专利名称：微穿通型igbt器件及其制作方法
技术领域：
本发明涉及半导体制造技术，更具体地说，涉及一种绝缘栅双极晶体管及其制造方法。
背景技术：
绝缘栅双极晶体管(IGBT,Insulated Gate Bipolar Transistor)是新型的大功率器件，它集MOSFET栅极电压控制特性和双极型晶体管低导通电阻特性于一身，改善了器件耐压和导通电阻相互牵制的情况，具有高电压、大电流、高频率、功率集成密度高、输入阻抗大、导通电阻小、开关损耗低等优点。在变频家电、工业控制、电动及混合动力汽车、新能源、智能电网等诸多领域获得了广泛的应用空间。对于绝缘栅双极晶体管，主要包括平面型IGBT结构和沟槽型IGBT结构。如图I所示，图I中为平面型IGBT的示意图，以N型沟道为例，主要包括衬底100背面的P+集电区108 ;衬底正面的栅介质层102和栅极101 ;衬底中位于集电区108之上的N-漂移区106、漂移区106上的P阱区103、P阱区上的N+源区104 ;覆盖源区的发射极109，通常地，还在与发射极109接触的P阱103表面层中形成有P+区105，以与发射极形成良好的欧姆接触。对于沟槽型IGBT，如图2所示，以N型沟道为例，主要包括衬底200背面的P+集电区208 ;衬底中位于集电区208之上的漂移区206 ;衬底正面中位于漂移区206之上的沟槽中的栅介质层202和栅极201 ;漂移区之上的P阱区203、P阱区上的N+源区204 ;覆盖源区的发射极209，通常地，与发射极209接触的P阱203表面层中形成有P+区205，以与发射极形成良好的欧姆接触。然而，上述IGBT器件的问题在于，上述IGBT器件都是以比较厚的硅片为基础形成的，，在关断期间，电场强度在整个衬底中线性下降，最后到零，这意味着器件在导通状态下导通电阻相当大，器件的饱和压降VCE较高，通态损耗大。
发明内容
本发明实施例提供一种微穿通(MPT,Micro Punch Through)型IGBT器件,具有更低的导通电阻。为实现上述目的，本发明实施例提供了如下技术方案一种微穿通型IGBT器件，包括衬底，所述衬底具有第一导电类型的集电区、第二导电类型的漂移区、第一导电类型的阱区以及第二导电类型的源区；栅极；位于集电区与漂移区之间的第二导电类型的微穿通区，所述微穿通区的掺杂浓度高于漂移区的掺杂浓度。可选地，所述栅极位于衬底之上。可选地，所述栅极为位于衬底的沟槽中。此外，本发明还提供了上述微穿通型IGBT器件的制造方法，包括提供衬底，所述衬底具有第二导电类型的漂移区、第一导电类型的阱区以及第二导电类型的源区，以及栅极；从衬底背面将漂移区减薄，并进行离子注入及退火工艺，形成第二导电类型的微穿通区，所述微穿通区的掺杂浓度高于所述漂移区的掺杂浓度；从衬底背面进行离子注入，形成第一导电类型的集电区。可选地，所述栅极位于衬底之上。可选地，所述栅极为位于衬底的沟槽中。与现有技术相比，上述技术方案具有以下优点本发明实施例的微穿通型IGBT器件，在漂移区和集电区间形成了微穿通区，其掺杂浓度比漂移区的浓度高，使得电场在其中的分布呈斜角梯形分布，在关断期间，衬底的电场强度在微穿通区中基本降到零。因此衬底厚度可以明显减薄(可以减薄1/3左右)，这就 使得IGBT具有更低的导通电阻、饱和压降、以及更低的通态损耗。
通过附图所示，本发明的上述及其它目的、特征和优势将更加清晰。在全部附图中相同的附图标记指示相同的部分。并未刻意按实际尺寸等比例缩放绘制附图，重点在于示出本发明的主旨。图I为传统的平面型IGBT的结构示意图；图2为传统的沟槽型IGBT制造过程示意图；图3为根据本发明实施例一的微穿通型IGBT的结构示意图；图4为本发明实施例二的微穿通型IGBT的结构示意图。
具体实施例方式为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式
做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。其次，本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。正如背景技术部分所述，对于传统的IGBT器件，都是以比较厚的硅片为基础形成的，，在关断期间，电场强度在整个衬底中线性下降，最后到零，这意味着器件在导通状态下导通电阻相当大，器件的饱和压降VCE较高，通态损耗大。为此，本发明提出了一种微穿通型IGBT器件，通过在集电区与漂移区之间形成掺杂浓度高于漂移区的微穿通区，在关断期间，电场强度在衬底中下降，到微穿通区时基本降到零，电场呈斜角梯形分布，因此衬底厚度可以明显减薄，这就使得IGBT具有更低的导通电阻、饱和压降、以及更低的通态损耗。基于上述思想，本发明提出了一种微穿通型IGBT器件，包括衬底，所述衬底具有第一导电类型的集电区、第二导电类型的漂移区、第一导电类型的阱区以及第二导电类型的源区；栅极；位于集电区与漂移区之间的第二导电类型的微穿通区，所述微穿通区的掺杂浓度高于漂移区的掺杂浓度。其中，不同IGBT器件漂移区厚度不同。以上对本发明微穿通型IGBT器件的技术方案进行了描述，为了更好地理解本发明，以下将发明不同的实施例进行详细的描述，在以下实施例中，以N型沟道的IGBT器件为例进行说明，即第一导电类型 为P型，第二导电类型为η型，此处仅为示例，同样适用于P型沟道的实施例。实施例一在本实施例中，将详细描述根据本发明的平面型MPT型IGBT器件及其制造方法。参考图3所示，为本发明实施例一中的平面型MPT型IGBT器件，包括衬底300 ；300衬底背面的P+集电区308 ;衬底正面的栅介质层302和栅极301 ；衬底中位于集电区308之上的N+微穿通区307、微穿通区上的N-漂移区106、漂移区306上的P型阱区303以及P阱区上的N+源区304，微穿通区的掺杂浓度高于漂移区的掺杂浓度；覆盖源区的发射极309。优选地，还在与发射极309接触的P阱303表面层中形成有P+区305，以与发射极形成良好的欧姆接触。优选地，在源区304的下方，还形成有P+区(图未示出)，以抑制闩所效应。以上为本发明的平面型MPT IGBT器件结构，通过在集电区与漂移区之间形成掺杂浓度高于漂移区的微穿通区，在关断期间，电场强度在衬底中下降，到微穿通区时基本降到零，电场呈斜角梯形分布，因此衬底厚度可以明显减薄，这就使得IGBT具有更低的导通电阻、饱和压降、以及更低的通态损耗。此外，还能降低该发射结的注入系数，以抑制“晶闸管效应”，同时，在硬开关应用时，具有微穿通区的器件能比传统IGBT关断更快，基本没有电流拖尾，而电流拖尾造成的功耗在总开关损耗中占有不少比例，这就减少了功率损耗。需要说明的是，本申请中，衬底正面指形成有栅极的衬底表面，衬底背面指与形成栅极的表面相对的面。为了更好地理解本发明，以下将结合图3对本实施例的制造方法进行详细的描述。在步骤S01，提供衬底，所述衬底具有第二导电类型的漂移区、第一导电类型的阱区以及第二导电类型的源区，以及栅极。在一个实施例中，具体地，首先，提供衬底300，衬底为具有N轻掺杂的N-硅衬底，在其他实施例中，所述衬底还可以为包括其他半导体元素或半导体化合物的单层或多层衬。而后，通过热氧化的方法在衬底300正面上形成二氧化硅的栅介质层302。在其他实施例中，还可以通过其他合适的方法形成高k介质材料或其他材料的栅介质层。而后，在所述栅介质层上302上淀积多晶硅的栅极301，在其他实施例中，所述栅极还可以为包括金属材料或金属材料与多晶硅的组合的一层或多层结构。而后，通过多次掩膜、刻蚀、掺杂所需类型的杂质以及热扩散、淀积等工艺步骤，在栅极301—侧的衬底中形成P阱区303、N+源区304，防止闩锁效应的P+区(图未示出)以及栅极301之上的钝化层及发射极309，其中，未进行过其他掺杂的N-硅衬底即为漂移区306。在步骤S02，从衬底背面将漂移区减薄，并进行离子注入及相应的退火工艺，形成第二导电类型的微穿通区，所述微穿通区的掺杂浓度高于所述漂移区的掺杂浓度。在一个实施例中，具体地，首先，可以从N-硅衬底背面(漂移区)对衬底进行减薄，使衬底的厚度降低到所需的厚度，可以根据不同电压确定所需的厚度。而后，从减薄后的衬底背面进行N型离子注入，并通过热扩散后形成掺杂浓度高于漂移区306掺杂浓度的微穿通区307。
在步骤S03，从衬底背面进行离子注入，形成第一导电类型的集电区。在一个实施例中，通过从衬底背面进行P型离子注入，通过热扩散形成P+集电区308。至此，形成了本发明实施例的平面型MPT型IGBT器件，以上各步骤中的材料及形成方法仅为示例，本发明并不限于此。实施例二在本实施例中，将详细描述根据本发明的沟槽型MPT型IGBT器件及其制造方法。参考图4所示，为本发明实施例二中的沟槽型MPT型IGBT器件，包括衬底400;衬底400背面的P+集电区408 ;衬底400中的位于集电区408上的N+微穿通区407、微穿通区407上的漂移区406，微穿通区的掺杂浓度高于漂移区的掺杂浓度；衬底400正面中位于漂移区406之上的沟槽中的栅介质层402和栅极401 ；位于漂移区之上的P阱区403、P阱区上的N+源区404 ;覆盖源区的发射极409。优选地，还在与发射极409接触的P阱403表面层中形成有P+区405，以与发射极形成良好的欧姆接触。优选地，在源区404的下方，还形成有P+区(图未示出)，以抑制闩所效应。以上为本发明的沟槽型MPT IGBT器件结构，通过在集电区与漂移区之间形成掺杂浓度高于漂移区的微穿通区，在关断期间，电场强度在衬底中下降，到微穿通区时基本降到零，电场呈斜角梯形分布，因此衬底厚度可以明显减薄，这就使得IGBT具有更低的导通电阻、饱和压降、以及更低的通态损耗。此外，还能降低该发射结的注入系数，以抑制“晶闸管效应”，同时，在硬开关应用时，具有微穿通区的器件能比传统IGBT关断更快，基本没有电流拖尾，而电流拖尾造成的功耗在总开关损耗中占有不少比例，这就减少了功率损耗。为了更好地理解本发明，以下将结合图4对本实施例的制造方法进行详细的描述。在步骤S01，提供衬底，所述衬底具有第二导电类型的漂移区、第一导电类型的阱区以及第二导电类型的源区，以及栅极。
在一个实施例中，具体地，首先，提供衬底400，衬底为具有N轻掺杂的N-硅衬底，在其他实施例中，所述衬底还可以为包括其他半导体元素或半导体化合物的单层或多层衬
。而后，在衬底中形成沟槽，并通过热氧化的方法在衬底的沟槽中形成二氧化硅的栅介质层402，在其他实施例中，还可以通过其他合适的方法形成高k介质材料或其他材料的栅介质层。而后，淀积多晶硅以填满沟槽形成多晶硅的栅极401，在其他实施例中，所述栅极还可以为包括金属材料或金属材料与多晶娃的组合的一层或多层结构。
而后，通过多次掩膜、刻蚀、掺杂所需类型的杂质、热扩散以及淀积等工艺步骤，在栅极401 —侧的衬底中形成P阱区403、N+源区404，以及防止闩锁效应的P+区(图未示出)，以及栅极401之上的钝化层及发射极409，其中，未进行过其他掺杂的N-硅衬底即为漂移区406。在步骤S02，从衬底背面将漂移区减薄，并进行离子注入及相应的退火工艺，形成第二导电类型的微穿通区，所述微穿通区的掺杂浓度高于所述漂移区的掺杂浓度。在一个实施例中，具体地，首先，可以从N-硅衬底背面(漂移区)对衬底进行减薄，使衬底的厚度降低到所需的厚度，可以根据不同电压确定所需的厚度。而后，从减薄后的衬底背面进行N型离子注入，并通过热扩散后形成掺杂浓度高于漂移区406掺杂浓度的微穿通区407。在步骤S03，从衬底背面进行离子注入，形成第一导电类型的集电区。在一个实施例中，通过从衬底背面进行P型离子注入，通过热扩散形成P+集电区408。至此，形成了本发明实施例的沟槽型MPT型IGBT器件，以上各步骤中的材料及形成方法仅为示例，本发明并不限于此。以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。
权利要求
1.一种绝缘栅双极晶体管，包括衬底，所述衬底具有第一导电类型的集电区、第二导电类型的漂移区、第一导电类型的阱区以及第二导电类型的源区，以及栅极；其特征在于，还包括位于集电区与漂移区之间的第二导电类型的微穿通区，所述微穿通区的掺杂浓度高于漂移区的掺杂浓度。
2.根据权利要求I所述的晶体管，其特征在于，所述栅极位于衬底之上。
3.根据权利要求I所述的晶体管，其特征在于，所述栅极为位于衬底的沟槽中。
4.一种绝缘栅双极晶体管的制造方法，其特征在于，包括 提供衬底，所述衬底具有第二导电类型的漂移区、第一导电类型的阱区以及第二导电类型的源区，以及栅极； 从衬底背面将漂移区减薄，并进行离子注入及退火工艺，形成第二导电类型的微穿通区，所述微穿通区的掺杂浓度高于所述漂移区的掺杂浓度； 从衬底背面进行离子注入，形成第一导电类型的集电区。
5.根据权利要求4所述的制造方法，其特征在于，所述栅极位于衬底之上。
6.根据权利要求4所述的制造方法，其特征在于，所述栅极为位于衬底的沟槽中。
全文摘要
本发明公开了一种微穿通型IGBT器件，包括衬底，所述衬底具有第一导电类型的集电区、第二导电类型的漂移区、第一导电类型的阱区以及第二导电类型的源区；栅极；位于集电区与漂移区之间的第二导电类型的微穿通区，所述微穿通区的掺杂浓度高于漂移区的掺杂浓度。通过在漂移区和集电区间形成了掺杂浓度比漂移区的浓度高的微穿通区，使得在关断期间，衬底的电场强度在微穿通区中基本降到零，因此衬底厚度可以明显减薄，使IGBT具有更低的导通电阻、饱和压降、以及更低的通态损耗。
文档编号H01L29/739GK102856353SQ20111017556
公开日2013年1月2日 申请日期2011年6月27日 优先权日2011年6月27日
发明者朱阳军, 田晓丽, 孙宝刚, 卢烁今 申请人:中国科学院微电子研究所