專利名稱：低功耗半導體功率開關器件及其制造方法
技術領域：
本發明涉及一種半導體功率開關器件，以及這種器件的制造方法。這種器件的耐壓范圍是在2KV以下的中低壓范圍。
電力電子技術中使用功率開關器件。本發明所說的半導體功率開關器件是指絕緣柵雙極晶體管(IGBT)、MOS控制晶閘管(MCT)和半導體晶閘管。對功率開關器件的主要性能要求是功率損耗小，這就是要求通態壓降小以降低通態損耗；開關時間短以降低開關損耗。
下面以IGBT為例來進行說明。IGBT有穿通型IGBT(PT-IGBT)和非穿通型IGBT(NPT-IGBT)。早期制造的IGBT都是穿通型的(參見1982 IEDM Tech.Dig.，pp.264-247，IEEE Transaction on Power Electronics，vo1.PE-2，No.3，PP.194～207)。它是在均勻摻雜的厚數百μm的p+襯底上外延n+緩沖層和n-基區，再于n-層表面區制作所需的復雜的正面結構而成。耐高壓的IGBT需要n-區很厚。1000 V耐壓的器件需約100多μm。厚層外延的技術難度大，制造成本高。于是，八十年代末出現了NPT-IGBT(參見1989PESC Record 1，PP.21-25；1996 ISPSD，PP.331-334和PP.164-172)，它是在均勻摻雜的厚數百μm的n-單晶襯底上先制造復雜的正面結構，然后再從襯底片背面用研磨、腐蝕法減薄到耐壓所需的n-區厚度后，再用離子注入來形成p+背發射區。它不需要厚層外延，適合于制造高壓IGBT。但是，從降低功率損耗方面看，PT型和NPT型IGBT都有重大不足。PT-IGBT具有較小的通態壓降，但開關時間相當長；恰恰相反，NPT-IGBT具有較短的開關時間，但通態壓降相當大。長期以來，技術界追求的一個目標是發明一種技術可制造出通態壓降如PT-IGBT那樣小，同時開關時間又如NPT-IBGT那樣小的IGBT。PT-IGBT的通態壓降小是由于10～20μm外延n+緩沖層的存在使得制造同樣耐壓的器件可選用較薄的n-基區，而NPT采用的是均勻摻雜的n-單晶襯底作基片，難以制造出n+緩沖層；NPT-IGBT的開關時間短是由于離子注入形成的背p+發射區厚度很薄而且摻雜濃度低使背發射結注入效率低，電子流成分大，電子可從背pU區流出，而PT-IGBT卻是以均勻重摻雜的厚p+發射區為襯底，注入效率高，電子流很小。對于PT-IGBT采用厚而重摻雜背發射區是不能避免的，因為p+背發射區是制造時的襯底，若厚度薄則易碎片；同時背發射區是集電極電流通過的路徑，摻雜濃度低會使電阻太大。為了得到通態壓降小而又開關時間短的IGBT，一種有效的途徑是在IGBT結構中同時采用n+緩沖層和薄而低摻雜的背p+發射區。1995年出現了一種這種結構的IGBT(見U.S.Patent No.5668385)。它在均勻摻雜n-襯底片的一面制造所需復雜的正面結構，另一面用高溫擴散法依次制造30μm以上的n+緩沖層和深1.2μm以上的背p+發射區。然而，正如發明人所稱，這種結構只適用于高耐壓IGBT(例如4.5KV)。這是因為襯底片兩面的加工都有高溫長時間處理過程，必須有足夠厚的n-襯底片才能不碎片(4.5KV耐壓時n-區約400μm)。而2KV以下的中低壓IGBT的n-區只有約100～200μm左右，經不住多次高溫處理。而從需要看，大量的IGBT都是耐壓2KV以下的。因此，這一專利給出的結構并未真正解決長期追求解決的制造低損耗IGBT這一問題。2000年終于出現了一種可以用于制造耐壓2KV以下的同時具有n+緩沖層和超薄低摻雜p+背發射區的IGBT的制造技術(見2000年ISPSD，PP.355～358)，所制造器件耐壓1300V，n-區厚110μm。它是在厚的均勻摻雜n-型襯底的一面先制造需用高溫長時間加工的正面結構，然后從片子背面減薄至所需厚度后再制造n+緩沖層和p+背發射區，都是用離子注入法，不需要高溫長時間熱處理。由于減薄后的片子不再經長時間高溫處理，100μm厚的片子也不至于碎片(碎片問題的解決見1997 ISPSD，PP.361～364)。但是，這種IGBT中的n+緩沖層厚度太薄，不可能大于1μm。這是因為在制作n+緩沖層時n-襯底另一面的IGBT正面結構已經制成，其源區結深是亞微米的，如果緩沖層退火溫度高時間長會使MOSFET中各pn結結深改變而改變了MOSFET的特性；尤其是厚度為100μm左右的硅片經高溫長時間熱退火很容易碎片。如此薄的n+緩沖層作為耐高壓器件n-區強電場的終止層，用于實際制造是不可行的。因為高壓時在緩沖層中不能留下足夠厚的無電場區，其漏電流必然很大、擊穿電壓也是軟特性。此外不可避免的背面加工損傷和難免的晶體缺陷就會造成終止層阻止強場能力的失效，導致器件性能變壞。作者自己在文中指出，其漏電流和擊穿電壓不易保證。所以，這種IGBT在實際上是不能作為產品付諸生產的。也就是說，直到目前為止，雖然經過技術界長期努力，但對于耐壓2KV以內的占用途需求絕大部分的IGBT，進一步降低功率損耗(即制造出的產品既具有小的通態壓降又具有短的開關時間)的制造技術問題還未真正解決。對于晶閘管，MCT也存在著完全相同的問題。
本發明的目的是為了提供一種低功耗的耐壓2KV以內的IGBT及其制造方法，這種IGBT同時具有PT-IGBT通態壓降小的特點和NPT-IGBT開關時間短的特點，其制造方法能得到合適厚度和濃度的電場終止層和背發射區，適于實際生產。本發明的技術同樣適用于半導體晶閘管和MCT。
本發明的低功耗半導體功率開關器件(包括低功耗IGBT、MCT和晶閘管)由N型基區、背p+發射區和通用的包含陰極、柵極等在內的正面結構區組成，其特征在于離子注入形成的超薄、低雜質濃度的背p+發射區與包含單側殘留N型擴散層的雜質非均勻分布的N型基區的結合。因此本發明是由一個包含N型雜質擴散殘留層的雜質濃度從一面向另一面逐漸降低的非均勻摻雜N型基區，一個在N型基區高摻雜一側用離子注入形成的背面p+發射區和一個位于N型基區低摻雜一側表面區的包含陰極、柵極等的通用正面結構區等三個區域組成。
本發明的低功耗半導體功率開關器件中，其中背面p+發射區的厚度在0.2～1.0μm范圍內，注入劑量在1×1011至1×1013cm-2范圍內，例如根據所需通態壓降不同可把厚度和劑量值分別取為0.2、0.4、0.6、0.8μm等和1×1011、5×1011、1×1012、5×1012、1×1013cm-2等值。前述的N型基區中的雜質分布為從p+發射區界面處開始逐漸降低，到達殘留擴散層邊界后基本維持一個恒定值直至正面結構區，N型基區中所包含的殘留N型擴散層的寬度為5～50μm之間，根據器件耐壓高低不同而不同，例如可取5、10、15、25、30、35μm等值。N型基區中殘留擴散層中與p+區交界處的濃度在1×1014至1×1017cm-3的范圍。N型基區的厚度根據耐壓不同而不同，耐壓1000V器件約為100μm，耐壓2000 V器件約為200μm，其中正面結構區的具體結構是IGBT、MCT或晶閘管的通用的正面結構，包括平面型的和凹槽型的都適用，本發明對此無特殊要求。
本發明低功耗半導體功率開關器件的制造方法依下列步驟進行第一步、制造帶有殘留擴散層的非均勻雜質濃度雜質分布的N型襯底，其中在本工序中非均勻摻雜N型基區中靠近p+區一邊的殘留擴散層是在本工序晶片減薄之前的制造過程的本工序的第一步完成的。在均勻摻雜的N型半導體基片的雙面同時擴散高濃度的N型雜質形成雙面擴散層，從一面用研磨、拋光等通用方法去除一側的擴散層并繼續把基片減薄到耐壓所需的厚度，這就制成了具有單側擴散層的濃度從一側表面起逐漸降低的非均勻摻雜N型襯底；第二步、在襯底片的低濃度雜質的一側用離子注入、高溫擴散等通用方法制造IGBT(晶閘管、MCT)的通用的正面結構；第三步、用通用的研磨、拋光等方法從襯底高濃度一側減薄襯底使殘留的擴散層減少到所需厚度；第四步、在襯底的殘留擴散層的表面區用離子注入法形成所需厚度的p+背發射區，控制注入劑量使IGBT的開關時間盡可能減小而通態壓降又不超過允許的值；第五步，在背p+區表面沉積背面金屬化系統，并進行合金。襯底減薄之后，即在第三步完成后，從第四步開始只有低溫加工過程。襯底減薄后低溫加工的條件是溫度低于600℃。
本發明的技術方案完成了其目的的要求，使本發明器件能同時具有通態壓降小和開關時間短的特點。這是由于在器件處于導通狀態時，因N型基區中的殘留的預擴散層的雜質濃度高，在高壓時起到低摻雜N型區中強電場的終止作用，可使同樣耐壓下低摻雜區厚度取得比無此終止層時更薄，所以通態壓降比NPT-IGBT小，這一高濃度緩變的殘留預擴散層的作用和PT-IGBT中均勻摻雜n+緩沖層的作用相同，所以其通態壓降應當與PT-IGBT同樣低。對耐壓2000 V的器件終止層取為大約25～50μm就夠了，如果太厚會造成通態壓降高，如果太薄會使電場終止作用不足，造成擊穿電壓降低，反向漏電大。另一方面，本發明的結構中包含濃度在1μm以內的淺而低摻雜的背發射區，可使背發射結的電子流比PT-IGBT中大得多，因而在關斷時存儲在N型基區中的過剩電子很容易從背發射區流出，從而減短關斷時間，這種背面發射區結構與NPT-IGBT中背發射區結構相同，其開關時間應當與NPT-IGBT同樣短。
本發明除前述特點外，還可適于實際生產，這有賴于所采用的制造方法。理由為耐壓2000V以內的具有n+電場終止層的IGBT、MCT和晶閘管的N型基區只有大約不足200μm，高溫長時間熱處理將會碎片，所以背景文件U.S.Patent NO.566385的雙面高溫擴散結構和制造方法不能使用于本發明器件的制造。本發明的器件可以用本發明的制造方法來實現。在本發明的制造方法中第一步制造出的襯底片厚度為N型基區與未減薄前原有n+擴散層之和，只要擴散層足夠深，襯底片厚度就足夠厚。長時間擴散可使擴散層達到200μm以上，則相應的襯底片厚度可達到大約接近300μm至400μm以上。在這樣厚的襯底片上進行第二步的制造IGBT的復雜的正面結構，雖然有多次高溫長時間熱處理過程也不會碎片。在經過第三步把基片的背面擴散層減薄到耐壓所需厚度以后，雖然晶片只剩大約100μm～200μm的厚度，但其后第三、第四步的離子注入(可以不退火)和制造背面金屬化系統等均不需像擴散和驅入那樣長時間高溫過程，適當的加工方法是完全可以不碎片的(不碎片技術參見1997 ISPSD PP.361-364)。
下面將通過低功耗IGBT的具體實施例和附圖對本發明加以說明
圖1表示本發明IGBT的基本結構圖2表示本發明IGBT的制造過程圖1表示的本發明IGBT的結構，從A至E為非均勻摻雜N型襯底，總厚度300μm以上，其中從A至D為雜質濃度逐漸降低的擴散層，在制成器件過程中A至B的部分已經去掉。4區為N型基區中恒定雜質濃度區，厚度由耐壓決定，3區為N型基區中由殘留擴散層構成的雜質濃度高于4區的電場終止層，其厚度約為5-50μm，2區為由離子注入形成的背p+發射區，其厚度小于1μm，注入劑量1×1011至1×1013cm-2，1為背面陽極金屬化系統層，5至11為通用的IGBT正面結構，5為p+集電區，6為p阱，7為柵氧層，8為柵電極，9為電極間絕緣層，10為陰極電極，11為n+源區。這里作為例子畫出的是常見的平面型正面結構，其他類型的IGBT有不同的正面結構，如也可以是槽柵結構。在圖1的結構中，4區是耐壓層，在高壓下其中存在著強電場，3區的作用是利用其高雜質濃度將強電場迅速減小而終止，并留下一定厚度的基本上無場區以減小漏電流和保證擊穿電壓的硬特性。但3區過厚會增長開關時間和增加通態壓降。由于3區的作用可使IGBT中電場強度分布由NPT型中的三角形分布改變為近梯形分布，因而可用比NPT-IGBT更薄的4區達到同樣的耐壓，4區厚度的減小可以減小通態壓降，達到與PT-IGBT基本相同的低通態壓降。離子注入形成的背p+發射區2具有比PT-IGBT p+背發射區更薄的厚度和更低的摻雜濃度，所以通過2區流出的電子流比較大，可使導通時存儲在4、3區中的大量電子迅速流出(空穴從5區流出)，因而開關時間比PT-IGBT短，因本結構與NPT-IGBT的背發射區結構相同，而且具有更薄的4區，其中存儲的電荷總量更少，開關時間可以達到與NPT-IGBT同樣短甚至更短。
在圖1中保留1、2、3、4區不變，把5至11區更換為MCT的正面結構或晶閘管的正面結構，就得到通態壓降小同時開關時間也短的低功耗MCT和低功耗晶閘管。從圖1中可看出該器件制造方法是首先用擴散法制成有單面擴散層的非均勻攙雜的N型襯底(A至E)，再在襯底低攙雜表面進行帶有長時間高溫過程的正面結構(5至11)的制造，然后將襯底從背面減薄去掉多余的擴散層(A至B)留下必需的擴散層(B至D)，最后用離子注入法制造背p+發射區(2)。圖1中的側面曲線圖表示n型基區雜質濃度分布。
圖2所示的IGBT制造方法中，(a)圖表示原始N型單晶片，厚度大于后面將進行的雙面擴散的深度的2倍與圖1中4區的厚度之和，電阻率由所需耐壓決定；(b)圖表示經過雙面N型擴散之后的情況，其中12為擴散層，13為原始N型單晶層；擴散深度的決定是要求12區與13區厚度之和大于約300μm，以保證以后多次高溫長時間加工過程中不碎片；(c)圖表示經研磨、拋光去除單面擴散層后的非均勻雜質分布的襯底片，其中12為擴散層，13為單晶層；(d)圖表示在襯底片的正面(即原始單晶層的表面)經許多復雜高溫過程制成14區所示的IGBT正面結構后的情況，12、13區含義同(c)圖，14區詳細構造如圖1中5-11區所示；(e)圖表示從襯底片的背面(正面層的面)用研磨、腐蝕等常用方法把晶片減薄后的情況，留下的擴散層的厚度略厚于前述的殘留擴散層3，15與3的厚度之差為背離子注入區的厚度；(f)圖為用離子注入法在殘留擴散層表面形成p+背發射區2后的情況，注入后可以不退火。2區厚度小于1μm，注入劑量按所需通態壓降和開關時間調整，一般在1×1011至1×1013cm-2(g)圖為用常用方法(蒸發、濺射等)制造背面陽極金屬化系統層1并經過合金處理的管芯。合金溫度600℃以下。至此本發明的IGBT管芯制造完成。
制造本發明的MCT或晶閘管時，只要把圖2中14區的結構制造成所要的MCT和晶閘管的正面結構，保持和其他部分結構不變和制造過程不變即可。
權利要求
1.一種低功耗半導體功率開關器件，由N型基區、背p+發射區和通用的包含陰極、柵極等在內的正面結構區組成，其特征在于離子注入形成的超薄、低雜質濃度的背p+發射區與包含單側殘留N型擴散層的雜質非均勻分布的N型基區的結合。
2.根據權利要求1所述的一種低功耗半導體功率開關器件，其特征在于，背p+發射區的厚度在0.2～1μm之間。
3.根據權利要求1所述的一種低功耗半導體功率開關器件，其特征在于，背p+發射區的離子注入劑量在1×1011cm-2至1×1013cm-2之間。
4.根據權利要求1所述的一種低功耗半導體功率開關器件，其特征在于，N型基區中所包含的殘留N型擴散層的寬度為5～50μm之間。
5.根據權利要求1所述的一種低功耗半導體功率開關器件，其特征在于，N型基區中殘留擴散層中與p+區交界處的濃度在1×1014至1×1017cm-3的范圍內。
6.一種低功耗半導體功率開關器件的制造方法，其特征在于制造方法依下列步驟進行第一步制造帶有殘留擴散層的非均勻雜質濃度分布的N型襯底，其中在本工序中非均勻摻雜N型基區中靠近p+區一邊的殘留擴散層是在本工序晶片減薄之前的制造過程的本工序的第一步完成的；第二步在襯底片的低雜質濃度的一側用離子注入、高溫擴散等通用方法制造IGBT(晶閘管、MCT)的通用的正面結構；第三步，用通用的研磨、拋光等方法從襯底高濃度一側減薄襯底使殘留的擴散層減少到所需厚度；第四步，在襯底的殘留擴散層的表面區用離子注入法形成所需厚度的p+背發射區；第五步，在背p+區表面沉積背面金屬化系統，并進行合金，襯底減薄之后，即在第三步完成后，從第四步開始只有低溫加工過程。
7.根據權利要求6所述的一種低功耗半導體功率開關器件的制造方法，其特征在于，襯底減薄后低溫加工的條件是溫度低于600℃。
全文摘要
一種低功耗半導體功率開關器件及其制造方法,提供低功耗的耐壓在2KV以內的IGBT、MCT和晶閘管。特征是,離子注入形成的超薄、低雜質濃度的背p
文檔編號H01L29/739GK1296292SQ00135808
公開日2001年5月23日 申請日期2000年12月21日 優先權日2000年12月21日
發明者亢寶位 申請人:北京工業大學