[发明专利]一种形成高压IGBT的FS层的方法及IGBT器件

说明书

技术领域

本发明涉及一种高压IGBT，尤其是一种通过外延形成高压IGBT的FS（Field Stop）层（场终止层）的方法及高压IGBT器件，属于IGBT的技术领域。

背景技术

IGBT，中文名字为绝缘栅双极型晶体管，它是由MOSFET(输入级)和PNP晶体管(输出级)复合而成的一种器件，既有MOSFET器件驱动功率小和开关速度快的特点(控制和响应)，又有双极型器件饱和压降低而容量大的特点(功率级较为耐用)，频率特性介于MOSFET与功率晶体管之间，可正常工作于几十kHz频率范围内。

随着IGBT技术的不断发展，为了进一步优化IGBT的性能，其结构设计和工艺技术也发生了较大的变化。至今，IGBT已由第1代发展到了第6代。对IGBT器件结构的改进主要分为表面和垂直两个方向。在表面上，即栅极结构上的变化是把原来的平面栅变成了沟槽栅结构，这种结构是通过在IGBT上挖许多浅而密的沟槽，把栅氧化层和栅极做在沟槽侧壁上而成的，因而MOSFET的沟道就成为沿沟槽侧壁的垂直沟道，由于沟槽的存在，增大了电流密度，进而降低了导通压降。但是沟槽栅结构也存在缺点，它的工艺较复杂，侧壁不光滑和沟槽底部或拐角处的尖角会成为电场集中点，降低击穿电压，而且挖槽后会在加工过程中增加芯片的翘曲变形等，难度较大。这个结构的短路能力低，短路安全工作成为问题，沟槽宽度过大使得栅漏电容增加，增加开关损耗。上述缺点通过引入PCM(插入式组合元胞)设计而得到解决。即采取宽元胞间距结构来保持短路电流相对较小。同时还采取在P+发射区和N-漂移层之间形成一个N型层，即所谓场终止层，使其能够截止电场，这个场终止层对于改善N-漂移层内的电场分布，减小圆片厚度，提高击穿电压是很有用的。IGBT的结构经历了穿通型到非穿通型到场截止型的变化。穿通型结构的饱和电压具有负温度系数，不利于器件的并联使用和热稳定性，而且需要少子寿命控制技术来减小开关时间。同时，因为P+衬底较厚，电流拖尾现象较严重，会大大增加关断损耗，而且材料成本高。因此，NPT非穿通型结构应运而生。其电场未穿通漂移区。这样，在IGBT关断时存储在基区中大量过剩电子能够以扩散流方式穿透极薄的集电区流出到欧姆接触处消失掉，使IGBT迅速关断(或导通)，不需要少子寿命控制技术来提高开关速度，而且，其VCE(sat)具有正温度特性，热阻低，利于应用。但是，由于输运效率较高而载流子注入系数较差，因而造成了比较高的饱和电压，通态电压比较高。虽然材料成本低，但是需要减薄工艺，且减薄后厚度较厚，不利于散热。综合兼收PT（穿通）结构和NPT（非穿通）结构二者的优点产生了FS场阻断结构。此结构电场穿透漂移区到达n+场阻断层，具有正温度系数，拖尾电流小，通态压降低，不需要少子寿命控制技术，减薄后厚度较薄。沟槽栅场阻断型IGBT集两种优势于一身，它具有最低的功率损耗。单位面积功率损耗减小显著，可以用较小的芯片面积制造出同样额定电流和额定功率的器件，降低制造成本。

目前高压IGBT采用FS结构的制作工艺大致分为三种，一、通过高能注入和高温长时间推阱，此工艺要购买高能注入机，成本较高，且工艺时间较长，严重影响公司产能；二、通过在N+衬底上外延N-漂移区，由于高压IGBT的N-漂移区很厚，工艺时间较长，既影响生产产能，且外延成本较高；三、购买双面扩散晶圆，但是，此晶圆成本较高。

发明内容

本发明提出一种在N-漂移区材料上外延N+外延层作为FS结构的方法，避免了或高温长时间推阱，或昂贵的N-漂移区外延过程，或昂贵的双面扩散晶圆，又可以精确的控制FS层的厚度和掺杂浓度，实现了FS结构高压IGBT低成本的开发。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

一种在高压IGBT中通过外延形成FS结构的方法，该方法包括如下步骤：a、提供包括N型漂移区的高压IGBT生产专用厚度的半导体圆片；b、在所述半导体圆片的正面淀积一层保护层，以保护背面外延工艺作业时半导体圆片的正面；c、将所述半导体圆片翻转，背面向上，外延所需厚度的N+外延层，该N+外延层即所述FS结构，该N+外延层的掺杂浓度大于N型漂移区的掺杂浓度；d、在外延结束后，将所述半导体圆片翻转为正面向上，去除正面的所述保护层，以确保半导体圆片的正面的光洁性。

进一步地，所述保护层为氧化层或SiN膜。

进一步地，用湿法腐蚀去除正面的所述保护层。

进一步地，通过沉积的方法来外延所需厚度的N+外延层。