CN102931228A - 逆导igbt器件及制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种逆导IGBT器件结构，包括第一导电类型漂移区，第一导电类型漂移区内设第二导电类型基区，第二导电类型基区上部设第一导电类型发射区；第二导电类型基区与第一导电类型漂移区上方设栅氧化层，在栅氧化层上设多晶栅，在多晶栅上设栅电极，在第二导电类型基区上设发射极；在、第一导电类型漂移区的背面设第二导电类型集电区和第一导电类型集电掺杂区，第一导电类型集电掺杂区位于第二导电类型集电区的一侧；在所述第一导电类型漂移区的背面淀积有第一集电金属区，第一集电金属区的一面覆盖第二导电类型集电区，第一集电金属区的另一面上淀积有第二集电金属区，第二集电金属区覆盖第二导电类型集电区和第一导电类型集电掺杂区。本发明实现了在较低温度获得较高的杂质激活率。

Description

逆导IGBT器件及制造方法

技术领域

本发明涉及一种半导体器件及其制造方法，尤其是一种逆导IGBT器件及制造方法，属于IGBT技术领域。

背景技术

IGBT为绝缘栅型双极晶体管的首字母简称，是一种压控型功率器件，作为高压开关被普遍应用。

传统的IGBT在承受反压时，集电结反偏而不能导通。逆导型IGBT就是当IGBT承受反压时，可以允许电流从发射极流向集电极。逆导型IGBT的思想节省了芯片面积、封装、测试费用，降低了器件成本。此外，它还具有低的损耗、良好的SOA（面向服务的体系结构，service-oriented architecture）特性、正的温度系数，以及良好的软关断特性、短路特性以及良好的功率循环特性。在实际的应用中，IGBT多用于驱动感性的负载。为了在IGBT关断后为感性负载提供泄放电流回路，通常在IGBT旁边反并联一个FRD（快恢复二极管）。实际上，目前市场上销售的IGBT单管及模块，多是由IGBT芯片与FRD芯片一起封装制成的。但是这种方式一方面成本比较高，一方面系统的可靠性相对较差。逆导型IGBT就是把IGBT芯片和FRD芯片集成到一个芯片里。

在常规的逆导型IGBT制备工艺中，首先是正面工艺，包括氧化、离子注入、曝光、淀积和刻蚀等形成正面的PN结、栅电极和发射极图形。然后是背面的减薄工艺和背面的离子注入,常规的IGBT背面都是P型参杂的，而逆导型IGBT是部分P型参杂，部分N型参杂的。在这种方法中，背面退火温度受正面金属Al电极能承受的最高温度的限制，一般集电极层的最高退火温度小于500℃。这种方法背面杂质的激活率较低，一般小于10%。激光退火可以避免此限制获得高的杂质激活率，然而需要昂贵的设备。和Si不同，杂质在Ge中具有较低的激活温度，一般在300℃到550℃即可完全激活。而且Ge材料和现有的IGBT制备工艺兼容，不存在沾污的问题。

在专利US20100327314中，提出了一种采用Ge/Al作为IGBT集电极的方法，在该专利中，在背面研磨和腐蚀后，淀积一层Ge薄膜和Al薄膜，然后在300℃到450℃温度下退火使得Al扩散到Ge中作为P型杂质。Al在Ge中的掺杂浓度的范围为10¹⁸～10²¹/cm³。这种方法可以降低制备的难度，并改善IGBT的开关特性。但该种方法由于需要背面金属的刻蚀，如果用湿法腐蚀的话会腐蚀到正面的金属，所以只能用干法刻蚀的方法，对工艺要求比较高。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种逆导IGBT器件及制造方法，实现了在较低温度获得较高的杂质激活率。

按照本发明提供的技术方案，所述逆导IGBT器件，在所述逆导IGBT器件的截面上，包括第一导电类型漂移区，第一导电类型漂移区具有相互平行的正面和背面；所述第一导电类型漂移区内设有第二导电类型基区，第二导电类型基区由第一导电类型漂移区的正面向背面方向延伸，且第二导电类型基区的延伸距离小于第一导电类型漂移区的厚度；所述第二导电类型基区内设有第一导电类型发射区，第一导电类型发射区位于第二导电类型基区的上部，第一导电类型发射区由第一导电类型漂移区的正面向背面方向延伸；所述第一导电类型漂移区内的第二导电类型基区通过位于第一导电类型漂移区正面上的栅氧化层以及位于栅氧化层下方的第一导电类型漂移区相隔离；所述栅氧化层位于第一导电类型漂移区正面的中心区，分别与两侧的第二导电类型基区相接触，并与两侧第二导电类型基区内相邻的第一导电类型发射区相接触；在所述栅氧化层上设有多晶栅，多晶栅的形状与栅氧化层的形状相一致；所述第二导电类型基区位于第一导电类型漂移区正面中心区的外圈，第二导电类型基区环绕多晶栅和栅氧化层；在所述第二导电类型基区上设有发射极，发射极与第二导电类型基区和该第二导电类型基区内的第一导电类型发射区相接触，在多晶栅上设有栅电极；其特征是：在所述第一导电类型漂移区的背面设有第二导电类型集电区和第一导电类型集电掺杂区，第一导电类型集电掺杂区位于第二导电类型集电区的一侧；在所述第一导电类型漂移区的背面淀积有第一集电金属区，第一集电金属区的一面覆盖第二导电类型集电区，第一集电金属区的另一面上淀积有第二集电金属区，第二集电金属区覆盖第二导电类型集电区和第一导电类型集电掺杂区。

所述第一集电金属区是由Ge淀积形成的金属薄膜。

所述第二集电金属区为Al/Ti/Ni/Ag多层金属。

所述第一导电类型发射区的浓度大于第一导电类型漂移区的浓度。

所述第二导电类型集电区的浓度大于第二导电类型基区的浓度。

所述第一导电类型集电掺杂区的浓度大于第一导电类型漂移区的浓度。

所述发射极和栅电极相隔离。

本发明所述逆导IGBT器件结构的制造方法，其特征是，采用如下制作过程：

（1）提供具有正面和背面的第一导电类型半导体基板，在第一导电类型半导体基板的正面与背面之间为第一导电类型漂移区，在第一导电类型漂移区的正面干氧氧化生长成一层栅氧化层；

（2）在低温炉管内于栅氧化层的上表面生长一层多晶层并利用光刻腐蚀出栅极形状，得到位于第一导电类型漂移区正面中心的栅氧化层和位于栅氧化层上的多晶栅，多晶栅的形状与栅氧化层的形状相一致；

（3）在第一导电类型漂移区的正面、环绕多晶栅和栅氧化层的区域中自对准注入第二导电类型离子，并进行热扩散，得到第二导电类型基区；所述第二导电类型基区由第一导电类型漂移区的正面向背面方向延伸，且第二导电类型基区的延伸距离小于第一导电类型漂移区的厚度，在截面上，栅氧化层与两侧的第二导电类型基区相接触；

（4）在第一导电类型漂移区的正面光刻出第一导电类型发射区的注入窗口，然后注入第一导电类型离子，退火后在第二导电类型基区内形成第一导电类型发射区，第一导电类型发射区的浓度大于第一导电类型漂移区的浓度，在截面上，栅氧化层与相邻两侧的第二导电类型基区内相邻的第一导电类型发射区相接触；

（5）在上述第一导电类型漂移区的正面进行金属连线制作，先在第一导电类型漂移区的正面淀积一层金属，然后用光刻腐蚀工艺腐蚀出Al的连线形貌，在多晶栅上形成栅电极，在第二导电类型基区上形成发射极，发射极与第二导电类型基区和该第二导电类型基区内的第一导电类型发射区相接触，发射极和栅电极不相接触；

（6）将上述第一导电类型漂移区的背面进行减薄至所需厚度，然后在第一导致电类型漂移区的背面注入第二导电类型离子，得到第二导电类型集电区；接着在第一导电类型漂移区的背面外延或淀积一层Ge金属薄膜，接着在该Ge金属薄膜表面注入第二导电类型离子，得到第一集电金属区；

（7）在上述第一集电金属区的外表面旋涂一层光刻胶并选择性地曝光显影，露出需要离子注入的区域；

（8）向注入离子的区域中注入第一导电类型离子形成第一导电类型集电掺杂区，第一导电类型集电掺杂区的浓度大于第一导电类型漂移区的浓度，第一导电类型集电掺杂区位于第二导电类型集电区的一侧；再进行低温激活，温度为300～500℃，时间为10～120秒；

（9）去除第一集电金属区外表面的光刻胶，在第一集电金属区的外表面蒸发形成Al/Ti/Ni/Ag多层金属，得到第二集电金属区，第二集电金属区覆盖住第一集电金属区和N+集电掺杂区；最后将N-漂移区的背面进行退火处理。

所述栅氧化层的厚度为1000Å。

所述步骤（5）中，淀积的金属厚度为4μm，淀积的金属为Al。

本发明具有以下优点：（1）本发明采用离子注入，具有精确的杂质浓度控制；（2）本发明采用Ge作为第一集电金属区的材料，在Ge/Si界面处具有大的P型掺杂浓度；（3）低温的杂质激活，在400℃下杂质即可完全激活；（4）p-Ge具有更高的载流子迁移率，并且p-Ge具有更低的接触势垒，因此IGBT具有更低的导通压降；（5）集电极透明度的控制，Ge具有更小的少数载流子寿命，在背面PN结正偏时，从N-基板注入到p-Ge中的载流子能够更快的复合，因此IGBT具有更快的关断速度。

附图说明

图1为本发明的结构剖视图。

图2～图10为本发明所述制造方法的具体工艺实施剖视图，其中：

图2为得到栅氧化层后的结构剖视图。

图3为得到多晶栅后的结构剖视图。

图4为得到第二导电类型基区后的结构剖视图。

图5为得到第一导电类型发射区后的结构剖视图。

图6为得到发射极和栅电极后的结构剖视图。

图7为得到第二导电类型集电区和第一集电金属区的结构剖视图。

图8为光刻胶曝光显影后的结构剖视图。

图9为得到第一导电类型集电掺杂区的结构剖视图。

图10为得到第二集电金属区的结构剖视图。

具体实施方式

下面结合具体附图对本发明作进一步说明。

如图1～图10所示：以N型IGBT器件为例，本发明包括N-漂移区1、栅氧化层2、多晶栅3、发射极4、栅电极5、P型基区6、N+发射区7、第一集电金属区8、N+集电掺杂区9、第二集电金属区10、P+集电区11。

如图1、图10所示，在所述IGBT器件的截面上，半导体基板包括N-漂移区1，N-漂移区1具有相互平行的正面和背面；所述N-漂移区1内设有P型基区6，P型基区6由N-漂移区1的正面向背面方向延伸，且P型基区6的延伸距离小于N-漂移区1的厚度；所述P型基区6内设有N+发射区7，N+发射区7位于P型基区6的上部，N+发射区7由N-漂移区1的正面向背面方向延伸，N+发射区7的浓度大于N-漂移区1的浓度；所述N-漂移区1内的P型基区6通过位于N-漂移区1正面上的栅氧化层2以及位于栅氧化层2下方的N-漂移区1相隔离；所述栅氧化层2位于N-漂移区1正面的中心区，分别与两侧的P型基区6相接触，并与两侧P型基区6内相邻的N+发射区7相接触；在所述栅氧化层2上设有多晶栅3，多晶栅3的形状与栅氧化层2的形状相一致；所述P型基区6位于N-漂移区1正面中心区的外圈，P型基区6环绕多晶栅3和栅氧化层2；在所述P型基区6上设有发射极4，发射极4与P型基区6和该P型基区6内的N+发射区7相接触，在多晶栅3上设有栅电极5，发射极4和栅电极5不相接触；在所述N-漂移区1的背面注入B离子形成P+集电区11，P+集电区10的浓度大于P型基区6的浓度；在所述P+集电区11的一侧注入P离子形成N+集电掺杂区9，N+集电掺杂区9的浓度大于N-漂移区1的浓度；在所述N-漂移区1的背面淀积有第一集电金属区8，第一集电金属区8的一面覆盖P+集电区11，第一集电金属区8的另一面上淀积有第二集电金属区10，第二集电金属区10覆盖P+集电区11和N+集电掺杂区9；

所述第一集电金属区8是由Ge淀积形成的金属薄膜；所述第二集电金属区10为Al/Ti/Ni/Ag多层金属；本发明采用Ge材料作为N-漂移区1背面的第一集电金属区8的材料，可以在低温下获得较高的杂质激活率，因为杂质B和P在Ge中具有较低的激活温度，一般在300℃到550℃即可完全激活。

如图2～图10所示，上述结构的IGBT器件的制造过程如下：

（1）如图2所示，提供具有正面和背面的N型半导体基板12，在N型半导体基板12的正面与背面之间为N-漂移区1，在N-漂移区1的正面干氧氧化生长成一层厚度1000Å的栅氧化层2，栅氧化层2是十分致密的氧化层；

（2）如图3所示，在低温炉管内于栅氧化层2的上表面生长一层多晶层并利用光刻腐蚀出栅极形状，得到位于N-漂移区1正面中心的栅氧化层2和位于栅氧化层2上的多晶栅3，多晶栅3的形状与栅氧化层2的形状相一致；

（3）如图4所示，在N-漂移区1的正面、环绕多晶栅3和栅氧化层2的区域中自对准注入B离子，并进行热扩散，得到P型基区6；所述P型基区6由N-漂移区1的正面向背面方向延伸，且P型基区6的延伸距离小于N-漂移区1的厚度，在截面上，栅氧化层2与两侧的P型基区6相接触；

（4）如图5所示，在N-漂移区1的正面光刻出N+发射区7的注入窗口，然后进行高浓度As离子注入，退火后在P型基区6内形成N+发射区7，N+发射区7的浓度大于N-漂移区1的浓度，在截面上，栅氧化层2与相邻两侧的P型基区6内相邻的N+发射区7相接触；

（5）如图6所示，在上述N-漂移区1的正面进行金属连线制作，先在N-漂移区1的正面淀积一层4μm厚的Al，然后用光刻腐蚀工艺腐蚀出Al的连线形貌，在多晶栅3上形成栅电极5，在P型基区6上形成发射极4，发射极4与P型基区6和该P型基区6内的N+发射区7相接触，发射极4和栅电极5不相接触；

（6）如图7所示，将上述N-漂移区1的背面进行减薄至所需厚度，然后在N-漂移区1的背面注入B离子，得到P+集电区11；接着在N-漂移区1的背面外延或淀积一层Ge金属薄膜，接着在该Ge金属薄膜表面注入B离子，得到第一集电金属区8；在Ge金属薄膜表面注入B离子，从而在Ge/Si界面处具有p型掺杂；

（7）如图8所示，在上述第一集电金属区8的外表面旋涂一层光刻胶13并选择性地曝光显影，露出需要离子注入的区域；

（8）如图9所示，向注入离子的区域中注入P离子形成N+集电掺杂区9，N+集电掺杂区9的浓度大于N-漂移区1的浓度，N+集电掺杂区9位于P+集电区11的一侧；再进行低温激活，温度为300～500℃，时间为10～120秒；

（9）如图10所示，去除第一集电金属区8外表面的光刻胶，在第一集电金属区8的外表面蒸发形成Al/Ti/Ni/Ag多层金属，得到第二集电金属区10，第二集电金属区10覆盖住第一集电金属区8和N+集电掺杂区9；最后将N-漂移区1的背面进行退火处理。

Claims (10)

1.一种逆导IGBT器件，在所述逆导IGBT器件的截面上，包括包括第一导电类型漂移区，第一导电类型漂移区具有相互平行的正面和背面；所述第一导电类型漂移区内设有第二导电类型基区，第二导电类型基区由第一导电类型漂移区的正面向背面方向延伸，且第二导电类型基区的延伸距离小于第一导电类型漂移区的厚度；所述第二导电类型基区内设有第一导电类型发射区，第一导电类型发射区位于第二导电类型基区的上部，第一导电类型发射区由第一导电类型漂移区的正面向背面方向延伸；所述第一导电类型漂移区内的第二导电类型基区通过位于第一导电类型漂移区正面上的栅氧化层以及位于栅氧化层下方的第一导电类型漂移区相隔离；所述栅氧化层位于第一导电类型漂移区正面的中心区，分别与两侧的第二导电类型基区相接触，并与两侧第二导电类型基区内相邻的第一导电类型发射区相接触；在所述栅氧化层上设有多晶栅，多晶栅的形状与栅氧化层的形状相一致；所述第二导电类型基区位于第一导电类型漂移区正面中心区的外圈，第二导电类型基区环绕多晶栅和栅氧化层；在所述第二导电类型基区上设有发射极，发射极与第二导电类型基区和该第二导电类型基区内的第一导电类型发射区相接触，在多晶栅上设有栅电极；其特征是：在所述第一导电类型漂移区的背面设有第二导电类型集电区和第一导电类型集电掺杂区，第一导电类型集电掺杂区位于第二导电类型集电区的一侧；在所述第一导电类型漂移区的背面淀积有第一集电金属区，第一集电金属区的一面覆盖第二导电类型集电区，第一集电金属区的另一面上淀积有第二集电金属区，第二集电金属区覆盖第二导电类型集电区和第一导电类型集电掺杂区。

2.如权利要求1所述的逆导IGBT器件，其特征是：所述第一集电金属区是由Ge淀积形成的金属薄膜。

3.如权利要求1所述的逆导IGBT器件，其特征是：所述第二集电金属区为Al/Ti/Ni/Ag多层金属。

4.如权利要求1所述的逆导IGBT器件，其特征是：所述第一导电类型发射区的浓度大于第一导电类型漂移区的浓度。

5.如权利要求1所述的逆导IGBT器件，其特征是：所述第二导电类型集电区的浓度大于第二导电类型基区的浓度。

6.如权利要求1所述的逆导IGBT器件，其特征是：所述第一导电类型集电掺杂区的浓度大于第一导电类型漂移区的浓度。

7.如权利要求1所述的逆导IGBT器件，其特征是：所述发射极和栅电极相隔离。

8.一种逆导IGBT器件结构的制造方法，其特征是，采用如下制作过程：

（1）提供具有正面和背面的第一导电类型半导体基板，在第一导电类型半导体基板的正面与背面之间为第一导电类型漂移区，在第一导电类型漂移区的正面干氧氧化生长成一层栅氧化层；

（2）在低温炉管内于栅氧化层的上表面生长一层多晶层并利用光刻腐蚀出栅极形状，得到位于第一导电类型漂移区正面中心的栅氧化层和位于栅氧化层上的多晶栅，多晶栅的形状与栅氧化层的形状相一致；

（3）在第一导电类型漂移区的正面、环绕多晶栅和栅氧化层的区域中自对准注入第二导电类型离子，并进行热扩散，得到第二导电类型基区；所述第二导电类型基区由第一导电类型漂移区的正面向背面方向延伸，且第二导电类型基区的延伸距离小于第一导电类型漂移区的厚度，在截面上，栅氧化层与两侧的第二导电类型基区相接触；

（4）在第一导电类型漂移区的正面光刻出第一导电类型发射区的注入窗口，然后注入第一导电类型离子，退火后在第二导电类型基区内形成第一导电类型发射区，第一导电类型发射区的浓度大于第一导电类型漂移区的浓度，在截面上，栅氧化层与相邻两侧的第二导电类型基区内相邻的第一导电类型发射区相接触；

（5）在上述第一导电类型漂移区的正面进行金属连线制作，先在第一导电类型漂移区的正面淀积一层金属，然后用光刻腐蚀工艺腐蚀出Al的连线形貌，在多晶栅上形成栅电极，在第二导电类型基区上形成发射极，发射极与第二导电类型基区和该第二导电类型基区内的第一导电类型发射区相接触，发射极和栅电极不相接触；

（6）将上述第一导电类型漂移区的背面进行减薄至所需厚度，然后在第一导致电类型漂移区的背面注入第二导电类型离子，得到第二导电类型集电区；接着在第一导电类型漂移区的背面外延或淀积一层Ge金属薄膜，接着在该Ge金属薄膜表面注入第二导电类型离子，得到第一集电金属区；

（7）在上述第一集电金属区的外表面旋涂一层光刻胶并选择性地曝光显影，露出需要离子注入的区域；

（8）向注入离子的区域中注入第一导电类型离子形成第一导电类型集电掺杂区，第一导电类型集电掺杂区的浓度大于第一导电类型漂移区的浓度，第一导电类型集电掺杂区位于第二导电类型集电区的一侧；再进行低温激活，温度为300～500℃，时间为10～120秒；

（9）去除第一集电金属区外表面的光刻胶，在第一集电金属区的外表面蒸发形成Al/Ti/Ni/Ag多层金属，得到第二集电金属区，第二集电金属区覆盖住第一集电金属区和N+集电掺杂区；最后将N-漂移区的背面进行退火处理。

9.如权利要求8所述的逆导IGBT器件结构的制造方法，其特征是：所述栅氧化层的厚度为1000Å。

10.如权利要求8所述的逆导IGBT器件结构的制造方法，其特征是：所述步骤（5）中，淀积的金属厚度为4μm，淀积的金属为Al。

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