一种逆导型IGBT器件的背面结构及制造方法与流程

一种逆导型igbt器件的背面结构及制造方法
技术领域
1.本发明涉及半导体芯片技术领域，尤其涉及一种逆导型igbt器件的背面结构及制造方法。


背景技术：

2.在常规场截止型igbt中，由于集电极p+掺杂的存在，不具备反向导通的能力。
3.逆导型绝缘栅双极型晶体管(reverseconductinginsulatedgatebipolar transistor，rc-igbt)是一种兼备igbt功能和反向(逆向)导通功能的器件。
4.逆导型绝缘栅双极型晶体管能够提高集成度、减小寄身电感、降低封装成本。传统的rc-igbt的一种方法是在背面槽栅中采用重掺杂的p型多晶硅，利用p型多晶硅与n型漂移区的内建电势来耗尽两个背面槽栅之间的n型漂移区，从而达到消除折回现象的目的。传统的rc-igbt的另一种方法是通过p型和n型材料间隔排列的方式制成rc-igbt，通过p型和n型的面积比例调节来消除n型材料带来的副作用。传统的rc-igbt还有一种方法是将igbt和frd做在同一颗晶圆上，这种方法面积上没有优势。


技术实现要素：

5.本发明提供了一种逆导型igbt器件的背面结构及制造方法，以解决上述现有技术中存在的技术问题。
6.本发明采用的技术方案是：提供一种逆导型igbt器件的背面结构，包括：
7.衬底漂移区；
8.n型缓冲一区和p型注入一区，层叠形成于所述衬底漂移区上；
9.n型缓冲二区，形成于所述衬底漂移区上；
10.p型注入二区和n型注入一区，层叠形成于所述衬底漂移区上；所述n型缓冲一区和p型注入一区位于p型注入二区和n型注入一区沿横向方向的一端，所述n型缓冲二区位于p型注入二区和n型注入一区沿横向方向的另一端；
11.金属层，形成于p型注入一区、n型注入一区以及n型缓冲二区的上。
12.进一步的，当n型缓冲二区和n型注入一区设计参数相同时，则为一体成形结构。
13.进一步的，当n型缓冲一区和n型注入一区设计参数相同时，则为一体成形结构。
14.进一步的，当p型注入一区和p型注入二区设计参数相同时，则为一体成形结构。
15.进一步的，还包括：
16.n型注入二区，层叠形成于n型缓冲二区上，并与n型缓冲二区设计参数不同；
17.n型注入三区，层叠形成于n型注入一区上，并与n型注入一区设计参数不同；
18.所述n型注入二区和n型注入三区均与金属层接触。
19.进一步的，所述p型注入二区的宽度为10nm-10000000nm，p型注入二区深度为10nm-200000nm。
20.本发明还提供一种逆导型igbt器件的制造方法，包括以下步骤：
21.步骤1：完成igbt的正面工艺和背面减薄；
22.步骤2：在衬底漂移区上的n型缓冲一区进行n型离子注入、n型缓冲二区进行n型离子注入；若n型缓冲一区和n型缓冲二区设计参数相同，则同时进行n型缓冲一区和n型缓冲二区的n型离子注入；然后在p型注入二区进行p型离子注入；或者，
23.同时在衬底漂移区上的n型缓冲一区和n型缓冲二区进行n型离子注入，然后在p型注入二区进行p型离子注入；或者，
24.同时在衬底漂移区上的n型缓冲一区、p型注入二区和n型缓冲二区进行n型离子注入；然后在p型注入二区进行p型离子注入；
25.所述n型缓冲一区和n型缓冲二区在p型注入二区沿横向方向的两端；
26.步骤3：在p型注入一区进行p型离子注入，所述p型注入一区在n型缓冲一区上；
27.步骤4：在n型注入一区进行n型离子注入，所述n型注入一区在所述p型注入二区上；
28.步骤5：背面退火工艺；
29.步骤6：背金工艺，在所述p型注入一区、n型注入一区、n型缓冲二区上形成金属层。
30.进一步的，将步骤4-步骤6替换为：
31.步骤4：在n型注入一区进行n型离子注入，所述n型注入一区在所述p型注入二区上；
32.步骤4.1：在n型注入二区进行n型离子注入，所述n型注入二区在n型缓冲二区上，并与n型缓冲二区设计参数不同；
33.步骤4.2：在n型注入三区进行n型离子注入，所述n型注入三区在n型注入一区上，并与n型注入一区设计参数不同；
34.步骤5：背面退火工艺；
35.步骤6：背金工艺，在p型注入一区、n型注入三区、n型注入二区上形成金属层。
36.进一步的，在所述步骤5背面退火工艺之后还包括：背面注氢工艺。
37.进一步的，若n型缓冲二区和n型注入一区设计参数相同，则同时在二者区域注入n型离子；
38.若n型缓冲一区和n型注入一区设计参数相同，则同时二者区域注入n型离子；
39.若p型注入二区和p型注入一区计参数相同，则同时二者区域注入p型离子。
40.本发明的有益效果是：
41.1、本发明实现了逆向也可以导通的性能，可以使器件从mos状态更快切换到igbt状态。
42.2、本发明改善了现有的igbt器件在小电流工作时，vce压降比较高的特点，本发明的igbt的背面结构可以使igbt在小电流工作时，vce压降比较小，能够提高小电流时的工作效率。在小电流工作条件下可以降低vce饱和压降，小电流工作条件下，在同样的饱和压降下，可以提高导电电流9％左右。另外在大电流工作时，本发明结构的igbt的饱和压降vce性能达到了普通igbt的水平。
43.3、本发明能够明显改善器件性能，并且不需要非常精细工艺的背面加工，也不需要特殊的工艺，容易加工和生产。
44.4、本发明在低电流工作时，rc-igbt工作在mosfet模式，有效地降低了工作功耗。
在大电流工作时，rc-igbt工作在igbt模式。
45.5、本发明的igbt结构正向导通压降vce和现有igbt相当，相同的正向导通电压在仿真条件下可以达到普通igbt的电流。
46.6、本发明利用了现有igbt的背面成熟工艺，增加了p型离子深注入工艺；再经过n型注入工艺，再经过金属化接触工艺，最终实现了rc-igbt的功能。
47.7、本发明便于实施制作，可以利用现有的工艺水平实现。
48.8、本发明可以减少芯片面积。
附图说明
49.图1为本发明实施例公开的逆导型igbt器件的背面结构的示意图；
50.图2为现有的igbt器件和本发明的vc-ic曲线对比图；
51.图3为本发明实施例公开的逆导型igbt器件的背面结构的另一示意图；
52.图4为本发明实施例公开的逆导型igbt器件的背面结构的又一示意图；
53.图5为本发明实施例公开的逆导型igbt器件的背面结构的又一示意图；
54.图6为本发明实施例公开的逆导型igbt器件的背面结构的又一示意图；
55.图7为本发明实施例公开的逆导型igbt器件的背面结构的又一示意图；
56.图8为本发明实施例公开的逆导型igbt器件的背面结构的又一示意图。
57.附图标记：1-衬底漂移区，2-n型缓冲一区，3-p型注入一区，4-金属层，5-p型注入二区，6-n型缓冲二区，7-n型注入一区，8-n型注入二区，9-n型注入三区。
具体实施方式
58.为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步详细描述，但本发明的实施方式不限于此。
59.在本发明中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“中”、“竖直”、“水平”、“横向”、“纵向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系。这些术语主要是为了更好地描述本发明及其实施例，并非用于限定所指示的装置、元件或组成部分必须具有特定方位，或以特定方位进行构造和操作。
60.并且，上述部分术语除了可以用于表示方位或位置关系以外，还可能用于表示其他含义，例如术语“上”在某些情况下也可能用于表示某种依附关系或连接关系。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解这些术语在本发明中的具体含义。
61.实施例1：
62.参见图1，本实施例公开一种逆导型igbt器件的背面结构，包括：衬底漂移区1；n型缓冲一区2和p型注入一区3，层叠形成于所述衬底漂移区1上；n型缓冲二区6，形成于所述衬底漂移区1上；p型注入二区5和n型注入一区7，层叠形成于所述衬底漂移区1上；所述n型缓冲一区2和p型注入一区3位于p型注入二区5和n型注入一区7沿横向方向的一端，所述n型缓冲二区6位于p型注入二区5和n型注入一区7沿横向方向的另一端；金属层4，形成于p型注入一区3、n型注入一区7以及n型缓冲二区6的上。
63.在一些实施例中，参见图3，当n型缓冲二区6和n型注入一区7设计参数相同时，则为一体成形结构。参见图4，当n型缓冲一区2和n型注入一区7设计参数相同时，则为一体成
形结构。参见图5，当p型注入一区3和p型注入二区5设计参数相同时，则为一体成形结构。此外，参见图6，在设计n型缓冲一区2时，可以将p型注入二区5和n型注入一区7在宽度方向的一侧仅与n型缓冲一区2接触，而不与p型注入一区3接触。也可以如图7所示，在设计p型注入二区5时，使n型缓冲一区2和p型注入一区3仅与p型注入二区5接触，而不与n型注入一区7接触。
64.在一些实施例中，本发明的逆导型igbt器件的背面结构还包括：n型注入二区8，层叠形成于n型缓冲二区6上，并与n型缓冲二区6设计参数不同；n型注入三区9，层叠形成于n型注入一区7上，并与n型注入一区7设计参数不同；所述n型注入二区8和n型注入三区9均与金属层4接触。
65.进一步的，所述p型注入二区5的宽度为10nm-10000000nm，p型注入二区5深度为10nm-200000nm。
66.下面对本实施例的工作原理作进一步说明：
67.当集电极电位高于发射极电位时，集电极和发射极之间的导电特性受栅极电压的控制，当栅极电压大于开启电压vth时，在小电流工作时，工作在mosft模式，在大电流工作时，工作在igbt模式；当栅极电压小于开启电压vth时，igbt和mosft都截止。通过图1-图2，能够表明，本发明的逆导igbt，在小集电极电流工作时，可以降低vce饱和压降；在大电流工作时，能够和一般结构的igbt性能相当。
68.当集电极电压小于发射极电压时，由于发射极和集电极之间有pn结形成的二极管，此时igbt工作电流从发射极流向集电极，实现了igbt的逆向导通。
69.综上，本实施例的igbt结构实现了逆向也可以导通的性能，而且可以使该器件从mos状态更快切换到igbt状态。本实施例中的电流方向既有集电极竖直向上到发射极的电流，也有集电极四周斜向上的流经缓冲层到发射极的电流，能够提高小电流时的工作效率。也就是说，现有的igbt器件在小电流工作时，vce压降比较高，本发明的igbt的背面结构可以使igbt在小电流工作时，vce压降比较小，能够提高小电流时的工作效率。本实施例比现有的igbt结构降低了igbt在小电流工作时的正向导通压降，相同的正向导通电压可以增加导电电流约9％。本实施例利用了集电极侧，进行p型离子深注入p型注入二区5。在p型离子深注入后，再将n型离子注入n型注入一区7，再经过金属化接触工艺，最终实现了rc-igbt的功能。本实施例便于实施制作，可以利用现有的工艺水平实现；在小电流时工作在mosfet模式，有效地降低了工作功耗。采用该实施例的芯片的工作状态如下：在低电流工作时，rc-igbt工作在mosfet模式，在大电流工作时，rc-igbt工作在igbt模式。
70.实施例2：
71.以图1的逆导型igbt器件背面结构为例，本实施例公开一种逆导型igbt器件的制造方法，包括以下步骤：
72.步骤1：完成igbt的正面工艺和背面减薄。
73.步骤2：在衬底漂移区1上的n型缓冲一区2进行n型离子注入、n型缓冲二区6进行n型离子注入；若n型缓冲一区2和n型缓冲二区6设计参数相同，则同时进行n型缓冲一区2和n型缓冲二区6的n型离子注入；然后在p型注入二区5进行p型离子注入；或者，
74.同时在衬底漂移区1上的n型缓冲一区2和n型缓冲二区6进行n型离子注入，然后在p型注入二区5进行p型离子注入；或者，
75.同时在衬底漂移区1上的n型缓冲一区2、p型注入二区5和n型缓冲二区6进行n型离子注入；然后在p型注入二区5进行p型离子注入；
76.所述n型缓冲一区2和n型缓冲二区6在p型注入二区5沿横向方向的两端。
77.步骤3：在p型注入一区3进行p型离子注入，所述p型注入一区3在n型缓冲一区2上。
78.步骤4：在n型注入一区7进行n型离子注入，所述n型注入一区7在所述p型注入二区5上。
79.步骤5：背面退火工艺。
80.步骤6：背面注氢工艺(根据需要确定是否进行背面注氢)
81.步骤7：背金工艺，在所述p型注入一区3、n型注入一区7、n型缓冲二区6上形成金属层4。
82.以图8的逆导型igbt器件背面结构为例，其逆导型igbt器件的制造方法，包括以下步骤：
83.步骤1：完成igbt的正面工艺和背面减薄。
84.步骤2：在衬底漂移区1上的n型缓冲一区2进行n型离子注入、n型缓冲二区6n型离子注入；若n型缓冲一区2和n型缓冲二区6设计参数相同，则同时进行n型缓冲一区2和n型缓冲二区6的n型离子注入；然后在p型注入二区5进行p型离子注入；或者，
85.同时在衬底漂移区1上进行n型缓冲一区2和n型缓冲二区6进行n型离子注入，然后在p型注入二区5进行p型离子注入；或者,
86.同时在衬底漂移区1上的n型缓冲一区2、p型注入二区5和n型缓冲二区6进行n型离子注入；然后在p型注入二区5进行p型离子注入；
87.所述n型缓冲一区2和n型缓冲二区6在p型注入二区5沿横向方向的两端。
88.步骤3：在p型注入一区3进行p型离子注入，所述p型注入一区3在n型缓冲一区2上。
89.步骤4：在n型注入一区7进行n型离子注入，所述n型注入一区7在所述p型注入二区5上；
90.步骤4.1：在n型注入二区8进行n型离子注入，所述n型注入二区8在n型缓冲二区6上，并与n型缓冲二区6设计参数不同；
91.步骤4.2：在n型注入三区9进行n型离子注入，所述n型注入三区9在n型注入一区7上，并与n型注入一区7设计参数不同；
92.步骤5：背面退火工艺；
93.步骤6：背金工艺，在p型注入一区3、n型注入三区9、n型注入二区8上形成金属层4。
94.参见图3，若n型缓冲二区6和n型注入一区7设计参数相同，则同时在二者区域注入n型离子。参见图4，若n型缓冲一区2和n型注入一区7设计参数相同，则同时二者区域注入n型离子。参见图5，若p型注入二区5和p型注入一区3计参数相同，则同时二者区域注入p型离子。
95.本发明利用了现有igbt的背面成熟工艺，增加了p型离子深注入工艺；再经过n型注入工艺，再经过金属化接触工艺，最终实现了rc-igbt的功能。本发明的制造方法便于实施制作，可以利用现有的工艺水平实现。
96.通过本实施例的制造方法，实现了逆向也可以导通的性能。在低电流工作时，rc-igbt工作在mosfet模式，有效地降低了工作功耗。在大电流工作时，rc-igbt工作在igbt模
式。本发明改善了现有的igbt器件在小电流工作时，vce压降比较高的特点，本发明的igbt的背面结构可以使igbt在小电流工作时，vce压降比较小，能够提高小电流时的工作效率。本发明比现有的igbt结构降低了小电流工作条件下的igbt的正向导通压降，小电流条件下，相同的正向导通电压可以增加导电电流约9％。
97.以上所述实施例仅表达了本发明的具体实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，实施步骤也可以进行若干变化和改进，比如图中的3-图8中的n或者p型离子的浓度的变化，深度的变化、宽度的变化和基于本设计思路的结构的变形、某些区域的合并和增减，基于本发明结构思路进行的工艺步骤和方法的变化，这些都属于本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种逆导型igbt器件的背面结构，其特征在于，包括：衬底漂移区；n型缓冲一区和p型注入一区，层叠形成于所述衬底漂移区上；n型缓冲二区，形成于所述衬底漂移区上；p型注入二区和n型注入一区，层叠形成于所述衬底漂移区上；所述n型缓冲一区和p型注入一区位于p型注入二区和n型注入一区沿横向方向的一端，所述n型缓冲二区位于p型注入二区和n型注入一区沿横向方向的另一端；金属层，形成于p型注入一区、n型注入一区以及n型缓冲二区的上。2.根据权利要求1所述的逆导型igbt器件的背面结构，其特征在于，当n型缓冲二区和n型注入一区设计参数相同时，则为一体成形结构。3.根据权利要求1所述的逆导型igbt器件的背面结构，其特征在于，当n型缓冲一区和n型注入一区设计参数相同时，则为一体成形结构。4.根据权利要求1所述的逆导型igbt器件的背面结构，其特征在于，当p型注入一区和p型注入二区设计参数相同时，则为一体成形结构。5.根据权利要求1所述的逆导型igbt器件的背面结构，其特征在于，还包括：n型注入二区，层叠形成于n型缓冲二区上，并与n型缓冲二区设计参数不同；n型注入三区，层叠形成于n型注入一区上，并与n型注入一区设计参数不同；所述n型注入二区和n型注入三区均与金属层接触。6.根据权利要求1所述的逆导型igbt器件的背面结构，其特征在于，所述p型注入二区的宽度为10nm-10000000nm，p型注入二区深度为10nm-200000nm。7.一种逆导型igbt器件的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：完成igbt的正面工艺和背面减薄；步骤2：在衬底漂移区上的n型缓冲一区进行n型离子注入、n型缓冲二区进行n型离子注入；若n型缓冲一区和n型缓冲二区设计参数相同，则同时进行n型缓冲一区和n型缓冲二区的n型离子注入；然后在p型注入二区进行p型离子注入；或者，同时在衬底漂移区上的n型缓冲一区和n型缓冲二区进行n型离子注入，然后在p型注入二区进行p型离子注入；或者，同时在衬底漂移区上的n型缓冲一区、p型注入二区和n型缓冲二区进行n型离子注入；然后在p型注入二区进行p型离子注入；所述n型缓冲一区和n型缓冲二区在p型注入二区沿横向方向的两端；步骤3：在p型注入一区进行p型离子注入，所述p型注入一区在n型缓冲一区上；步骤4：在n型注入一区进行n型离子注入，所述n型注入一区在所述p型注入二区上；步骤5：背面退火工艺；步骤6：背金工艺，在所述p型注入一区、n型注入一区、n型缓冲二区上形成金属层。8.根据权利要求7所述的逆导型igbt器件的制造方法，其特征在于，将步骤4-步骤6替换为：步骤4：在n型注入一区进行n型离子注入，所述n型注入一区在所述p型注入二区上；步骤4.1：在n型注入二区进行n型离子注入，所述n型注入二区在n型缓冲二区上，并与n型缓冲二区设计参数不同；
步骤4.2：在n型注入三区进行n型离子注入，所述n型注入三区在n型注入一区上，并与n型注入一区设计参数不同；步骤5：背面退火工艺；步骤6：背金工艺，在p型注入一区、n型注入三区、n型注入二区上形成金属层。9.根据权利要求7或8所述的逆导型igbt器件的制造方法，其特征在于，在所述步骤5背面退火工艺之后还包括：背面注氢工艺。10.根据权利要求7所述的逆导型igbt器件的制造方法，其特征在于，若n型缓冲二区和n型注入一区设计参数相同，则同时在二者区域注入n型离子；若n型缓冲一区和n型注入一区设计参数相同，则同时二者区域注入n型离子；若p型注入二区和p型注入一区计参数相同，则同时二者区域注入p型离子。

技术总结
本发明公开了一种逆导型IGBT器件的背面结构及制造方法，背面结构包括：衬底漂移区；N型缓冲一区和P型注入一区，层叠形成于衬底漂移区上；N型缓冲二区，形成于衬底漂移区上；P型注入二区和N型注入一区，层叠形成于衬底漂移区上；N型缓冲一区和P型注入一区位于P型注入二区和N型注入一区沿横向方向的一端，N型缓冲二区位于P型注入二区和N型注入一区沿横向方向的另一端；金属层，形成于P型注入一区、N型注入一区以及N型缓冲二区的上。本发明实现了逆向也可以导通的性能，可使器件从MOS状态更快切换到IGBT状态。本发明改善了现有的IGBT器件在小电流工作时VCE压降比较高的特点，使IGBT在小电流工作时，VCE压降比较小，能够提高小电流时的工作效率。流时的工作效率。流时的工作效率。


技术研发人员：李昱兵 张镜华 郝知行 杨蜀湘 王宇
受保护的技术使用者：四川奥库科技有限公司
技术研发日：2023.07.25
技术公布日：2023/10/5