本發(fā)明涉及半導(dǎo)體功率器件領(lǐng)域,特別是涉及一種場(chǎng)截止型(field?stop,fs)絕緣柵雙極型晶體管(insulated?gate?bipolar?transistor,igbt)器件;本發(fā)明還涉及一種fs-igbt器件及其制造方法。
背景技術(shù):
1、igbt器件是由金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(mosfet)與雙極型三極管(bjt)復(fù)合而成的一種電壓驅(qū)動(dòng)型器件。mosfet輸入阻抗高、開(kāi)關(guān)速度快,但載流子密度低,導(dǎo)通電阻高;bjt電流密度大、導(dǎo)通壓降低,但驅(qū)動(dòng)電流大;igbt綜合了兩者的優(yōu)點(diǎn),既具有驅(qū)動(dòng)損耗低、開(kāi)關(guān)速度快的特點(diǎn),也具有導(dǎo)通壓降低的優(yōu)勢(shì),因此廣泛應(yīng)用于家電、光伏、工業(yè)控制、新能源汽車、軌道交通等中高壓領(lǐng)域。
2、fs-igbt器件具有場(chǎng)阻層即場(chǎng)截止層和透明陽(yáng)極結(jié)構(gòu),場(chǎng)阻層可以適當(dāng)減小漂移區(qū)的厚度,加快器件的開(kāi)關(guān)速度,同時(shí)降低導(dǎo)通損耗;透明陽(yáng)極結(jié)構(gòu)調(diào)控了集電區(qū)的注入效率,使igbt器件的導(dǎo)通損耗和開(kāi)關(guān)速度獲得了良好的折中。
3、fs-igbt器件的集電區(qū)側(cè)具有pn結(jié)二極管結(jié)構(gòu)。在器件導(dǎo)通時(shí),器件正面的溝道開(kāi)啟,電子從發(fā)射區(qū)注入到漂移區(qū);同時(shí)集電區(qū)側(cè)的pn結(jié)開(kāi)啟,大量空穴從集電區(qū)注入到漂移區(qū),于是在漂移區(qū)積累了大量的載流子,形成電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)。這極大減小了igbt的導(dǎo)通電阻,并進(jìn)而降低其導(dǎo)通損耗。
4、現(xiàn)有技術(shù)中,在si基器件中,igbt器件形成于硅襯底上,由于si的禁帶寬度約為1.12ev,硅基的pn結(jié)二極管的開(kāi)啟電壓為0.7v,幾乎達(dá)到現(xiàn)有igbt導(dǎo)通壓降的一半。這意味著50%的igbt導(dǎo)通損耗是由集電區(qū)側(cè)pn結(jié)二極管造成的。所以,如果能對(duì)集電區(qū)的結(jié)構(gòu)做進(jìn)一步改進(jìn)以降低集電區(qū)側(cè)pn結(jié)二極管的開(kāi)啟電壓,則會(huì)大大降低器件的導(dǎo)通損耗。
5、如圖1所示,是現(xiàn)有fs-igbt器件的結(jié)構(gòu)示意圖;現(xiàn)有fs-igbt器件通常采用n型器件,以n型器件為例,現(xiàn)有fs-igbt器件包括:
6、漂移區(qū)103,由形成于硅襯底表面的n型輕摻雜區(qū)組成。
7、p型摻雜的阱區(qū)105,形成于所述漂移區(qū)103表面。
8、柵極結(jié)構(gòu),包括依次疊加的柵氧化層104和多晶硅柵106。圖1中,所述柵極結(jié)構(gòu)為溝槽柵,所述柵氧化層104形成于柵極溝槽的內(nèi)側(cè)表面,所述多晶硅柵106填充在所述柵極溝槽中,所述柵極溝槽縱向穿過(guò)所述阱區(qū)105,被所述柵極結(jié)構(gòu)側(cè)面覆蓋的所述阱區(qū)105表面作為所述溝道區(qū)。所述柵極結(jié)構(gòu)也能采用平面柵。
9、n型重?fù)诫s的發(fā)射區(qū)107,形成于所述阱區(qū)105的表面且和所述柵極結(jié)構(gòu)自對(duì)準(zhǔn)。
10、在所述漂移區(qū)103的背面形成有n型摻雜的場(chǎng)截止層102,場(chǎng)截止層102通常采用背面注入形成,所述場(chǎng)截止層102的摻雜濃度大于所述漂移區(qū)103的摻雜濃度。
11、在場(chǎng)截止層102的背面形成有p型重?fù)诫s的集電區(qū)101。
12、所述集電區(qū)101的頂部表面和所述場(chǎng)截止層102的底部表面相接觸并形成背面pn結(jié)。
13、背面pn結(jié)的開(kāi)啟電壓主要由硅材料的禁帶寬度決定,硅的禁帶寬度約為1.12ev,所述背面pn結(jié)的開(kāi)啟電壓約為0.7v。
14、正面金屬層109圖形化后形成柵極和發(fā)射極。圖1中僅顯示了發(fā)射極,由所述正面金屬層109組成的柵極并不在圖1的剖面中,故未顯示。所述柵極會(huì)和底部的所述多晶硅柵106連接,所述發(fā)射極則會(huì)和底部的所述發(fā)射區(qū)107連接。在所述阱區(qū)105的表面還形成有阱接觸區(qū)108,所述阱接觸區(qū)108為第二導(dǎo)電類型重?fù)诫s,所述發(fā)射極也和所述阱接觸區(qū)108連接。
15、在所述集電區(qū)101的背面形成有由背面金屬層110組成的集電極。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種fs-igbt器件,能對(duì)集電區(qū)的材料進(jìn)行改進(jìn),從而降低背面pn結(jié)的開(kāi)啟電壓,并進(jìn)而降低整個(gè)器件的導(dǎo)通壓降以及導(dǎo)通損耗。為此,本發(fā)明還提供一種fs-igbt器件的制造方法。
2、為解決上述技術(shù)問(wèn)題,本發(fā)明提供的fs-igbt器件包括:
3、漂移區(qū),由形成于半導(dǎo)體襯底表面的第一導(dǎo)電類型輕摻雜區(qū)組成。
4、第二導(dǎo)電類型摻雜的阱區(qū),形成于所述漂移區(qū)表面。
5、柵極結(jié)構(gòu),包括依次疊加的柵介質(zhì)層和柵極導(dǎo)電材料層。
6、第一導(dǎo)電類型重?fù)诫s的發(fā)射區(qū),形成于所述阱區(qū)的表面且和所述柵極結(jié)構(gòu)自對(duì)準(zhǔn);位于所述發(fā)射區(qū)和所述漂移區(qū)之間的所述阱區(qū)表面作為溝道區(qū)且被所述柵極結(jié)構(gòu)所覆蓋。
7、形成在所述漂移區(qū)的背面的第一導(dǎo)電類型摻雜的第一外延層,所述漂移區(qū)的背面的所述半導(dǎo)體襯底被減薄去除,所述第一外延層的頂部表面和所述漂移區(qū)的底部表面直接接觸,所述第一外延層的材料和所述半導(dǎo)體襯底的材料相同,所述第一外延層的摻雜濃度大于所述漂移區(qū)的摻雜濃度。
8、形成于所述第一外延層的背面的第二半導(dǎo)體材料層,所述第二半導(dǎo)體材料層的禁帶寬度低于所述半導(dǎo)體襯底的禁帶寬度。
9、第二導(dǎo)電類型重?fù)诫s的集電區(qū),所述集電區(qū)的頂部表面和所述第二半導(dǎo)體材料層的頂部表面相平或者位于所述第二半導(dǎo)體材料層的頂部表面之下;由所述集電區(qū)的頂部表面之上的所述第一外延層或者所述第一外延層加所述第二半導(dǎo)體材料層組成場(chǎng)截止層,所述場(chǎng)截止層的摻雜雜質(zhì)由所述第一外延層的第一導(dǎo)電類型摻雜的雜質(zhì)擴(kuò)散形成。
10、所述集電區(qū)的頂部表面和所述場(chǎng)截止層的底部表面相接觸并形成背面pn結(jié),所述背面pn結(jié)的界面位于所述第二半導(dǎo)體材料層內(nèi)部或者所述背面pn結(jié)的內(nèi)建空間電荷區(qū)的部分或全部位于所述第二半導(dǎo)體材料層內(nèi)部,所述背面pn結(jié)的開(kāi)啟電壓由所述第二半導(dǎo)體材料層確定并利用所述第二半導(dǎo)體材料層的禁帶寬度更低的特點(diǎn)來(lái)降低所述背面pn結(jié)的開(kāi)啟電壓。
11、進(jìn)一步的改進(jìn)是,所述半導(dǎo)體襯底的材料包括si。
12、進(jìn)一步的改進(jìn)是,所述第二半導(dǎo)體材料層的材料包括ge,gesi。
13、進(jìn)一步的改進(jìn)是,所述第二半導(dǎo)體材料層采用形成于所述半導(dǎo)體襯底背面的沉積層。
14、或者,當(dāng)所述半導(dǎo)體襯底的材料為si以及所述第二半導(dǎo)體材料層的材料為gesi時(shí),所述第二半導(dǎo)體材料層采用通過(guò)背面ge注入到si中形成的gesi層。
15、進(jìn)一步的改進(jìn)是,所述第二半導(dǎo)體材料層經(jīng)歷過(guò)退火處理,所述場(chǎng)截止層和所述集電區(qū)經(jīng)歷過(guò)背面激光退火處理。
16、所述第二半導(dǎo)體材料層的退火采用爐管退火或者所述背面激光退火。
17、進(jìn)一步的改進(jìn)是,所述集電區(qū)的摻雜雜質(zhì)為第二導(dǎo)電類型重?fù)诫s的背面注入雜質(zhì)或者所述第二半導(dǎo)體材料層在位摻雜雜質(zhì);
18、所述集電區(qū)的底部表面和所述第二半導(dǎo)體材料層的底部表面相平;
19、所述集電區(qū)的結(jié)深小于0.5μm;
20、所述第二半導(dǎo)體材料層的厚度大于所述集電區(qū)的結(jié)深且所述第二半導(dǎo)體材料層的厚度為0.3μm~1μm。
21、進(jìn)一步的改進(jìn)是,所述柵極結(jié)構(gòu)為溝槽柵,所述柵介質(zhì)層形成于柵極溝槽的內(nèi)側(cè)表面,所述柵極導(dǎo)電材料層填充在所述柵極溝槽中,所述柵極溝槽縱向穿過(guò)所述阱區(qū),被所述柵極結(jié)構(gòu)側(cè)面覆蓋的所述阱區(qū)表面作為所述溝道區(qū);
22、或者,所述柵極結(jié)構(gòu)為平面柵,所述柵介質(zhì)層覆蓋在所述阱區(qū)的頂部表面上并延伸到和所述阱區(qū)相鄰的所述漂移區(qū)的頂部表面上,所述柵極導(dǎo)電材料層疊加在所述柵介質(zhì)層的頂部表面上,被所述柵極結(jié)構(gòu)從所述阱區(qū)的頂部側(cè)面覆蓋的所述阱區(qū)表面作為所述溝道區(qū)。
23、進(jìn)一步的改進(jìn)是,所述第一外延層的厚度為5μm~15μm,摻雜濃度為1e15cm-3~1e17cm-3。
24、為解決上述技術(shù)問(wèn)題,本發(fā)明提供的fs-igbt器件的制造方法包括如下步驟:
25、步驟一、完成正面工藝以形成fs-igbt器件的正面工藝結(jié)構(gòu)。
26、所述fs-igbt器件的正面工藝結(jié)構(gòu)包括:
27、漂移區(qū),由形成于半導(dǎo)體襯底表面的第一導(dǎo)電類型輕摻雜區(qū)組成。
28、第二導(dǎo)電類型摻雜的阱區(qū),形成于所述漂移區(qū)表面。
29、柵極結(jié)構(gòu),包括依次疊加的柵介質(zhì)層和柵極導(dǎo)電材料層。
30、第一導(dǎo)電類型重?fù)诫s的發(fā)射區(qū),形成于所述阱區(qū)的表面且和所述柵極結(jié)構(gòu)自對(duì)準(zhǔn);位于所述發(fā)射區(qū)和所述漂移區(qū)之間的所述阱區(qū)表面作為溝道區(qū)且被所述柵極結(jié)構(gòu)所覆蓋。
31、步驟二、對(duì)所述半導(dǎo)體襯底進(jìn)行背面減薄,所述背面減薄將所述漂移區(qū)的背面的所述半導(dǎo)體襯底都去除。
32、步驟三、采用外延生長(zhǎng)工藝在所述漂移區(qū)的背面形成第一導(dǎo)電類型摻雜的第一外延層,所述第一外延層的頂部表面和所述漂移區(qū)的底部表面直接接觸,所述第一外延層的材料和所述半導(dǎo)體襯底的材料相同,所述第一外延層的摻雜濃度大于所述漂移區(qū)的摻雜濃度。
33、步驟四、在減薄后的所述半導(dǎo)體襯底的背面形成第二半導(dǎo)體材料層;所述第二半導(dǎo)體材料層的禁帶寬度低于所述半導(dǎo)體襯底的禁帶寬度。
34、步驟五、形成第二導(dǎo)電類型重?fù)诫s的集電區(qū),所述集電區(qū)的頂部表面和所述第二半導(dǎo)體材料層的頂部表面相平或者位于所述第二半導(dǎo)體材料層的頂部表面之下。
35、由所述集電區(qū)的頂部表面之上的所述第一外延層或者所述第一外延層加所述第二半導(dǎo)體材料層組成場(chǎng)截止層,所述場(chǎng)截止層的摻雜雜質(zhì)由所述第一外延層的第一導(dǎo)電類型摻雜的雜質(zhì)擴(kuò)散形成。
36、所述集電區(qū)的頂部表面和所述場(chǎng)截止層的底部表面相接觸并形成背面pn結(jié),所述背面pn結(jié)的界面位于所述第二半導(dǎo)體材料層內(nèi)部或者所述背面pn結(jié)的內(nèi)建空間電荷區(qū)的部分或全部位于所述第二半導(dǎo)體材料層內(nèi)部,所述背面pn結(jié)的開(kāi)啟電壓由所述第二半導(dǎo)體材料層確定并利用所述第二半導(dǎo)體材料層的禁帶寬度更低的特點(diǎn)來(lái)降低所述背面pn結(jié)的開(kāi)啟電壓。
37、進(jìn)一步的改進(jìn)是,所述半導(dǎo)體襯底的材料包括si。
38、進(jìn)一步的改進(jìn)是,所述第二半導(dǎo)體材料層的材料包括ge,gesi。
39、進(jìn)一步的改進(jìn)是,步驟三中,采用沉積工藝在減薄后的所述半導(dǎo)體襯底的背面形成所述第二半導(dǎo)體材料層。
40、或者,當(dāng)所述半導(dǎo)體襯底的材料為si以及所述第二半導(dǎo)體材料層的材料為gesi時(shí),步驟三中形成所述第二半導(dǎo)體材料層的工藝包括:進(jìn)行背面ge注入,所述背面ge注入的ge和所述半導(dǎo)體襯底中的si形成gesi層從而形成所述第二半導(dǎo)體材料層。
41、進(jìn)一步的改進(jìn)是,所述第二半導(dǎo)體材料層經(jīng)歷過(guò)退火處理,所述場(chǎng)截止層和所述集電區(qū)經(jīng)歷過(guò)背面激光退火處理。
42、所述第二半導(dǎo)體材料層的退火采用爐管退火或者所述背面激光退火。
43、進(jìn)一步的改進(jìn)是,當(dāng)所述第二半導(dǎo)體材料層的退火中包括所述爐管退火時(shí),所述第二半導(dǎo)體材料層的爐管退火放置在步驟三之后以及步驟四和步驟五之前進(jìn)行。
44、所述背面激光退火在步驟四和步驟五完成之后進(jìn)行。
45、步驟四和步驟五順序能互換。
46、進(jìn)一步的改進(jìn)是,步驟五中,采用第二導(dǎo)電類型重?fù)诫s的背面離子注入形成所述集電區(qū)。
47、或者,當(dāng)步驟三中采用沉積工藝形成所述第二半導(dǎo)體材料層時(shí),省略步驟五,在步驟三中,對(duì)所述第二半導(dǎo)體材料層進(jìn)行在位摻雜,由所述第二半導(dǎo)體材料層在位摻雜雜質(zhì)作為所述集電區(qū)的摻雜雜質(zhì)。
48、所述集電區(qū)的底部表面和所述第二半導(dǎo)體材料層的底部表面相平。
49、所述集電區(qū)的結(jié)深小于0.5μm。
50、所述第二半導(dǎo)體材料層的厚度大于所述集電區(qū)的結(jié)深且所述第二半導(dǎo)體材料層的厚度為0.3μm~1μm。
51、進(jìn)一步的改進(jìn)是,所述柵極結(jié)構(gòu)為溝槽柵,所述柵介質(zhì)層形成于柵極溝槽的內(nèi)側(cè)表面,所述柵極導(dǎo)電材料層填充在所述柵極溝槽中,所述柵極溝槽縱向穿過(guò)所述阱區(qū),被所述柵極結(jié)構(gòu)側(cè)面覆蓋的所述阱區(qū)表面作為所述溝道區(qū)。
52、或者,所述柵極結(jié)構(gòu)為平面柵,所述柵介質(zhì)層覆蓋在所述阱區(qū)的頂部表面上并延伸到和所述阱區(qū)相鄰的所述漂移區(qū)的頂部表面上,所述柵極導(dǎo)電材料層疊加在所述柵介質(zhì)層的頂部表面上,被所述柵極結(jié)構(gòu)從所述阱區(qū)的頂部側(cè)面覆蓋的所述阱區(qū)表面作為所述溝道區(qū)。
53、進(jìn)一步的改進(jìn)是,所述第一外延層的厚度為5μm~15μm,摻雜濃度為1e15cm-3~1e17cm-3。
54、和現(xiàn)有技術(shù)中,fs-igbt器件的集電區(qū)直接在減薄后的半導(dǎo)體襯底背面進(jìn)行注入形成不同,本發(fā)明在半導(dǎo)體襯底背面減薄后,增加了在半導(dǎo)體襯底背面形成禁帶寬度更低的第二半導(dǎo)體材料層,在具有第二半導(dǎo)體材料層的基礎(chǔ)上形成集電區(qū)且降低集電區(qū)的頂部表面設(shè)置為第二半導(dǎo)體材料層的頂部表面以下,能使得集電區(qū)和集電區(qū)頂部的場(chǎng)截止層之間形成的背面pn結(jié)的界面位于第二半導(dǎo)體材料層內(nèi)部以及內(nèi)建空間電荷區(qū)的部分或全部位于第二半導(dǎo)體材料層內(nèi)部,所以,本發(fā)明的背面pn結(jié)的開(kāi)啟電壓會(huì)由第二半導(dǎo)體材料層確定,而現(xiàn)有fs-igbt器件中背面pn結(jié)的開(kāi)啟電壓則是由半導(dǎo)體襯底的材料確定;由于組成pn結(jié)的材料的禁帶寬度越低pn結(jié)的開(kāi)啟電壓會(huì)越低,故本發(fā)明能實(shí)現(xiàn)背面pn結(jié)的組成材料的禁帶寬度降低,從而降低背面pn結(jié)的開(kāi)啟電壓,也即本發(fā)明利用第二半導(dǎo)體材料層的禁帶寬度更低的特點(diǎn)來(lái)降低背面pn結(jié)的開(kāi)啟電壓??傊?,本發(fā)明能對(duì)集電區(qū)的材料進(jìn)行改進(jìn),使集電區(qū)位于禁帶寬度比半導(dǎo)體襯底更低的第二半導(dǎo)體材料層內(nèi)部,從而能降低背面pn結(jié)的開(kāi)啟電壓,并進(jìn)而降低整個(gè)器件的導(dǎo)通壓降以及導(dǎo)通損耗。
55、另外,本發(fā)明的場(chǎng)截止層主要采用背面外延形成的第一外延層形成,外延工藝最后能對(duì)場(chǎng)截止層的厚度和摻雜濃度以及雜質(zhì)分布做更精確的控制,從而能進(jìn)一步改善器件的性能。