专利名称：一种绝缘栅双极型晶体管及其制造方法
技术领域：
本发明涉及半导体功率器件及制造领域，尤其是涉及一种绝缘栅双极型晶体管及 其制造方法。
背景技术：
绝缘栅双极型晶体管(InsulatedGate Bipolar Transistor,以下简称 IGBT)是 一种集金属氧化物半导体场效应管(MOSFET)的栅电极电压控制特性和双极结型晶体管 (BJT)的低导通电阻特性于一身的半导体功率器件，具有电压控制、输入阻抗大、驱动功率 小、导通电阻小、开关损耗低及工作频率高等特性，是比较理想的半导体功率开关器件，有 着广阔的发展和应用前景。一般来说，可以把IGBT分为穿通型(PT-IGBT)和非穿通型(NPT-IGBT)两种结构。 穿通型绝缘栅双极型晶体管一般是在均勻掺杂的厚度为数百微米的P+衬底上外延生长N+ 缓冲层和N-基区，然后再于N-层上制作所需的通用正面结构而形成。由于耐压高的IGBT 需要很厚的N-基区，如1000V以上耐压的IGBT所需的N-基区厚度在IOOum以上，使用的 厚层外延的技术难度很大，而且制造的成本很高。于是又出现了非穿通型的绝缘栅双极型 晶体管，它是在均勻掺杂的厚度为数百微米的N-单晶衬底上先制作正面结构，然后再对衬 底片背面采用研磨、腐蚀等方法减薄N-基区到耐压所需的厚度，再用离子注入的方法形成 背P+发射区。它不需要厚层外延，适合制造高耐压的IGBT，但由于没有N+缓冲层，因此达 到相同的耐压所需的N-基区要比PT-IGBT更厚，因而其通态压降也比PT-IGBT要大。而且 对于制造耐压在1000 2000V左右的IGBT来说，其N-基区的厚度在100多微米，在这很 薄的薄片上加工，其难度相当大，且碎片比率非常高。中国专利申请00135808. 1公开了一种IGBT新的结构，如图1所示。其中包括发射 极10、背？+发射区11、N+缓冲层12、N-基区13、栅氧化层14、栅电极15、N+集电区16、集 电极17以及P型基区18。其制造方法是先用高温扩散在N-衬底片两端进行N+的深结扩 散，然后磨去一边的扩散层，在其上做正面结构，之后再研磨背面，保留扩散层到所需的厚 度作为N+缓冲层，然后在这个残留N+缓冲层上做离子注入形成背P+发射区。此种结构的 IGBT同时具有PT-IGBT通态压降小的特点和NPT-IGBT开关时间短的特点。此发明对IGBT 的背面结构及其制作方法进行了创新，与ABB公司提出的软穿通IGBT (SPT-IGBT)是结构相 似，可以有效降低器件功耗，但是对于正面结构依然以传统方法制作进行，并未提出新的结 构。从IGBT的正面结构来看，可以把绝缘栅双极型晶体管分为平面栅型和沟槽栅型 两种结构。在平面型结构中，由于存在着寄生的JFETCJunctionField Effect Transistor 结型场效应晶体管)，而产生JFET电阻，其导通状态下的电压降要比沟槽型要大，相应的电 流能力也比沟槽栅型低。为减轻JFET电阻对导通压降的影响，通常的办法是提高正面表面 区域的掺杂浓度，电阻率下降，JFET电阻也相应会下降，制造方法是在制作平面型IGBT的 通用正面结构之前在表面先做一次整体或局部的离子注入，再通过扩散达到一定深度，使表面区域掺杂浓度上升，这样在制作正面结构的过程中就需要增加一次光刻工序，即光刻、 刻蚀、注入和扩散工艺需各做一次，对于一般只有4 6次光刻工序的通用正面结构制造而 言，增加一次光刻工序其生产成本必然会上升。
发明内容
本发明提供了一种绝缘栅双极型晶体管，解决了传统结构寄生JFET电阻而使得 导通压降升高的问题。—种绝缘栅双极型晶体管，包括N型基区、P型基区、背P+发射区、N+集电区、栅氧 化层、集电极、栅电极和发射极，所述的N型基区由依次层叠的N+扩散残留层、N-基区和N+ 缓冲层组成，所述的N+扩散残留层和N+缓冲层从与N-基区的边界起始向外掺杂浓度逐渐 增加。所述的N-基区为掺杂浓度恒定区，其厚度和掺杂浓度由耐压决定，耐压与厚度 正相关，与掺杂浓度负相关，如耐压在1700V，厚度可以为180 200um，掺杂浓度可以为 4X IO1W3 IXlO14 cm—3。所述的N+缓冲层太厚会使导通压降升高，太薄则电场中止作用不足，会使耐压降 低，优选为10 40um。所述的N+缓冲层与背P+发射区交界面的掺杂浓度与N+缓冲层厚 度负相关，优选为5X IO14 cm_3 lX1018cm_3。由于缓冲层的存在可以使N-基区23在达到 相同耐压时更薄，因此导通压降也会更低。所述的N+扩散残留层厚度小，表面的掺杂浓度就比较低，减小JFET电阻的效果 就弱，若N+扩散残留层较厚，表面的掺杂浓度较高，减小JFET电阻的效果就强，但是会引 起耐压的急剧降低，因此N+扩散残留层厚度的厚度优选为3 15um，它表面的掺杂浓度为 8 X IO13CnT3 lX1015cnT3。所述的背P+发射区厚度优选为0. 2 0. Sum,所述的背P+发射区的掺杂浓度优选 为 5 X IO16CnT3 5 X IO19CnT3。本发明还提供了一种绝缘栅双极型晶体管的制备方法，包括(1)在N型单晶硅两侧通过高温扩散分别形成第一扩散区和第二扩散区；(2)分别对第一扩散区和第二扩散区进行研磨减薄、抛光形成N+扩散残留层和N+ 缓冲层；(3)在N+扩散残留层上形成P型基区、N+集电区、栅氧化层、集电极、栅电极；(4)在N+缓冲层上生成背P+发射区，背P+发射区氧化形成发射极。本发明绝缘栅双极型晶体管在N-基区正面设置N+扩散残留层，提高了 N型正面 的杂质离子掺杂浓度，降低了 JEFT电阻的影响，从而有效降低IGBT的导通状态下的电压 降。本发明绝缘栅双极型晶体管N+扩散残留层通过高温扩散、研磨减薄和抛光形成， 不需要经离子注入和光刻，制造成本可降低10 20%。
图1为现有IGBT的剖面结构示意图；图2为本发明IGBT的剖面结构示意图3为本发明IGBT制造过程示意各结构剖面图；其中，图3a为原始N-型硅片的 剖面图；图3b为图3a所示硅片高温扩散形成两扩散区后的剖面图；图3c为图2b所示硅 片正面扩散区经加工后的剖面图；图3d为图3c所示硅片形成IGBT正面结构后的剖面图； 图3e为图3d所示硅片背面扩散区加工后的结构示意图；图3f为图3e所示硅片背面注入 离子形成背P+发射区的剖面图；图3g为图3f所示硅片背P+发射区背面金属化形成发射 极后剖面图。
具体实施例方式如图2所示，一种绝缘栅双极型晶体管，包括N型基区、P型基区28、背P+发射区 21、N+集电区26、栅氧化层24、集电极27、栅电极25和发射极20，其中N基区由N+扩散残 留层29、N-基区23和N+缓冲层22依次层叠组成，该绝缘栅双极型晶体管制造过程如图3 所示，具体如下如图3a所示的N型单晶衬底30，其掺杂浓度为6 X 1013cm_3，厚度为500um，根据耐 压需要，可调整掺杂浓度至4X IO13 1 X 1014cm_3。如图3b所示，N型单晶衬底经高温扩散 后形成依次层叠的第一 N+扩散区32、N-基区23和第二 N+扩散区31，其中N-基区23厚 度为190um，根据耐压要求可调整到180 200um。如图3c所示，第一 N+扩散区32经研磨和抛光后形成N+扩散残留层29，该层厚度 为6um，表面掺杂浓度为3X1014cm_3，N+扩散残留层29厚度越小，表面掺杂浓度越低，减小 JFET电阻效果越弱；厚度越大，掺杂浓度越大，减小JFET电阻效果越好，但会引起耐压的急 剧降低，一般厚度选择3 15um，表面掺杂浓度为8 X IO13 IX 1015cm_3。减薄后衬底厚度 不低于300um，可保证后期加工不易碎片。如图3d所示，在N+扩散残留层29上先通过P+光刻刻蚀、离子注入、扩散等工艺 步骤形成P型基区28，然后在表面氧化形成栅氧化层24，接着在栅氧化层上淀积多晶硅形 成栅电极25，再通过N+集电区光刻，离子注入，扩散等步骤形成N+集电区26，最后再通过 光刻、刻蚀之后在N+集电区上淀积金属形成集电极27，这样IGBT的正面结构就形成了。如图3e、3f和3g所示，第二 N+扩散区31经背面研磨和抛光后注入硼，形成N+ 缓冲层22和背P+发射区21，其中N+缓冲层22厚度为30um，它与背P+发射区21分界处 的掺杂浓度为lX1016cm_3，根据需要可以将厚度调整到10 40um，分界处的掺杂浓度为 5 X IO14 1 X 1018Cm_3，背P+发射区21的掺杂浓度为3. 5 X IO1W,厚度为0. 4um,根据IGBT 的结构不同，厚度可以为0. 2 0. 8um，掺杂浓度为5 X IO16CnT3 5X 1019cnT3。背P+发射 区21背面金属化形成发射极20。对以上面实施例工艺制作方法所做的平面型IGBT器件作仿真，以T0-247封装的 尺寸大小来确定IGBT器件面积的大小，获得的导通压降为2. 39V，集电极电流为46A ；而不 使用扩散残留层，但其它结构参数相同时，在相同的耐压条件下，得到的导通压降为2. 53V， 集电极电流为37A。从比较可以看出，导通压降有所降低，从而使集电极电流有了大幅度的 提升，有效地改善了器件的性能。
权利要求
一种绝缘栅双极型晶体管，包括N型基区、P型基区、背P+发射区、N+集电区、栅氧化层、集电极、栅电极和发射极，其特征在于所述的N型基区由依次层叠的N+扩散残留层、N 基区和N+缓冲层组成，所述的N+扩散残留层和N+缓冲层从与N 基区的边界起始向外掺杂浓度逐渐增加。
2.根据权利要求1所述的绝缘栅双极型晶体管，其特征在于所述的N+扩散残留层的 厚度为3 15um。
3.根据权利要求1所述的绝缘栅双极型晶体管，其特征在于所述的N+扩散残留层表 面的掺杂浓度为8 X 1013cm_3 1 X 1015cm_3。
4.根据权利要求1所述的平面型绝缘栅双极型晶体管，其特征在于所述的N+缓冲层 厚度为10 40um。
5.根据权利要求1所述的平面型绝缘栅双极型晶体管，其特征在于所述的N+缓冲层 与背P+发射区交界面的掺杂浓度为5 X IO14CnT3 1 X IO18Cm-30
6.根据权利要求1所述的平面型绝缘栅双极型晶体管，其特征在于所述的N-基区厚 度为180 200um。
7.根据权利要求1所述的平面型绝缘栅双极型晶体管，其特征在于所述的N-基区的 掺杂浓度为4 X IO1W3 1 X IO14CnT3。
8.根据权利要求1所述的平面型绝缘栅双极型晶体管，其特征在于所述的背P+发射 区厚度为0. 2 0. 8um。
9.根据权利要求1所述的平面型绝缘栅双极型晶体管，其特征在于所述的背P+发射 区的掺杂浓度为5 X 1016cm_3 5 X 1019cm_3。
10.根据权利要求1所述的绝缘栅双极型晶体管的制备方法，包括(1)在N型单晶硅两侧通过高温扩散分别形成第一N+扩散区和第二 N+扩散区；(2)分别对第一N+扩散区和第二 N+扩散区进行加工形成N+扩散残留层和N+缓冲层；(3)在N+扩散残留层上形成P型基区、N+集电区、栅氧化层、集电极、栅电极；(4)在N+缓冲层上注入离子形成背P+发射区，背P+发射区氧化形成发射极。全文摘要
本发明公开了一种绝缘栅双极型晶体管及其制备方法，该IGBT包括N型基区、P型基区、背P+发射区、N+集电区、栅氧化层、集电极、栅电极和发射极，所述的N型基区由依次层叠的N+扩散残留层、N-基区和N+缓冲层组成，所述的N+扩散残留层和N+缓冲层从与N-基区的边界起始向外掺杂浓度逐渐增加。本发明绝缘栅双极型晶体管在N-基区正面设置N+扩散残留层，提高了N型正面的离子掺杂浓度，降低了JEFT电阻的影响，从而有效降低IGBT的导通状态下的电压降。
文档编号H01L29/739GK101976683SQ201010290339
公开日2011年2月16日 申请日期2010年9月25日 优先权日2010年9月25日
发明者张世峰, 张斌, 朱大中, 胡佳贤, 韩雁 申请人:浙江大学