專利名稱:逆導型igbt半導體器件及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及半導體集成電路制造領(lǐng)域,特別是涉及一種逆導型IGBT半導體器件;本發(fā)明還涉及一種逆導型IGBT半導體器件的制造方法。
背景技術(shù):
在高壓器件中,絕緣柵雙極晶體管(IGBT)在600伏以上電壓的器件中獲得了越來越廣泛的應(yīng)用,最近更是往高電壓、大電流密度的方向發(fā)展。在IGBT的使用中,通常要將IGBT與快恢復二極管(FAST RECOVERED DIODE,FRD)在模塊封裝中組合在一起,以降低開關(guān)功耗和提供反向電流的導通能力。最近,一些公司開始將FRD集成在IGBT芯片之中,以進一步提高器件的電流密度,特別是降低模塊封裝的難度,提高模塊封裝的可靠性并減小模塊的體積?,F(xiàn)有的做法是在硅片的背面的N型層之后,形成作為IGBT集電區(qū)的P+區(qū)域和作為FRD的η+區(qū)域,P+區(qū)域和η+區(qū)域之后形成背面金屬化形成IGBT的集電極和FRD的陰極。為了減少IGBT器件的導通電阻,現(xiàn)有工藝中,會在硅片的背面N-之后通過離子注入等工藝形成場阻斷層,如利用在IGBT的飄移區(qū)的中間或靠近硅片背面處形成一個雜質(zhì)濃度緩變的漂移層作為場阻斷層,在保證器件導通電阻低的情況下,得到高可靠的開關(guān)特性。以漂移區(qū)為N型摻雜的IGBT即N型IGBT為例,如圖1所示,為一種現(xiàn)有場阻斷型IGBT的結(jié)構(gòu)示意圖,現(xiàn)有場阻斷型IGBT和沒有場阻斷層的IGBT的區(qū)別是,在N型硅片I和P型集電區(qū)4間包括一 N型的場阻斷層3,所述場阻斷層3的載流子濃度大于所述硅片I的載流子濃度,在P阱7和所述場阻斷層3之間的所述硅片I組成器件的N型漂移區(qū)?,F(xiàn)有場阻斷型IGBT的其它結(jié)構(gòu)和其它非場阻斷型的IGBT的結(jié)構(gòu)相同,包括在所述硅片I中形成有P阱7、在P阱7中形成有N+源8,柵氧5、多晶硅柵6,所述多晶硅6覆蓋部分所述P阱7、并在覆蓋處形成溝道區(qū),溝道 區(qū)連接所述N+源8和所述硅片I ;Ρ+接觸注入11,和所述P阱7連接并用于引出所述P阱7,接觸孔10,以及表面金屬12和背面金屬14。如圖1所示,其中截面A到截面B之間的區(qū)域為所述硅片,截面B到截面C之間的區(qū)域為所述場阻斷層3。截面C以下為P型發(fā)射極4和背面金屬14。現(xiàn)有技術(shù)中的緩變漂移層組成的場阻斷層的制作方法有一種方法是通過注入(正面或者背面注入)氦等質(zhì)量很輕的離子之后通過退火來獲得,它的注入深度可以達到數(shù)十微米,因此可以在離硅片背面較大的深度范圍中形成場緩變層。另一種方法是在器件正面工藝完成后在背面進行N型雜質(zhì)如磷或砷的離子注入,之后通過退火來激活,該退火包括高溫熱退火和激光退火。由于此時器件正面已有AL等金屬材料,在采用高溫熱退火技術(shù)時采用的溫度一般不能高于500攝氏度,注入離子被激活的效率不高;采用激光退火能實現(xiàn)硅片背面局部的高溫,從而在背面局部實現(xiàn)高溫,得到高的激活率。但激光的激活深度有限,一般只有I微米 2微米,不能滿足3微米 30微米場阻斷層激活和擴散的需要。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種逆導型IGBT半導體器件,能提高場阻斷層的深度和激活效率,且能實現(xiàn)IGBT器件和快速恢復二極管的良好集成。本發(fā)明還提供一種逆導型IGBT半導體器件的制造方法。為解決上述技術(shù)問題,本發(fā)明提供一種逆導型IGBT半導體器件,逆導型IGBT半導體器件集成有IGBT器件和快速恢復二極管,所述逆導型IGBT半導體器件包括一具有第一導電類型的場阻斷層,形成于第一導電類型的硅基片的背面,所述場阻斷層的載流子濃度大于所述硅基片的載流子濃度;所述場阻斷層由垂直注入的第一離子注入?yún)^(qū)和傾斜注入的第二離子注入?yún)^(qū)組成,所述第一離子注入?yún)^(qū)和所述第二離子注入?yún)^(qū)都經(jīng)過退火激活。溝槽,形成于所述硅基片的背面,所述溝槽的深度小于所述場阻斷層的厚度;所述溝槽將所述場阻斷層分割成位于各所述溝槽的底部的第一場阻斷層、和位于各相鄰所述溝槽間的第二場阻斷層。所述IGBT器件的集電區(qū)由形成于所述第二場阻斷層的頂部的第二導電類型的離子注入?yún)^(qū)組成。所述快速恢復二極管的第一電極區(qū)由填充于所述溝槽中的第一導電類型的多晶硅或外延層組成。一 背面金屬,分別和所述IGBT器件的集電區(qū)以及所述快速恢復二極管的第一電極區(qū)相連接并作為所述IGBT器件的集電區(qū)和所述快速恢復二極管的第一電極區(qū)的連接電極。進一步的改進是,所述第一導電類型為N型,第二導電類型為P型;所述第一離子注入?yún)^(qū)的雜質(zhì)為磷、砷、硒和硫四種雜質(zhì)中一個或多個的組合,所述第二離子注入?yún)^(qū)的雜質(zhì)為磷、砷、硒和硫四種雜質(zhì)中一個或多個的組合。進一步的改進是,所述溝槽的深度為I微米 50微米,所述IGBT器件的集電區(qū)的厚度為O.1微米 2微米,所述溝槽的寬度和所述溝槽之間的間距的比值為1/50 1/2。為解決上述技術(shù)問題,本發(fā)明提供一種逆導型IGBT半導體器件的制造方法,逆導型IGBT半導體器件集成有IGBT器件和快速恢復二極管,包括如下步驟步驟一、在第一導電類型的硅基片的正面淀積第一介質(zhì)膜,該第一介質(zhì)膜將所述硅基片的正面保護好,從背面對所述硅基片進行減薄。步驟二、采用光刻刻蝕工藝在所述硅基片的背面形成溝槽。步驟三、在形成有所述溝槽的所述硅基片的背面進行第一導電類型離子的垂直注入形成第一離子注入?yún)^(qū)。步驟四、在形成有所述第一離子注入?yún)^(qū)的所述硅基片的背面進行第一導電類型離子的多步傾斜注入形成第二離子注入?yún)^(qū)。步驟五、通過退火工藝對所述第一離子注入?yún)^(qū)和所述第二離子注入?yún)^(qū)進行激活和擴散,由所述第一離子注入?yún)^(qū)和所述第二離子注入?yún)^(qū)組成場阻斷層,所述溝槽將所述場阻斷層分割成位于各所述溝槽的底部的第一場阻斷層、和位于各相鄰所述溝槽間的第二場阻斷層。步驟六、在形成有所述場阻斷層的所述硅基片的背面淀積第二介質(zhì)膜,對所述第二介質(zhì)膜進行回刻,使所述第二介質(zhì)膜僅填充于所述溝槽中且僅填充于所述溝槽的部分深度中。步驟七、在形成有所述第二介質(zhì)膜的所述硅基片的背面進行第二導電類型離子的注入在所述第二場阻斷層的頂部形成所述IGBT器件的集電區(qū)。步驟八、將所述第二介質(zhì)膜去除。步驟九、在所述溝槽中淀積第一導電類型的多晶硅或外延層,所述多晶硅或外延層的厚度滿足將所述溝槽完全填充;所述多晶硅或外延層同時也形成于是所述溝槽外部的所述硅基片的背面表面、以及所述硅基片正面的所述第一介質(zhì)膜上。步驟十、將形成于所述硅基片正面的所述第一介質(zhì)膜上所述多晶硅或外延層去除。步驟十一、將位于所述溝槽頂部以及所述溝槽外部的所述硅基片的背面表面的所述多晶硅或外延層去除,使所述多晶硅或外延層僅完全填充于所述溝槽中,由填充于所述溝槽中的所述多晶硅或外延層組成所述快速恢復二極管的第一電極區(qū);之后,在所述硅基片的背面淀積第三介質(zhì)膜,該第三介質(zhì)膜將所述硅基片的背面保護好。進一步的改進是,步驟二形成所述溝槽后,在所述硅基片的背面表面具有厚度大于20埃的第四介質(zhì)膜。進一步的改進是,所述第一導電類型為N型,所述第二導電類型為P型。進一步的改進是,步驟三中所述第一離子注入?yún)^(qū)的垂直注入的N型離子為磷,注入能量為200KEV 3000KEV,注入劑量為IElICM-2 1E14CM-2。進一步的改進是,步驟四中所述第二離子注入?yún)^(qū)的多步傾斜注入的N型離子為磷或砷,多步傾斜注入的每步注入角度能分別取不同值,注入劑量為2E11CM_2 5E12CM_2。
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進一步的改進是,步驟五中退火工藝采用熱退火工藝,退火溫度為700°C 1250。。。進一步的改進是,步驟七中所述IGBT器件的集電區(qū)的P型離子注入的工藝條件為注入雜質(zhì)為硼,注入能量為30KEV 100KEV,注入劑量為3E14CM—2 5E15CM—2。進一步的改進是,步驟九中所述多晶硅或外延層的N型雜質(zhì)濃度為1E19CM_3 5E20CM'進一步的改進是,所述溝槽的深度為I微米 50微米,所述第一場阻斷層的厚度大于5微米,所述IGBT器件的集電區(qū)的厚度為O.1微米 2微米,所述溝槽的寬度和所述溝槽之間的間距的比值為1/50 1/2。進一步的改進是,步驟三中所述第一離子注入?yún)^(qū)的垂直注入的N型離子為硒或硫,步驟五中退火工藝采用熱退火工藝,退火溫度為700°C 900°C,時間為I小時 10小時。進一步的改進是,步驟五中退火工藝采用激光退火工藝。為解決上述技術(shù)問題,本發(fā)明提供一種逆導型IGBT半導體器件的制造方法,逆導型IGBT半導體器件集成有IGBT器件和快速恢復二極管,包括如下步驟步驟一、在第一導電類型的硅基片的正面淀積第一介質(zhì)膜,該第一介質(zhì)膜將所述硅基片的正面保護好,從背面對所述硅基片進行減薄。步驟二、采用光刻刻蝕工藝在所述硅基片的背面形成溝槽。步驟三、在形成有所述溝槽的所述硅基片的背面進行第一導電類型離子的垂直注入形成第一離子注入?yún)^(qū)。步驟四、在形成有所述第一離子注入?yún)^(qū)的所述硅基片的背面進行第一導電類型離子的多步傾斜注入形成第二離子注入?yún)^(qū)。步驟五、通過退火工藝對所述第一離子注入?yún)^(qū)和所述第二離子注入?yún)^(qū)進行激活和擴散,由所述第一離子注入?yún)^(qū)和所述第二離子注入?yún)^(qū)組成場阻斷層,所述溝槽將所述場阻斷層分割成位于各所述溝槽的底部的第一場阻斷層、和位于各相鄰所述溝槽間的第二場阻斷層。步驟六、在所述溝槽中淀積第一導電類型的多晶硅或外延層,所述多晶硅或外延層的厚度滿足將所述溝槽完全填充。步驟七、將位于所述溝槽頂部以及所述溝槽外部的所述硅基片的背面表面的所述多晶硅或外延層去除,使所述多晶硅或外延層僅完全填充于所述溝槽中,由填充于所述溝槽中的所述多晶硅或外延層組成所述快速恢復二極管的第一電極區(qū)。步驟八、在形成有所述第一電極區(qū)的所述硅基片的背面進行第二導電類型離子的注入在所述第二場阻斷層的頂部形成所述IGBT器件的集電區(qū)。進一步的改進是,步驟二形成所述溝槽后,在所述硅基片的背面表面具有厚度大于20埃的第四介質(zhì)膜,該第四介質(zhì)膜的最外層為一氮化娃膜。進一步的改進是,所述第一導電類型為N型,所述第二導電類型為P型。進一步的改進是,步驟三中所述第一離子注入?yún)^(qū)的垂直注入的N型離子為磷、硒或硫,注入能量為200KEV 3000KEV,注入劑量為IEllCiT2 1E14CIT2。
進一步的改進是,步驟四中所述第二離子注入?yún)^(qū)的多步傾斜注入的N型離子為磷、砷、硒或硫,多步傾斜注入的每步注入角度能分別取不同值,注入劑量為2E11CM—2 5E12CM'進一步的改進是,步驟五中退火工藝采用熱退火工藝,退火溫度為700°C 1250°C,時間為I小時 10小時。進一步的改進是,步驟六中所述多晶硅或外延層的N型雜質(zhì)濃度為1E19CM_3 5E20CM'進一步的改進是,步驟八中所述IGBT器件的集電區(qū)的P型離子注入的工藝條件為注入雜質(zhì)為硼,注入能量為30KEV 100KEV,注入劑量為3E14CM—2 5E15CM—2。進一步的改進是,所述溝槽的深度為I微米 50微米,所述第一場阻斷層的厚度大于5微米,所述IGBT器件的集電區(qū)的厚度為O.1微米 2微米,所述溝槽的寬度和所述溝槽之間的間距的比值為1/50 1/2。進一步的改進是,步驟五中退火工藝采用激光退火工藝。本發(fā)明通過應(yīng)用溝槽技術(shù),能夠采用垂直注入加多步傾斜注入的方式形成場阻斷層,得到一個三維結(jié)構(gòu)的場阻斷層,這樣能夠增加場阻斷層的深度。同時,本發(fā)明方法形成場阻斷層時,硅基片的正面受到保護,所以能夠采用高溫熱退火的工藝對場阻斷層進行激活,從而能提高場阻斷層的激活效率。本發(fā)明通過在溝槽中形成快速恢復二極管的第一電極區(qū),能夠?qū)崿F(xiàn)IGBT器件和快速恢復二極管的集成。
下面結(jié)合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明作進一步詳細的說明圖1是現(xiàn)有場阻斷型IGBT的結(jié)構(gòu)示意圖2是本發(fā)明實施例一逆導型IGBT半導體器件的結(jié)構(gòu)示意圖;圖3A-圖3D是本發(fā)明實施例一逆導型IGBT半導體器件的制造方法的各步驟中的器件結(jié)構(gòu)圖;圖4A是圖3D中沿D1D1’的雜質(zhì)分布示意圖;圖4B是圖3D中沿D2D2’的雜質(zhì)分布示意圖。
具體實施例方式如圖2所示,是本發(fā)明實施例一逆導型IGBT半導體器件的結(jié)構(gòu)示意圖。本發(fā)明實施例一逆導型IGBT半導體器件集成有IGBT器件和快速恢復二極管,本發(fā)明實施一的逆導型IGBT半導體器件集成的所述IGBT器件是以反向擊穿電壓為1200V、且漂移區(qū)為N型的場阻斷型IGBT器件為例進行說明,漂移區(qū)為N型的場阻斷型IGBT器件的第一導電類型為N型,第二導電類型為P型。對于所述IGBT器件是P型的場阻斷型IGBT器件時,各摻雜區(qū)域的類型正好相反,如第一導電類型為P型,第二導電類型為N型,而其它技術(shù)特征和N型的場阻斷型IGBT器件類似,本發(fā)明實施例中就不予詳細說明。本發(fā)明實施一的所述逆導型IGBT半導體器件包括一具有N型的場阻斷層3,形成于N型的硅基片I如區(qū)熔硅基片的背面,所述場阻斷層3的載流子濃度大于所述硅基片I的載流子濃度;所述場阻斷層3由垂直注入的第一離子注入?yún)^(qū)和傾 斜注入的第二離子注入?yún)^(qū)組成,所述第一離子注入?yún)^(qū)和所述第二離子注入?yún)^(qū)都經(jīng)過退火激活。所述第一離子注入?yún)^(qū)的雜質(zhì)為磷、砷、硒和硫四種雜質(zhì)中一個或多個的組合,所述第二離子注入?yún)^(qū)的雜質(zhì)為磷、砷、硒和硫四種雜質(zhì)中一個或多個的組合。溝槽,形成于所述硅基片I的背面,所述溝槽的深度小于所述場阻斷層3的厚度;所述溝槽將所述場阻斷層3分割成位于各所述溝槽的底部的第一場阻斷層、和位于各相鄰所述溝槽間的第二場阻斷層。所述溝槽的深度為I微米 50微米,較佳為,所述溝槽的深度為2微米 10微米。所述第一場阻斷層的厚度大于5微米。所述IGBT器件的集電區(qū)的厚度為O.1微米 2微米,較佳為,所述IGBT器件的集電區(qū)15的厚度為O. 5微米 2微米。所述溝槽的寬度和所述溝槽之間的間距的比值為1/50 1/2,較佳為,所述溝槽的寬度和所述溝槽之間的間距的比值為1/20 1/2。所述IGBT器件的集電區(qū)15由形成于所述第二場阻斷層的頂部的P型的離子注入?yún)^(qū)組成。所述快速恢復二極管的第一電極區(qū)由填充于所述溝槽中的N型的多晶硅或外延層16組成,在本發(fā)明實施例中第一電極區(qū)為N型區(qū)也即陰極區(qū)。所述多晶硅或外延層16的N型雜質(zhì)濃度為1E19CIT3 5E20CM'一背面金屬14,分別和所述IGBT器件的集電區(qū)15以及所述快速恢復二極管的第一電極區(qū)相連接并作為所述IGBT器件的集電區(qū)15和所述快速恢復二極管的第一電極區(qū)的連接電極。本發(fā)明實施一的所述逆導型IGBT半導體器件還包括如下正面工藝結(jié)構(gòu)在所述硅基片I中形成有P阱7、在P阱7中形成有N+源8,柵氧5、多晶硅柵6,所述多晶硅6覆蓋部分所述P阱7、并在覆蓋處形成溝道區(qū),溝道區(qū)連接所述N+源8和所述硅基片I ;P+接觸注入11,和所述P阱7連接并用于引出所述P阱7,接觸孔10,以及表面金屬12。如圖2所示,其中截面A到截面B之間的所述硅基片I的區(qū)域中形成有所述P阱7,截面A到截面BI之間范圍內(nèi)的所述硅基片I中形成器件的漂移區(qū);截面BI到截面B3之間的區(qū)域為所述場阻斷層3,其中位于截面BI到截面B2之間的所述場阻斷層3為所述第一場阻斷層,位于截面B2到截面B3之間的所述場阻斷層3為所述第二場阻斷層,所述第一場阻斷層的厚度dl大于5微米;所述IGBT器件的集電區(qū)15形成于截面B3到截面C之間;所述溝槽形成于截面B2到截面C之間,所述溝槽的深度d2為2微米 10微米。在本發(fā)明實施例一中,所述快速恢復二極管的PIN結(jié)構(gòu)為所述快速恢復二極管的第二電極區(qū)為P型區(qū)且是由所述P阱7組成,所述P阱7和第一電極區(qū)即所述多晶硅或外延層16之間的所述硅基片I組成所述快速恢復二極管的I型區(qū)。由上可知,本發(fā)明實施例一通過應(yīng)用溝槽技術(shù),不僅能夠增加場阻斷層的深度以及激活效率,還能夠?qū)崿F(xiàn)IGBT器件和快速恢復二極管的集成。如圖3A至圖3D所示,是本發(fā)明實施例一逆導型IGBT半導體器件的制造方法的各步驟中的器件結(jié)構(gòu)圖。本發(fā)明實施例一逆導型IGBT半導體器件的制造方法,包括如下步驟步驟一、如圖3A所示,首先提供一雜質(zhì)濃度Cl = 2. 4E13CM'電阻率為90歐姆.厘米的N型的硅基片1,所述硅基片I的厚度700微米以上。在所述硅基片I的正面淀積第一介質(zhì)膜,將所述硅基片I的正面保護好。本發(fā)明實施例一中所述第一介質(zhì)膜為氧化膜,厚度為5000埃 20000埃。 從背面對所述N型硅片I進行減薄,將所述硅片I減薄到需要的500微米至550微米厚度。圖3A中,截面A所示出的平面為所述硅片I的正面一側(cè);截面C所示的平面位于所述硅片I的背面一側(cè),所述硅片I減薄后的背面表面位于所述截面C處。步驟二、如圖3A所示,采用光刻刻蝕工藝在所述硅基片I的背面形成溝槽。形成所述溝槽后,在所述硅基片I的背面表面具有厚度大于20埃的第四介質(zhì)膜;或者,形成所述溝槽后,在所述硅基片I的背面表面沒有介質(zhì)膜。所述溝槽形成于截面B2到截面C之間,所述溝槽的深度c為I微米 50微米,較佳為2微米 10微米;所述溝槽的寬度a和所述溝槽之間的間距b的比值為1/50 1/2,較佳為1/20 1/2。步驟三、如圖3A所示,在形成有所述溝槽的所述硅基片I的背面進行N型離子的垂直注入形成第一離子注入?yún)^(qū)。所述第一離子注入?yún)^(qū)的垂直注入的N型離子為磷,注入能量為 200KEV 3000KEV,注入劑量為 IElICM-2 1E14CM-2。步驟四、如圖3A所示,在形成有所述第一離子注入?yún)^(qū)的所述硅基片I的背面進行N型離子的多步傾斜注入形成第二離子注入?yún)^(qū)。所述第二離子注入?yún)^(qū)的多步傾斜注入的N型離子為磷或砷,多步傾斜注入的每步注入角度能分別取不同值,更優(yōu)選擇為,多步傾斜注入的角度為10度和45度的組合,注入劑量為2E11CM—2 5E12CM—2。步驟五、如圖3A所示,通過退火工藝對所述第一離子注入?yún)^(qū)和所述第二離子注入?yún)^(qū)進行激活和擴散,由所述第一離子注入?yún)^(qū)和所述第二離子注入?yún)^(qū)組成場阻斷層3。本步驟中所述退火工藝采用熱退火工藝,退火溫度為700°C 1250°C,更優(yōu)為1100°C 1250°C;退火時間為2小時 10小時。在另一實施例中,本步驟中所述退火工藝也能采用激光退火工藝。所述場阻斷層3形成于截面BI到截面C之間的厚度d的所述硅基片I區(qū)域中,所述溝槽將所述場阻斷層3分割成位于各所述溝槽的底部的第一場阻斷層、和位于各相鄰所述溝槽間的第二場阻斷層。所述第一場阻斷層位于截面BI到截面B2之間,所述第一場阻斷層的厚度大于5微米。步驟六、如圖3B所示,在形成有所述場阻斷層3的所述硅基片I的背面淀積第二介質(zhì)膜4,所述第二介質(zhì)膜4進行回刻,使所述第二介質(zhì)膜4僅填充于所述溝槽中且僅填充于所述溝槽的部分深度中。步驟七、如圖3C所示,在形成有所述第二介質(zhì)膜4的所述硅基片I的背面進行P型離子的注入在所述第二場阻斷層的頂部形成所述IGBT器件的集電區(qū)15。所述IGBT器件的集電區(qū)15的P型離子注入的工藝條件為注入雜質(zhì)為硼,注入能量為30KEV 100KEV,注入劑量為3E14CM—2 5E15CM—2。所述IGBT器件的集電區(qū)15的厚度為O.1微米 2微米,較佳為O. 5微米 2微米。 步驟八、如圖3D所示,將所述第二介質(zhì)膜4去除。步驟九、如圖3D所示,在所述溝槽中淀積N型的多晶硅或外延層16,所述多晶硅或外延層16的厚度滿足將所述溝槽完全填充;所述多晶硅或外延層16同時也形成于是所述溝槽外部的所述硅基片I的背面表面、以及所述硅基片I正面的所述第一介質(zhì)膜上。所述多晶硅或外延層16的N型雜質(zhì)濃度為1E19CM—3 5E20CM—3。步驟十、如圖3D所示,將形成于所述硅基片I正面的所述第一介質(zhì)膜上所述多晶硅或外延層16去除。步驟十一、如圖3D所示,將位于所述溝槽頂部以及所述溝槽外部的所述硅基片I的背面表面的所述多晶硅或外延層16去除,使所述多晶硅或外延層16僅完全填充于所述溝槽中,由填充于所述溝槽中的所述多晶硅或外延層16組成所述快速恢復二極管的第一電極區(qū),該第一電極區(qū)為N型區(qū)也即陰極區(qū)。之后,在所述硅基片I的背面淀積第三介質(zhì)膜,該第三介質(zhì)膜將所述硅基片I的背面保護好。步驟十二、如圖3D所示,將所述硅基片I的正面的所述第一介質(zhì)膜去除。如圖4A所示,是圖3D中沿D1D1’的雜質(zhì)分布示意圖;圖4B是圖3D中沿D2D2’的雜質(zhì)分布示意圖。上述步驟一至十二都是形成本發(fā)明實施例一逆導型IGBT半導體器件所采用的背面工藝,要形成完整的逆導型IGBT半導體器件還行要結(jié)合正面工藝。本發(fā)明實施例一中正面工藝放置于步驟十二之后,對于本發(fā)明實施例一的逆導型IGBT半導體器件的正面工藝,可以利用類似于VDMOS的已熟知的工藝流程完成,如圖2所示,正面工藝包括位于所述硅基片I上端的柵氧5和多晶硅電極6的形成,P阱7、N+源8的形成,包覆所述多晶硅電極6的層間介質(zhì)膜9、接觸孔10的形成,P+接觸注入層11的形成,源金屬電極12的形成和所述多晶硅電極6的金屬電極的形成(未圖示),背面金屬14的形成。在所述P阱7和所述場阻斷層3之間的所述硅基片I組成器件的N型漂移區(qū)。本發(fā)明實施例二逆導型IGBT半導體器件的制造方法中的正面工藝和背面工藝實現(xiàn)了更多的集成,本發(fā)明實施例二也可以參考圖3A至圖3D,本發(fā)明實施例二具有工藝步驟包括如下步驟步驟一、如圖3A所示,首先提供一雜質(zhì)濃度Cl = 2. 4E13CM'電阻率為90歐姆.厘米的N型的硅基片1,所述硅基片I的厚度700微米以上。利用類似于VDMOS的已熟知的工藝流程完成如下正面工藝位于所述硅基片I上端的柵氧5和多晶硅電極6的形成,P阱7、N+源8的形成;其中所述硅基片I的正面也能先形成一 N-外延層,之后再形成柵氧5以及后續(xù)的各正面工藝。之后,在所述硅基片I的正面淀積第一介質(zhì)膜,將所述硅基片I的正面保護好。本發(fā)明實施例一中所述第一介質(zhì)膜為氧化膜,厚度為5000埃 20000埃。從背面對所述N型硅片I進行減薄,將所述硅片I減薄到需要的500微米至550微米厚度。圖3A中,截面A所示出的平面為所述硅片I的正面一側(cè);截面C所示的平面位于所述硅片I的背面一側(cè),所述硅片I減薄后的背面表面位于所述截面C處。步驟二、如圖3A所示,采用光刻刻蝕工藝在所述硅基片I的背面形成溝槽。形成所述溝槽后,在所述硅基片I的背面表面具有厚度大于20埃的第四介質(zhì)膜;或者,形成所述溝槽后,在所述硅基片I的背面表面沒有介質(zhì)膜。所述溝槽形成于截面B2到截面C之間,所述溝槽的深度c為I微米 50微米,較佳為2微米 10微米;所述溝槽的寬度a和所述溝槽之間的間距b的比值為1/50 1/2,較佳為1/20 1/2。步驟三、如圖3A所示,在形成有所述溝槽的所述硅基片I的背面進行N型離子的垂直注入形成第一離子注入?yún)^(qū)。所述第一離子注入?yún)^(qū)的垂直注入的N型離子為硒或硫,該N型離子也能為其它高擴散系數(shù)離子,注入能量為200KEV 3000KEV,注入劑量為IEl 1CM_2 1E14CM'步驟四、如圖3A所示,在形成有所述第一離子注入?yún)^(qū)的所述硅基片I的背面進行N型離子的多步傾斜注入形成第二離子注入?yún)^(qū)。所述第二離子注入?yún)^(qū)的多步傾斜注入的N型離子為硒或硫,該N型離子也能為其它高擴散系數(shù)離子,多步傾斜注入的每步注入角度能分別取不同值,更優(yōu)選擇為,多步傾斜注入的角度為10度和45度的組合,注入劑量為2EI ICiT2 5E12CM'步驟五、如圖3A所示, 通過退火工藝對所述第一離子注入?yún)^(qū)和所述第二離子注入?yún)^(qū)進行激活和擴散,由所述第一離子注入?yún)^(qū)和所述第二離子注入?yún)^(qū)組成場阻斷層3。本步驟中所述退火工藝采用熱退火工藝,退火溫度為700°C 900°C,時間為I小時 10小時。其中,所述溝槽之間的間距b還要小于所述第一離子注入?yún)^(qū)和所述第二離子注入?yún)^(qū)的擴散尺寸的兩倍。所述場阻斷層3形成于截面BI到截面C之間的厚度d的所述硅基片I區(qū)域中,所述溝槽將所述場阻斷層3分割成位于各所述溝槽的底部的第一場阻斷層、和位于各相鄰所述溝槽間的第二場阻斷層。所述第一場阻斷層位于截面BI到截面B2之間,所述第一場阻斷層的厚度大于5微米。步驟六、如圖3B所示,在形成有所述場阻斷層3的所述硅基片I的背面淀積第二介質(zhì)膜4,所述第二介質(zhì)膜4進行回刻,使所述第二介質(zhì)膜4僅填充于所述溝槽中且僅填充于所述溝槽的部分深度中。步驟七、如圖3C所示,在形成有所述第二介質(zhì)膜4的所述硅基片I的背面進行P型離子的注入在所述第二場阻斷層的頂部形成所述IGBT器件的集電區(qū)15。所述IGBT器件的集電區(qū)15的P型離子注入的工藝條件為注入雜質(zhì)為硼,注入能量為30KEV 100KEV,注入劑量為3E14CM—2 5E15CM—2。所述IGBT器件的集電區(qū)15的厚度為O.1微米 2微米,較佳為O. 5微米 2微米。步驟八、如圖3D所示,將所述第二介質(zhì)膜4去除。
步驟九、如圖3D所示,在所述溝槽中淀積N型的多晶硅或外延層16,所述多晶硅或外延層16的厚度滿足將所述溝槽完全填充;所述多晶硅或外延層16同時也形成于是所述溝槽外部的所述硅基片I的背面表面、以及所述硅基片I正面的所述第一介質(zhì)膜上。所述多晶硅或外延層16的N型雜質(zhì)濃度為1E19CM—3 5E20CM—3。步驟十、如圖3D所示,將形成于所述硅基片I正面的所述第一介質(zhì)膜上所述多晶硅或外延層16去除。步驟十一、如圖3D所示,將位于所述溝槽頂部以及所述溝槽外部的所述硅基片I的背面表面的所述多晶硅或外延層16去除,使所述多晶硅或外延層16僅完全填充于所述溝槽中,由填充于所述溝槽中的所述多晶硅或外延層16組成所述快速恢復二極管的第一電極區(qū),該第一電極區(qū)為N型區(qū)也即陰極區(qū)。之后,在所述硅基片I的背面淀積第三介質(zhì)膜,該第三介質(zhì)膜將所述硅基片I的背面保護好。步驟十二、如圖3D所示,將所述硅基片I的正面的所述第一介質(zhì)膜去除。之后,將所述硅基片I反轉(zhuǎn)過來,繼續(xù)完成如下正面工藝包覆所述多晶硅電極6的層間介質(zhì)膜9、接觸孔10的形成,P+接觸注入層11的形成,源金屬電極12的形成和所述多晶硅電極6的金屬電極的形成(未圖示),背面金屬14的形成。在所述P阱7和所述場阻斷層3之間的所述硅基片I組成器件的N型漂移區(qū)。本發(fā)明實施例三逆導型IGBT半導體器件的制造方法能夠進一步減少工藝的復雜性,本發(fā)明實施例三可以參考圖2所示,本發(fā)明實施例三具有工藝步驟包括如下步驟步驟一、首先提供一雜質(zhì)濃度Cl = 2. 4E13CM'電阻率為90歐姆.厘米的N型的硅基片1,所述硅基片I的厚度700微米以上。在所述硅基片I的正面淀積第一介質(zhì)膜,將所述硅基片I的正面保護好。本發(fā)明實施例一中所述第一介質(zhì)膜為氧化膜,厚度為5000埃 20000 埃。 從背面對所述N型硅基片I進行減薄,將所述硅基片I減薄到需要的500微米至550微米厚度。圖2中,截面A所示出的平面為所述硅基片I的正面一側(cè);截面C所示的平面位于所述硅基片I的背面一側(cè),所述硅基片I減薄后的背面表面位于所述截面C處。步驟二、采用光刻刻蝕工藝在所述硅基片I的背面形成溝槽。形成所述溝槽后,在所述硅基片I的背面表面具有厚度大于50埃的第四介質(zhì)膜,該第四介質(zhì)膜的最外層為一氮化硅膜;或者,形成所述溝槽后,在所述硅基片I的背面表面沒有介質(zhì)膜。所述溝槽形成于截面B2到截面C之間,所述溝槽的深度c為I微米 50微米,較佳為2微米 10微米;所述溝槽的寬度a和所述溝槽之間的間距b的比值為1/50 1/2,較佳為1/20 1/2。步驟三、在形成有所述溝槽的所述硅基片I的背面進行N型離子的垂直注入形成第一離子注入?yún)^(qū)。所述第一離子注入?yún)^(qū)的垂直注入的N型離子為磷,注入能量為200KEV 3000KEV,注入劑量為 IElICM-2 1E14CM'步驟四、在形成有所述第一離子注入?yún)^(qū)的所述硅基片I的背面進行N型離子的多步傾斜注入形成第二離子注入?yún)^(qū)。所述第二離子注入?yún)^(qū)的多步傾斜注入的N型離子為磷或砷,多步傾斜注入的角度為10度和45度的組合,注入劑量為2E11CM—2 5E12CM—2。步驟五、通過退火工藝對所述第一離子注入?yún)^(qū)和所述第二離子注入?yún)^(qū)進行激活和擴散,由所述第一離子注入?yún)^(qū)和所述第二離子注入?yún)^(qū)組成場阻斷層3。本步驟中所述退火工藝采用熱退火工藝,退火溫度為900°C 1250°C,時間為2小時 10小時。
所述場阻斷層3形成于截面BI到截面C之間的厚度d的所述硅基片I區(qū)域中,所述溝槽將所述場阻斷層3分割成位于各所述溝槽的底部的第一場阻斷層、和位于各相鄰所述溝槽間的第二場阻斷層。所述第一場阻斷層位于截面BI到截面B2之間,所述第一場阻斷層的厚度大于5微米。步驟六、將所述硅基片I反轉(zhuǎn)過來,并將所述第一介質(zhì)膜去除。利用類似于VDMOS的已熟知的工藝流程完成如下正面工藝位于所述硅基片I上端的柵氧5的形成。形成柵氧5的同時也會在所述硅基片I的背面形成氧化膜。在柵氧5形成之后,還需要利用背面刻蝕工藝把形成所述溝槽中的氧化膜去除。進行N型多晶硅淀積,該多晶硅在所述硅基片I的正面形成器件的多晶硅電極6,在背面的所述溝槽中形成的為多晶硅或外延層16,所述多晶硅或外延層16的厚度滿足將所述溝槽完全填充。所述多晶硅或外延層16的N型雜質(zhì)濃度為1E19CM_3 5E20CM_3。步驟七、將位于所述溝槽頂部以及所述溝槽外部的所述硅基片I的背面表面的所述多晶硅或外延層16去除,使所述多晶硅或外延層16僅完全填充于所述溝槽中,由填充于所述溝槽中的所述多晶硅或外延層16組成所述快速恢復二極管的第一電極區(qū)。將所述硅基片I反轉(zhuǎn)過來,利用類似于VDMOS的已熟知的工藝流程完成如下正面工藝P阱7、N+源8的形成,包覆所述多晶硅電極6的層間介質(zhì)膜9、接觸孔10的形成,P+接觸注入層11的形成,源金 屬電極12的形成和所述多晶硅電極6的金屬電極的形成(未圖示)。步驟八、在形成有所述第一電極區(qū)和上述正面工藝后的所述硅基片I的背面進行P型離子的注入在所述第二場阻斷層的頂部形成所述IGBT器件的集電區(qū)15,所述IGBT器件的集電區(qū)15的厚度為O. 5微米 2微米。所述IGBT器件的集電區(qū)15的P型離子注入的工藝條件為注入雜質(zhì)為硼,注入能量為30KEV 100KEV,注入劑量為3E14CM—2 5E15CM—2。所述IGBT器件的集電區(qū)15的硼離子的體濃度要小于所述溝槽中的所述多晶硅或外延層16的N型雜質(zhì)濃度的1/5。最后,再形成背面金屬14。以上通過具體實施例對本發(fā)明進行了詳細的說明,但這些并非構(gòu)成對本發(fā)明的限制。在不脫離本發(fā)明原理的情況下,本領(lǐng)域的技術(shù)人員還可做出許多變形和改進,這些也應(yīng)視為本發(fā)明的保護范圍。
權(quán)利要求
1.一種逆導型IGBT半導體器件,逆導型IGBT半導體器件集成有IGBT器件和快速恢復二極管,其特征在于,所述逆導型IGBT半導體器件包括 一具有第一導電類型的場阻斷層,形成于第一導電類型的硅基片的背面,所述場阻斷層的載流子濃度大于所述硅基片的載流子濃度;所述場阻斷層由垂直注入的第一離子注入?yún)^(qū)和傾斜注入的第二離子注入?yún)^(qū)組成,所述第一離子注入?yún)^(qū)和所述第二離子注入?yún)^(qū)都經(jīng)過退火激活; 溝槽,形成于所述硅基片的背面,所述溝槽的深度小于所述場阻斷層的厚度;所述溝槽將所述場阻斷層分割成位于各所述溝槽的底部的第一場阻斷層、和位于各相鄰所述溝槽間的第二場阻斷層; 所述IGBT器件的集電區(qū)由形成于所述第二場阻斷層的頂部的第二導電類型的離子注入?yún)^(qū)組成; 所述快速恢復二極管的第一電極區(qū)由填充于所述溝槽中的第一導電類型的多晶硅或外延層組成; 一背面金屬,分別和所述IGBT器件的集電區(qū)以及所述快速恢復二極管的第一電極區(qū)相連接并作為所述IGBT器件的集電區(qū)和所述快速恢復二極管的第一電極區(qū)的連接電極。
2.如權(quán)利要求1所述的逆導型IGBT半導體器件,其特征在于所述第一導電類型為N型,第二導電類型為P型;所述第一離子注入?yún)^(qū)的雜質(zhì)為磷、砷、硒和硫四種雜質(zhì)中一個或多個的組合,所述第二離子注入?yún)^(qū)的雜質(zhì)為磷、砷、硒和硫四種雜質(zhì)中一個或多個的組合。
3.如權(quán)利要求1或2所述的逆導型IGBT半導體器件,其特征在于所述溝槽的深度為I微米 50微米,所述IGBT器件的集電區(qū)的厚度為O.1微米 2微米,所述溝槽的寬度和所述溝槽之間的間距的比值為1/50 1/2。
4.一種逆導型IGBT半導體器件的制造方法,逆導型IGBT半導體器件集成有IGBT器件和快速恢復二極管,其特征在于,包括如下步驟 步驟一、在第一導電類型的硅基片的正面淀積第一介質(zhì)膜,該第一介質(zhì)膜將所述硅基片的正面保護好,從背面對所述硅基片進行減?。? 步驟二、采用光刻刻蝕工藝在所述硅基片的背面形成溝槽; 步驟三、在形成有所述溝槽的所述硅基片的背面進行第一導電類型離子的垂直注入形成第一離子注入?yún)^(qū); 步驟四、在形成有所述第一離子注入?yún)^(qū)的所述硅基片的背面進行第一導電類型離子的多步傾斜注入形成第二離子注入?yún)^(qū); 步驟五、通過退火工藝對所述第一離子注入?yún)^(qū)和所述第二離子注入?yún)^(qū)進行激活和擴散,由所述第一離子注入?yún)^(qū)和所述第二離子注入?yún)^(qū)組成場阻斷層,所述溝槽將所述場阻斷層分割成位于各所述溝槽的底部的第一場阻斷層、和位于各相鄰所述溝槽間的第二場阻斷層; 步驟六、在形成有所述場阻斷層的所述硅基片的背面淀積第二介質(zhì)膜,對所述第二介質(zhì)膜進行回刻,使所述第二介質(zhì)膜僅填充于所述溝槽中且僅填充于所述溝槽的部分深度中; 步驟七、在形成有所述第二介質(zhì)膜的所述硅基片的背面進行第二導電類型離子的注入在所述第二場阻斷層的頂部形成所述IGBT器件的集電區(qū);步驟八、將所述第二介質(zhì)膜去除; 步驟九、在所述溝槽中淀積第一導電類型的多晶硅或外延層,所述多晶硅或外延層的厚度滿足將所述溝槽完全填充;所述多晶硅或外延層同時也形成于是所述溝槽外部的所述硅基片的背面表面、以及所述硅基片正面的所述第一介質(zhì)膜上; 步驟十、將形成于所述硅基片正面的所述第一介質(zhì)膜上所述多晶硅或外延層去除; 步驟十一、將位于所述溝槽頂部以及所述溝槽外部的所述硅基片的背面表面的所述多晶硅或外延層去除,使所述多晶硅或外延層僅完全填充于所述溝槽中,由填充于所述溝槽中的所述多晶硅或外延層組成所述快速恢復二極管的第一電極區(qū);之后,在所述硅基片的背面淀積第三介質(zhì)膜,該第三介質(zhì)膜將所述硅基片的背面保護好。
5.如權(quán)利要求4所述的逆導型IGBT半導體器件的制造方法,其特征在于步驟二形成所述溝槽后,在所述硅基片的背面表面具有厚度大于20埃的第四介質(zhì)膜。
6.如權(quán)利要求4所述的逆導型IGBT半導體器件的制造方法,其特征在于所述第一導電類型為N型,所述第二導電類型為P型。
7.如權(quán)利要求6所述的逆導型IGBT半導體器件的制造方法,其特征在于步驟三中所述第一離子注入?yún)^(qū)的垂直注入的N型離子為磷,注入能量為200KEV 3000KEV,注入劑量為1E11CM_2 1E14CM_2。
8.如權(quán)利要求6所述的逆導型IGBT半導體器件的制造方法,其特征在于步驟四中所述第二離子注入?yún)^(qū)的多步傾斜注入的N型離子為磷或砷,多步傾斜注入的每步注入角度能分別取不同值,注入劑量為2E1 ICif2 5E12CM—2。
9.如權(quán)利要求4或6所述的逆導型IGBT半導體器件的制造方法,其特征在于步驟五中退火工藝采用熱退火工藝,退火溫度為700°C 1250°C。
10.如權(quán)利要求6所述的逆導型IGBT半導體器件的制造方法,其特征在于步驟七中所述IGBT器件的集電區(qū)的P型離子注入的工藝條件為注入雜質(zhì)為硼,注入能量為30KEV 100KEV,注入劑量為 3E14CM-2 5E15CM'
11.如權(quán)利要求6所述的逆導型IGBT半導體器件的制造方法,其特征在于步驟九中所述多晶硅或外延層的N型雜質(zhì)濃度為1E19CM_3 5E20CM_3。
12.如權(quán)利要求4或6所述的逆導型IGBT半導體器件的制造方法,其特征在于所述溝槽的深度為I微米 50微米,所述第一場阻斷層的厚度大于5微米,所述IGBT器件的集電區(qū)的厚度為O.1微米 2微米,所述溝槽的寬度和所述溝槽之間的間距的比值為1/50 1/2。
13.如權(quán)利要求6所述的逆導型IGBT半導體器件的制造方法,其特征在于步驟三中所述第一離子注入?yún)^(qū)的垂直注入的N型離子為硒或硫,步驟五中退火工藝采用熱退火工藝,退火溫度為700°C 900°C,時間為I小時 10小時。
14.如權(quán)利要求4或6所述的逆導型IGBT半導體器件的制造方法,其特征在于步驟五中退火工藝采用激光退火工藝。
15.—種逆導型IGBT半導體器件的制造方法,逆導型IGBT半導體器件集成有IGBT器件和快速恢復二極管,其特征在于,包括如下步驟 步驟一、在第一導電類型的硅基片的正面淀積第一介質(zhì)膜,該第一介質(zhì)膜將所述硅基片的正面保護好,從背面對所述硅基片進行減??;步驟二、采用光刻刻蝕工藝在所述硅基片的背面形成溝槽; 步驟三、在形成有所述溝槽的所述硅基片的背面進行第一導電類型離子的垂直注入形成第一離子注入?yún)^(qū); 步驟四、在形成有所述第一離子注入?yún)^(qū)的所述硅基片的背面進行第一導電類型離子的多步傾斜注入形成第二離子注入?yún)^(qū); 步驟五、通過退火工藝對所述第一離子注入?yún)^(qū)和所述第二離子注入?yún)^(qū)進行激活和擴散,由所述第一離子注入?yún)^(qū)和所述第二離子注入?yún)^(qū)組成場阻斷層,所述溝槽將所述場阻斷層分割成位于各所述溝槽的底部的第一場阻斷層、和位于各相鄰所述溝槽間的第二場阻斷層; 步驟六、在所述溝槽中淀積第一導電類型的多晶硅或外延層,所述多晶硅或外延層的厚度滿足將所述溝槽完全填充; 步驟七、將位于所述溝槽頂部以及所述溝槽外部的所述硅基片的背面表面的所述多晶硅或外延層去除,使所述多晶硅或外延層僅完全填充于所述溝槽中,由填充于所述溝槽中的所述多晶硅或外延層組成所述快速恢復二極管的第一電極區(qū); 步驟八、在形成有所述第一電極區(qū)的所述硅基片的背面進行第二導電類型離子的注入在所述第二場阻斷層的頂部形成所述IGBT器件的集電區(qū)。
16.如權(quán)利要求15所述的逆導型IGBT半導體器件的制造方法,其特征在于步驟二形成所述溝槽后,在所述硅基片的背面表面具有厚度大于20埃的第四介質(zhì)膜,該第四介質(zhì)膜的最外層為一氮化娃膜。
17.如權(quán)利要求15所述的逆導型IGBT半導體器件的制造方法,其特征在于所述第一導電類型為N型,所述第二導電類型為P型。
18.如權(quán)利要求17所述的逆導型IGBT半導體器件的制造方法,其特征在于步驟三中所述第一離子注入?yún)^(qū)的垂直注入的N型離子為磷、硒或硫,注入能量為200KEV 3000KEV,注入劑量為IEllCif2 1E14CM'
19.如權(quán)利要求17所述的逆導型IGBT半導體器件的制造方法,其特征在于步驟四中所述第二離子注入?yún)^(qū)的多步傾斜注入的N型離子為磷、砷、硒或硫,多步傾斜注入的每步注入角度能分別取不同值,注入劑量為2E1 ICif2 5E12CM—2。
20.如權(quán)利要求15或17所述的逆導型IGBT半導體器件的制造方法,其特征在于步驟五中退火工藝采用熱退火工藝,退火溫度為700°C 1250°C,時間為I小時 10小時。
21.如權(quán)利要求17所述的逆導型IGBT半導體器件的制造方法,其特征在于步驟六中所述多晶硅或外延層的N型雜質(zhì)濃度為1E19CM_3 5E20CM_3。
22.如權(quán)利要求17所述的逆導型IGBT半導體器件的制造方法,其特征在于步驟八中所述IGBT器件的集電區(qū)的P型離子注入的工藝條件為注入雜質(zhì)為硼,注入能量為30KEV 100KEV,注入劑量為 3E14C2 5E15CM'
23.如權(quán)利要求15所述的逆導型IGBT半導體器件的制造方法,其特征在于所述溝槽的深度為I微米 50微米,所述第一場阻斷層的厚度大于5微米,所述IGBT器件的集電區(qū)的厚度為O.1微米 2微米,所述溝槽的寬度和所述溝槽之間的間距的比值為1/50 1/2。
24.如權(quán)利要求15或17所述的逆導型IGBT半導體器件的制造方法,其特征在于步驟五中退火工藝采用激光退火工藝。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種逆導型IGBT半導體器件,在硅基片的背面形成有溝槽,該溝槽將場阻斷層分割層一個三維結(jié)構(gòu),這樣不僅能夠增加場阻斷層的深度,還能提高場阻斷層的激活效率。在溝槽中形成有快速恢復二極管的第一電極區(qū),從而能夠?qū)崿F(xiàn)IGBT器件和快速恢復二極管的集成。本發(fā)明還公開了一種逆導型IGBT半導體器件的制造方法。
文檔編號H01L21/265GK103035691SQ20121006406
公開日2013年4月10日 申請日期2012年3月12日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月12日
發(fā)明者肖勝安 申請人:上海華虹Nec電子有限公司