CN102270640B

CN102270640B - 大电流整晶圆全压接平板式封装的igbt及其制造方法

Info

Publication number: CN102270640B
Application number: CN 201110165859
Authority: CN
Inventors: 沈征; 帅智康; 罗安; 尹新
Original assignee: Hunan University
Current assignee: Hunan University
Priority date: 2011-06-20
Filing date: 2011-06-20
Publication date: 2013-02-06
Anticipated expiration: 2031-06-20
Also published as: CN102270640A

Abstract

本发明公开了一种大电流整晶圆全压接平板式封装的IGBT及其制造方法。所述大电流整晶圆全压接平板式封装的IGBT包括一个IGBT整晶圆和全压接平板式封装，所述的整晶圆包括多个独立的IGBT器件区，每个IGBT器件区由又多个IGBT单元并联组成，所有IGBT器件区的集电极并联为总集电极，每个IGBT器件区单独引出发射极，所有工作状态正常的IGBT器件区的门极用互联线连接到位于晶圆中心的总门极而其发射极通过发射极金属垫片并联到总发射极金属电极板。本发明实现了大电流IGBT整晶圆器件，保持了IGBT高工作电压、低开关功耗、门极电压控制简单的优点，同时提高了器件电流导通能力，导热性能，耐热冲击能力和长期可靠性，解决了IGBT单元之间性能匹配的问题。

Description

大电流整晶圆全压接平板式封装的IGBT及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种IGBT器件，特别是指一种500安培以上大电流整晶圆全压接平板式封装的IGBT及其制造方法。

背景技术

包括晶闸管和绝缘栅双极型晶体管（IGBT）在内的大功率电力半导体开关器件广泛应用于电机节能、新能源、输变电、轨道交通、冶金、化工等领域，是建设资源节约型和环境友好型社会不可缺少的关键技术之一。对该类器件的性能要求一般包括：高电压（3300至10000伏特）、大电流（500至5000安培）、低导通及开关功耗、良好的开关可控性、较大的安全工作区、良好的导热性能、耐热冲击能力和长期可靠性。而现有的大功率电力半导体开关器件存在以下不足：

1、大功率晶闸管（包括门极关断晶闸管GTO）一般采用整晶圆单管的半导体制造方式及双面压力接触平板型封装形式（包括烧结或全压接形式），能够提供高电压、大电流、低导通功耗、良好的导热性能及耐热冲击能力。但是晶闸管的缺点在于其有限的开关可控性和安全工作区、较大的开关功耗以及复杂的短路保护电路要求。晶闸管的这些缺点限制了大容量电力电子换流器设计的效率、工作频率、体积及成本。

2、集成门极换流晶闸管（IGCT）在GTO的基础上增加了集成门极换流电路，在保持晶闸管的高电压、大电流、低导通功耗、良好的导热性能及耐热冲击能力的同时，改善了器件的安全工作区，提高了系统的工作频率。但是IGCT仍存在着晶闸管有限的开关可控性和复杂的短路保护电路等弱点。另外IGCT集成门极换流电路增加了制造成本。IGCT采用的仍然是晶闸管整晶圆单管的半导体制造方式及双面压力接触平板型封装形式。

3、绝缘栅双极型晶体管（IGBT）是国际上公认的电力电子技术第三次革命的最具代表性的产品，是目前电力电子技术领域中最具有优势的功率器件之一。IGBT目前采用是典型的集成电路制造方式（即单个晶圆最终分割为多个器件芯片）及多芯片的模块封装形式。IGBT能够提供高工作电压、低开关功耗、简单的门极电压控制、良好的开关可控性和安全工作区以及简单的短路保护措施等优点，因而广泛的应用于高频中小容量的电力电子系统。但是传统的IGBT模块由于采用了铝引线和陶瓷覆铜基片的多芯片并联的封装方式，只能靠低层陶瓷基片散热，其散热性能、耐热冲击能力、导通电流能力及可靠性均低于同等电压等级的晶闸管或IGCT。IGBT的这些缺点限制了其在大容量电力电子换流系统中的应用。近年来，少数IGBT厂商也尝试采用了双面散热压力接触式（压装式）的IGBT封装，但是由于仍然受到IGBT多芯片并联的结构限制，其成本大大超过而散热性能和耐热冲击能力却低于传统晶闸管双面压力接触平板型封装。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种大电流、高工作电压、低开关功耗、散热效果好的整晶圆全压接平板式封装的IGBT及其制造方法。

本发明采用下述技术方案：包括一个整晶圆和全压接平板式封装，所述的整晶圆包括多个独立的IGBT器件区，每个IGBT器件区又由多个IGBT单元并联组成，所有IGBT器件区的集电极并联为总集电极，每个IGBT器件区单独引出发射极，所有IGBT器件区的门极均通过多晶硅互连线和总门极金属分布连线连接到IGBT晶圆中心的总门极，其中门极漏电流过大的IGBT器件区的门极不与总门极连接；所述的全压接平板式封装由发射极金属电极板、集电极金属电极板、与IGBT晶圆上总门极接触连接的弹簧针、外接门极导线、发射极金属垫片、集电极金属垫片和陶瓷外壳构成，以上部件通过压力接触的方式进行封装，其中发射极金属垫片将各个IGBT器件区的发射极并联后连接到发射极金属电极板上，集电极与发射极之间漏电流过大的IGBT器件区的发射极不与发射极金属垫片间连接。

一种大电流整晶圆全压接平板式封装的IGBT制造方法，包括以下步骤：

1）在N型掺杂的硅晶圆的正表面形成IGBT单元的栅氧层和多晶硅门极；

2）在所述的硅晶圆正表面形成IGBT单元的P型基区、N+型源区和P+型接触区；

3）在所述的硅晶圆背表面形成IGBT单元的P型发射区和N型电场截止区；

4）在所述的硅晶圆正表面形成IGBT单元的发射极和总门极金属分布连线；

5）在所述的硅晶圆背表面形成IGBT单元的集电极金属电极；

6）对所述的硅晶圆进行电性能测试；

7）对门极漏电流过大的IGBT器件区切断其门极与整晶圆总门极之间的连接；将集电极与发射极之间漏电流过大的IGBT器件区通过改变阴极金属连接垫片的图形断开其发射极与晶圆总发射极之间的接触；

8）全部IGBT单元的门极均通过互连线和总门极金属分布连线连接到IGBT晶圆中心的总门极；将各个IGBT器件区的独立发射极并联起来，连接到发射极金属电极板；

9）将发射极金属电极板、发射极金属垫片、IGBT晶圆、与IGBT整晶圆上总门极接触连接的弹簧针、外接门极导线、集电极金属垫片、集电极金属电极板和陶瓷外壳通过压力接触的方式进行全压接平板式封装。

上述大电流整晶圆全压接平板式封装的IGBT制造方法中，所述步骤7）中将门极漏电流过大的IGBT器件区用激光束切断其门极与整晶圆总门极之间的连接。

由于采用上述技术方案，本发明的技术效果是：

（1）本发明将整晶圆上的各IGBT器件区单独引出发射极并共用集电极，共用整晶圆的外沿作为电场边缘终止区，实现了大电流IGBT整晶圆器件，保持了IGBT高工作电压、低开关功耗、简单门极电压控制、良好的开关可控性和安全工作区以及简单的短路保护措施等方面的优点，解决了IGBT单元之间性能匹配的问题，提高了电流导通能力，为大容量电力电子换流系统的革新与改善提供了可能性。

（2）本发明将传统晶闸管的全压接平板型封装形式应用于大电流整晶圆IGBT器件的封装，大大提高了大电流IGBT器件的导热性能和耐热冲击能力，降低了大容量电力电子换流系统的复杂程度及成本。

（3）本发明所采用的双面压力接触式封装不存在各种金属或非金属材料之间的强制性键合，解决了传统的多芯片IGBT模块中由于各种封装材料热膨胀系数差异造成的铝引线及焊接界面热机械疲劳失效的问题，提高了IGBT器件的长期可靠性。

（4）整晶圆IGBT器件采用整个晶圆的外沿作为共用边缘终止区以及单一的总门电极，节省了单个IGBT芯片所必需的单独边缘终止区及门电极结构，提高了晶圆面积利用率，降低了IGBT器件的制造成本。

附图说明

图1是本发明中整晶圆IGBT器件电路图。

图2是本发明中IGBT器件晶圆结构示意图。

图3是本发明中IGBT器件局部剖解面结构示意图。

图4是本发明中整晶圆IGBT器件封装结构分解示意图。

图5是本发明中整晶圆IGBT器件封装完毕后外形示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的描述。

公知的每一片传统的IGBT晶圆含有几十至数百个相同的IGBT芯片，这些IGBT芯片在半导体晶圆工艺与测试完成后会被切割成长方形独立的芯片。每颗IGBT芯片通常由成千上万个IGBT单元并联而成，其中每个单元的发射极，门极和集电极都通过金属或多晶硅膜分别连接在一起。此外每颗IGBT芯片沿其边缘一周的部分芯片面积被用做边缘电场中止区，以保证器件的击穿电压。

本发明提供一种大电流整晶圆的IGBT器件，其电路如图1所示。作为一个单一器件，IGBT晶圆1由多个独立的IGBT器件区2构成，而每个IGBT器件区2又由多个IGBT单元3并联组成。每个IGBT器件区2都有自己独立的发射极4并共用一个总集电极5。所有IGBT器件区的门极6都通过金属或多晶硅总门极金属分布连线7连接到位于晶圆中心的总门极8。本发明中IGBT晶圆结构如图2所示，图2中晶圆只显示了8个独立的IGBT器件区，这是为了简洁起见，也便于描述，实际上的IGBT晶圆可能由多达几十个IGBT器件区构成。IGBT晶圆1在图2中由8个独立的IGBT器件区构成，其中每个IGBT器件区独立的发射极4由IGBT晶圆1的正表面上经过淀积刻蚀的金属膜形成。位于IGBT晶圆1中心的总门极8和总门极金属分布连线7也在该金属膜上形成。IGBT晶圆1的直径在70至200毫米之间，IGBT器件区2的面积在1至30平方厘米之间。相邻的IGBT器件区2之间尽管相对独立但保持着较小的间距，因而不会在相邻处造成电场的边缘效应及整个晶圆击穿电压的下降。IGBT晶圆1的所有IGBT器件区2不拥有自己的单独的边缘而是共用整个晶圆的外沿作为边缘终止区。晶圆的边缘终止区设计可采用场限制环、节终止扩展、磨倒角或其他常见的终止区设计方式。

图3显示了本发明中IGBT器件在总门极金属分布连线7附近的局部剖面结构，主要显示了一个IGBT单元和门级电路联线的结构，并由以下几个区域形成：P+型掺杂体接触区13、N+型掺杂源区12、P型基区11、N型掺杂漂移区14、N型掺杂电场截止区15、P+型发射区16、IGBT单元的多晶硅栅10、IGBT单元的栅氧化硅区18、门极多晶硅互连线9、总门极金属分布连线7、P+型掺杂体接触区13和部分N+型掺杂源区12被金属发射电极4覆盖，N+型掺杂源区12另一部分、P型基区11及N型掺杂漂移区4被栅氧化硅区18覆盖，栅氧化硅区18上覆盖多晶硅栅电极10，门极多晶硅互连线9被总门极金属分布连线7覆盖，门极多晶硅互连线9与多晶硅栅电极10在横剖面以外相互连接，P+型发射区16被金属集电极5覆盖。N型掺杂漂移区14的电阻率在20至500欧姆-厘米之间，其厚度在40至500微米之间。P型基区11的掺杂浓度一般在10¹⁵至10¹⁸厘米^-3之间，节深在2至7微米之间。N+型掺杂源区12的掺杂浓度一般在10¹⁸至10²¹厘米^-3之间，节深在0.2至2微米之间。N+型掺杂源区12的掺杂浓度一般在10¹⁸至10²¹厘米^-3之间，节深在0.2至2微米之间。P+型掺杂体接触区13的掺杂浓度一般在10¹⁸至10²⁰厘米^-3之间，节深在0.2至2微米之间。P+型发射区16的掺杂浓度一般在10¹⁷至10²⁰厘米^-3之间，厚度在0.5至几百微米之间。N型掺杂电场截止区15的掺杂浓度一般在10¹⁵至10¹⁹厘米^-3之间，厚度在0.5至10微米之间。IGBT单元的栅氧化硅区18的厚度一般在10至100纳米之间，其多晶硅栅10的厚度一般在0.3至1微米之间。IGBT单元的发射极4和门极互联线7的金属膜厚度一般在4至50微米之间。IGBT单元的集电极5的金属膜厚度一般在4至50微米之间。IGBT单元的宽度一般在10至100微米之间。

本发明与传统的IGBT器件结构上不同之处在于，图3所示的IGBT单元以及所在IGBT独立器件区中全部IGBT单元的多晶硅栅电极10均通过多晶硅互连线9和总门极金属分布连线7连接到图2所示的位于IGBT晶圆1中心的总门极8。如果通过测试手段确认该IGBT器件区为失效区域，可以用激光束或其他手段断开多晶硅互连线9或总门极金属分布连线7与晶圆总门极8之间的连接，从而将失效的IGBT器件区从其他正常的IGBT器件区隔离出来。整晶圆IGBT的实现正是基于这一设计思想。

图3显示了本发明中整晶圆全压接平板型封装的IGBT器件封装分解结构示意图，并由以下几个部件形成：IGBT晶圆1，发射极金属电极板19，集电极金属电极板20，与图2中IGBT晶圆1上总门极8接触连接的弹簧针21，外接门极导线24，发射极金属垫片22，集电极金属垫片23，陶瓷外壳25，以上部件通过压力接触的方式进行封装。其中发射极金属垫片22将各个IGBT器件区的独立发射极并联起来，连接到发射极金属电极板19。通常绝大部分失效的IGBT器件区是由于门极漏电流过大引起，但是如果个别失效的IGBT器件区是由于集电极与发射极之间漏电流过大引起，则可通过改变发射极金属垫片22的图形来断开其独立发射极4与发射极金属电极板19之间的接触。发射极金属垫片22的图形改变可以通过计算机控制的机械或激光束加工手段来完成。图5是显示所述整晶圆全压接平板型封装的IGBT器件封装完毕后外形示意图。其外形完全相同于传统的平板型封装的晶闸管。

本发明的制造方法详细步骤描述如下：

目前非穿通（non-punch-through)或软穿通(soft punch-through)型IGBT的制造一般选用N型掺杂、高电阻率的区熔硅晶圆作为半导体起始材料，很多情况下需要通过半导体中子嬗变技术实现所需要的特高电阻率（如200欧姆-厘米以上）。穿通型（punch-through)IGBT一般选用在P+衬底上生长N型掺杂电场截止区和N型掺杂漂移区外延层的外延晶圆片率的区熔硅晶圆作为半导体起始材料。为了方便起见，以下所描述的制造流程主要以目前非穿通或软穿通型IGBT的情况为例。

首先使用二氧化硅生长工艺在N型的区熔硅晶圆的正表面形成IGBT单元的栅氧层18，随后化学气相淀积工艺形成多晶硅门极10；下一步利用光刻，离子注入，热扩散等工艺技术在硅晶圆正表面形成IGBT单元的P型基区11、N+型源区12和P＋型体接触区13；再利用公知的晶圆减薄，离子注入，热扩散等工艺技术在硅晶圆背表面形成IGBT单元的P型发射区16和N型电场截止区15；然后利用光刻，电介质薄膜及金属薄膜淀积等工艺技术在所述的硅晶圆正表面形成IGBT单元的发射极金属电极4、总门极金属分布连线7及在硅晶圆背表面形成IGBT集电极金属电极5。金属电极薄膜可由电子束真空蒸发，真空热蒸发，溅射，电镀或其他方法形成，该金属膜的图形则由普通光刻及腐蚀工艺完成。

当晶圆基本工艺流程完成以后，可以利用晶圆探针台和电性能测试仪对每个独立的IGBT器件区2进行测试。如果所测门极漏电流低于设定指标（例如几个纳安培），该IGBT器件区2可视为正常合格区域，无需做进一步处理。如果所测漏电流高于设定指标，该IGBT器件区2可视为失效区域，需用激光束或其他手段断开其器件区门极6与晶圆总门极8之间的连线7。例如使用波长为535纳米的绿色Nd：YAG激光束来烧断多晶硅，铝，铜，金等多种金属联线。当所有的IGBT器件区完成测试及分离步骤之后，一个完整合格的IGBT晶圆1就制造完成了。通常绝大部分失效的IGBT器件区是由于门极漏电流过大引起，但是如果个别失效的IGBT器件区是由于集电极与发射极之间漏电流过大引起，则可通过改变发射极金属垫片22的图形来断开其独立发射极4与发射极金属电极板19之间的接触。发射极金属垫片22的图形改变可以通过计算机控制的机械或激光束加工手段来完成。

最后将发射极金属电极板、发射极金属垫片、IGBT晶圆、与IGBT晶圆上总门极接触连接的弹簧针、外接门极导线、集电极金属垫片、集电极金属电极板和陶瓷外壳通过压力接触的方式进行全压接平板式封装。本发明中的全压接平板型封装与现有的全压接平板型封装工艺相同。

本发明可适用于所有公知的IGBT半导体制成工艺，本发明具体实施方式中的实施例只是优选的实施例，并不是对发明的限定，本领域普通技术人员根据说明书的描述对本发明所作的形式和细节上的修改，均属于本发明权利要求的保护范围。

Claims

1.一种大电流整晶圆全压接平板式封装的IGBT，其特征在于：包括一个整晶圆和全压接平板式封装，所述的整晶圆包括多个独立的IGBT器件区，每个IGBT器件区又由多个IGBT单元并联组成，所有IGBT器件区的集电极并联为总集电极，每个IGBT器件区单独引出发射极，所有IGBT器件区的门极均通过多晶硅互连线和总门极金属分布连线连接到IGBT晶圆中心的总门极，其中门极漏电流过大的IGBT器件区的门极不与总门极连接；所述的全压接平板式封装由发射极金属电极板、集电极金属电极板、与IGBT晶圆上总门极接触连接的弹簧针、外接门极导线、发射极金属垫片、集电极金属垫片和陶瓷外壳构成，以上部件通过压力接触的方式进行封装，其中发射极金属垫片将各个IGBT器件区的发射极并联后连接到发射极金属电极板上，集电极与发射极之间漏电流过大的IGBT器件区的发射极不与发射极金属垫片间连接。

2.一种大电流整晶圆全压接平板式封装的IGBT制造方法，包括以下步骤：

5）在所述的硅晶圆背表面形成IGBT单元的集电极金属电极；

6）对所述的硅晶圆进行电性能测试；

3.如权利要求2所述大电流整晶圆全压接平板式封装的IGBT制造方法，所述步骤7）中将门极漏电流过大的IGBT器件区用激光束切断其门极与整晶圆总门极之间的连接。