一种硅片键合式IGBT器件及其制作方法与流程

一种硅片键合式igbt器件及其制作方法
技术领域
[0001]
本发明涉及电子器件领域，具体涉及一种硅片键合式igbt器件及其制作方法。


背景技术：

[0002]
igbt(绝缘栅双极晶体管)是一种复合式的半导体功率器件，在电能控制和能源有效应用的领域有着广泛的应用。由于复合式的器件，需要对很薄的硅晶圆片的正反两面进行加工，所以工艺上的难度非常大，几乎所有的背面加工都要涉及到专用设备和专用工艺；其中的重点是器件背面、制作深n型场阻止区所需要的高能离子注入，该步骤及其后的退火，工艺难度都很大，设备也都昂贵。
[0003]
为了回避加工制造上的难点，曾经提出过键合式igbt的器件方案(英文简称为sdb-igbt，即silicon direct bonding-igbt)，也就是分别在两片硅片上制作igbt器件的正面和反面结构，然后将两片硅片键合起来，构成完整的igbt。然而，由于此案是直接和简单的键合，两硅片的界面处并不涉及额外的器件结构，采用该方案所制备的igbt电学性能比较差，因此只存在于理论研究及实验室中而无法够投入实用。
[0004]
传统igbt器件正面结构是n沟道mos晶体管，背面结构为pn结(即，二极管)，两者构成复合式的器件。当mos管导通时，电子流开始流动；在器件内部，电子流遇到来自下方二极管的空穴流，二者产生复合导致电子被大量消耗掉；于是会产生持续的电子需求量，形成mos管持续通过大的电流；这是这种复合型器件比较紧要的工作原理，也就是说两个部分可以相互促进，形成正反馈，迅速形成大的电流通路。而传统的直接键合igbt由于键合面质量不理想，总会存在各种各样的缺陷，导致较大的漏电流和器件耐压不足，所以很难得到实际的应用。
[0005]
综上，如何提供一种硅片键合式igbt器件，在回避传统igbt中背面和薄片加工的难点并降低制造门槛和成本的基础上，从根本上提升键合式igbt器件的性能，改善其应用的可靠性，并使其具备综合性优势，已经成为亟需解决的问题。


技术实现要素：

[0006]
为了克服现有技术存在的一系列缺陷，本发明的目的在于针对上述问题，提供一种采用键合方式制作的igbt器件，其特征在于，包括正面结构1和背面结构8，其特征在于，正面结构1和背面结构8实现在两片硅片上，两片硅片采用键合的方式构成完整一体的igbt器件，两片硅片的键合接触面处均设有专门的接触面结构,接触面结构由金属接触层3和终端结构组成，金属接触层3位于中间位置，终端结构设于金属接触层3四周对所述金属接触层3进行保护。
[0007]
优选的，终端结构由p+掺杂的保护环4和sio2氧化层9构成，金属接触层3和sio2氧化层9均经过化学机械抛光，其表面之间平齐无台阶。
[0008]
优选的，所述终端结构还包括场板结构，用于改善键合接触面的漏电特性。
[0009]
优选的，两片硅片的键合接触面结构相互对位套准。
[0010]
本发明的目的还在于提供一种采用键合方式制作的igbt器件的制作方法，其步骤包括：
[0011]
s1):制作igbt器件的正面结构1
[0012]
在硅片的正面制作vdmos器件结构，即完成igbt器件的正面结构1；
[0013]
然后对该硅片的背面进行减薄，在其四周部分进行离子注入和激光退火，制作出终端保护环4；在其中心部分进行离子注入和激光退火，制作出n+薄层；沉积层厚为0.5μm的sio2氧化层9作为保护；
[0014]
对中心部分进行光刻和湿法腐蚀，去除其上的sio2氧化层9，露出n+薄层表面；
[0015]
对中心部分溅射金属al，层厚为1.0μm，然后进行低温合金；
[0016]
对该硅片的背面进行化学机械抛光，使得背面的sio2氧化层9和金属接触层3的上表面平整对齐；
[0017]
s2):制作igbt器件的背面结构8
[0018]
取一片重掺杂的p+硅片，在其正面进行低温外延，经过多次外延-掺杂，从下向上形成p+、n-、n+、n-的不同掺杂层结构，在外延结构生长完成后，按照步骤s1继续完成制作背面结构8的接触面结构；
[0019]
在重掺杂的p+硅片的背面制作出金属层，作为igbt器件的一个电极，完成igbt器件的背面结构8；
[0020]
s3):两个键合表面相互对准后进行键合，形成完整的igbt器件。
[0021]
优选的，步骤s1中，对硅片进行减薄时，厚度控制范围为40μm～1mm。
[0022]
优选的，步骤s2中，进行低温外延时，典型温度为650℃至750℃。
[0023]
优选的，步骤s2中，n-层、n+层、n-层的典型厚度分别为2.0μm，0.5μm，3.0μm，n+层构成了igbt器件的场阻止层，其位置为距离p+层0.5～20μm。
[0024]
与现有技术相比，本发明具备以下有益效果：
[0025]
1)本发明提供了一种采用键合方式制作的igbt器件，在将要键合的两片硅片上，分别制作终端结构和金属接触层，其中终端结构可以抑制漏电流和提高器件耐压，而两层金属层接触相接触，能够构成较好的键合，主要的空穴-电子复合可以发生在此处，能够克服前述器件性能不佳的问题；
[0026]
2)本发明提供了一种采用键合方式制作的igbt器件，经过本发明方案增强后，键合式igbt器件性能提升，能够可靠应用；回避了传统igbt中背面和薄片加工的难点，制造门槛和成本都得到降低，在成本-性能上具备了综合性优势；
[0027]
3)本发明提供了一种采用键合方式制作的igbt器件，针对键合式igbt器件性能较差的问题，对两硅片将要键合接触的部分，分别制作附加的埋入式的器件结构，可以从根本上提升器件的性能，改善其应用可靠性；采用本发明方案后，使得键合式的igbt，在电学性能得到保证后，得以实用化了。
附图说明
[0028]
图1为本发明的一种硅片键合式igbt器件的结构示意图。
[0029]
图中附图标记为：
[0030]
1-正面结构，3-金属接触层，4-保护环，8-背面结构，9-sio2氧化层。
具体实施方式
[0031]
为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
[0032]
基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0033]
下面通过参考附图描述的实施例以及方位性的词语均是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
[0034]
下面结合附图对本发明的一种采用键合方式制作的igbt器件及其制作方法进行详细描述。
[0035]
如图1所示，一种硅片键合式igbt器件，采用键合方式制作，主要包括正面结构1和背面结构8，其中，
[0036]
正面结构1和背面结构8安装在两片硅片上，两片硅片采用键合的方式构成完整一体的igbt器件，两片硅片的键合接触面处均设有专门的接触面结构,接触面结构由金属接触层3和终端结构组成，金属接触层3位于中间位置，终端结构设于金属接触层3四周对所述金属接触层3进行保护。
[0037]
优选的，终端结构由p+掺杂的保护环4和sio2氧化层9构成，金属接触层3和sio2氧化层9均经过化学机械抛光，其表面之间平齐无台阶。
[0038]
优选的，所述终端结构还包括场板结构，用于改善键合接触面的漏电特性。
[0039]
优选的，两片硅片的键合接触面结构相互对位套准。
[0040]
本发明的目的还在于提供一种采用键合方式制作的igbt器件的制作方法，其步骤包括：
[0041]
s1):制作igbt器件的正面结构1
[0042]
在硅片的正面制作vdmos器件结构；
[0043]
然后对该硅片的背面进行减薄，在其四周部分进行离子注入和激光退火，制作出保护环4；在其中心部分进行离子注入和激光退火，制作出n+薄层；沉积层厚为0.5μm的sio2氧化层9作为保护；
[0044]
对中心部分进行光刻和湿法腐蚀，去除其上的sio2氧化层9，露出n+薄层表面；
[0045]
对中心部分溅射金属al，层厚为1.0μm，然后进行低温合金；
[0046]
对该硅片的背面进行化学机械抛光，使得背面的sio2氧化层9和金属接触层3的上表面平整对齐；
[0047]
s2):制作igbt器件的背面结构8
[0048]
取一片重掺杂的p+硅片，从其正面开始进行低温外延，经过多次外延-掺杂，依次形成p+、n-、n+、n-的不同掺杂层结构，在外延结构生长完成后，按照步骤s1继续完成制作背面结构8的接触面结构；
[0049]
在重掺杂的p+硅片的背面制作出金属层，作为igbt器件的一个电极，完成igbt器件的背面结构8；
[0050]
s3):对所述两片硅片的键合接触面相互对准后进行键合，形成完整的igbt器件。
[0051]
优选的，步骤s1中，对硅片进行减薄时，厚度控制范围为40μm～1mm。
[0052]
优选的，步骤s2中，进行低温外延时，典型温度为650℃。
[0053]
优选的，步骤s2中，n-层、n+层、n-层的厚度分别为2.0μm，0.5μm，3.0μm，n+层构成了igbt器件的场阻止层，其位置为距离p+层0.5～20μm。
[0054]
下面结合附图，列举本发明的优选实施例，对本发明作进一步的详细说明。
[0055]
实施例1
[0056]
取一片n-型掺杂的硅片，称作甲片，一片p+型掺杂的硅片，称作乙片。
[0057]
在甲片的正面制作平面栅vdmos结构。然后加工转移到甲片的背面，对甲片背面减薄后，在芯片四周部分进行离子注入和激光退火，制作出保护环4；在芯片中心部分进行离子注入和激光退火，制作出n+薄层，准备好进行金属化；在甲片背面沉积sio2氧化层9作为保护，层厚为0.5μm；进行光刻和湿法腐蚀，去除中心部位的sio2氧化层9，露出n+型硅表面；溅射金属al，层厚为1.0μm，然后进行低温合金；最后对甲片背面进行化学机械抛光(cmp)，使得背面的sio2氧化层9和金属接触层3(甲片的键合面)平整对齐。
[0058]
从p+型乙片的正面开始进行外延，依次外延出n-层，n+层，n-层，三层层厚2.0μm，0.5μm，3.0μm。然后继续加工乙片的正面(顶层为3.0μm的n-层)，加工方法同甲片，形成终端结构、sio2氧化层9和金属接触层3平整对齐的键合接触面。在乙片的背面，可在减薄后(也可以不减薄)，制作出金属接触层3，作为igbt器件的一个电极。
[0059]
对于甲片和乙片，将两个键合接触面相互对准后，进行键合，形成完整的igbt器件。
[0060]
本实施例实现了一个本发明基本型的硅片键合式igbt器件，与传统键合式igbt器件相比，增强了键合的电特性；与传统的单片式igbt相比，减少了高能离子注入机的设备投入/回避了该注入工艺步，且n+场阻止层、n-过渡层，各层的层厚和掺杂浓度的控制更为简便易行(因为是通过外延的方式形成各结构层)，所以最终得到的igbt器件，具有综合性比较优势。
[0061]
实施例2
[0062]
在甲片的正面制作沟槽栅型vdmos器件结构，其余步骤同实施例1。
[0063]
本实施例是对实施例1的一种变化，采用了沟槽栅igbt器件的正面结构方案，器件性能(导通态电阻)得到进一步优化。
[0064]
实施例3
[0065]
在两片硅片的键合面，终端结构除保护环4外，还制作出场板结构，其他结构和制作过程同实施例1。
[0066]
本实施例是对实施例1的一种变化，由于增设了场板结构，可以更好地改善键合面漏电特性。
[0067]
实施例4
[0068]
乙片进行外延时，仅外延n-层，层厚6.0μm。其余同实施例1。两片键合后，金属接触层3是处于周围n+掺杂的硅材料之中的，n+掺杂区连同其中的金属接触层3，合在一起作为igbt器件的n+场阻止层。
[0069]
本实施例是对实施例1的一种变化，简化了部分加工步骤，同样地实现了较高性能的键合式igbt器件。
[0070]
实施例5
[0071]
除甲片的背面加工不制作保护环4和/或场板结构外，其余的器件结构和加工过程同实施例1。此时甲片的键合面上仅有sio2氧化层9和金属接触层3，二者平齐无台阶。乙片的键合面，则既有保护环4和/或场板结构，也有sio2氧化层9和金属接触层3。甲片和乙片进行键合构成完整的igbt器件。
[0072]
本实施例是对实施例1的一种简化，省去了甲片离子注入和激光退火制作保护环的环节。
[0073]
最后需要指出的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制。尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。