一種半導體功率器件的結構制造技術

一種半導體功率器件的結構。本發明專利技術公開了一種柵控晶體管與FRD集成在同一芯片的器件結構，FRD部份有以下特征：表面至少有一部份為p型區，深度大于2um，表面濃度為1×1015/cm3至1×1018/cm3，在表面處約0.2um至2.0um之下至少有兩個獨立浮動n+型層，n+型層與n+型層之間的距離大于0.1um，濃度小于5×1019/cm3，在n+型層之上有表面濃度大于1×1018/cm3并與表面金屬相接觸的p+型層；柵控晶體管部份有以下特征：在p型區中付加一n型區，把靠近接觸孔的部份p型區與原來p型區之下的n型區隔離開。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及一種半導體功率器件的設計，更具體地說是涉及一種半導體功率柵控晶體管與快恢復二極管(簡稱FRD)集成在同一芯片上的設計。
技術介紹
1980年，美國RCA公司申請了第一個IGBT專利，1985年日本東芝公司做出了第一個工業用IGBT。從器件的物理結構上來說，它是非透明集電極穿通型IGBT，簡稱為穿通型IGBT (Punchthrough IGBT 一縮寫為 PT-1GBT)。早期的PT-1GBT的關斷時間相對很長，約有數微秒，為了減短關斷時間，提高開關速度，于90年代后，一般都引用高能粒子輻照技術(如電子輻照，氫離子或氦離子輻照等)減小器件中過剩載流子壽命。這種方法能提高PT-1GBT的開關速度，但會使通態電壓降為負溫度系數，負溫度系數是PT-1GBT的一個性能缺陷。于1996年，Motorola公司發表了一篇文章描述有關制造非穿通IGBT的研究,側重如何在薄娃片上制造集電極的工藝，所用的FZ η型娃片最薄只約有170um厚。翌年，Infineon公司也發表了用10um厚的FZ η型硅片做出600V的NPT-1GBT。99年左右，工業用新一代的IGBT開始投產，這種新一代的IGBT是一種高速開關器件，它的電壓降為正溫度系數，它不需要用重金屬或輻照來減短器件中少子壽命，主要用的技術是超薄硅片工藝加上弱集電結(或稱為透明集電結)，設計者需要優化注入器件內部的電荷分布，使在正向導通時，IGBT器件內部載流子的分布如圖1所示，即在表面陽極(電子發射極端)載流子濃度要高，在背面陰極電極端載流子濃度要低。Infineon公司稱之為場截止IGBT，接下來幾年，各主要生產IGBT的公司都相繼推出類似的產品。從那時起，IGBT在電學性能上得到了質的飛躍，發展迅速并主導了中等功率范圍的市場。隨著功率器件IGBT技術的發展，IGBT的開關速度越來越快，在應用系統里，具有快速開關的IGBT需要求采用快速的二極管作為續流二極管。開關器件IGBT每一次從開通至關斷過程中，續流二極管會由導通狀態變為截止狀態。而這一過程要求二極管具有快又軟的恢復特性。在應用過程中，希望系統的功耗小，可靠性高和較小的電磁噪聲，這對IGBT和FRD都有很高要求，然而，在很長一段時間里，業界忽視了快速二極管的開發，因為FRD的性能跟不上，成為限制整個系統的效能，雖然IGBT的性能很好，也無法發揮出來，近來快速二極管的作用受到了高度的重視?？旎謴投O管(簡稱FRD)是一種具有開關特性好、反向恢復時間短特點的半導體二極管，主要應用于開關電源、PWM脈寬調制器、不間斷電源(UPS)、交流電動機變頻調速器等電子電路中。作為高頻、大電流的續流二極管、高頻整流二極管或阻尼二極管使用，是極有發展前途的電力、電子半導體器件?？旎謴投O管的內部結構與普通PN結二極管不同，它屬于pin結型二極管，即在P型硅材料與η型硅材料中間增加了基區i，構成pin結構。基區的厚度和摻雜濃度決定了 FRD的反向擊穿電壓值(耐壓值)。FRD主要的技術和性能(即電學參數)有⑴擊穿電壓，(2)正向壓降和(3)開通關斷特性等。開通特性指的是當電壓由反向變為正向時出現的瞬態正向峰值電壓，關斷特性主要關注的是反向恢復特性。反向恢復特性(參考圖2):當電壓由正向變為反向時，電流并不立刻成為(-1tl)，而是在一段時間ts內，反向電流始終很大，二極管并不關斷，經過ts后，反向電流才逐漸變小，再經過tf時間，二極管的電流才成為(-1tl),如圖2所示。ts稱為儲存時間，tf稱為下降時間，Trr = ts+tf稱為反向恢復時間，s = tf/ts稱為軟性因子，I?為最大反向恢復電流，以上過程稱為反向恢復過程。一般來說，正向壓降是與反向恢復特性相互矛盾的，即改良了正向壓降便會傷害了反向恢復特性，如增加了 η-擴展層的空穴電子對密度，正向壓降會變好，但貯存了更多的電荷會使關斷時最大反向恢復電流增大和反向恢復時間變長，從而使關斷功耗增大。在應用中有時FRD會處于雪崩擊穿狀態，並有相當的電流流經器件，在這情況下，倘若器件結槽的設計不好，器件會很容易被打壞，分析發現被打壞的地方很多時發生在有源區與終端區的交接處附近。自2000年以來，用薄硅片工藝來制作IGBT的工藝發展迅速，處理50um厚或更厚的硅片已經很成熟。隨著薄硅片IGBT制作的發展，自然地相應的技術也被用來制作FRD.用FZ η型硅片制造400V至1200V FRD的工藝，主要分為兩大部分，即前道工序和后道工序。前道工序主要是把器件的表面結構造在FZ η型硅片的表面上。前道工序完成后便把FZ硅片磨薄至所需厚度，如耐壓為1200V，則所需厚度約為120um左右。然后進入后道工序，后道工序中需要在背面注入η型摻雜劑作為電子發射極，一般注入磷或砷，若果只注入一次，硅片背面會形成一高低結，這會使軟性因子變硬，關斷時會產生較大的電磁噪聲或振蕩，這是不能接受的，一般解決方法是在背面注入兩次η型雜質。為了更進一步增大軟性因子，隨了注入兩次η型摻雜質外，還會注入P型摻雜劑，注入η型摻雜劑時不用掩膜版，注入P型摻雜質時需要掩膜版，透過掩膜版的作用，使硅片背靣有部份區域被P型摻雜劑注入，有部份沒有被P型摻雜劑注入，那些P型區域是彼此被η型區分隔開如圖3所示，這P型區會與包圍它的η型區形成ρη結，一般結深不超過0.5um。注入P型摻雜劑為硼離子，劑量范圍為5X 11Vcm2至5X 11Vcm2，注入能量為30KeV至10KeV0為了降低關斷時間，間接地增加頻率容量和減少關斷時間，同時不大增加正向壓降，設計者需要優化注入器件內部的電荷分布，使在正向導通時，FRD器件內部載流子的分布如圖4所示，即在表面陽極(空穴發射極端)載流子濃度要低，在背面陰極電極端載流子濃度要高，這樣，在正向導通時壓降不高，關斷時能有效快速地把靠近Pn結處載流子快速地清除，一般解決方法的現有技術有如下方案:方案一:一半導體公司提出所謂發射極控制的二極管(EMCON FRD)這種二極管用低空穴注入的P型發射極來得到等離子體反轉分布如圖4所示，使FRD在正向導通肘，表面的Pn結處附近的載流子濃度較少，關斷時，能有效快速地把ρη結處的過剩載流子清除，使最大反向恢復電流變小，從而能快速進入反向狀態。EMCON二極管的缺點是它的空穴注量小從而導致了浪涌電流容量降低和正向壓降變大，再者，較低濃度的P型區無法與表面金屬形成良好的歐姆接觸，這會進一步增加正向壓降。在應用中，有時會發生瞬間的超高電流脈沖，會導至器件產生局部高溫，如果浪涌電流容量低，產生的溫度可高至對器件做成損壞。方案二:一種現有技術提出的結構，如圖5所示，所謂SPEED二極管，為了提高浪涌電流而又能有效地控制發射極的空穴發射率，它包含了重P摻雜區域，這種結構不見得能有效控制空穴的注入，因為低摻雜表面無法與金屬形成有效的歐姆接觸，當注入空穴時，主要是經由高摻雜區，那么注入的過剩載流子分布便不會接近如圖4所示，過剩載流子分布可能會接近如圖1所示，對FRD來說，這不是一種優化的過剩載流子分布。方案三:引進復合中心密度來調節二極管中過剩載流子的壽命，尤其是減少靠近ρη結處附近的載流子壽命，常用的方法有鉑擴散，或電子輻照，或離子輻照，這些本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種半導體功率器件的結構包括以下部分：(1)有源區和終端區；(2)有源區至少由一種柵控型晶體管單元組成；單元的表面結構包含以下部分：(i)至少有一條溝槽，溝槽寬度范圍為0.2μm至3.0μm，深度為1μm至10μm，溝槽內壁附有氧化層并填入導電材料如高摻雜的多晶硅，溝槽與溝槽之間的距離大于0.8um；(ii)p型基區，溝槽與溝槽之間最少有部份區域為p型區，p型區的深度大于1um，p型區表面濃度約為1e15cm?3至1e18cm?3，p型區之下有FZ?n型區；(iii)至少在部份p型區中有付加一獨立浮動的n型區，溝槽連同付加n型區把靠近接觸孔的部份p型區與原來p型區之下的n型區隔離開，付加n型區的濃度約為1e16cm?3至5e19cm?3；(iv)n+發射區，表面濃度約為1e18cm?3至1e20cm?3；(v)p+區，表面濃度約為1e17cm?3至1e20cm?3；(vi)接觸孔；(vii)層間介質；(viii)表面金屬層和(ix)鈍化層等。

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：蘇冠創，
申請(專利權)人：深圳市力振半導體有限公司，
類型：發明
國別省市：廣東;44