一種fs-igbt器件陽極的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及半導體技術，具體的說是涉及一種FS-IGBT器件陽極的制造方法。本發(fā)明的一種FS-IGBT器件陽極的制造方法，主要步驟為：對硅片1背面進行減薄處理；清洗硅片1背面并注入N型雜質(zhì)，高溫推結(jié)形成場阻止層2和表面犧牲層3；翻轉(zhuǎn)硅片1完成正面制作工序；去掉硅片1背面的表面犧牲層3；清洗硅片1背面并注入P型雜質(zhì)，退火形成P型集電極區(qū)10；背面金屬11積淀。本發(fā)明的有益效果為，在不破壞FS層雜質(zhì)分布前提下，能有效去除背部表面沾污、缺陷，并且實現(xiàn)方式簡便、容易控制。本發(fā)明尤其適用于FS-IGBT器件陽極的制造。
【專利說明】—種FS-1GBT器件陽極的制造方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及半導體技術，具體的說是涉及一種FS-1GBT器件陽極的制造方法。
【背景技術】
[0002]IGBT絕緣柵雙極型晶體管，是由BJT (雙極型三極管)和MOS (絕緣柵型場效應管)組成的復合全控型電壓驅(qū)動式功率半導體器件，兼有MOSFET的高輸入阻抗和BJT的低導通壓降兩方面的優(yōu)點。自1978年形成IGBT概念以來，IGBT在國際上發(fā)展已經(jīng)相當成熟，經(jīng)由最初的第一代平面穿通IGBT，已經(jīng)發(fā)展到第六代FS-Trench型IGBT。FS-1GBT由于背面引入的場截止FS層使得電場類似梯形分布，縮短了硅片厚度，大大降低了損耗，同時兼?zhèn)湔臏囟认禂?shù)、結(jié)實耐用、成本低等一系列優(yōu)點而被廣泛應用。在早期的PT型IGBT結(jié)構(gòu)中，緩沖層的濃度相對較高，除了使得電場截止外，還有一項作用是減小陽極空穴的注入效率，犧牲部分靜態(tài)損耗來換取器件動態(tài)損耗的降低。而在FS型IGBT中FS層作用只是使電場截止呈梯形分布，濃度相對較低，陽極空穴的注入效率更高、正向壓降更低，理想的FS層濃度典型值大概在IO15-1O16量級，厚度大概在5-10um，動態(tài)損耗則會采用其它技術如局部少子壽命技術來加以控制。
[0003]一種常規(guī)的FS-1GBT器件制造方法如下:在正面工序完成之后，翻轉(zhuǎn)硅片進行減薄和二次注入/退火、背金，第一次注入N型雜質(zhì)用來形成FS場截止層，第二次注入P型雜質(zhì)用來形成P型集電區(qū)。這種方法的不足在于背部退火溫度需低于450°C保證正面金屬不被熔化，使FS層雜質(zhì)激活率很低，改進方法是利用激光退火、RTA代替低溫爐管退火提高FS層雜質(zhì)激活率，但激活率仍然偏低且激活深度有限。隨著工藝能力的進步，研究者提出了另一種FS-1GBT器件制造方法:先進行減薄、背面N型雜質(zhì)注入，再翻轉(zhuǎn)到正面完成正面工序，接著再翻轉(zhuǎn)到背面完成P型集電區(qū)的制作，利用正面熱過程能有效激活FS層雜質(zhì)。實際工藝中該方法的一個不足之處在于做正面工序時，背面已經(jīng)形成的FS層表面容易產(chǎn)生沾污和缺陷，即使在背面加上一層淀積保護層，在硅片轉(zhuǎn)移、做背面淀積保護層和去除背面淀積保護層的過程中，也很容易引入沾污和缺陷，這些FS層表面的沾污和缺陷會影響器件性能，常規(guī)清洗去除該沾污和缺陷層會消耗掉一部分FS層的硅，一般FS層很薄只有5-lOum，這種消耗很有可能就使得電場穿通、耐壓降低，影響器件性能。針對現(xiàn)有技術的不足，本發(fā)明的目的是提供一種簡便高效的FS-1GBT器件陽極制備方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明所要解決的，就是針對實際工藝中，F(xiàn)S層表面處容易產(chǎn)生沾污、缺陷，而常規(guī)清洗方法容易破壞本來就很薄的FS層，使器件耐壓降低的問題，提出一種FS-1GBT器件陽極的制造方法。
[0005]本發(fā)明解決上述技術問題所采用的技術方案是:一種FS-1GBT器件陽極的制造方法，其特征在于，包括以下步驟:
[0006]a.在硅片I背面注入N型雜質(zhì)高溫推結(jié)，形成具有濃度梯度的摻雜層，表面較高摻雜濃度的為表面犧牲層3，位于表面犧牲層3和硅片I之間較低摻雜濃度的為場阻止層2 ；
[0007]b.翻轉(zhuǎn)硅片I完成正面制作工序；
[0008]c.去掉娃片I背面的表面犧牲層3 ；
[0009]d.清洗硅片I背面并注入P型雜質(zhì)，退火形成P型集電極區(qū)10 ；
[0010]e.背面金屬11積淀。[0011]本發(fā)明總的技術方案，主要是在背面第一次注入N型雜質(zhì)時，制造一層高摻雜犧牲層3和一層FS層2，雜質(zhì)濃度由高到低，從高摻雜犧牲層3過渡到濃度相對較低的FS層
2。犧牲層3用來承受后續(xù)工序引入的沾污和缺陷。在硅片背面減薄清洗、注入N型雜質(zhì)并推結(jié)形成FS層2和犧牲層3，制作完正面工序后，再用一定比例的混合酸腐蝕液，來去掉該犧牲層3區(qū)域，進而去掉FS層2表面的沾污和缺陷，同時保證不破壞內(nèi)部濃度相對較低的FS層2。從而實現(xiàn)在不破壞FS層雜質(zhì)分布前提下，能有效去除背部表面沾污、缺陷。
[0012]具體的，步驟a中所述形成具有濃度梯度的摻雜層的具體方式為通過提高離子注入的劑量和能量實現(xiàn)，所述表面犧牲層3的厚度大于2um，所述阻止層2的厚度大于5um。
[0013]步驟a中所述形成具有濃度梯度的摻雜層的具體方式為:提高離子能量注入N型雜質(zhì)，提高離子注入的劑量以較低能量再次注入N型雜質(zhì)，高溫推結(jié)形成具有濃度梯度的摻雜層，其中表面較高摻雜濃度的為表面犧牲層3,位于表面犧牲層3和娃片I之間較低摻雜濃度的為場阻止層2，所述場阻止層2的雜質(zhì)濃度為3 X IO16~I X 1018cm_3、厚度大于5um，表面犧牲層3的濃度為5 X IO15~1父1016(^_3、厚度大于211111。
[0014]具體的，步驟a中所述形成具有濃度梯度的摻雜層的具體方式為:注入N型雜質(zhì)高溫推結(jié)形成場阻止層2，提高離子注入劑量，以較低注入能量在場阻止層2上形成較高濃度的表面犧牲層3,所述場阻止層2的雜質(zhì)濃度為5 X IO15~I X 1016cm_3、厚度大于2um,表面犧牲層3的濃度為3 X IO16~I X 1018cnT3、厚度大于5um。
[0015]具體的,所述表面犧牲層3厚度為2~5um,所述阻止層2厚度為5~10um。
[0016]本方案中所述的提高離子注入的劑量和能量，為相對于傳統(tǒng)技術而言，在相同環(huán)境下比傳統(tǒng)技術注入的劑量和能量要高，以能有效生成表面犧牲層3 ;具體需根據(jù)實際襯底摻雜濃度調(diào)節(jié)注入劑量、能量，使得外層高摻雜犧牲層3的濃度可優(yōu)選3X IO16~I X IO18Cm'厚度大于2um,可優(yōu)選2~5um ;內(nèi)層FS層2雜質(zhì)濃度、厚度可優(yōu)選5 X IO15~I X IO16Cm 3、5 ~IOum 范圍內(nèi)。
[0017]具體的，步驟d中所述去掉硅片I背面的表面犧牲層3為通過混合酸腐蝕液腐蝕，具體為:
[0018]采用HF:HN03:HAC=3:2:1比例的混合酸腐蝕液，在常溫下進行腐蝕。
[0019]本方案中，采用的混合酸腐蝕液在常溫下腐蝕，速率大概是lum/10s，因此具有簡便且容易控制的優(yōu)點，同時通過控制腐蝕硅片的時間還可以精確的控制FS層2的雜質(zhì)分布，從而控制器件的性能。
[0020]具體的，步驟e中退火形成P型集電極區(qū)為在低于450°C環(huán)境下完成。
[0021]本方案的目的在于避免正面金屬被破壞，也可用激光退火、RTA代替低溫爐管退火，來解決集電區(qū)雜質(zhì)激活率低的問題。
[0022]具體的，步驟c中完成的正面制作工序包括:形成P阱4、N+發(fā)射區(qū)5、柵氧化層6、多晶硅層7和淀積磷硅玻璃層8 ；[0023]完成步驟e后還包括以下正面制作工序:磷硅玻璃層8回流、歐姆接觸工序和正面金屬工序
[0024]本方案的優(yōu)點在于，將正面工序步驟分為兩步，在P型集電區(qū)10雜質(zhì)退火工序之后，進行磷硅玻璃層8回流、歐姆接觸工序和正面金屬工序等正面工序時，可利用這些工序的熱過程進一步激活P型集電區(qū)10雜質(zhì)，從而提高集電區(qū)雜質(zhì)激活率。
[0025]本發(fā)明的有益效果為，在不破壞FS層雜質(zhì)分布前提下，能有效去除背部表面沾污、缺陷，并且實現(xiàn)方式簡便、容易控制。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0026]圖1是常規(guī)FS層和本發(fā)明所述的生成犧牲層雜質(zhì)分布圖；
[0027]圖2是實施例1的工藝流程圖；
[0028]圖3是實施例1的工藝流程中在硅片I上注入N型雜質(zhì)示意圖；
[0029]圖4是實施例1的工藝流程中在硅片I上生成場阻止層2和表面犧牲層3后結(jié)構(gòu)示意圖；
[0030]圖5是實施例1的工藝流程中翻轉(zhuǎn)硅片I后結(jié)構(gòu)示意圖；
[0031]圖6是實施例1的工藝流程中完成硅片I正面工藝后結(jié)構(gòu)示意圖；
[0032]圖7是實施例1的工藝流程中去掉表面犧牲層3后結(jié)構(gòu)示意圖；
[0033]圖8是實施例1的工藝流程中注入P型雜質(zhì)示意圖；
[0034]圖9是實施例1的工藝流程中形成P型集電極區(qū)、背面金屬后結(jié)構(gòu)示意圖；
[0035]圖10是實施例2的工藝流程圖；
[0036]圖11是實施例2的工藝流程中在硅片I上注入N型雜質(zhì)示意圖；
[0037]圖12是實施例2的工藝流程中在硅片I上生成場阻止層2和表面犧牲層3后結(jié)構(gòu)示意圖；
[0038]圖13是實施例2的工藝流程中第一次完成硅片I正面工藝后結(jié)構(gòu)示意圖；
[0039]圖14是實施例2的工藝流程中去掉表面犧牲層3后結(jié)構(gòu)示意圖；
[0040]圖15是實施例2的工藝流程中注入P型雜質(zhì)示意圖；
[0041]圖16是實施例2的工藝流程中形成P型集電極區(qū)后結(jié)構(gòu)示意圖；
[0042]圖17是實施例2的工藝流程中第二次完成硅片I正面工藝后結(jié)構(gòu)示意圖；
[0043]圖18是實施例2的工藝流程中完成背部金屬淀積后結(jié)構(gòu)示意圖；
[0044]圖19是不同濕法刻蝕厚度下，背面雜質(zhì)濃度分布圖；
[0045]圖20是不同濕法刻蝕厚度下，器件擊穿時背面電場分布圖；
[0046]圖21是器件耐壓與背面濕法刻蝕厚度關系圖；
[0047]圖22是不同濕法刻蝕厚度下，器件正向輸出特性曲線示意圖。
【具體實施方式】
[0048]下面結(jié)合附圖和實施例，詳細描述本發(fā)明的技術方案:
[0049]本發(fā)明提出在現(xiàn)有技術方法上的一種改進方案，在不破壞FS層雜質(zhì)分布前提下，能有效去除背部表面沾污、缺陷。在背面第一次注入N型雜質(zhì)時，適當提高離子注入的劑量和能量，制造一層高摻雜犧牲層3和一層FS層2，雜質(zhì)濃度由高到低，從高摻雜犧牲層3過渡到濃度相對較低的FS層2。犧牲層3用來承受后續(xù)工序引入的沾污和缺陷。在硅片背面減薄清洗、注入N型雜質(zhì)并推結(jié)形成FS層2和犧牲層3，制作完正面工序后，再用一定比例的混合酸腐蝕液，來去掉該犧牲層3區(qū)域，進而去掉FS層2表面的沾污和缺陷，同時保證不破壞內(nèi)部濃度相對較低的FS層2。例如:HF:HN03:HAC=3:2:1比例的混合酸腐蝕液，在常溫下腐蝕，速率大概是lum/lOs，簡便且容易控制，通過控制腐蝕硅片的時間還可以精確的控制FS層2雜質(zhì)分布，從而控制器件的性能。接著清洗硅片后做P型雜質(zhì)注入并退火形成P型集電區(qū)10后就完成了這種FS-1GBT器件陽極制造。
[0050]如圖1所示，實心三角形曲線為常規(guī)FS層雜質(zhì)濃度分布圖，實心圓形曲線為本發(fā)明形成犧牲層雜質(zhì)濃度分布圖。仿真中襯底電阻率為400Ω.cm，常規(guī)FS層形成注入雜質(zhì)為磷、注入能量為50KEV、注入濃度為lel3cnT3、在1150°C下推結(jié)時間400min。本發(fā)明提高注入能量、劑量到60KEV、IeHcnT3情況下，形成了一層表面犧牲層3和內(nèi)部真正所需的FS層2。犧牲層3用來承受后續(xù)工序引入的沾污和缺陷。
[0051]實施例1:
[0052]如圖2所示，為本例的制造流程，包括:
[0053]A:對IGBT芯片背面減薄，根據(jù)硅片I所需厚度，進行減薄，減薄后要保證硅片表面平整度，去除表面損傷層；
[0054]B:清洗硅片背面并注入N型雜質(zhì)高溫推結(jié)(如圖2所示)，形成場阻止(FS)層2和表面犧牲層3 (如圖3所示)，場阻止(FS)層2位于表面犧牲層3和硅片I之間；
[0055]C:翻轉(zhuǎn)硅片(如圖4所示)制作正面工序；
[0056]D:用一定比例的混合酸腐蝕液，腐蝕掉背部FS層表面犧牲層3 (如圖7所示)；
[0057]E:清洗硅片背面并注入P型雜質(zhì)(如圖8所示)并退火形成P型集電區(qū)10 ；
[0058]F:背部金屬11積淀(如圖10所示)。
[0059]本例中，最后背面注入P型雜質(zhì)退火是在低于450°C環(huán)境下完成的，保證正面金屬不被破壞，P型集電區(qū)10雜質(zhì)激活率相對較低。一種方法是用激光退火、RTA代替低溫爐管退火，來解決集電區(qū)雜質(zhì)激活率低的問題。
[0060]實施例2:
[0061]如圖10所示，本例的制造工藝流程包括:
[0062]A:對IGBT芯片背面減薄，根據(jù)硅片I所需厚度，進行減薄，減薄后要保證硅片表面平整度，去除表面損傷層；
[0063]B:清洗硅片背面并注入N型雜質(zhì)高溫推結(jié)，形成場阻止(FS)層2和表面犧牲層3(如圖12所示)，場阻止(FS)層2位于表面犧牲層3和硅片I之間；
[0064]Cl:翻轉(zhuǎn)硅片制作正面工序，包括形成P阱4、N+發(fā)射區(qū)5、柵氧化層(6)、多晶硅層7和淀積磷硅玻璃層8 (如圖13所示)；
[0065]D:用一定比例的混合酸腐蝕液，腐蝕掉背部FS層表面犧牲層3 (如圖14所示)；
[0066]E:清洗硅片背面并注入P型雜質(zhì)(如圖15所示)并退火形成P型集電區(qū)10 (如圖16所示)；
[0067]C2:完成磷硅玻璃層8回流、歐姆接觸工序和正面金屬工序(如圖17所示)；
[0068]F:背部金屬11積淀(如圖18所示)。
[0069]常用的P型雜質(zhì)硼的原子半徑較小，擴散系數(shù)與磷相近，這樣，在通常的正面工序熱過程中，高濃度的硼將會擴散形成結(jié)深很大的P型集電區(qū)、中和大部分的FS層，破壞陽極形貌，使器件耐壓降低。本例的特征是形成FS層并去除高摻雜犧牲層、清洗后，用來形成P型集電區(qū)而注入的P型雜質(zhì)原子半徑比硼原子半徑要大的多，擴散系數(shù)比硼原子擴散系數(shù)低的多，從而保證后續(xù)正面工序步驟C2中熱過程正好能控制背面P型集電區(qū)10結(jié)深，同時也保證了 P型集電區(qū)10雜質(zhì)的激活率。
[0070]如圖19到圖22所示,通過tsuprem4+medici仿真,仿真中一些參數(shù)設定如下:襯底設置為400 Ω.cm，厚度為500um。FS層注入形成條件如下:注入雜質(zhì)為磷、注入能量為60KEV、注入濃度為lel4cnT3、在1150°C下推結(jié)時間400min。經(jīng)過正面工序之后用一定比例的混合酸腐蝕液，腐蝕掉背部FS層表面高摻雜犧牲層3。后續(xù)注入P型雜質(zhì)類型為硼、注入能量為50KEV、注入濃度為2el5Cm_3、在450°C下退火60min，假設背部P型雜質(zhì)激活率為10%，實際注入濃度為2el4Cm_3。在不同濕法刻蝕厚度情況下，對比雜質(zhì)濃度、擊穿時電場分布、耐壓和正向輸出特性曲線可以知道，我們通過控制背面腐蝕硅片的厚度可以去除靠近表面處高摻雜犧牲層，還可以方便的控制FS層2雜質(zhì)分布，從而控制器件的性能。還可以看出本發(fā)明器件耐壓和正向輸出特性與常規(guī)FS層情況下相近。
[0071]綜上，本發(fā)明的有益效果主要包括:
[0072]通過適當提高離子注入的劑量和能量，制造一層高摻雜犧牲層3和一層FS層2，雜質(zhì)濃度由高到低，從高摻雜犧牲層3過渡到濃度相對較低的FS層2。犧牲層3用來承受后續(xù)工序引入的沾污和缺陷，之后用一定比例的混合酸腐蝕液常溫下腐蝕掉該高摻雜犧牲層可以有效去除FS層表面沾污和缺陷，簡便且容易控制。
[0073]常規(guī)方法清洗、去除背部表面沾污、缺陷，會消耗掉一部分硅、破壞FS層雜質(zhì)分布，使器件耐壓降低。而本發(fā)明所述的方法中通過精確控制腐蝕時間，可以只腐蝕掉犧牲層3而不破壞內(nèi)部預先設定的FS層2雜質(zhì)分布，保證器件性能不發(fā)生改變。
[0074]拆分、穿插正面工序順序，利用正面工序的熱過程進一步激活P型集電區(qū)10雜質(zhì)，能提高集電區(qū)雜質(zhì)激活率。
【權(quán)利要求】
1.一種FS-1GBT器件陽極的制造方法，其特征在于，包括以下步驟: a.在硅片(I)背面注入N型雜質(zhì)高溫推結(jié)，形成具有濃度梯度的摻雜層，其中表面較高摻雜濃度的為表面犧牲層(3)，位于表面犧牲層(3)和硅片(I)之間較低摻雜濃度的為場阻止層(2); b.翻轉(zhuǎn)硅片(I)完成正面制作工序； c.去掉硅片(I)背面的表面犧牲層(3); d.清洗硅片(I)背面并注入P型雜質(zhì)，退火形成P型集電極區(qū)(10); e.完成背面金屬(11)積淀。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種FS-1GBT器件陽極的制造方法，其特征在于，步驟a中所述形成具有濃度梯度的摻雜層的具體方式為通過提高離子注入的能量和劑量實現(xiàn)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種FS-1GBT器件陽極的制造方法，其特征在于，步驟a中所述形成具有濃度梯度的摻雜層的具體方式為:提高離子能量注入N型雜質(zhì)，提高離子注入的劑量以較低能量再次注入N型雜質(zhì)，高溫推結(jié)形成具有濃度梯度的摻雜層，其中表面較高摻雜濃度的為表面犧牲層(3),位于表面犧牲層(3)和娃片(I)之間較低摻雜濃度的為場阻止層(2)，所述場阻止層(2)的雜質(zhì)濃度為3 X IO16?I X 1018cm_3、厚度大于5um，表面犧牲層(3)的濃度為5 X IO15?I X 1016cm_3、厚度大于2um。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種FS-1GBT器件陽極的制造方法，其特征在于，步驟a中所述形成具有濃度梯度的摻雜層的具體方式為:注入N型雜質(zhì)高溫推結(jié)形成場阻止層(2)，提高離子注入劑量，以較低注入能量在場阻止層(2)上形成較高濃度的表面犧牲層(3)，所述場阻止層(2)的雜質(zhì)濃度為3 X IO16?I X 1018cm_3、厚度大于5um，表面犧牲層(3)的濃度為5 X IO15 ?I X IO16Cm 3、厚度大于 2um。
5.根據(jù)權(quán)利要求2或3或4所述的一種FS-1GBT器件陽極的制造方法，其特征在于，所述表面犧牲層(3)厚度為2?5um,所述阻止層(2)厚度為5?10um。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種FS-1GBT器件陽極的制造方法，其特征在于，步驟d中所述去掉硅片(I)背面的表面犧牲層(3)為通過混合酸腐蝕液腐蝕，具體為: 采用HF:HN03:HAC=3:2:1比例的混合酸腐蝕液，在常溫下進行腐蝕。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種FS-1GBT器件陽極的制造方法，其特征在于，步驟e中退火形成P型集電極區(qū)為在低于450°C環(huán)境下完成。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種FS-1GBT器件陽極的制造方法，其特征在于，步驟b中完成的正面制作工序包括:形成P阱(4)、N+發(fā)射區(qū)(5)、柵氧化層(6)、多晶硅層(7)和淀積磷硅玻璃層(8)； 完成步驟d后還包括以下正面制作工序:磷硅玻璃層(8)回流、歐姆接觸工序和正面金屬工序。
【文檔編號】H01L21/331GK103578959SQ201310585511
【公開日】2014年2月12日 申請日期:2013年11月19日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月19日
【發(fā)明者】陳萬軍, 肖琨, 王珣陽, 楊騁, 張波 申請人:電子科技大學