一種具有精確檢測功能的igbt及其制造方法
【專利摘要】本發明公開一種具有精確檢測功能的IGBT及其制造方法。所述IGBT器件包括：主器件區域、被主器件區域包圍的檢測區域、隔離主器件區域和檢測區域的隔離區域。所述IGBT檢測區域柵電極通過隔離區域柵電極與主器件區域柵電極相連；第二導電類型隔離區域體區與第二導電類型主器件區域體區及第二導電類型檢測區域體區均無電性連通；第二導電類型隔離區域體區與主器件區域發射極金屬和檢測區域發射極金屬均無電性連通；第二導電類型隔離區域體區結深等于或大于第二導電類型主器件區域體區結深。本發明的IGBT器件有效的減少了隔離區域對檢測信號的影響，提高了檢測信號精度，并且與現有工藝完全兼容，不增加任何制造成本。
【專利說明】一種具有精確檢測功能的IGBT及其制造方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種IGBT及其制造方法，尤其是一種具有精確檢測功能的IGBT及其制造方法。
【背景技術】
[0002]絕緣柵雙極型晶體管(Insulated gate bipolar transistor,以下簡稱IGBT)具有場效應晶體管的高輸入阻抗和雙極型晶體管的電流驅動能力，特別適合作為電源開關器件使用，尤其是作為大電流開關器件或功率模塊使用。
[0003]在大電流IGBT開關器件或功率模塊中，為防止IGBT短路和類似原因造成的過電流燒毀問題，廣泛的采用了一種方法，制造具有檢測功能的IGBT器件，并基于該檢測電流信號來控制IGBT器件柵極，從而進一步控制流經IGBT的電流。在用于防止IGBT器件過流的一般檢測方法中，電流檢測電阻與IGBT器件中的電流檢測部分相串聯，并檢測由穿過該電流檢測電阻器的檢測電流所引起的電勢差；當IGBT器件中電流突然增大時，該電勢差會急劇增大，可以用于觸發報警，或啟動保護電路，因此可以防止IGBT器件或模塊被破壞。
[0004]以最常見的N溝道矩形柵IGBT為例，傳統的具有電流檢測功能的IGBT設計如圖1A、圖1B所示，帶有電流檢測功能的IGBT芯片，一般包含:主器件區域101 ;從該主器件區域部分分割的、與主器件區域共用柵極和集電極的，并且尺寸很小的電流檢測區域103 ;隔離主器件區域和電流檢測區域的隔離區域102。
[0005]主器件區域的P型體區13和隔離區域及電流檢測器件區域的P型體區13電性相連，如圖1B所示；主器件區域與電流檢測區域柵極17電性連通；主器件區域與電流檢測區域共用集電極10 ;主器件區域發射極金屬15與檢測區域發射極金屬16彼此獨立。利用主器件區域與電流檢測區域的面積比例，可以通過電流檢測區域的檢測電流，估算主器件區域的實際電流。該方式設計簡單，但存在問題在于:由于電流檢測區域面積往往較小，而在高壓大電流器件或模塊中，隔離區域寬度一般較大，隔離區域面積已經與電流檢測區域面積具備可比性；當IGBT處于導通狀態時，背面空穴通過漂移層被P型體區收集，并分別流至主器件區域發射極和電流檢測區域發射極。但由于隔離區域表面沒有金屬接觸，隔離區域的P型體區收集到的空穴，既有流向主器件區域的，也有流向電流檢測區域的，并且隨著溫度變化引起的空穴電流比例變化，這部分電流的具有很大的不確定性，造成電流檢測區域的檢測信號不能精確反映主器件區域電流，檢測信號精確度不高。
[0006]因此，為了更好的提高IGBT器件和模塊中IGBT的電流檢測精度，有必要進一步優化現有的IGBT電流檢測設計。
【發明內容】
[0007]本發明的目的在于克服現有技術中存在的不足，提供一種具有精確檢測功能的IGBT及其制造方法，提高電流檢測精度，并且器件設計及工藝簡單，與現有技術完全兼容，不增加工藝成本的。[0008]本發明的技術方案如下:
[0009]一種具有精確檢測功能的IGBT，在所述IGBT器件第一主面的俯視平面上，包含主器件區域、檢測區域以及隔離區域；所述主器件區域包含主器件柵電極接觸和主器件發射電極接觸及終端保護結構；所述檢測區域被主器件區域包圍，包含檢測區域發射極電極；所述隔離區域將主器件區域和檢測區域隔離；
[0010]所述IGBT器件的截面上，半導體基板具有兩個相對的主面，所述主面包括第一主面與第二主面，半導體基板的第一主面與第二主面間包括第一導電類型漂移層；所述半導體基板的第二主面含有被主器件區域和檢測器件區域共用的集電極金屬，所述集電極金屬與第一導電類型漂移層之間設置有第二導電類型層；
[0011]在半導體基板第一主面漂移層上部，在主器件區域設置有被絕緣介質層包圍的主器件區域柵電極和第二導電類型主器件區域體區，在第二導電類型主器件區域體區內設置有第一導電類類型主器件區域源區，第二導電類型主器件區域體區和第一導電類型主器件區域源區與主器件區域發射極金屬電性連接；在檢測區域設置有被絕緣介質層包圍的檢測區域柵電極和第二導電類型檢測區域體區，在第二導電類型檢測區域體區內設置有第一導電類型檢測區域源區，第二導電類型檢測區域體區和第一導電類型檢測區域源區與檢測區域發射極金屬電性連接；在隔離區域漂移層上方設置有第二導電類型隔離區域體區和被絕緣介質層包圍的隔離區域柵電極；
[0012]所述檢測區域柵電極通過隔離區域柵電極與主器件區域柵電極相連；第二導電類型隔離區域體區與第二導電類型主器件區域體區及第二導電類型檢測區域體區均無電性連通；第二導電類型隔離區域體區與主器件區域發射極金屬和檢測區域發射極金屬均無電性連通；第二導電類型隔離區域體區的結深等于或大于第二導電類型主器件區域體區的結深。
[0013]其進一步的技術方案為:
[0014]所述IGBT器件中，在俯視平面上，所述檢測區域的面積小于所述主器件區域的面積。
[0015]所述IGBT器件中，在截面上，所述IGBT器件包括平面柵型IGBT結構和溝槽柵型IGBT結構。
[0016]所述IGBT器件中，在俯視平面上，所述柵電極為矩形、方形以及其他多邊形。
[0017]此外，本發明還提供一種具有精確檢測功能的IGBT的制造方法，包括以下步驟:
[0018](a)、提供具有兩個相對主面的第一導電類型的半導體基板，所述兩個主面包括第一主面和第二主面；半導體基板的第一主面與第二主面間包括第一導電類型漂移區；
[0019](b)、在上述半導體基板的第一主面上，通過常規半導體工藝，形成主器件區域柵氧化層、主器件區域柵電極、隔離區域柵氧化層、隔離區域柵電極、檢測區域柵氧化層、檢測區域電柵；
[0020](C)、在半導體材料表面注入第二導電類型雜質，并進行高溫推結，分別形成彼此不接觸的第二導電類型主器件區域體區、第二導電類型隔離區域體區、第二導電類型檢測區域體區；
[0021](d)、在上述半導體基板的第一主面上，通過常規半導體工藝，得到IGBT器件相對應的有源區及截止保護區；[0022](e)、在上述半導體基板的第一主面上的主器件區域和檢測區域分別形成彼此獨立的主器件區域發射極金屬和檢測區域發射極金屬；
[0023](f)、在上述半導體基板的第二主面上，注入第二導電類型雜質離子，通過高溫推結形成第二導電類型集電區；
[0024](g)、在所述半導體基板的第二主面上淀積金屬層，形成集電極金屬。
[0025]其進一步的技術方案為:
[0026]所述常規半導體工藝包括溝槽型IGBT工藝或平面型IGBT工藝。
[0027]注:上述“第一導電類型”和“第二導電類型”兩者中，對于N溝道IGBT器件，第一導電類型為N型，第二導電類型為P型；對于P溝道IGBT器件，第一導電類型與第二導電類型所指的類型與N溝道IGBT器件相反。
[0028]本發明的有益技術效果是:
[0029]當IGBT導通時，少數載流子電流從背面集電極通過漂移層，被第二導電類型體區收集，形成調制電流；其中由于隔離區域的第二導電類型體區與主器件區域體區和檢測區域體區均無電性連通，與主器件發射極金屬和檢測區域發射極金屬均無電性連通，所以隔離區域體區不會收集少數載流子。因此，隔離區域不會有少數載流子電流流向主器件區域或檢測區域，最大限度減少隔離區域對檢測信號的影響，有效的提高檢測精度，并且與現有工藝完全兼容，不增加任何制造成本。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0030]圖1A是傳統具有檢測功能的IGBT的俯視平面圖。
[0031]圖1B是傳統具有檢測功能的IGBT延圖1A中AA’方向的截面圖。
[0032]圖2A是本發明具有精確檢測功能的IGBT的俯視平面圖。
[0033]圖2B是本發明具有精確檢測功能的IGBT延圖2A中AA’方向的截面圖。
[0034]圖2C是本發明具有精確檢測功能的IGBT延圖2A中BB’方向的截面圖。
[0035]圖3?圖7是圖2A中BB截面上具體工藝實施各階段的剖面圖，其中:
[0036]圖3是半導體材料的剖視圖。
[0037]圖4是完成IGBT柵極后的剖視圖。
[0038]圖5是P型體區注入、推結后的剖視圖。
[0039]圖6是完成源區等常規IGBT工藝后的剖視圖。
[0040]圖7是完成IGBT正面金屬后的剖視圖。
【具體實施方式】
[0041]下面結合附圖對本發明的【具體實施方式】做進一步說明。
[0042]圖2A?圖2C以N溝道溝槽柵型IGBT為例，包括:主器件區域201，隔離區域202，檢測區域203 ；P型層21，N型漂移層22，P型主器件區域體區213，P型隔離區域體區223，P型檢測區域體區233，主器件區域柵氧化層216，隔離區域柵氧化層226，檢測區域柵氧化層236，主器件區域柵電極217，隔離區域柵電極227，檢測區域柵電極237，絕緣介質層214、224,234, N+型主器件區域源區218，N+型檢測區域源區238，主器件區域發射極金屬215，檢測區域發射極金屬235。[0043]如圖2A所示，為本實施例1GBT的俯視平面圖(僅顯示了器件柵極和P型體區，其余部分未示出)。在所述IGBT的俯視平面上，主器件區域201包含主器件柵電極接觸和主器件發射極電極接觸及器件的終端耐壓保護結構等常規IGBT器件的必備結構(圖中未示出)；檢測區域203包含檢測區域發射極電極接觸(圖中未示出)；隔離區域202用于隔離主器件區域201和檢測區域203。
[0044]如圖2B和圖2C所示，所述IGBT的截面上，半導體基板具有兩個相對的主面:第一主面與第二主面；半導體基板的第一主面與第二主面間包括N型漂移層22 ;所述半導體基板的第二主面含有被主器件區域201和檢測區域203共用的集電極金屬20 ;在集電極金屬20和N型漂移層22之間設置有P型層21。
[0045]在N型漂移層22上部，在主器件區域201中設置有被主器件區域柵氧化層216和絕緣介質層214包圍的主器件區域柵電極217和P型主器件區域體區213，在P型主器件區域體區213內設置有N+型主器件區域源區218，P型主器件區域體區213和N+型主器件區域源區218與主器件區域發射極金屬215電性連接；在檢測區域203內設置有被檢測區域柵氧化層236和絕緣介質層234包圍的檢測區域柵電極237和P型檢測區域體區233，在P型檢測區域體區233內設置有N+型檢測區域源區238，P型檢測區域體區233和N+型檢測區域源區238與檢測區域發射極金屬235電性連接；在隔離區域202的漂移層上方設置有P型隔離區域體區223及被隔離區域柵氧化層226和絕緣介質層224包圍的隔離區域柵電極 227。
[0046]該IGBT的主要特征在于:檢測區域柵電極237通過隔離區域柵電極227與主器件區域柵電極217電性相連；P型隔離區域體區223與P型主器件區域體區213及P型檢測區域體區233均無電性連通；P型隔離區域體區223與主器件區域發射極金屬215和電流檢測區域發射極金屬235均無電性連通；P型隔離區域體區223的深度(結深)等于或大于P型主器件區域體區213的深度(結深)。
[0047]所述IGBT中的截面上，所述IGBT器件包括平面柵型IGBT結構和溝槽柵型IGBT結構。
[0048]所述IGBT中，在俯視平面上，柵電極可以是矩形，方形，以及其他多邊形。
[0049]上述實施例的半導體結構,如圖3?圖7所示，以圖2C所示截面為例,采用下述工藝步驟實現:
[0050]步驟(a)、提供具有兩個相對主面的N型的半導體基板，所述兩個主面包括第一主面和第二主面；半導體基板的第一主面與第二主面間包括N型漂移區，如圖3所示。
[0051]步驟(b)、在上述半導體基板的第一主面上，通過常規半導體工藝，形成主器件區域柵氧化層216、主器件區域柵電極217、隔離區域柵氧化層226、隔離區域柵電極227、檢測區域柵氧化層236、檢測區域電柵237，如圖4所示。
[0052]步驟(c)、在半導體材料表面注入P型雜質，并進行高溫推結，分別形成彼此不接觸的P型主器件區域體區213、p型隔離區域體區223、P型檢測區域體區233，如圖5所示。
[0053]步驟(d)、在上述半導體基板的第一主面上，通過常規半導體工藝，得到IGBT器件相對應的N+型主器件區域源區218、N+型檢測區域源區238，及絕緣介質層214、223、234，如圖6所示。
[0054]步驟(e)、在上述半導體基板的第一主面上的主器件區域和檢測區域分別形成彼此獨立的主器件區域發射極金屬215和檢測區域發射極金屬235，如圖7所示。
[0055]步驟(f)、在上述半導體基板的第二主面上，注入P型雜質離子，通過高溫推結形成P型集電區。
[0056]步驟(g)、在所述半導體基板的第二主面上淀積金屬層，形成集電極金屬，最終形成圖2A?圖2C所示器件。
[0057]所述IGBT常規工藝包括溝槽型IGBT工藝或平面型IGBT工藝；
[0058]可選的，適當增加P型隔離區域體區223的深度(結深)，可以更能保證本發明中IGBT的耐壓特性。
[0059]本發明的工作機理在于:當IGBT導通時，空穴電流從背面集電極通過漂移層，被P型體區收集，形成調制電流；其中由于P型隔離區域體區223與P型主器件區域體區213和P型檢測區域體區233均無電性連通，與主器件區域發射極金屬215和檢測區域發射極金屬235均無電性連通，所以P型隔離區域體區223不會收集空穴電流。因此，隔離區域202不會有空穴電流流向主器件區域201或檢測區域203，最大限度減少隔離區域對檢測信號的影響，有效的提高檢測精度，并且與現有工藝完全兼容，不增加任何制造成本。
[0060]注，上述實施例是以N溝道IGBT為例加以描述的。本發明也可以用于P溝道IGBT，僅需要上述實施例中的導電類型由P型改為N型、N型改為P型即可。
[0061]以上所述的僅是本發明的優選實施方式，本發明不限于以上實施例。可以理解，本領域技術人員在不脫離本發明的基本構思的前提下直接導出或聯想到的其他改進和變化，均應認為包含在本發明的保護范圍之內。
【權利要求】
1.一種具有精確檢測功能的IGBT，其特征在于: 在所述IGBT器件第一主面的俯視平面上，包含主器件區域、檢測區域以及隔離區域；所述主器件區域包含主器件柵電極接觸和主器件發射電極接觸及終端保護結構；所述檢測區域被主器件區域包圍，包含檢測區域發射極電極；所述隔離區域將主器件區域和檢測區域隔離； 所述IGBT器件的截面上，半導體基板具有兩個相對的主面，所述主面包括第一主面與第二主面，半導體基板的第一主面與第二主面間包括第一導電類型漂移層；所述半導體基板的第二主面含有被主器件區域和檢測器件區域共用的集電極金屬，所述集電極金屬與第一導電類型漂移層之間設置有第二導電類型層； 在半導體基板第一主面漂移層上部，在主器件區域設置有被絕緣介質層包圍的主器件區域柵電極和第二導電類型主器件區域體區，在第二導電類型主器件區域體區內設置有第一導電類類型主器件區域源區，第二導電類型主器件區域體區和第一導電類型主器件區域源區與主器件區域發射極金屬電性連接；在檢測區域設置有被絕緣介質層包圍的檢測區域柵電極和第二導電類型檢測區域體區，在第二導電類型檢測區域體區內設置有第一導電類型檢測區域源區，第二導電類型檢測區域體區和第一導電類型檢測區域源區與檢測區域發射極金屬電性連接；在隔離區域漂移層上方設置有第二導電類型隔離區域體區和被絕緣介質層包圍的隔離區域柵電極； 所述檢測區域柵電極通過隔離區域柵電極與主器件區域柵電極相連；第二導電類型隔離區域體區與第二導電類型主器件區域體區及第二導電類型檢測區域體區均無電性連通；第二導電類型隔離區域體區與主器件區域發射極金屬和檢測區域發射極金屬均無電性連通；第二導電類型隔離區域體區的結深等于或大于第二導電類型主器件區域體區的結深。
2.根據權利要求1所述具有精確檢測功能的IGBT，其特征在于:所述IGBT器件中，在俯視平面上，所述檢測區域的面積小于所述主器件區域的面積。
3.根據權利要求1所述具有精確檢測功能的IGBT，其特征在于:所述IGBT器件中，在截面上，所述IGBT器件包括平面柵型IGBT結構和溝槽柵型IGBT結構。
4.根據權利要求1所述具有精確檢測功能的IGBT，其特征在于:所述IGBT器件中，在俯視平面上，所述柵電極為矩形、方形以及其他多邊形。
5.一種具有精確檢測功能的IGBT的制造方法，其特征在于包括以下步驟: (a)、提供具有兩個相對主面的第一導電類型的半導體基板，所述兩個主面包括第一主面和第二主面；半導體基板的第一主面與第二主面間包括第一導電類型漂移區； (b)、在上述半導體基板的第一主面上，通過常規半導體工藝，形成主器件區域柵氧化層、主器件區域柵電極、隔離區域柵氧化層、隔離區域柵電極、檢測區域柵氧化層、檢測區域電柵； (C)、在半導體材料表面注入第二導電類型雜質，并進行高溫推結，分別形成彼此不接觸的第二導電類型主器件區域體區、第二導電類型隔離區域體區、第二導電類型檢測區域體區； (d)、在上述半導體基板的第一主面上，通過常規半導體工藝，得到IGBT器件相對應的有源區及截止保護區； (e)、在上述半導體基板的第一主面上的主器件區域和檢測區域分別形成彼此獨立的主器件區域發射極金屬和檢測區域發射極金屬； (f)、在上述半導體基板的第二主面上，注入第二導電類型雜質離子，通過高溫推結形成第二導電類型集電區； (g)、在所述半導體基板的第二主面上淀積金屬層，形成集電極金屬。
6.根據權利要求1所述具有精確檢測功能的IGBT的制造方法，其特征在于:所述常規半導體工藝包括溝槽 型IGBT工藝或平面型IGBT工藝。
【文檔編號】H01L21/28GK103996704SQ201410201967
【公開日】2014年8月20日 申請日期:2014年5月13日 優先權日:2014年5月13日
【發明者】朱袁正, 李宗清 申請人:無錫新潔能股份有限公司