一种IGBT器件及其制备方法与流程

本发明涉及半导体器件制备技术领域，特别是涉及一种IGBT器件及其制备方法。

背景技术：

目前IGBT普遍使用体硅材料，在芯片关断、导通时面临耐压、导通压降与片厚的折衷，开关速度与少子寿命的问题。如果要提高IGBT芯片的耐压，就需要增加IGBT芯片的厚度。而随着IGBT芯片厚度的增加，导通压降会随着提高，少子寿命变长，开关速度会慢，同时IGBT芯片的功耗答复上升，产生的热量能力变得越强，散热性能变得更差，器件的最大功率快速下降。反之，IGBT芯片厚度的减少，导通压降随着减低，少子的寿命变短，开关速度变快，但是IGBT芯片的耐压变得更差，施加在IGBT芯片上的最大电压下降较快，IGBT芯片所能通过的最大电流也会受到限制，因此IGBT芯片的最大功率也会变小，同样也不利于IGBT芯片的大功率化。

综上可知，目前的IGBT芯片，在芯片关断、导通时面临耐压、导通压降与片厚的折衷，以及开关速度与少子寿命的问题，只能在耐压与导通压降和开关速度之间获得单方面的特性，在获得高功率方面也受到了很大的阻力。因此，如何有效的解决目前IGBT面临的折衷导通压降，阻断耐压，开关损耗折衷是本领域技术人员需要解决的问题。

技术实现要素：

本发明的目的是提供了一种IGBT器件及其制备方法，有效的解决目前IGBT面临的折衷导通压降，阻断耐压，开关损耗折衷关系的问题。

为解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种IGBT器件的制备方法，包括：

步骤1，在IGBT器件主体完成正面工艺后，对所述IGBT器件主体的背面进行减薄操作；

步骤2，对所述IGBT器件主体的背面体区生长外延化合物层；

步骤3，在所述外延化合物层上生长硅层；

步骤4，在所述硅层上进行背面金属层淀积并进行退火；

步骤5，在所述背面金属层上依次淀积镍金属电极层、钛金属电极层和银金属电极层。

其中，所述对所述IGBT器件主体的背面进行减薄操作，包括：

对所述IGBT器件主体的背面进行减薄，保留所述IGBT器件主体的背面的厚度为50μm～100μm。

其中，所述外延化合物层为100μm～500μm的SiC层或100μm～500μm的GaN层。

其中，所述在所述硅层上进行背面金属层淀积并进行退火，包括：

在所述硅层上背面淀积0.1μm～2μm的铝层，进行铝硅合金退火。

除此之外，本发明实施例还提供了一种IGBT器件，包括在IGBT器件主体的背面依次向外设置的体硅层、外延化合物层、外延硅层和金属电极层。

其中，所述外延化合物层为100μm～500μm的SiC层或100μm～500μm的GaN层。

其中，所述外延硅层的厚度为10μm～50μm。

其中，所述金属电极层为镍金属电极层、钛金属电极层和银金属电极层。

其中，还包括设置在所述外延硅层和所述金属电极层之间的厚度为0.1μm～2μm的铝层。

本发明实施例所提供的IGBT器件及其制备方法，与现有技术相比，具有以下优点：

本发明实施例提供的IGBT器件的制备方法，包括：

步骤1，在IGBT器件主体完成正面工艺后，对所述IGBT器件主体的背面进行减薄操作；

步骤2，对所述IGBT器件主体的背面体区生长外延化合物层；

步骤3，在所述外延化合物层上生长硅层；

步骤4，在所述硅层上进行背面金属层淀积并进行退火；

步骤5，在所述背面金属层上依次淀积镍金属电极层、钛金属电极层和银金属电极层。

本发明实施例提供的IGBT器件，包括在IGBT器件主体的背面依次向外设置的体硅层、外延化合物层、外延硅层和金属电极层。

所述IGBT器件及其制备方法，通过IGBT器件主体的背面体区生长外延化合物层，使得IGBT器件的体硅区与外延化合物层形成异质结，体区引入外延化合物层，其高电子迁移率及少子寿命较短都可以有效的减少器件拖尾电流，实现快速开关。化合物半导体的高击穿场强可以有效降低同等电压等级的器件厚度提高IGBT芯片的耐压，降低芯片厚度，并在关断过程中可以快速复合过剩载流子，从而提高器件的导通与关断性能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的IGBT器件的制备方法的一种具体实施方式的步骤流程示意图；

图2为本发明实施例提供的IGBT器件的一种具体实施方式的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参考图1，图1为本发明实施例提供的IGBT器件的制备方法的一种具体实施方式的步骤流程示意图。

在一种具体实施方式中，所述IGBT器件的制备方法，包括：

步骤1，在IGBT器件主体完成正面工艺后，对所述IGBT器件主体的背面进行减薄操作；

步骤2，对所述IGBT器件主体的背面体区生长外延化合物层；

步骤3，在所述外延化合物层上生长硅层；

步骤4，在所述硅层上进行背面金属层淀积并进行退火；

步骤5，在所述背面金属层上依次淀积镍金属电极层、钛金属电极层和银金属电极层。

通过在IGBT器件主体的背面体区生长外延化合物层，使得IGBT器件的体硅区与外延化合物层形成异质结，体区引入外延化合物层，其高电子迁移率及少子寿命较短都可以有效的减少器件拖尾电流，实现快速开关。化合物半导体的高击穿场强可以有效降低同等电压等级的器件厚度提高IGBT芯片的耐压，降低IGBT芯片厚度，并在关断过程中可以快速复合过剩载流子，从而提高器件的导通与关断性能。

在本发明中，如果不对IGBT器件主体的背面进行减薄操作，直接在IGBT器件主体的背面体区生长外延化合物层，会使得最后获得的IGBT器件的厚度非常大，导通压降非常高。在大电流情况下，产生的热量非常多，升温非常快，IGBT器件的老化速度会加快，寿命大幅缩短。同时由于导通压降非常高，在电流不变的前提下，IGBT器件消耗的功率会大幅上升。

即使直接在所述IGBT器件主体的背面体区生长外延化合物层，与体硅区形成异质结，利用其高电子迁移率及少子寿命较短的特点减少器件拖尾电流，同样也增加了IGBT器件的厚度，使得整个IGBT器件的耐压特性提升了，但是对IGBT器件整体的少子寿命的减少很难确定，器件的开关特性不一定提高，器件的功率特性也不会得到改善。同时，IGBT器件的厚度的增加，会使得很难在原有的位置进行安装。

在本发明中一般都会对IGBT器件主体的背面进行减薄操作，是为了降低最终IGBT芯片的厚度，降低IGBT芯片的导通压降，提高IGBT器件的功率特性。

在一种具体实施方式中，所述对所述IGBT器件主体的背面进行减薄操作，包括：

对所述IGBT器件主体的背面进行减薄，保留所述IGBT器件主体的背面的厚度为100μm。

需要指出的是，在本发明中，一般减薄过程中保留的IGBT器件主体的背面的厚度为50μm～100μm，这个厚度还可以根据实际的需求进行改变。

这样在能保持足够的机械强度的前提下，提升了IGBT的耐压特性，而同时降低IGBT器件的整体在同等电压下的厚度，器件的电子迁移率得到提升，少子寿命减少。可以通过的最大电流提升，也使得器件的耐高温特性，使得可以通过的IGBT芯片的不影响IGBT器件主体的体区的工作特性。

在本发明中，虽然IGBT器件主体的背面进行减薄对IGBT的耐压特性、开关特性有较大的提升，但是也不是无限制的进行减薄，否则极有可能将IGBT芯片的结构强度，造成断裂，还可能改变本身IGBT芯片的特性。

需要指出的是，本发明对如何将IGBT器件主体的背面进行减薄以及减薄到什么程度不做具体限定，这需要根据实际的需求进行参数设定。

在本发明中之所以选择生长外延化合物层，是因为其较单质的硅晶体有更好的耐压特性，高电子迁移率，耐高温等特性。能够在体区工作时，能够提供诸如高电子迁移率、耐高温、高击穿场强以及多变的能带结构等。

在一种具体的实施例中外延化合物层为SiC层或GaN层。SiC和GaN是常用的两种宽禁带化合物半导体。

其中，SiC的禁带宽度为Si的2-3倍，热导率约为Si的4.4倍，临界击穿电场约为Si的8倍，电子的饱和漂移速度为Si的2倍。SiC的这些性能使其成为高频、大功率、耐高温、抗辐照的半导体器件的优选材料。而GaN具有低的热产生率和高的击穿电场，是研制高温大功率电子器件和高频微波器件的重要材料。GaN有较宽的禁带宽度(3.4eV)，散热性能好，有利于器件在大功率条件下工作。

需要指出的是，在本发明中具体选择哪种外延化合物层及其厚度，要视实际的工艺难度的增加程度造成的成本上升和实际的开关性能、耐压性能的提升造成的IGBT器件的综合性能的提升综合考虑。

所述外延化合物层一般为100μm～500μm的SiC层，或者为100μm～500μm的GaN层。

需要指出的是，在本发明中，所述外延化合物层还可以为SiC层、GaN层之外的化合物半导体材料，只要能够为体区提供高电子迁移率、耐高温、高击穿场强，提高IGBT的关断速度，提高开关的高频特性，提高击穿电场即可。

在一种具体实施方式中，所述在所述硅层上进行背面金属层淀积并进行退火，包括：

在所述硅层上背面淀积1μm的铝层，进行铝硅合金退火。

之所以要在硅层上进行铝层的淀积，是为了形成欧姆接触，降低到通过压降，降低接触面的电阻值，减小功率消耗。

当然，在本发明铝层的厚度范围一般为0.1μm～2μm，本发明对其厚度以及铝硅合金退火的条件不做具体限定。

需要指出的是，在本发明中，一般是采用铝层作为欧姆接触层，还可以使用其它的欧姆接触层，降低接触面的电阻。

除此之外，本发明实施例还提供了一种IGBT器件，如图2所示，包括在IGBT器件主体的背面依次向外设置的体硅层1、外延化合物层11、外延硅层12和金属电极层13。

如图2为一种IGBT器件正面结构：1为体硅材料，2为有源掺杂区域，3为N阱掺杂区，4为P阱掺杂区，5为发射区，6为氧化层，7为多晶，8为欧姆接触层，9为低温氧化物，10为金属，11为外延化合物材料，12为外延硅层，13为金属电极层。

通过IGBT器件主体的背面体区生长外延化合物层11，使得IGBT器件的体硅区与外延化合物层11形成异质结，体区引入外延化合物层11，其高电子迁移率及少子寿命较短都可以有效的减少器件拖尾电流，实现快速开关。化合物半导体的高击穿场强可以有效降低同等电压等级的器件厚度提高IGBT芯片的耐压，降低芯片厚度，并在关断过程中可以快速复合过剩载流子，从而提高器件的导通与关断性能。

在本发明中之所以选择外延化合物层，是因为外延化合物层11较单晶硅的禁带宽度大，电子迁移率高，高电场击穿特性，耐高压和耐高温的特性较好。因此，在体硅层1上设置化合物半导体层有利于提升IGBT器件的整体性能。

常使用的化合物半导体为SiC和GaN，二者的禁带宽度是单晶硅的二倍以上，耐高压、特性、耐高温特性所述外延化合物层11为100μm～500μm的SiC层或100μm～500μm的GaN层。

需要指出的是，在本发明中，所述外延化合物层11除了可以使用SiC层或GaN层外，还可以使用其它的化合物半导体材料，只要能够为体区提供高电子迁移率、耐高温、高击穿场强，提高IGBT的关断速度，实现高频开关即可，提高击穿电场即可。

一般所述外延硅层的厚度为10μm～50μm，外延硅层12是用来当作集电极层。

而在集电极上通常会设置金属电极层，形成金属电极，在一种具体实施方式中，所述金属电极层13为镍金属电极层、钛金属电极层和银金属电极层。使用镍金属电极层、钛金属电极层和银金属电极层(Ti/Ni/Ag金属层)作为金属电极层，能够通过较大的电流，自身的电阻非常小，有利于提高器件的开关特性和功率特性。这样也能够降低与外延硅层之间的欧姆接触电阻，降低IGBT器件的导通压降，提高IGBT器件的功率特性。在本发明中，还可以使用其它的金属电极层，本发明对所述金属电极层的类型、厚度以及淀积方式不做具体限定。

当然，一般Ti/Ni/Ag金属层不会直接与外延硅层12接触，因为二者直接接触形成的接触电阻非常大。这样会提高导通压降，降低IGBT芯片的性能。

为此，一般先在外延硅层12上设置铝层，与外延硅层12，形成欧姆接触，这样能够降低导通压降。

因此，所述IGBT器件还包括设置在所述外延硅层12和所述金属电极层13之间的厚度为0.1μm～2μm的铝层。

通过设置铝层形成过渡，使得铝层与外延硅层12之间形成欧姆接触，降低导通压降，提高器件的功率特性。

需要指出的是，在本发明中，与外延硅层12形成欧姆接触还可以使用其它的欧姆接触层，本发明对其类型和厚度不做具体限定。

综上所述，本发明实施例提供的IGBT器件及其制备方法，通过IGBT器件主体的背面体区生长外延化合物层，使得IGBT器件的体硅区与外延化合物层形成异质结，体区引入外延化合物层，其高电子迁移率及少子寿命较短都可以有效的减少器件拖尾电流，实现快速开关。化合物半导体的高击穿场强可以有效降低同等电压等级的器件厚度提高IGBT芯片的耐压，降低芯片厚度，并在关断过程中可以快速复合过剩载流子，从而提高器件的导通与关断性能。

以上对本发明所提供的IGBT器件及其制备方法进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。