一种改善半导体功率器件中的注入控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明主要关于半导体功率器件，更确切地说是关于半导体功率器件的配置及其 制备方法，以改善集电极-发射极饱和电压并避免背部注入。
【背景技术】
[0002] 绝缘栅双极晶体管（IGBT)是一种带有复合结构的半导体功率器件，结合了金 属-氧化物-半导体场效应晶体管（M0SFET)和双极结型晶体管（BJT)的特点。凭借M0SFET 的栅极电极易于控制、双极电流机制、以及较短的切换时间和较低的功率损耗等优势，使 IGBT广泛应用于高压和高功率器件。
[0003] 为了降低IGBT的导通电阻，已研发出场阑IGBT。场阑IGBT通常在漂流区底部有 一个（n-型）缓冲层，在缓冲层下方有一个很薄的注入（p-型）集电极区。集电极区的电荷 数量比穿通IGBT的电荷数量要少，因此具有可控的少数载流子注入。缓冲层作为场阑，使 电场截止。对于场阑IGBT来说，要小心地控制缓冲层和集电极层中的电荷水平，是十分重 要的。
[0004]配置和制备半导体功率器件、尤其是场阑IGBT器件的传统技术，在控制背层的厚 度和掺杂浓度的各种取舍和不确定性方面，仍然面临许多困难和局限。在IGBT器件中，传 导损耗和切断开关损耗Eoff之间存在取舍。传导损耗依赖于额定电流下，集电极到发射极 的饱和电压Vce (SAT)。当器件接通时，载流子注入较大会提高器件的导电性，从而降低传 导损耗。然而，由于断开时清除注入的载流子需要消耗能量，因此载流子注入升高会导致切 断开关损耗较高。对于开关损耗不占主导的应用来说，背部的载流子注入较高，可以降低传 导损耗，并且提高额定电流下集电极到发射极的饱和电压Vce(SAT)。开关损耗不占主导的 应用示例包括传感加热、低频电机驱动等。
[0005] 用许多传统方法可以制备带有背部处理工艺的IGBT。在一个实施例中，初始材料 为一个单独的半导体衬底层(例如N型)，其上方没有额外的外延层。利用顶部处理工艺，在 衬底上方制备IGBT结构。背部研磨后，利用背部N-型注入，形成一个N-型缓冲层，然后通 过P-型注入，形成底部P集电极层。背部金属层用作漏极/集电极。该工艺需要两次背部 注入操作和背部激化/退火操作。另外，由于现有的顶部IGBT结构和金属层带来的限制，背 部层上的退火工艺只能在低温下进行。通过在晶圆背部使用局域化高温的短脉冲，激光退 火会减轻这种效果，基本不会增大晶圆顶部的温度。然而，激光退火通常很浅(通常为lym 量级)，无法退火消除用于建立N缓冲区的较深的N注入物带来的损害。
[0006] 一个可选实施例包括N-型衬底的初始材料，上方承载一个N-型外延层。用N-型 缓冲层的体积掺杂浓度掺杂衬底。通过顶部处理工艺在衬底顶部制备IGBT之后，利用背部 研磨，将底部N-型衬底层减至预设厚度。在理想情况下，底部N-型衬底层的预设厚度与体 积掺杂浓度一起，产生所需的缓冲区单位面积上的电荷水平。通过背部P-型注入，形成底 部P-型层。依次形成背部金属层，作为漏极电极。由于N-型缓冲层已经作为初始底部衬 底层进行了掺杂，因此该实施例对N-型缓冲层背部研磨后，无需高温退火。然而，这些制备 工艺利用严格控制的公差，无法精确控制背部研磨厚度，这是它们面临的困难。N-型缓冲层 厚度的变化，改变了 N-型缓冲层中的电荷水平，从而对IGBT器件的性能产生不良影响。
[0007] 本行业中常见的另一种IGBT称为逆向传导IGBT (RC-IGBT)。这种IGBT结合了 器件结构中的续流二极管，从而无需将单独的二极管芯片和IGBT封装在一起。然而，制备 RC-IGBT的传统方法，依赖于在极薄的晶圆背部进行掩膜工艺，然后进行顶部工艺，使背部 的厚度为2至4密耳。在这种厚度下，硅晶圆会弯曲变形，难以处理，使制备过程极其困难。
[0008] 正是在这一前提下，提出了本发明的实施例。
【发明内容】
[0009] 本发明的目的在于提供一种具有高级别激化的半导体功率器件的结构及制备方 法，该器件带有深注入和改良的V_ at，适用于传导损耗占主导的应用，确切地说，例如用于 N-型器件，可以在轻掺杂P-型或N-型衬底上制备一个额外的P-型层。通过P-型层，可以 控制P-型层的注入量、掺杂以及厚度。在高温顶部工艺中，可以实现100%的激化。只需要 在制备背部金属的欧姆接触时，进行退火工艺。
[0010] 为了达到上述目的，本发明通过以下技术方案实现： 一种衬底结构，包括： 一个第一导电类型或者与第一导电类型相反的第二导电类型的轻掺杂半导体衬底； 一个第一导电类型的半导体第一缓冲层，形成在轻掺杂半导体衬底上方，其中第一缓 冲层的掺杂浓度大于轻掺杂半导体衬底的掺杂浓度； 一个第二导电类型的半导体第二缓冲层，形成在第一缓冲层上方；以及 一个第二导电类型的半导体外延层，形成在第二缓冲层上方，其中外延层的掺杂浓度 大于第二缓冲层的掺杂浓度。
[0011] 优选地，其中第一导电类型为P-型，第二导电类型为N-型。
[0012] 优选地，还包括一个形成在外延层上方的第二导电类型的注入增强层，其中注入 增强层的掺杂浓度大于第二导电类型的外延层的掺杂浓度。
[0013] 优选地，还包括一个或多个第二导电类型的重掺杂区，穿过一部分第一缓冲层，从 第二缓冲层延伸到相应的部分轻掺杂半导体衬底中。
[0014] 一种半导体功率器件，包括： 一个半导体衬底，由第一导电类型或者与第一导电类型相反的第二导电类型的轻掺杂 半导体衬底构成； 一个第一导电类型的半导体第一缓冲层，形成在轻掺杂半导体衬底上方，其中第一缓 冲层的掺杂浓度大于轻掺杂半导体衬底的掺杂浓度； 一个第二导电类型的半导体第二缓冲层，形成在第一缓冲层上方；以及 一个第二导电类型的半导体外延层，形成在第二缓冲层上方，其中外延层的掺杂浓度 大于第二缓冲层的掺杂浓度； 一个或多个半导体功率器件结构，形成在衬底结构顶部。
[0015] 优选地，其中一个或多个半导体功率器件结构包括形成在衬底结构中的一个或多 个沟槽，其中导电材料沉积在沟槽中，电介质材料沿着沟槽衬垫在导电材料和沟槽侧壁之 间。
[0016] 优选地，其中一个或多个半导体功率器件结构还包括一个或多个平面栅极，每个 平面栅极都形成在相应的沟槽上方，绝缘层在每个平面栅极和相应的沟槽之间。
[0017] 优选地，其中一个或多个半导体功率器件结构还包括一个或多个第二导电类型的 重掺杂接触区，每个接触区都被第一导电类型的本体区包围，其中本体区形成在两个相邻 沟槽之间的衬底结构中；一个或多个绝缘结构形成在接触结构附近，并用绝缘材料填充。
[0018] 优选地，其中一个或多个半导体功率器件结构包括一个或多个绝缘栅双极晶体管 (IGBT)器件可控硅整流器、M0S控制的可控硅整流器或反向传导的IGBT器件。
[0019] 优选地，其中第一导电类型为p-型，第二导电类型为N-型。
[0020] 优选地，还包括一个第二导电类型的注入增强层，形成在外延层上方，其中注入增 强层的掺杂浓度大于第二导电类型的外延层的掺杂浓度。
[0021] 优选地，还包括一个或多个第二导电类型的重掺杂区，穿过一部分第一缓冲层，从 第二缓冲层延伸到相应的部分轻掺杂半导体衬底中。
[0022] -种方法，包括： 制备半导体衬底，由一个第一导电类型或与第一导电类型相反的第二导电类型的轻掺 杂半导体衬底构成； 在轻掺杂半导体衬底上方，制备一个第一导电类型的半导体第一缓冲层，其中第一缓 冲层的掺杂浓度大于轻掺杂半导体衬底的掺杂浓度； 在第一缓冲层上方，制备一个第二导电类型的半导体第二缓冲层；并且 在第二缓冲层上方，制备一个第二导电类型的半导体外延层，其中外延层的掺杂浓度 大于第二缓冲层的掺杂浓度。
[0023] 优选地，其中第一导电类型为P-型，第二导电类型为N-型。
[0024] 优选地，