專利名稱：低功耗半導(dǎo)體功率開關(guān)器件及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體功率開關(guān)器件，以及這種器件的制造方法。這種器件的耐壓范圍是在2KV以下的中低壓范圍。
電力電子技術(shù)中使用功率開關(guān)器件。本發(fā)明所說的半導(dǎo)體功率開關(guān)器件是指絕緣柵雙極晶體管(IGBT)、MOS控制晶閘管(MCT)和半導(dǎo)體晶閘管。對功率開關(guān)器件的主要性能要求是功率損耗小，這就是要求通態(tài)壓降小以降低通態(tài)損耗；開關(guān)時間短以降低開關(guān)損耗。
下面以IGBT為例來進行說明。IGBT有穿通型IGBT(PT-IGBT)和非穿通型IGBT(NPT-IGBT)。早期制造的IGBT都是穿通型的(參見1982 IEDM Tech.Dig.，pp.264-247，IEEE Transaction on Power Electronics，vo1.PE-2，No.3，PP.194～207)。它是在均勻摻雜的厚數(shù)百μm的p+襯底上外延n+緩沖層和n-基區(qū)，再于n-層表面區(qū)制作所需的復(fù)雜的正面結(jié)構(gòu)而成。耐高壓的IGBT需要n-區(qū)很厚。1000 V耐壓的器件需約100多μm。厚層外延的技術(shù)難度大，制造成本高。于是，八十年代末出現(xiàn)了NPT-IGBT(參見1989PESC Record 1，PP.21-25；1996 ISPSD，PP.331-334和PP.164-172)，它是在均勻摻雜的厚數(shù)百μm的n-單晶襯底上先制造復(fù)雜的正面結(jié)構(gòu)，然后再從襯底片背面用研磨、腐蝕法減薄到耐壓所需的n-區(qū)厚度后，再用離子注入來形成p+背發(fā)射區(qū)。它不需要厚層外延，適合于制造高壓IGBT。但是，從降低功率損耗方面看，PT型和NPT型IGBT都有重大不足。PT-IGBT具有較小的通態(tài)壓降，但開關(guān)時間相當(dāng)長；恰恰相反，NPT-IGBT具有較短的開關(guān)時間，但通態(tài)壓降相當(dāng)大。長期以來，技術(shù)界追求的一個目標(biāo)是發(fā)明一種技術(shù)可制造出通態(tài)壓降如PT-IGBT那樣小，同時開關(guān)時間又如NPT-IBGT那樣小的IGBT。PT-IGBT的通態(tài)壓降小是由于10～20μm外延n+緩沖層的存在使得制造同樣耐壓的器件可選用較薄的n-基區(qū)，而NPT采用的是均勻摻雜的n-單晶襯底作基片，難以制造出n+緩沖層；NPT-IGBT的開關(guān)時間短是由于離子注入形成的背p+發(fā)射區(qū)厚度很薄而且摻雜濃度低使背發(fā)射結(jié)注入效率低，電子流成分大，電子可從背pU區(qū)流出，而PT-IGBT卻是以均勻重?fù)诫s的厚p+發(fā)射區(qū)為襯底，注入效率高，電子流很小。對于PT-IGBT采用厚而重?fù)诫s背發(fā)射區(qū)是不能避免的，因為p+背發(fā)射區(qū)是制造時的襯底，若厚度薄則易碎片；同時背發(fā)射區(qū)是集電極電流通過的路徑，摻雜濃度低會使電阻太大。為了得到通態(tài)壓降小而又開關(guān)時間短的IGBT，一種有效的途徑是在IGBT結(jié)構(gòu)中同時采用n+緩沖層和薄而低摻雜的背p+發(fā)射區(qū)。1995年出現(xiàn)了一種這種結(jié)構(gòu)的IGBT(見U.S.Patent No.5668385)。它在均勻摻雜n-襯底片的一面制造所需復(fù)雜的正面結(jié)構(gòu)，另一面用高溫擴散法依次制造30μm以上的n+緩沖層和深1.2μm以上的背p+發(fā)射區(qū)。然而，正如發(fā)明人所稱，這種結(jié)構(gòu)只適用于高耐壓IGBT(例如4.5KV)。這是因為襯底片兩面的加工都有高溫長時間處理過程，必須有足夠厚的n-襯底片才能不碎片(4.5KV耐壓時n-區(qū)約400μm)。而2KV以下的中低壓IGBT的n-區(qū)只有約100～200μm左右，經(jīng)不住多次高溫處理。而從需要看，大量的IGBT都是耐壓2KV以下的。因此，這一專利給出的結(jié)構(gòu)并未真正解決長期追求解決的制造低損耗IGBT這一問題。2000年終于出現(xiàn)了一種可以用于制造耐壓2KV以下的同時具有n+緩沖層和超薄低摻雜p+背發(fā)射區(qū)的IGBT的制造技術(shù)(見2000年ISPSD，PP.355～358)，所制造器件耐壓1300V，n-區(qū)厚110μm。它是在厚的均勻摻雜n-型襯底的一面先制造需用高溫長時間加工的正面結(jié)構(gòu)，然后從片子背面減薄至所需厚度后再制造n+緩沖層和p+背發(fā)射區(qū)，都是用離子注入法，不需要高溫長時間熱處理。由于減薄后的片子不再經(jīng)長時間高溫處理，100μm厚的片子也不至于碎片(碎片問題的解決見1997 ISPSD，PP.361～364)。但是，這種IGBT中的n+緩沖層厚度太薄，不可能大于1μm。這是因為在制作n+緩沖層時n-襯底另一面的IGBT正面結(jié)構(gòu)已經(jīng)制成，其源區(qū)結(jié)深是亞微米的，如果緩沖層退火溫度高時間長會使MOSFET中各pn結(jié)結(jié)深改變而改變了MOSFET的特性；尤其是厚度為100μm左右的硅片經(jīng)高溫長時間熱退火很容易碎片。如此薄的n+緩沖層作為耐高壓器件n-區(qū)強電場的終止層，用于實際制造是不可行的。因為高壓時在緩沖層中不能留下足夠厚的無電場區(qū)，其漏電流必然很大、擊穿電壓也是軟特性。此外不可避免的背面加工損傷和難免的晶體缺陷就會造成終止層阻止強場能力的失效，導(dǎo)致器件性能變壞。作者自己在文中指出，其漏電流和擊穿電壓不易保證。所以，這種IGBT在實際上是不能作為產(chǎn)品付諸生產(chǎn)的。也就是說，直到目前為止，雖然經(jīng)過技術(shù)界長期努力，但對于耐壓2KV以內(nèi)的占用途需求絕大部分的IGBT，進一步降低功率損耗(即制造出的產(chǎn)品既具有小的通態(tài)壓降又具有短的開關(guān)時間)的制造技術(shù)問題還未真正解決。對于晶閘管，MCT也存在著完全相同的問題。
本發(fā)明的目的是為了提供一種低功耗的耐壓2KV以內(nèi)的IGBT及其制造方法，這種IGBT同時具有PT-IGBT通態(tài)壓降小的特點和NPT-IGBT開關(guān)時間短的特點，其制造方法能得到合適厚度和濃度的電場終止層和背發(fā)射區(qū)，適于實際生產(chǎn)。本發(fā)明的技術(shù)同樣適用于半導(dǎo)體晶閘管和MCT。
本發(fā)明的低功耗半導(dǎo)體功率開關(guān)器件(包括低功耗IGBT、MCT和晶閘管)由N型基區(qū)、背p+發(fā)射區(qū)和通用的包含陰極、柵極等在內(nèi)的正面結(jié)構(gòu)區(qū)組成，其特征在于離子注入形成的超薄、低雜質(zhì)濃度的背p+發(fā)射區(qū)與包含單側(cè)殘留N型擴散層的雜質(zhì)非均勻分布的N型基區(qū)的結(jié)合。因此本發(fā)明是由一個包含N型雜質(zhì)擴散殘留層的雜質(zhì)濃度從一面向另一面逐漸降低的非均勻摻雜N型基區(qū)，一個在N型基區(qū)高摻雜一側(cè)用離子注入形成的背面p+發(fā)射區(qū)和一個位于N型基區(qū)低摻雜一側(cè)表面區(qū)的包含陰極、柵極等的通用正面結(jié)構(gòu)區(qū)等三個區(qū)域組成。
本發(fā)明的低功耗半導(dǎo)體功率開關(guān)器件中，其中背面p+發(fā)射區(qū)的厚度在0.2～1.0μm范圍內(nèi)，注入劑量在1×1011至1×1013cm-2范圍內(nèi)，例如根據(jù)所需通態(tài)壓降不同可把厚度和劑量值分別取為0.2、0.4、0.6、0.8μm等和1×1011、5×1011、1×1012、5×1012、1×1013cm-2等值。前述的N型基區(qū)中的雜質(zhì)分布為從p+發(fā)射區(qū)界面處開始逐漸降低，到達殘留擴散層邊界后基本維持一個恒定值直至正面結(jié)構(gòu)區(qū)，N型基區(qū)中所包含的殘留N型擴散層的寬度為5～50μm之間，根據(jù)器件耐壓高低不同而不同，例如可取5、10、15、25、30、35μm等值。N型基區(qū)中殘留擴散層中與p+區(qū)交界處的濃度在1×1014至1×1017cm-3的范圍。N型基區(qū)的厚度根據(jù)耐壓不同而不同，耐壓1000V器件約為100μm，耐壓2000 V器件約為200μm，其中正面結(jié)構(gòu)區(qū)的具體結(jié)構(gòu)是IGBT、MCT或晶閘管的通用的正面結(jié)構(gòu)，包括平面型的和凹槽型的都適用，本發(fā)明對此無特殊要求。
本發(fā)明低功耗半導(dǎo)體功率開關(guān)器件的制造方法依下列步驟進行第一步、制造帶有殘留擴散層的非均勻雜質(zhì)濃度雜質(zhì)分布的N型襯底，其中在本工序中非均勻摻雜N型基區(qū)中靠近p+區(qū)一邊的殘留擴散層是在本工序晶片減薄之前的制造過程的本工序的第一步完成的。在均勻摻雜的N型半導(dǎo)體基片的雙面同時擴散高濃度的N型雜質(zhì)形成雙面擴散層，從一面用研磨、拋光等通用方法去除一側(cè)的擴散層并繼續(xù)把基片減薄到耐壓所需的厚度，這就制成了具有單側(cè)擴散層的濃度從一側(cè)表面起逐漸降低的非均勻摻雜N型襯底；第二步、在襯底片的低濃度雜質(zhì)的一側(cè)用離子注入、高溫擴散等通用方法制造IGBT(晶閘管、MCT)的通用的正面結(jié)構(gòu)；第三步、用通用的研磨、拋光等方法從襯底高濃度一側(cè)減薄襯底使殘留的擴散層減少到所需厚度；第四步、在襯底的殘留擴散層的表面區(qū)用離子注入法形成所需厚度的p+背發(fā)射區(qū)，控制注入劑量使IGBT的開關(guān)時間盡可能減小而通態(tài)壓降又不超過允許的值；第五步，在背p+區(qū)表面沉積背面金屬化系統(tǒng)，并進行合金。襯底減薄之后，即在第三步完成后，從第四步開始只有低溫加工過程。襯底減薄后低溫加工的條件是溫度低于600℃。
本發(fā)明的技術(shù)方案完成了其目的的要求，使本發(fā)明器件能同時具有通態(tài)壓降小和開關(guān)時間短的特點。這是由于在器件處于導(dǎo)通狀態(tài)時，因N型基區(qū)中的殘留的預(yù)擴散層的雜質(zhì)濃度高，在高壓時起到低摻雜N型區(qū)中強電場的終止作用，可使同樣耐壓下低摻雜區(qū)厚度取得比無此終止層時更薄，所以通態(tài)壓降比NPT-IGBT小，這一高濃度緩變的殘留預(yù)擴散層的作用和PT-IGBT中均勻摻雜n+緩沖層的作用相同，所以其通態(tài)壓降應(yīng)當(dāng)與PT-IGBT同樣低。對耐壓2000 V的器件終止層取為大約25～50μm就夠了，如果太厚會造成通態(tài)壓降高，如果太薄會使電場終止作用不足，造成擊穿電壓降低，反向漏電大。另一方面，本發(fā)明的結(jié)構(gòu)中包含濃度在1μm以內(nèi)的淺而低摻雜的背發(fā)射區(qū)，可使背發(fā)射結(jié)的電子流比PT-IGBT中大得多，因而在關(guān)斷時存儲在N型基區(qū)中的過剩電子很容易從背發(fā)射區(qū)流出，從而減短關(guān)斷時間，這種背面發(fā)射區(qū)結(jié)構(gòu)與NPT-IGBT中背發(fā)射區(qū)結(jié)構(gòu)相同，其開關(guān)時間應(yīng)當(dāng)與NPT-IGBT同樣短。
本發(fā)明除前述特點外，還可適于實際生產(chǎn)，這有賴于所采用的制造方法。理由為耐壓2000V以內(nèi)的具有n+電場終止層的IGBT、MCT和晶閘管的N型基區(qū)只有大約不足200μm，高溫長時間熱處理將會碎片，所以背景文件U.S.Patent NO.566385的雙面高溫擴散結(jié)構(gòu)和制造方法不能使用于本發(fā)明器件的制造。本發(fā)明的器件可以用本發(fā)明的制造方法來實現(xiàn)。在本發(fā)明的制造方法中第一步制造出的襯底片厚度為N型基區(qū)與未減薄前原有n+擴散層之和，只要擴散層足夠深，襯底片厚度就足夠厚。長時間擴散可使擴散層達到200μm以上，則相應(yīng)的襯底片厚度可達到大約接近300μm至400μm以上。在這樣厚的襯底片上進行第二步的制造IGBT的復(fù)雜的正面結(jié)構(gòu)，雖然有多次高溫長時間熱處理過程也不會碎片。在經(jīng)過第三步把基片的背面擴散層減薄到耐壓所需厚度以后，雖然晶片只剩大約100μm～200μm的厚度，但其后第三、第四步的離子注入(可以不退火)和制造背面金屬化系統(tǒng)等均不需像擴散和驅(qū)入那樣長時間高溫過程，適當(dāng)?shù)募庸し椒ㄊ峭耆梢圆凰槠?不碎片技術(shù)參見1997 ISPSD PP.361-364)。
下面將通過低功耗IGBT的具體實施例和附圖對本發(fā)明加以說明

圖1表示本發(fā)明IGBT的基本結(jié)構(gòu)圖2表示本發(fā)明IGBT的制造過程圖1表示的本發(fā)明IGBT的結(jié)構(gòu)，從A至E為非均勻摻雜N型襯底，總厚度300μm以上，其中從A至D為雜質(zhì)濃度逐漸降低的擴散層，在制成器件過程中A至B的部分已經(jīng)去掉。4區(qū)為N型基區(qū)中恒定雜質(zhì)濃度區(qū)，厚度由耐壓決定，3區(qū)為N型基區(qū)中由殘留擴散層構(gòu)成的雜質(zhì)濃度高于4區(qū)的電場終止層，其厚度約為5-50μm，2區(qū)為由離子注入形成的背p+發(fā)射區(qū)，其厚度小于1μm，注入劑量1×1011至1×1013cm-2，1為背面陽極金屬化系統(tǒng)層，5至11為通用的IGBT正面結(jié)構(gòu)，5為p+集電區(qū)，6為p阱，7為柵氧層，8為柵電極，9為電極間絕緣層，10為陰極電極，11為n+源區(qū)。這里作為例子畫出的是常見的平面型正面結(jié)構(gòu)，其他類型的IGBT有不同的正面結(jié)構(gòu)，如也可以是槽柵結(jié)構(gòu)。在圖1的結(jié)構(gòu)中，4區(qū)是耐壓層，在高壓下其中存在著強電場，3區(qū)的作用是利用其高雜質(zhì)濃度將強電場迅速減小而終止，并留下一定厚度的基本上無場區(qū)以減小漏電流和保證擊穿電壓的硬特性。但3區(qū)過厚會增長開關(guān)時間和增加通態(tài)壓降。由于3區(qū)的作用可使IGBT中電場強度分布由NPT型中的三角形分布改變?yōu)榻菪畏植?，因而可用比NPT-IGBT更薄的4區(qū)達到同樣的耐壓，4區(qū)厚度的減小可以減小通態(tài)壓降，達到與PT-IGBT基本相同的低通態(tài)壓降。離子注入形成的背p+發(fā)射區(qū)2具有比PT-IGBT p+背發(fā)射區(qū)更薄的厚度和更低的摻雜濃度，所以通過2區(qū)流出的電子流比較大，可使導(dǎo)通時存儲在4、3區(qū)中的大量電子迅速流出(空穴從5區(qū)流出)，因而開關(guān)時間比PT-IGBT短，因本結(jié)構(gòu)與NPT-IGBT的背發(fā)射區(qū)結(jié)構(gòu)相同，而且具有更薄的4區(qū)，其中存儲的電荷總量更少，開關(guān)時間可以達到與NPT-IGBT同樣短甚至更短。
在圖1中保留1、2、3、4區(qū)不變，把5至11區(qū)更換為MCT的正面結(jié)構(gòu)或晶閘管的正面結(jié)構(gòu)，就得到通態(tài)壓降小同時開關(guān)時間也短的低功耗MCT和低功耗晶閘管。從圖1中可看出該器件制造方法是首先用擴散法制成有單面擴散層的非均勻攙雜的N型襯底(A至E)，再在襯底低攙雜表面進行帶有長時間高溫過程的正面結(jié)構(gòu)(5至11)的制造，然后將襯底從背面減薄去掉多余的擴散層(A至B)留下必需的擴散層(B至D)，最后用離子注入法制造背p+發(fā)射區(qū)(2)。圖1中的側(cè)面曲線圖表示n型基區(qū)雜質(zhì)濃度分布。
圖2所示的IGBT制造方法中，(a)圖表示原始N型單晶片，厚度大于后面將進行的雙面擴散的深度的2倍與圖1中4區(qū)的厚度之和，電阻率由所需耐壓決定；(b)圖表示經(jīng)過雙面N型擴散之后的情況，其中12為擴散層，13為原始N型單晶層；擴散深度的決定是要求12區(qū)與13區(qū)厚度之和大于約300μm，以保證以后多次高溫長時間加工過程中不碎片；(c)圖表示經(jīng)研磨、拋光去除單面擴散層后的非均勻雜質(zhì)分布的襯底片，其中12為擴散層，13為單晶層；(d)圖表示在襯底片的正面(即原始單晶層的表面)經(jīng)許多復(fù)雜高溫過程制成14區(qū)所示的IGBT正面結(jié)構(gòu)后的情況，12、13區(qū)含義同(c)圖，14區(qū)詳細構(gòu)造如圖1中5-11區(qū)所示；(e)圖表示從襯底片的背面(正面層的面)用研磨、腐蝕等常用方法把晶片減薄后的情況，留下的擴散層的厚度略厚于前述的殘留擴散層3，15與3的厚度之差為背離子注入?yún)^(qū)的厚度；(f)圖為用離子注入法在殘留擴散層表面形成p+背發(fā)射區(qū)2后的情況，注入后可以不退火。2區(qū)厚度小于1μm，注入劑量按所需通態(tài)壓降和開關(guān)時間調(diào)整，一般在1×1011至1×1013cm-2(g)圖為用常用方法(蒸發(fā)、濺射等)制造背面陽極金屬化系統(tǒng)層1并經(jīng)過合金處理的管芯。合金溫度600℃以下。至此本發(fā)明的IGBT管芯制造完成。
制造本發(fā)明的MCT或晶閘管時，只要把圖2中14區(qū)的結(jié)構(gòu)制造成所要的MCT和晶閘管的正面結(jié)構(gòu)，保持和其他部分結(jié)構(gòu)不變和制造過程不變即可。
權(quán)利要求
1.一種低功耗半導(dǎo)體功率開關(guān)器件，由N型基區(qū)、背p+發(fā)射區(qū)和通用的包含陰極、柵極等在內(nèi)的正面結(jié)構(gòu)區(qū)組成，其特征在于離子注入形成的超薄、低雜質(zhì)濃度的背p+發(fā)射區(qū)與包含單側(cè)殘留N型擴散層的雜質(zhì)非均勻分布的N型基區(qū)的結(jié)合。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種低功耗半導(dǎo)體功率開關(guān)器件，其特征在于，背p+發(fā)射區(qū)的厚度在0.2～1μm之間。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種低功耗半導(dǎo)體功率開關(guān)器件，其特征在于，背p+發(fā)射區(qū)的離子注入劑量在1×1011cm-2至1×1013cm-2之間。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種低功耗半導(dǎo)體功率開關(guān)器件，其特征在于，N型基區(qū)中所包含的殘留N型擴散層的寬度為5～50μm之間。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種低功耗半導(dǎo)體功率開關(guān)器件，其特征在于，N型基區(qū)中殘留擴散層中與p+區(qū)交界處的濃度在1×1014至1×1017cm-3的范圍內(nèi)。
6.一種低功耗半導(dǎo)體功率開關(guān)器件的制造方法，其特征在于制造方法依下列步驟進行第一步制造帶有殘留擴散層的非均勻雜質(zhì)濃度分布的N型襯底，其中在本工序中非均勻摻雜N型基區(qū)中靠近p+區(qū)一邊的殘留擴散層是在本工序晶片減薄之前的制造過程的本工序的第一步完成的；第二步在襯底片的低雜質(zhì)濃度的一側(cè)用離子注入、高溫擴散等通用方法制造IGBT(晶閘管、MCT)的通用的正面結(jié)構(gòu)；第三步，用通用的研磨、拋光等方法從襯底高濃度一側(cè)減薄襯底使殘留的擴散層減少到所需厚度；第四步，在襯底的殘留擴散層的表面區(qū)用離子注入法形成所需厚度的p+背發(fā)射區(qū)；第五步，在背p+區(qū)表面沉積背面金屬化系統(tǒng)，并進行合金，襯底減薄之后，即在第三步完成后，從第四步開始只有低溫加工過程。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種低功耗半導(dǎo)體功率開關(guān)器件的制造方法，其特征在于，襯底減薄后低溫加工的條件是溫度低于600℃。
全文摘要
一種低功耗半導(dǎo)體功率開關(guān)器件及其制造方法,提供低功耗的耐壓在2KV以內(nèi)的IGBT、MCT和晶閘管。特征是,離子注入形成的超薄、低雜質(zhì)濃度的背p
文檔編號H01L29/739GK1296292SQ00135808
公開日2001年5月23日 申請日期2000年12月21日 優(yōu)先權(quán)日2000年12月21日
發(fā)明者亢寶位 申請人:北京工業(yè)大學(xué)