一種形成高壓igbt的fs層的方法及igbt器件的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種通過外延形成高壓IGBT的FS層的方法，其中的FS層外延形成工藝方法如下：提供包括N型漂移區(qū)的高壓IGBT生產(chǎn)專用厚度的半導(dǎo)體圓片（1）；在所述半導(dǎo)體圓片的正面淀積一定厚度的保護(hù)層(2)，以保護(hù)背面外延工藝作業(yè)時(shí)半導(dǎo)體圓片（1）的正面；將所述半導(dǎo)體圓片翻轉(zhuǎn)，背面向上，外延所需厚度的N+外延層，該N+外延層即所述FS結(jié)構(gòu)，該N+外延層（3）的摻雜濃度大于N型漂移區(qū)的摻雜濃度；在外延結(jié)束后，將所述半導(dǎo)體圓片（1）翻轉(zhuǎn)為正面向上，去除正面的所述保護(hù)層（2），以確保半導(dǎo)體圓片（1）的正面的光潔性，由該工藝方法制得的高壓IGBT性能可靠，提高了生產(chǎn)效率，并降低了生產(chǎn)成本。
【專利說明】—種形成高壓IGBT的FS層的方法及IGBT器件
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種高壓IGBT，尤其是一種通過外延形成高壓IGBT的FS (FieldStop)層(場終止層)的方法及高壓IGBT器件，屬于IGBT的【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]IGBT,中文名字為絕緣柵雙極型晶體管，它是由M0SFET(輸入級(jí))和PNP晶體管(輸出級(jí))復(fù)合而成的一種器件，既有MOSFET器件驅(qū)動(dòng)功率小和開關(guān)速度快的特點(diǎn)(控制和響應(yīng))，又有雙極型器件飽和壓降低而容量大的特點(diǎn)(功率級(jí)較為耐用)，頻率特性介于MOSFET與功率晶體管之間，可正常工作于幾十kHz頻率范圍內(nèi)。
[0003]隨著IGBT技術(shù)的不斷發(fā)展，為了進(jìn)一步優(yōu)化IGBT的性能，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工藝技術(shù)也發(fā)生了較大的變化。至今，IGBT已由第I代發(fā)展到了第6代。對(duì)IGBT器件結(jié)構(gòu)的改進(jìn)主要分為表面和垂直兩個(gè)方向。在表面上，即柵極結(jié)構(gòu)上的變化是把原來的平面柵變成了溝槽柵結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)是通過在IGBT上挖許多淺而密的溝槽，把柵氧化層和柵極做在溝槽側(cè)壁上而成的，因而MOSFET的溝道就成為沿溝槽側(cè)壁的垂直溝道，由于溝槽的存在，增大了電流密度，進(jìn)而降低了導(dǎo)通壓降。但是溝槽柵結(jié)構(gòu)也存在缺點(diǎn)，它的工藝較復(fù)雜，側(cè)壁不光滑和溝槽底部或拐角處的尖角會(huì)成為電場集中點(diǎn)，降低擊穿電壓，而且挖槽后會(huì)在加工過程中增加芯片的翹曲變形等，難度較大。這個(gè)結(jié)構(gòu)的短路能力低，短路安全工作成為問題，溝槽寬度過大使得柵漏電容增加，增加開關(guān)損耗。上述缺點(diǎn)通過引入PCM(插入式組合元胞)設(shè)計(jì)而得到解決。即采取寬元胞間距結(jié)構(gòu)來保持短路電流相對(duì)較小。同時(shí)還采取在P+發(fā)射區(qū)和N-漂移層之間形成一個(gè)N型層，即所謂場終止層，使其能夠截止電場，這個(gè)場終止層對(duì)于改善N-漂移層內(nèi)的電場分布，減小圓片厚度，提高擊穿電壓是很有用的。IGBT的結(jié)構(gòu)經(jīng)歷了穿通型到非穿通型到場截止型的變化。穿通型結(jié)構(gòu)的飽和電壓具有負(fù)溫度系數(shù)，不利于器件的并聯(lián)使用和熱穩(wěn)定性，而且需要少子壽命控制技術(shù)來減小開關(guān)時(shí)間。同時(shí)，因?yàn)镻+襯底較厚，電流拖尾現(xiàn)象較嚴(yán)重，會(huì)大大增加關(guān)斷損耗，而且材料成本高。因此，NPT非穿通型結(jié)構(gòu)應(yīng)運(yùn)而生。其電場未穿通漂移區(qū)。這樣，在IGBT關(guān)斷時(shí)存儲(chǔ)在基區(qū)中大量過剩電子能夠以擴(kuò)散流方式穿透極薄的集電區(qū)流出到歐姆接觸處消失掉，使IGBT迅速關(guān)斷(或?qū)?，不需要少子壽命控制技術(shù)來提高開關(guān)速度，而且，其VCE (sat)具有正溫度特性，熱阻低，利于應(yīng)用。但是，由于輸運(yùn)效率較高而載流子注入系數(shù)較差，因而造成了比較高的飽和電壓，通態(tài)電壓比較高。雖然材料成本低，但是需要減薄工藝，且減薄后厚度較厚，不利于散熱。綜合兼收PT (穿通)結(jié)構(gòu)和NPT (非穿通)結(jié)構(gòu)二者的優(yōu)點(diǎn)產(chǎn)生了 FS場阻斷結(jié)構(gòu)。此結(jié)構(gòu)電場穿透漂移區(qū)到達(dá)η+場阻斷層，具有正溫度系數(shù)，拖尾電流小，通態(tài)壓降低，不需要少子壽命控制技術(shù)，減薄后厚度較薄。溝槽柵場阻斷型IGBT集兩種優(yōu)勢于一身，它具有最低的功率損耗。單位面積功率損耗減小顯著，可以用較小的芯片面積制造出同樣額定電流和額定功率的器件，降低制造成本。
[0004]目前高壓IGBT采用FS結(jié)構(gòu)的制作工藝大致分為三種，一、通過高能注入和高溫長時(shí)間推阱，此工藝要購買高能注入機(jī)，成本較高，且工藝時(shí)間較長，嚴(yán)重影響公司產(chǎn)能；二、通過在N+襯底上外延N-漂移區(qū)，由于高壓IGBT的N-漂移區(qū)很厚，工藝時(shí)間較長，既影響生產(chǎn)產(chǎn)能，且外延成本較高；三、購買雙面擴(kuò)散晶圓，但是，此晶圓成本較高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明提出一種在N-漂移區(qū)材料上外延N+外延層作為FS結(jié)構(gòu)的方法，避免了或高溫長時(shí)間推阱，或昂貴的N-漂移區(qū)外延過程，或昂貴的雙面擴(kuò)散晶圓，又可以精確的控制FS層的厚度和摻雜濃度，實(shí)現(xiàn)了 FS結(jié)構(gòu)高壓IGBT低成本的開發(fā)。
[0006]為達(dá)此目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案:
[0007]一種在高壓IGBT中通過外延形成FS結(jié)構(gòu)的方法，該方法包括如下步驟:a、提供包括N型漂移區(qū)的高壓IGBT生產(chǎn)專用厚度的半導(dǎo)體圓片；b、在所述半導(dǎo)體圓片的正面淀積一層保護(hù)層，以保護(hù)背面外延工藝作業(yè)時(shí)半導(dǎo)體圓片的正面；c、將所述半導(dǎo)體圓片翻轉(zhuǎn)，背面向上，外延所需厚度的N+外延層，該N+外延層即所述FS結(jié)構(gòu)，該N+外延層的摻雜濃度大于N型漂移區(qū)的摻雜濃度；d、在外延結(jié)束后，將所述半導(dǎo)體圓片翻轉(zhuǎn)為正面向上，去除正面的所述保護(hù)層，以確保半導(dǎo)體圓片的正面的光潔性。
[0008]進(jìn)一步地，所述保護(hù)層為氧化層或SiN膜。
[0009]進(jìn)一步地，用濕法腐蝕去除正面的所述保護(hù)層。
[0010]進(jìn)一步地，通過沉積的方法來外延所需厚度的N+外延層。
[0011]本發(fā)明還提供了一種場終止結(jié)構(gòu)高壓IGBT的生產(chǎn)方法，該方法包括如下步驟:1、在高壓IGBT中通過外延形成FS結(jié)構(gòu)；2、在半導(dǎo)體圓片的正面上生長或淀積柵氧化層，柵氧化層位于半導(dǎo)體圓片的正面上；3、在柵氧化層上淀積形成一定厚度的多晶硅(P0LY)，通過選擇性的掩蔽和刻蝕形成POLY柵電極；4、在半導(dǎo)體圓片的正面上進(jìn)行離子注入，熱擴(kuò)散以在N型漂移區(qū)內(nèi)形成P基區(qū)；5、在半導(dǎo)體圓片的正面上進(jìn)行離子注入，退火后在P基區(qū)內(nèi)形成N+發(fā)射區(qū)，在離子注入前，需要在半導(dǎo)體圓片的正面上涂覆光刻膠，然后通過在光刻膠上開出離子注入的窗口，從而在P基區(qū)內(nèi)形成N+發(fā)射區(qū)，離子注入并退火形成N+發(fā)射區(qū)后，去除半導(dǎo)體圓片正面上的光刻膠，以便進(jìn)行其它工藝步驟的操作；6、在POLY柵電極層上面進(jìn)行介質(zhì)淀積，以在柵氧化層和POLY柵電極層的外圍淀積形成介質(zhì)層，淀積后再通過選擇性地掩蔽和刻蝕，以形成發(fā)射極金屬與P基區(qū)(P-BODY)和N+發(fā)射區(qū)的接觸孔；7、在所述介質(zhì)層的外圍淀積金屬，以形成發(fā)射極電極，淀積后再通過選擇性地掩蔽和刻蝕，以形成具有規(guī)則形狀的發(fā)射極電極，所述發(fā)射極電極與所述P基區(qū)及所述N+發(fā)射區(qū)均電性接觸；
8、通過圓片背面注入和退火，在N+外延層上形成P+集電極；9、通過背面淀積形成背面集電極金屬；其中，采用前述的通過外延形成FS結(jié)構(gòu)的方法來形成FS結(jié)構(gòu)。
[0012]進(jìn)一步地，柵電極層采用POLY ;發(fā)射極電極采用鋁硅銅、鋁、銅等；集電極采用AL-T1-N1-Ag 或 T1-N1-Ag ；
[0013]進(jìn)一步地，半導(dǎo)體圓片的正面內(nèi)刻蝕溝槽，從而形成溝槽型的柵電極結(jié)構(gòu)。
[0014]本發(fā)明還提供了一種具有FS結(jié)構(gòu)的高壓IGBT器件，其中采用前述的通過外延形成FS結(jié)構(gòu)的方法來形成FS結(jié)構(gòu)。
[0015]本發(fā)明還提供了一種具有FS結(jié)構(gòu)的高壓IGBT器件，其中該高壓IGBT器件采用前述的場終止結(jié)構(gòu)高壓IGBT的生產(chǎn)方法來生產(chǎn)?！緦＠綀D】

【附圖說明】
[0016]圖1示出了在高壓IGBT生產(chǎn)專用厚度的圓片正面上沉積保護(hù)層后的結(jié)構(gòu)；
[0017]圖2示出了在圓片的背面上外延所需厚度N+外延層后的結(jié)構(gòu)；
[0018]圖3示出了用濕法腐蝕去除正面的保護(hù)層后的結(jié)構(gòu)；
[0019]圖4示出了一種具有通過外延方法形成的FS層的高壓IGBT ；
[0020]圖5示出了在圖4基礎(chǔ)上沉積金屬化集電極后的高壓IGBT ；
[0021]符號(hào)說明
[0022]其中，1、高壓IGBT生產(chǎn)專用厚度的半導(dǎo)體圓片；2、保護(hù)層；3、N+外延層；4、柵氧化層；5、P0LY柵電極層；6、介質(zhì)層；7、發(fā)射極電極；8、N+發(fā)射區(qū)；9、P基區(qū)(P-B0DY) ;10、集電區(qū)P+層；11、金屬化集電極。
【具體實(shí)施方式】
[0023]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明?？梢岳斫獾氖牵颂幩枋龅木唧w實(shí)施例僅用于解釋本發(fā)明，而非對(duì)本發(fā)明的限定。另外還需要說明的是，為了便于描述，附圖中僅示出了與本發(fā)明相關(guān)的部分而非全部結(jié)構(gòu)。
[0024]如圖1?3示出了本發(fā)明在高壓IGBT中通過外延形成FS結(jié)構(gòu)的方法的實(shí)施例，如圖1所示，首先提供包括N型漂移區(qū)的高壓IGBT生產(chǎn)專用厚度的半導(dǎo)體圓片1，在所述半導(dǎo)體圓片I的正面淀積一層保護(hù)層2，以保護(hù)背面外延工藝作業(yè)時(shí)半導(dǎo)體圓片I的正面；然后如圖2所示，將所述半導(dǎo)體圓片I翻轉(zhuǎn)，背面向上，外延所需厚度的N+外延層3，該N+外延層3即所述FS結(jié)構(gòu)，該N+外延層3的摻雜濃度大于N型漂移區(qū)的摻雜濃度；最后如圖3所示，在外延結(jié)束后，將所述半導(dǎo)體圓片I翻轉(zhuǎn)為正面向上，去除正面的所述保護(hù)層2，以確保半導(dǎo)體圓片I的正面的光潔性。
[0025]在本實(shí)施例的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式中，所述保護(hù)層2為氧化層或SiN膜。并且，正面的所述保護(hù)層2是采用濕法腐蝕而去除的。
[0026]在本實(shí)施例的另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式中，通過沉積的方法來外延所需厚度的N+外延層。
[0027]圖4示出了一種具有通過前述外延方法形成FS層的高壓IGBT，通過外延方法形成FS層后的后續(xù)步驟還包括:如圖5所示，在半導(dǎo)體圓片I的正面上生長或淀積柵氧化層4，柵氧化層4位于半導(dǎo)體圓片I的正面上，也可以通過在半導(dǎo)體圓片I的正面內(nèi)刻蝕溝槽，從而形成溝槽型的柵電極結(jié)構(gòu)；為了形成POLY柵電極層5，需要在半導(dǎo)體圓片I的正面上進(jìn)行POLY淀積，然后通過選擇性地掩蔽和刻蝕P0LY，和一定厚度的柵氧化層，就能夠形成POLY柵電極層5，P0LY柵電極層5位于柵極區(qū)的柵氧化層4上；通過POLY自對(duì)準(zhǔn)工藝在半導(dǎo)體圓片I的正面上進(jìn)行離子注入，熱擴(kuò)散以在N型漂移區(qū)內(nèi)形成P基區(qū)(P-B0DY)，所述P基區(qū)從N型漂移區(qū)的正面上向背面方向延伸，且P基區(qū)9延伸的距離小于N型漂移區(qū)的厚度，在截面上，P基區(qū)9形成包圍柵氧化層4的結(jié)構(gòu)；在半導(dǎo)體圓片I的正面上進(jìn)行離子注入，退火后在P基區(qū)9內(nèi)形成N+發(fā)射區(qū)8 ;在離子注入前，需要在半導(dǎo)體圓片I的正面上涂覆光刻膠，然后通過在光刻膠上開出離子注入的窗口，從而能夠在P基區(qū)9內(nèi)形成N+發(fā)射區(qū)8 ;離子注入并退火形成N+發(fā)射區(qū)8后，去除半導(dǎo)體圓片I正面上的光刻膠，以便進(jìn)行其它工藝步驟的操作；在POLY柵電極層5上面進(jìn)行介質(zhì)淀積，以在柵氧化層4和POLY柵電極層5的外圍淀積形成介質(zhì)層6，淀積后再通過選擇性地掩蔽和刻蝕，以形成具有規(guī)則形狀的介質(zhì)層6 ;在所述介質(zhì)層6的外圍淀積金屬，以形成發(fā)射極電極7，發(fā)射極電極7可以選擇鋁、銅或金等金屬，淀積后再通過選擇性地掩蔽和刻蝕，以形成具有規(guī)則形狀的發(fā)射極電極7，所述發(fā)射極電極7與所述P基區(qū)及所述N+發(fā)射區(qū)均電性接觸；通過在N+外延層3上進(jìn)行離子注入和退火，形成集電區(qū)P+層10 ;在集電區(qū)P+層10上淀積金屬層，形成金屬化集電極11，所述金屬化集電極11與集電區(qū)P+層10歐姆接觸；得到最終產(chǎn)品。
[0028]在本實(shí)施例的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式中，所述柵電極層5采用多晶硅；發(fā)射極電極7采用鋁硅銅、鋁、銅等；金屬化集電極11采用AL-T1-N1-Ag或T1-N1-Ag。
[0029]在本實(shí)施例的另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式中，在半導(dǎo)體圓片I的正面內(nèi)刻蝕溝槽，從而形成溝槽型的柵電極結(jié)構(gòu)。
[0030]通過本發(fā)明所提出的在N-漂移區(qū)材料上外延N+外延層作為FS結(jié)構(gòu)的方法，不但避免了或高溫長時(shí)間推阱，或昂貴的N-漂移區(qū)外延過程，或昂貴的雙面擴(kuò)散晶圓，而且又可以精確的控制FS層的厚度和摻雜濃度，實(shí)現(xiàn)了 FS結(jié)構(gòu)高壓IGBT低成本的開發(fā)。
[0031]上述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例及所運(yùn)用技術(shù)原理。本領(lǐng)域技術(shù)人員會(huì)理解，本發(fā)明不限于這里所述的特定實(shí)施例，對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員來說能夠進(jìn)行各種明顯的變化、重新調(diào)整和替代而不會(huì)脫離本發(fā)明的保護(hù)范圍。因此，雖然通過以上實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了較為詳細(xì)的說明，但是本發(fā)明不僅僅限于以上實(shí)施例，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的情況下，還可以包括更多其他等效實(shí)施例，而本發(fā)明的范圍由所附的權(quán)利要求范圍決定。
【權(quán)利要求】
1.一種在高壓IGBT中通過外延形成FS結(jié)構(gòu)的方法，該方法包括如下步驟: a、提供包括N型漂移區(qū)的高壓IGBT生產(chǎn)專用厚度的半導(dǎo)體圓片(I)； b、在所述半導(dǎo)體圓片的正面淀積一層保護(hù)層(2)，以保護(hù)背面外延工藝作業(yè)時(shí)半導(dǎo)體圓片(I)的正面； C、將所述半導(dǎo)體圓片翻轉(zhuǎn)，背面向上，外延所需厚度的N+外延層(3)，該N+外延層(3)即所述FS結(jié)構(gòu)，該N+外延層(3)的摻雜濃度大于N型漂移區(qū)的摻雜濃度； d、在外延結(jié)束后，將所述半導(dǎo)體圓片(I)翻轉(zhuǎn)為正面向上，去除正面的所述保護(hù)層(2)，以確保半導(dǎo)體圓片(I)的正面的光潔性。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于:所述保護(hù)層(2)為氧化層或SiN膜。
3.如權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于:用濕法腐蝕去除正面的所述保護(hù)層(2)。
4.如權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于:通過沉積的方法來外延所需厚度的N+外延層。
5.一種場終止結(jié) 構(gòu)高壓IGBT的生產(chǎn)方法，包括如下步驟: 步驟1、在高壓IGBT中通過外延形成FS結(jié)構(gòu)； 步驟2、在半導(dǎo)體圓片(I)的正面上生長柵氧化層(4)，柵氧化層(4)位于半導(dǎo)體圓片Cl)的正面上； 步驟3、在柵氧化層(4)柵淀積一定厚度的多晶硅層(5)，并通過選擇性的掩蔽與刻蝕形成一定規(guī)定的多晶硅柵電極層(5);多晶硅柵電極層(5)位于柵極區(qū)的柵氧化層(4)上；步驟4、在半導(dǎo)體圓片(I)的正面上通過多晶硅自對(duì)準(zhǔn)工藝進(jìn)行離子注入，熱擴(kuò)散以在N型漂移區(qū)內(nèi)形成P基區(qū)(9)，所述P基區(qū)(9)從N型漂移區(qū)的正面上向背面方向延伸，且P基區(qū)(9)延伸的距離小于N型漂移區(qū)的厚度，在截面上，P基區(qū)(9)形成包圍柵氧化層(4)的結(jié)構(gòu)； 步驟5、在半導(dǎo)體圓片(I)的正面上進(jìn)行離子注入，退火后在P基區(qū)(9)內(nèi)形成N+發(fā)射區(qū)(8)，在離子注入前，需要在半導(dǎo)體圓片(I)的正面上涂覆光刻膠，然后通過在光刻膠上開出離子注入的窗口，從而在P基區(qū)(9)內(nèi)形成N+發(fā)射區(qū)(8)，離子注入并退火形成N+發(fā)射區(qū)(8)后，去除半導(dǎo)體圓片(I)正面上的光刻膠，以便進(jìn)行其它工藝步驟的操作； 步驟6、在多晶硅柵電極層(5)上面進(jìn)行介質(zhì)淀積，以在柵氧化層(4)和多晶硅柵電極層(5)的外圍淀積形成介質(zhì)層(6)，淀積后再通過選擇性地掩蔽和刻蝕，以形成具有規(guī)則形狀的介質(zhì)層(6);以便發(fā)射極金屬電極(7)與襯底的接觸； 步驟7、在所述介質(zhì)層(6)的外圍淀積金屬，以形成發(fā)射極電極(7)，淀積后再通過選擇性地掩蔽和刻蝕，以形成具有規(guī)則形狀的發(fā)射極電極(7)，所述發(fā)射極電極(7)與所述P基區(qū)(9)及所述N+發(fā)射區(qū)(8)均電性接觸； 步驟8、通過在N+外延層(3)上進(jìn)行離子注入和退火形成集電區(qū)P+層(10); 步驟9、在集電區(qū)P+層(10)上淀積金屬層，形成金屬化集電極(11)，所述金屬化集電極(11)與集電區(qū)P+層(10)歐姆接觸； 其特征在于:在高壓IGBT中通過外延形成FS結(jié)構(gòu)時(shí)采用權(quán)利要求1~4中任一項(xiàng)所述的方法。
6.如權(quán)利要求5所述的生產(chǎn)方法，其特征在于:柵電極層(5)采用多晶硅；發(fā)射極電極(7)采用鋁硅銅、鋁、銅等；金屬化集電極(11)采用AL-T1-N1-Ag或Ti_Ni_Ag。
7.如權(quán)利要求5所述的生產(chǎn)方法，其特征在于:半導(dǎo)體圓片(I)的正面內(nèi)刻蝕溝槽，從而形成溝槽型的柵電極結(jié)構(gòu)。
8.一種具有FS結(jié)構(gòu)的高壓IGBT器件，其特征在于:所述FS結(jié)構(gòu)通過權(quán)利要求1~4中任一項(xiàng)所述的方法形成。
9.一種具有FS結(jié)構(gòu)的高壓IGBT器件，其特征在于:所述高壓IGBT器件通過權(quán)利要求5~8中任一項(xiàng)所述的 法形成。
【文檔編號(hào)】H01L29/739GK103972085SQ201310036480
【公開日】2014年8月6日 申請(qǐng)日期:2013年1月30日 優(yōu)先權(quán)日:2013年1月30日
【發(fā)明者】張碩, 黃璇, 芮強(qiáng), 王根毅, 鄧小社 申請(qǐng)人:無錫華潤上華半導(dǎo)體有限公司