如正向导通压降低、关断损耗小、导通压降为正温度系数等优点。因此，本发明所述制备方法可适用于FS-1GBT器件的制备，特别是中低压FS-1GBT的制备。
【附图说明】
[0030]图1是传统PT型IGBT结构示意图；图1中:1为重掺杂P型衬底材料，2为N型缓冲层(buffer)，3为N—漂移区，4为P型体接触区，5为N型体接触区，6为金属发射极，7为金属集电极，8为栅极，9为栅介质，10为隔离介质。
[0031]图2是NPT型IGBT结构示意图；图2中:I为P型透明集电区，3为N—漂移区，4为P型体接触区，5为N型体接触区，6为金属发射极，7为金属集电极，8为栅极，9为栅介质，10为隔离介质。
[0032]图3是FS型IGBT结构示意图；图3中:1为P型透明集电区，2为N型场截止层(FS)，3为N—漂移区，4为P型体接触区，5为N型体接触区，6为金属发射极，7为金属集电极，8为栅极，9为栅介质，10为隔离介质。
[0033]图4是Jun Zeng专利所涉及的IGBT结构示意图；图4中:I为重掺杂P型衬底材料，2为N型缓冲层(buffer)，3为N—漂移区，4为P型体接触区，5为N型体接触区，6为金属发射极，7为金属集电极，8为栅极，9为栅介质，10为隔离介质。
[0034]图5是本发明提供的所述制备方法制备的FS-1GBT结构示意图；图5中:1为P型透明集电区，2为N型场截止层(FS)，3为N—漂移区，4为P型体接触区，5为N型体接触区，
6为金属发射极，7为金属集电极，8为栅极，9为栅介质，10为隔离介质，11为背面N+区。
[0035]图6是本发明提供的制备方法的流程示意图。
[0036]图7至图12是本发明提供的制备方法的具体工艺流程示意图。
[0037]图13为本发明提供的制备方法获得的FS-1GBT，传统FS-1GBT及Jun Zeng专利涉及的IGBT在关断时的集电极电流仿真曲线对比图。
【具体实施方式】
[0038]以下结合附图，对本发明的原理和特性做进一步的说明，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
[0039]如图6所示，本发明提供了一种在厚硅片上制备具有薄漂移区FS-1GBT的方法，包括:
[0040]第一步:选取两片N型单晶硅片作为第一硅片和第二硅片，其中第一硅片厚度为300微米，采用轻掺杂的FZ硅，掺杂浓度为2.5*1014个/cm 3，用以形成图5中所述FS-1GBT的漂移区3，第二硅片厚度为300微米，采用重掺杂的CZ硅，掺杂浓度为5*1019个/cm 3，用以形成图5中所述FS-1GBT的背部N+区11，如图7-8所示；
[0041]第二步:在第一硅片的背面通过离子注入N型杂质并退火制备图5中所述FS-1GBT的N型FS层2，形成的FS层的厚度为2微米，典型的离子注入能量为350keV，注入剂量为1*1013个/cm2，退火温度为1200°C，退火时间为60分钟；
[0042]第三步:在第一硅片的背面再通过离子注入P型杂质并退火制备图5中所述FS-1GBT的P型透明集电区1，形成的P型集电区的厚度为0.5微米，典型的离子注入能量为40keV，注入剂量为1*1013个/cm2，退火温度为1200°C，退火时间为10分钟，如图9所示；
[0043]第四步:采用键合技术将第一硅片背面与第二硅片正面键合在一起形成第三硅片，键合温度为600°C，通过键合技术形成的第三娃片的第一娃片一侧为正面，第二娃片一侧为背面，即第一硅片正面为第三硅片正面，第二硅片背面为第三硅片背面，如图10所示；
[0044]第五步:减薄第三硅片正面至第三硅片总厚度为340微米，即减薄第三硅片正面至原第一硅片厚度为40微米；
[0045]第六步:在经第五步的第三硅片正面通过多次光刻、氧化、离子注入、退火、淀积等工艺制备FS-1GBT的正面结构，包括元胞MOS结构和终端结构等，典型的MOS结构P型体区和终端场限环的结深为2微米，典型的离子注入能量为60keV，注入剂量为1*1014个/cm2，退火温度为1150°C，退火时间为30分钟；在本步中1150°C退火温度以及30分钟退火时间可获得两个有益效果:1)通过高温过程进一步降低第四步中键合界面的空洞等缺陷，提高键合界面的质量；2)在高温过程中由于浓度梯度的存在，N型FS层2、P型透明集电区I以及第三硅片中原第二硅片一侧高浓度N型衬底11中的杂质将再分布，由于大的浓度梯度原第二硅片一侧N型衬底11中高浓度N型杂质向原第一硅片一侧扩散的速度大于P型透明集电区I中P型杂质向FS层2—侧的扩散速度，同时P型透明集电区I中P型杂质向FS层2一侧的扩散速度大于FS层2向漂移区3的扩散速度，通过杂质的补偿，可获得具有典型厚度为0.3微米，峰值浓度为3*1017个/cm 3的P型透明集电区1，并获得典型厚度为2微米，峰值浓度为1*1017个/cm 3的FS层，如图11所示；
[0046]第七步:减薄第三硅片背面至第三硅片总厚度为140微米，即减薄后的背部N+区11的典型厚度为100微米；
[0047]第八步:光刻和刻蚀，在第三硅片背面刻槽至P型透明集电区I ;
[0048]第九步:淀积金属，填充沟槽并覆盖整个背部N+区11至3微米，淀积的金属与P型透明集电区I和背部N+区11分别形成欧姆接触；
[0049]第十步:化学机械抛光(CMP)平坦化背部淀积的金属，形成集电极7 ;
[0050]即获得制备的FS-1GBT，如图12所示；
[0051]图13为本发明提供的所述制备方法获得的FS-1GBT，传统FS-1GBT (图4结构)及Jun Zeng专利涉及的IGBT(图5结构)在关断时的集电极电流仿真曲线对比。三种结构采用相同的正面MOS结构、相同的漂移区浓度、厚度和载流子寿命。从图中可以看出，本发明所述制备方法获得的FS-1GBT具有最快的关断速度，传统FS-1GBT的关断速度略慢，JunZeng专利涉及的IGBT表现出很长的延迟及拖尾时间，关断速度最慢。本发明形成的IGBT为FS型，不需要采用寿命控制技术，可具有与传统方法获得的FS-1GBT同样的诸如正向导通压降低、关断损耗小、导通压降为正温度系数等优点。因此，本发明所述制备方法可适用于FS-1GBT器件的制备，特别是中低压FS-1GBT的制备。
[0052]本发明在整个芯片制备过程中可采用厚的硅片制备具有薄漂移区的中低压FS-1GBT，并且最后制备获得的所述FS-1GBT器件也具有厚的硅片厚度。本发明提供的一种FS-1GBT的制备方法可解决中低压FS-1GBT制备过程中，薄硅片带来的制备工艺复杂、难度大，硅片翘曲、变形、碎片，硅片(晶圆)的大小受到限制、难以使用与大尺寸晶圆对应的先进工艺技术、良品率低、成本高，难以实现商业化生产的问题，以及在后续晶圆的划片和芯片的封装中由于薄硅片带来的巨大技术挑战。
【主权项】
1.一种FS-1GBT的制备方法，包括以下步骤: 第一步:选取两片N型单晶硅片作为第一硅片和第二硅片，其中第一硅片为厚度300?500微米的轻掺杂的FZ硅，掺杂浓度为113?10 14个/cm3，用以形成FS-1GBT的漂移区；第二硅片为厚度300?500微米的重掺杂的CZ硅或FZ硅，掺杂浓度为119?10 2(1个/cm3，用以形成FS-1GBT的背部N+区； 第二步:在第一硅片的背面通过离子注入N型杂质并退火制作FS-1GBT的N型FS层，形成的FS层的厚度为2?5微米，离子注入能量为40keV?500keV，注入剂量为113?10 14个/cm2，退火温度为1150-1200°C，退火时间为60?300分钟； 第三步:在第一硅片的背面再通过离子注入P型杂质并退火制作FS-1GBT的P型透明集电区，形成的P型集电区的厚度为0.5?2微米，离子注入能量为30keV?lOOkeV，注入剂量为113?10 14个/cm2，退火温度为1150-1200°C，退火时间为O?60分钟； 第四步:采用键合技术将第一硅片背面与第二硅片正面键合在一起形成第三硅片，键合温度为300?600°C，通过键合技术形成的第三娃片的第一娃片一侧为正面，第二娃片一侧为背面； 第五步:减薄第三硅片正面至原第一硅片厚度为30?80微米，即减薄漂移区； 第六步:通过光刻、氧化、离子注入、退火、淀积工艺在经过减薄的第三硅片正面制作FS-1GBT的正面结构，包括元胞MOS结构和终端结构，其中，P型体区和终端场限环的结深为2?3微米，离子注入能量为40keV?120keV，注入剂量为113?10 14个/cm2，退火温度为1100?1150C，退火时间为30?150分钟； 第七步:减薄第三硅片背面至原第二硅片厚度为50?100微米，即减薄背部N+区； 第八步:采用光刻和刻蚀，在经过减薄后的第三硅片背面刻槽至P型透明集电区； 第九步:淀积金属，填充沟槽并覆盖整个第三硅片背面至厚度为2?4微米； 第十步:采用化学机械抛光平坦化背面淀积的金属，形成集电极； 即制备得FS-1GBT。
2.按权利要求1所述FS-1GBT的制备方法，其特征在于，所述第五步中，对于400V的FS-1GBT器件减薄后漂移区厚度为30?40微米，对于600V的FS-1GBT器件减薄后漂移区厚度为50?60微米。
3.按权利要求1所述FS-1GBT的制备方法，其特征在于，所述第八步中，刻蚀采用干法刻蚀、定向湿法腐蚀或激光打孔的方法，所形成的硅槽的形状、深宽比以及在硅片上的分布根据背部N+区的厚度和刻蚀方法而确定。
4.按权利要求1所述FS-1GBT的制备方法，其特征在于，所述第九步中，填充集电极金属前，先淀积一层金属阻挡层，以防止金属扩散进入硅中。
5.按权利要求4所述FS-1GBT的制备方法，其特征在于，所述金属阻挡层的金属材料为钛、氮化钛或氮化钽。
6.按权利要求1所述FS-1GBT的制备方法，其特征在于，所述第九步中，所填充的金属可以是一层金属，也可以是多层金属的组合，所填充的金属为钨、铜或铝。
7.按权利要求1所述FS-1GBT的制备方法，其特征在于，所述第六步中，正面结构为平面栅结构或沟槽栅结构。
【专利摘要】本发明提供一种在厚硅片上制备FS-IGBT的方法，用以解决中低压FS-IGBT制备过程中，薄硅片带来的制备工艺复杂、难度大，硅片翘曲、变形、碎片，硅片的大小受到限制、良品率低、成本高，难以实现产业化的问题，以及在后续晶圆的划片和芯片的封装中由于薄硅片带来的巨大技术挑战。选取轻掺杂的FZ硅作为第一硅片、和重掺杂的CZ硅或FZ硅作为第二硅片，首先在第一硅片的背面制作N型FS层、P型透明集电区，再将第一、二硅片键合，然后减薄第一硅片、制作正面结构，最后减薄第二硅片、再通过刻蚀、淀积金属、化学机械抛光形成集电极；即制备得FS-IGBT。
【IPC分类】H01L21-331, H01L29-739
【公开号】CN104681434
【申请号】CN201510037235
【发明人】张金平, 陈钱, 李丹, 郭绪阳, 朱章丹, 李泽宏, 任敏, 张波
【申请人】电子科技大学
【公开日】2015年6月3日
【申请日】2015年1月26日