功率半導(dǎo)體元件及其制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本案涉及一種功率半導(dǎo)體元件，特別涉及一種具有反向二極管結(jié)構(gòu)的功率半導(dǎo)體元件及其制造方法。
【背景技術(shù)】
[0002]于現(xiàn)代生活中，由于科技的蓬勃發(fā)展，多元化的電子產(chǎn)品不斷推陳出新，各式各樣的電子裝置已成為與生活密不可分的工具或娛樂，例如應(yīng)用于自動(dòng)車輛的儀表裝置、導(dǎo)航系統(tǒng)等，普及率最高的智能手機(jī)及平板電腦等，以及多種類的聲光玩具、遙控設(shè)備等。其中，電子裝置內(nèi)不可或缺的主要元件為半導(dǎo)體元件，例如功率半導(dǎo)體、晶體管、放大器或開關(guān)元件等，又以功率半導(dǎo)體為工業(yè)制造上的大宗。
[0003]舉例而言，功率半導(dǎo)體主流產(chǎn)品之一為絕緣柵雙極晶體管(Insulated GateBipolar Transistor, IGBT)，其基本封裝為三端點(diǎn)的功率半導(dǎo)體，特點(diǎn)為高效率及切換速度，為改善功率雙極性接面型晶體管(Bipolar Junct1n Transistor, BJT)的工作狀況而誕生。絕緣柵雙極晶體管結(jié)合了場效晶體管柵極易驅(qū)動(dòng)的特性與雙極性晶體管耐高電流與低導(dǎo)通電壓壓降等特性，常用于中高容量功率場合，如切換式電源供應(yīng)器、馬達(dá)控制與電磁爐等。
[0004]請(qǐng)參閱圖1及圖2，其中圖1顯示傳統(tǒng)絕緣柵雙極晶體管的結(jié)構(gòu)示意圖，以及圖2顯示習(xí)用絕緣柵雙極晶體管與二極管并聯(lián)封裝的示意圖。如圖1及圖2所示，當(dāng)傳統(tǒng)絕緣柵雙極晶體管I使用在某些電路系統(tǒng)，例如電感負(fù)載電路時(shí)，必須額外搭配一反向并聯(lián)的二極管2應(yīng)用，以使反向電流通過并保護(hù)絕緣柵雙極晶體管1，公知技術(shù)的作法將獨(dú)立的絕緣柵雙極晶體管I芯片與獨(dú)立的二極管2芯片一同封裝為絕緣柵雙極晶體管元件3，然此方式除增加封裝面積外，也會(huì)使封裝成本升高。
[0005]請(qǐng)參閱圖3，其顯示傳統(tǒng)逆導(dǎo)式絕緣柵雙極晶體管元件的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖3所示，由于半導(dǎo)體元件朝集成化發(fā)展，為了節(jié)省電路上的零件，遂開發(fā)出將絕緣柵雙極晶體管和二極管結(jié)合在一起的絕緣柵雙極晶體管元件，一般稱為逆導(dǎo)式絕緣柵雙極晶體管(Reverse Conducting IGBT, RC-1GBT)元件。逆導(dǎo)式絕緣柵雙極晶體管元件4具有雙向?qū)üδ?，即具有正向?qū)Ｊ胶头聪驅(qū)Ｊ?，能夠減少電路中所封裝的芯片和打線數(shù)量，也因此能降低元件整體的制造成本。公知技術(shù)常見作法是在絕緣柵雙極晶體管底部以黃光及離子注入技術(shù)來形成P/N交錯(cuò)的圖形，P型區(qū)和N型區(qū)皆在同一平面上，借著金屬來造成短路接觸，在電路上即可形成內(nèi)建二極管的逆導(dǎo)式絕緣柵雙極晶體管元件4。
[0006]然而，因?yàn)榇朔N逆導(dǎo)式絕緣柵雙極晶體管元件的P/N交錯(cuò)圖形以掩模(Mask)及離子注入方式形成，離子回火工藝容易導(dǎo)致橫向擴(kuò)散問題，注入輪廓不易控制，進(jìn)而導(dǎo)致元件特性不穩(wěn)定等缺點(diǎn)。
[0007]是以，如何發(fā)展一種可改善上述公知技術(shù)缺失的功率半導(dǎo)體及其制造方法，實(shí)為目前尚待解決的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本案的主要目的為提供一種功率半導(dǎo)體元件及其制造方法，使解決傳統(tǒng)絕緣柵雙極晶體管與反向二極管并聯(lián)封裝所造成的高封裝面積及高封裝成本問題，避免制造逆導(dǎo)式絕緣柵雙極晶體管元件的離子回火工藝的橫向擴(kuò)散問題，同時(shí)更降低注入輪廓控制難度，以及避免元件特性不穩(wěn)定等缺點(diǎn)。
[0009]本案的另一目的為提供一種功率半導(dǎo)體元件及其制造方法，通過集極金屬區(qū)、P型注入?yún)^(qū)與N型緩沖區(qū)的短路相接，以形成具有一并聯(lián)的反向二極管結(jié)構(gòu)的功率半導(dǎo)體元件，可達(dá)到大幅降低封裝面積及封裝與制造成本的功效，也可避免傳統(tǒng)離子回火工藝的橫向擴(kuò)散問題，進(jìn)而使元件特性穩(wěn)定。
[0010]本案的另一目的為提供一種功率半導(dǎo)體元件及其制造方法，通過背向溝槽區(qū)的形成，以及將集極金屬區(qū)填滿全部的背向溝槽區(qū)，其晶背溝槽區(qū)結(jié)構(gòu)可增加金屬接觸面積、降低接觸電阻，并有利于金屬與硅基材間的附著。
[0011]為達(dá)上述目的，本案的一較廣實(shí)施方式為提供一種功率半導(dǎo)體元件，包括:一半導(dǎo)體基板，具有一第一表面及一第二表面；一金屬氧化物半導(dǎo)體區(qū)，形成于該第一表面，且定義該半導(dǎo)體基板的一 N型高阻值區(qū)；一 N型緩沖區(qū)，以離子注入的方式注入形成于該第二表面；一 P型注入?yún)^(qū)，以離子注入的方式注入形成于該N型緩沖區(qū)，并經(jīng)至少一次離子激光退火；至少一背向溝槽區(qū)，形成于該P(yáng)型注入?yún)^(qū)以及部分的該N型緩沖區(qū)；以及一集極金屬區(qū)，形成于該P(yáng)型注入?yún)^(qū)以及該背向溝槽區(qū)，使通過該集極金屬區(qū)、該P(yáng)型注入?yún)^(qū)及該N型緩沖區(qū)的短路形成一并聯(lián)的反向二極管結(jié)構(gòu)。
[0012]于一些實(shí)施例中，該集極金屬區(qū)填滿全部的該背向溝槽區(qū)。
[0013]于一些實(shí)施例中，該N型緩沖區(qū)具有一第三表面及一第四表面，其中該第三表面與該第二表面相連接，且該P(yáng)型注入?yún)^(qū)形成于該第四表面。該P(yáng)型注入?yún)^(qū)還具有一第五表面及一第六表面，其中該第五表面與該第四表面相連接，且該第六表面相對(duì)于該第五表面。
[0014]此外，功率半導(dǎo)體元件還包括一射極金屬區(qū)，其中該射極金屬區(qū)形成于該金屬氧化物半導(dǎo)體區(qū)之上，該集極金屬區(qū)形成于該第六表面，且該射極金屬區(qū)相對(duì)該集極金屬區(qū)形成。
[0015]于一些實(shí)施例中，該背向溝槽區(qū)以晶背黃光工藝、晶背蝕刻工藝以及晶背去光致抗蝕劑工藝形成，且該集極金屬區(qū)以晶背集極金屬沉積工藝形成。
[0016]于一些實(shí)施例中，該金屬氧化物半導(dǎo)體區(qū)為一溝槽式金屬氧化物半導(dǎo)體區(qū)或一平面式金屬氧化物半導(dǎo)體區(qū)。
[0017]為達(dá)上述目的，本案的另一較廣實(shí)施方式為提供一種功率半導(dǎo)體元件的制造方法，至少包括步驟:(a)提供一半導(dǎo)體基板；(b)于該半導(dǎo)體基板的一第一表面形成一金屬氧化物半導(dǎo)體區(qū)，并研磨該半導(dǎo)體基板的一第二表面；(C)以離子注入的方式于該半導(dǎo)體基板的一第二表面注入形成一 N型緩沖區(qū)；(d)以離子注入的方式于該N型緩沖區(qū)注入形成一 P型注入?yún)^(qū)；(e)對(duì)該P(yáng)型注入?yún)^(qū)進(jìn)行至少一次離子激光退火工藝；(f)進(jìn)行一晶背黃光工藝、一晶背蝕刻工藝以及一晶背去光致抗蝕劑工藝，以形成至少一背向溝槽區(qū)于該P(yáng)型注入?yún)^(qū)及部分的該N型緩沖區(qū)；以及(g)于該P(yáng)型注入?yún)^(qū)以及該背向溝槽區(qū)進(jìn)行金屬沉積，以形成一集極金屬區(qū)，使通過該集極金屬區(qū)、該P(yáng)型注入?yún)^(qū)及該N型緩沖區(qū)的短路形成一并聯(lián)的反向二極管結(jié)構(gòu)。
[0018]于一些實(shí)施例中，該集極金屬區(qū)填滿全部的該背向溝槽區(qū)。
[0019]于一些實(shí)施例中，該步驟(C)后還包括步驟:(h)選擇性地對(duì)該N型緩沖區(qū)進(jìn)行一激光退火工藝。
[0020]本發(fā)明的功率半導(dǎo)體元件及其制造方法，通過集極金屬區(qū)、P型注入?yún)^(qū)與N型緩沖區(qū)的短路相接，以形成具有一并聯(lián)的反向二極管結(jié)構(gòu)的功率半導(dǎo)體元件，可達(dá)到大幅降低封裝面積及封裝與制造成本的功效，也可避免傳統(tǒng)離子回火工藝的橫向擴(kuò)散問題，進(jìn)而使元件特性穩(wěn)定。同時(shí)，通過背向溝槽區(qū)的形成，以及將集極金屬區(qū)填滿全部的背向溝槽區(qū)，其晶背溝槽區(qū)結(jié)構(gòu)可增加金屬接觸面積、降低接觸電阻，并有利于金屬與硅基材間的附著。
【附圖說明】
[0021]圖1顯示傳統(tǒng)絕緣柵雙極晶體管的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0022]圖2顯示習(xí)用絕緣柵雙極晶體管與二極管并聯(lián)封裝的示意圖。
[0023]圖3顯示傳統(tǒng)逆導(dǎo)式絕緣柵雙極晶體管元件的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0024]圖4顯示本案較佳實(shí)施例的功率半導(dǎo)體元件的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0025]圖5顯示本案另一較佳實(shí)施例的功率半導(dǎo)體元件的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0026]圖6顯示圖4或圖5所示的功率半導(dǎo)體元件的等效電路圖。
[0027]圖7A至圖7F為本案較佳實(shí)施例的功率半導(dǎo)體元件的制造方法的流程結(jié)構(gòu)示意圖。
[0028]圖8為本案較佳實(shí)施例的功率半導(dǎo)體元件的制造方法流程圖。
[0029]其中，附圖標(biāo)記說明如下:
[0030]1:絕緣柵雙極晶體管
[0031]2: 二極管
[0032]3:絕緣柵雙極晶體管元件
[0033]4:逆導(dǎo)式絕緣柵雙極晶體管元件
[0034]5:功率半導(dǎo)體元件
[0035]50:半導(dǎo)體基板
[0036]51:金屬氧化物半導(dǎo)體區(qū)
[0037]52:N型緩沖區(qū)
[0038]53:P型注入?yún)^(qū)
[0039]54:背向溝槽區(qū)
[0040]55:集極金屬區(qū)
[0041]56:N型高阻值區(qū)
[0042]57:射極金屬區(qū)
[0043]58:柵極區(qū)
[0044]59:光致抗蝕劑層
[0045]S1:第一表面
[0046]S2:第二表面
[0047]S3:第三表面
[0048]S4:第四表面
[0049]S5:第五表面
[0050]S6:第六表面
[0051]S100、S200、S300、S400、S500、S600、S700:步驟
【具體實(shí)施方式】
[0052]體現(xiàn)本案特征與優(yōu)點(diǎn)的一些典型實(shí)施例將在后段的說明中詳細(xì)敘述。應(yīng)理解的是本案能夠在不同的方式上具有各種的變化，其皆不脫離本案的范圍，且其中的說明及附圖在本質(zhì)上是當(dāng)作說明之用，而非用于限制本案。
[0053]請(qǐng)參閱圖4及圖5及圖6，其中圖4顯示本案較佳實(shí)施例的功率半導(dǎo)體元件的結(jié)構(gòu)示意圖，圖5顯示本案另一較佳實(shí)施例的功率半導(dǎo)體元件的結(jié)構(gòu)示意圖，以及圖6顯示圖4或圖5所示的功率半導(dǎo)體元件的等效電路圖。如圖4、圖5及圖6所示，本案的功率半導(dǎo)體元件5至少包括半導(dǎo)體基板50、金屬氧化物半導(dǎo)體區(qū)(Metal-Oxide SemiconductorReg1n, MOS Reg1n) 51、N 型緩沖區(qū)(N-Buffer Reg1n) 52、P 型注入?yún)^(qū)(P-1nject1nReg1n) 5