一種低通態(tài)損耗igbt及其制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于半導(dǎo)體器件技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種低通態(tài)損耗絕緣柵雙極晶體管(IGBT)及其制造方法。
【背景技術(shù)】
[0002]IGBT(絕緣柵雙極晶體管)同時(shí)具有單極性器件和雙極性器件的優(yōu)點(diǎn)，驅(qū)動(dòng)電路簡單，控制電路功耗和成本低，飽和電壓低，器件自身損耗小，是高壓大電流的主流器件之
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[0003]IGBT為三端器件，包括正面發(fā)射極，柵極及背面集電極。IGBT芯片有源區(qū)剖面圖詳見附圖1，包括正面的發(fā)射極6，柵極I和背面的集電極7。表面為MOSFET結(jié)構(gòu)，背面為背發(fā)射P+區(qū)。其中多晶，2氧化層，3P-基區(qū)，4N+發(fā)射區(qū)，5P+集電區(qū)，6發(fā)射極金屬，7集電極金屬。
[0004]IGBT的PNP區(qū)域由P-基區(qū)，N-和背發(fā)射P+區(qū)形成，非PNP區(qū)域?yàn)镮GBT的PIN區(qū)域，分布在多晶下方；背發(fā)射P+區(qū)的空穴流在P-基區(qū)被有效收集，PNP區(qū)域電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)差；而在PNP相間的區(qū)域(即PIN區(qū)域)空穴流無法被收集，電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)好，示意圖見附圖2。
[0005]研究表明IGBT的通態(tài)損耗主要由N-區(qū)電導(dǎo)調(diào)制決定，PIN區(qū)域電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)優(yōu)于PNP區(qū)域，因此可用以下方法制備低通態(tài)損耗IGBT:1)提高PNP區(qū)域電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng):在P-基區(qū)引入載流子存儲(chǔ)層，通過提高PNP區(qū)域近P-基區(qū)的空穴濃度，降低飽和電壓，降低IGBT的通態(tài)損耗。但存在IGBT高壓下漏電增大和安全工作區(qū)變差的問題。2)提高PIN區(qū)域，降低PNP區(qū)域面積:主要通過優(yōu)化元胞尺寸(Pitch)，P_基區(qū)淺結(jié)工藝，引入空(du_y)元胞等手段實(shí)現(xiàn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的是提供一種低通態(tài)損耗IGBT及其制造方法，本發(fā)明在不增加光刻層次的基礎(chǔ)上，通過改變有源區(qū)元胞圖形，在有源區(qū)引入空元胞，增加有源區(qū)PIN區(qū)域，優(yōu)化了 IGBT得電導(dǎo)調(diào)整效應(yīng)，降低了 IGBT飽和電壓，提高了 IGBT電流密度，降低了 IGBT通態(tài)損耗。
[0007]本發(fā)明的上述目的采取以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn):
[0008]一種低通態(tài)損耗IGBT，所述IGBT包括有源區(qū)、終端區(qū)和柵極區(qū)，所述有源區(qū)包括N-襯底區(qū)、柵極氧化層、多晶硅柵極、P-基區(qū)、N+發(fā)射區(qū)、P+集電區(qū)、發(fā)射極金屬及集電極金屬，所述有源區(qū)為元胞區(qū)，在所述有源區(qū)中設(shè)有空(dummy)元胞結(jié)構(gòu)。
[0009]一種所述的低通態(tài)損耗IGBT的制造方法，所述制造方法包括耐壓環(huán)層(PR)、有源區(qū)層(OD)、多晶層(PS)、接觸層(CO)、金屬層(Ml)制備、鈍化層(CB)和背面層(BK)的制備，于所述IGBT的有源區(qū)中引入空元胞結(jié)構(gòu)。
[0010]所述的低通態(tài)損耗IGBT的制造方法的第一優(yōu)選技術(shù)方案，所述空元胞結(jié)構(gòu)是通過犧牲元胞局部溝道形成的。
[0011]所述的低通態(tài)損耗IGBT的制造方法的第二優(yōu)選技術(shù)方案，所述犧牲是改變耐壓環(huán)層、場氧層、多晶層或接觸孔層中的一種或幾種。
[0012]所述的低通態(tài)損耗IGBT的制造方法的第三優(yōu)選技術(shù)方案，所述耐壓環(huán)層是改變耐壓環(huán)層圖形，增加P-基區(qū)的摻雜濃度，使溝道無法開啟。
[0013]所述的低通態(tài)損耗IGBT的制造方法的第四優(yōu)選技術(shù)方案，所述場氧層是增加場氧層圖形，使溝道電流無法引出。
[0014]所述的低通態(tài)損耗IGBT的制造方法的第五優(yōu)選技術(shù)方案，所述多晶層是改變多晶層圖形，將多晶層與柵信號(hào)隔離，形成多晶孤島，使溝道無法開啟。
[0015]所述的低通態(tài)損耗IGBT的制造方法的第六優(yōu)選技術(shù)方案，所述接觸孔層是改變接觸孔層圖形，使溝道電流無法引出。
[0016]與最接近的現(xiàn)有技術(shù)比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn):
[0017]I)本發(fā)明制造方法通過引入空元胞，使元胞區(qū)的溝道失效，提高IGBT的PIN區(qū)域面積，提高IGBT的電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，降低了飽和電壓，降低了通態(tài)損耗；
[0018]2)本發(fā)明制造方法通過引入空元胞結(jié)構(gòu)，可降低溝道寬長比，降低IGBT短路電流，提高IGBT的短路能力；
[0019]3)本發(fā)明工藝步驟簡單，不增加制造成本；
[0020]4)本發(fā)明制造方法與傳統(tǒng)IGBT制造工藝兼容，工藝易實(shí)現(xiàn)，可行性強(qiáng)；
[0021]5)本發(fā)明方法與新型IGBT結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)理念兼容，易移植，可塑性強(qiáng)。
【附圖說明】
[0022]圖1:本發(fā)明IGBT剖面圖；其中:1多晶；2氧化層；3P_基區(qū)；4N+發(fā)射區(qū)；5P+集電區(qū)；6發(fā)射極金屬；7集電極金屬。
[0023]圖2:本發(fā)明IGBT的PNP/PIN區(qū)域載流子分布
[0024]圖3:傳統(tǒng)IGBT俯視圖
[0025]圖4:本發(fā)明實(shí)施例1的IGBT俯視圖
[0026]圖5:本發(fā)明實(shí)施例2的IGBT俯視圖
[0027]圖6:本發(fā)明實(shí)施例3的IGBT俯視圖
[0028]圖7:本發(fā)明實(shí)施例4的IGBT俯視圖
【具體實(shí)施方式】
[0029]為更好地說明本發(fā)明，便于理解本發(fā)明的技術(shù)方案，本發(fā)明列出實(shí)施例如下:
[0030]實(shí)施例1
[0031]如附圖4所示，改變耐壓環(huán)層(PR)圖形，增加P-基區(qū)的摻雜濃度，使得溝道無法正常開啟，溝道失效。于IGBT有源區(qū)中引入空元胞。圖形左邊為空元胞結(jié)構(gòu)，右邊為正常元胞結(jié)構(gòu)。
[0032]制備步驟包括:
[0033]I)耐壓環(huán)層(PR)制備，包括氧化層生長，PR光刻，PR注入，PR去膠；
[0034]2)有源區(qū)層(OD)制備，包括場氧生長，OD光刻，OD腐蝕、OD去膠；
[0035]3)多晶層(PS)制備，包括柵氧生長、多晶生長、多晶摻雜，PS光刻，PS腐蝕，P阱注入、推結(jié)，N+源注入，Spacer形成、防栓鎖(latch-up)注入；
[0036]4)接觸層(CO)制備，包括介質(zhì)層沉積、CO光刻，CO腐蝕，CO去膠；
[0037]5)金屬層(Ml)制備，包括金屬層沉積、Ml光刻，Ml腐蝕，Ml去膠；
[0038]6)鈍化層(CB)制備，包括鈍化層沉積、CB光刻及刻蝕，去膠；
[0039]7)背面層(BK)制備，包括金屬沉積、刻蝕，退火；
[0040]實(shí)施例2
[0041]如附圖5所示，增加場氧層(OD)圖形，使得溝道電流無法引出，于IGBT有源區(qū)中形成空元胞結(jié)構(gòu)。圖形左邊為空元胞結(jié)構(gòu)，右邊為正常元胞結(jié)構(gòu)。
[0042]制備步驟包括:
[0043]I)有源區(qū)層(OD)制備，包括場氧生長，OD光刻，OD腐蝕、OD去膠；
[0044]2)多晶層(PS)制備，包括柵氧生長、多晶生長、多晶摻雜，PS光刻，PS腐蝕，P阱注入、推結(jié)，N+源注入，Spacer形成、防栓鎖(latch-up)注入；
[0045]3)接觸層(CO)制備，包括介質(zhì)層沉積、CO光刻，CO腐蝕，CO去膠；
[0046]4)金屬層(Ml)制備，包括金屬層沉積、Ml光刻，Ml腐蝕，Ml去膠；
[0047]6)鈍化層(CB)制備，包括鈍化層沉積、CB光刻及刻蝕，去膠；
[0048]7)背面層(BK)制備，包括金屬沉積、刻蝕，退火；
[0049]實(shí)施例3
[0050]如附圖6所示，改變多晶層(PS)圖形，將多晶層與柵信號(hào)隔離，形成多晶孤島，使得溝道無法開啟，于IGBT有源區(qū)中形成空元胞結(jié)構(gòu)。圖形左邊為空元胞結(jié)構(gòu)，右邊為正常元胞結(jié)構(gòu)。
[0051]制備步驟包括:
[0052]I)有源區(qū)層(OD)制備，包括場氧生長，OD光刻，OD腐蝕、OD去膠；
[0053]2)多晶層(PS)制備，包括柵氧生長、多晶生長、多晶摻雜，PS光刻，PS腐蝕，P阱注入、推結(jié)，N+源注入，Spacer形成、防栓鎖(latch-up)注入；
[0054]3)接觸層(CO)制備，包括介質(zhì)層沉積、CO光刻，CO腐蝕，CO去膠；
[0055]4)金屬層(Ml)制備，包括金屬層沉積、Ml光刻，Ml腐蝕，Ml去膠；
[0056]6)鈍化層(CB)制備，包括鈍化層沉積、CB光刻及刻蝕，去膠；
[0057]7)背面層(BK)制備，包括金屬沉積、刻蝕，退火；
[0058]實(shí)施例4
[0059]如附圖7所示，改變接觸孔層(CO)圖形，使得溝道電流無法引出，于IGBT有源區(qū)中形成空元胞結(jié)構(gòu)。圖形左邊為空元胞結(jié)構(gòu)，右邊為正常元胞結(jié)構(gòu)。
[0060]制備步驟包括:
[0061]I)有源區(qū)層(OD)制備，包括場氧生長，OD光刻，OD腐蝕、OD去膠；
[0062]2)多晶層(PS)制備，包括柵氧生長、多晶生長、多晶摻雜，PS光刻，PS腐蝕，P阱注入、推結(jié)，N+源注入，Spacer形成、防栓鎖(latch-up)注入；
[0063]3)接觸層(CO)制備，包括介質(zhì)層沉積、CO光刻，CO腐蝕，CO去膠；
[0064]4)金屬層(Ml)制備，包括金屬層沉積、Ml光刻，Ml腐蝕，Ml去膠；
[0065]6)鈍化層(CB)制備，包括鈍化層沉積、CB光刻及刻蝕，去膠；
[0066]7)背面層(BK)制備，包括金屬沉積、刻蝕，退火；
[0067]以上實(shí)施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非對(duì)其限制，所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，參照上述實(shí)施例可以對(duì)本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】進(jìn)行修改或者等同替換，這些未脫離本發(fā)明精神和范圍的任何修改或者等同替換均在申請待批的權(quán)利要求保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種低通態(tài)損耗IGBT，所述IGBT包括有源區(qū)、終端區(qū)和柵極區(qū)，所述有源區(qū)包括N-襯底區(qū)、柵極氧化層、多晶硅柵極、P-基區(qū)、N+發(fā)射區(qū)、P+集電區(qū)、發(fā)射極金屬及集電極金屬，所述有源區(qū)為元胞區(qū)，其特征在于，在所述有源區(qū)中設(shè)有空元胞結(jié)構(gòu)。2.一種權(quán)利要求1所述的低通態(tài)損耗IGBT的制造方法，所述制造方法包括耐壓環(huán)層(PR)、有源區(qū)層(OD)、多晶層(PS)、接觸層(CO)、金屬層(Ml)制備、鈍化層(CB)和背面層(BK)的制備，其特征在于，于所述IGBT的有源區(qū)中引入空元胞結(jié)構(gòu)。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的低通態(tài)損耗IGBT的制造方法，其特征在于，所述空元胞結(jié)構(gòu)是通過犧牲元胞局部溝道形成的。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的低通態(tài)損耗IGBT的制造方法，其特征在于，所述犧牲是改變耐壓環(huán)層、場氧層、多晶層或接觸孔層中的一種或幾種。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的低通態(tài)損耗IGBT的制造方法，其特征在于，所述耐壓環(huán)層是改變耐壓環(huán)層圖形，增加P-基區(qū)的摻雜濃度，使溝道無法開啟。6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的低通態(tài)損耗IGBT的制造方法，其特征在于，所述場氧層是增加場氧層圖形，使溝道電流無法引出。7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的低通態(tài)損耗IGBT的制造方法，其特征在于，所述多晶層是改變多晶層圖形，將多晶層與柵信號(hào)隔離，形成多晶孤島，使溝道無法開啟。8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的低通態(tài)損耗IGBT的制造方法，其特征在于，所述接觸孔層是改變接觸孔層圖形，使溝道電流無法引出。
【專利摘要】本發(fā)明提供一種低通態(tài)損耗IGBT及其制造方法，所述IGBT包括有源區(qū)、終端區(qū)和柵極區(qū)，所述有源區(qū)包括N-襯底區(qū)、柵極氧化層、多晶硅柵極、P-基區(qū)、N+發(fā)射區(qū)、P+集電區(qū)、發(fā)射極金屬及集電極金屬，所述有源區(qū)為元胞區(qū)，在所述有源區(qū)中設(shè)有空元胞結(jié)構(gòu)。所述空元胞結(jié)構(gòu)是通過犧牲元胞局部溝道形成的，所述元胞局部溝道是通過改變耐壓環(huán)層、場氧層、多晶層、接觸孔層中一種或幾種組合而犧牲的。本發(fā)明制造方法通過在有源區(qū)引入無效元胞，改變了有源區(qū)PIN/PNP區(qū)域分布，優(yōu)化IGBT元胞的電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，降低了IGBT飽和電壓，提高了IGBT電流密度，降低了IGBT通態(tài)損耗。本發(fā)明制造的IGBT芯片在大功率密度、低通態(tài)損耗應(yīng)用領(lǐng)域具有優(yōu)勢。
【IPC分類】H01L29/739, H01L29/06, H01L21/331
【公開號(hào)】CN105047706
【申請?zhí)枴緾N201510542149
【發(fā)明人】劉江, 趙哿, 高明超, 王耀華, 何延強(qiáng), 吳迪, 劉鉞楊, 喬慶楠, 李曉平, 董少華, 金銳, 溫家良
【申請人】國網(wǎng)智能電網(wǎng)研究院, 國網(wǎng)河北省電力公司, 國家電網(wǎng)公司
【公開日】2015年11月11日
【申請日】2015年8月28日