專利名稱：Igbt器件的制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種功率半導(dǎo)體器件，特別是涉及一種IGBTansulatedGate Bipolar Transistor，絕緣柵雙極晶體管)器件。
背景技術(shù)：
VDMOS (Vertical double diffused M0SFET，垂直雙擴(kuò)散 MOS 晶體管)器件在其飄移區(qū)(η型中低摻雜區(qū))之下為η型重?fù)诫s區(qū)。如果將該η型重?fù)诫s區(qū)改為ρ型重?fù)诫s區(qū)， 并且在器件反向擊穿發(fā)生時(shí)還有部分η型中低摻雜區(qū)(漂移區(qū))沒有被耗盡，則形成了 NPT 型IGBT器件。如果將NPT型IGBT器件的η型中低摻雜區(qū)(漂移區(qū))厚度減薄，在器件反向擊穿發(fā)生時(shí)所有的η型中低摻雜區(qū)(漂移區(qū))都被耗盡，且在在η型中低摻雜區(qū)(漂移區(qū))與P型重?fù)诫s區(qū)之間插入一層摻雜濃度比η型中低摻雜區(qū)(漂移區(qū))高的η型層，則形成了場(chǎng)阻斷型IGBT器件。IGBT器件中，新增加的ρ型重?fù)诫s區(qū)與其上方的η型中低摻雜區(qū)(或η型層)的交界處形成了一個(gè)PN結(jié)。該P(yáng)N結(jié)在IGBT器件導(dǎo)通時(shí)向基區(qū)注入空穴，產(chǎn)生基區(qū)電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，從而大大提高了器件的電流處理能力。IGBT器件的現(xiàn)有制造方法一般是在硅片正面工藝全部完成之后，再將硅片從背面減薄，之后在硅片背面進(jìn)行P型雜質(zhì)的離子注入(對(duì)于場(chǎng)阻斷型IGBT器件，減薄后需要進(jìn)行η型雜質(zhì)的離子注入和ρ型雜質(zhì)的離子注入)。離子注入之后還需要激活所注入的ρ型雜質(zhì)離子并修復(fù)離子注入損傷，一般希望采用高溫退火工藝。由于這時(shí)硅片正面已經(jīng)有了金屬鋁，因此退火工藝的溫度不能高于500°C，一般為400 450°C。而該溫度下ρ型雜質(zhì) (場(chǎng)阻斷型IGBT器件還包括η型雜質(zhì))離子的激活率很低，影響器件的性能。為此又有一種改進(jìn)方案，將高溫退火工藝改為激光退火(Laserarmealing)工藝。 其可實(shí)現(xiàn)僅在硅片背面一定厚度的區(qū)域內(nèi)實(shí)現(xiàn)高溫，不影響硅片正面。這便實(shí)現(xiàn)了 P型雜質(zhì)離子(有時(shí)包括η型雜質(zhì)離子)的高效率激活。但激光退火工藝需要使用特殊的專用設(shè)備，成本較高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種IGBT器件的新制造方法，該制造方法無需采用成本較高的激光退火工藝，但一樣可以對(duì)硅片背面的P型雜質(zhì)離子注入進(jìn)行良好的激活。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明IGBT器件的制造方法為硅片背面用于形成ρ型重?fù)诫s集電區(qū)的離子注入步驟、以及部分或全部的退火步驟均在硅片正面淀積表面金屬的步驟之前；(為了在硅片背面形成P型重?fù)诫s集電區(qū)，必須采用離子注入步驟和退火步驟。通常硅片背面在離子注入后僅采用一次退火工藝，那么這一次的退火工藝放在硅片正面淀積表面金屬的步驟之前。如果硅片背面在離子注入后采用多次退火工藝，那么至少有一次的退火工藝放在硅片正面淀積表面金屬的步驟之前)
4
硅片背面形成ρ型重?fù)诫s集電區(qū)之后，在該ρ型重?fù)诫s集電區(qū)的背面淀積一層二
氧化硅。本發(fā)明IGBT器件的制造方法將硅片背面ρ型離子注入的步驟提前到硅片正面淀積表面金屬的步驟之前，從而消除了對(duì)硅片背面P型離子退火的溫度限制，易于獲得高激活率。同時(shí)由于不受硅片正面具有金屬的限制，使得硅片背面在離子注入之后的退火工藝的溫度和時(shí)間均不受限制，使高能量、大劑量的P型離子注入易于實(shí)現(xiàn)，并易于得到P型雜質(zhì)的不同摻雜濃度分布。本發(fā)明IGBT器件的制造方法中，采用二氧化硅覆蓋硅片背面的P型重?fù)诫s集電區(qū)，在保護(hù)的同時(shí)，利用P型雜質(zhì)(例如硼)易于集中在硅-二氧化硅界面的特性，可以讓 P型重?fù)诫s集電區(qū)中的P型雜質(zhì)分布優(yōu)化——與背面金屬接觸的界面具有高摻雜濃度，與η 型硅接觸的界面具有低摻雜濃度。一方面易于與背面金屬形成好的歐姆接觸，另一方面有利于控制PNP的發(fā)射效率并改善IGBT器件的交流特性。


圖1是一種場(chǎng)阻斷型IGBT器件的剖面圖；圖加 圖池為本發(fā)明IGBT的制造方法的各步驟剖面圖；圖3是一種NPT型IGBT器件的剖面圖；圖4a、圖4b是場(chǎng)阻斷型IGBT器件和NPT型IGBT器件的雜質(zhì)分布比較圖。圖中附圖標(biāo)記說明1為η型基區(qū)；2、2b為保護(hù)層；3為η型重?fù)诫s場(chǎng)阻斷層；4為ρ型重?fù)诫s集電區(qū)； 5為柵氧化層；6、6b為多晶硅；7為ρ講；8為η型重?fù)诫s源區(qū)；9、9b為介質(zhì)層；10為接觸孔電極；11為P型重?fù)诫s接觸區(qū)；12為表面金屬；14為背面金屬。
具體實(shí)施例方式IGBT器件可以分為三種類型PT型(punch through)、NPT型 (non-punchthrough)、場(chǎng)阻斷型(field stop)。請(qǐng)參閱圖1，這是一種場(chǎng)阻斷型IGBT器件的剖面圖。圖1所示的場(chǎng)阻斷型IGBT器件的本發(fā)明制造方法包括如下步驟初始狀態(tài)，請(qǐng)參閱圖加，硅片1的厚度例如為700 μ m，其中摻雜有η型雜質(zhì)，摻雜濃度例如為2. 4Χ 1013atomS/Cm3 (原子每立方厘米)，對(duì)應(yīng)于此η型摻雜的硅片1的電阻率例如為180 Ω . cm(歐姆·厘米)。第1步，請(qǐng)參閱圖2b，在硅片1的正面淀積一層介質(zhì)2，例如為二氧化硅，用于保護(hù)硅片ι的正面，再將硅片1從背面減薄。所淀積的二氧化硅層2的厚度例如為 5000 20000A。對(duì)硅片1減薄例如采用化學(xué)機(jī)械研磨(CMP)工藝，減薄后的硅片1的厚度例如為400 550 μ m。第2步，對(duì)硅片1的背面進(jìn)行濕法腐蝕工藝，用來將研磨過程中產(chǎn)生的表面缺陷、 劃痕等除去。第3步，請(qǐng)參閱圖2c，在硅片1的背面采用離子注入和退火工藝形成場(chǎng)阻斷層3。 離子注入的雜質(zhì)為η型，例如為磷、砷等。離子注入的能量為50 lOOKeV，劑量為1 X IO11
55X 1013atOmS/Cm2。退火工藝?yán)鐬楦邷赝嘶?，用于將離子注入的η型雜質(zhì)擴(kuò)散，形成厚度為5 40 μ m的η型重?fù)诫s場(chǎng)阻斷區(qū)3。第4步，請(qǐng)參閱圖2d，在硅片1的背面淀積一層介質(zhì)2b，作為硅片背面的保護(hù)層。第5步，接下來進(jìn)行硅片正面的工藝，由于類似于VDMOS器件已熟知的工藝流程， 因此只簡(jiǎn)單介紹。包括首先去除硅片正面的保護(hù)層2，接著在硅片1中通過離子注入和退火工藝形成P阱7，在硅片1之上通過熱氧化生長(zhǎng)工藝形成一層?xùn)叛趸瘜?，在柵氧化層5 之上淀積一層多晶硅6用于制造柵極，在多晶硅層6之上淀積一層介質(zhì)層9。第6步，請(qǐng)參閱圖2e，將硅片背面的保護(hù)層2b去除(也可以保留該保護(hù)層2b，但將該保護(hù)層2b減薄至500A以下)。第7步，請(qǐng)參閱圖2f，對(duì)η型重?fù)诫s場(chǎng)阻斷區(qū)3的背面進(jìn)行ρ型雜質(zhì)的離子注入， 形成P型重?fù)诫s集電區(qū)4。離子注入的P型雜質(zhì)例如為硼(B)、二氟化硼(BF2+)等含有硼元素的雜質(zhì)。離子注入的能量例如為20 300KeV，劑量例如為IX IO14 5X K^atoms/cm2。第8步，請(qǐng)參閱圖2g，在硅片背面依次淀積一層介質(zhì)9b和一層多晶硅6b。所淀積的介質(zhì)9b優(yōu)選為二氧化硅，厚度例如為20 50000A。這一步也可以僅在硅片背面淀積一層介質(zhì)％，所淀積的介質(zhì)9b優(yōu)選為二氧化硅， 厚度例如為ιοοοΑ以上。 第9步，接下來再次進(jìn)行硅片正面的工藝，由于類似于VDMOS器件已熟知的工藝流程，因此只簡(jiǎn)單介紹。包括首先去除硅片正面的介質(zhì)層9 (如果介質(zhì)層9之上還有其他層， 一并去除)，接著采用光刻和刻蝕工藝形成多晶硅柵極6，采用離子注入和退火工藝在多晶硅柵極6兩側(cè)下方的ρ阱7中形成η型重?fù)诫s源區(qū)8，再淀積一層介質(zhì)9c包圍多晶硅柵極 6的側(cè)面和頂面，在介質(zhì)層9c中刻蝕接觸孔，在接觸孔底部通過離子注入和退火工藝在ρ阱 7中形成ρ型重?fù)诫s接觸區(qū)11，采用淀積金屬和平坦化工藝(例如鎢塞工藝)在通孔中形成接觸孔電極10，最后在硅片表面淀積一層表面金屬12作為發(fā)射極。這些步驟都完成后的硅片剖面如圖I所示。第10步，請(qǐng)參閱圖1，首先去除硅片背面的多晶硅層6b和介質(zhì)層％，接著在硅片背面淀積一層背面金屬14，與ρ型重?fù)诫s集電區(qū)4相接觸，作為集電極。請(qǐng)參閱圖3，這是一種NPT型IGBT器件的剖面圖。與圖1所示的場(chǎng)阻斷型IGBT器件相比，區(qū)別僅是去除了 η型重?fù)诫s場(chǎng)阻斷區(qū)3。對(duì)于圖3所示的NPT型IGBT器件，本發(fā)明給出兩種制造方法。第一種制造方法與圖1所示的場(chǎng)阻斷型IGBT器件的制造方法僅具有如下區(qū)別其一，將場(chǎng)阻斷型IGBT器件的制造方法第1步中，對(duì)硅片1減薄之后的厚度增大， 減薄后的硅片1的厚度例如為500 700 μ m。其二，去除場(chǎng)阻斷型IGBT器件的制造方法第3步。其三，將場(chǎng)阻斷型IGBT器件的制造方法第7步中，ρ型雜質(zhì)離子注入的位置由η型重?fù)诫s場(chǎng)阻斷區(qū)3改為η型基區(qū)1，從而在η型基區(qū)1的背面形成ρ型重?fù)诫s集電區(qū)4。雜質(zhì)類型、注入能量、劑量等均不變。第二種制造方法將圖1所示的場(chǎng)阻斷型IGBT器件的制造方法中的第3、4、6步去除，剩余各步驟順序打亂，按照如下順序進(jìn)行第5步(無需去除硅片正面的保護(hù)層)——> 第1步(減薄后的硅片1的厚度例如為500 700 μ m)—— > 第2步——> 第7步(ρ型雜
6質(zhì)離子注入的位置由η型重?fù)诫s場(chǎng)阻斷區(qū)3改為η型基區(qū)1)——> 第8步——> 第9步—— >第10步。上述場(chǎng)阻斷型IGBT器件的制造方法中，在硅片背面形成ρ型重?fù)诫s集電區(qū)4的步驟(第7步)是在用于形成柵極的多晶硅層6(第5步的一部分)完成之后進(jìn)行的。作為一種可替換的方案，硅片背面形成P型重?fù)诫s集電區(qū)4的步驟(第7步)可以更換執(zhí)行順序，只要在硅片正面的表面金屬12淀積的步驟(第9步的一部分)之前即可。上述兩種 NPT型IGBT器件的制造方法中，情況與之相同。上述場(chǎng)阻斷型IGBT器件的制造方法的第7步中，在硅片背面進(jìn)行ρ型雜質(zhì)的離子注入之后，還需要激活所注入的P型雜質(zhì)離子并修復(fù)離子注入損傷?？梢圆捎酶邷赝嘶鸸に嚮蚩焖贌嵬嘶?RTA)工藝，退火工藝的溫度大于或等于500°C。如果采用高溫退火工藝， 溫度例如可設(shè)為800 1000°C。如果采用快速熱退火工藝，可以單獨(dú)為激活ρ型雜質(zhì)離子而進(jìn)行，也可以與其他步驟中為激活η型雜質(zhì)離子而一起進(jìn)行。例如，第三步在硅片背面形成η型雜質(zhì)離子注入(用于形成η型重?fù)诫s場(chǎng)阻斷區(qū)3)后先不進(jìn)行退火，等第7步的ρ型雜質(zhì)離子注入(用于形成P型重?fù)诫s集電區(qū)4)后一起進(jìn)行快速熱退火工藝。上述兩種NPT 型IGBT器件的制造方法中，情況與之相同。圖1所示的場(chǎng)阻斷型IGBT器件在從硅片正面到背面的反向高度上(圖中虛線箭頭方向)各部分結(jié)構(gòu)的摻雜濃度(不區(qū)分η型、ρ型)如圖如所示，其中橫坐標(biāo)0表示為 η型基區(qū)1的上表面，A表示ρ阱7的下表面、B表示η型場(chǎng)阻斷區(qū)3的上表面、C表示ρ型重?fù)诫s集電區(qū)4的上表面、D表示背面金屬14的上表面(本申請(qǐng)文件中的“上”、“下”均以圖1或圖3所示方向?yàn)闇?zhǔn))。圖3所示的NPT型IGBT器件在從硅片正面到背面的反向高度上(圖中虛線箭頭方向)各部分結(jié)構(gòu)的摻雜濃度(不區(qū)分η型、ρ型)如圖4b所示，其中橫坐標(biāo)含義與圖如相同，只是沒有了 B點(diǎn)。上述場(chǎng)阻斷型IGBT器件的制造方法的第8步中，在硅片背面淀積一層介質(zhì)9b直接接觸P型重?fù)诫s集電區(qū)4的下表面，該介質(zhì)層9b優(yōu)選為20 50000A厚度的二氧化硅。 由于P型雜質(zhì)(例如硼原子)傾向于聚集在硅和二氧化硅的交界面處，因此在P型重?fù)诫s集電區(qū)4中，下表面處ρ型雜質(zhì)的摻雜濃度最高，表現(xiàn)為圖4a、圖4b中D點(diǎn)的摻雜濃度最高，可達(dá)到IX IO18 5X l(f°at0mS/Cm3 ；上表面處ρ型雜質(zhì)的摻雜濃度最低，表現(xiàn)為圖4a、 圖4b中C點(diǎn)的摻雜濃度最低，可低至3X IO13 IX 1017atomS/Cm3。前者有利于ρ型重?fù)诫s集電區(qū)4與背面金屬14之間形成良好的歐姆接觸，后者可以減少由于過多的ρ型雜質(zhì)離子注入帶來的IGBT器件關(guān)斷速度慢的問題，并有利于提高IGBT器件的抗閂鎖效應(yīng)。上述兩種NPT型IGBT器件的制造方法中，情況與之相同。本發(fā)明所述的IGBT器件及其制造方法中，各部分結(jié)構(gòu)的摻雜類型(η型、ρ型)變?yōu)橄喾矗彩强尚械?。以上僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，并不用于限定本發(fā)明。對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，本發(fā)明可以有各種更改和變化。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種IGBT器件的制造方法，其特征是，硅片背面用于形成ρ型重?fù)诫s集電區(qū)的離子注入步驟、以及部分或全部的退火步驟均在硅片正面淀積表面金屬的步驟之前；硅片背面形成P型重?fù)诫s集電區(qū)之后，在該P(yáng)型重?fù)诫s集電區(qū)的背面淀積一層二氧化娃。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的IGBT器件的制造方法，其特征是，所述在ρ型重?fù)诫s集電區(qū)的背面淀積的二氧化硅的厚度為20 50000 L
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的IGBT器件的制造方法，其特征是，所述硅片背面用于形成ρ 型重?fù)诫s集電區(qū)的退火步驟的溫度大于或等于500°C。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的IGBT器件的制造方法，其特征是，所述ρ型重?fù)诫s集電區(qū)的摻雜濃度是不均勻的，在所述P型重?fù)诫s集電區(qū)與背面金屬接觸處P型雜質(zhì)的摻雜濃度最高，在所述P型重?fù)诫s集電區(qū)與η型硅的接觸處ρ型雜質(zhì)的摻雜濃度最低。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的IGBT器件的制造方法，其特征是，所述ρ型重?fù)诫s集電區(qū)的的摻雜濃度的最高值為ι χ IO18 5Χ 102°atomS/Cm3。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的IGBT器件的制造方法，其特征是，所述ρ型重?fù)诫s集電區(qū)的摻雜濃度的最低值為3 X IO13 IX 1017atomS/Cm3。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的IGBT器件的制造方法，其特征是，所述IGBT器件為場(chǎng)阻斷型，所述制造方法包括如下步驟第1步，在硅片正面淀積一層介質(zhì)，再將硅片從背面減?。?第2步，對(duì)硅片背面進(jìn)行濕法腐蝕工藝；第3步，在硅片的背面采用離子注入和退火工藝形成η型重?fù)诫s場(chǎng)阻斷區(qū)； 第4步，在硅片背面淀積一層介質(zhì)；第5步，進(jìn)行硅片正面的工藝，包括去除硅片正面第1步淀積的介質(zhì)，接著在硅片中形成P阱，在硅片之上形成柵氧化層，在柵氧化層之上淀積一層多晶硅，在多晶硅層之上淀積一層介質(zhì)層；第6步，將硅片背面第4步淀積的介質(zhì)去除或減薄； 第7步，在η型重?fù)诫s場(chǎng)阻斷區(qū)的背面形成ρ型重?fù)诫s集電區(qū)； 第8步，在硅片背面淀積一層二氧化硅；第9步，再進(jìn)行硅片正面的工藝，包括去除硅片正面第5步淀積的介質(zhì)，接著刻蝕形成多晶硅柵極，在P阱中形成η型重?fù)诫s源區(qū)，再淀積一層介質(zhì)包圍多晶硅柵極的側(cè)面和頂面，在新淀積的介質(zhì)中刻蝕接觸孔，在接觸孔底部形成P型重?fù)诫s接觸區(qū)，在接觸孔中形成接觸孔電極，最后在硅片表面淀積一層表面金屬；第10步，先去除硅片背面第8步淀積的介質(zhì)，接著在硅片背面淀積一層背面金屬。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的IGBT器件的制造方法，其特征是，所述IGBT器件為NPT型， 所述制造方法包括如下步驟第1步，在硅片正面淀積一層介質(zhì)，再將硅片從背面減薄； 第2步，對(duì)硅片背面進(jìn)行濕法腐蝕工藝； 第3步，在硅片背面淀積一層介質(zhì)；第4步，進(jìn)行硅片正面的工藝，包括去除硅片正面第1步淀積的介質(zhì)，接著在硅片中形成P阱，在硅片之上形成柵氧化層，在柵氧化層之上淀積一層多晶硅，在多晶硅層之上淀積一層介質(zhì)層；第5步，將硅片背面第4步淀積的介質(zhì)去除或減??； 第6步，在硅片的背面形成ρ型重?fù)诫s集電區(qū)； 第7步，在硅片背面淀積一層二氧化硅；第8步，再進(jìn)行硅片正面的工藝，包括去除硅片正面第5步淀積的介質(zhì)，接著刻蝕形成多晶硅柵極，在P阱中形成η型重?fù)诫s源區(qū)，再淀積一層介質(zhì)包圍多晶硅柵極的側(cè)面和頂面，在新淀積的介質(zhì)中刻蝕接觸孔，在接觸孔底部形成P型重?fù)诫s接觸區(qū)，在接觸孔中形成接觸孔電極，最后在硅片表面淀積一層表面金屬；第9步，先去除硅片背面第8步淀積的介質(zhì)，接著在硅片背面淀積一層背面金屬。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的IGBT器件的制造方法，其特征是，所述IGBT器件為NPT型， 所述制造方法包括如下步驟第1步，進(jìn)行硅片正面的工藝，包括在硅片中形成ρ阱，在硅片之上形成柵氧化層，在柵氧化層之上淀積一層多晶硅，在多晶硅層之上淀積一層介質(zhì)層； 第2步，在硅片正面淀積一層介質(zhì)，再將硅片從背面減??； 第3步，對(duì)硅片背面進(jìn)行濕法腐蝕工藝； 第4步，在硅片的背面形成ρ型重?fù)诫s集電區(qū)； 第5步，在硅片背面淀積一層二氧化硅；第6步，再進(jìn)行硅片正面的工藝，包括去除硅片正面第5步淀積的介質(zhì)，接著刻蝕形成多晶硅柵極，在P阱中形成η型重?fù)诫s源區(qū)，再淀積一層介質(zhì)包圍多晶硅柵極的側(cè)面和頂面，在新淀積的介質(zhì)中刻蝕接觸孔，在接觸孔底部形成P型重?fù)诫s接觸區(qū)，在接觸孔中形成接觸孔電極，最后在硅片表面淀積一層表面金屬；第7步，先去除硅片背面第5步淀積的介質(zhì)，接著在硅片背面淀積一層背面金屬。
10.根據(jù)權(quán)利要求1 9中任何一項(xiàng)所述的IGBT器件的制造方法，其特征是，將各部分結(jié)構(gòu)的摻雜類型變?yōu)橄喾础?br> 全文摘要
本發(fā)明公開了一種IGBT器件的制造方法，硅片背面用于形成p型重?fù)诫s集電區(qū)的離子注入步驟、以及部分或全部的退火步驟均在硅片正面淀積表面金屬的步驟之前；硅片背面形成p型重?fù)诫s集電區(qū)之后，在該p型重?fù)诫s集電區(qū)的背面淀積一層二氧化硅。該方法消除了對(duì)硅片背面p型離子退火的溫度限制，易于獲得高激活率。同時(shí)可以讓p型重?fù)诫s集電區(qū)中的p型雜質(zhì)分布優(yōu)化。一方面易于與背面金屬形成好的歐姆接觸，另一方面有利于控制PNP的發(fā)射效率并改善IGBT器件的交流特性。
文檔編號(hào)H01L21/265GK102420133SQ20111029539
公開日2012年4月18日 申請(qǐng)日期2011年9月30日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月30日
發(fā)明者劉坤, 王海軍, 肖勝安 申請(qǐng)人:上海華虹Nec電子有限公司