逆導(dǎo)型igbt的背面結(jié)構(gòu)及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種逆導(dǎo)型IGBT的背面結(jié)構(gòu)，包括：漂移區(qū)、第一N+緩沖層、絕緣層、P+集電區(qū)、N+短路區(qū)及集電極金屬層；所述P+集電區(qū)與所述N+短路區(qū)中間通過所述漂移區(qū)分隔開；所述N+短路區(qū)的耗盡部分通過所述絕緣層與所述集電極金屬層連接，其他部分直接與所述集電極金屬層連接。本發(fā)明提供的一種逆導(dǎo)型IGBT的背面結(jié)構(gòu)及其制備方法，通過在P+集電區(qū)和N+短路區(qū)之間加入一段低摻雜的N-區(qū)域的漂移區(qū)，這樣能使P+集電區(qū)更大程度的正偏，從而能避免回跳現(xiàn)象的產(chǎn)生，另外此結(jié)構(gòu)還可以增加P+集電區(qū)有效導(dǎo)通面積，增加空穴的注入總量，降低了導(dǎo)通壓降，從而降低功耗。
【專利說明】逆導(dǎo)型IGBT的背面結(jié)構(gòu)及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及功率半導(dǎo)體器件【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及逆導(dǎo)型IGBT的背面結(jié)構(gòu)及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]逆導(dǎo)型IGBT是一種新型的功率器件，它具有眾多優(yōu)點的同時也引入了一些缺點，如回跳現(xiàn)象。
[0003]通過對比可以發(fā)現(xiàn)逆導(dǎo)型IGBT的大部分結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的IGBT結(jié)構(gòu)相似。最大的區(qū)別是，逆導(dǎo)型IGBT的集電極不是連續(xù)的P+區(qū)，而是間斷地引入一些N+短路區(qū)。
[0004]逆導(dǎo)型IGBT的P—基區(qū)、N—漂移區(qū)、N+緩沖層及N+短路區(qū)構(gòu)成了一個PIN 二極管。逆導(dǎo)型IGBT等效于一個IGBT與一個PIN 二極管反并聯(lián)，只不過在同一芯片上實現(xiàn)了。當(dāng)IGBT在承受反壓時，這個PIN 二極管導(dǎo)通，這也正是稱其為逆導(dǎo)型IGBT的原因。在關(guān)斷期間，逆導(dǎo)型IGBT為漂移區(qū)過剩載流子提供了一條有效的抽走通道，大大縮短了逆導(dǎo)型IGBT的關(guān)斷時間。
[0005]逆導(dǎo)型IGBT的思想節(jié)省了芯片面積、封裝、測試費用，降低了器件成本。此外，它還具有低的損耗、良好的SOA特性、正的溫度系數(shù)，以及良好的軟關(guān)斷特性、短路特性以及良好的功率循環(huán)特性。
[0006]然而，逆導(dǎo)型IGBT在擁有諸多優(yōu)點的同時，也帶來了些問題。最主要的是回跳現(xiàn)象。產(chǎn)生回跳現(xiàn)象的原理不難解釋。在逆導(dǎo)型IGBT導(dǎo)通初期，器件是單極導(dǎo)通的，可以說是工作在VDMOS模式。電`子從溝道注入N—漂移區(qū)，幾乎垂直流向集電極，當(dāng)流入緩沖層后，電子流匯集到集電極短路區(qū)后流出器件。從圖中可以看到，在P+區(qū)上方，電子是橫向流到N+短路區(qū)的。這樣從P+區(qū)邊緣到P+區(qū)中央電勢逐漸下降，而這個電勢與P+區(qū)的電勢決定了集電結(jié)是否開啟。起初電子電流密度小，如圖1a所示，所產(chǎn)生的壓降不足以使集電結(jié)開啟。集電結(jié)兩側(cè)電勢處處小于其內(nèi)建電勢(Vmg〈Vmf〈…〈Vma〈0.7V)，此時沒有空穴注入，也即沒有發(fā)生電導(dǎo)調(diào)制，故導(dǎo)通壓降很大。隨著VCE增加，電子電流密度增加，集電結(jié)正向偏壓增加。如圖1b圖所示，直到集電結(jié)部分導(dǎo)通(Vmg〈…Vmd〈0.7V〈Vmc〈…〈Vma)，部分P+區(qū)開始注入空穴，電導(dǎo)調(diào)制開始，導(dǎo)通壓降大幅下降，此時器件進入了 IGBT模式，這就看到了上述的回跳現(xiàn)象。
[0007]現(xiàn)有技術(shù)中還公開了一種逆導(dǎo)型IGBT，正向?qū)〞r候的電流分布如圖2所示，雖然可以有效消除回跳現(xiàn)象，但是由于P+集電極區(qū)域I與N+短路區(qū)域2直接相鄰，導(dǎo)致部分P+集電極區(qū)域I未能導(dǎo)通，使P+集電極區(qū)域I的空穴注入效率降低，這樣會間接浪費芯片的利用率，增加制造成本。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種能抑制器件回跳現(xiàn)象的逆導(dǎo)型IGBT的背面結(jié)構(gòu)及其制備方法。[0009]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的一個方面提供了一種逆導(dǎo)型IGBT的背面結(jié)構(gòu)，包括:漂移區(qū)、第一 N+緩沖層、絕緣層、P+集電區(qū)、N+短路區(qū)及集電極金屬層；
[0010]所述P+集電區(qū)設(shè)置在所述漂移區(qū)底部一側(cè)，所述N+短路區(qū)設(shè)置在所述漂移區(qū)底部另一側(cè)，所述P+集電區(qū)與所述N+短路區(qū)中間通過所述漂移區(qū)分隔開；
[0011]所述P+集電區(qū)通過所述第一 N+緩沖層與所述漂移區(qū)連接；
[0012]所述漂移區(qū)及第一 N+緩沖層均通過所述絕緣層與所述集電極金屬層連接；
[0013]所述P+集電區(qū)與所述集電極金屬層連接；
[0014]所述N+短路區(qū)的耗盡部分通過所述絕緣層與所述集電極金屬層連接，其他部分直接與所述集電極金屬層連接。
[0015]進一步地，所述的逆導(dǎo)型IGBT的背面結(jié)構(gòu)，還包括:
[0016]第二 N+緩沖層，所述N+短路區(qū)通過所述第二 N+緩沖層與所述漂移區(qū)連接，所述第二 N+緩沖層通過所述絕緣層與所述集電極金屬層連接。
[0017]本發(fā)明的另一個方面，提供一種逆導(dǎo)型IGBT的背面結(jié)構(gòu)的制備方法，包括:將芯片背面減薄后，在漂移區(qū)底面制備絕緣層；
[0018]將所述漂移區(qū)底面通過光刻，再進行N型雜質(zhì)注入后退火，形成N+緩沖層；
[0019]將所述漂移區(qū)底面一側(cè)通過光刻，再進行P型雜質(zhì)注入后退火，形成P+集電區(qū)；
[0020]將所述漂移區(qū)底面另一側(cè)通過光刻，再進行N型雜質(zhì)注入、退火后，形成N+短路區(qū)，所述P+集電區(qū)與所述N+短路區(qū)之間通過所述漂移區(qū)分隔開；
[0021]將所述P+集電區(qū)、N+短路區(qū)及絕緣層底面金屬化形成集電極金屬層。
[0022]進一步地，所述將漂移區(qū)底面通過光刻，再進行N型雜質(zhì)注入后退火，形成N+緩沖層包括:
[0023]將所述漂移區(qū)整個底面通過光刻，再進行N型雜質(zhì)注入、退火后，在所述絕緣層的一側(cè)形成第一 N+緩沖層，在所述絕緣層的另一側(cè)形成第二 N+緩沖層，使所述P+集電區(qū)通過所述第一 N+緩沖層與所述漂移區(qū)連接，使所述N+短路區(qū)通過所述第二 N+緩沖層與所述漂移區(qū)連接。
[0024]進一步地，所述將漂移區(qū)底面通過光刻，再進行N型雜質(zhì)注入后退火，形成N+緩沖層包括:
[0025]將所述漂移區(qū)底面局部通過光刻，再進行N型雜質(zhì)注入、退火后，在所述絕緣層的一側(cè)形成第一 N+緩沖層，使所述P+集電區(qū)通過所述第一 N+緩沖層與所述漂移區(qū)連接，使所述N+短路區(qū)直接與所述漂移區(qū)連接。
[0026]進一步地，所述在漂移區(qū)底面制備絕緣層是直接將漂移區(qū)進行氧化或在漂移區(qū)背面淀積一層SiO2后再進行光刻，獲得絕緣層。
[0027]進一步地，所述漂移區(qū)及緩沖層均通過所述絕緣層與所述集電極金屬層連接；
[0028]所述P+集電區(qū)與所述集電極金屬層連接；
[0029]所述N+短路區(qū)的耗盡部分通過所述絕緣層與所述集電極金屬層連接，其他部分直接與所述集電極金屬層連接。
[0030]進一步地，在形成所述緩沖層時，注入的N型雜質(zhì)包括磷、砷或氫。
[0031]進一步地，在形成所述P+集電區(qū)時，注入的P型雜質(zhì)包括磷、砷或氫。
[0032]進一步地，在形成所述N+短路區(qū)時，注入的N型雜質(zhì)包括硼或鋁。[0033]本發(fā)明提供的一種逆導(dǎo)型IGBT的背面結(jié)構(gòu)及其制備方法，通過在P+集電區(qū)和N+短路區(qū)之間加入一段低摻雜的N—區(qū)域的漂移區(qū)，這樣能使P+集電區(qū)更大程度的正偏，從而能避免回跳現(xiàn)象的產(chǎn)生，另外此結(jié)構(gòu)還可以增加P+集電區(qū)有效導(dǎo)通面積，增加空穴的注入總量，降低了導(dǎo)通壓降，從而降低功耗。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0034]圖1a及圖1b為現(xiàn)有逆導(dǎo)型IGBT的回跳現(xiàn)象產(chǎn)生原理圖；
[0035]圖2為現(xiàn)有逆導(dǎo)型IGBT正向?qū)〞r的電流分布圖；
[0036]圖3為本發(fā)明實施例一提供的一種逆導(dǎo)型IGBT的背面結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0037]圖4為本發(fā)明實施例二中制備絕緣層的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0038]圖5為本發(fā)明實施例二中制備N+緩沖層的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0039]圖6為本發(fā)明實施例二中制備P+集電區(qū)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0040]圖7為本發(fā)明實施例二中制備N+短路區(qū)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0041]圖8為本發(fā)明實施例二中制備集電極金屬層的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0042]圖9為圖8所示結(jié)構(gòu)的等效電路圖。
【具體實施方式】
[0043]實施例一:
[0044]如圖3所示，本實施例提供的一種逆導(dǎo)型IGBT的背面結(jié)構(gòu)包括:漂移區(qū)100、第一N+緩沖層101、P+集電區(qū)102、N+短路區(qū)103、絕緣層104及集電極金屬層105。P+集電區(qū)102設(shè)置在漂移區(qū)100底部一側(cè)，N+短路區(qū)103設(shè)置在漂移區(qū)100底部另一側(cè)，P+集電區(qū)102與N+短路區(qū)103中間通過漂移區(qū)100分隔開，漂移區(qū)100為低摻雜的N—區(qū)域。P+集電區(qū)102通過第一 N+緩沖層101與漂移區(qū)100連接。漂移區(qū)100及第一 N+緩沖層101均通過絕緣層104與集電極金屬層105連接。P+集電區(qū)102與集電極金屬層105連接；N+短路區(qū)103的耗盡部分通過絕緣層104與集電極金屬層105連接，其他部分直接與集電極金屬層105連接。
[0045]本實施例提供的制備上述逆導(dǎo)型IGBT的背面結(jié)構(gòu)的方法，包括以下幾個步驟:
[0046]步驟S1:將芯片背面減薄后，在漂移區(qū)100底面制備絕緣層104。具體是在漂移區(qū)100底面制備絕緣層104是直接將漂移區(qū)100進行氧化或在漂移區(qū)100背面淀積一層SiO2后再進行光刻，獲得絕緣層104。
[0047]步驟S2:將漂移區(qū)100底面通過光刻，再進行N型雜質(zhì)注入后退火，形成N+緩沖層；具體是將漂移區(qū)底面局部通過光刻，再進行N型雜質(zhì)注入、退火后，在絕緣層的一側(cè)形成第一 N+緩沖層101。
[0048]步驟S3:將漂移區(qū)100底面一側(cè)通過光刻，再進行P型雜質(zhì)注入后退火，形成P+集電區(qū)102，且P+集電區(qū)102通過第一 N+緩沖層101與漂移區(qū)100連接。
[0049]步驟S4:將漂移區(qū)100底面另一側(cè)通過光刻，再進行N型雜質(zhì)注入、退火后，形成N+短路區(qū)103，使P+集電區(qū)102與N+短路區(qū)103中間通過漂移區(qū)100分隔開，且N+短路區(qū)103直接與漂移區(qū)100連接。
[0050]步驟S5:將P+集電區(qū)102、N+短路區(qū)103及絕緣層104底面金屬化形成集電極金屬層105。漂移區(qū)100及第一 N+緩沖層101均通過絕緣層104與集電極金屬層105連接；P+集電區(qū)102與集電極金屬層105連接；N+短路區(qū)103的耗盡部分通過絕緣層104與集電極金屬層105連接，其他部分直接與集電極金屬層105連接。
[0051]實施例二:
[0052]如圖8所示，本實施例提供的一種逆導(dǎo)型IGBT的背面結(jié)構(gòu)包括:漂移區(qū)200、第一N+緩沖層201、第二 N+緩沖層206、P+集電區(qū)202、N+短路區(qū)203、絕緣層204及集電極金屬層205。P+集電區(qū)202設(shè)置在漂移區(qū)200底部一側(cè)，N+短路區(qū)203設(shè)置在漂移區(qū)200底部另一側(cè)，P+集電區(qū)202與N+短路區(qū)203中間通過漂移區(qū)200分隔開，漂移區(qū)200為低摻雜的N—區(qū)域。P+集電區(qū)202通過第一 N+緩沖層201與漂移區(qū)200連接。漂移區(qū)200、第一 N+緩沖層201及第二 N+緩沖層206均通過絕緣層204與集電極金屬層205連接。P+集電區(qū)202與集電極金屬層205連接。N+短路區(qū)203通過第二 N+緩沖層206與漂移區(qū)200連接。N+短路區(qū)203的耗盡部分通過絕緣層204與集電極金屬層205連接，其他部分直接與集電極金屬層205連接。
[0053]本實施例提供的制備上述逆導(dǎo)型IGBT的背面結(jié)構(gòu)的方法，包括以下幾個步驟:
[0054]步驟S1:如圖4所示，將芯片背面減薄后，在漂移區(qū)200底面制備絕緣層204。具體是在漂移區(qū)200底面制備絕緣層204是直接將漂移區(qū)200進行氧化或在漂移區(qū)200背面淀積一層SiO2后再進行光刻，獲得絕緣層204。
[0055]步驟S2:如圖5所示，將漂移區(qū)200底面通過光刻，再進行N型雜質(zhì)注入后退火，形成N+緩沖層；具體是將漂移區(qū)底面全部通過光刻，再進行N型雜質(zhì)注入、退火后，在絕緣層的一側(cè)形成第一 N+緩沖層201，在絕緣層的另一側(cè)形成第二 N+緩沖層206。
[0056]步驟S3:如圖6所示，將漂移區(qū)200底面一側(cè)通過光刻，再進行P型雜質(zhì)注入后退火，形成P+集電區(qū)202，且P+集電區(qū)202通過第一 N+緩沖層201與漂移區(qū)200連接。
[0057]步驟S4:如圖7所示，將漂移區(qū)200底面另一側(cè)通過光刻，再進行N型雜質(zhì)注入、退火后，形成N+短路區(qū)203，使P+集電區(qū)202與N+短路區(qū)203中間通過漂移區(qū)200分隔開，且N+短路區(qū)通過第二 N+緩沖層206與漂移區(qū)200連接。
[0058]步驟S5:如圖8所示，將P+集電區(qū)202、N+短路區(qū)203及絕緣層204底面金屬化形成集電極金屬層205。漂移區(qū)200及第一 N+緩沖層201均通過絕緣層204與集電極金屬層205連接；P+集電區(qū)202與集電極金屬層205連接；N+短路區(qū)203的耗盡部分通過絕緣層204與集電極金屬層205連接，其他部分直接與集電極金屬層205連接。
[0059]上述結(jié)構(gòu)的等效電路圖如圖9所示，本電路由Rl及R2組成，其中Rl為P+集電區(qū)上方緩沖層的分布電阻，R2為P+集電區(qū)與N+短路區(qū)中間漂移區(qū)的分布電阻。與圖2相比，本發(fā)明的結(jié)構(gòu)多了一個R2電阻，由于摻雜濃度很低，所以R2的阻值很大。當(dāng)電流流過R2后會產(chǎn)生較大的壓降，從而使P+集電區(qū)正偏，一方面可以抑制回跳現(xiàn)象，另一方面可以減小無效的P+集電區(qū)面積，增加空穴注入，從而降低了導(dǎo)通壓降和損耗。
[0060]本發(fā)明提供的逆導(dǎo)型IGBT的背面結(jié)構(gòu)及其制備方法，通過在P+集電區(qū)與N+短路區(qū)中間放置一段漂移區(qū)，P+集電區(qū)需要用N+緩沖層包裹，N+短路區(qū)可以有N+緩沖層，也可不設(shè)置N+緩沖層。為了防止N+短路區(qū)穿通，在其下方制作了一層厚度的絕緣層。絕緣層的寬度一方面要把N+緩沖層與集電極金屬層隔離，另一方面保證在正向阻斷時N+短路區(qū)的耗盡部分不能與集電極金屬層接觸。通過對結(jié)構(gòu)的改進，不僅有效抑制了器件的回跳現(xiàn)象，還能提高空穴注入的面積，降低導(dǎo)通電壓及器件損耗。
[0061]最后所應(yīng)說明的是，以上【具體實施方式】僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管參照實例對本發(fā)明進行了詳細說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以對本發(fā)明的技術(shù)方案進行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。
【權(quán)利要求】
1.一種逆導(dǎo)型IGBT的背面結(jié)構(gòu)，其特征在于，包括: 漂移區(qū)、第一 N+緩沖層、絕緣層、P+集電區(qū)、N+短路區(qū)及集電極金屬層； 所述P+集電區(qū)設(shè)置在所述漂移區(qū)底部一側(cè)，所述N+短路區(qū)設(shè)置在所述漂移區(qū)底部另一偵牝所述P+集電區(qū)與所述N+短路區(qū)中間通過所述漂移區(qū)分隔開； 所述P+集電區(qū)通過所述第一 N+緩沖層與所述漂移區(qū)連接； 所述漂移區(qū)及第一 N+緩沖層均通過所述絕緣層與所述集電極金屬層連接； 所述P+集電區(qū)與所述集電極金屬層連接； 所述N+短路區(qū)的耗盡部分通過所述絕緣層與所述集電極金屬層連接，其他部分直接與所述集電極金屬層連接。
2.如權(quán)利要求1所述的逆導(dǎo)型IGBT的背面結(jié)構(gòu)，其特征在于，還包括: 第二 N+緩沖層，所述N+短路區(qū)通過所述第二 N+緩沖層與所述漂移區(qū)連接，所述第二 N+緩沖層通過所述絕緣層與所述集電極金屬層連接。
3.一種逆導(dǎo)型IGBT的背面結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于，包括: 將芯片背面減薄后，在漂移區(qū)底面制備絕緣層； 將所述漂移區(qū)底面通過光刻，再進行N型雜質(zhì)注入后退火，形成N+緩沖層； 將所述漂移區(qū)底面一側(cè)通過光刻，再進行P型雜質(zhì)注入后退火，形成P+集電區(qū)； 將所述漂移區(qū)底面另一側(cè)通過光刻`，再進行N型雜質(zhì)注入、退火后，形成N+短路區(qū)，所述P+集電區(qū)與所述N+短路區(qū)之間通過所述漂移區(qū)分隔開； 將所述P+集電區(qū)、N+短路區(qū)及絕緣層底面金屬化形成集電極金屬層。
4.如權(quán)利要求3所述的逆導(dǎo)型IGBT的背面結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于，所述將漂移區(qū)底面通過光刻，再進行N型雜質(zhì)注入后退火，形成N+緩沖層包括: 將所述漂移區(qū)整個底面通過光刻，再進行N型雜質(zhì)注入、退火后，在所述絕緣層的一側(cè)形成第一 N+緩沖層，在所述絕緣層的另一側(cè)形成第二 N+緩沖層，使所述P+集電區(qū)通過所述第一 N+緩沖層與所述漂移區(qū)連接，使所述N+短路區(qū)通過所述第二 N+緩沖層與所述漂移區(qū)連接。
5.如權(quán)利要求3所述的逆導(dǎo)型IGBT的背面結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于，所述將漂移區(qū)底面通過光刻，再進行N型雜質(zhì)注入后退火，形成N+緩沖層包括: 將所述漂移區(qū)底面局部通過光刻，再進行N型雜質(zhì)注入、退火后，在所述絕緣層的一側(cè)形成第一 N+緩沖層，使所述P+集電區(qū)通過所述第一 N+緩沖層與所述漂移區(qū)連接，使所述N+短路區(qū)直接與所述漂移區(qū)連接。
6.如權(quán)利要求4或5所述的逆導(dǎo)型IGBT的背面結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于: 所述在漂移區(qū)底面制備絕緣層是直接將漂移區(qū)進行氧化或在漂移區(qū)背面淀積一層SiO2后再進行光刻，獲得絕緣層。
7.如權(quán)利要求6所述的逆導(dǎo)型IGBT的背面結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于: 所述漂移區(qū)及緩沖層均通過所述絕緣層與所述集電極金屬層連接； 所述P+集電區(qū)與所述集電極金屬層連接； 所述N+短路區(qū)的耗盡部分通過所述絕緣層與所述集電極金屬層連接，其他部分直接與所述集電極金屬層連接。
8.如權(quán)利要求6所述的逆導(dǎo)型IGBT的背面結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于:在形成所述緩沖層時，注入的N型雜質(zhì)包括磷、砷或氫。
9.如權(quán)利要求6所述的逆導(dǎo)型IGBT的背面結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于:在形成所述P+集電區(qū)時，注入的P型雜質(zhì)包括硼、鋁、鎵或銦。
10.如權(quán)利要求6所述的逆導(dǎo)型IGBT的背面結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于:在形成所述N+短路區(qū)時，注入的N型雜`質(zhì)包括磷、砷或氫。
【文檔編號】H01L29/739GK103872110SQ201210526482
【公開日】2014年6月18日 申請日期:2012年12月7日 優(yōu)先權(quán)日:2012年12月7日
【發(fā)明者】張文亮, 田曉麗, 朱陽軍, 胡愛斌 申請人:中國科學(xué)院微電子研究所, 上海聯(lián)星電子有限公司, 江蘇中科君芯科技有限公司