專利名稱：一種具有內(nèi)置二極管的igbt結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及半導(dǎo)體設(shè)計(jì)及制造技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種具有內(nèi)置二極管的IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor,絕緣柵雙極晶體管)結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
IGBT 結(jié)合了功率 MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor-Field-Effect-Transistor，金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管)及功率晶體管的優(yōu)點(diǎn)，具有工作頻率高，控制電路簡單，電流密度高，通態(tài)壓低等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于功率控制領(lǐng)域。在實(shí)際應(yīng)用中，IGBT很少作為一個獨(dú)立器件使用，尤其在感性負(fù)載的條件下，IGBT需要一個快恢復(fù)二極管續(xù)流。因此現(xiàn)有的IGBT產(chǎn)品，一般采用反并聯(lián)一個二極管以起到續(xù)流作用，保護(hù)IGBT。為降低成本，反并聯(lián)的二極管可以集成在IGBT芯片內(nèi)，即集成反并聯(lián)二極管的IGBT或具有內(nèi)置二極管的IGBT。圖I為典型的具有內(nèi)置二極管的IGBT結(jié)構(gòu)剖面圖。如圖I所示，以η溝道IGBT為例，該IGBT包括半導(dǎo)體襯底207’，形成在襯底207’中的兩個P型阱區(qū)206’，分別形成在每個P型阱區(qū)206’中的表面區(qū)域的η型源區(qū)205’，依次形成在半導(dǎo)體襯底207’的正面上的第一絕緣層204’、多晶硅層203’、第二絕緣層202’和金屬電極201’，形成在半導(dǎo)體襯底207’的背面上的P型集電區(qū)208’、η型集電區(qū)209’和金屬電極210’。其中，半導(dǎo)體襯底207’為η-漂移區(qū)，多晶硅層203’為門極，金屬電極210’連接P型集電區(qū)208’和η型集電區(qū)209’構(gòu)成集電極，金屬電極201’連接兩個ρ型阱區(qū)206’和兩個η型源區(qū)205’構(gòu)成發(fā)射極。集成反并聯(lián)二極管的IGBT的背面區(qū)域引入η型集電區(qū)的209’，由于η型集電區(qū)209’相對ρ型阱區(qū)206’的位置變化將會引起器件過流路徑的變化，從而導(dǎo)致器件性能發(fā)生變化。因此，為保證產(chǎn)品性能一致性，在制作集成反并聯(lián)二極管的IGBT的背面區(qū)域時，在光刻工藝中，需要將晶圓背面的掩膜板(mask)圖案與已形成的晶圓正面結(jié)構(gòu)的圖案進(jìn)行對準(zhǔn)。由于在進(jìn)行背面光刻時，晶圓已經(jīng)翻轉(zhuǎn)為背面朝上，普通的單面光刻機(jī)無法利用正面的對準(zhǔn)標(biāo)記，故背面的η型集電區(qū)的209’的圖案無法與正面結(jié)構(gòu)的圖案對準(zhǔn)，需要采用昂貴的雙面光刻機(jī)。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的旨在至少解決上述技術(shù)缺陷，特別是解決具有內(nèi)置二極管的IGBT的背面結(jié)構(gòu)與正面結(jié)構(gòu)的需要采用昂貴的雙面光刻機(jī)才能對準(zhǔn)的問題，提供一種具有內(nèi)置二極管的IGBT結(jié)構(gòu)，利用單面光刻機(jī)完成晶圓背面結(jié)構(gòu)與正面結(jié)構(gòu)的自對準(zhǔn)，并且提聞器件的穩(wěn)定性。為達(dá)到上述目的，本實(shí)用新型一方面提出了一種具有內(nèi)置二極管的IGBT結(jié)構(gòu)，包括半導(dǎo)體襯底；多個條形元胞區(qū)，所述多個條形元胞區(qū)形成在所述半導(dǎo)體襯底的第一表面，且沿第一方向平行排列，每個所述條形元胞區(qū)包括形成在所述半導(dǎo)體襯底中的第一阱區(qū)和第二阱區(qū)，位于所述第一阱區(qū)和第二阱區(qū)之間的積累區(qū)，形成在所述第一阱區(qū)中的第一源區(qū)，形成在所述第二阱區(qū)中的第二源區(qū)，和形成在所述半導(dǎo)體襯底上的第一絕緣層、柵極層、第二絕緣層、第一金屬層，其中，所述第一絕緣層覆蓋部分所述第一源區(qū)、部分所述第一阱區(qū)、所述積累區(qū)、部分所述第二阱區(qū)、部分所述第二源區(qū)，所述柵極層形成在所述第一絕緣層上，所述第二絕緣層覆蓋部分所述第一源區(qū)、所述柵極層、部分所述第二源區(qū)，所述第一金屬層覆蓋部分所述第一阱區(qū)、部分所述第一源區(qū)、所述第二絕緣層、部分所述第二源區(qū)、部分所述第二阱區(qū)；和第一類型條形摻雜區(qū)和多個第二類型條形摻雜區(qū)，所述第一類型條形摻雜區(qū)形成在所述半導(dǎo)體襯底的第二表面，所述第一類型條型摻雜區(qū)沿第一方向或第二方向間隔設(shè)有平行排列的多個溝槽，所述多個第二類型條型摻雜區(qū)形成在所述第一類型條型摻雜區(qū)的多個溝槽中，所述第二方向和第一方向相互垂直，所述多個第二類型條形摻雜區(qū)上形成有第二金屬層。其中，第一類型條形摻雜區(qū)和多個第二類型條型摻雜區(qū)分布為第一類型集電區(qū)和第二類型集電區(qū)，第一類型集電區(qū)與條形元胞區(qū)構(gòu)成IGBT結(jié)構(gòu)，第二類型集電區(qū)與條形元胞區(qū)構(gòu)成MOSFET結(jié)構(gòu)，MOSFET結(jié)構(gòu)寄生的二極管構(gòu)成IGBT的反并聯(lián)二極管。在本實(shí)用新型的一個實(shí)施例中，所述第一類型條型摻雜區(qū)沿第一方向或第二方·向間隔設(shè)有的多個平行排列的溝槽大小相同。在本實(shí)用新型的一個實(shí)施例中，所述多個平等排列的溝槽之間的間隔大小相同。在本實(shí)用新型的一個實(shí)施例中，所述半導(dǎo)體襯底為半導(dǎo)體晶圓，所述第一方向平行或垂直于所述半導(dǎo)體晶圓的主平邊。借助晶圓的主平邊可以方便地實(shí)現(xiàn)晶圓正面條形元胞區(qū)和背面條形摻雜區(qū)的自對準(zhǔn)。在本實(shí)用新型的一個實(shí)施例中，相鄰的第一類型條形摻雜區(qū)和第二類型條形摻雜區(qū)之間的間距D滿足D彡O。在本實(shí)用新型的一個實(shí)施例中，所述半導(dǎo)體襯底為第一類型輕摻雜，所述第一阱區(qū)和第二阱區(qū)為第二類型摻雜，所述第一源區(qū)和第二源區(qū)為第一類型摻雜。本實(shí)用新型提供一種具有內(nèi)置二極管的IGBT結(jié)構(gòu)，通過在半導(dǎo)體襯底的正面形成條形元胞區(qū)，在半導(dǎo)體襯底的背面形成交替平行排列的P型和η型條形摻雜區(qū)，正面條形元胞區(qū)和背面P型和η型條形摻雜區(qū)相互垂直，從而實(shí)現(xiàn)在制造IGBT的過程中，利用單面光刻機(jī)即可方便地完成晶圓背面結(jié)構(gòu)與正面結(jié)構(gòu)的自對準(zhǔn)。并且，通過調(diào)整P型條形摻雜區(qū)與η型條形摻雜區(qū)的寬度比例，可以優(yōu)化器件性能。此外，根據(jù)本實(shí)用新型實(shí)施例的具有內(nèi)置二極管的IGBT由于結(jié)構(gòu)分布均勻，器件工作時電流、功耗、溫度等分布均勻，從而增強(qiáng)器件的穩(wěn)定性。本實(shí)用新型附加的方面和優(yōu)點(diǎn)將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變得明顯，或通過本實(shí)用新型的實(shí)踐了解到。

本實(shí)用新型上述的和/或附加的方面和優(yōu)點(diǎn)從
以下結(jié)合附圖對實(shí)施例的描述中將變得明顯和容易理解，其中圖I為典型的具有內(nèi)置二極管的IGBT結(jié)構(gòu)剖面圖；圖2為本實(shí)用新型實(shí)施例的晶圓第一表面的條形元胞和第二表面的P型和η型條形摻雜區(qū)的分布示意圖；[0018]圖3為本實(shí)用新型另一實(shí)施例的晶圓第一表面的條形元胞和第二表面的P型和η型條形摻雜區(qū)的分布示意圖；圖4為圖2或圖3所示的具有內(nèi)置二極管的IGBT晶圓的立體示意圖。
具體實(shí)施方式
下面詳細(xì)描述本實(shí)用新型的實(shí)施例，所述實(shí)施例的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標(biāo)號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附圖描述的實(shí)施例是示例性的，僅用于解釋本實(shí)用新型，而不能解釋為對本實(shí)用新型的限制。在本實(shí)用新型的描述中，需要理解的是，術(shù)語“中心”、“縱向”、“橫向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“豎直”、“水平”、“頂”、“底” “內(nèi)”、“外”等指示的方位或位置關(guān)系為
基于附圖所示的方位或位置關(guān)系，僅是為了便于描述本實(shí)用新型和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構(gòu)造和操作，因此不能理解為對本實(shí)用新型的限制。需要說明的是，此外，術(shù)語“第一”、“第二”僅用于描述目的，而不能理解為指示或暗示相對重要性或者隱含指明所指示的技術(shù)特征的數(shù)量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隱含地包括一個或者更多個該特征。進(jìn)一步地，在本實(shí)用新型的描述中，除非另有說明，“多個”的含義是兩個或兩個以上。本實(shí)用新型提供一種具有內(nèi)置二極管的IGBT結(jié)構(gòu)，如圖2和圖3所示，該IGBT結(jié)構(gòu)包括半導(dǎo)體襯底，形成在半導(dǎo)體襯底的第一表面100的沿第一方向平行排列的多個條形元胞區(qū)1，形成在半導(dǎo)體襯底的第二表面200的沿第二方向交替平行排列的多個第一類型條形摻雜區(qū)2和多個第二類型條形摻雜區(qū)3。在本實(shí)用新型各實(shí)施例中，將半導(dǎo)體襯底的第一表面100定義為正面，將半導(dǎo)體襯底的第二表面200定義為背面；且將第一類型摻雜定義為η型摻雜，將第二類型摻雜定義為ρ型摻雜。上述限定僅為描述方便起見，因此不能理解為對本實(shí)用新型的限制，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解，與之相反的限定，同樣可以實(shí)現(xiàn)本實(shí)用新型。其中，第一方向和第二方向相互垂直，從而在光刻形成半導(dǎo)體襯底背面的結(jié)構(gòu)圖案時，不需要將襯底背面的mask圖案與已形成的襯底正面結(jié)構(gòu)的圖案進(jìn)行對準(zhǔn)，只需保證襯底背面的mask圖案中的條紋方向與襯底正面的條形元胞區(qū)的方向相互垂直，從而達(dá)到正面結(jié)構(gòu)圖案和背面結(jié)構(gòu)圖案自對準(zhǔn)的目的。半導(dǎo)體襯底包括但不限于基本半導(dǎo)體，例如硅、鍺、金剛石，或化合物半導(dǎo)體，例如碳化硅、砷化鎵、砷化銦或者磷化銦。半導(dǎo)體襯底可以可選地包括外延層，可以包括各種摻雜配置，可以被應(yīng)力改變以增強(qiáng)其性能，以及也可以包括絕緣體上硅(SOI)結(jié)構(gòu)。在本實(shí)施例中，半導(dǎo)體襯底可以為η型輕摻雜襯底。圖2和圖3分別為本實(shí)用新型兩個實(shí)施例的晶圓正面的條形元胞和背面的P型和η型條形摻雜區(qū)的分布示意圖。由于半導(dǎo)體襯底通?？梢詾榘雽?dǎo)體晶圓，因此在本實(shí)用新型優(yōu)選的實(shí)施例中，可以借助晶圓的主平邊，將正面100的條形元胞區(qū)I的條紋方向(即第一方向)設(shè)置為與主平邊平行，將背面200的ρ型條形摻雜區(qū)2和η型條形摻雜區(qū)3的條紋方向(即第二方向)設(shè)置為與主平邊垂直，如圖2所示；或者將正面100的條形元胞區(qū)I的條紋方向設(shè)置為與主平邊垂直，將背面200的ρ型條形摻雜區(qū)2和η型條形摻雜區(qū)3的條紋方向設(shè)置為與主平邊平行，如圖3所示。從而方便地實(shí)現(xiàn)晶圓正面條形元胞區(qū)和背面條形摻雜區(qū)的自對準(zhǔn)。需指出的是，根據(jù)本實(shí)用新型實(shí)施例的具有內(nèi)置二極管的IGBT結(jié)構(gòu)，還可以通過調(diào)整P型條形摻雜區(qū)與η型條形摻雜區(qū)的寬度比例，優(yōu)化器件性能。圖4為圖2或圖3所示的具有內(nèi)置二極管的IGBT晶圓的立體示意圖。其中，正面100的條形元胞區(qū)I的結(jié)構(gòu)同樣可以參考圖4。如圖4所示，條形元胞區(qū)I包括形成在半導(dǎo)體襯底300中的第一阱區(qū)101和第二阱區(qū)102，形成在第一阱區(qū)101和第二阱區(qū)102之間的半導(dǎo)體襯底300中的積累區(qū)105，形成在第一阱區(qū)101中的第一源區(qū)103，形成在第二阱區(qū)102中的第二源區(qū)104，和依次堆疊形成在半導(dǎo)體襯底300上的第一絕緣層106、柵極層107、第二絕緣層108、第一金屬層109。其中，第一絕緣層107覆蓋部分第一源區(qū)103、部分第一阱區(qū)101、積累區(qū)105、部分第二阱區(qū)102、部分第二源區(qū)104 ;柵極層107形成在第一絕緣層106上，柵極層107的材料可以為多晶硅；第二絕緣層108覆蓋部分第一源區(qū)103、柵極層107、部分第二源區(qū)104，第二絕緣層108用于隔離柵極層107和第一金屬層109，絕緣層的材料包括氧化硅、氧化氮等介質(zhì)材料；第一金屬層109覆蓋部分第一阱區(qū)101、部分第 一源區(qū)103、第二絕緣層108、部分第二源區(qū)104、部分第二阱區(qū)102。如圖4所示，襯底的背面200的表面形成有η型條型摻雜區(qū)3，所述η型條型摻雜區(qū)3沿第一方向或者第二方向間隔設(shè)有平行排列的多個溝槽，多個ρ型條型摻雜區(qū)2形成在η型條型摻雜區(qū)3的多個溝槽中。所述多個P型條型摻雜區(qū)2形成在η型條型摻雜區(qū)3的多個溝槽中，這種結(jié)構(gòu)可以縮短器件導(dǎo)通時的電流路徑，降低器件導(dǎo)通的導(dǎo)通損耗，而且可以縮短器件關(guān)斷時的關(guān)斷時間，降低關(guān)斷損耗。需要說明的是，η型條型摻雜區(qū)3沿第一方向或第二方向間隔設(shè)有的多個平行排列的溝槽大小相同，也可以不相同。需要說明的是，η型條型摻雜區(qū)3沿第一方向或第二方向間隔設(shè)有的多個平等排列的溝槽之間的間隔大小相同，也可以不相同。其中，η型條型摻雜區(qū)3和多個ρ型條型摻雜區(qū)2的延伸方向與條形元胞區(qū)I所包含的各個區(qū)域的延伸方向相互垂直。其中，多個P型條形摻雜區(qū)2為ρ型集電區(qū)2，η型條型摻雜區(qū)3為η型集電區(qū)3。ρ型集電區(qū)2和η型集電區(qū)3上形成有第二金屬層201，用于連接P型集電區(qū)和η型集電區(qū)構(gòu)成集電極；柵極層107構(gòu)成門極；第一金屬層109連接第一阱區(qū)101、第一源區(qū)103、第二阱區(qū)102、第二源區(qū)104構(gòu)成發(fā)射極。ρ型集電區(qū)2與條形元胞區(qū)I構(gòu)成IGBT結(jié)構(gòu)，η型集電區(qū)3與條形元胞區(qū)I構(gòu)成MOSFET結(jié)構(gòu)，MOSFET結(jié)構(gòu)寄生的二極管構(gòu)成IGBT的反并聯(lián)二極管。需說明的是，相鄰的ρ型條形摻雜區(qū)2和η型條形摻雜區(qū)3之間的間距D滿足D彡0，即η型條形摻雜區(qū)3與其相鄰的ρ型條形摻雜區(qū)2可以存在一定的間距，同樣的ρ型條形摻雜區(qū)2與其相鄰的η型條形摻雜區(qū)3可以存在一定的間距。圖2和圖3中僅示出D=O的情況。需說明的是，本實(shí)用新型實(shí)施例以η溝道IGBT為例描述，對于ρ溝道IGBT可以參考本實(shí)用新型實(shí)施例進(jìn)行，在此不再贅述。η溝道IGBT器件各部分的摻雜情況可以如下半導(dǎo)體襯底300為η型輕摻雜，第一阱區(qū)101和第二阱區(qū)102為ρ型摻雜，積累區(qū)位于第一阱區(qū)101和第二阱區(qū)102的表面，即積累區(qū)為ρ型摻雜，第一源區(qū)103和第二源區(qū)104為η型摻雜。本實(shí)用新型提供一種具有內(nèi)置二極管的IGBT結(jié)構(gòu)，通過在半導(dǎo)體襯底的正面形成條形元胞區(qū)，在半導(dǎo)體襯底的背面形成交替平行排列的P型和η型條形摻雜區(qū)，正面條形元胞區(qū)和背面P型和η型條形摻雜區(qū)相互垂直，從而實(shí)現(xiàn)在制造IGBT的過程中，利用單面光刻機(jī)即可方便地完成晶圓背面結(jié)構(gòu)與正面結(jié)構(gòu)的自對準(zhǔn)。并且，通過調(diào)整P型條形摻雜區(qū)與η型條形摻雜區(qū)的寬度比例，可以優(yōu)化器件性能。此外，根據(jù)本實(shí)用新型實(shí)施例的具有內(nèi)置二極管的IGBT由于結(jié)構(gòu)分布均勻，器件工作時電流、功耗、溫度等分布均勻，從而增強(qiáng)器件的穩(wěn)定性。 在本說明書的描述中，參考術(shù)語“ 一個實(shí)施例”、“ 一些實(shí)施例”、“示例”、“具體示例”、或“一些示例”等的描述意指結(jié)合該實(shí)施例或示例描述的具體特征、結(jié)構(gòu)、材料或者特點(diǎn)包含于本實(shí)用新型的至少一個實(shí)施例或示例中。在本說明書中，對上述術(shù)語的示意性表述不一定指的是相同的實(shí)施例或示例。而且，描述的具體特征、結(jié)構(gòu)、材料或者特點(diǎn)可以在任何的一個或多個實(shí)施例或示例中以合適的方式結(jié)合。盡管已經(jīng)示出和描述了本實(shí)用新型的實(shí)施例，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，可以理解在不脫離本實(shí)用新型的原理和精神的情況下可以對這些實(shí)施例進(jìn)行多種變化、修改、替換和變型，本實(shí)用新型的范圍由所附權(quán)利要求及其等同限定。
權(quán)利要求1.一種具有內(nèi)置二極管的IGBT結(jié)構(gòu)，其特征在于，包括 半導(dǎo)體襯底； 多個條形元胞區(qū)，所述多個條形元胞區(qū)形成在所述半導(dǎo)體襯底的第一表面，且沿第一方向平行排列，每個所述條形元胞區(qū)包括形成在所述半導(dǎo)體襯底中的第一阱區(qū)和第二阱區(qū)，位于所述第一阱區(qū)和第二阱區(qū)之間的積累區(qū)，形成在所述第一阱區(qū)中的第一源區(qū)，形成在所述第二阱區(qū)中的第二源區(qū)，和形成在所述半導(dǎo)體襯底上的第一絕緣層、柵極層、第二絕緣層、第一金屬層，其中，所述第一絕緣層覆蓋部分所述第一源區(qū)、部分所述第一阱區(qū)、所述積累區(qū)、部分所述第二阱區(qū)、部分所述第二源區(qū)，所述柵極層形成在所述第一絕緣層上，所述第二絕緣層覆蓋部分所述第一源區(qū)、所述柵極層、部分所述第二源區(qū)，所述第一金屬層覆蓋部分所述第一阱區(qū)、部分所述第一源區(qū)、所述第二絕緣層、部分所述第二源區(qū)、部分所述第二阱區(qū)；和 第一類型條形摻雜區(qū)和多個第二類型條形摻雜區(qū)，所述第一類型條形摻雜區(qū)形成在所述半導(dǎo)體襯底的第二表面，所述第一類型條型摻雜區(qū)沿第一方向或第二方向間隔設(shè)有多個平行排列的溝槽，所述多個第二類型條型摻雜區(qū)形成在所述第一類型條型摻雜區(qū)的多個溝槽中，所述第二方向和第一方向相互垂直，所述多個第二類型條形摻雜區(qū)上形成有第二金屬層。
2.如權(quán)利要求I所述的具有內(nèi)置二極管的IGBT結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述多個平行排列的溝槽大小相同。
3.如權(quán)利要求I或2所述的具有內(nèi)置二極管的IGBT結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述相鄰兩個溝槽之間的間隔相同。
4.如權(quán)利要求I所述的具有內(nèi)置二極管的IGBT結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述半導(dǎo)體襯底為半導(dǎo)體晶圓，所述第一方向平行或垂直于所述半導(dǎo)體晶圓的主平邊。
5.如權(quán)利要求I所述的具有內(nèi)置二極管的IGBT結(jié)構(gòu)，其特征在于，相鄰的第一類型條形摻雜區(qū)和第二類型條形摻雜區(qū)之間的間距D滿足D > O。
6.如權(quán)利要求I所述的具有內(nèi)置二極管的IGBT結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述半導(dǎo)體襯底為第一類型輕摻雜，所述第一阱區(qū)和第二阱區(qū)為第二類型摻雜，所述第一源區(qū)和第二源區(qū)為第一類型摻雜。
專利摘要本實(shí)用新型提供一種具有內(nèi)置二極管的IGBT結(jié)構(gòu)，通過在半導(dǎo)體襯底的正面形成條形元胞區(qū)，在半導(dǎo)體襯底的背面形成交替平行排列的p型和n型條形摻雜區(qū)，正面條形元胞區(qū)和背面p型和n型條形摻雜區(qū)相互垂直，從而實(shí)現(xiàn)在制造IGBT的過程中,利用單面光刻機(jī)即可方便地完成晶圓背面結(jié)構(gòu)與正面結(jié)構(gòu)的自對準(zhǔn)。并且，通過調(diào)整p型條形摻雜區(qū)與n型條形摻雜區(qū)的寬度比例，可以優(yōu)化器件性能。此外，根據(jù)本實(shí)用新型實(shí)施例的具有內(nèi)置二極管的IGBT由于結(jié)構(gòu)分布均勻，器件工作時電流、功耗、溫度等分布均勻，從而增強(qiáng)器件的穩(wěn)定性。
文檔編號H01L29/739GK202796960SQ201220337320
公開日2013年3月13日 申請日期2012年7月12日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月12日
發(fā)明者肖秀光, 劉鵬飛, 吳海平 申請人:寧波比亞迪半導(dǎo)體有限公司