絕緣柵雙極晶體管的背面結(jié)構(gòu)及其制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種絕緣柵雙極晶體管的背面結(jié)構(gòu)及其制作方法，屬于絕緣柵雙極晶體管技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]絕緣柵雙極晶體管(IGBT)由由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(dòng)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(dòng)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。
[0003]對于IGBT優(yōu)化來說，正面結(jié)構(gòu)從平面柵結(jié)構(gòu)升級(jí)到了溝槽柵結(jié)構(gòu)，背面結(jié)構(gòu)從穿通(PT)、非穿通(NPT)升級(jí)到了薄片電場截止(FS)技術(shù)，使得器件特性越來越接近技術(shù)原點(diǎn)，低壓降，低損耗，從而減小了能耗，提高了用電效率。常規(guī)場阻斷型(FS)絕緣柵雙極晶體管背面結(jié)構(gòu)見圖1所示，由N+型阻擋層、P+型發(fā)射層及集電極層構(gòu)成。然而，現(xiàn)在國內(nèi)可以穩(wěn)定量產(chǎn)背面FS結(jié)構(gòu)的代工廠并不多，成為了國產(chǎn)IGBT替代進(jìn)口 IGBT的一道技術(shù)屏障。由于阻斷型(FS)絕緣柵雙極晶體管背面結(jié)構(gòu)需要采用薄片工藝加工，而薄片工藝加工設(shè)備和工藝都需要特別定制，造成芯片加工費(fèi)用高，而且晶片容易碎片。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是提供一種絕緣柵雙極晶體管的背面結(jié)構(gòu)及其制作方法，能降低制造成本和碎片率，不需要借助薄片工藝即可實(shí)現(xiàn)場截止型絕緣柵雙極晶體管。
[0005]本發(fā)明為達(dá)到上述目的的技術(shù)方案是:一種絕緣柵雙極晶體管的背面結(jié)構(gòu)，其特征在于:在硅片的背面間隔設(shè)有背面溝槽，背面溝槽的槽壁與水平面之間的夾角α在60?88°，在背面溝槽的溝槽底部及側(cè)壁通過注入形成溝槽狀的Ν+型場截止層及溝槽狀的Ρ+型集電極層，溝槽狀的Ν+型場截止層與Ν型襯底相連，溝槽狀的Ρ+型集電極層與Ν+型場截止層的槽底及側(cè)壁相連，Ν+型場截止層的溝槽頂面和Ρ+型集電極層的溝槽頂面與Ν+型集電極層相連，連接在Ν+型集電極層6上的背面的金屬層5及設(shè)置在對應(yīng)背面溝槽4內(nèi)金屬層5的凸起5-1形成集電極。
[0006]其中:所述硅片上的背面溝槽、Ν+型場截止層上的溝槽和Ρ+型集電極層上的溝槽呈梯形。
[0007]所述背面溝槽的深度h在10?lOOum，槽寬b在5?50um，兩背面溝槽中心距Η在50?150umo
[0008]所述N+型集電極層的厚度δ在0.1?0.5um。
[0009]所述N+型場截止層的厚度δ2在0.5?5um。
[0010]所述P+型集電極層的厚度δ?在0.1?0.5um。
[0011]本發(fā)明絕緣柵雙極晶體管的背面結(jié)構(gòu)的制作方法，其特征在于:將絕緣柵雙極晶體管硅片正面工藝進(jìn)行完畢后，按以下步驟進(jìn)行:
[0012]⑴、將硅片背面減薄至150?250um;
[0013]⑵、在背面注入N型離子，注入劑量為5E14?5E15/cm2，注入能量為30?400KeV，形成厚度δ在0.1?0.5um的N+型集電極層；
[0014]⑶、光刻刻蝕溝槽形成背面溝槽，且背面溝槽側(cè)壁與平面夾角α在60?88°，背面溝槽的深度h在10?10011111，槽寬13在5?5011111;
[0015]⑷、在背面溝槽的槽底部和側(cè)壁注入雜質(zhì)為N型離子，注入劑量為5E11?5E14/cm2，注入能量為30KeV?1 IMeV，形成溝槽狀的N+型場截止層，且N+型場截止層的厚度δ2在
0.5?5um;
[0016](5)、再在N+型場截止層的溝槽底部和側(cè)壁注入P型離子，注入劑量為5E14?5E15/cm2，注入能量為30?170KeV，形成溝槽狀的P+型集電極層，P+型集電極層的厚度δ?在0.1?0.5um；
[0017](6)、退火后，在背面淀積金屬層，使金屬層上的凸起充填在對應(yīng)的背面溝槽內(nèi)形成集電極。
[0018]本發(fā)明在絕緣柵雙極晶體管背面形成了背面溝槽結(jié)構(gòu)，背面溝槽側(cè)壁不是垂直的，在背面溝槽的槽底部及側(cè)面通過注入即可形成溝槽狀的N+型場截止層及P+型集電極層，因此不需要薄片工藝即可實(shí)現(xiàn)背面FS結(jié)構(gòu)。本發(fā)明通過溝槽狀的N+型場截止層可以有效截止電場，提高擊穿電壓，且在無溝槽區(qū)背面形成N+型集電極層，有利于縮短關(guān)斷時(shí)間，保證擊穿電壓滿足要求的同時(shí)實(shí)現(xiàn)壓降與關(guān)斷速度更好的折衷。本發(fā)明絕緣柵雙極晶體管設(shè)置了背面溝槽，背面的金屬層具有凸起而能增加與硅片接觸面積，降低了背面接觸電阻，增加了晶片的韌性，不易碎片，熱阻比厚片大大降低。
[0019]本發(fā)明對絕緣柵雙極晶體管背面結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，正面M0S結(jié)構(gòu)制作完成后，將晶片背面減薄厚度只需要和NPT背面工藝要求厚度接近即可，不需要將晶片背面減薄到FS背面工藝要求厚度，使硅片厚度減薄到150?250um，而能降低晶片的碎片率，統(tǒng)一注入N型離子以形成N+型集電極層，并通過光刻刻蝕出背面溝槽，且使背面溝槽的槽側(cè)壁不與平面垂直，再向背面溝槽的槽底部及槽側(cè)面注入N型離子形成場截止層，能有效截止電場，提高擊穿電壓，同時(shí)因?yàn)榭v向結(jié)構(gòu)電阻并聯(lián)，形成FS結(jié)構(gòu)處的硅片厚度較薄，壓降小，可以保證器件整體壓降仍然較小。而FS結(jié)構(gòu)在關(guān)斷過程中，因?yàn)榫^薄，本身關(guān)斷就比較快，無溝槽區(qū)背面部分保持N+摻雜，以形成N+型集電極層，在關(guān)斷過程中有利于空穴的快速導(dǎo)出，同樣有利于加快關(guān)斷速度。本發(fā)明僅局部形成了薄片工藝，相較于NPT工藝，因?yàn)楸趁鏈喜鄣拇嬖冢黾恿吮趁娼饘倥c硅的接觸面積，降低了背面接觸電阻，同時(shí)也增加了晶片的韌性，本發(fā)明借助于薄片工藝即可實(shí)現(xiàn)FS背面工藝，并能實(shí)現(xiàn)參數(shù)的優(yōu)化，具有重要的意義。
【附圖說明】
[0020]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。
[0021 ]圖1是原絕緣柵雙極晶體管背面結(jié)構(gòu)的示意圖。
[0022]圖2是本發(fā)明絕緣柵雙極晶體管背面結(jié)構(gòu)的示意圖。
[0023]圖3是本發(fā)明絕緣柵雙極晶體管特性與FS工藝及NPT工藝特性的對比示意圖。
[0024]其中:1一硅片，2—N+型場截止層，3—P+型集電極層，4一背面溝槽，5—金屬層，5_1 一凸起，6—N+型集電極層。
【具體實(shí)施方式】
[0025]見圖2所示，本發(fā)明的絕緣柵雙極晶體管的背面結(jié)構(gòu)，在硅片1的背面間隔設(shè)有背面溝槽4，本發(fā)明的背面溝槽4的槽壁與水平面之間的夾角α在60?88°之間，在背面溝槽4的溝槽底部及側(cè)壁通過注入形成溝槽狀的Ν+型場截止層2及溝槽狀的Ρ+型集電極層3，通過Ν+型場截止層2可以有效截止電場，提高擊穿電壓，保證擊穿電壓滿足要求的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)較好的壓降與關(guān)斷速度的關(guān)系。
[0026]見圖2所示，本發(fā)明溝槽狀的Ν+型場截止層2與Ν型襯底相連，溝槽狀的Ρ+型集電極層3與Ν+型場截止層2的槽底及側(cè)壁相連，Ν+型場截止層2的溝槽頂面和Ρ+型集電極層3的溝槽頂面與Ν+型集電極層6相連，由于Ν+型集電極層無溝槽結(jié)構(gòu)，有利于縮短關(guān)斷時(shí)間。本發(fā)明連接在Ν+型集電極層6上的背面的金屬層5及設(shè)置在對應(yīng)背面溝槽4內(nèi)金屬層5的凸起5-1形成集電極，由于金屬層5上的凸起5-1設(shè)置在對應(yīng)的背面溝槽4內(nèi)，能增加背面金屬與硅的接觸面積，降低背面接觸電阻，降低制造碎片率。
[0027]見圖2所示，本發(fā)明硅片1上的背面溝槽4、Ν+型場截止層2上的溝槽和Ρ+型集電極層3上的溝槽呈梯形槽，該梯形槽可為等邊梯形槽或不等邊梯形槽，本發(fā)明背面溝槽4的深度h在10?lOOum，槽寬b在5?50um，而兩溝槽中心距Η為50?150um，通過對背面溝槽區(qū)域的占比控制，使得器件壓降較小的同時(shí)，也降低了關(guān)斷損耗，且硅片工藝容易控制，實(shí)現(xiàn)影響器件工藝與特性的折衷。見圖2所示，本發(fā)明N+型集電極層6的厚度δ在0.1?0.5um，N+型場截止層2的厚度δ2在0.5?5um，P+型集電極層3的厚度δ?在0.1?0.5um。
[0028]本發(fā)明的絕緣柵雙極晶體管的背面結(jié)構(gòu)，其背面溝槽4的槽壁與水平面之間的夾角α在62?80°之間，背面溝槽4的深度h在30?80um，槽寬b在10?40um，兩溝槽中心距Η為60?lOOum，Ν+型集電極層6的厚度δ在0.2?0.4um，而Ν+型場截止層