一种具有分离式集电极的平面栅IGBT及其制作方法技术

本发明专利技术涉及一种具有分离式集电极的平面栅IGBT，包括衬底、依次设置在衬底上的正面金属电极、隔离氧化膜和平面栅极，平面栅极与衬底之间的P阱区，依次设置于P阱区内N+型掺杂区和P+型掺杂区，依次设置于衬底背面的背面N型低掺杂缓冲区和背面P+集电区，在背面P+集电区上设有采用绝缘介质填充的背面凹槽，背面凹槽深度大于、等于或小于背面P+集电区的厚度，绝缘介质完全或部分填充凹槽，绝缘介质与P+集电区有交叠，本发明专利技术在传统的平面栅型IGBT基础上，通过增加浅凹槽或氧化层隔离结构形成分离式集电极，此结构有效抑制IGBT器件的空穴注入效率，避免过大的反向恢复电荷；有效抑制IGBT器件关断过程中的拖尾电流，降低关断损耗，使得开关速度更快。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种功率半导体器件及其制作方法，具体讲涉及一种具有分离式集电极的平面栅IGBT及其制作方法。
技术介绍
绝缘栅双极晶体管(Insulate-GateBipolarTransistor—IGBT)综合了电力晶体管(GiantTransistor—GTR)和电力场效应晶体管(PowerMOSFET)的优点，具有良好的特性，应用领域很广泛；IGBT也是三端器件：栅极，集电极和发射极。绝缘栅双极晶体管IGBT(InsulatedGateBipolarTransistor)是MOS结构双极器件，属于具有功率MOSFET的高速性能与双极的低电阻性能的功率器件。IGBT的应用范围一般都在耐压600V以上、电流10A以上、频率为1kHz以上的区域。多使用在工业用电机、民用小容量电机、变换器(逆变器)、照相机的频闪观测器、感应加热(InductionHeating)电饭锅等领域。根据封装的不同，IGBT大致分为两种类型，一种是模压树脂密封的三端单体封装型，从TO－3P到小型表面贴装都已形成系列。另一种是把IGBT与FWD(FleeWheelDiode)成对地(2或6组)封装起来的模块型，主要应用在工业上。模块的类型根据用途的不同，分为多种形状及封装方式，都已形成系列化。IGBT是强电流、高压应用和快速终端设备用垂直功率MOSFET的自然进化。MOSFET由于实现一个较高的击穿电压BVDSS需要一个源漏通道，而这个通道却具有很高的电阻率，因而造成功率MOSFET具有RDS(on)数值高的特征，IGBT消除了现有功率MOSFET的这些主要缺点。虽然最新一代功率MOSFET器件大幅度改进了RDS(on)特性，但是在高电平时，功率导通损耗仍然要比IGBT高出很多。IGBT较低的压降，转换成一个低VCE(sat)的能力，以及IGBT的结构，与同一个标准双极器件相比，可支持更高电流密度，并简化IGBT驱动器的原理图。IGBT(绝缘栅双极晶体管)同时具有单极性器件和双极性器件的优点，驱动电路简单，控制电路功耗和成本低，通态压降低，器件自身损耗小，是未来高压大电流的发展方向。IGBT器件有源区是由许多表面MOSFET结构的源胞单位构成，背面为P型集电极结构。传统的平面栅IGBT器件关断过程中的拖尾电流、关断损耗和IGBT器件反向恢复电荷很大，极易损坏IGBT器件，因此，需要一种减小IGBT器件关断过程中的拖尾电流，减小器件关断损耗，且可以减小器件的反向恢复电荷的平面栅IGBT器件。
技术实现思路
为解决上述现有技术中的不足，本专利技术的目的是提供一种具有分离式集电极的平面栅IGBT及其制作方法，本专利技术提供的人平面栅IGBT器件有效抑制IGBT器件的空穴注入效率，避免过大的反向恢复电荷；可以有效抑制IGBT器件关断过程中的拖尾电流，降低关断损耗；同时还可以使得开关速度更快。为了对披露的实施例的一些方面有一个基本的理解，下面给出了简单的概括。该概括部分不是泛泛评述，也不是要确定关键/重要组成元素或描绘这些实施例的保护范围。其唯一目的是用简单的形式呈现一些概念，以此作为后面的详细说明的序言。本专利技术的目的是采用下述技术方案实现的：为了减小IGBT器件关断过程中的拖尾电流，减小器件关断损耗，本专利技术减小了器件的反向恢复电荷，通过背面增加浅凹槽或氧化层隔离结构形成分离式集电极。此结构可以有效抑制IGBT器件的空穴注入效率，避免过大的反向恢复电荷；可以有效抑制IGBT器件关断过程中的拖尾电流，降低关断损耗；同时还可以使得开关速度更快。本专利技术提供一种具有分离式集电极的平面栅IGBT，所述平面栅IGBT包括衬底、从上到下依次设置在衬底上的正面金属电极、隔离氧化膜和平面栅极，平面栅极与衬底之间的P阱区，从上到下依次设置于P阱区内N+型掺杂区和P+型掺杂区，依次设置于衬底背面的背面N型低浓度掺杂缓冲区和背面P+集电区；其改进之处在于，在背面P+集电区上设有采用绝缘介质填充的背面凹槽，所述背面凹槽深度大于、等于或小于背面P+集电区的厚度，所述绝缘介质完全或者部分填充凹槽，所述绝缘介质与P+集电区有交叠，以避免背面金属电极和N型材料接触；所述衬底为均匀掺杂的N型单晶硅片衬底，所述N型单晶硅片衬底包括从上到下依次分布的衬底N-层以及衬底N+层。进一步地，所述绝缘介质填充部分和背面凹槽形成IGBT背面隔离氧化层。进一步地，所述N型单晶硅片衬底包括：A、电场截止FS型衬底：形成方式是先将均匀掺杂的N型单晶硅片进行衬底减薄至所需要的衬底厚度；正面采用氧化和淀积的方式生长保护牺牲层，然后采用离子注入方式进行硅片背面的N型低浓度缓冲区进行掺杂；采用高温长时间热退火方式对N型低浓度缓冲区的杂质进行激活与推结，形成N型低浓度掺杂缓冲区；最后形成终端结构和有源区元胞结构；最后通过掺杂注入形成衬底背面P型电导调制层；所述N型低浓度掺杂缓冲区的最高掺杂浓度为N型单晶硅片衬底浓度的5e2至1e4倍；B、非穿通NPT型衬底：形成方式是先进行终端结构和有源区源胞结构的形成；在IGBT器件表面结构形成后，进行均匀掺杂的N型单晶硅片减薄至所需要的衬底厚度；最后形成衬底背面P型电导调制层掺杂注入。进一步地，当N型单晶硅片衬底采用软穿通SPT型或电场截止FS型时，所述平面栅IGBT包括位于N型单晶硅片衬底背面的N型低浓度缓冲区；若N型单晶硅片衬底采用非穿通NPT型时，则不需要N型低浓度缓冲区。本专利技术还提供一种平面栅IGBT的制作方法，其改进之处在于，所述方法包括下述步骤：(一)对N型单晶硅片衬底预处理：所述N型单晶硅片衬底的N杂质掺杂浓度与厚度需要根据平面栅IGBT不同的击穿电压和正向导通压降进行选择，并通过酸、碱、去离子水超声清洗工序，对N型单晶硅片衬底表面进行化学处理；(二)制作N型低浓度掺杂缓冲区：对均匀掺杂的N型单晶硅片衬底正面采用氧化或淀积的方式生长保护牺牲膜质，在硅片背面采用离子注入方式进行N型低浓度掺杂发缓冲区的杂质生成，再进行退火工艺，进行离子的激活与推结，推结到所需要的深度，形成N型低浓度掺杂缓冲区后去除正面保护牺牲层膜质，若软穿通SPT型或电场截止FS型时需要N型低浓度掺杂缓冲区，若衬底为非穿通NPT型时则不需要N型低浓度掺杂缓冲区；(三)制作平面栅极：对均匀掺杂的N型单晶硅片衬底进行高温氧化的方式，在硅片表面生长氧化膜，并采用淀积方式生长多晶硅电极，再进行光刻和刻蚀形成平面栅极；(四)制作P阱区：对平面栅极形成的栅极开口通过注入方式进行P型掺杂，再进行高温退火，将P型掺杂推结，形成IGBT有源区的P阱区；(五)制作N+型掺杂区：淀积光刻胶，通过光刻形成掩膜，对P阱区的多晶开口采用注入方式进行N+掺杂，形成N+型掺杂区；(六)制作平面栅IGBT表面P+型掺杂区：通过淀积方式生长氧化膜，全面反刻形成多晶侧壁保护结构，采用自对准离子注入方式进行P+掺杂，形成P+型掺杂区；(七)制作平面栅IGBT背面P+集电区：若衬底采用软穿通SPT型或者电场截止FS型，在硅片背面采用离子注入方式进行P+掺杂区域的杂质生成，再进行退火工艺，进行离子的激活与推结；若衬底采用非穿通NPT型，则在背面金属电极结构前制作背面P+掺杂区；(八)制作芯片背面隔本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种具有分离式集电极的平面栅IGBT，所述平面栅IGBT包括衬底、从上到下依次设置在衬底上的正面金属电极、隔离氧化膜和平面栅极，平面栅极与衬底之间的P阱区，从上到下依次设置于P阱区内N+型掺杂区和P+型掺杂区，依次设置于衬底背面的背面N型低浓度掺杂缓冲区和背面P+集电区；其特征在于，在背面P+集电区上设有采用绝缘介质填充的背面凹槽，所述背面凹槽深度大于、等于或小于背面P+集电区的厚度，所述绝缘介质完全或者部分填充在凹槽中，所述绝缘介质与P+集电区有交叠，以避免背面金属电极和N型材料接触；所述衬底为均匀掺杂的N型单晶硅片衬底，所述N型单晶硅片衬底包括从上到下依次分布的衬底N‑层以及衬底N+层。

【技术特征摘要】
1.一种具有分离式集电极的平面栅IGBT，所述平面栅IGBT包括衬底、从上到下依次设置在衬底上的正面金属电极、隔离氧化膜和平面栅极，平面栅极与衬底之间的P阱区，从上到下依次设置于P阱区内N+型掺杂区和P+型掺杂区，依次设置于衬底背面的背面N型低浓度掺杂缓冲区和背面P+集电区；其特征在于，在背面P+集电区上设有采用绝缘介质填充的背面凹槽，所述背面凹槽深度大于、等于或小于背面P+集电区的厚度，所述绝缘介质完全或者部分填充在凹槽中，所述绝缘介质与P+集电区有交叠，以避免背面金属电极和N型材料接触；所述衬底为均匀掺杂的N型单晶硅片衬底，所述N型单晶硅片衬底包括从上到下依次分布的衬底N-层以及衬底N+层。2.如权利要求1所述的平面栅IGBT，其特征在于，所述绝缘介质填充部分和背面凹槽形成IGBT背面隔离氧化层。3.如权利要求1所述的平面栅IGBT，其特征在于，所述N型单晶硅片衬底包括：A、电场截止FS型衬底：形成方式是先将均匀掺杂的N型单晶硅片进行衬底减薄至所需要的衬底厚度；正面采用氧化和淀积的方式生长保护牺牲层，然后采用离子注入方式进行硅片背面的N型低浓度缓冲区进行掺杂；采用高温长时间热退火方式对N型低浓度缓冲区的杂质进行激活与推结，形成N型低浓度掺杂缓冲区；最后形成终端结构和有源区元胞结构；最后通过掺杂注入形成衬底背面P型电导调制层；所述N型低浓度掺杂缓冲区的最高掺杂浓度为N型单晶硅片衬底浓度的5e2至1e4倍；B、非穿通NPT型衬底：形成方式是先进行终端结构和有源区源胞结构的形成；在IGBT器件表面结构形成后，进行均匀掺杂的N型单晶硅片减薄至所需要的衬底厚度；最后形成衬底背面P型电导调制层掺杂注入。4.如权利要求1所述的平面栅IGBT，其特征在于，当N型单晶硅片衬底采用软穿通SPT型或电场截止FS型时，所述平面栅IGBT包括位于N型单晶硅片衬底背面的N型低浓度缓冲区；若N型单晶硅片衬底采用非穿通NPT型时，则不需要N型低浓度缓冲区。5.一种如权利要求1-4中任一项所述的平面栅IGBT的制作方法，其特征在于，所述方法包括下述步骤：(一)对N型单晶硅片衬底预处理：所述N型单晶硅片衬底的N杂质掺杂浓度与厚度需要根据平面栅IGBT不同的击穿电压和正向导通压降进行选择，并通过酸、碱、去离子水超声清洗工序，对N型单晶硅片衬底表面进行化学处理；(二)制作N型低浓度掺杂缓冲区：对均匀掺杂的N型单晶硅片衬底正面采用氧化或淀
\t积的方式生长保护牺牲膜质，在硅片背面采用离子注入方式进行N型低浓度掺杂发缓冲区的杂质生成，再进行退火工艺，进行离子的激活与推结，推结到所需要的深度，形成N型低浓度掺杂缓...

【专利技术属性】
技术研发人员：李晓平，刘江，赵哿，高明超，王耀华，刘钺杨，吴迪，何延强，李立，乔庆楠，曹功勋，董少华，金锐，温家良，
申请(专利权)人：国网智能电网研究院，国网浙江省电力公司，国家电网公司，
类型：发明
国别省市：北京;11