高頻非穿通型絕緣柵雙極型晶體管的制作方法
【專利摘要】本實用新型提供一種高頻非穿通型絕緣柵雙極型晶體管，包括N-型襯底，在N-型襯底上形成有多個網(wǎng)狀分布的元胞；在N-型襯底的正面形成有各元胞的P型阱區(qū)和圍繞晶體管有源區(qū)的P型場限環(huán)；在N-型襯底的正面最外圍形成有N+電場截止環(huán)；在各元胞的P型阱區(qū)內(nèi)形成有N+型發(fā)射區(qū)，在一側(cè)的P型阱區(qū)和N+型發(fā)射區(qū)上方的表面形成有柵氧化層，柵氧化層上形成有元胞多晶硅層，元胞多晶硅層上形成有柵極金屬；在另一側(cè)的P型阱區(qū)和N+型發(fā)射區(qū)上方表面形成有發(fā)射區(qū)金屬；各元胞的元胞多晶硅層、柵極金屬、發(fā)射區(qū)金屬均分別一一對應(yīng)互連。在N-型襯底背面形成有P型集電區(qū)。該晶體管耐壓高，開關(guān)速度快。
【專利說明】高頻非穿通型絕緣柵雙極型晶體管

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型涉及絕緣柵雙極型晶體管，簡稱IGBT，IGBT是由BJT (雙極型三極管)和MOS (絕緣柵型場效應(yīng)管)組成的復(fù)合全控型電壓驅(qū)動式功率半導(dǎo)體器件，兼有MOSFET的高輸入阻抗和GTR (Giant Transistor,電力晶體管,屬于BJT)的低導(dǎo)通壓降兩方面的優(yōu)點。

【背景技術(shù)】
[0002]GTR (Giant Transistor,電力晶體管)飽和壓降低,載流密度大,但驅(qū)動電流較大；MOSFET驅(qū)動功率很小，開關(guān)速度快，但導(dǎo)通壓降大，載流密度小。IGBT綜合了以上兩種器件的優(yōu)點，驅(qū)動功率小而飽和壓降低。非常適合應(yīng)用于直流電壓為600V及以上的變流系統(tǒng)如交流電機、變頻器、開關(guān)電源、照明電路、牽引傳動等領(lǐng)域。自20世紀(jì)80年代起，經(jīng)過20幾年的發(fā)展，以英飛凌、仙童為代表的絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)其工藝和參數(shù)不斷改進和提高，目前已達到了第六代:溝槽型電場截止型(FS+Trench)，典型參數(shù)日趨完善，具體表現(xiàn)為擊穿電壓高、通態(tài)壓降低、關(guān)斷時間短、損耗小、安全工作區(qū)(SOA)范圍大，并且在向IGBT模塊、IPM的方向發(fā)展，成為最受歡迎的電力半導(dǎo)體器件。在許多大功率變換系統(tǒng)中，它已經(jīng)取代了大功率雙極晶體管(GTR)、功率MOS場效應(yīng)管(M0SFET)，甚至出現(xiàn)替代門關(guān)斷晶閘管(GTO)的現(xiàn)實趨勢。絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)在國內(nèi)起步較晚，真正實現(xiàn)設(shè)計、工藝全部國產(chǎn)化也就是近5年的事情，而且目前主要技術(shù)以第三代非穿通型絕緣柵雙極型晶體管(NPT-1GBT)為代表，應(yīng)用范圍主要集中于消費電子類，如電磁爐等；由于工藝設(shè)計的限制目前應(yīng)用于工業(yè)化的產(chǎn)品幾乎沒有，主要依賴于進口。
[0003]長期以來，我國的此類高端半導(dǎo)體產(chǎn)品市場一直是被歐美、日本等發(fā)達國家占領(lǐng)，使用廠家只能進口原裝管，價格昂貴，進貨渠道很不穩(wěn)定。因此，功率半導(dǎo)體器件的使用者非常期待國內(nèi)的功率半導(dǎo)體廠家能盡快研發(fā)出高端功率器件來。根據(jù)國內(nèi)多家IGBT逆變焊機生產(chǎn)廠家的需求，將IGBT應(yīng)用于高頻逆變焊機，高頻直流電源中時，由于開關(guān)電源日益向綠色節(jié)能、損耗小、效率高的方向發(fā)展，開關(guān)電源中的關(guān)鍵部件IGBT也必須具有高電壓、高頻率、低損耗的特性。對于IGBT應(yīng)用來說開關(guān)損耗是最大的損耗，尤其是關(guān)斷損耗。既要降低功耗，又要保證飽和壓降小，這就是IGBT最大的難點。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本實用新型提供一種高電壓高頻快速開關(guān)的非穿通型絕緣柵雙極型晶體管，其結(jié)構(gòu)簡單，耐壓高，開關(guān)速度快，使用成本低，安全可靠，實現(xiàn)了既保證飽和壓降小，同時能夠明顯降低開關(guān)損耗的目的。本實用新型采用的技術(shù)方案是:
[0005]一種高頻非穿通型絕緣柵雙極型晶體管，包括多個網(wǎng)狀分布的元胞。IGBT晶體管包括N-型襯底，在N-型襯底上形成有多個元胞；
[0006]在N-型襯底的正面形成有各元胞的P型阱區(qū)和圍繞晶體管有源區(qū)的一個或多個P型場限環(huán)；
[0007]在N-型襯底的正面最外圍形成有N+電場截止環(huán)；N+電場截止環(huán)上方的N-型襯底的表面設(shè)有保護區(qū)多晶硅層；
[0008]在P型場限環(huán)和保護區(qū)多晶硅層上方均設(shè)有金屬層；
[0009]在各元胞的P型阱區(qū)內(nèi)形成有N+型發(fā)射區(qū)，在一側(cè)的P型阱區(qū)和N+型發(fā)射區(qū)上方的表面形成有柵氧化層，柵氧化層上形成有元胞多晶硅層，元胞多晶硅層上形成有柵極金屬；在另一側(cè)的P型阱區(qū)和N+型發(fā)射區(qū)上方的表面形成有發(fā)射區(qū)金屬；各元胞的元胞多晶硅層、柵極金屬、發(fā)射區(qū)金屬均分別一一對應(yīng)互連；在N-型襯底背面形成有P型集電區(qū)；在N-型襯底背面的P型集電區(qū)底表層形成有背面金屬層。
[0010]進一步地，N-型襯底的厚度為170um，P型集電區(qū)與N-型襯底之間結(jié)深0.1-0.2um。背面金屬層為三層結(jié)構(gòu)，與N-型襯底相接的是鈦層，中間為鎳層，底層為銀層。背面金屬層的鈦層、鎳層、銀層厚度為1500A/5000A/5000A。柵極金屬為鋁。發(fā)射區(qū)金屬為招。
[0011]本實用新型的優(yōu)點在于:1)采用網(wǎng)狀元胞結(jié)構(gòu)，并聯(lián)的多晶網(wǎng)絡(luò)可以明顯減小集總多晶電阻，能夠有效減小開啟時間，降低開啟損耗，適合高頻器件的使用。2)合理優(yōu)化的漂移區(qū)厚度設(shè)置，可以進一步降低背面PNP三極管發(fā)射極注入效率，在保證飽和壓降的基礎(chǔ)上有效改善關(guān)斷時間和關(guān)斷損耗。3)高可靠性的終端設(shè)計一采用場限環(huán)的設(shè)計方案，可以保證應(yīng)用可靠性。4)獨特的背面超淺結(jié)設(shè)計一結(jié)深僅0.1-0.2um的背面發(fā)射結(jié)。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]圖1為本實用新型的晶體管的正面示意圖。
[0013]圖2為本實用新型的晶體管的最外圍單個元胞至保護區(qū)側(cè)剖示意圖。
[0014]圖3a和圖3b為本實用新型的芯片等效圖。

【具體實施方式】
[0015]下面結(jié)合具體附圖和實施例對本實用新型作進一步說明。
[0016]本實用新型所提出的高頻非穿通型絕緣柵雙極型晶體管，包括多個網(wǎng)狀分布的元胞，晶體管的正面如圖1所示，在圖1中的A-A部位的側(cè)剖結(jié)構(gòu)如圖2所示。
[0017]IGBT晶體管包括N-型襯底6，在N-型襯底6上形成多個元胞，其中，選擇〈100〉晶向硅材料作為襯底，N-型襯底6亦是BJT三極管的基區(qū)。
[0018]在N-型襯底6的正面形成有各元胞的P型阱區(qū)10和圍繞晶體管有源區(qū)的一個或多個P型場限環(huán)8 ;晶體管的各元胞是并聯(lián)的，構(gòu)成器件有源區(qū)，圖2中畫了兩個P型場限環(huán)8，圍繞晶體管有源區(qū)設(shè)置。圖2可看作網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的最右側(cè)的元胞。P型場限環(huán)8可以保證應(yīng)用可靠性，當(dāng)IGBT器件耐壓工作時，所述P型場限環(huán)8沿著由器件有源區(qū)指向器件終端保護區(qū)的方向依次耗盡，并且形成的耗盡區(qū)依次相連通，所需耐壓越高，P型場限環(huán)的數(shù)量則需越多。
[0019]器件終端保護區(qū)是IGBT晶體管正面最外圍的一圈，包括圖2中所示的形成于N-型襯底6的正面最外圍的N+電場截止環(huán)5 ；N+電場截止環(huán)5為單獨的，不與其他部分相連，起保護作用。在N+電場截止環(huán)5上方的N-型襯底6的表面設(shè)有保護區(qū)多晶硅層12。保護區(qū)多晶硅層12圍繞器件有源區(qū)設(shè)置。
[0020]在P型場限環(huán)8和保護區(qū)多晶硅層12上方均設(shè)有金屬層，該金屬層可選鋁層，起平衡電位作用。圖2中P型場限環(huán)8和保護區(qū)多晶硅層12上方粗黑橫線條即鋁層。
[0021]在各元胞的P型阱區(qū)10內(nèi)形成有N+型發(fā)射區(qū)7，在一側(cè)的P型阱區(qū)10和N+型發(fā)射區(qū)7上方的表面形成有柵氧化層4，柵氧化層4上形成有元胞多晶硅層3，元胞多晶硅層3上形成有柵極金屬2，其中柵極金屬2為鋁；在另一側(cè)的P型阱區(qū)10和N+型發(fā)射區(qū)7上方的表面形成有發(fā)射區(qū)金屬1，發(fā)射區(qū)金屬I為鋁；柵極金屬2用于引出IGBT晶體管的柵極G，發(fā)射區(qū)金屬I用于引出IGBT晶體管的發(fā)射極E。各元胞的元胞多晶硅層3、柵極金屬
2、發(fā)射區(qū)金屬I均分別--對應(yīng)互連。
[0022]在N-型襯底6背面形成有P型集電區(qū)9，其采用超淺結(jié)結(jié)構(gòu)，P型集電區(qū)9與N-型襯底6之間結(jié)深0.1-0.2um ；P型集電區(qū)9采用背面硼注入(特殊超淺結(jié))和退火形成。P型集電區(qū)9與N-型襯底6之間形成了背面PNP三極管發(fā)射結(jié)。
[0023]N-型襯底6為漂移區(qū)，在要保證擊穿電壓的前提下要盡量減小IGBT漂移區(qū)的厚度，這樣才能盡量的減小飽和壓降和開關(guān)損耗。很薄的漂移區(qū)就會存在背面PNP三極管發(fā)射極結(jié)深控制和耗盡層寬度控制的問題，因此IGBT的漂移區(qū)厚度設(shè)定在170um，背面PNP三極管發(fā)射結(jié)深約0.1-0.2um，這樣既可以保證耗盡層無法到達背面發(fā)射結(jié)即非穿通的情況下，又能夠保證發(fā)射結(jié)能夠發(fā)揮電導(dǎo)調(diào)制的效應(yīng)降低飽和壓降，同時發(fā)射極注入效率降低可以有效的減小關(guān)斷時間和拖尾電流，減小關(guān)斷損耗，實現(xiàn)聞頻應(yīng)用。
[0024]在N-型襯底6背面的P型集電區(qū)9底表層形成有背面金屬層11，背面金屬層11與P型集電區(qū)9接觸用于形成IGBT晶體管的集電極C。
[0025]背面金屬層11為三層結(jié)構(gòu)，與N-型襯底6相接的是鈦層，中間為鎳層，底層為銀層，本器件的芯片背面金屬化采用了鈦、鎳、銀三層金屬。傳統(tǒng)的背面金屬用的是鎳，它與襯底硅有接觸不牢問題，且在空氣中表面易氧化，導(dǎo)致粘片不牢。為解決與硅片接觸問題，在第一層，本方案用與硅、鎳接觸都很牢的鈦作為過度金屬，但鈦的電阻較大，不宜太厚。為保護中間的鎳不被氧化，第三層最外層用銀來保護。由于銀在鉛錫焊過程中能迅速熔解在焊料中，既保護了鎳不氧化，又不影響鉛錫焊。綜合考慮，鈦層、鎳層、銀層厚度為1500A/5000A/5000A ；這樣，提高了芯片的粘潤性，減少了粘片空洞，增加了粘片牢固度，使器件的功率耐量、熱疲勞性能都得到提高，大大增加了產(chǎn)品的可靠性。
[0026]在不背離本實用新型精神及其實質(zhì)的情況下，本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本實用新型作出的各種相應(yīng)的改變和變形，都應(yīng)該屬于本實用新型的權(quán)利要求的保護范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種高頻非穿通型絕緣柵雙極型晶體管，包括多個網(wǎng)狀分布的元胞，其特征在于: IGBT晶體管包括N-型襯底￠)，在N-型襯底(6)上形成有多個元胞； 在N-型襯底(6)的正面形成有各元胞的P型阱區(qū)(10)和圍繞晶體管有源區(qū)的一個或多個P型場限環(huán)⑶； 在N-型襯底(6)的正面最外圍形成有N+電場截止環(huán)(5) ；N+電場截止環(huán)(5)上方的N-型襯底(6)的表面設(shè)有保護區(qū)多晶硅層(12)； 在P型場限環(huán)(8)和保護區(qū)多晶硅層(12)上方均設(shè)有金屬層； 在各元胞的P型阱區(qū)(10)內(nèi)形成有N+型發(fā)射區(qū)(7)，在一側(cè)的P型阱區(qū)(10)和N+型發(fā)射區(qū)(7)上方的表面形成有柵氧化層(4)，柵氧化層(4)上形成有元胞多晶硅層(3)，元胞多晶硅層(3)上形成有柵極金屬(2);在另一側(cè)的P型阱區(qū)(10)和N+型發(fā)射區(qū)(7)上方的表面形成有發(fā)射區(qū)金屬(I);各元胞的元胞多晶硅層(3)、柵極金屬(2)、發(fā)射區(qū)金屬(I)均分別--對應(yīng)互連； 在N-型襯底(6)背面形成有P型集電區(qū)(9) ^N-型襯底(6)背面的P型集電區(qū)(9)底表層形成有背面金屬層(11)。
2.如權(quán)利要求1所述的高頻非穿通型絕緣柵雙極型晶體管，其特征在于: N-型襯底(6)的厚度為170um，P型集電區(qū)(9)與N-型襯底(6)之間結(jié)深0.1-0.2um。
3.如權(quán)利要求1所述的高頻非穿通型絕緣柵雙極型晶體管，其特征在于: 背面金屬層(11)為三層結(jié)構(gòu)，與N-型襯底(6)相接的是鈦層，中間為鎳層，底層為銀層。
4.如權(quán)利要求3所述的高頻非穿通型絕緣柵雙極型晶體管，其特征在于: 背面金屬層(11)的鈦層、鎳層、銀層厚度為1500A/5000A/5000A。
5.如權(quán)利要求1所述的高頻非穿通型絕緣柵雙極型晶體管，其特征在于: 柵極金屬(2)為鋁。
6.如權(quán)利要求1所述的高頻非穿通型絕緣柵雙極型晶體管，其特征在于: 發(fā)射區(qū)金屬(I)為鋁。
【文檔編號】H01L29/739GK204118073SQ201420603707
【公開日】2015年1月21日 申請日期:2014年10月17日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月17日
【發(fā)明者】龔利汀, 陳麗蘭, 龔利貞 申請人:無錫固電半導(dǎo)體股份有限公司