場截止型反向導通絕緣柵雙極型晶體管及其制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種FS型RC-IGBT，包括終端結構和有源區(qū)，場截止型反向導通絕緣柵雙極型晶體管的襯底為N型襯底，襯底的背面設有N型的電場終止層，電場終止層背離襯底的一面設有背面N型結構和背面P型結構，背面N型結構被背面P型結構分隔成多個相互分離的區(qū)域，背面N型結構的摻雜濃度大于電場終止層的摻雜濃度，背面N型結構和背面P型結構的表面設有背面金屬層；只有有源區(qū)內(nèi)形成有背面N型結構。本發(fā)明還涉及一種FS型RC-IGBT的制造方法。本發(fā)明終端結構內(nèi)無背面N型結構，二極管導通時只有少部分空穴流過終端結構內(nèi)的漂移區(qū)，減小了內(nèi)置二極管恢復時恢復電流的大小，改善了二極管的反向恢復能力。
【專利說明】場截止型反向導通絕緣柵雙極型晶體管及其制造方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及半導體器件的制造方法，特別是涉及一種場截止型反向導通絕緣柵雙 極型晶體管，還涉及一種場截止型反向導通絕緣柵雙極型晶體管的制造方法。
【背景技術】
[0002] 絕緣柵雙極型晶體管（IGBT)-般采用反向并聯(lián)續(xù)流二極管的方式使用。但這種方 式一方面浪費封裝面積，另一方面由于寄生電感等寄生效應的存在，并聯(lián)額外增加了功耗。 因此，將IGBT與二極管集成在同一個芯片的技術日益受到重視。
[0003] 傳統(tǒng)的反向導通絕緣柵雙極型晶體管（RC-IGBT)結構背面N+型和P+型遍布整個 IGBT背面區(qū)域。二極管導通時由正極（IGBT發(fā)射極）注入的大量空穴，一部分通過終端部 分的N-漂移區(qū)進入到陰極。當二極管反向恢復時，存儲于終端下方部分的空穴無法空過迅 速消失，必須通過輻照等載流子壽命控制技術來改善二極管的恢復特性。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0004] 基于此，為了解決傳統(tǒng)的反向導通絕緣柵雙極型晶體管反向恢復特性較差的問 題，有必要提供一種場截止型反向導通絕緣柵雙極型晶體管。
[0005] -種場截止型反向導通絕緣柵雙極型晶體管，包括外圍的終端結構和被所述終端 結構包圍的有源區(qū)，所述場截止型反向導通絕緣柵雙極型晶體管的襯底為N型襯底，所述 襯底的背面設有N型的電場終止層，所述電場終止層背離所述襯底的一面設有背面N型結 構和背面P型結構，所述背面N型結構被所述背面P型結構分隔成多個相互分離的區(qū)域， 所述背面N型結構的摻雜濃度大于所述電場終止層的摻雜濃度，所述背面N型結構和背面 P型結構背離所述襯底的表面設有背面金屬層；只有所述有源區(qū)內(nèi)形成有所述背面N型結 構，所述終端結構內(nèi)不設置所述背面N型結構。
[0006] 在其中一個實施例中，所述襯底的正面、終端結構內(nèi)設有場限環(huán)，所述場限環(huán)上設 有氧化硅層；所述襯底的正面、有源區(qū)內(nèi)設有P阱，所述P阱內(nèi)設有N型的發(fā)射極，所述襯底 的正表面設有柵氧化層，所述柵氧化層的表面設有多晶硅柵極，所述多晶硅柵極被所述氧 化硅層覆蓋，所述P阱上設有發(fā)射極金屬結構，所述氧化硅層和發(fā)射極金屬結構上覆蓋有 鈍化層。
[0007] 在其中一個實施例中，所述電場終止層、背面N型結構、發(fā)射極均為N+型，所述背 面P型結構是P+型。
[0008] 在其中一個實施例中，所述背面金屬層是鋁-鈦-鎳-銀結構。
[0009] 在其中一個實施例中，所述場截止型反向導通絕緣柵雙極型晶體管是平面柵極絕 緣柵雙極型晶體管。
[0010] 還有必要提供一種場截止型反向導通絕緣柵雙極型晶體管的制造方法。
[0011] 一種場截止型反向導通絕緣柵雙極型晶體管的制造方法，包括下列步驟：步驟A， 提供N型襯底，將所述襯底的一面作為背面，在所述背面形成N型的電場終止層；步驟B， 進行第一階段正面工藝；包括在所述場截止型反向導通絕緣柵雙極型晶體管的襯底正面外 圍的終端結構區(qū)域形成耐壓結構，在被所述終端結構包圍的有源區(qū)區(qū)域的襯底的正表面形 成柵氧化層、及形成柵氧化層表面的多晶硅柵極，在襯底的正面、所述有源區(qū)區(qū)域內(nèi)形成P 阱，在所述P阱內(nèi)形成N型的發(fā)射極，形成覆蓋所述襯底的正面和所述多晶硅柵極的氧化硅 層；步驟C，在所述電場終止層背離所述襯底的一面形成背面N型結構和背面P型結構；所 述背面N型結構只形成于所述有源區(qū)區(qū)域內(nèi)，所述背面N型結構被所述背面P型結構分隔 成多個相互分離的區(qū)域，所述背面N型結構的摻雜濃度大于所述電場終止層的摻雜濃度； 步驟D，進行第二階段正面工藝；包括光刻和刻蝕所述氧化硅層，形成使所述P阱和發(fā)射極 呈部分露出的接觸孔，向所述接觸孔內(nèi)填入發(fā)射極金屬結構，形成覆蓋所述氧化硅層和發(fā) 射極金屬結構的鈍化層；步驟E，在所述背面N型結構和背面P型結構背離所述襯底的表面 形成背面金屬層。
[0012] 在其中一個實施例中，所述步驟B包括：通過光刻在所述襯底正面注入P型雜質， 熱擴散后形成場限環(huán)作為所述耐壓結構；在所述襯底的正面生長場氧化層，并光刻和刻蝕 掉所述有源區(qū)區(qū)域上的場氧化層；在所述襯底的正面生長柵氧化層，并在所述柵氧化層表 面形成多晶硅層；光刻和刻蝕去除多余的多晶硅層和柵氧化層，形成多晶硅柵極，并通過自 對準注入工藝向所述襯底內(nèi)離子注入P型雜質，推阱后形成所述P阱；通過光刻工藝選擇性 的向所述P阱內(nèi)進行N型離子注入形成所述發(fā)射極；淀積氧化物介質層，所述場氧化層和淀 積氧化物介質層組成所述覆蓋所述襯底的正面和所述多晶硅柵極的所述氧化硅層。
[0013] 在其中一個實施例中，所述步驟B中在所述襯底的正面生長柵氧化層的步驟是生 長600埃?1500埃厚的柵氧化層。
[0014] 在其中一個實施例中，所述步驟C包括：光刻并注入N型雜質，形成所述背面N型 結構；光刻并注入P型雜質，形成所述背面P型結構；所述電場終止層、背面N型結構、發(fā)射 極均為N+型，所述背面P型結構是P+型。
[0015] 在其中一個實施例中，所述步驟C之前，還包括在所述氧化硅層上形成正面保護 層的步驟；所述步驟C之后，所述步驟D之前，還包括去除所述正面保護層的步驟。
[0016] 上述場截止型反向導通絕緣柵雙極型晶體管，在終端結構內(nèi)不進行背面N型結構 的形成。這樣當二極管導通時，只會有很少的一部分空穴流過終端結構內(nèi)的漂移區(qū)，減小了 內(nèi)置二極管恢復時的恢復電流的大小，改善了內(nèi)置二極管的反向恢復能力。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0017] 圖1是一實施例中場截止型反向導通絕緣柵雙極型晶體管終端結構和有源區(qū)的 俯視不意圖；
[0018] 圖2是一實施例中場截止型反向導通絕緣柵雙極型晶體管的剖面示意圖；
[0019] 圖3是一實施例中場截止型反向導通絕緣柵雙極型晶體管的制造方法的流程圖；
[0020] 圖4A?4K是一實施例中場截止型反向導通絕緣柵雙極型晶體管在制造過程中的 剖面示意圖；
[0021] 圖5是一實施例中步驟S320的具體流程圖。
【具體實施方式】
[0022] 為使本發(fā)明的目的、特征和優(yōu)點能夠更為明顯易懂，下面結合附圖對本發(fā)明的具 體實施方式做詳細的說明。
[0023] 圖1是一實施例中場截止型反向導通絕緣柵雙極型晶體管終端結構和有源區(qū)的 俯視示意圖，圖2是一實施例中場截止型反向導通絕緣柵雙極型晶體管的剖面示意圖。場 截止型反向導通絕緣柵雙極型晶體管包括外圍的終端結構200和被終端結構200包圍的有 源區(qū)100。在圖2所示實施例中，場截止型反向導通絕緣柵雙極型晶體管的襯底為N型襯 底。襯底的背面設有N型的電場終止層1 (即場截止層)，電場終止層1的摻雜濃度大于襯 底的摻雜濃度。電場終止層1背離襯底的一面設有背面N型結構10和背面P型結構11， 且背面N型結構10僅設于有源區(qū)100內(nèi)，終端結構200內(nèi)不設置背面N型結構10。背面N 型結構10被背面P型結構11分隔成多個相互分離的區(qū)域，背面N型結構10的摻雜濃度大 于電場終止層1的摻雜濃度。背面N型結構10和背面P型結構11背離襯底的表面設有背 面金屬層12。在本實施例中，背面金屬層12米用Al-Ti-Ni-Ag的結構。
[0024] 上述場截止型反向導通絕緣柵雙極型晶體管，在終端結構200內(nèi)不進行背面N型 結構10的形成。這樣當二極管導通時，只會有很少的一部分空穴流過終端結構200內(nèi)的漂 移區(qū)，減小了內(nèi)置二極管恢復時的恢復電流的大小，改善了內(nèi)置二極管的反向恢復能力。
[0025] 圖2所示實施例是以平面柵極絕緣柵雙極型晶體管為例對IGBT的結構進行說明， 可以理解的，上述僅于有源區(qū)100內(nèi)形成背面N型結構10的背面結構，同樣適用于溝槽 (Trench)柵極 IGBT。
[0026] 參照圖2,襯底的正面、終端結構200內(nèi)設有P型的場限環(huán)2。場限環(huán)2可以設置 多個，圖2中將其數(shù)量進行了省略。場限環(huán)2上設有場氧化層14和氧化物介質層7,場氧化 層14和氧化物介質層7組成氧化硅層。
[0027] 襯底的正面、有源區(qū)100內(nèi)設有P阱5, P阱5內(nèi)設有N型的發(fā)射極6。襯底的正 表面設有柵氧化層3,柵氧化層3的表面設有多晶硅柵極4,多晶硅柵極4同樣被氧化硅層 (氧化物介質層7)覆蓋。多晶硅柵極4設于相鄰的兩個P阱5之間，及有源區(qū)100和終端 結構200交界處的一個P阱5和場限環(huán)2之間。P阱5上設有發(fā)射極金屬結構8,氧化硅層 7和發(fā)射極金屬結構8上覆蓋有鈍化層9。鈍化層9的作用是保護芯片表面不受外界離子 污染，在本實施例中鈍化層9的材質為SiN。
[0028] 在圖2所示實施例中，電場終止層1、背面N型結構10、發(fā)射極6均為N+型，背面 P型結構11是P+型。
[0029] 本發(fā)明還提供一種場截止型反向導通絕緣柵雙極型晶體管的制造方法，以制造上 述的場截止型反向導通絕緣柵雙極型晶體管。如圖3所示，包括下列步驟：
[0030] S310,提供N型襯底，在N型襯底的背面形成N型的電場終止層。
[0031] 參照圖4A，在本實施例中，N+電場終止層1的摻雜濃度大于襯底的摻雜濃度。
[0032] S320,進行第一階段正面工藝。
[0033] 圖4F是步驟S320完成后場截止型反向導通絕緣柵雙極型晶體管的剖面示意圖。 步驟S320具體包括在場截止型反向導通絕緣柵雙極型晶體管的襯底正面外圍的終端結構 200區(qū)域形成耐壓結構。在被終端結構200包圍的有源區(qū)100區(qū)域的襯底的正表面形成柵 氧化層3,及在柵氧化層3表面形成多晶硅柵極4。在襯底的正面、有源區(qū)100區(qū)域內(nèi)形成 P阱5。在P阱5內(nèi)形成N型的發(fā)射極6。形成覆蓋襯底的正面和多晶硅柵極的氧化硅層。 氧化硅層由場氧化層14和氧化物介質層7組成。
[0034] 在圖4F所示的實施例中，為了保護圓片（wafer)在進行背面工藝時不損傷其正面 結構，在形成氧化硅層后，還包括在氧化硅層上形成正面保護層13的步驟。
[0035] S330,在電場終止層背離襯底的一面形成背面N型結構和背面P型結構，背面N型 結構只形成于有源區(qū)區(qū)域內(nèi)。
[0036] 圖4H是步驟S330完成后場截止型反向導通絕緣柵雙極型晶體管的剖面示意圖。 背面N型結構10只形成于有源區(qū)100區(qū)域內(nèi)，背面N型結構10被背面P型結構11分隔成 多個相互分離的區(qū)域，背面N型結構10的摻雜濃度大于電場終止層1的摻雜濃度。
[0037] 參照圖41，步驟S330完成后還需要去除正面保護層13。
[0038] S340,進行第二階段正面工藝。
[0039] 圖4K是步驟S340完成后場截止型反向導通絕緣柵雙極型晶體管的剖面示意圖。 第二階段正面工藝具體包括光刻和刻蝕氧化物介質層7,使P阱5和發(fā)射極6呈部分露出 形成接觸孔，向接觸孔內(nèi)填入發(fā)射極金屬結構8,然后形成鈍化層9。發(fā)射極金屬結構8設 于P阱5上，鈍化層9覆蓋于氧化硅層和發(fā)射極金屬結構8上。鈍化層9的作用是保護芯 片表面不受外界離子污染，在本實施例中鈍化層9的材質為SiN。
[0040] S350,在背面N型結構和背面P型結構背離襯底的表面形成背面金屬層。
[0041] 步驟S350完成后場截止型反向導通絕緣柵雙極型晶體管的剖面示意圖如圖2所 示。在本實施例中，背面金屬層12采用Al-Ti-Ni-Ag的結構。
[0042] 采用上述場截止型反向導通絕緣柵雙極型晶體管制造方法制造的器件，在終端結 構200內(nèi)不進行背面N型結構10的形成。這樣當二極管導通時，只會有很少的一部分空穴 流過終端結構200內(nèi)的漂移區(qū)，減小了內(nèi)置二極管恢復時的恢復電流的大小，改善了內(nèi)置 二極管的反向恢復能力。
[0043] 另一方面，傳統(tǒng)技術中RC-IGBT的制造工藝，一般在正面工藝完成以后進行兩次 背面光刻。即先進行一次光刻、注入和擴散形成P+型區(qū)域，然后再進行一次光刻、注入和擴 散形成N+型區(qū)域。由于正面工藝中已完成了金屬層的形成，因此后續(xù)的退火工藝只能采用 較低的溫度，難以獲得較好的退火效果。
[0044] 而上述場截止型反向導通絕緣柵雙極型晶體管制造方法，采用正面工藝分兩步完 成的方式，將背面結構的制作提前到正面工藝的金屬層（即發(fā)射極金屬結構8)之前，因此可 以在形成發(fā)射極金屬結構8之前，采用較高的溫度進行退火，獲得較高的背面注入離子的 激活率。
[0045] 參見圖5,在其中一個實施例中，S320具體包括如下的步驟：
[0046] S321，通過光刻在襯底正面注入P型雜質，熱擴散后形成場限環(huán)2作為耐壓結構。
[0047] 本實施例中采用場限環(huán)作為耐壓結構，在其它實施例中也可以采用場板作為耐壓 結構，或者場限環(huán)+場板的耐壓結構，又或者其它的終端耐壓結構。
[0048] S322,在襯底的正面生長場氧化層14,并光刻和刻蝕掉有源區(qū)區(qū)域上的場氧化層 14。
[0049] 圖4B是步驟S322完成后場截止型反向導通絕緣柵雙極型晶體管的剖面示意圖。
[0050] S323,在襯底的正面生長柵氧化層，并在柵氧化層表面形成多晶硅層。
[0051] 圖4C是步驟S323完成后場截止型反向導通絕緣柵雙極型晶體管的剖面示意圖。 在本實施例中，是通過熱氧化生長600人~1500人厚的柵氧化層3,然后在柵氧化層3表面 淀積形成多晶娃層4。
[0052] S324,光刻和刻蝕去除多余的多晶硅和柵氧化層，形成多晶硅柵極，并向襯底內(nèi)離 子注入P型雜質，推阱后形成P阱。
[0053] 圖4D是步驟S324完成后場截止型反向導通絕緣柵雙極型晶體管的剖面示意圖。 在本實施例中，是通過自對準注入工藝進行離子注入，形成P阱5。
[0054] S325,光刻并向P阱內(nèi)注入N型離子形成發(fā)射極。
[0055] 圖4E是步驟S325完成后場截止型反向導通絕緣柵雙極型晶體管的剖面示意圖。 通過光刻形成N+注入窗口后，通過離子注入和推阱形成N+發(fā)射極6。
[0056] S326,形成覆蓋襯底的正面和多晶硅柵極的氧化物介質層。
[0057] 在本實施例中，是通過淀積形成氧化物介質層7,然后通過爐管的方式形成前述的 正面保護層13。因此，圓片的背面同樣會形成保護層，需要在進行步驟S330之前將背面的 去除掉。
[0058] 步驟S326完成后執(zhí)行步驟S330。參見圖4G和圖4H，在本實施例中，步驟S330是 光刻后注入N型雜質形成N+的背面N型結構10 ;去除光刻膠后再進行一次注入，形成P+的 背面P型結構11。可以理解的，在其它實施例中也可以先注入形成背面P型結構11，再注 入形成背面N型結構10。
[0059] 參見圖4J，在本實施例中，發(fā)射極金屬結構8是通過濺射工藝形成，并且需要通過 光刻和刻蝕工藝去除部分多余的金屬。
[0060] 參見圖4K，在本實施例中，鈍化層9是通過化學氣相淀積的工藝形成的，并且需要 通過光刻和刻蝕出用于引出柵電極和發(fā)射極電極的焊盤（PAD)區(qū)域（圖4K中未示)。
[0061] 以上所述實施例僅表達了本發(fā)明的幾種實施方式，其描述較為具體和詳細，但并 不能因此而理解為對本發(fā)明專利范圍的限制。應當指出的是，對于本領域的普通技術人員 來說，在不脫離本發(fā)明構思的前提下，還可以做出若干變形和改進，這些都屬于本發(fā)明的保 護范圍。因此，本發(fā)明專利的保護范圍應以所附權利要求為準。
【權利要求】
1. 一種場截止型反向導通絕緣柵雙極型晶體管，包括外圍的終端結構和被所述終端結 構包圍的有源區(qū)，所述場截止型反向導通絕緣柵雙極型晶體管的襯底為N型襯底，所述襯 底的背面設有N型的電場終止層，所述電場終止層背離所述襯底的一面設有背面N型結構 和背面P型結構，所述背面N型結構被所述背面P型結構分隔成多個相互分離的區(qū)域，所述 背面N型結構的摻雜濃度大于所述電場終止層的摻雜濃度，所述背面N型結構和背面P型 結構背離所述襯底的表面設有背面金屬層； 其特征在于，只有所述有源區(qū)內(nèi)形成有所述背面N型結構，所述終端結構內(nèi)不設置所 述背面N型結構。
2. 根據(jù)權利要求1所述的場截止型反向導通絕緣柵雙極型晶體管，其特征在于，所述 襯底的正面、終端結構內(nèi)設有場限環(huán)，所述場限環(huán)上設有氧化硅層； 所述襯底的正面、有源區(qū)內(nèi)設有P阱，所述P阱內(nèi)設有N型的發(fā)射極，所述襯底的正表 面設有柵氧化層，所述柵氧化層的表面設有多晶硅柵極，所述多晶硅柵極被所述氧化硅層 覆蓋，所述P阱上設有發(fā)射極金屬結構，所述氧化硅層和發(fā)射極金屬結構上覆蓋有鈍化層。
3. 根據(jù)權利要求2所述的場截止型反向導通絕緣柵雙極型晶體管，其特征在于，所述 電場終止層、背面N型結構、發(fā)射極均為N+型，所述背面P型結構是P+型。
4. 根據(jù)權利要求1所述的場截止型反向導通絕緣柵雙極型晶體管，其特征在于，所述 背面金屬層是鋁-鈦-鎳-銀結構。
5. 根據(jù)權利要求1所述的場截止型反向導通絕緣柵雙極型晶體管，其特征在于，所述 場截止型反向導通絕緣柵雙極型晶體管是平面柵極絕緣柵雙極型晶體管。
6. -種場截止型反向導通絕緣柵雙極型晶體管的制造方法，包括下列步驟： 步驟A，提供N型襯底，將所述襯底的一面作為背面，在所述背面形成N型的電場終止 層； 步驟B，進行第一階段正面工藝；包括在所述場截止型反向導通絕緣柵雙極型晶體管 的襯底正面外圍的終端結構區(qū)域形成耐壓結構，在被所述終端結構包圍的有源區(qū)區(qū)域的襯 底的正表面形成柵氧化層、及形成柵氧化層表面的多晶硅柵極，在襯底的正面、所述有源區(qū) 區(qū)域內(nèi)形成P阱，在所述P阱內(nèi)形成N型的發(fā)射極，形成覆蓋所述襯底的正面和所述多晶硅 柵極的氧化硅層； 步驟C，在所述電場終止層背離所述襯底的一面形成背面N型結構和背面P型結構；所 述背面N型結構只形成于所述有源區(qū)區(qū)域內(nèi)，所述背面N型結構被所述背面P型結構分隔 成多個相互分離的區(qū)域，所述背面N型結構的摻雜濃度大于所述電場終止層的摻雜濃度； 步驟D，進行第二階段正面工藝；包括光刻和刻蝕所述氧化硅層，形成使所述P阱和發(fā) 射極呈部分露出的接觸孔，向所述接觸孔內(nèi)填入發(fā)射極金屬結構，形成覆蓋所述氧化硅層 和發(fā)射極金屬結構的鈍化層； 步驟E，在所述背面N型結構和背面P型結構背離所述襯底的表面形成背面金屬層。
7. 根據(jù)權利要求6所述的場截止型反向導通絕緣柵雙極型晶體管的制造方法，其特征 在于，所述步驟B包括： 通過光刻在所述襯底正面注入P型雜質，熱擴散后形成場限環(huán)作為所述耐壓結構； 在所述襯底的正面生長場氧化層，并光刻和刻蝕掉所述有源區(qū)區(qū)域上的場氧化層； 在所述襯底的正面生長柵氧化層，并在所述柵氧化層表面形成多晶硅層； 光刻和刻蝕去除多余的多晶硅層和柵氧化層，形成多晶硅柵極，并通過自對準注入工 藝向所述襯底內(nèi)離子注入P型雜質，推阱后形成所述P阱； 通過光刻工藝選擇性的向所述P阱內(nèi)進行N型離子注入形成所述發(fā)射極； 淀積氧化物介質層，所述場氧化層和淀積氧化物介質層組成所述覆蓋所述襯底的正面 和所述多晶硅柵極的所述氧化硅層。
8. 根據(jù)權利要求7所述的場截止型反向導通絕緣柵雙極型晶體管的制造方法，其特征 在于，所述步驟B中在所述襯底的正面生長柵氧化層的步驟是生長600埃?1500埃厚的柵 氧化層。
9. 根據(jù)權利要求7所述的場截止型反向導通絕緣柵雙極型晶體管的制造方法，其特征 在于，所述步驟C包括： 光刻并注入N型雜質，形成所述背面N型結構； 光刻并注入P型雜質，形成所述背面P型結構； 所述電場終止層、背面N型結構、發(fā)射極均為N+型，所述背面P型結構是P+型。
10. 根據(jù)權利要求6所述的場截止型反向導通絕緣柵雙極型晶體管的制造方法，其特 征在于，所述步驟C之前，還包括在所述氧化硅層上形成正面保護層的步驟；所述步驟C之 后，所述步驟D之前，還包括去除所述正面保護層的步驟。
【文檔編號】H01L29/06GK104282741SQ201310283363
【公開日】2015年1月14日 申請日期:2013年7月5日 優(yōu)先權日:2013年7月5日
【發(fā)明者】張碩, 芮強, 鄧小社, 王根毅 申請人:無錫華潤上華半導體有限公司