CN102420133B

CN102420133B - Igbt器件的制造方法

Info

Publication number: CN102420133B
Application number: CN 201110295394
Authority: CN
Inventors: 肖胜安; 王海军; 刘坤
Original assignee: Shanghai Hua Hong NEC Electronics Co Ltd
Current assignee: Shanghai Huahong Grace Semiconductor Manufacturing Corp
Priority date: 2011-09-30
Filing date: 2011-09-30
Publication date: 2013-07-24
Anticipated expiration: 2031-09-30
Also published as: CN102420133A

Abstract

本发明公开了一种IGBT器件的制造方法，硅片背面用于形成p型重掺杂集电区的离子注入步骤、以及部分或全部的退火步骤均在硅片正面淀积表面金属的步骤之前；硅片背面形成p型重掺杂集电区之后，在该p型重掺杂集电区的背面淀积一层二氧化硅。该方法消除了对硅片背面p型离子退火的温度限制，易于获得高激活率。同时可以让p型重掺杂集电区中的p型杂质分布优化。一方面易于与背面金属形成好的欧姆接触，另一方面有利于控制PNP的发射效率并改善IGBT器件的交流特性。

Description

IGBT器件的制造方法

技术领域

本发明涉及一种功率半导体器件，特别是涉及一种IGBT（InsulatedGate Bipolar Transistor，绝缘栅双极晶体管）器件。

背景技术

VDMOS（Vertical double diffused MOSFET，垂直双扩散MOS晶体管）器件在其飘移区（n型中低掺杂区）之下为n型重掺杂区。如果将该n型重掺杂区改为p型重掺杂区，并且在器件反向击穿发生时还有部分n型中低掺杂区（漂移区）没有被耗尽，则形成了NPT型IGBT器件。如果将NPT型IGBT器件的n型中低掺杂区（漂移区）厚度减薄，在器件反向击穿发生时所有的n型中低掺杂区（漂移区）都被耗尽，且在在n型中低掺杂区（漂移区）与p型重掺杂区之间插入一层掺杂浓度比n型中低掺杂区（漂移区）高的n型层，则形成了场阻断型IGBT器件。

IGBT器件中，新增加的p型重掺杂区与其上方的n型中低掺杂区（或n型层）的交界处形成了一个PN结。该PN结在IGBT器件导通时向基区注入空穴，产生基区电导调制效应，从而大大提高了器件的电流处理能力。

IGBT器件的现有制造方法一般是在硅片正面工艺全部完成之后，再将硅片从背面减薄，之后在硅片背面进行p型杂质的离子注入（对于场阻断型IGBT器件，减薄后需要进行n型杂质的离子注入和p型杂质的离子注入）。离子注入之后还需要激活所注入的p型杂质离子并修复离子注入损伤，一般希望采用高温退火工艺。由于这时硅片正面已经有了金属铝，因此退火工艺的温度不能高于500℃，一般为400～450℃。而该温度下p型杂质（场阻断型IGBT器件还包括n型杂质）离子的激活率很低，影响器件的性能。

为此又有一种改进方案，将高温退火工艺改为激光退火（Laserannealing）工艺。其可实现仅在硅片背面一定厚度的区域内实现高温，不影响硅片正面。这便实现了p型杂质离子（有时包括n型杂质离子）的高效率激活。但激光退火工艺需要使用特殊的专用设备，成本较高。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种IGBT器件的新制造方法，该制造方法无需采用成本较高的激光退火工艺，但一样可以对硅片背面的p型杂质离子注入进行良好的激活。

为解决上述技术问题，本发明IGBT器件的制造方法为：

硅片背面用于形成p型重掺杂集电区的离子注入步骤、以及部分或全部的退火步骤均在硅片正面淀积表面金属的步骤之前；（为了在硅片背面形成p型重掺杂集电区，必须采用离子注入步骤和退火步骤。通常硅片背面在离子注入后仅采用一次退火工艺，那么这一次的退火工艺放在硅片正面淀积表面金属的步骤之前。如果硅片背面在离子注入后采用多次退火工艺，那么至少有一次的退火工艺放在硅片正面淀积表面金属的步骤之前）

硅片背面形成p型重掺杂集电区之后，在该p型重掺杂集电区的背面淀积一层二氧化硅，使得所述p型重掺杂集电区的掺杂浓度是不均匀的；在所述p型重掺杂集电区与背面金属接触处p型杂质的掺杂浓度最高，在所述p型重掺杂集电区与n型硅的接触处p型杂质的掺杂浓度最低。

本发明IGBT器件的制造方法将硅片背面p型离子注入的步骤提前到硅片正面淀积表面金属的步骤之前，从而消除了对硅片背面p型离子退火的温度限制，易于获得高激活率。同时由于不受硅片正面具有金属的限制，使得硅片背面在离子注入之后的退火工艺的温度和时间均不受限制，使高能量、大剂量的p型离子注入易于实现，并易于得到p型杂质的不同掺杂浓度分布。

本发明IGBT器件的制造方法中，采用二氧化硅覆盖硅片背面的p型重掺杂集电区，在保护的同时，利用p型杂质（例如硼）易于集中在硅-二氧化硅界面的特性，可以让p型重掺杂集电区中的p型杂质分布优化——与背面金属接触的界面具有高掺杂浓度，与n型硅接触的界面具有低掺杂浓度。一方面易于与背面金属形成好的欧姆接触，另一方面有利于控制PNP的发射效率并改善IGBT器件的交流特性。

附图说明

图1是一种场阻断型IGBT器件的剖面图；

图2a～图2h为本发明IGBT的制造方法的各步骤剖面图；

图3是一种NPT型IGBT器件的剖面图；

图4a、图4b是场阻断型IGBT器件和NPT型IGBT器件的杂质分布比较图。

图中附图标记说明：

1为n型基区；2、2b为保护层；3为n型重掺杂场阻断层；4为p型重掺杂集电区；5为栅氧化层；6、6b为多晶硅；7为p阱；8为n型重掺杂源区；9、9b为介质层；10为接触孔电极；11为p型重掺杂接触区；12为表面金属；14为背面金属。

具体实施方式

IGBT器件可以分为三种类型：PT型（punch through）、NPT型（non-punchthrough）、场阻断型（field stop）。

请参阅图1，这是一种场阻断型IGBT器件的剖面图。

图1所示的场阻断型IGBT器件的本发明制造方法包括如下步骤：

初始状态，请参阅图2a，硅片1的厚度例如为700μm，其中掺杂有n型杂质，掺杂浓度例如为2.4×10¹³atoms/cm³（原子每立方厘米），对应于此n型掺杂的硅片1的电阻率例如为180Ω·cm（欧姆·厘米）。

第1步，请参阅图2b，在硅片1的正面淀积一层介质2，例如为二氧化硅，用于保护硅片1的正面，再将硅片1从背面减薄。所淀积的二氧化硅层2的厚度例如为

对硅片1减薄例如采用化学机械研磨（CMP）工艺，减薄后的硅片1的厚度例如为400～550μm。

第2步，对硅片1的背面进行湿法腐蚀工艺，用来将研磨过程中产生的表面缺陷、划痕等除去。

第3步，请参阅图2c，在硅片1的背面采用离子注入和退火工艺形成场阻断层3。离子注入的杂质为n型，例如为磷、砷等。离子注入的能量为50～100KeV，剂量为1×10¹¹～5×10¹³atoms/cm²。退火工艺例如为高温退火，用于将离子注入的n型杂质扩散，形成厚度为5～40μm的n型重掺杂场阻断区3。

第4步，请参阅图2d，在硅片1的背面淀积一层介质2b，作为硅片背面的保护层。

第5步，接下来进行硅片正面的工艺，由于类似于VDMOS器件已熟知的工艺流程，因此只简单介绍。包括：首先去除硅片正面的保护层2，接着在硅片1中通过离子注入和退火工艺形成p阱7，在硅片1之上通过热氧化生长工艺形成一层栅氧化层5，在栅氧化层5之上淀积一层多晶硅6用于制造栅极，在多晶硅层6之上淀积一层介质层9。

第6步，请参阅图2e，将硅片背面的保护层2b去除（也可以保留该保护层2b，但将该保护层2b减薄至

以下）。

第7步，请参阅图2f，对n型重掺杂场阻断区3的背面进行p型杂质的离子注入，形成p型重掺杂集电区4。离子注入的p型杂质例如为硼（B）、二氟化硼（BF₂ ⁺）等含有硼元素的杂质。离子注入的能量例如为20～300KeV，剂量例如为1×10¹⁴～5×10¹⁵atoms/cm²。

第8步，请参阅图2g，在硅片背面依次淀积一层介质9b和一层多晶硅6b。所淀积的介质9b优选为二氧化硅，厚度例如为

这一步也可以仅在硅片背面淀积一层介质9b，所淀积的介质9b优选为二氧化硅，厚度例如为以上。

第9步，接下来再次进行硅片正面的工艺，由于类似于VDMOS器件已熟知的工艺流程，因此只简单介绍。包括：首先去除硅片正面的介质层9（如果介质层9之上还有其他层，一并去除），接着采用光刻和刻蚀工艺形成多晶硅栅极6，采用离子注入和退火工艺在多晶硅栅极6两侧下方的p阱7中形成n型重掺杂源区8，再淀积一层介质9c包围多晶硅栅极6的侧面和顶面，在介质层9c中刻蚀接触孔，在接触孔底部通过离子注入和退火工艺在p阱7中形成p型重掺杂接触区11，采用淀积金属和平坦化工艺（例如钨塞工艺）在通孔中形成接触孔电极10，最后在硅片表面淀积一层表面金属12作为发射极。这些步骤都完成后的硅片剖面如图2h所示。

第10步，请参阅图1，首先去除硅片背面的多晶硅层6b和介质层9b，接着在硅片背面淀积一层背面金属14，与p型重掺杂集电区4相接触，作为集电极。

请参阅图3，这是一种NPT型IGBT器件的剖面图。与图1所示的场阻断型IGBT器件相比，区别仅是：去除了n型重掺杂场阻断区3。

对于图3所示的NPT型IGBT器件，本发明给出两种制造方法。

第一种制造方法与图1所示的场阻断型IGBT器件的制造方法仅具有如下区别：

其一，将场阻断型IGBT器件的制造方法第1步中，对硅片1减薄之后的厚度增大，减薄后的硅片1的厚度例如为500～700μm。

其二，去除场阻断型IGBT器件的制造方法第3步。

其三，将场阻断型IGBT器件的制造方法第7步中，p型杂质离子注入的位置由n型重掺杂场阻断区3改为n型基区1，从而在n型基区1的背面形成p型重掺杂集电区4。杂质类型、注入能量、剂量等均不变。

第二种制造方法将图1所示的场阻断型IGBT器件的制造方法中的第3、4、6步去除，剩余各步骤顺序打乱，按照如下顺序进行：第5步（无需去除硅片正面的保护层）——>第1步（减薄后的硅片1的厚度例如为500～700μm）——>第2步——>第7步（p型杂质离子注入的位置由n型重掺杂场阻断区3改为n型基区1）——>第8步——>第9步——>第10步。

上述场阻断型IGBT器件的制造方法中，在硅片背面形成p型重掺杂集电区4的步骤（第7步）是在用于形成栅极的多晶硅层6（第5步的一部分）完成之后进行的。作为一种可替换的方案，硅片背面形成p型重掺杂集电区4的步骤（第7步）可以更换执行顺序，只要在硅片正面的表面金属12淀积的步骤（第9步的一部分）之前即可。上述两种NPT型IGBT器件的制造方法中，情况与之相同。

上述场阻断型IGBT器件的制造方法的第7步中，在硅片背面进行p型杂质的离子注入之后，还需要激活所注入的p型杂质离子并修复离子注入损伤。可以采用高温退火工艺或快速热退火（RTA）工艺，退火工艺的温度大于或等于500℃。如果采用高温退火工艺，温度例如可设为800～1000℃。如果采用快速热退火工艺，可以单独为激活p型杂质离子而进行，也可以与其他步骤中为激活n型杂质离子而一起进行。例如，第三步在硅片背面形成n型杂质离子注入（用于形成n型重掺杂场阻断区3）后先不进行退火，等第7步的p型杂质离子注入（用于形成p型重掺杂集电区4）后一起进行快速热退火工艺。上述两种NPT型IGBT器件的制造方法中，情况与之相同。

图1所示的场阻断型IGBT器件在从硅片正面到背面的反向高度上（图中虚线箭头方向）各部分结构的掺杂浓度（不区分n型、p型）如图4a所示，其中横坐标0表示为n型基区1的上表面，A表示p阱7的下表面、B表示n型场阻断区3的上表面、C表示p型重掺杂集电区4的上表面、D表示背面金属14的上表面（本申请文件中的“上”、“下”均以图1或图3所示方向为准）。

图3所示的NPT型IGBT器件在从硅片正面到背面的反向高度上（图中虚线箭头方向）各部分结构的掺杂浓度（不区分n型、p型）如图4b所示，其中横坐标含义与图4a相同，只是没有了B点。

上述场阻断型IGBT器件的制造方法的第8步中，在硅片背面淀积一层介质9b直接接触p型重掺杂集电区4的下表面，该介质层9b优选为20～

厚度的二氧化硅。由于p型杂质（例如硼原子）倾向于聚集在硅和二氧化硅的交界面处，因此在p型重掺杂集电区4中，下表面处p型杂质的掺杂浓度最高，表现为图4a、图4b中D点的掺杂浓度最高，可达到1×10¹⁸～5×10²⁰atoms/cm³；上表面处p型杂质的掺杂浓度最低，表现为图4a、图4b中C点的掺杂浓度最低，可低至3×10¹³～1×10¹⁷atoms/cm³。前者有利于p型重掺杂集电区4与背面金属14之间形成良好的欧姆接触，后者可以减少由于过多的p型杂质离子注入带来的IGBT器件关断速度慢的问题，并有利于提高IGBT器件的抗闩锁效应。上述两种NPT型IGBT器件的制造方法中，情况与之相同。

本发明所述的IGBT器件及其制造方法中，各部分结构的掺杂类型（n型、p型）变为相反，也是可行的。

以上仅为本发明的优选实施例，并不用于限定本发明。对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种IGBT器件的制造方法，其特征是，硅片背面用于形成p型重掺杂集电区的离子注入步骤、以及部分或全部的退火步骤均在硅片正面淀积表面金属的步骤之前；

2.根据权利要求1所述的IGBT器件的制造方法，其特征是，所述在p型重掺杂集电区的背面淀积的二氧化硅的厚度为

3.根据权利要求1所述的IGBT器件的制造方法，其特征是，所述硅片背面用于形成p型重掺杂集电区的退火步骤的温度大于或等于500℃。

4.根据权利要求1所述的IGBT器件的制造方法，其特征是，所述p型重掺杂集电区的的掺杂浓度的最高值为1×10¹⁸～5×10²⁰atoms/cm³。

5.根据权利要求1所述的IGBT器件的制造方法，其特征是，所述p型重掺杂集电区的掺杂浓度的最低值为3×10¹³～1×10¹⁷atoms/cm³。

6.根据权利要求1所述的IGBT器件的制造方法，其特征是，所述IGBT器件为场阻断型，所述制造方法包括如下步骤：

第1步，在硅片正面淀积一层介质，再将硅片从背面减薄；

第2步，对硅片背面进行湿法腐蚀工艺；

第3步，在硅片的背面采用离子注入和退火工艺形成n型重掺杂场阻断区；

第4步，在硅片背面淀积一层介质；

第5步，进行硅片正面的工艺，包括：去除硅片正面第1步淀积的介质，接着在硅片中形成p阱，在硅片之上形成栅氧化层，在栅氧化层之上淀积一层多晶硅，在多晶硅层之上淀积一层介质层；

第6步，将硅片背面第4步淀积的介质去除或减薄；

第7步，在n型重掺杂场阻断区的背面形成p型重掺杂集电区；

第8步，在硅片背面淀积一层二氧化硅；

第9步，再进行硅片正面的工艺，包括：去除硅片正面第5步淀积的介质，接着刻蚀形成多晶硅栅极，在p阱中形成n型重掺杂源区，再淀积一层介质包围多晶硅栅极的侧面和顶面，在新淀积的介质中刻蚀接触孔，在接触孔底部形成p型重掺杂接触区，在接触孔中形成接触孔电极，最后在硅片表面淀积一层表面金属；

第10步，先去除硅片背面第8步淀积的介质，接着在硅片背面淀积一层背面金属。

7.根据权利要求1所述的IGBT器件的制造方法，其特征是，所述IGBT器件为NPT型，所述制造方法包括如下步骤：

第1步，在硅片正面淀积一层介质，再将硅片从背面减薄；

第2步，对硅片背面进行湿法腐蚀工艺；

第3步，在硅片背面淀积一层介质；

第4步，进行硅片正面的工艺，包括：去除硅片正面第1步淀积的介质，接着在硅片中形成p阱，在硅片之上形成栅氧化层，在栅氧化层之上淀积一层多晶硅，在多晶硅层之上淀积一层介质层；

第5步，将硅片背面第3步淀积的介质去除或减薄；

第6步，在硅片的背面形成p型重掺杂集电区；

第7步，在硅片背面淀积一层二氧化硅；

第8步，再进行硅片正面的工艺，包括：去除硅片正面第4步淀积的介质，接着刻蚀形成多晶硅栅极，在p阱中形成n型重掺杂源区，再淀积一层介质包围多晶硅栅极的侧面和顶面，在新淀积的介质中刻蚀接触孔，在接触孔底部形成p型重掺杂接触区，在接触孔中形成接触孔电极，最后在硅片表面淀积一层表面金属；

第9步，先去除硅片背面第7步淀积的介质，接着在硅片背面淀积一层背面金属。

8.根据权利要求1所述的IGBT器件的制造方法，其特征是，所述IGBT器件为NPT型，所述制造方法包括如下步骤：

第1步，进行硅片正面的工艺，包括：在硅片中形成p阱，在硅片之上形成栅氧化层，在栅氧化层之上淀积一层多晶硅，在多晶硅层之上淀积一层介质层；

第2步，在硅片正面淀积一层介质，再将硅片从背面减薄；

第3步，对硅片背面进行湿法腐蚀工艺；

第4步，在硅片的背面形成p型重掺杂集电区；

第5步，在硅片背面淀积一层二氧化硅；

第6步，再进行硅片正面的工艺，包括：去除硅片正面第2步淀积的介质，接着刻蚀形成多晶硅栅极，在p阱中形成n型重掺杂源区，再淀积一层介质包围多晶硅栅极的侧面和顶面，在新淀积的介质中刻蚀接触孔，在接触孔底部形成p型重掺杂接触区，在接触孔中形成接触孔电极，最后在硅片表面淀积一层表面金属；

第7步，先去除硅片背面第5步淀积的介质，接着在硅片背面淀积一层背面金属。

9.根据权利要求1～8中任何一项所述的IGBT器件的制造方法，其特征是，将各部分结构的掺杂类型变为相反。