[发明专利]具有降低翘曲风险的反向导通闸控双极导通装置及方法

说明书

相关申请的交叉参考

本申请要求于2015年1月5日申请的美国专利申请书62/099,710的优先权，其通过引用并入本文。

背景技术

本申请涉及使用具有背面注入少数载体的双极导通的功率装置，更具体地涉及包括反向导通二极管的绝缘闸极双极晶体管(RC-IGBT)。

注意，下面讨论的点可能反映从所公开的申请中获得的后见，并且不一定被承认为现有技术。

绝缘闸极双极晶体管(IGBT)是一种主要用作电子开关的三端功率半导体装置，双极晶体管的动作由MOS控制闸极启动，(在概念上，IGBT可被认为是合并装置，其中场效控制晶体管控制对垂直双极晶体管的基极驱动)。IGBT结合了功率场效应晶体管与功率双极晶体管的许多优点。IGBT在许多现代设备中用于切换电力：变频驱动器(VFD)、电动车、火车、变速冰箱、灯镇流器、空调、甚至具有切换放大器的立体声系统。使用IGBT的放大器可使用脉冲宽度调制和低通滤波器合成复杂波形。

目前，IGBT的现有技术是利用所谓的场截止(FS)、或光穿通(LPT)、或软穿通(SPT)技术来优化n型缓冲层以防止在P型集电极(阳极)区附近的高电场。这些技术分别在以下出版物中描述，所有这些文献通过引用并入本文：T.Laska等人的“Short Circuit Properties of Trench/Field Stop IGBTs Design Aspects for a Superior Robustness”，Proc.ISPSD 2002；H.K.Nakamura等人的“Advanced Wide Cell Pitch IGBT Having Light Punch Through(LPT)Structures”，Proc.ISPSD 2002；M.Rahimo等人的“Extending the Boundary Limits of High Voltage IGBTs and Diodes to above 8KV”，Proc.ISPSD 2002。

与极薄(透明)P+集电极结合的具有n型缓冲层的精确设计的IGBT在装置击穿电压、导通损耗、和切换损耗方面具有非常有前途的权衡特性。这种先进IGBT的单位胞元结构在图2A和图2B中被显示。

图2A示出了没有反向导通能力的传统场截止IGBT(FS-IGBT)(因为此装置不包括体二极管)。图2B示出了具有反向导通(RC)能力的经过改进的传统结构。这是具有“短路阳极”结构的传统场截止反向导通型IGBT(RC-IGBT)，用于当装置处于飞轮操作时产生通过体二极管的反向导通的能力。

在这两种结构中，前表面组件覆盖n型漂移区200，并包括绝缘沟槽闸极230、浅n++源极区242、p型射极区244、和围绕射极区244的p型主体区246。在图2A中，背表面结构仅包括比漂移区200更重掺杂的n型缓冲层210和薄p+集电极区220。集电极侧金属镀层202与集电极区220欧姆接触。

图2B的装置具有不同的背表面结构。这里，集电极区220不覆盖整个背表面。相反，在一些位置处，n+二极管接触区212位于缓冲层210下方。

为了优化这些结构以获得最佳效能，N-缓冲层和P+阳极的深度(或厚度)是非常关键的。N-缓冲的深度通常在几微米(～2um)的范围内，并且P+阳极的深度小于一微米(～0.5um)。用于形成具有这种小尺寸的这些层的目前的制作过程是将N-晶圆研磨至适当的厚度。例如，对于600V FS-IGBT，晶圆厚度约为70um，而对于1200V FS-IGBT，晶圆厚度约为110um。

然后，通过使用或不使用掩膜从晶圆背面注入n型掺杂剂(例如磷)和p型掺杂剂(例如硼)来完成N-缓冲和P+阳极的结构。这些掺杂剂的激活通过雷射退火或炉退火来进行。然而，为了以最小偏差实现良好性能，这些退火程序的热预算是非常关键的，并且必须精确控制以便在退火程序期间使掺杂剂重新分布和层深度的变化最小化。

然而，从制造的观点来看在薄晶圆上执行这些程序步骤是非常具有挑战性的。众所周知，薄晶圆不太稳定，并且在处理期间更易于受到应力、断裂和翘曲。这些事件不仅会在基板研磨期间发生，而且会在包括注入、退火和蚀刻以及掩膜的后续程序步骤中发生。改进这些问题的当前技术是使用与特殊晶圆支撑系统和载体结合的暂时晶圆。遗憾的是，这些技术增加了制造程序的复杂性并增加了制造成本。

发明内容