一种内置温度传感器的IGBT器件及其制备方法与流程

一种内置温度传感器的igbt器件及其制备方法
技术领域
1.本发明涉及igbt器件制备技术领域，具体涉及一种内置温度传感器的igbt器件及其制备方法。


背景技术：

2.igbt是一种大功率半导体分立器件，结合了mos器件高开关频率，易于控制和bjt器件的大电流处理能力能等优点，在工业变频、消费电子、轨道交通、新能源、航天航空等领域有着广泛的应用。作为电力电子系统的核心部件，过高温度会导致igbt芯片损坏，过高的温度波动也会缩短其使用寿命，因此为了更好的发挥igbt芯片的性能，有必要在芯片内部集成温度监控的传感器，对其温度进行实时监控。
3.一种可行的解决方案是在igbt芯片内部通过掺杂的方式集成一个横向的测温二极管，但是由于该二极管的阴极引出区域为n 掺杂，n 掺杂区的下方依次为p型阱区，n漂移区，igbt器件p阳极，所以在纵向方向上形成了n pnp的结构，容易触发闩锁效应而损坏器件，同时连接到该测温二极管驱动电路也会遭到破坏。
4.另一种解决方案是在沟槽栅igbt芯片的陪栅内集成多晶硅的测温二极管，如附图1-2，由于陪栅内的多晶硅与igbt芯片的有源区之间有栅氧化层，在电学上是隔离的，所以避免了闩锁效应。但是，由于栅氧化层的绝缘作用，增大了igbt芯片有源区到测温二极管之间的传导热阻，从材料热导率的角度分析，二氧化硅的热导率比单晶硅低了两个数量级，比多晶硅低了一个数量级，因此，即使是很薄的栅氧化层，也会极大的增加热传导路径上的热阻，使得多晶硅二极管区域的温度不能真实的反应芯片有源区的温度，影响芯片温度监控的效果。


技术实现要素：

5.有鉴于此，有必要提供一种内置温度传感器的igbt器件及其制备方法，以提高igbt器件中内置温度传感器的检测准确度。
6.为了实现上述目的，本发明提供了一种内置温度传感器的igbt器件，包括：温度传感器部分和igbt部分，所述igbt部分包括igbt芯片，温度传感器部分位于igbt芯片的陪区；温度传感器部分包括n型多晶硅区、p型多晶硅区、栅氧化层、介质隔离层和金属层；所述n型多晶硅区与栅氧化层的侧壁均包括多个凸起部，且所述n型多晶硅区侧壁的多个凸起部与所述栅氧化层侧壁的多个凸起部一一对应。
7.优选的，所述n型多晶硅区侧壁的多个凸起部和所述栅氧化层侧壁的多个凸起部为方形凸起或者锯齿凸起。
8.优选的，所述温度传感器部分的截面包括多晶硅二极管区，所述igbt部分包括igbt元胞区，所述多晶硅二极管区和igbt元胞区均包括p型阱区，所述金属层包括顶部金属
层和底部金属层。
9.优选的，所述多晶硅二极管区自底向顶包括底部金属层，底部金属层上方的n型单晶硅衬底，所述n型单晶硅衬底上方的p型阱区，所述p型阱区中部的n型多晶硅区，所述n型多晶硅区上方的p型多晶硅区，包覆所述n型多晶硅区、p型多晶硅区的栅氧化层，所述p型阱区上方的介质隔离层，所述介质隔离层上方的顶部金属层。
10.优选的，所述igbt元胞区自底向顶包括底部金属层，底部金属层上方的n型单晶硅衬底，所述n型单晶硅衬底上方的p型阱区，所述p型阱区中部的n型多晶硅区，包覆所述n型多晶硅区的栅氧化层，所述p型阱区上方的介质隔离层，所述介质隔离层上方的顶部金属层。
11.为了实现上述目的，本发明还提供了一种内置温度传感器的igbt器件的制备方法，包括如下步骤：s1、基于locos隔离工艺在多晶硅二极管区和igbt元胞区分别利用n型单晶硅晶圆作为衬底进行选择性场区氧化层生长，在所述多晶硅二极管区和igbt元胞区均注入硼离子，得到p型阱区；s2、在所述igbt元胞区与多晶硅二极管区分别在p型阱区进行沟槽刻蚀，在沟槽中生长牺牲氧化层，当所述场区氧化层生长达到第一预设厚度时，去除牺牲氧化层，继续场区氧化层生长到第二预设厚度，基于lpcvd工艺在所述沟槽内进行n型多晶硅生长，刻蚀所述n型多晶硅区形成栅电极；s3、在所述多晶硅二极管区的阳极接触区域进行选择性p型多晶硅掺杂，得到p型多晶硅区；s4、在所述igbt元胞区进行源极的n型掺杂，得到n型硅区；s5、在所述igbt元胞区与多晶硅二极管区分别进行介质沉积和接触孔刻蚀，得到介质隔离层；s6、在所述igbt元胞区与多晶硅二极管区分别正面金属化，背面减薄与金属化，得到金属层。
12.优选的，所述步骤s3，包括：在所述多晶硅二极管区的阳极接触区域进行硼离子注入，其中，注入剂量为2e14-8e15，注入能量为20-150kev；去胶后炉管退火激活杂质，得到所述p型多晶硅区，其中，炉管退火温度为600-1000℃，炉管退火时间为30-60min。
13.优选的，所述步骤s4，包括：在所述igbt元胞区进行源极的p 离子注入，其中，注入剂量为1e15-8e15，注入能量为40-80kev；在所述igbt元胞区进行源极的as 离子，其中，注入剂量为1e15-8e15，注入能量为40-100kev；去胶后炉管退火，得到所述n型硅区，其中，炉管退火温度为800-1000℃，炉管退火时间为30-60min。
14.优选的，所述步骤s5，包括：在所述igbt元胞区与多晶硅二极管区分别进行介质沉积，得到usg bpsg的双层结
构，刻蚀接触孔；在所述接触孔区域注入bf2离子，其中，注入剂量为5e14-8e15，注入能量为20-80kev；在所述接触孔区域注入b 离子，其中，注入剂量为1e14-5e15，注入能量为40-100kev；去胶后炉管退火，其中，炉管退火温度为700-1000℃，炉管退火时间为30-60min。
15.优选的，所述步骤s6，包括：在所述igbt元胞区与多晶硅二极管区分别进行正面淀积得到顶部金属层；在所述igbt元胞区与多晶硅二极管区分别进行晶圆背面研磨，去除二氧化硅/多晶硅/fz单晶衬底，并进行厚度减薄；继续进行背面金属淀积，得到所述底部金属层。
16.采用上述实施例的有益效果是：本发明将多晶硅二极管（温度传感器）的侧壁设计成凸起结构，这样在栅氧生长工艺中，在侧壁的凸角或者凹角的位置会形成局部的栅氧化层减薄效果，同时凸起的结构也增大了多晶硅二极管与igbt芯片有源区之间的正对接触面积，降低了传导热阻，提升了二极管温度传感器的测温准确度。
17.进一步的，多晶硅二极管阳极和阴极的接触孔也可以设计在侧壁的凸起结构中，这样增大了接触孔设计的最小线宽，降低了对接触孔刻蚀工艺的要求和依赖程度。同时，相对于在芯片有源区进行n 和p 掺杂形成的单晶硅二极管，本发明中提出的多晶硅二极管与芯片有源区在电学上隔离，避免了闩锁效应对功率器件和驱动电路的损坏。
18.附图说明
19.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
20.图1-2为现有技术中在沟槽栅igbt芯片的陪栅内集成多晶硅的测温二极管以及其截面一个实施例的结构示意图；图3为本发明提供的内置温度传感器的igbt器件进行温度传感的一实施例的电路原理示意图；图4-5为本发明提供的内置温度传感器的igbt器件中温度传感器部分以及其截面的一个实施例的结构示意图；图6-7为本发明提供的内置温度传感器的igbt器件中温度传感器部分以及其截面的另一个实施例的结构示意图；图8-图13为本发明提供的内置温度传感器的igbt器件进行制备时igbt器件的结构变化示意图。
21.具体实施方式
22.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
23.为了进一步描述本发明的背景技术，请查阅图1-2，图1-2为现有技术中在沟槽栅igbt芯片的陪栅内集成多晶硅的测温二极管以及其截面一个实施例的结构示意图。
24.图1显示的是沟槽栅igbt芯片的陪栅区域，其包括n型多晶硅区101、p型多晶硅区102、栅氧化层103、单晶硅区104以及顶部金属层105。图2显示的陪栅区域在a-a’和b-b’的截面图，相比图1，其还包括介质隔离层106、n型单晶硅衬底107、p型阱区108和底部金属层110，其中n型单晶硅衬底107实际上就是单晶硅区104。
25.在该现有技术中，由于陪栅内的多晶硅区（n型多晶硅区101、p型多晶硅区102）与igbt芯片有源区（通过与顶部金属层105电性耦接）之间有栅氧化层103，在电学上是隔离的，所以避免了闩锁效应。一般而言，igbt芯片有源区与测温二极管直接电性耦接，但是，由于栅氧化层103（一般是二氧化硅作为材料）的绝缘作用，增大了igbt芯片有源区到测温二极管之间的传导热阻，从材料热导率的角度分析，如下表1所示：表1：由表1可知，二氧化硅（即栅氧化层103）的热导率比单晶硅低了两个数量级，比多晶硅低了一个数量级，因此，即使是很薄的栅氧化层103，也会极大的增加热传导路径上的热阻，使得多晶硅二极管区域的温度不能真实的反应igbt芯片有源区的温度，影响芯片温度监控的效果。
26.因此，为了提高igbt器件中内置温度传感器的检测准确度，进而提供igbt芯片温度监控效果，本发明实施例提供了一种内置温度传感器的igbt器件及其制备方法，以下分别进行说明。
27.参阅图3，图3为本发明提供的内置温度传感器的igbt器件进行温度传感的一实施例的电路原理示意图。
28.在本实施例中，该内置温度传感器的igbt器件10与比较器模块20通过温度传感器二极管的阳极连接，比较器模块20由基准电流源iref和比较器组成，通过引线与igbt器件10上集成的温度传感器二极管连接，温度传感器二极管位于igbt器件10的陪栅区内，因此不会对igbt的正常工作造成影响，当igbt芯片内部的温度发生变化时，会影响二极管的正向压降vf，从而反馈到比较器的输入端，实现温度监控。
29.在本发明的实施例中，本发明提供了一种内置温度传感器的igbt器件，其包括：温度传感器部分和igbt部分，所述igbt部分包括igbt芯片，且包括温度传感器部分位于igbt芯片的陪区，具体的，温度传感器部分包括n型多晶硅区101、p型多晶硅区102、栅氧化层103、介质隔离层106和金属层；所述n型多晶硅区101和p型多晶硅区102分别通过介质隔离层106上的接触孔与所述温敏二极管的阴极和阳极连接，阴极和阳极金属再与外电路连接；所述n型多晶硅区101与栅氧化层103的侧壁均包括多个凸起部，且所述n型多晶硅区101侧壁的多个凸起部与所述栅氧化层103侧壁的多个凸起部一一对应。
30.具体的，将多晶硅区（一般为n型多晶硅区101）的侧壁设计成带有多个凸起结构，这样在栅氧生长工艺中，在侧壁的凸角或者凹角的位置会形成局部的栅氧化层103减薄效果，同时凸起的结构也增大了多晶硅区与igbt芯片有源区之间的正对接触面积，降低了传导热阻，提升了二极管温度传感器的测温准确度。另一方面，二极管阳极和阴极的接触孔也可以设计在侧壁的凸起结构中，这样增大了接触孔设计的最小线宽，降低了对接触孔刻蚀工艺的要求和依赖程度。同时，相对于在芯片有源区进行n 和p 掺杂形成的单晶硅二极管，本发明中提出的多晶硅二极管与芯片有源区在电学上隔离，避免了闩锁效应对功率器件和驱动电路的损坏。
31.作为优选的实施例，所述n型多晶硅区101侧壁的多个凸起部和所述栅氧化层103侧壁的多个凸起部为方形凸起或者锯齿凸起。请参阅图4-5，图4-5为本发明提供的内置温度传感器的igbt器件中温度传感器部分以及其截面的一个实施例的结构示意图。可以理解的是，图4-5为n型多晶硅区101侧壁的多个凸起部和所述栅氧化层103侧壁的多个凸起部为方形凸起的结构示意图。
32.在本实施例中，所述温度传感器部分包括阳极截面（即a-a’截面对应部分）和阴极截面，而阴极截面与igbt元胞区（b-b
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截面对应部分）相连，所述多晶硅二极管区和igbt元胞区均包括p型阱区107和p型阱区108，所述金属层包括顶部金属层105和底部金属层110。
33.在本实施例中，所述多晶硅二极管区自底向顶包括底部金属层110，底部金属层110上方的n型单晶硅衬底107，所述n型单晶硅衬底107上方的p型阱区108，所述p型阱区108中部的n型多晶硅区101，所述n型多晶硅区101上方的p型多晶硅区102，包覆所述n型多晶硅区101和p型多晶硅区102的栅氧化层103，所述p型阱区108上方的介质隔离层106，所述介质隔离层106上方的顶部金属层105。
34.在本实施例中，所述igbt元胞区自底向顶包括底部金属层110，底部金属层110上方的n型单晶硅衬底107，所述n型单晶硅衬底107上方的p型阱区108，所述p型阱区108中部的n型多晶硅区101，包覆所述n型多晶硅区101的栅氧化层103，所述p型阱区108上方的介质隔离层106，所述介质隔离层106上方的顶部金属层105。
35.在上述实施例中，通过将n型多晶硅区101侧壁的多个凸起部和所述栅氧化层103侧壁的多个凸起部设置为方形凸起，能够增大了多晶硅区与igbt芯片有源区之间的正对接
触面积，降低了传导热阻，提升了二极管温度传感器的测温准确度。
36.在本发明的实施例中，请参阅图6-7，图6-7为本发明提供的内置温度传感器的igbt器件中温度传感器部分以及其截面的另一个实施例的结构示意图，可以理解的是，图6-7为n型多晶硅区101侧壁的多个凸起部和所述栅氧化层103侧壁的多个凸起部为锯齿凸起的结构示意图。
37.在本实施例中，其核心结构与方形凸起的结构类似，区别仅仅在于凸起的形状不同，其与方形凸起所起的作用相同，在此不再赘述其结构和原理。
38.为了制备出本发明提供的内置温度传感器的igbt器件，请参阅图8-13，图8-图13为本发明提供的内置温度传感器的igbt器件进行制备时igbt器件的结构变化示意图，其制备方法包括如下步骤：s1、参阅图8，基于locos隔离工艺在多晶硅二极管区和igbt元胞区分别利用n型单晶硅晶圆作为衬底进行选择性场区氧化层生长，在所述多晶硅二极管区和igbt元胞区均注入硼离子，得到p型阱区108；其中，所述n型单晶硅晶圆的电阻率30-90ωcm，所述场区氧化层生长的厚度为1-2um，所述注入硼离子的注入剂量为1e13-1e14，注入能量为80-140kev；需要说明的是，在得到p型阱区108时，去胶后进行杂质推进，推进的温度为1000-1150℃，时间为90-150min；s2、参阅图9，在所述igbt元胞区与多晶硅二极管区分别在p型阱区108进行沟槽刻蚀，在沟槽中生长牺牲氧化层，当所述场区氧化层生长达到第一预设厚度时，去除牺牲氧化层，继续场区氧化层生长到第二预设厚度，基于lpcvd工艺在所述沟槽内进行n型多晶硅生长，刻蚀所述n型多晶硅区101形成栅电极，其中，沟槽刻蚀的深度为深度4-7um，所述第一预设厚度为800-1200a，第二预设厚度为1000-1200a，在所述沟槽内进行n型多晶硅区101生长的厚度为8000-10000a，且在n型多晶硅区101进行生长时填充的多晶硅为轻掺杂的dpoly，n型杂质，要求掺杂浓度低于2e18cm-3
；s3、参阅图10，在所述多晶硅二极管区的阳极接触区域进行选择性p型多晶硅掺杂，得到p型多晶硅区102；s4、参阅图11，在所述igbt元胞区进行源极的n型掺杂，得到n型硅区109；s5、参阅图12，在所述igbt元胞区与多晶硅二极管区分别进行介质沉积和接触孔刻蚀，得到介质隔离层106；s6、参阅图13，在所述igbt元胞区与多晶硅二极管区分别正面金属化，背面减薄与金属化，得到金属层。
39.优选的，所述步骤s3，包括：在所述多晶硅二极管区的阳极接触区域进行硼离子注入，且其他区域不注入，其中，注入剂量为2e14-8e15，注入能量为20-150kev；去胶后炉管退火激活杂质，得到所述p型多晶硅区102，其中，炉管退火温度为600-1000℃，炉管退火时间为30-60min。
40.优选的，所述步骤s4，包括：在所述igbt元胞区进行源极的p 离子注入，其中，注入剂量为1e15-8e15，注入能量为40-80kev；在所述igbt元胞区进行源极的as 离子，其中，注入剂量为1e15-8e15，注入能量为
40-100kev；去胶后炉管退火，得到所述n型硅区109，其中，炉管退火温度为800-1000℃，炉管退火时间为30-60min。
41.优选的，所述步骤s5，包括：在所述igbt元胞区与多晶硅二极管区分别进行介质沉积，得到usg bpsg的双层结构，刻蚀接触孔，其中，usg bpsg的双层结构本质上就是介质隔离层106，且该双层结构的总厚度9000-12000a；在所述接触孔区域注入bf2离子，其中，注入剂量为5e14-8e15，注入能量为20-80kev；在所述接触孔区域注入b 离子，其中，注入剂量为1e14-5e15，注入能量为40-100kev；去胶后炉管退火，其中，炉管退火温度为700-1000℃，炉管退火时间为30-60min。
42.优选的，所述步骤s6，包括：在所述igbt元胞区与多晶硅二极管区分别进行正面淀积得到顶部金属层105，厚度4-8um，利用干法刻蚀图形化；在所述igbt元胞区与多晶硅二极管区分别进行晶圆背面研磨，去除二氧化硅/多晶硅/fz单晶衬底，并进行厚度减薄至60-150um；背面缓冲层与阳极离子注入，炉管退火激活杂质；继续进行背面金属淀积，得到所述底部金属层110，厚度1-2um。
43.在上述实施例中，通过在步骤s6进行晶圆背面研磨，去除二氧化硅/多晶硅/fz单晶衬底，并进行厚度减薄至60-150um，使得栅氧化层103厚度减薄，且通过将型多晶硅区侧壁的多个凸起部和所述栅氧化层103侧壁的多个凸起部设置为方形凸起，能够增大了多晶硅区与igbt芯片有源区之间的正对接触面积，降低了传导热阻，提升了二极管温度传感器的测温准确度。
44.进一步的，二极管阳极和阴极的接触孔也可以设计在侧壁的凸起结构中，这样增大了接触孔设计的最小线宽，降低了对接触孔刻蚀工艺的要求和依赖程度。同时，相对于在芯片有源区进行n 和p 掺杂形成的单晶硅二极管，本发明中提出的多晶硅二极管与芯片有源区在电学上隔离，避免了闩锁效应对功率器件和驱动电路的损坏。
45.以上对本发明所提供的内置温度传感器的igbt器件及其制备方法进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。