歐姆接觸和低注入效率的矛盾，較好地解決了通態(tài)特性和開關(guān)特性之間的協(xié)調(diào)關(guān)系。見圖4所示，本發(fā)明新型絕緣柵雙極晶體管的背面結(jié)構(gòu)的制備方法，按以下步驟進(jìn)行，(1)、先將絕緣柵雙極晶體管硅片正面工藝進(jìn)行完畢；(2)、將絕緣柵雙極晶體管硅片背面進(jìn)行減薄，可采用磨消進(jìn)行減薄，厚度根據(jù)產(chǎn)品電壓要求而定，如600V產(chǎn)品，厚度一般在120 200 μ m ； 1200V產(chǎn)品，厚度一般在140 240 μ m ； 1700V產(chǎn)品，厚度一般在180 300 μ m,并用去離子水沖洗，以保持背面的潔清，必要時還可進(jìn)行去應(yīng)力處理。(3)、將N型離子注入到硅片背面，所述的N型離子注入劑量為0 lE14/cm2，注入能量為0 600KeV可采用常規(guī)的離子注入機(jī)將N型離子注入到硅片背面，形成N型第二阻擋區(qū)，該N型第二阻擋區(qū)的厚度在0 10 μ m，N型離子可采用磷離子或砷離子，最好N型離子注入劑量為5E12/cm2 5E13/cm2，注入能量為250 500KeV，最后形成厚度在0. 1 5μπι的N型第二阻擋區(qū)。0)、將P型離子注入到硅片背面，其中，該P(yáng)型離子注入劑量為1Ε12 5E14/cm2， 能量為30 160KeV，可采用常規(guī)的離子注入機(jī)將P型離子注入到硅片背面，以形成P型第二發(fā)射區(qū)，該P(yáng)型第二發(fā)射區(qū)的厚度在0. 1 2 μ m，P型離子可采用硼離子或二氟化硼離子，最好該P(yáng)型離子注入劑量為1E13 lE15/cm2，能量為60 120KeV，以形成厚度在0. 3 1.5μπι的P型第二發(fā)射區(qū)。(5)、將N型離子注入到硅片背面，其中，該N型離子注入劑量為5Ε11 5E14/cm2， 能量為30 160KeV，可采用常規(guī)的離子注入機(jī)將N型離子注入到硅片背面，以形成N型第一阻擋區(qū)，該N型第一阻擋區(qū)的厚度在0. 1 2 μ m，N型離子可采用磷離子或砷離子， 本發(fā)明N型第一阻擋區(qū)中的N型離子注入劑量最好控制在5E12 lE14/cm2，能量為60 120KeV,以形成厚度在0. 3 1. 5 μ mN型第一阻擋區(qū)。(6)、將P型離子注入到硅片背面，其中，該P(yáng)型離子注入劑量為1E14 5E15/cm2， 能量為30 160KeV，可采用常規(guī)的離子注入機(jī)將P型離子注入到硅片背面，以形成P型第一發(fā)射區(qū)，該P(yáng)型第一發(fā)射區(qū)的厚度在0. 05 2 μ m，P型離子采用硼離子或二氟化硼離子， P型離子注入劑量最好控制在8E14 3E15/cm2，能量為40 80KeV，以形成厚度在0. 1 0.5μπι的P型第一發(fā)射區(qū)。(7)、將硅片放入退火爐內(nèi)進(jìn)行退火，可采用常規(guī)退火，退火溫度控制在300 1400°C，時間控制在0. 1 120min。(8)、對硅片背面濺射金屬形成集電極，在硅片背面從里至外制得N型第二阻擋區(qū)、P型第二發(fā)射區(qū)，N型第一阻擋區(qū)的以及P型第一發(fā)射區(qū)和集電極。本發(fā)明新型絕緣柵雙極晶體管的背面結(jié)構(gòu)的具體實(shí)施例見表1表 權(quán)利要求
1.一種新型絕緣柵雙極晶體管背面結(jié)構(gòu)，其特征在于在絕緣柵雙極晶體管硅片背面從里至外依次連接有N型第二阻擋區(qū)、P型第二發(fā)射區(qū)、N型第一阻擋區(qū)以及P型第一發(fā)射區(qū)和集電極，其中，所述N型第二阻擋區(qū)的厚度在0 10 μ m，P型第二發(fā)射區(qū)的厚度在 0. 1 2μπι，Ν型第一阻擋區(qū)的厚度在0. 1 2μπι，ρ型第一發(fā)射區(qū)的厚度在0. 05 2 μ m。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的新型絕緣柵雙極晶體管背面結(jié)構(gòu)，其特征在于所述的N型第二阻擋區(qū)的厚度在0. 1 5 μ m，P型第二發(fā)射區(qū)中的厚度在0. 3 1. 5 μ m，N型第一阻擋區(qū)的厚度在0.3 1. 5 μ m，P型第一發(fā)射區(qū)中的厚度在0. 1 0.5 μ m。
3.一種根據(jù)權(quán)利要求1所述的新型絕緣柵雙極晶體管背面結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于按以下步驟進(jìn)行，(1)、先將絕緣柵雙極晶體管硅片正面工藝進(jìn)行完畢；(2)、將絕緣柵雙極晶體管硅片背面進(jìn)行減薄，并用去離子水沖洗；(3)、將N型離子注入到硅片背面，所述的N型離子注入劑量為0 lE14/cm2，注入能量為0 600KeV，形成厚度在0 10 μ m的N型第二阻擋區(qū)；G)、將P型離子注入到硅片背面，其中，所述的P型離子注入劑量為1E12 lE15/cm2， 能量為30 160KeV，形成厚度在0. 1 2 μ m的P型第二發(fā)射區(qū)；(5)、將N型離子注入到硅片背面，其中，所述的N型離子注入劑量為5E11 5E14/cm2， 能量為30 160KeV，形成厚度在0. 1 2 μ m的N型第一阻擋區(qū)；(6)、將P型離子注入到硅片背面，其中，所述的P型離子注入劑量為1E14 5E15/cm2， 能量為30 160KeV，形成厚度在0. 05 2 μ m的P型第一發(fā)射區(qū)；(7)、將硅片放入退火爐內(nèi)進(jìn)行退火；(8)、對硅片背面濺射金屬形成集電極.
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的新型絕緣柵雙極晶體管背面結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于 所述的N型第二阻擋區(qū)的N型離子注入劑量為5E12/cm2 5E13/cm2，注入能量為250 500KeV，厚度在0. 1 5μπι，所述P型第二發(fā)射區(qū)中的P型離子注入劑量為1Ε13 5Ε14/ cm2,能量為60 120KeV，制得的厚度在0. 3 1. 5 μ m ；所述N型第一阻擋區(qū)中的N型離子注入劑量為5E12 lE14/cm2，能量為60 120KeV,制得的厚度在0. 3 1. 5 μ m ；所述P型第一發(fā)射區(qū)中的P型離子注入劑量為8E14 3E15/cm2，能量為40 80KeV，制得的厚度在 0. 1 0. 5 μ m0
全文摘要
本發(fā)明涉及一種新型絕緣柵雙極晶體管背面結(jié)構(gòu)，在絕緣柵雙極晶體管硅片背面從里至外依次連接有N型第二阻擋區(qū)、P型第二發(fā)射區(qū)、N型第一阻擋區(qū)以及P型第一發(fā)射區(qū)和集電極，其中，所述N型第二阻擋區(qū)的厚度在0～10μm，P型第二發(fā)射區(qū)的厚度在0.1～2μm，N型第一阻擋區(qū)的厚度在0.1～2μm，P型第一發(fā)射區(qū)的厚度在0.05～2μm。本發(fā)明將原背結(jié)構(gòu)P型級發(fā)射區(qū)轉(zhuǎn)變?yōu)镻/N/P/N+多級發(fā)射區(qū)和阻擋區(qū)相結(jié)合的結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對漂移區(qū)內(nèi)的空穴分布精確控制的目的，在顯著提高器件的性能下，解決了歐姆接觸和低注入效率的矛盾，較好地解決了通態(tài)特性和開關(guān)特性之間的協(xié)調(diào)關(guān)系。
文檔編號H01L29/739GK102290436SQ20111027282
公開日2011年12月21日 申請日期2011年9月15日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月15日
發(fā)明者劉利峰, 吳迪, 張景超, 戚麗娜, 林茂, 趙善麒 申請人:江蘇宏微科技有限公司