一种低压igbt薄型晶体芯片及其制备方法
【专利摘要】本发明公开了一种低压IGBT薄型晶体芯片及其制备方法，它包括如下步骤：1）在N-型硅单晶片的表面进行锑扩散，获得N+N-N+型硅扩散片。2）对N+N-N+型硅扩散片正面研磨抛光，除去正面N+锑扩散层，获得N-N+型硅扩散抛光片；3）以制造IGBT沟道本体区和发射区常规工艺，在N-N+型硅扩散抛光片的N-面扩散入硼和磷两种杂质，得到N+P+N+型硅扩散片；4）研磨减薄硅扩散片背面，获得N+P+N型硅扩散薄片；5）在N+P+N型硅扩散薄片的背面N层注入P型硼离子，得到N+P+NP+结构的IGBT薄型晶体芯片。本发明改进IGBT薄型晶体芯片加工技术，降低器件的导通电阻，提高产品性价比，具有显著的经济效益。
【专利说明】一种低压IGBT薄型晶体芯片及其制备方法
[0001]
【技术领域】
本发明涉及半导体器件的制造，尤其涉及一种低压IGBT薄型晶体芯片及其制备方法。
【背景技术】
[0002]IGBT (Insulated Gate Biplar Transistor)绝缘栅双极型晶体管是当今功能卓越的半导体功率器件，兼有Power MOSFET (功率场效应晶体管)的电压控制、低驱动功率、高工作频率和BJT (双极结型晶体管)的垂直导电高电流密度之诸多优点，广泛应用于电机控制、轨道交通、智能电网、新能源电动汽车等领域。
[0003]图1为当前传统的非穿通型NPT-1GBT器件的结构简图，K为阴极，。G为栅极，A为阳极，其纵向为N+P+N_P+型结构，直接采用N_型硅单晶片通过IGBT的常规工艺制成的，具体步骤如下:
N—型硅单晶片抛光，氧化、光刻，P+型硼扩散(形成沟道本体区)，栅极多晶硅生长、光刻，N+型磷扩散(形成阴极K)，硅片背面(N_)研磨减薄，硅片背面硼离子注入、退火，表面金属化、形成阳极A，获得晶体芯片。
[0004]此传统的非穿通型NPT-1GBT器件的优点是原材料硅单晶片成本低(与原材料N_N+型硅外延片相比)，而突出的缺点是器件的导通电阻大，导致导通压降和功耗大，为提高IGBT的电流能力和降低功率损耗，必须尽量减小器件的导通电阻。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种低压IGBT薄型晶体芯片及其制备方法。
[0006]低压IGBT薄型晶体芯片:第一 P+型硼扩散层、N型锑扩散层、第二 P+型硼扩散层、N+型磷扩散层顺次叠加，N+型磷扩散层与阴极K相连，第一 P+型硼扩散层与阳极A相连。
[0007]低压IGBT薄型晶体芯片及其制备方法的步骤如下:
1)在每张N—型硅单晶片的背面贴上锑固态杂质源，高温下进行锑在硅中的扩散，获得Ν+Ν?+型硅扩散片，锑扩散温度为1280-1285°C，扩散时间为180-200小时；
2)对N+N_N+型硅扩散片正面进行研磨抛光，除去正面N+锑扩散层，获得N_N+型硅扩散抛光片；
3)采用制造IGBT器件沟道本体区和发射区常规工艺，在N_N+型硅扩散抛光片的正面N_层先后分别扩散入P+型硼和N+型磷两种杂质，得到N+P+N+型硅扩散片；
4)通过专用有机粘结剂，把N+P+N+型硅扩散片的正面粘贴到磨片承载盘上；
5)研磨减薄N+P+N+型硅扩散片的背面，去除背面N+锑扩散区杂质高浓度层部分，获得N+P+N型硅扩散薄片；
6)在N+P+N型硅扩散薄片的背面N区注入P型硼离子，经退火和金属化后得到N+P+NP+结构IGBT薄型晶体芯片；
所述步骤4)中的专用有机粘结剂的组成为:麦芽糖:葡萄糖=(2^4): I 本发明针对NPT-1GBT器件存在N_硅本征层被过厚致导通电阻大的问题，采取两步做法进行解决，第一步是用N型锑扩散层取代N_硅单晶层，提出N+P+NP+型低压IGBT结构，显著降低器件的导通电阻，第二步是使用新型有机粘结剂研磨硅片实现硅薄片加工，减小晶体芯片厚度，进一步降低器件的导通电阻，有效地提高产品性价比。本发明的新型有机粘剂用于硅片研磨减薄加工，不仅操作安全简便，节约化学清洗试剂，降低生产成本和高效率，更重要的是将超薄硅片加工技术成功推进一大步。
【专利附图】
【附图说明】
[0008]图1是传统的NPT-1GBT非穿通型结构示意图；
图2是低压IGBT薄型晶体芯片结构示意图；
图3是本发明的N+P+NP+型IGBT结构的杂质分布示意图。
【具体实施方式】
[0009]低压IGBT薄型晶体芯片:第一 P+型硼扩散层、N型锑扩散层、第二 P+型硼扩散层、N+型磷扩散层顺次叠加，N+型磷扩散层与阴极K相连，第一 P+型硼扩散层与阳极A相连。
[0010]低压IGBT薄型晶体芯片及其制备方法的步骤如下:
1)在每张N_型硅单晶片的背面贴上锑固态纸源，高温下进行锑在硅中的扩散，获得Ν+Ν?+型硅扩散片，锑扩散温度为1280-1285°C，扩散时间为180-200小时；
2)对N+N_N+型硅扩散片正面进行研磨抛光，除去正面N+锑扩散层，获得N_N+型硅扩散抛光片；
3)利用制造IGBT器件沟道本体区和发射区标准工艺，在N_N+型硅扩散抛光片的正面N_层先后分别扩散入P+型硼和N+型磷两种杂质，得到N+P+N+型硅扩散片；
4)通过专用有机粘结剂，把N+P+N+型硅扩散片的正面粘贴到磨片承载盘上；
5)研磨减薄N+P+N+型硅扩散片的背面，去除背面N+锑扩散区杂质高浓度层部分，获得N+P+N型硅扩散薄片；
6)在N+P+N型硅扩散薄片的背面N区注入P型硼离子，经退火和金属化后得到N+P+NP+结构IGBT薄型晶体芯片。
[0011]所述步骤4)中的专用有机粘结剂的组成为:麦芽糖:葡萄糖=(2^4): I 本发明的低压IGBT薄型晶体芯片产品采用了图2所示的N+P+NP+型IGBT新式结构，以杂质浓度分布平缓的锑扩散N层取代原N_硅单晶层，由于锑扩散N层是在N_硅单晶层的基础上通过扩散入半导体杂质来形成，其体内杂质浓度大大超过N_硅单晶原掺杂水平，使器件体电阻大大下降，因而达到显著降低器件导通电阻的目的，由此既消除了 NPT-1GBT器件导通电阻大之缺陷，又保持了硅单晶片原材料成本低之优点。特别要指出的是，虽然N区杂质总含量高，然而其扩散结头部附近的杂质分布平坦，具有接近K硅基片的电阻率，因而仍能确保器件达到预定的反向耐压水平。
[0012]当前采用N_硅单晶片制造NPT-1GBT的工艺过程中，在获得P+型沟道本体区和N+型阴极区后，需研磨减薄N+P+N+型硅扩散片的背面，获得N+P+N型硅扩散薄片，然后注入P+型硼离子，形成阳极，制成N+P+NP+结构IGBT晶体芯片。晶体芯片厚度能否超薄，关键在硅片研磨减薄工序。传统的方法是采用无机蜡作为粘结剂，当硅片被研磨到预定厚度后，需小心地从磨片承载盘上取下硅薄片，虽然有机蜡经加热熔化，但黏着力依然很强，难以避免硅片破损。本发明所提出的有机粘结剂，按麦芽糖(C12H22OH* H2O):葡萄糖(C6H12O6)= (2^4): I的组成配制，加热熔化后将待加工的硅片牢固贴到磨片承载盘上进行研磨，研磨减薄硅片结束后，一起浸没在热水中，经超声波振动30分钟后，有机粘剂便被热水充分稀释而失去粘性，使超薄硅片得以完好无损地与磨片承载盘分离。
[0013]有关N+P+NP+型IGBT新式结构的几个设计技术要点是:
I)选用N_硅基片的电阻率。
[0014]N_硅基片的电阻率与N_硅片原始的掺杂浓度相关，N_的掺杂浓度越低，N区扩散结头部杂质浓度分布越呈平坦，相应的器件反向击穿电压越高。图3为N+P+NP+型IGBT新式结构的纵向杂质浓度分布简图。
[0015]结构内部PN结反向击穿电压BVpp与硅中掺杂浓度ND_之间的关系为:
BVpp ^ 5.34X1013.Nd厂3/4
这是 D.S.Kuo, andC.Hu 在 IEEE Electron Device Letters, 1986, 7 (9), pp.510-512 的杂志论文中发表的经验计算公式，由杂质浓度即可推算及硅的电阻率。
[0016]2)选用扩散(电压)漂移N区的最大浓度。
[0017]根据器件耐压之要求，选留扩散(电压)漂移区内N型杂质最大浓度约为1016/cm3。
[0018]3)选用N区的厚度。
[0019]为确保IGBT器件耐压水平，N区厚度必不小于耗尽层扩展宽度,然而对于仅耐受百伏特上下低反向工作电压的IGBT来说，因受硅晶体芯片最小加工厚度之限制，N区的厚度往往留有足够裕量，此对于降低器件导通压降和功率损耗不利，当务之急必须改进硅薄片加工技术，减小晶体芯片厚度。
[0020]实施例1
1)在每张N_型硅单晶片的背面贴上锑固态纸源，高温下进行锑在硅中的扩散，获得N+N_N+型硅扩散片，锑扩散温度为1280°C，扩散时间为200小时；
2)对N+N_N+型硅扩散片正面进行研磨抛光，除去正面N+锑扩散层，获得N_N+型硅扩散抛光片；
3)利用制造IGBT器件沟道本体区和发射区标准工艺，在N_N+型硅扩散抛光片的正面N_层先后分别扩散入P+型硼和N+型磷两种杂质，得到N+P+N+型硅扩散片；
4)通过专用有机粘结剂，把N+P+N+型硅扩散片的正面粘贴到磨片承载盘上；专用有机粘结剂的组成为:麦芽糖:葡萄糖=2: I ；
5)研磨减薄N+P+N+型硅扩散片的背面，去除背面N+锑扩散区杂质高浓度层部分，获得N+P+N型硅扩散薄片；
6)在N+P+N型硅扩散薄片的背面N区注入P型硼离子，经退火和金属化后得到N+P+NP+结构IGBT薄型晶体芯片。
[0021]实施例2
1)在每张N_型硅单晶片的背面贴上锑固态纸源，高温下进行锑在硅中的扩散，获得N+N_N+型硅扩散片，锑扩散温度为1285°C，扩散时间为180小时；
2)对N+N_N+型硅扩散片正面进行研磨抛光，除去正面N+锑扩散层，获得N_N+型硅扩散抛光片； 3)利用制造IGBT器件沟道本体区和发射区标准工艺，在N_N+型硅扩散抛光片的正面N_层先后分别扩散入P+型硼和N+型磷两种杂质，得到N+P+N+型硅扩散片；
4)通过专用有机粘结剂，把N+P+N+型硅扩散片的正面粘贴到磨片承载盘上；专用有机粘结剂的组成为:麦芽糖:葡萄糖=4: I ；
5)研磨减薄N+P+N+型硅扩散片的背面，去除背面N+锑扩散区杂质高浓度层部分，获得N+P+N型硅扩散薄片；
6)在N+P+N型硅扩散薄片的背面N区注入P型硼离子，经退火和金属化后得到N+P+NP+结构IGBT薄型晶体芯片。
【权利要求】
1.一种低压IGBT薄型晶体芯片，其特征在于第一 P+型硼扩散层、N型锑扩散层、第二P+型硼扩散层、N+型磷扩散层顺次叠加，N+型磷扩散层与阴极K相连，第一 P+型硼扩散层与阳极A相连。
2.一种如权利要求所述的低压IGBT薄型晶体芯片及其制备方法，其特征在于它的步骤如下 1)在每张K型硅单晶片的背面贴上锑固态杂质源，高温下进行锑在硅中的扩散，获得Ν+Ν?+型硅扩散片，锑扩散温度为1280-1285°C，扩散时间为180-200小时； 2)对N+N_N+型硅扩散片正面进行研磨抛光，除去正面N+锑扩散层，获得N_N+型硅扩散抛光片； 3)采用制造IGBT器件沟道本体区和发射区的常规工艺，在N_N+型硅扩散抛光片的正面N_层先后分别扩散入P+型硼和N+型磷两种杂质，得到N+P+N+型硅扩散片； 4)通过专用有机粘结剂，把N+P+N+型硅扩散片的正面粘贴到磨片承载盘上； 5)研磨减薄N+P+N+型硅扩散片的背面，去除背面N+锑扩散区杂质高浓度层部分，获得N+P+N型硅扩散薄片； 6)在N+P+N型硅扩散薄片的背面N区注入P型硼离子，经退火和金属化后得到N+P+NP+结构IGBT薄型晶体芯片。
3.根据权利2所述的一种低压IGBT薄型晶体芯片及其制备方法，其特征在于所述步骤4)中的专用有机粘结剂的组成为:麦芽糖:葡萄糖=(2^4): I。
【文档编号】H01L21/331GK104377237SQ201410716235
【公开日】2015年2月25日 申请日期:2014年12月2日 优先权日:2014年12月2日
【发明者】陈福元, 毛建军, 胡煜涛, 任亮, 苏云清 申请人:杭州晶地半导体有限公司