集成續(xù)流二極管的功率半導體器件的制作方法
【專利摘要】本實用新型提供了一種集成續(xù)流二極管的功率半導體器件，該器件包括：具有第一摻雜類型的場截止區(qū)，該場截止區(qū)包括第一外延層，或者該場截止區(qū)包括半導體襯底以及位于該半導體襯底正面的第一外延層；位于場截止區(qū)正面上的第二外延層，第二外延層的背面與場截止區(qū)的正面貼合，第二外延層具有第一摻雜類型；IGBT器件的基區(qū)、發(fā)射區(qū)、柵介質(zhì)層和柵極，形成于所述第二外延層的正面，基區(qū)具有第二摻雜類型，發(fā)射區(qū)具有第一摻雜類型；具有第二摻雜類型的集電區(qū)，位于場截止區(qū)的背面；具有第一摻雜類型的二極管接觸區(qū)，位于場截止區(qū)的背面。本實用新型的功率半導體器件具有開關(guān)安全工作區(qū)寬、魯棒性強以及制造成本低等優(yōu)點。
【專利說明】集成續(xù)流二極管的功率半導體器件
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型涉及IGBT器件及其制造工藝，尤其涉及一種集成續(xù)流二極管的功率半導體器件。
【背景技術(shù)】
[0002]絕緣柵雙極型晶體管(IGBT,Insulated Gate Bipolar Transistor)是近年來最令人注目及發(fā)展最快的一種新型電力電子器件。IGBT具有柵極高輸入阻抗、開通和關(guān)斷時具有較寬的安全工作區(qū)等特點，因此IGBT在電機驅(qū)動、電焊機、電磁爐，UPS電源等方面有很廣泛的應用。
[0003]從器件結(jié)構(gòu)上來看，IGBT可以看作是MOSFET器件和PNP雙極型晶體管的復合元件，是在功率MOSFET工藝基礎上進一步優(yōu)化的產(chǎn)物。但與MOSFET器件不同的是，常規(guī)的IGBT器件不具有可用于續(xù)流功能的寄生體二極管結(jié)構(gòu)。通常，IGBT器件制造商會在器件封裝時同時將一顆續(xù)流二極管或快恢復二極管與IGBT器件封裝一起，以便客戶使用，但這無形之中增加IGBT器件廠商的生產(chǎn)成本。
[0004]現(xiàn)有技術(shù)雖然存在集成續(xù)流二極管的IGBT器件，但技術(shù)方案依然存在工藝復雜、制造成本高昂、器件應用范圍狹窄等問題。
實用新型內(nèi)容
[0005]本實用新型要解決的技術(shù)問題是提供一種集成續(xù)流二極管的功率半導體器件，形成的集成續(xù)流二極管的功率半導體器件具有開關(guān)安全工作區(qū)寬、魯棒性強以及制造成本低等優(yōu)點。
·[0006]為解決上述技術(shù)問題，本實用新型提供了一種集成續(xù)流二極管的功率半導體器件，包括:
[0007]具有第一摻雜類型的場截止區(qū)，所述場截止區(qū)具有相對的正面和背面，所述場截止區(qū)包括第一外延層，或者該場截止區(qū)包括半導體襯底以及位于該半導體襯底正面的第一外延層；
[0008]位于所述場截止區(qū)正面上的第二外延層，所述第二外延層的背面與所述場截止區(qū)的正面貼合，所述第二外延層具有第一摻雜類型；
[0009]IGBT器件的基區(qū)、發(fā)射區(qū)、柵介質(zhì)層和柵極，形成于所述第二外延層的正面，所述基區(qū)具有第二摻雜類型，所述發(fā)射區(qū)具有第一摻雜類型，所述第一摻雜類型和第二摻雜類型相反；
[0010]具有第二摻雜類型的集電區(qū)，位于所述場截止區(qū)的背面；
[0011]具有第一摻雜類型的二極管接觸區(qū)，位于所述場截止區(qū)的背面。
[0012]根據(jù)本實用新型的一個實施例，所述第一外延層的摻雜濃度不低于所述半導體襯底的摻雜濃度。
[0013]根據(jù)本實用新型的一個實施例,所述第一外延層的厚度為24!11至5(^1]1。[0014]根據(jù)本實用新型的一個實施例，所述半導體襯底是縱向摻雜均勻的。
[0015]根據(jù)本實用新型的一個實施例，所述半導體襯底的晶向為〈100〉。
[0016]根據(jù)本實用新型的一個實施例,所述第二外延層的厚度為40μηι至120 μ m。
[0017]根據(jù)本實用新型的一個實施例，所述二極管接觸區(qū)與集電區(qū)之間具有間隔。
[0018]根據(jù)本實用新型的一個實施例，所述二極管接觸區(qū)與集電區(qū)之間的間隔為5μπι至 50 μ m。
[0019]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實用新型具有以下優(yōu)點:
[0020]本實用新型實施例的集成續(xù)流二極管的功率半導體器件具有場截止區(qū)，該場截止區(qū)優(yōu)選為雙層結(jié)構(gòu)，包括相疊的半導體襯底以及位于其上的第一外延層，而且該場截止區(qū)的厚度可以較傳統(tǒng)的IGBT器件的場截止區(qū)更厚，如此，不僅使得IGBT器件在工作時以及在復雜工作狀態(tài)下的外加電場能夠較大程度地施加在場截止區(qū)上，從而降低了 IGBT器件正面基區(qū)底部的電場強度，而且同時還可以有效減小集成在IGBT器件體內(nèi)的續(xù)流二極管的正向電流壓降以提高集成在IGBT器件體內(nèi)的續(xù)流二極管的抗雪崩擊穿能力。
[0021]本實用新型實施例的功率半導體器件的場截止區(qū)中的第一外延層通過生長外延層的方式來形成，因而場截止區(qū)的濃度和厚度可以精確控制和調(diào)節(jié)，使得形成的功率半導體器件具有更強的魯棒性。
[0022]此外，本實用新型實施例的集成續(xù)流二極管的功率半導體器件中，二極管接觸區(qū)和集電區(qū)之間可以具有間隔，也就是利用場截止區(qū)將二極管接觸區(qū)和集電區(qū)隔離開，可以有效降低二極管接觸區(qū)和集電區(qū)之間的電場峰值，從而可以減小離化電流，改善IGBT器件在關(guān)斷時造成的電流震蕩對集成的續(xù)流二極管的沖擊，提高IGBT器件的安全工作范圍。
[0023]再者，本實用新型實施例的集成續(xù)流二極管的功率半導體器件中，集電區(qū)的面積優(yōu)選為占整個場截止區(qū)背面的面積比例可以通過光刻版圖結(jié)構(gòu)進行精確的控制和調(diào)整，從而可以兼顧IGBT器件飽和壓降以及集成的續(xù)流二極管的正向?qū)▔航怠?br> [0024]另外，本實用新型實施例的集成續(xù)流二極管的功率半導體器件的形成方法可以利用常規(guī)類型的半導體襯底作為工藝襯片，在半導體襯底上生長第一外延層、第二外延層，并進一步在第二外延層上形成IGBT器件的正面結(jié)構(gòu)，該工藝襯片不僅具有保護作用，而且將其部分移除之后，可以在該半導體襯底的背面形成IGBT器件的背面結(jié)構(gòu)。采用該形成方法，減少了傳統(tǒng)工藝中在器件正面結(jié)構(gòu)形成后，再通過掩膜工藝以及離子注入、退火等工藝來形成場截止區(qū)的工藝步驟，降低了工藝難度，減少了制備過程中的碎片率。并且能通過外延工藝較為準確地控制場截止區(qū)的厚度以及摻雜濃度，改善集成的續(xù)流二極管的正向?qū)▔航狄约翱寡┍罁舸┠芰Α?br> 【專利附圖】

【附圖說明】
[0025]圖1是本實用新型實施例的集成續(xù)流二極管的功率半導體器件的剖面結(jié)構(gòu)示意圖；
[0026]圖2是本實用新型實施例的集成續(xù)流二極管的功率半導體器件的剖面結(jié)構(gòu)示意圖及其橫向和縱向電場強度分布圖；
[0027]圖3是本實用新型實施例的集成續(xù)流二極管的功率半導體器件中集電區(qū)占的面積比例對器件性能的影響示意圖；[0028]圖4是本實用新型實施例的集成續(xù)流二極管的功率半導體器件的形成方法的流程不意圖；
[0029]圖5至圖9是本實用新型實施例的集成續(xù)流二極管的功率半導體器件的形成方法中各步驟對應的剖面結(jié)構(gòu)示意圖；
[0030]圖10是本實用新型另一實施例的集成續(xù)流二極管的功率半導體器件的剖面結(jié)構(gòu)示意圖；
[0031]圖11至圖15是本實用新型另一實施例的集成續(xù)流二極管的功率半導體器件的形成方法中各步驟對應的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實施方式】
[0032]下面結(jié)合具體實施例和附圖對本實用新型作進一步說明，但不應以此限制本實用新型的保護范圍。
[0033]參考圖1，本實施例的集成續(xù)流二極管的功率半導體器件可以包括:場截止區(qū)NO，其具有第一摻雜類型，例如N型摻雜；位于場截止區(qū)NO正面的第二外延層202，該第二外延層202的背面和場截止區(qū)NO的正面貼合，第二外延層202的摻雜類型和場截止區(qū)NO的摻雜類型相同，例如都為N型摻雜；柵介質(zhì)層203，位于第二外延層202的正面；柵極204，位于柵介質(zhì)層203上；基區(qū)206，位于第二外延層202的正面、柵介質(zhì)層203的一側(cè)，基區(qū)206具有第二摻雜類型，例如P型摻雜；發(fā)射區(qū)207，位于基區(qū)206內(nèi)，發(fā)射區(qū)207具有第一摻雜類型，例如N型摻雜；集電區(qū)211，位于場截止區(qū)NO的背面，集電區(qū)211具有第二摻雜類型，例如P型摻雜；二極管接觸區(qū)210，位于場截止區(qū)NO的背面，二極管接觸區(qū)210具有第一摻雜類型，例如N型摻雜。
[0034]此外，該功率半導體器件還可以包括:介質(zhì)層205，覆蓋柵極204以及第二外延層202的正面，介質(zhì)層205上可以具有接觸孔208，該接觸孔208中填充有發(fā)射極209 ;集電極212，覆蓋場截止區(qū)NO的背面。
[0035]圖1所示的實例中，場截止區(qū)NO可以包括半導體襯底214以及位于半導體襯底214上的第一外延層201，或者，場截止區(qū)NO也可以僅包括第一外延層201。在場截止區(qū)NO包括半導體襯底214和第一外延層201時,該半導體襯底214可以選擇常規(guī)的晶向為〈100〉的半導體襯底，以節(jié)約成本。此外，更加優(yōu)選地，第一外延層201的摻雜濃度不低于半導體襯底214的摻雜濃度，也就是第一外延層201的摻雜濃度可以高于半導體襯底214的摻雜濃度或者二者相等。
[0036]場截止區(qū)NO的設置不僅使得IGBT器件在工作時以及在復雜工作狀態(tài)下的外加電場能夠較大程度地施加在場截止區(qū)NO上，從而降低了 IGBT器件正面基區(qū)206底部的電場強度，而且，可以通過調(diào)整場截止區(qū)NO的厚度以及摻雜濃度對IGBT器件中集成的續(xù)流二極管結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，改善續(xù)流二極管的正向?qū)▔航狄约翱寡┍罁舸┠芰?，使得形成的功率半導體器件具有更強的魯棒性。
[0037]作為一個優(yōu)選的實施例，集電區(qū)211和二極管接觸區(qū)210之間可以具有間隔。尤其對于1200V規(guī)格的功率器件，該間隔優(yōu)選為5 μ m至50 μ m。
[0038]集電區(qū)211和二極管接觸區(qū)210之間具有間隔，或者說集電區(qū)211和二極管接觸區(qū)210之間由場截止區(qū)NO隔開，可以有效改善IGBT器件在關(guān)斷時造成的電流震蕩對IGBT器件內(nèi)集成的續(xù)流二極管的沖擊。
[0039]進一步而言，例如在高速直流電機驅(qū)動應用過程中，IGBT器件作為開關(guān)器件對負載電機進行控制，由于負載電機是電感性的，作為開關(guān)元件的IGBT器件在關(guān)斷時，器件的集電極與發(fā)射極之間電壓會急劇上升。如果采用二極管接觸區(qū)210和集電區(qū)211相接觸的設置方式，那么在逆導型IGBT器件縱向下表面區(qū)域的二極管接觸區(qū)210與集電區(qū)211之間會形成一尖峰電場，該電場強度隨著集電極212與發(fā)射極209之間的電壓升高而提高。由于該電場的存在，則在二極管接觸區(qū)210與集電區(qū)211兩邊生成空穴與電子，產(chǎn)生出的空穴與電子在電場的作用下向兩邊運動形成離化電流。這種離化電流最終會導致IGBT器件關(guān)斷時，集電極電流與集電極電壓產(chǎn)生嚴重的振蕩，甚至會導致器件或電路損壞。
[0040]參考圖2，本實施例的功率半導體器件中，二極管接觸區(qū)210與集電區(qū)211通過縱向摻雜均勻的場截止區(qū)NO進行隔離，可以有效地降低在二極管接觸區(qū)210與集電區(qū)211之間的電場峰值，從而減少了離化電流，提高IGBT器件開關(guān)安全工作范圍。
[0041]仍然參考圖1，作為一個優(yōu)選的實施例，集電區(qū)211的面積占場截止區(qū)NO背面總面積的比例可以通過光刻版圖結(jié)構(gòu)進行精確的控制和調(diào)整，以兼顧IGBT器件飽和壓降以及集成的續(xù)流二極管的正向?qū)▔航怠?br> [0042]參考圖1和圖3，以電壓規(guī)格為600V的某種IGBT產(chǎn)品為例，實用新型人對集電區(qū)211的面積占場截止區(qū)NO背面總面積的比例對整個IGBT器件性能的影響進行了分析，其中Vcesat表示IGBT器件飽和壓降，而Vf表示集成的續(xù)流二極管的正向?qū)▔航担梢钥闯?，在比例?0%?60%內(nèi)時，可以兼顧IGBT器件飽和壓降以及集成的續(xù)流二極管的正向?qū)▔航?。此外，通過實用新型人的研究發(fā)現(xiàn):對于采用不同元胞結(jié)構(gòu)的IGBT產(chǎn)品，該優(yōu)選比例并非是固定不變的，以某型應用于感應加熱的IGBT產(chǎn)品為例，其優(yōu)選比例為2%?15%。故，針對不同IGBT器件正面的元胞結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)方式，可以通過調(diào)整集電區(qū)211的面積占場截止區(qū)NO的總面積的比例進行匹配，從而獲得適應不同應用環(huán)境的IGBT器件。
[0043]仍然參考圖1，作為一個優(yōu)選的實施例，該第一外延層201的厚度為2μπι至50 μ m，其摻雜濃度為5E14cm_3至lE16cm_3 ;該半導體襯底214是縱向摻雜均勻的，其摻雜濃度為lE13cnT3至lE16cnT3。第二外延層202的厚度為40 μ m至120 μ m,第二外延層202的摻雜濃度為5E13cnT3至lE15cnT3。
[0044]需要說明的是，雖然以上實施例中第一摻雜類型為N型，第二摻雜類型為P型，但本領(lǐng)域技術(shù)人員應當理解，該摻雜類型可以互換，也就是第一摻雜類型可以是P型，第二摻雜類型可以是N型。
[0045]參考圖4，本實施例提供了一種集成續(xù)流二極管的功率半導體器件的形成方法，包括如下步驟:
[0046]步驟S11，提供具有第一摻雜類型的半導體襯底，所述半導體襯底具有相對的正面和背面；
[0047]步驟S12，在所述半導體襯底的正面生長具有第一摻雜類型的第一外延層；
[0048]步驟S13，在所述第一外延層上生長具有第一摻雜類型的第二外延層；
[0049]步驟S14，在所述第二外延層上形成IGBT器件的基區(qū)、發(fā)射區(qū)、柵介質(zhì)層和柵極，所述基區(qū)具有第二摻雜類型，所述發(fā)射區(qū)具有第一摻雜類型，所述第一摻雜類型和第二摻雜類型相反；[0050]步驟S15，從背面對所述半導體襯底進行減薄或者對所述半導體襯底和第一外延層進行減薄，保留的第一外延層或者所述第一外延層和保留的半導體襯底作為所述IGBT器件的場截止區(qū)；
[0051]步驟S16，在所述場截止區(qū)的背面分別形成第二摻雜類型的集電區(qū)和第一摻雜類型的二極管接觸區(qū)。
[0052]下面結(jié)合圖6至圖10對該形成方法進行詳細說明。
[0053]參考圖5，提供半導體襯底214。作為一個優(yōu)選的實施例，該半導體襯底214可以是常規(guī)的〈100〉晶向的直拉半導體襯底，該〈100〉晶向的半導體襯底214的導電類型例如可以為N型，摻雜濃度可以為高摻雜濃度或低摻雜濃度，甚至也可以為本征摻雜濃度。從方便工藝管理以及節(jié)約成本的角度考慮，可以選取摻雜濃度在lE13cm_3至lE16cm_3，摻雜電阻率在lohm*cm至10ohm*cm之間的直拉襯底片。
[0054]之后在半導體襯底214上生長N型摻雜的第一外延層201。該第一外延層201的厚度例如可以是2 μ m至50 μ m,摻雜濃度可以是5E14cnT3至lE16cnT3。該第一外延層201的形成方法例如可以是外延生長。
[0055]接下來，在已經(jīng)生長好的第一外延層201的正面上生長N型摻雜的第二外延層202。第二外延層202可以作為IGBT器件的漂移區(qū)。該第二外延層202的摻雜濃度優(yōu)選為比第一外延層201的摻雜濃度低。該第二外延層202的厚度例如可以是40 μ m至120 μ m,摻雜濃度可以是5E13cm_3至lE15cm_3。該第二外延層202的形成方法例如可以是外延生長。
[0056]之后，可以對形成的第二外延層202的表面進行清洗，例如可以采用配比為1:15的HF溶液進行清洗。清洗處理之后，可以在第二外延層202的表面生長氧化層。該氧化層的厚度例如為4000A?10000A之間，該氧化層例如可以是在氧氣或濕氧氣氛下生長形成。
[0057]之后，可以通過光刻、顯影、離子注入以及高溫退火等工藝過程，制備IGBT器件的分壓環(huán)結(jié)構(gòu)。
[0058]在形成IGBT器件的分壓環(huán)結(jié)構(gòu)的基礎上，可以通過光刻、顯影、離子注入以及高溫退火等工藝過程，形成IGBT器件的有源區(qū)。
[0059]關(guān)于氧化層、分壓環(huán)結(jié)構(gòu)以及有源區(qū)的形成工藝，可以采用現(xiàn)有技術(shù)中任何適當?shù)墓に嚒Ａ硗?，為了清楚地示出本實施例的改進之處，上述氧化層、分壓環(huán)結(jié)構(gòu)以及有源區(qū)并未在圖中示出。
[0060]參考圖6，在已經(jīng)形成的IGBT器件的有源區(qū)上形成IGBT器件的柵介質(zhì)層203。該柵介質(zhì)層203的材料例如可以是氧化硅，其厚度例如可以是800A至1500A之間。
[0061]之后，在柵介質(zhì)層203的表面淀積多晶硅層，該多晶硅層的厚度例如可以在5000A至10000A之間。該多晶硅層的摻雜類型可以為N型摻雜，摻雜后的多晶硅層的電阻率可以在 0.5ohm/sqrt 至 50ohm/sqrt 之間。
[0062]接下來，可以通過光刻、顯影以及刻蝕等工藝過程，對多晶硅層進行圖形化，形成IGBT器件的柵極204。
[0063]在形成IGBT器件的柵極204的基礎上，可以利用柵極204作為自然掩蔽層，通過離子注入、高溫退火等工藝形成P型摻雜的IGBT器件的基區(qū)206。
[0064]在形成IGBT器件的基區(qū)206之后，通過光刻、顯影、離子注入以及高溫退火等工藝步驟形成N型摻雜的IGBT器件的發(fā)射區(qū)207。
[0065]在已制備的IGBT器件的發(fā)射區(qū)207以及柵極204上方淀積介質(zhì)層205，介質(zhì)層205的厚度可以為6000A至15000A之間。該介質(zhì)層205的材料例如可以是硼磷硅玻璃(BPSG)。
[0066]之后，通過光刻、顯影以及刻蝕等工藝過程，在介質(zhì)層205中形成接觸孔208。
[0067]接下來，在接觸孔208中填充導電材料，形成發(fā)射極電極209。例如，可以淀積鋁層，并對該鋁層進行刻蝕，形成IGBT器件的發(fā)射極電極209。
[0068]參考圖7，從半導體襯底214的背面進行減薄。減薄的方法例如可以是研磨，可以研磨至剩余的半導體襯底214的厚度為預設的厚度。另外，也可以將半導體襯底214全部研磨去除，暴露出第一外延層201的背面或者進一步研磨該第一外延層201至預設的厚度。在圖7所示的實施例中，半導體襯底214被部分移除，場截止區(qū)NO包括保留的半導體襯底214以及第一外延層201。
[0069]參考圖8，通過光刻、顯影、選擇性離子注入以及退火等工藝過程，在場截止區(qū)NO的背面(本實施例中具體為半導體襯底214的背面)形成N型摻雜的二極管接觸區(qū)210。
[0070]參考圖9，通過光刻、顯影、選擇性離子注入以及低溫退火等工藝，在場截止區(qū)NO的背面(本實施例中具體為半導體襯底214的背面)形成P型摻雜的集電區(qū)211。
[0071]優(yōu)選地，該集電區(qū)211和二極管接觸區(qū)210之間具有間隔，由場截止區(qū)NO隔開。對于1200V規(guī)格的功率器件，集電區(qū)211和二極管接觸區(qū)210之間的間隔為5 μ m至50 μ m。
[0072]之后，在集電區(qū)211以及二極管接觸區(qū)210的下方形成集電極212。
[0073]參考圖10，圖10提供了示出了本實用新型的集成續(xù)流二極管的功率半導體器件的另一種實施例，該實施例所述的功率半導體器件可以包括:半導體襯底214，其具有第一摻雜類型，例如N型摻雜；位于半導體襯底214正面的第一外延層201，第一外延層201的摻雜類型也是第一摻雜類型，該半導體襯底214和第一外延層201共同作為IGBT器件的場截止區(qū)；位于第一外延層214正面的第二外延層202，該第二外延層202的背面和第一外延層201的正面貼合，第二外延層202的摻雜類型和半導體襯底214以及第一外延層201的摻雜類型相同，例如都為N型摻雜，該第二外延層202作為IGBT器件的漂移區(qū)；縱向的溝槽結(jié)構(gòu)213，位于第二外延層202的體內(nèi)；柵介質(zhì)層203，位于溝槽結(jié)構(gòu)213的內(nèi)表面；柵極204,位于柵介質(zhì)層203上；具有縱向分布摻雜分布的基區(qū)206,位于第二外延層202的正面、柵介質(zhì)層203的兩側(cè)(或者說是溝槽結(jié)構(gòu)213的兩側(cè))，基區(qū)206具有第二摻雜類型，例如P型摻雜；發(fā)射區(qū)207，位于基區(qū)206內(nèi)，發(fā)射區(qū)207具有第一摻雜類型，例如N型摻雜；集電區(qū)211，位于半導體襯底214的背面，集電區(qū)211具有第二摻雜類型，例如P型摻雜；二極管接觸區(qū)210，位于半導體襯底214的背面，二極管接觸區(qū)210具有第一摻雜類型，例如N型摻雜。
[0074]此外，該功率半導體器件還可以包括:介質(zhì)層205，覆蓋柵極204以及第二外延層202的正面，介質(zhì)層205上可以具有接觸孔208，該接觸孔208中填充有發(fā)射極209 ;集電極212，覆蓋半導體襯底214的背面。
[0075]下面結(jié)合圖11至圖15對該形成方法進行詳細說明。
[0076]參考圖11，提供半導體襯底214。作為一個優(yōu)選的實施例，該半導體襯底214可以是常規(guī)的〈100〉晶向的直拉半導體襯底，該〈100〉晶向的半導體襯底214的導電類型例如可以為N型，摻雜濃度可以為高摻雜濃度或低摻雜濃度。從方便工藝管理以及節(jié)約成本的角度考慮，可以選取摻雜濃度在5E14cm_3至lE16cm_3,摻雜電阻率在lohm*cm至10ohm*cm之間的直拉襯底片。
[0077]之后在半導體襯底214上生長N型摻雜的第一外延層201，并在第一外延層201上生長N型摻雜的第二外延層202。第二外延層202可以作為IGBT器件的漂移區(qū)。第一外延層201的摻雜濃度優(yōu)選為不低于半導體襯底214的摻雜濃度。該第一外延層201的厚度例如為2 μ m至50 μ m,第一外延層201的摻雜濃度例如為5E14cnT3至lE16cnT3 ;該第二外延層202的厚度例如可以是40μπι至120μm，摻雜濃度可以是5E13cπ3至lE15cπ3。該第一外延層201和第二外延層202的形成方法例如可以是外延生長。
[0078]之后，可以對形成的第二外延層202的表面進行清洗，例如可以采用配比為1:15的HF溶液進行清洗。清洗處理之后，可以在第二外延層202的表面生長氧化層。該氧化層的厚度例如為4000Α~10000Α之間，該氧化層例如可以是在氧氣或濕氧氣氛下生長形成。
[0079]之后，可以通過光刻、顯影、離子注入以及高溫退火等工藝過程，制備IGBT器件的分壓環(huán)結(jié)構(gòu)。
[0080]在形成IGBT器件的分壓環(huán)結(jié)構(gòu)的基礎上，可以通過光刻、顯影、離子注入以及高溫退火等工藝過程，形成IGBT器件的有源區(qū)。
[0081]關(guān)于氧化層、分壓環(huán)結(jié)構(gòu)以及有源區(qū)的形成工藝，可以采用現(xiàn)有技術(shù)中任何適當?shù)墓に?。另外，為了清楚地示出本實施例的改進之處，上述氧化層、分壓環(huán)結(jié)構(gòu)以及有源區(qū)并未在圖中示出。
[0082]參考圖12， 在已經(jīng)形成的IGBT器件的有源區(qū)上通過光刻、顯影以及刻蝕工藝形成IGBT器件的溝槽結(jié)構(gòu)213，之后，在溝槽結(jié)構(gòu)213的內(nèi)側(cè)壁形成柵介質(zhì)層203。該柵介質(zhì)層203的材料例如可以是氧化硅，其厚度例如可以是800Α至1500Α之間。
[0083]之后，在柵介質(zhì)層203的表面淀積多晶硅層，該多晶硅層的厚度例如可以在5000Α個:20000Α之間。該多晶硅層的摻雜類型可以為N型摻雜，摻雜后的多晶硅層的電阻率可以在 0.5ohm/sqrt 至 50ohm/sqrt 之間。
[0084]接下來，可以通過光刻、顯影以及刻蝕等工藝過程，對多晶硅層進行圖形化，形成IGBT器件的柵極204。
[0085]在形成IGBT器件的柵極204的基礎上，通過光刻、顯影、離子注入以及高溫退火等工藝形成P型摻雜的IGBT器件的基區(qū)206。
[0086]在形成IGBT器件的基區(qū)206之后，通過光刻、顯影、離子注入以及高溫退火等工藝步驟形成N型摻雜的IGBT器件的發(fā)射區(qū)207。
[0087]在已制備的IGBT器件的發(fā)射區(qū)207以及柵極204上方淀積介質(zhì)層205，介質(zhì)層205的厚度可以為6000A至15000A之間。該介質(zhì)層205的材料例如可以是硼磷硅玻璃(BPSG)。
[0088]之后，通過光刻、顯影以及刻蝕等工藝過程，在介質(zhì)層205中形成接觸孔208。
[0089]接下來，在接觸孔208中填充導電材料，形成發(fā)射極電極209。例如，可以淀積鋁層，并對該鋁層進行刻蝕，形成IGBT器件的發(fā)射極電極209。
[0090]參考圖13，從半導體襯底214的背面進行減薄。減薄的方法例如可以是研磨，可以研磨至保留的半導體襯底214為預設厚度。[0091]參考圖14，通過光刻、顯影、選擇性離子注入以及退火等工藝過程，在場截止區(qū)(也就是保留的半導體襯底214以及第一外延層201)的背面形成N型摻雜的二極管接觸區(qū)210。
[0092]參考圖15，通過光刻、顯影、選擇性離子注入以及低溫退火等工藝，在場截止區(qū)(也就是保留的半導體襯底214以及第一外延層201)的背面形成P型摻雜的集電區(qū)211。
[0093]優(yōu)選地，該集電區(qū)211和二極管接觸區(qū)210之間具有間隔，由場截止區(qū)隔開。對于某型1200V規(guī)格的功率器件，集電區(qū)211和二極管接觸區(qū)210之間的間隔為5 μ m至50 μ m。
[0094]之后，在集電區(qū)211以及二極管接觸區(qū)210的下方形成集電極212。
[0095]以上實施例中，第一摻雜類型為N型摻雜，第二摻雜類型為P型摻雜，但本領(lǐng)域【技術(shù)領(lǐng)域】應當理解，第一摻雜類型可以為P型摻雜，第二摻雜類型可以為N型摻雜。
[0096]采用上述實施例給出的形成方法至少具有如下優(yōu)點:
[0097]1、本實施例在集成續(xù)流二極管的功率半導體器件中設置了場截止區(qū)，二極管接觸區(qū)和集電區(qū)都形成在場截止區(qū)的背面，可以有效擴展IGBT器件的開關(guān)安全工作區(qū)；
[0098]2、本實施例采用外延生長的方式來形成場截止區(qū)中的第一外延層，與傳統(tǒng)的逆導型IGBT器件制造工藝相比，本實施例的方案能夠形成更厚的而且縱向具有均勻摻雜濃度的場截止區(qū)，不僅可以有效降低器件在工作狀態(tài)下IGBT器件正面基區(qū)底部的電場強度，提高IGBT器件的工作強度，同時也能夠靈活的調(diào)整集成在IGBT器件體內(nèi)的續(xù)流二極管的正向?qū)▔航狄约翱寡┍罁舸┠芰Γ?br> [0099]3、與傳統(tǒng)的逆導型IGBT制造工藝方案相比，本實施例的方案在半導體襯底上方形成IGBT器件的場截止區(qū)以及漂移區(qū)，場截止區(qū)的摻雜濃度以及厚度能夠得到精確的控制與調(diào)整，有利于提高形成的功率器件的魯棒性；
[0100]4、與傳統(tǒng)的逆導IGBT制造工藝方案相比，本實施例的方案在半導體襯底上方形成IGBT器件的場截止區(qū)以及漂移區(qū)，避免了在器件正面結(jié)構(gòu)形成后，再通過研磨工藝以及離子注入與退火工藝形成場截止區(qū)的工藝過程，降低了工藝難度，減少了場截止區(qū)制備過程中的碎片率；
[0101]5、與傳統(tǒng)的采用離子注入方式形成場截止區(qū)的IGBT制造工藝方案相比，本實施例的方案可以采用常規(guī)的〈100〉襯底片，能夠避免對襯底片的特殊需求，從而可以有效降低原材料的采購成本以及管理成本。
[0102]以上所述，僅是本實用新型的較佳實施例而已，并非對本實用新型作任何形式上的限制。因此，凡是未脫離本實用新型技術(shù)方案的內(nèi)容，只是依據(jù)本實用新型的技術(shù)實質(zhì)對以上實施例所做的任何簡單的修改、等同的變換，均仍屬于本實用新型技術(shù)方案的保護范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種集成續(xù)流二極管的功率半導體器件，其特征在于，包括: 具有第一摻雜類型的場截止區(qū)，所述場截止區(qū)具有相對的正面和背面，所述場截止區(qū)包括第一外延層，或者該場截止區(qū)包括半導體襯底以及位于該半導體襯底正面的第一外延層； 位于所述場截止區(qū)正面上的第二外延層，所述第二外延層的背面與所述場截止區(qū)的正面貼合，所述第二外延層具有第一摻雜類型； IGBT器件的基區(qū)、發(fā)射區(qū)、柵介質(zhì)層和柵極，形成于所述第二外延層的正面，所述基區(qū)具有第二摻雜類型，所述發(fā)射區(qū)具有第一摻雜類型，所述第一摻雜類型和第二摻雜類型相反； 具有第二摻雜類型的集電區(qū)，位于所述場截止區(qū)的背面； 具有第一摻雜類型的二極管接觸區(qū)，位于所述場截止區(qū)的背面。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的集成續(xù)流二極管的功率半導體器件，其特征在于，所述第一外延層的摻雜濃度不低于所述半導體襯底的摻雜濃度。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的集成續(xù)流二極管的功率半導體器件，其特征在于，所述第一外延層的厚度為2 μ m至50 μ m。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的集成續(xù)流二極管的功率半導體器件，其特征在于，所述半導體襯底是縱向摻雜均勻的。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的集成續(xù)流二極管的功率半導體器件，其特征在于，所述半導體襯底的晶向為〈100〉。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的集成續(xù)流二極管的功率半導體器件，其特征在于，所述第二外延層的厚度為40 μ m至120 μ m。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的集成續(xù)流二極管的功率半導體器件，其特征在于，所述二極管接觸區(qū)與集電區(qū)之間具有間隔。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的集成續(xù)流二極管的功率半導體器件，其特征在于，所述二極管接觸區(qū)與集電區(qū)之間的間隔為5μπι至50μπι。
【文檔編號】H01L29/739GK203644779SQ201320766529
【公開日】2014年6月11日 申請日期:2013年11月27日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月27日
【發(fā)明者】顧悅吉, 聞永祥, 劉琛, 劉慧勇 申請人:杭州士蘭集成電路有限公司