一种实现场截止型绝缘栅双极型晶体管的工艺方法
【专利摘要】本发明属于新型技术以及半导体制程工艺，尤其涉及一种实现场截止型绝缘栅双极型晶体管的工艺方法，在Si单晶片的正面形成基本的金属氧化物半导体场效应晶体管结构，包括由多晶硅和氧化硅组成的栅极、P基区、n+发射区以及栅极和发射区上方的正面金属电极，所述的Si单晶片为n型的单晶Si片，所述的Si单晶片的n-漂移区一侧定义为Si单晶片的正面，其相对的一面定义为背面；本发明解决了常规材料和传统工艺难以在IGBT中形成FS层以及FS-IGBT与常规IGBT的工艺兼容性问题。本发明是在传统的半导体器件生产线上，通过选取和使用在硅中扩散系数大的材料，利用非高能离子注入形成FS层，实现场截止IGBT技术。
【专利说明】—种实现场截止型绝缘栅双极型晶体管的工艺方法
【技术领域】
[0001]本发明属于电力电子器件绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolartransistor, IGBT)的新型技术以及半导体制程工艺,尤其涉及一种实现场截止型绝缘栅双极型晶体管的工艺方法。
【背景技术】
[0002]IGBT (绝缘栅双极型晶体管)是由BJT (双极结型晶体管)和MOSFET (绝缘栅型场效应晶体管)组成的复合全控型电压驱动式电力电子器件，是电力电子领域理想的开关器件。目前IGBT的主流技术是被称为第五代技术的trench gate (沟槽栅)+FS (场截止)技术。其中，FS技术是第五代和第六代的核心技术之一，FS-1GBT器件是高压大功率IGBT的主流。FS层的作用主要有三点:第一，截止正向电场，同没有FS层的结构相比，同样的厚度能够承受更大的压降；第二，减小漂移区的厚度，实现薄片化，降低导通损耗；第三，减少注入少子空穴的存储空间，降低关断时间和损耗。所以，FS技术对于提升IGBT的器件性能以及降低损耗十分重要。
[0003]对于常见的以n型Si衬底为主的IGBT来说，实现FS技术的关键是在背面P+集电区和n-漂移区之间形成一层n+缓冲层，使器件内电场分布呈四边形，优化静态和动态损耗。对于在Si晶片中形成n型区域，传统的半导体工艺一般采用P (磷)元素作为施主掺杂，但由于FS层并不在芯片表面，而P元素在Si中的扩散系数较低，并且FS层的深度至少需要离背表面4 y m以上，因此，通过常规的注入和扩散设备以及工艺条件很难形成FS层，这是实现FS技术的最大难点之一。
[0004]现有专利申请号为CN201210439400.3，
【公开日】为2013.4.10，名称为“场截止型绝
缘栅双极晶体管及其制造方法”的发明专利，其技术方案为:本发明公开了一种场截止型绝缘栅双极晶体管，包括金属氧化物半导体场效应晶体管、N型轻掺杂基区、N+型缓冲层、背面P型掺杂区，还包括一附加N型轻掺杂区；金属氧化物半导体场效应晶体管的下面为N型轻掺杂基区，N型轻掺杂基区的下面为N+型缓冲层，附加N型轻掺杂区，位于N+型缓冲层及背面P型掺杂区之间；N型轻掺杂基区的N型掺杂浓度小于附加N型轻掺杂区的N型掺杂浓度小于N+型缓冲层的N型掺杂浓度。
[0005]上述专利列出了场截止层IGBT的基本结构和基本制造流程，但并没有介绍场截止层FS的形成，因为不在器件的表面，需要扩散一定的深度，所以常用的施主元素(如P，As, Sb)由于在Si中扩散系数较小，很难扩散足够的深度，起到场截止的作用，这也正是FS实现的重点和难点。上述专利并没有就此提供具体的解决方案，甚至对使用何种材料掺杂形成FS层也未作说明。
【发明内容】
[0006]为了克服现有的制造方法存在用常规材料和传统工艺难以在IGBT中形成FS层的问题，现在特别提出一种实现场截止型绝缘栅双极型晶体管的工艺方法。[0007]为实现上述技术效果，本发明的技术方案如下:
一种新型场截止型绝缘栅双极型晶体管的制造方法，其特征在于:步骤1:在Si单晶片的正面形成基本的金属氧化物半导体场效应晶体管结构(M0SFET)，包括由多晶硅和氧化硅组成的栅极、P基区、n+发射区以及栅极和发射区上方的正面金属电极，所述的Si单晶片为n型的单晶Si片，所述的Si单晶片的n-漂移区一侧定义为Si单晶片的正面，其相对的一面定义为背面；
所述步骤I中的n-漂移区为衬底，在器件结构中作为漂移区，所述金属电极为Al或Al的合金。
[0008]步骤2:对Si单晶片的背面进行减薄，通过机械方法或化学腐蚀的方法将Si单晶片减薄至80 ii m至150 ii m,再用对Si单晶片进行清洗。
[0009]所述步骤2为使用SC-3溶液对Si单晶片进行清洗。
[0010]步骤3:选择施主元素作为离子注入的源材料，并注入能量和选取计量，通过离子注入的方式，在晶片背面注入一层离子，所述施主元素为Se元素，所述注入能量为IOKeV至500KeV，所述注入剂量为1E12至1E15 ；
所述施主元素在1000°C条件下，在硅元素中的扩散系数是磷元素的100倍以上。
[0011]步骤4:通过扩散炉对Si单晶片背面注入之后的Si晶片在300°C至1000°C温度下，退火5min至12h，完成对背面注入质子的激活和推阱，形成n+的FS层。
[0012]步骤5:通过离子注入的工艺，以常规受主元素为注入源，在Si单晶片背面注入一层离子；
所述步骤5所述的常规受主元素为B、Be或Al,离子注入的能量为IOKeV至500KeV,离子注入的剂量为1E12至1E15，在Si单晶片背面注入一层离子。
[0013]步骤6:通过扩散炉对背面受主元素注入之后的Si晶片在温度为200°C至900°C下进行退火5min至12h，完成对背面注入离子的激活和推阱，形成p+层。
[0014]步骤7:通过光刻、溅射或蒸发金属的方法，制作Si晶片正面金属电极；通过溅射或蒸发金属的方法，制作Si晶片背面金属电极，所述正面金属电极的金属材料为Al或Al-S1-Cu，所述背面金属的材料为Al-V-N1-Ag或Al-T1-N1-Ag，此时得到完整的FS-1GBT器件。
[0015]本发明的有益效果是:
1、本发明解决了常规材料和传统工艺难以在IGBT中形成FS层以及FS-1GBT与常规IGBT的工艺兼容性问题。本发明是在传统的半导体器件生产线上(尤其是在没有高能离子注入设备的情况下)，通过选取和使用在硅中扩散系数大的材料(如Se元素)，利用非高能离子注入形成FS层，实现场截止IGBT技术，本专利选取在Si中扩散系数较大的施主元素(如Se元素)作为FS层离子注入源，本专利在FS层离子注入完成之后，为得到最佳的FS层深度和浓度分布，会采用较高温度(>450°C)的退火推阱，因此正面栅极和集电极的金属电极需要在退火推阱之后完成，以防止高温对金属电极性能的影响。
[0016]2、本发明在完成背面的离子注入之后，注入的离子大多都分布在Si晶片的背表面附近位置，需要进行一定温度和一定时间的退火，使离子向Si晶片中扩散以完成激活和推阱，形成一定深度的FS层。如果采用常规的P元素作为注入源，由于P元素在Si中的扩散系数较低，要将Si表面的P离子扩散至6 u m以上的深度形成n+层，退火温度需要在1200°C以上，退火时间需要超过24小时，这些工艺条件利用常规的离子注入和扩散炉等设备很难达到，而且即使可以达到，使已经完成正面工艺的晶片长时间处于高温环境，无论对于器件的性能还是设备都会有不利的影响，如产率降低，成本增加等。本发明选用在Si晶体中扩散系数较大且难以与Si发生反应的施主元素作为离子注入的源材料，利用常规的离子注入机和扩散炉，在注入完成以后，只需要在较低的温度以及较短的时间内进行退火激活，就能够形成距离背表面深度4 y m以上的FS层，能够有效地解决用常规的施主元素作为源材料所产生的上述一系列问题。
[0017]3.本发明以在Si晶体中扩散系数较大且难以与Si发生反应的施主元素(如Se元素)作为离子注入的为源材料，通过离子注入和退火激活，形成距离背表面深度4 y m以上的FS层，工艺流程与常规的IGBT器件制作过程完全兼容，不需要在流片过程中引入新的设备，是一种切实可行的制造方法，并且能够有效地控制成本。
[0018]4.本发明以在Si晶体中扩散系数较大且难以与Si发生反应的施主元素(如Se元素)作为离子注入的源材料，通过离子注入和退火激活，形成距离背表面深度4 y m以上的FS层，相比无FS层的IGBT器件，在器件击穿电压相同的情况下能够明显地降低器件厚度，从而减少器件的导通损耗。
[0019]5.本发明以在Si晶体中扩散系数较大且难以与Si发生反应的施主元素(如Se元素)作为离子注入的源材料，通过离子注入和退火激活，形成距离背表面深度4 y m以上的FS层，相比无FS层的IGBT器件，能够减少从集电区注入的少子的存储空间，降低器件的关断时间和拖尾电流，从而减少器件的关断损耗。
【专利附图】
【附图说明】
[0020]图1-图5是本发明方法的主要工艺流程图。因为器件的正面工艺和常规的平面型IGBT相同，所以在流程图中省去详细的正面工艺步骤。
[0021]图6本实例IGBT器件中FS层的载流子浓度分布。
【具体实施方式】
[0022]本发明要解决上述问题所采用的新的技术方案是这样实现的:选取在Si晶体中扩散系数较大且难以与Si发生反应的施主元素(如Se元素)作为离子注入的源材料，在Si晶片的背表面进行掺杂得到FS层；本发明的主要工艺过程包括:完成基本的器件正面工艺(MOSFET结构:包括正面栅极、发射极以及TEOS和PSG保护层的形成)及背面减薄后对Si晶片清洗；利用离子注入机将适当剂量的A离子注入到Si晶片的背表面；通过扩散炉对Si晶片退火，使注入的A元素在Si中扩散，形成n+的FS层；通过常规受主元素的注入和激活形成背面的P+集电极；制作正面和背面金属电极，完成FS-1GBT器件的工艺过程。
[0023]实施例1
一种新型场截止型绝缘栅双极型晶体管的制造方法，步骤1:在n型Si单晶片的正面形成基本的金属氧化物半导体场效应晶体管结构(M0SFET)，包括由多晶硅和氧化硅组成的栅极、P基区、n+发射区以及栅极和发射区上方的正面金属电极，所述的Si单晶片为n型的单晶Si片，所述的Si单晶片的n-漂移区一侧定义为Si单晶片的正面，其相对的一面定义为背面；所述步骤I中的n-漂移区为衬底，在器件结构中作为漂移区，所述金属电极为Al的合金。
[0024]步骤2:对Si单晶片的背面进行减薄，通过机械方法或化学腐蚀的方法将Si单晶片减薄至150 u m，再用对Si单晶片进行清洗。
[0025]所述步骤2为使用SC-3溶液对Si单晶片进行清洗。
[0026]步骤3:选择施主元素作为离子注入的源材料，并注入能量和选取计量，通过离子注入的方式，在晶片背面注入一层离子，所述施主元素为Se元素，所述注入能量为500KeV，所述注入剂量为1E15 ；
所述施主元素在1000°C条件下，在硅元素中的扩散系数是磷元素的100倍以上。
[0027]步骤4:通过扩散炉对Si单晶片背面注入之后的Si晶片在1000°C温度下，退火12h，完成对背面注入质子的激活和推阱，形成n+的FS层。
[0028]步骤5:通过离子注入的工艺，以常规受主元素为注入源，在Si单晶片背面注入一层离子；
所述步骤5所述的常规受主元素为B、Be或Al，离子注入的能量为500KeV，离子注入的剂量为1E15，在Si单晶片背面注入一层离子。
[0029]步骤6:通过扩散炉对背面受主元素注入之后的Si晶片在温度为900°C下进行退火12h，完成对背面注入离子的激活和推阱，形成p+层。
[0030]步骤7:通过光刻、溅射或蒸发金属的方法，制作Si晶片正面金属电极；通过溅射或蒸发金属的方法，制作Si晶片背面金属电极，所述正面金属电极的金属材料为Al-S1-Cu，所述背面金属的材料为Al-T1-N1-Ag，此时得到完整的FS-1GBT器件。
[0031]实施例2
一种新型场截止型绝缘栅双极型晶体管的制造方法，步骤1:在n型Si单晶片的正面形成基本的金属氧化物半导体场效应晶体管结构(M0SFET)，包括由多晶硅和氧化硅组成的栅极、P基区、n+发射区以及栅极和发射区上方的正面金属电极，所述的Si单晶片为n型的单晶Si片，所述的Si单晶片的n-漂移区一侧定义为Si单晶片的正面，其相对的一面定义为背面；
所述步骤I中的n-漂移区为衬底，在器件结构中作为漂移区，所述金属电极为Al。
[0032]步骤2:对Si单晶片的背面进行减薄，通过机械方法或化学腐蚀的方法将Si单晶片减薄至80 u m，再用对Si单晶片进行清洗。
[0033]所述步骤2为使用SC-3溶液对Si单晶片进行清洗。
[0034]步骤3:选择施主元素作为离子注入的源材料，并注入能量和选取计量，通过离子注入的方式，在晶片背面注入一层离子，所述施主元素为Se元素，所述注入能量为IOKeV,所述注入剂量为1E12 ；
所述施主元素在1000°C条件下，在硅元素中的扩散系数是磷元素的100倍以上。
[0035]步骤4:通过扩散炉对Si单晶片背面注入之后的Si晶片在300°C温度下，退火5min，完成对背面注入质子的激活和推阱，形成n+的FS层。
[0036]步骤5:通过离子注入的工艺，以常规受主元素为注入源，在Si单晶片背面注入一层离子；
所述步骤5所述的常规受主元素为B、Be或Al，离子注入的能量为IOKeV,离子注入的剂量为1E12，在Si单晶片背面注入一层离子。
[0037]步骤6:通过扩散炉对背面受主元素注入之后的Si晶片在温度为200°C下进行退火5min，完成对背面注入离子的激活和推阱，形成P+层。
[0038]步骤7:通过光刻、溅射或蒸发金属的方法，制作Si晶片正面金属电极；通过溅射或蒸发金属的方法，制作Si晶片背面金属电极，所述正面金属电极的金属材料为Al，所述背面金属的材料为Al-V-N1-Ag，此时得到完整的FS-1GBT器件。
[0039]实施例3
一种新型场截止型绝缘栅双极型晶体管的制造方法，步骤1:在n型Si单晶片的正面形成基本的金属氧化物半导体场效应晶体管结构(M0SFET)，包括由多晶硅和氧化硅组成的栅极、P基区、n+发射区以及栅极和发射区上方的正面金属电极，所述的Si单晶片为n型的单晶Si片，所述的Si单晶片的n-漂移区一侧定义为Si单晶片的正面，其相对的一面定义为背面；
所述步骤I中的n-漂移区为衬底，在器件结构中作为漂移区，所述金属电极为Al或Al的合金。
[0040]步骤2:对Si单晶片的背面进行减薄，通过机械方法或化学腐蚀的方法将Si单晶片减薄至120 u m，再用对Si单晶片进行清洗。
[0041]所述步骤2为使用SC-3溶液对Si单晶片进行清洗。
[0042]步骤3:选择施主元素作为离子注入的源材料，并注入能量和选取计量，通过离子注入的方式，在晶片背面注入一层离子，所述施主元素为Se元素，所述注入能量为250KeV，所述注入剂量为1E13 ；
所述施主元素在1000°C条件下，在硅元素中的扩散系数是磷元素的100倍以上。
[0043]步骤4:通过扩散炉对Si单晶片背面注入之后的Si晶片在700°C温度下，退火6h，完成对背面注入质子的激活和推阱，形成n+的FS层。
[0044]步骤5:通过离子注入的工艺，以常规受主元素为注入源，在Si单晶片背面注入一层离子；
所述步骤5所述的常规受主元素为B、Be或Al，离子注入的能量为250KeV，离子注入的剂量为1E13，在Si单晶片背面注入一层离子。
[0045]步骤6:通过扩散炉对背面受主元素注入之后的Si晶片在温度为500°C下进行退火6h，完成对背面注入离子的激活和推阱，形成P+层。
[0046]步骤7:通过光刻、溅射或蒸发金属的方法，制作Si晶片正面金属电极；通过溅射或蒸发金属的方法，制作Si晶片背面金属电极，所述正面金属电极的金属材料为Al或Al-S1-Cu，所述背面金属的材料为Al-V-N1-Ag或Al-T1-N1-Ag，此时得到完整的FS-1GBT器件。
[0047]实施例4
请参阅附图所示，本发明一种实现场截止型绝缘栅双极型晶体管(FS-1GBT)的工艺方法，在本实例中包括如下关键步骤:
步骤1:在Si单晶片(图1中的n-区域)的一侧形成基本的金属氧化物半导体场效应晶体管结构(M0SFET)，包括由多晶硅和氧化硅组成的栅极(图1中的poly-Si和SiOx )、P基区(图1中的p-base)、n+发射区(图1中的n+)以及栅极和发射区上方的正面金属电极((图1中的metal))。所述的Si单晶片为n型的单晶Si片，所述的Si单晶片一侧定义为Si单晶片的正面。
[0048]因为FS层的实现是通过背面工艺完成，背面工艺是本发明的重点，正面基本的金属氧化物半导体场效应晶体管结构(M0SFET)，所以详细的正面工艺在此不再赘述。完成所有正面工艺之后的器件结构如图1所示。图中n-为衬底，在器件结构中作为n-漂移区，n+为发射区，SiOjP poly-Si组成栅极，metal为正面沉积的金属，通常为Al或Al的合金。
[0049]步骤2:对Si单晶片的另一侧进行减薄，通过机械方法或化学腐蚀的方法将Si单晶片减薄至一定厚度，再用溶液对Si单晶片进行清洗。所述Si单晶片的另一侧定义为Si单晶片的背面，所述的一定厚度为80 i! m至150 i! m,所述的溶液为半导体制程中标准的SC-3溶液。
[0050]步骤3:以在Si晶体中扩散系数较大且难以与Si发生反应的施主元素作为离子注入的固态源，通过离子注入的工艺，选取合适的离子注入能量和剂量，在晶片背面注入一层离子。所述元素在本实例中为Se元素，所述注入能量为IOKeV至500KeV，所述注入剂量为1E12至1E15，所述离子在本实例中为Se离子。此时得到的器件结构如图2所示。
[0051]扩散系数D=Dciexp (-Ea/kT)，D0是本征扩散系数，Ea是激活能，k是波尔兹曼常数，k是绝对温度。可见，一种元素在不同温度下，在Si中扩散系数不同。这里要求的“扩散系数较大”，要求在1000°c时，该元素在Si中的扩散系数至少是磷元素的100倍。
[0052]步骤4:对背面注入之后的Si晶片在适当温度和适当时间内进行退火，完成对背面注入离子的激活和推阱，形成n+的FS层。推阱的深度由退火的温度和时间共同决定。所述的退火温度为300°C至1000°C，所述的退火时间为5min至12h。此时得到的器件结构如图3所示。
[0053]步骤5:通过离子注入的工艺，以常规受主元素为注入源，选取合适的离子注入能量和剂量，在晶片背面注入一层B离子。所述常规受主元素为硼等受主元素，所述注入能量为IOKeV至500KeV，所述注入剂量为1E12至1E15。
[0054]步骤6:对背面受主元素注入之后的Si晶片在适当温度和适当时间内进行退火，完成对背面注入离子的激活和推阱，形成P+层。所述的退火温度为200°C至900°C，所述的退火时间为5min至12h。此时得到的器件结构如图4所示。
[0055]步骤7:通过光刻、溅射或蒸发金属的方法，制作Si晶片正面金属电极；通过溅射或蒸发金属的方法，制作Si晶片背面金属电极。所述正面金属电极的金属材料为Al或Al-S1-Cu,所述背面金属的材料为Al-V-N1-Ag或Al-T1-N1-Ag。此时得到完整的FS-1GBT器件，器件结构如图5所示。
[0056]本实例中，在器件制作完成之后，对器件FS层的载流子浓度分布进行了测量，从图中可以看出FS层的深度在12 y m左右，证实了本发明方法能够有效地得到具有FS层的IGBT器件。
【权利要求】
1.一种新型场截止型绝缘栅双极型晶体管的制造方法，其特征在于:步骤1:在n型Si单晶片的正面形成基本的金属氧化物半导体场效应晶体管结构(MOSFET)，包括由多晶硅和氧化硅组成的栅极、P基区、n+发射区以及栅极和发射区上方的正面金属电极，所述的Si单晶片为n型的单晶Si片，所述的Si单晶片的n-漂移区一侧定义为Si单晶片的正面，其相对的一面定义为背面； 步骤2:对Si单晶片的背面进行减薄，通过机械方法或化学腐蚀的方法将Si单晶片减薄至80 ii m至150 ii m,再用对Si单晶片进行清洗； 步骤3:选择施主元素作为离子注入的源材料，并注入能量和选取计量，通过离子注入的方式，在晶片背面注入一层离子，所述施主元素为Se元素，所述注入能量为IOKeV至500KeV，所述注入剂量为1E12至1E15 ； 所述施主元素在1000°C条件下，在硅元素中的扩散系数是磷元素的100倍以上； 步骤4:通过扩散炉对Si单晶片背面注入之后的Si晶片在300°C至1000°C温度下，退火5min至12h，完成对背面注入质子的激活和推阱，形成n+的FS层； 步骤5:通过离子注入的工艺，以常规受主元素为注入源，在Si单晶片背面注入一层离子; 步骤6:通过扩散炉对背面受主元素注入之后的Si晶片在温度为200°C至900°C下进行退火5min至12h，完成对背面注入离子的激活和推阱，形成P+层； 步骤7:通过光刻、溅射或蒸发金属的方法，制作Si晶片正面金属电极；通过溅射或蒸发金属的方法，制作Si晶片背面金属电极，所述正面金属电极的金属材料为Al或Al-S1-Cu，所述背面金属的材料为Al-V-N1-Ag或Al-T1-N1-Ag，此时得到完整的FS-1GBT器件。
2.根据权利要求1所述的一种新型场截止型绝缘栅双极型晶体管的制造方法，其特征在于:所述步骤I中的n-漂移区为衬底，在器件结构中作为漂移区，所述金属电极为Al或Al的合金。
3.根据权利要求1所述的一种新型场截止型绝缘栅双极型晶体管的制造方法，其特征在于:所述步骤2为使用SC-3溶液对Si单晶片进行清洗。
4.根据权利要求1所述的一种新型场截止型绝缘栅双极型晶体管的制造方法，其特征在于:所述步骤5所述的常规受主元素为B、Be或Al,离子注入的能量为IOKeV至500KeV,离子注入的剂量为1E12至1E15，在Si单晶片背面注入一层离子。
【文档编号】H01L21/265GK103489776SQ201310425851
【公开日】2014年1月1日 申请日期:2013年9月18日 优先权日:2013年9月18日
【发明者】王思亮, 胡强, 张世勇, 樱井建弥 申请人:中国东方电气集团有限公司