反向导通场截止绝缘栅双极型晶体管的制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种反向导通FS IGBT的制造方法，包括：提供N型硅片，并在N型硅片表面制备出场截止层；各通过一次光刻和离子注入，在场截止层表面形成背面PN交隔结构；在背面PN交隔结构表面形成氧化层；提供衬底，并将衬底与N型硅片键合在一起；采用IGBT正面工艺制备出IGBT正面结构；将完成了正面工艺的键合硅片的衬底进行减薄至氧化层；湿法腐蚀去除氧化层；在背面PN交隔结构表面形成背面金属电极。本发明采用与常规工艺兼容的离子注入（或扩散）再高温推阱的方式制备IGBT的场截止层，再通过光刻注入制作出背面PN交隔结构，可采用常规光刻、离子注入设备作业。N型硅片与衬底键合得到与常规流通圆片厚度相同的圆片，无需专用薄片流通设备，降低了成本。
【专利说明】反向导通场截止绝缘栅双极型晶体管的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及半导体器件的制造方法，特别是涉及一种反向导通场截止绝缘栅双极型晶体管的制造方法。
【背景技术】
[0002]绝缘栅双极型晶体管(IGBT)—般采用反向并联续流二极管的方式使用。但这种方式一方面浪费封装面积，另一方面由于寄生电感等寄生效应的存在，并联额外增加了功耗。因此，将IGBT与二极管集成在同一个芯片的技术日益受到重视。
[0003]反向导通场截止(Field Stop，FS)IGBT是一种常用于电磁炉等用电设备的开关器件，由于改善了非平衡载流子的通道，其拖尾电流得到优化，同时器件不需要再并联续流二极管，降低了成本。
[0004]反向导通FS IGBT的制备难点在于背面N+buffer层(即Field Stop层)及背面P/N交隔结构的制备，一种传统的制备方法是先利用注入(或预扩)+高温推阱制备背面N+buffer层之后通过双面光刻在背面结构上制作出P/N交隔结构，在背面结构完成后再做正面结构工艺，对于低压IGBT (1700V以下)正面结构制备前就需要将圆片减薄到200 μ m以下，这就要求生产线有薄片通线能力，因此需要专用的薄片流通设备和双面曝光设备。
【发明内容】
[0005]基于此，为了解决传统的反向导通场截止绝缘栅双极型晶体管需要专用的薄片流通、加工设备，导致需要额外添购生产设备，提高了生产成本的问题，有必要提供一种与现有的常规生产设备兼容、减少对薄片流通设备的依赖的反向导通场截止绝缘栅双极型晶体管的制造方法。
[0006]一种反向导通场截止绝缘栅双极型晶体管的制造方法，包括下列步骤:提供N型硅片，并在N型硅片表面制备出N+层，推阱后得到场截止层，N型硅片除场截止层以外的部分作为漂移区；各通过一次光刻和离子注入，向所述场截止层分别注入P型离子和N型离子，在所述场截止层表面形成背面PN交隔结构，并清理所述背面PN交隔结构表面完成去胶；在所述背面PN交隔结构表面形成氧化层；提供衬底，并将所述衬底与所述N型硅片形成有背面PN交隔结构的表面键合在一起，得到一块与常规流通硅片厚度一致的键合硅片；采用绝缘栅双极型晶体管正面工艺在所述漂移区内和漂移区上制备出绝缘栅双极型晶体管正面结构；将完成了正面工艺的键合硅片的所述衬底进行减薄至所述氧化层；湿法腐蚀去除所述氧化层；在所述背面PN交隔结构背离所述场截止层的表面形成背面金属电极。
[0007]在其中一个实施例中，所述在N型硅片表面制备出N+层的步骤，是通过离子注入或扩散的工艺进行制备。
[0008]在其中一个实施例中，所述提供N型硅片的步骤中硅片的厚度为10?650微米，所述提供衬底的步骤中衬底的厚度为50?650微米，所述场截止层的厚度为2?100微米。
[0009]在其中一个实施例中，所述场截止层的掺杂浓度为4*1013?1*1016/立方厘米。
[0010]在其中一个实施例中，所述提供N型硅片的步骤中硅片的电阻率为5?500欧姆*厘米。
[0011]在其中一个实施例中，所述各通过一次光刻和离子注入、向所述场截止层分别注入P型离子和N型离子的步骤中，P型离子的注入剂量为1*1013?1*102°/平方厘米，注入能量为30千电子伏?200千电子伏，N型离子的注入剂量为1*1013?1*102°/平方厘米，注入能量为30千电子伏?200千电子伏。
[0012]在其中一个实施例中，进行所述正面工艺之前，还包括对所述键合硅片的漂移区进行减薄并对漂移区被减薄的一面进行平坦化处理的步骤。
[0013]在其中一个实施例中，所述在场背面PN交隔结构表面形成氧化层的步骤，是采用热氧化或化学气相淀积的工艺形成。
[0014]在其中一个实施例中，所述氧化层的厚度为0.01?5微米。
[0015]在其中一个实施例中，所述将完成了正面工艺的键合硅片的所述衬底进行减薄至所述氧化层的步骤，是先抛光一部分所述衬底、再湿法腐蚀剩余的衬底。
[0016]上述反向导通场截止绝缘栅双极型晶体管的制造方法，于正面工艺之前采用与常规工艺兼容的离子注入(或扩散)再高温推阱的方式制备IGBT的buffer层(即场截止层)，之后通过光刻注入制作出背面PN交隔结构，因此可以采用常规光刻、离子注入设备作业，无需使用双面曝光机和注入能量可达I兆电子伏以上的高能离子注入设备。然后将硅片与衬底键合在一起得到与常规流通硅片厚度一致的键合硅片，采用常规工艺制作IGBT的正面结构，在正面结构完成后仅需要做减薄和背面金属化步骤，对薄片流通能力没有特殊要求，更不需要高能离子注入机和双面曝光机等专用设备。因此与现有的常规工艺兼容，工艺简单、减少了对专用薄片流通设备的需求，大大降低了工艺成本。
【专利附图】
【附图说明】
[0017]图1是一实施例中反向导通场截止绝缘栅双极型晶体管的制造方法的流程图；
[0018]图2A?图2J是反向导通场截止绝缘栅双极型晶体管的制造方法的一实施例中、反向导通FS IGBT在制备过程中的剖面示意图。
【具体实施方式】
[0019]为使本发明的目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的【具体实施方式】做详细的说明。
[0020]图1是一实施例中反向导通场截止绝缘栅双极型晶体管的制造方法的流程图，包括下列步骤:
[0021]S110，提供N型硅片，并在硅片表面制备出N+层，推阱后得到场截止层。
[0022]请参照图2A，在本实施例中，准备一块电阻率为5?500Q*cm的N型硅片20，用离子注入或扩散工艺在N型硅片20表面制备出N+层21，注入(或扩散)的离子是磷、砷、氢等N型离子。之后，再高温推阱后得到buffer层作为场截止(FS)层22，如图2B所示。在本实施例中，场截止层22的掺杂浓度为4*1013?l*1016/cm3，厚度为2?100微米。N型硅片20除场截止层22以外的部分作为FS IGBT的漂移区，因此对其电阻率有相应的要求。
[0023]S120，各通过一次光刻和离子注入，向场截止层分别注入P型离子和N型离子，形成背面PN交隔结构。
[0024]请参照图2C、2D，光刻形成注入窗口后，在光刻胶的掩蔽下向场截止层22内注入掺杂离子。在本实施例中，是先光刻注入P型离子(硼或氢等受主杂质)，形成IGBT的背面发射区11 ;去胶后再光刻注入N型离子(磷或砷等施主杂质)，形成背面N型导电通道12。N型导电通道12与背面发射区11 一起在衬底的表面形成背面PN交隔结构。在其它实施例中也可以先光刻注入N型离子，形成背面N型导电通道12 ;再光刻注入P型离子，形成IGBT的背面发射区11。
[0025]在本实施例中，两次离子注入剂量为1*1013?l*102°/cm2，离子注入能量为30?200kev。两次注入均采用光刻曝光出图形，这样可以防止不同类型杂质之间的补偿，更有利于对器件背面注入效率的控制。
[0026]离子注入完成后清理背面PN交隔结构的表面，去除光刻胶。
[0027]S130，在背面PN交隔结构表面形成氧化层。
[0028]在场截止层22形成有背面PN交隔结构的一面形成一层氧化层14，作为背面结构的保护层。可以采用热氧化或化学气相淀积工艺生成氧化层14。氧化层14在后续的减薄步骤中作为腐蚀终点。
[0029]在本实施例中，氧化层14的厚度为0.01?5微米。图2E是步骤S130完成后反向导通场截止绝缘栅双极型晶体管的剖面示意图。
[0030]S140，提供衬底，并将衬底与N型硅片键合在一起。
[0031]翻转N型硅片20，将其形成有背面PN交隔结构的一面与衬底10键合在一起，得到一块与常规流通硅片厚度一致的键合硅片。本实施例中，衬底10为硅衬底，采用直接键合(SDB)的方式将N型硅片20与衬底10键合在一起。常规流通硅片的厚度是本领域技术人员习知的娃片(wafer)在制造、传输中通常的厚度,对于6英寸wafer为625微米,对于8英寸wafer为725微米。
[0032]也就是说，应该选择好衬底10和N型硅片20的厚度，使得步骤S140完成后，键合硅片的厚度为常规流通硅片厚度。在本实施例中，步骤S140中提供的衬底10的厚度为100?650微米，步骤SllO中提供的N型硅片20的厚度为10?650微米。图2F是步骤S140完成后反向导通场截止绝缘栅双极型晶体管的剖面示意图。
[0033]S150，采用绝缘栅双极型晶体管正面工艺在漂移区内和漂移区上制备出绝缘栅双极型晶体管正面结构。
[0034]本实施例中，反向导通FS IGBT是平面栅极(Planar) IGBT，可以用本领域技术人员习知的平面栅极IGBT的正面工艺制备其正面结构，此处不再赘述。参照图2G，步骤S150完成后器件包括N型硅片20的漂移区内的P型体区24，P型体区24内的N型的发射极25，漂移区表面的栅氧化层26，栅氧化层26表面的多晶硅栅极27，覆盖栅氧化层26和多晶硅栅极27的氧化物介质层28，以及分别从发射极25和多晶硅栅极27引出的焊盘(pad)E(发射极)和焊盘G (栅极)。
[0035]可以理解的，在其它实施例中，反向导通FS IGBT也可以是沟槽栅极(Trench)IGBT，可以用本领域技术人员习知的沟槽栅极IGBT的正面工艺制备其正面结构。
[0036]S160，将完成了正面工艺的键合硅片的衬底进行减薄至氧化层。
[0037]对衬底10进行减薄。在本实施例中是抛光衬底10至仍剩余一定厚度后，用湿法腐蚀进一步去除衬底10的硅材料，以背面的氧化层14作为自然终点。可以理解的，本步骤中的湿法腐蚀采用的是对硅/ 二氧化硅有高腐蚀比的腐蚀液。图2H是步骤S160完成后反向导通场截止绝缘栅双极型晶体管的剖面示意图。
[0038]S170，湿法腐蚀去除氧化层。
[0039]在减薄完成后采用湿法腐蚀去除IGBT背面的氧化层14。可以理解的，本步骤中的湿法腐蚀采用的是对二氧化硅/硅有高腐蚀比的腐蚀液。图21是步骤S170完成后反向导通场截止绝缘栅双极型晶体管的剖面示意图。
[0040]S180，在背面PN交隔结构背离场截止层的表面形成背面金属电极。
[0041]PN交隔结构清理完成后，采用溅射或蒸发的方式制备IGBT的背面金属电极19，最终得到反向导通场截止绝缘栅双极型晶体管，如图2J所示。
[0042]上述反向导通场截止绝缘栅双极型晶体管的制造方法，于正面工艺之前采用与常规工艺兼容的离子注入(或扩散)再高温推阱的方式制备IGBT的buffer层(即场截止层22)，之后通过光刻注入制作出背面PN交隔结构，因此可以采用常规光刻、离子注入设备作业，无需使用双面曝光机和注入能量可达I兆电子伏以上的高能离子注入设备。然后将硅片与衬底键合在一起得到与常规流通硅片厚度一致的键合硅片，采用常规工艺制作IGBT的正面结构，在正面结构完成后仅需要做减薄和背面金属化步骤，对薄片流通能力没有特殊要求，更不需要高能离子注入机和双面曝光机等专用设备。因此与现有的常规工艺兼容，工艺简单、减少了对专用薄片流通设备的需求，大大降低了工艺成本。
[0043]在步骤SllO中，若设计的漂移区较薄，可以先用一块较厚(厚度大于漂移区设计厚度)的N型硅片20，再于正面工艺(步骤S150)之前，将键合硅片的漂移区进行减薄，并对该被减薄的一面进行平坦化处理(CMP )。
[0044]以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
【权利要求】
1.一种反向导通场截止绝缘栅双极型晶体管的制造方法，包括下列步骤: 提供N型硅片，并在N型硅片表面制备出N+层，推阱后得到场截止层，N型硅片除场截止层以外的部分作为漂移区； 各通过一次光刻和离子注入，向所述场截止层分别注入P型离子和N型离子，在所述场截止层表面形成背面PN交隔结构，并清理所述背面PN交隔结构表面完成去胶； 在所述背面PN交隔结构表面形成氧化层； 提供衬底，并将所述衬底与所述N型硅片形成有背面PN交隔结构的表面键合在一起，得到一块与常规流通硅片厚度一致的键合硅片； 采用绝缘栅双极型晶体管正面工艺在所述漂移区内和漂移区上制备出绝缘栅双极型晶体管正面结构； 将完成了正面工艺的键合硅片的所述衬底进行减薄至所述氧化层； 湿法腐蚀去除所述氧化层； 在所述背面PN交隔结构背离所述场截止层的表面形成背面金属电极。
2.根据权利要求1所述的反向导通场截止绝缘栅双极型晶体管的制造方法，其特征在于，所述在N型硅片表面制备出N+层的步骤，是通过离子注入或扩散的工艺进行制备。
3.根据权利要求1所述的反向导通场截止绝缘栅双极型晶体管的制造方法，其特征在于，所述提供N型硅片的步骤中硅片的厚度为10?650微米，所述提供衬底的步骤中衬底的厚度为50?650微米，所述场截止层的厚度为2?100微米。
4.根据权利要求1所述的反向导通场截止绝缘栅双极型晶体管的制造方法，其特征在于，所述场截止层的掺杂浓度为4*1013?1*1016/立方厘米。
5.根据权利要求1所述的反向导通场截止绝缘栅双极型晶体管的制造方法，其特征在于，所述提供N型硅片的步骤中硅片的电阻率为5?500欧姆*厘米。
6.根据权利要求1所述的反向导通场截止绝缘栅双极型晶体管的制造方法，其特征在于，所述各通过一次光刻和离子注入、向所述场截止层分别注入P型离子和N型离子的步骤中，P型离子的注入剂量为1*1013?1*102°/平方厘米，注入能量为30千电子伏?200千电子伏，N型离子的注入剂量为1*1013?1*102°/平方厘米，注入能量为30千电子伏?200千电子伏。
7.根据权利要求1所述的反向导通场截止绝缘栅双极型晶体管的制造方法，其特征在于，进行所述正面工艺之前，还包括对所述键合硅片的漂移区进行减薄并对漂移区被减薄的一面进行平坦化处理的步骤。
8.根据权利要求1所述的反向导通场截止绝缘栅双极型晶体管的制造方法，其特征在于，所述在场背面PN交隔结构表面形成氧化层的步骤，是采用热氧化或化学气相淀积的工艺形成。
9.根据权利要求1所述的反向导通场截止绝缘栅双极型晶体管的制造方法，其特征在于，所述氧化层的厚度为0.01?5微米。
10.根据权利要求1所述的反向导通场截止绝缘栅双极型晶体管的制造方法，其特征在于，所述将完成了正面工艺的键合硅片的所述衬底进行减薄至所述氧化层的步骤，是先抛光一部分所述衬底、再湿法腐蚀剩余的衬底。
【文档编号】H01L21/331GK104425258SQ201310391300
【公开日】2015年3月18日 申请日期:2013年8月30日 优先权日:2013年8月30日
【发明者】黄璇, 王万礼, 王根毅 申请人:无锡华润上华半导体有限公司