專利名稱：一種igbt集電極結構及其制備方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種電子元件的結構，尤其是一種IGBT集電極結構。
背景技術：
IGBT :絕緣柵型雙極晶體管的首字母簡稱，一種壓控型功率器件，作為高壓開關被普遍應用。通常按照電場在漂移區(qū)內耗盡情況，分為穿通型和非穿通型，后隨工藝發(fā)展又出現場截止型。如圖1所示，為非穿通型(NPT)器件，其芯片設計厚度較厚，導致器件的飽和導通壓降Vce (sat)較高，而且在器件關斷時，存在載流子復合過程，關斷時間較長，器件的動、靜態(tài)性能都較差。如圖2所示，為場截止型(FS)器件，由于在芯片設計中引入N+緩沖層(圖2中的附圖標記601所示)來截止電場，芯片設計厚度較薄，器件的Vce(sat)及開關性能均要優(yōu)于NPT器件。目前由于其綜合性能較好，場截止型IGBT正在逐步替代傳統NPT 型IGBT。但是傳統的場截止型IGBT也有一些弱點，比如抗短路能力要比NPT型器件差，Vce (sat)雖然也是正溫度系數，但是不如NPT型器件優(yōu)異，不太適用于并聯應用。
發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是補充現有技術中存在的不足，提供一種IGBT的集電極結構，對于傳統的場截止型IGBT的集電極結構進行了改進。采用了本結構的IGBT，一方面保留了普通FS型器件的優(yōu)點，器件的動靜態(tài)性能很好。同時，由于背面N+型緩沖層是凹凸分布，可以通過控制注入效率，進一步優(yōu)化器件的動靜態(tài)性能，另外，該設計可以提高器件的抗短路能力，改善Vce(sat)與溫度的關系，使Vce (sat)為較強烈的正溫度系數，更適用于并聯應用。本發(fā)明采用的技術方案是
一種IGBT的集電極結構，包括N-型基區(qū)，還包括在N-型基區(qū)的背面形成的N+型緩沖層和P+型集電極層，所述N+型緩沖層的表面包括陣列式的島狀凸起部以及島狀凸起部之間的凹下部；P+型集電極層位于N+型緩沖層的島狀凸起部以及島狀凸起部之間的凹下部的表層。所述N+型緩沖層的陣列式的島狀凸起部和島狀凸起部之間的凹下部的面積比例能夠根據IGBT器件的需要而調節(jié)設定。一種IGBT的集電極結構的制備方法，包括以下步驟，
(a)首先根據設計目標選取合適的襯底材料，作為N-型基區(qū)的材料；將未減薄的N-型硅圓片作為襯底材料；
(b)將襯底材料減薄至需要的厚度，得到N-型基區(qū)；隨后使用雙擴散工藝，在N-型基區(qū)的兩面各生長一層N+型層，得到正面N+型層和背面的N+型層；
(c)接著對正面N+型層進行保護，對背面的N+型層進行刻蝕，使得背面的N+型層呈現陣列式的島狀凸起部以及島狀凸起部之間的凹下部，成為N+型緩沖層；
(d)然后，對背面結構進行保護，進行正面結構的生成步驟，在此步驟中，先生成氧化層和多晶硅柵極，然后在正面N+型層上進行P+阱區(qū)的P型離子注入及N+源區(qū)的N型離子注入，并進行退火，形成P+阱區(qū)及N+源區(qū)，隨后完成正面的金屬化及鈍化工作；
(e)最后，對正面結構進行保護，對背面的N+型緩沖層進行P型離子注入，通過激光退火或者低溫退火，在背面的N+型緩沖層的表層形成一層P+型集電極層。本發(fā)明的優(yōu)點1.背面的N+型緩沖層可以承受很強的耐壓，可以用于超高壓IGBT的電場截止層，或者降低同樣耐壓器件的厚度，提升綜合性能。2.可以通過控制N+型緩沖層的陣列式的島狀凸起部和島狀凸起部之間的凹下部的面積比例，有效的控制器件的注入效率，從而來優(yōu)化調節(jié)器件的動靜態(tài)性能。3.器件的抗短路能力較好，同時也更適合于并聯應用。
圖1為非穿通型IGBT結構圖。圖2為場截止型IGBT結構圖。圖3為本發(fā)明的襯底材料示意圖。圖4為本發(fā)明的正面N+型層和背面的N+型層示意圖。圖5為本發(fā)明的N+型緩沖層示意圖。圖6為本發(fā)明的IGBT正面結構示意圖。圖7為本發(fā)明的IGBT正面結構和背面的P+型集電極層示意圖。圖8為本發(fā)明的IGBT背面的P+型集電極層示意圖。
具體實施例方式下面結合具體附圖和實施例對本發(fā)明作進一步說明。如圖7、圖8所示
一種IGBT的集電極結構，包括N-型基區(qū)5，還包括在N-型基區(qū)5的背面形成的N+型緩沖層6和P+型集電極層7，所述N+型緩沖層6的表面包括陣列式的島狀凸起部以及島狀凸起部之間的凹下部；P+型集電極層7位于N+型緩沖層6的島狀凸起部以及島狀凸起部之間的凹下部的表層。所述N+型緩沖層6的陣列式的島狀凸起部和島狀凸起部之間的凹下部的面積比例能夠根據IGBT器件的需要而調節(jié)設定。通常IGBT器件的制備包括正面工藝和背面工藝，然后在N-型基區(qū)上形成IGBT正面結構和IGBT背面結構(主要是指IGBT集電極結構)。本發(fā)明的IGBT正面結構和傳統的場截止型IGBT相同，本發(fā)明主要對IGBT集電極結構(IGBT背面結構)做了改進，以改善傳統的場截止型IGBT的性能。如圖7所示，IGBT正面結構包括發(fā)射極金屬層1、氧化層2、多晶硅柵極3、正面N+型層4、N+源區(qū)8、P+阱區(qū)9。IGBT背面結構包含在N-型基區(qū)5的背面形成的N+型緩沖層6和P+型集電極層7。本發(fā)明的N+型緩沖層6和P+型集電極層7的形狀經過優(yōu)化改進設計。下面結合圖3至圖8說明本IGBT的集電極結構的制備方法。(a)首先根據設計目標選取合適的襯底材料，作為N-型基區(qū)5的材料；如圖3所示，將未減薄的N-型硅圓片作為襯底材料；(b)將襯底材料減薄至需要的厚度，得到N-型基區(qū)5;如圖4所示，隨后使用雙擴散工藝，在N-型基區(qū)5的兩面各生長一層N+型層，得到正面N+型層4和背面的N+型層；
(c)如圖5所示，接著對正面N+型層4進行保護，對背面的N+型層進行刻蝕，使得背面的N+型層呈現陣列式的島狀凸起部以及島狀凸起部之間的凹下部，成為N+型緩沖層6 ；
(d)然后，如圖6所示，對背面結構進行保護，進行正面結構的生成步驟，在此步驟中，先生成氧化層2和多晶硅柵極3，然后在正面N+型層4上進行P+阱區(qū)的P型離子注入及N+源區(qū)的N型離子注入，并進行退火，形成P+阱區(qū)9及N+源區(qū)8，隨后完成正面的金屬化及鈍化工作；
(e)最后，如圖7所示，對正面結構進行保護，對背面的N+型緩沖層6進行P型離子注入，通過激光退火或者低溫退火，在背面的N+型緩沖層6的表層形成一層P+型集電極層7。所述P+型集電極層7為一薄層。最后形成的IGBT集電極結構如圖7和圖8所示。 本方法中，對背面的N+型緩沖層6的形貌進行了控制，可以通過調整N+型緩沖層6的陣列式的島狀凸起部和島狀凸起部之間的凹下部的面積比例，來有效的調整P+型集電極層7的P型離子注入效率，來優(yōu)化器件的動靜態(tài)性能。背面的N+型緩沖層6可以承受很強的耐壓，可以用于超高壓IGBT的電場截止層，或者降低同樣耐壓器件的厚度，提升綜合性能。N-型基區(qū)5兩面的N+型層，可以在所有工藝大部分工藝開始之前進行加工，可以有效的控制N+型層的厚度、濃度，更加容易設計，實現。采用了本結構的IGBT，一方面保留了普通FS型器件的優(yōu)點，器件的動靜態(tài)性能很好。同時，由于背面的N+型緩沖層6是凹凸分布，可以通過控制注入效率，進一步優(yōu)化器件的動靜態(tài)性能，另外，該設計可以提高器件的抗短路能力較好，改善Vce (sat)與溫度的關系，使Vce (sat)為較強烈的正溫度系數，更適用于并聯應用。
權利要求
1.一種IGBT的集電極結構，包括N-型基區(qū)(5)，其特征在于還包括在N-型基區(qū)(5) 的背面形成的N+型緩沖層(6)和P+型集電極層(7)，所述N+型緩沖層￠)的表面包括陣列式的島狀凸起部以及島狀凸起部之間的凹下部；P+型集電極層(7)位于N+型緩沖層(6) 的島狀凸起部以及島狀凸起部之間的凹下部的表層。
2.如權利要求1所述的IGBT的集電極結構，其特征在于所述N+型緩沖層(6)的陣列式的島狀凸起部和島狀凸起部之間的凹下部的面積比例能夠根據IGBT器件的需要而調節(jié)設定。
3.—種IGBT的集電極結構的制備方法，其特征在于包括以下步驟，(a)首先根據設計目標選取合適的襯底材料，作為N-型基區(qū)(5)的材料；將未減薄的 N-型硅圓片作為襯底材料；(b)將襯底材料減薄至需要的厚度，得到N-型基區(qū)(5);隨后使用雙擴散工藝，在N-型基區(qū)(5)的兩面各生長一層N+型層，得到正面N+型層⑷和背面的N+型層；(c)接著對正面N+型層(4)進行保護，對背面的N+型層進行刻蝕，使得背面的N+型層呈現陣列式的島狀凸起部以及島狀凸起部之間的凹下部，成為N+型緩沖層(6)；(d)然后，對背面結構進行保護，進行正面結構的生成步驟，在此步驟中，先生成氧化層(2)和多晶硅柵極(3)，然后在正面N+型層(4)上進行P+阱區(qū)的P型離子注入及N+源區(qū)的N型離子注入，并進行退火，形成P+阱區(qū)(9)及N+源區(qū)(8)，隨后完成正面的金屬化及鈍化工作；(e)最后，對正面結構進行保護，對背面的N+型緩沖層(6)進行P型離子注入，通過激光退火或者低溫退火，在背面的N+型緩沖層￠)的表層形成一層P+型集電極層(7)。
全文摘要
本發(fā)明提供一種IGBT的集電極結構，包括N-型基區(qū)，還包括在N-型基區(qū)的背面形成的N+型緩沖層和P+型集電極層，所述N+型緩沖層的表面包括陣列式的島狀凸起部以及島狀凸起部之間的凹下部；P+型集電極層位于N+型緩沖層的島狀凸起部以及島狀凸起部之間的凹下部的表層。所述N+型緩沖層的陣列式的島狀凸起部和島狀凸起部之間的凹下部的面積比例能夠根據IGBT器件的需要而調節(jié)設定。本發(fā)明還提出一種所述IGBT集電極結構的制備方法。本發(fā)明用于改善場截止型IGBT的性能。
文檔編號H01L29/417GK103022099SQ201310008968
公開日2013年4月3日 申請日期2013年1月10日 優(yōu)先權日2013年1月10日
發(fā)明者陳宏 , 朱陽軍, 盧爍今, 吳凱 申請人:江蘇物聯網研究發(fā)展中心, 中國科學院微電子研究所, 江蘇中科君芯科技有限公司