本發(fā)明涉及半導(dǎo)體功率器件領(lǐng)域，特別是涉及一種非穿通型(non?punchthrough，npt)絕緣柵雙極型晶體管(insulated?gate?bipolar?transistor，igbt)器件；本發(fā)明還涉及一種npt-igbt器件及其制造方法。

背景技術(shù)：

1、igbt器件是由金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(mosfet)與雙極型三極管(bjt)復(fù)合而成的一種電壓驅(qū)動型器件。mosfet輸入阻抗高、開關(guān)速度快，但載流子密度低，導(dǎo)通電阻高；bjt電流密度大、導(dǎo)通壓降低，但驅(qū)動電流大；igbt綜合了兩者的優(yōu)點(diǎn)，既具有驅(qū)動損耗低、開關(guān)速度快的特點(diǎn)，也具有導(dǎo)通壓降低的優(yōu)勢，因此廣泛應(yīng)用于家電、光伏、工業(yè)控制、新能源汽車、軌道交通等中高壓領(lǐng)域。

2、npt-igbt器件的集電區(qū)側(cè)具有pn結(jié)二極管結(jié)構(gòu)。在器件導(dǎo)通時，器件正面的溝道開啟，電子從發(fā)射區(qū)注入到漂移區(qū)；同時集電區(qū)側(cè)的pn結(jié)開啟，大量空穴從集電區(qū)注入到漂移區(qū)，于是在漂移區(qū)積累了大量的載流子，形成電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)。這極大減小了igbt的導(dǎo)通電阻，并進(jìn)而降低其導(dǎo)通損耗。

3、現(xiàn)有技術(shù)中，在si基器件中，npt-igbt器件形成于硅襯底上，由于si的禁帶寬度約為1.12ev，硅基的pn結(jié)二極管的開啟電壓為0.7v，幾乎達(dá)到現(xiàn)有igbt導(dǎo)通壓降的一半。這意味著50％的igbt導(dǎo)通損耗是由集電區(qū)側(cè)pn結(jié)二極管造成的。所以，如果能對集電區(qū)的結(jié)構(gòu)做進(jìn)一步改進(jìn)以降低集電區(qū)側(cè)pn結(jié)二極管的開啟電壓，則會大大降低器件的導(dǎo)通損耗。

4、如圖1所示，是現(xiàn)有npt-igbt器件的結(jié)構(gòu)示意圖；現(xiàn)有npt-igbt器件通常采用n型器件，以n型器件為例，現(xiàn)有npt-igbt器件包括：

5、漂移區(qū)103，由形成于硅襯底表面的n型輕摻雜區(qū)組成。

6、p型摻雜的阱區(qū)105，形成于所述漂移區(qū)103表面。

7、柵極結(jié)構(gòu)，包括依次疊加的柵氧化層104和多晶硅柵106。圖1中，所述柵極結(jié)構(gòu)為溝槽柵，所述柵氧化層104形成于柵極溝槽的內(nèi)側(cè)表面，所述多晶硅柵106填充在所述柵極溝槽中，所述柵極溝槽縱向穿過所述阱區(qū)105，被所述柵極結(jié)構(gòu)側(cè)面覆蓋的所述阱區(qū)105表面作為所述溝道區(qū)。所述柵極結(jié)構(gòu)也能采用平面柵。

8、n型重?fù)诫s的發(fā)射區(qū)107，形成于所述阱區(qū)105的表面且和所述柵極結(jié)構(gòu)自對準(zhǔn)。

9、在所述漂移區(qū)103的背面形成有p型重?fù)诫s的集電區(qū)101。

10、所述集電區(qū)101的頂部表面和所述漂移區(qū)103的底部表面相接觸并形成背面pn結(jié)。

11、背面pn結(jié)的開啟電壓主要由硅材料的禁帶寬度決定，硅的禁帶寬度約為1.12ev，所述背面pn結(jié)的開啟電壓約為0.7v。

12、正面金屬層109圖形化后形成柵極和發(fā)射極。圖1中僅顯示了發(fā)射極，由所述正面金屬層109組成的柵極并不在圖1的剖面中，故未顯示。所述柵極會和底部的所述多晶硅柵106連接，所述發(fā)射極則會和底部的所述發(fā)射區(qū)107連接。在所述阱區(qū)105的表面還形成有阱接觸區(qū)108，所述阱接觸區(qū)108為第二導(dǎo)電類型重?fù)诫s，所述發(fā)射極也和所述阱接觸區(qū)108連接。

13、在所述集電區(qū)101的背面形成有由背面金屬層102組成的集電極。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種npt-igbt器件，能對集電區(qū)的材料進(jìn)行改進(jìn)，從而降低背面pn結(jié)的開啟電壓，并進(jìn)而降低整個器件的導(dǎo)通壓降以及導(dǎo)通損耗。為此，本發(fā)明還提供一種npt-igbt器件的制造方法。

2、為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供的npt-igbt器件包括：

3、漂移區(qū)，由形成于半導(dǎo)體襯底表面的第一導(dǎo)電類型輕摻雜區(qū)組成。

4、第二導(dǎo)電類型摻雜的阱區(qū)，形成于所述漂移區(qū)表面。

5、柵極結(jié)構(gòu)，包括依次疊加的柵介質(zhì)層和柵極導(dǎo)電材料層。

6、第一導(dǎo)電類型重?fù)诫s的發(fā)射區(qū)，形成于所述阱區(qū)的表面且和所述柵極結(jié)構(gòu)自對準(zhǔn)；位于所述發(fā)射區(qū)和所述漂移區(qū)之間的所述阱區(qū)表面作為溝道區(qū)且被所述柵極結(jié)構(gòu)所覆蓋。

7、形成于所述半導(dǎo)體襯底的背面的第二半導(dǎo)體材料層，所述第二半導(dǎo)體材料層的禁帶寬度低于所述半導(dǎo)體襯底的禁帶寬度。

8、第二導(dǎo)電類型重?fù)诫s的集電區(qū)，所述集電區(qū)的頂部表面和所述第二半導(dǎo)體材料層的頂部表面相平或者位于所述第二半導(dǎo)體材料層的頂部表面之下，所述漂移區(qū)的底部表面還延伸到所述集電區(qū)的頂部表面處，所述集電區(qū)的頂部表面和所述漂移區(qū)的底部表面相接觸并形成背面pn結(jié)；所述背面pn結(jié)的界面位于所述第二半導(dǎo)體材料層內(nèi)部或者所述背面pn結(jié)的內(nèi)建空間電荷區(qū)的部分或全部位于所述第二半導(dǎo)體材料層內(nèi)部，以使所述背面pn結(jié)的開啟電壓由所述第二半導(dǎo)體材料層確定并利用所述第二半導(dǎo)體材料層的禁帶寬度更低的特點(diǎn)來降低所述背面pn結(jié)的開啟電壓。

9、進(jìn)一步的改進(jìn)是，所述半導(dǎo)體襯底的材料包括si。

10、進(jìn)一步的改進(jìn)是，所述第二半導(dǎo)體材料層的材料包括ge，gesi。

11、進(jìn)一步的改進(jìn)是，所述第二半導(dǎo)體材料層采用形成于所述半導(dǎo)體襯底背面的沉積層。

12、或者，當(dāng)所述半導(dǎo)體襯底的材料為si以及所述第二半導(dǎo)體材料層的材料為gesi時，所述第二半導(dǎo)體材料層采用通過背面ge注入到si中形成的gesi層。

13、進(jìn)一步的改進(jìn)是，所述第二半導(dǎo)體材料層經(jīng)歷過退火處理，所述集電區(qū)經(jīng)歷過背面激光退火處理。

14、所述第二半導(dǎo)體材料層的退火采用爐管退火或者所述背面激光退火。

15、進(jìn)一步的改進(jìn)是，所述集電區(qū)的摻雜雜質(zhì)為第二導(dǎo)電類型重?fù)诫s的背面注入雜質(zhì)或者所述第二半導(dǎo)體材料層在位摻雜雜質(zhì)。

16、所述集電區(qū)的底部表面和所述第二半導(dǎo)體材料層的底部表面相平。

17、所述集電區(qū)的結(jié)深為1μm～5μm。

18、所述第二半導(dǎo)體材料層的厚度大于所述集電區(qū)的結(jié)深且所述第二半導(dǎo)體材料層的厚度為1μm～7μm。

19、進(jìn)一步的改進(jìn)是，所述柵極結(jié)構(gòu)為溝槽柵，所述柵介質(zhì)層形成于柵極溝槽的內(nèi)側(cè)表面，所述柵極導(dǎo)電材料層填充在所述柵極溝槽中，所述柵極溝槽縱向穿過所述阱區(qū)，被所述柵極結(jié)構(gòu)側(cè)面覆蓋的所述阱區(qū)表面作為所述溝道區(qū)。

20、或者，所述柵極結(jié)構(gòu)為平面柵，所述柵介質(zhì)層覆蓋在所述阱區(qū)的頂部表面上并延伸到和所述阱區(qū)相鄰的所述漂移區(qū)的頂部表面上，所述柵極導(dǎo)電材料層疊加在所述柵介質(zhì)層的頂部表面上，被所述柵極結(jié)構(gòu)從所述阱區(qū)的頂部側(cè)面覆蓋的所述阱區(qū)表面作為所述溝道區(qū)。

21、為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供的npt-igbt器件的制造方法包括如下步驟：

22、步驟一、完成正面工藝以形成npt-igbt器件的正面工藝結(jié)構(gòu)。

23、所述npt-igbt器件的正面工藝結(jié)構(gòu)包括：

24、漂移區(qū)，由形成于半導(dǎo)體襯底表面的第一導(dǎo)電類型輕摻雜區(qū)組成。

25、第二導(dǎo)電類型摻雜的阱區(qū)，形成于所述漂移區(qū)表面。

26、柵極結(jié)構(gòu)，包括依次疊加的柵介質(zhì)層和柵極導(dǎo)電材料層。

27、第一導(dǎo)電類型重?fù)诫s的發(fā)射區(qū)，形成于所述阱區(qū)的表面且和所述柵極結(jié)構(gòu)自對準(zhǔn)；位于所述發(fā)射區(qū)和所述漂移區(qū)之間的所述阱區(qū)表面作為溝道區(qū)且被所述柵極結(jié)構(gòu)所覆蓋。

28、步驟二、對所述半導(dǎo)體襯底進(jìn)行背面減薄。

29、步驟三、在減薄后的所述半導(dǎo)體襯底的背面形成第二半導(dǎo)體材料層；所述第二半導(dǎo)體材料層的禁帶寬度低于所述半導(dǎo)體襯底的禁帶寬度。

30、步驟四、形成第二導(dǎo)電類型重?fù)诫s的集電區(qū)，所述集電區(qū)的頂部表面和所述第二半導(dǎo)體材料層的頂部表面相平或者位于所述第二半導(dǎo)體材料層的頂部表面之下，所述漂移區(qū)的底部表面還延伸到所述集電區(qū)的頂部表面處，所述集電區(qū)的頂部表面和所述漂移區(qū)的底部表面相接觸并形成背面pn結(jié)。

31、所述背面pn結(jié)的界面位于所述第二半導(dǎo)體材料層內(nèi)部或者所述背面pn結(jié)的內(nèi)建空間電荷區(qū)的部分或全部位于所述第二半導(dǎo)體材料層內(nèi)部，所述背面pn結(jié)的開啟電壓由所述第二半導(dǎo)體材料層確定并利用所述第二半導(dǎo)體材料層的禁帶寬度更低的特點(diǎn)來降低所述背面pn結(jié)的開啟電壓。

32、進(jìn)一步的改進(jìn)是，所述半導(dǎo)體襯底的材料包括si。

33、進(jìn)一步的改進(jìn)是，所述第二半導(dǎo)體材料層的材料包括ge，gesi。

34、進(jìn)一步的改進(jìn)是，步驟三中，采用沉積工藝在減薄后的所述半導(dǎo)體襯底的背面形成所述第二半導(dǎo)體材料層。

35、或者，當(dāng)所述半導(dǎo)體襯底的材料為si以及所述第二半導(dǎo)體材料層的材料為gesi時，步驟三中形成所述第二半導(dǎo)體材料層的工藝包括：進(jìn)行背面ge注入，所述背面ge注入的ge和所述半導(dǎo)體襯底中的si形成gesi層從而形成所述第二半導(dǎo)體材料層。

36、進(jìn)一步的改進(jìn)是，所述第二半導(dǎo)體材料層經(jīng)歷過退火處理，所述集電區(qū)經(jīng)歷過背面激光退火處理。

37、所述第二半導(dǎo)體材料層的退火采用爐管退火或者所述背面激光退火。

38、進(jìn)一步的改進(jìn)是，當(dāng)所述第二半導(dǎo)體材料層的退火中包括所述爐管退火時，所述第二半導(dǎo)體材料層的爐管退火放置在步驟三之后以及步驟四之前進(jìn)行。

39、所述背面激光退火在步驟四完成之后進(jìn)行。

40、進(jìn)一步的改進(jìn)是，步驟五中，采用第二導(dǎo)電類型重?fù)诫s的背面離子注入形成所述集電區(qū)。

41、或者，當(dāng)步驟三中采用沉積工藝形成所述第二半導(dǎo)體材料層時，省略步驟五，在步驟三中，對所述第二半導(dǎo)體材料層進(jìn)行在位摻雜，由所述第二半導(dǎo)體材料層在位摻雜雜質(zhì)作為所述集電區(qū)的摻雜雜質(zhì)。

42、所述集電區(qū)的底部表面和所述第二半導(dǎo)體材料層的底部表面相平。

43、所述集電區(qū)的結(jié)深為1μm～5μm。

44、所述第二半導(dǎo)體材料層的厚度大于所述集電區(qū)的結(jié)深且所述第二半導(dǎo)體材料層的厚度為1μm～7μm。

45、進(jìn)一步的改進(jìn)是，所述柵極結(jié)構(gòu)為溝槽柵，所述柵介質(zhì)層形成于柵極溝槽的內(nèi)側(cè)表面，所述柵極導(dǎo)電材料層填充在所述柵極溝槽中，所述柵極溝槽縱向穿過所述阱區(qū)，被所述柵極結(jié)構(gòu)側(cè)面覆蓋的所述阱區(qū)表面作為所述溝道區(qū)。

46、或者，所述柵極結(jié)構(gòu)為平面柵，所述柵介質(zhì)層覆蓋在所述阱區(qū)的頂部表面上并延伸到和所述阱區(qū)相鄰的所述漂移區(qū)的頂部表面上，所述柵極導(dǎo)電材料層疊加在所述柵介質(zhì)層的頂部表面上，被所述柵極結(jié)構(gòu)從所述阱區(qū)的頂部側(cè)面覆蓋的所述阱區(qū)表面作為所述溝道區(qū)。

47、進(jìn)一步的改進(jìn)是，所述npt-igbt器件為n型器件，第一導(dǎo)電類型為n型，第二導(dǎo)電類型為p型；或者，所述npt-igbt器件為p型器件，第一導(dǎo)電類型為p型，第二導(dǎo)電類型為n型。

48、和現(xiàn)有技術(shù)中，npt-igbt器件的集電區(qū)直接在減薄后的半導(dǎo)體襯底背面進(jìn)行注入形成不同，本發(fā)明在半導(dǎo)體襯底背面減薄后，增加了在半導(dǎo)體襯底背面形成禁帶寬度更低的第二半導(dǎo)體材料層，在具有第二半導(dǎo)體材料層的基礎(chǔ)上形成集電區(qū)且降低集電區(qū)的頂部表面設(shè)置為第二半導(dǎo)體材料層的頂部表面以下，能使得集電區(qū)和集電區(qū)頂部的漂移區(qū)之間形成的背面pn結(jié)的界面位于第二半導(dǎo)體材料層內(nèi)部以及內(nèi)建空間電荷區(qū)的部分或全部位于第二半導(dǎo)體材料層內(nèi)部，所以，本發(fā)明的背面pn結(jié)的開啟電壓會由第二半導(dǎo)體材料層確定，而現(xiàn)有npt-igbt器件中背面pn結(jié)的開啟電壓則是由半導(dǎo)體襯底的材料確定；由于組成pn結(jié)的材料的禁帶寬度越低pn結(jié)的開啟電壓會越低，故本發(fā)明能實(shí)現(xiàn)背面pn結(jié)的組成材料的禁帶寬度降低，從而降低背面pn結(jié)的開啟電壓，也即本發(fā)明利用第二半導(dǎo)體材料層的禁帶寬度更低的特點(diǎn)來降低背面pn結(jié)的開啟電壓?？傊?，本發(fā)明能對集電區(qū)的材料進(jìn)行改進(jìn)，使集電區(qū)位于禁帶寬度比半導(dǎo)體襯底更低的第二半導(dǎo)體材料層內(nèi)部，從而能降低背面pn結(jié)的開啟電壓，并進(jìn)而降低整個器件的導(dǎo)通壓降以及導(dǎo)通損耗。