开关型功率半导体器件的制作方法

本实用新型涉及功率半导体器件技术领域，尤其涉及一种开关型功率半导体器件。

背景技术：

在诸如MOSFET、IGBT、FRD等典型功率器件的结终端区域，一般都包括了场限环结构、场板结构，其作用是帮助器件能够承受较高的反向耐压。在器件关断或反向恢复过程中，容易发生如图1所示的电流集中现象，具体为由于离子注入覆盖了全部的第二表面区域(即图1中3部位均为相同离子浓度注入区)在结终端区域形成电流集中。并且在局部电场较高的区域会有比较高的载流子(少子)浓度，产生较高的碰撞电离和动态雪崩，影响(减少)器件的安全工作区(SOA)。

为避免上述现象，最常用的有效做法是降低结终端处的自由载流子浓度，从而减少碰撞电离和动态雪崩击穿。具体做法是降低第二表面的离子注入剂量，以降低第二表面发射区的注入效率，从而达到降低流到第一表面有源区的电荷浓度的目的。但这样会造成整个芯片体内的电荷数量少，传递电流的能力降低，也即器件的导通电阻增大。

功率半导体器件第二表面需要较高的掺杂浓度，使背面金属能与硅衬底形成良好的欧姆接触。通常是在第二表面做一层浓度较高的离子注入，后续还要进行一次炉管退火，以达到激活注入离子和修复注入损伤的目的。由于第一表面金属层的限制，炉管退火温度低，注入的离子激活率低，故需要高剂量的离子注入。但是高剂量离子注入会对硅衬底造成损伤，导致器件漏电大。并且，如果炉管退火温度低，修复损伤的能力也比较低，大量残留的损伤也会引起器件的漏电。

技术实现要素：

针对功率半导体器件存在的在结终端区域形成电流集中而导致产生较高的碰撞电离和动态雪崩或者损伤引起的器件漏电、安全工作区不佳等问题，本实用新型实施例提供了一种开关型功率半导体器件。

为了达到上述实用新型目的，本实用新型实施例采用了如下的技术方案：

一种开关型功率半导体器件，包括硅层，所述硅层具有相对的第一表面和第二表面，所述第一表面分为有源区域和结终端区域，还包括结合于所述第二表面的金属层，所述有源区域的周围为所述结终端区域围绕；所述第二表面分为与所述有源区域正对应的第一离子掺杂区域和与所述结终端区域正对应的掺杂离子体浓度低于所述第一离子掺杂区的第二离子掺杂区域，所述第一离子掺杂区域的周围为所述第二离子掺杂区域围绕，所述第一离子掺杂区域的面积小于或等于所述有源区域的面积。

优选地，所述有源区域边缘至所述硅层边缘的最小距离为c，所述第一离子掺杂区域边缘至所述硅层边缘的最小距离为d，所述d和c的差值不小于10μm。

优选地，所述硅层为二氧化硅层、氮化硅层、多晶硅层中的任一种。

优选地，所述金属层为Ti+Ni+Ag层、Al+Ti+Ni+Ag层、Ti+Au层中的任一种。

优选地，所述硅层的厚度为50μm～1000μm。

优选地，所述金属层的厚度为1.4μm～2.7μm。

本实用新型上述实施例提供的开关型功率半导体器件，将第二表面的离子掺杂区分为离子体浓度不同的掺杂区域，其中第一离子掺杂区域为离子体浓度较高的掺杂区域，而且限定了第一离子掺杂区域与有源区域相正对，第二离子掺杂区域与结终端区域相正对，第一离子掺杂区域的面积小于或等于有源区域的面积，保证金属与硅层形成良好的欧姆接触，降低器件的导通电阻等静态参数和静态功能，降低器件结终端区域的自由载流子浓度和电流密度，减少碰撞电离和动态雪崩击穿，减少边缘元胞由于电流集中产生的latch-up损坏，从而提高器件的整体安全工作区。

附图说明

图1为常规功率半导体器件终端区电流集中现象示意图；

图2本实用新型实施例提供的开关型功率半导体器件结构正视图；

图3本实用新型实施例提供的开关型功率半导体器件结构电流流动示意图；

图4本实用新型实施例提供的开关型功率半导体器件第一表面示意图；

图5本实用新型实施例提供的开关型功率半导体器件第二表面示意图；

图6本实用新型实施例提供的开关型功率半导体器件制作方法流程示意图。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

如图2、3、4、5所示，本实用新型实施例提供一种开关型功率半导体器件。

所述开关型功率半导体器件包括硅层1，所述硅层1包括具有相对的第一表面和第二表面，所述第一表面分为有源区域11和结终端区域12，所述有源区域11的周围为所述结终端区域12围绕；所述第二表面分为与所述有源区域11正对应的第一离子掺杂区域13和与所述结终端区域12正对应的离子体浓度低于所述第一离子掺杂区域13的第二离子掺杂区域14，所述第一离子掺杂区域13的周围为所述第二离子掺杂区域14围绕，所述第一离子掺杂区域13的面积小于或等于所述有源区域11的面积，所述第二表面还结合有金属层2。

在本实用新型实施例中，第一表面即为芯片正面；第二表面即为芯片背面。

优选地，所述硅层1为二氧化硅层、氮化硅层、多晶硅层中的任一种。

优选地，所述金属层2为Ti+Ni+Ag层、Al+Ti+Ni+Ag层、Ti+Au层中的任一种。其中的Ti(钛金属)和Al(铝金属)能够与器件背面的硅材料形成良好的欧姆接触，降低器件的导通电阻；Ni金属作为阻挡层或者叫过渡层，具有良好的粘接性，又可以防止封装过程中上、下背金层之间的相互扩散而引起的电阻增加。Ag、Au等金属由于其良好的导电性、导热性，及其与封装基板间的良好可焊性，通常用作为功率器件背面金属的最外层。所述金属层2结合于所述第二表面上。

所述硅层1的厚度为50μm～1000μm，分别对应于阻断耐压低至600V和阻断耐压高达10000V的产品。

所述金属层2的厚度设定为1.4μm～2.7μm。

具体地，Ti(钛金属)和Al(铝金属)厚度通常为0.1μm～0.2μm，Ti能够与器件背面的硅材料形成良好的欧姆接触；Ni金属作为阻挡层，通常厚度为0.3μm～0.5μm，可以防止封装时上、下背金层之间的相互扩散。Ag、Au等金属保证能与封装基板焊接良好，及控制材料成本，通常厚度为1μm～2μm。

优选地，所述有源区域11边缘至所述硅层1边缘的最小距离为c，所述第一离子掺杂区域13边缘至所述硅层1边缘的最小距离为d。或者说所述硅层1边缘到达所述有源区域边缘11的距离(结终端区域12的宽度)为c，所述硅层1边缘到达所述第一离子掺杂区域13的距离(第二离子掺杂区域14)为d。

也就是说，有源区域11与第一离子掺杂区域13正相对，但是有源区域11的面积大于或等于第一离子掺杂区域13。一方面能够保证第二表面的金属层2与硅层1形成良好的欧姆接触，并且降低器件的导通电阻等相关静态参数和静态功耗；另一方面，第一离子掺杂区域13的面积比有源区域11小，可以减少自由载流子和电流密度向结终端区域12，减少碰撞电离和动态雪崩击穿，减少边缘元胞由于电流集中产生的latch-up损坏，整体上提高器件的安全工作区。

上述所述的含有的注入离子的体浓度，在本实用新型中指的是成型的产品中，第一离子掺杂区域13上所拥有的注入离子的体浓度以及第二离子掺杂区域14上所拥有的注入离子的体浓度。

作为优选地，所述第一离子掺杂区域13拥有的注入的离子的体浓度为1.0E17cm^-3～1.0E19cm^-3，所述第二离子掺杂区域14拥有的注入的离子的体浓度为1.0E15cm^-3～1.0E16cm^-3。第一离子掺杂区域13拥有的注入离子的体浓度比第二离子掺杂区域14拥有的注入离子的体浓度高出一个数量级，结合有源区域11的面积大于或者等于第一离子掺杂区域13的面积，可以有效的减少自由载流子和电流密度向结终端区域12，减少碰撞电离和动态雪崩击穿，减少边缘元胞由于电流集中产生的latch-up损坏，整体上提高器件的安全工作区。

优选地，所述注入离子的类型为N型或P型。所述N型离子来自磷元素、砷元素中的至少一种。这类元素可以达到80％～100％的激活率，使得注入的离子绝大多数都成为有效离子，提高了器件产品参数的稳定性，并且离子注入工艺所产生的缺陷也可以得到很好的修复，减少了器件漏电尤其是高温工作时漏电的可能性。

所述P型离子来自硼元素、二氟化硼中的至少一种。这类元素可以达到80％～100％的激活率，使得注入的离子绝大多数都成为有效离子，提高了器件产品参数的稳定性，并且离子注入工艺所产生的缺陷也可以得到很好的修复，减少了器件漏电尤其是高温工作时漏电的可能性。

本实用新型上述实施例，将第二表面的离子掺杂区分为与第一表面的有源区域11、结终端区域12相对应的掺杂离子体浓度不同的两个区域，其中第一离子掺杂区域13为离子体浓度较高的掺杂区域，保证金属与硅层形成良好的欧姆接触，降低器件的导通电阻等静态参数和静态功能，第二离子掺杂区域为离子体浓度较低的掺杂区域，降低了该区域的发射注入效率，从而降低器件结终端区域12的自由载流子浓度和电流密度，减少碰撞电离和动态雪崩击穿，减少边缘元胞由于电流集中产生的latch-up损坏，从而提高器件的整体安全工作区。

相应地，在上述实施例的前提下，本实用新型实施例还提供了上述开关型功率半导体器件的制作方法。

如图6所示，在一实施例中，上述开关型功率半导体器件的制作方法至少包括以下步骤：

1)将按照常规工艺完成正面结构的半成品进行减薄处理；

2)对所述第二表面进行离子注入掺杂处理；

3)采用激光退火工艺对所述第二表面与所述有源区域对应的区域退火处理，经过所述激光退火处理的区域形成第一离子掺杂区域；

4)对所述第二表面未经所述激光退火处理的区域进行炉管退火处理，使经过所述炉管退火处理的区域形成第二离子掺杂区域；

5)在所述第二表面进行金属层的沉积处理。

下面对上述开关型功率半导体器件的制作过程做进一步详细的说明。

其中，如图6所示，在步骤1)中，这里的正面结构就是上文提到的第一表面，也就是芯片正面，已经完成正面结构的半成品可以自行生产，也可以通过其他方式获得，本实用新型不做限制。

步骤1)中，对半成品的第二表面进行减薄处理，包括先对芯片进行研磨减薄处理，然后采用酸溶液对半成品进行批次浸泡或者单片喷洒的方式，通过研磨减薄和酸液浸泡处理，去除第二表面所有的介质层材料，并且去除研磨时产生的应力。

在一实施例中，酸溶液为硫酸、硝酸、醋酸、氢氟酸中至少一种的水溶液，当然不限于上述所列举的酸。凡是能够去除第二表面介质层材料的均具有可行性。这里的酸的水溶液，浓度不做限定，可以根据具体需要而确定酸的浓度。

优选地，步骤2)中，离子注入掺杂处理，注入的离子类型为N型或者P型。

其中，N型离子来自磷元素、砷元素中的至少一种。这类元素可以达到80％～100％的激活率，使得注入的离子绝大多数都成为有效离子，提高了器件产品参数的稳定性，并且离子注入工艺所产生的缺陷也可以得到很好的修复，减少了器件漏电尤其是高温工作时漏电的可能性。

P型离子来自硼元素、二氟化硼中的至少一种。这类元素可以达到80％～100％的激活率，使得注入的离子绝大多数都成为有效离子，提高了器件产品参数的稳定性，并且离子注入工艺所产生的缺陷也可以得到很好的修复，减少了器件漏电尤其是高温工作时漏电的可能性。

上述离子的注入剂量为1.0E13cm^-2～1.0E14cm^-2，属于高浓度离子注入，而且这里的注入剂量指的是单位面积注入的离子总数，因此注入后经过激光退火或者炉管退火得到的注入离子的体浓度是指注入剂量除以体积得到的浓度。高浓度离子注入，一方面有利于背面金属层与硅层形成良好的欧姆接触，降低导通电阻等相关静态参数和静态功耗，另一方面，可以避免后续炉管退火由于温度较低而带来的激活率过低。

优选地，步骤3)中，激光退火的激光光强度为0.5J·cm^-2～5.0J·cm^-2，所述激光的能量密度为1J·cm^-2～10J·cm^-2，激光束斑为0.1×1.0mm²～1.0×10.0mm²，激光退火时长为0.1～1.0μs。该条件下的激光退火，可以快速实现注入离子的高激活量，从而形成高体浓度的掺杂区域；另外，激光退火缺陷修复能力强，对硅造成的损伤小，器件漏电小。

激光退火利用激光退火设备的自动扫描模式，对第二表面进行区域选择性扫描退火，所选择的区域如图5所示。

步骤4)中，所述炉管退火的温度为400℃～500℃，炉管退火时长为10min～60min，并且在氮气氛围中进行退火处理。常规的炉管退火，激活率低，因此先采用激光退火形成中心离子体浓度较高的掺杂区域，再采用炉管退火，实现了离子体浓度较高的掺杂区域(即第一离子掺杂区域)离子体浓度较低的掺杂区域(即第二离子掺杂区域)的分布。第二表面的离子体浓度较低的掺杂区域对应第一表面的器件结终端区域，由于低体浓度掺杂区域的离子体浓度低，因此，其发射注入效率低下，从而降低器件结终端区域的自由载流子浓度和电流密度，减少边缘元胞由于电流集中产生的latch-up损坏，从而提高器件的整体安全工作区。

步骤5)中，金属层的沉积处理，一般采用常规的多层金属材料，如Ti+Ni+Ag、Al+Ti+Ni+Ag、Ti+Au中的任一种。当然，不限于所列举的这几种金属材料。所沉积的金属层的厚度设定为1.4μm～2.7μm。具体地，Ti(钛金属)和Al(铝金属)厚度通常为0.1μm～0.2μm，Ti能够与器件背面的硅材料形成良好的欧姆接触；Ni金属作为阻挡层，通常厚度为0.3μm～0.5μm，可以防止封装时上、下背金层之间的相互扩散。Ag、Au等金属保证能与封装基板焊接良好，及控制材料成本，通常厚度为1μm～2μm。

具体是利用电子束蒸发或磁控溅射工艺，以及合适的合金工艺条件，使金属层生长于第二表面，确保生成的金属层能与第二表面形成良好的合金接触，从而满足后续芯片键合、封装的需求。

本实用新型上述实施例提供的开关型功率半导体器件的制作方法，与现有技术相比，不需要进行光刻处理(光刻处理包括涂胶、曝光、显影等一些列工艺过程)，简化了功率半导体器件的背面工艺；另外，常规工艺的掺杂浓度注入需要通过调整离子注入剂量来实现，高注入剂量需要高束流离子注入设备，而低注入剂量需要底束流离子注入设备，而本实用新型采用两步退火工艺，只需要采用一次性注入剂量即可，从而省略注入机设备，减少了设备投入以及设备的运营成本。获得的器件能够有效解决结终端区域由于电流集中而导致的失效问题，提高了器件的导电能力，降低器件的导通电阻，适于推广应用。

为了更好的体现本实用新型实施例提供的开关型功率半导体器件及其制作方法，下面通过实施例进一步说明。

实施例1

一种开关型功率半导体器件的制作方法，包括如下步骤：

1)选取已经完成正面工艺的合格半成品；

2)对半成品进行第二表面进行减薄处理，包括先对第二表面进行研磨减薄，然后采用质量浓度为98％的硫酸水溶液进行浸泡处理，浸泡时长为10分钟，这步酸液浸泡处理的作用是去除研磨时产生的硅渣和去除研磨时产生的应力。然后取出清洗，去除半成品表面的余酸；

3)对步骤2)得到的半成品芯片进行磷元素离子注入，注入剂量为1.0E14cm^-2；

4)利用激光退火设备对第二表面进行区域选择性扫描处理，扫描第二表面中心位置，所扫描的区域与第一表面的有源区域相当且对应，具体位置如图5所示，调节激光光强度为4.0J·cm^-2，激光的能量密度为8J·cm^-2，激光束斑为0.8×10.0mm²，并且激光退火时长为1.0μs，得到第一离子掺杂区域；

5)将激光退火处理后的半成品置于炉管中在氮气的氛围下，进行炉管退火处理，设定炉管退火的温度为450℃，退火时长为30min，形成围绕在第一离子掺杂区域外的第二离子掺杂区域(如图5所示)；

6)经过炉管退火处理后，采用常规的磁控溅射工艺，在第二表面磁控溅射一层金属层，所述金属层为Ti+Au层，Ti金属层的厚度为0.12μm，Au金属层的厚度为1.0μm。

经扩展电阻法(SRP法，SpreadingResistance Profiles)检测，本实施例制作的开关型功率半导体器件激光退火工艺处理后形成的第一离子掺杂区域的掺杂离子的体浓度为1.0E18cm^-3；第二离子掺杂区域的掺杂离子的体浓度为3.0E15cm^-3；通过测量器件的电流、电压特性曲线，可以计算出器件的饱和导通电压(导通电阻)为2.2V(对应30A 1700V IGBT产品)。

实施例2

一种开关型功率半导体器件的制作方法，包括如下步骤：

1)选取已经完成正面工艺的合格半成品；

2)对半成品进行第二表面进行减薄处理，包括先对第二表面进行研磨减薄，然后采用质量浓度为90％的硝酸与质量浓度为42％的氢氟酸混合的水溶液进行浸泡处理，浸泡时长为12分钟，这步酸液浸泡处理的作用是去除研磨时产生的硅渣和去除研磨时产生的应力。然后取出清洗，去除半成品表面的余酸；

3)对步骤2)得到的半成品芯片进行硼元素离子注入，注入剂量为3.0E13cm^-2；

4)利用激光退火设备对第二表面进行区域选择性扫描处理，扫描第二表面中心位置，所扫描的区域与第一表面的有源区域相当且对应，具体位置如图5所示，调节激光光强度为5.0J·cm^-2，激光的能量密度为10J·cm^-2，激光束斑为1.0×10.0mm²，并且激光退火时长为0.8μs，得到第一离子掺杂区域；

5)将激光退火处理后的半成品置于炉管中在氮气的氛围下，进行炉管退火处理，设定炉管退火的温度为500℃，退火时长为60min，形成围绕在第一离子掺杂区域外的第二离子掺杂区域(如图5所示)；

6)经过炉管退火处理后，采用常规的磁控溅射工艺，在第二表面磁控溅射一层金属层，所述金属层为Al+Ti+Ni+Ag层，Al金属层的厚度为0.12μm，Ti金属层的厚度为0.10μm，Ni金属层的厚度为0.4μm，Ag金属层的厚度为1.0μm。

经扩展电阻法(SRP法，SpreadingResistance Profiles)检测，本实施例制作的开关型功率半导体器件激光退火工艺处理后形成的第一离子掺杂区域的掺杂离子的体浓度为1.0E19cm^-3；第二离子掺杂区域的掺杂离子的体浓度为3.0E16cm^-3；通过测量器件的电流、电压特性曲线，可以计算出器件的饱和导通电压(导通电阻)为2.0V(对应50A 1200V IGBT产品)。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。