CN103050401B - Igbt器件的背面工艺方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种IGBT器件的背面工艺方法，采用如下步骤来形成IGBT器件的集电区：在硅片背面进行第一次离子注入，注入的杂质导电类型杂质和集电区的相反、结深相同、掺杂浓度为集电区的掺杂浓度的1/10以下；在硅片背面进行用于形成集电区第二次离子注入；利用功率低于硅片的硅熔融所需功率的第一束激光对硅片背面进行第一次激光退火；利用功率为第一束激光的功率的两倍以上第二束激光对硅片背面进行第二次激光退火。本发明能使用激光退火工艺形成一个表层高激活、且具有一定结深的集电区，能满足器件的需求，且不会对器件的正面工艺产生影响。
Description
技术领域
本发明涉及一种半导体集成电路制造工艺方法，特别是涉及一种绝缘栅双极型晶体管（Insulated gate bipolar transistor，IGBT）器件的背面工艺方法。
背景技术
IGBT同时具有绝缘栅型场效应管（MOSFET）的电压控制和双极型三极管（BJT）的低导通电阻和高耐压特性，具有电压控制、输入阻抗大、驱动功率小、导通电阻小、开关损耗低等多中优异特性，被广泛应用于中、大功率电力电子系统。
IGBT是一种背面引出器件，如图1所示，是现有场中止型（Field Stop，FS）IGBT的结构示意图；包括：形成于硅片背面的由P+区组成的集电区101，形成于所述集电区101上方的由N+区组成的场阻断层（FS）102，由N-掺杂区组成的漂移区103，形成于漂移区103的N-掺杂区中的P-掺杂区组成的体区104，形成于体区104中的由N+掺杂区组成的源区，形成于是所述体区104上方的栅极106。栅极106加电压后会在体区104的表面形成N型沟道将源区105和漂移区103电连接，通过在集电区101加正高电压能够实现空穴从集电区101注入到漂移区103中使漂移区103的导通电阻降低。栅极106的电压去除后N型沟道将会关闭而使器件截止，这时漂移区103中将会承受加在集电区101上所加的正高电压，场阻断层102的此时会对漂移区103的电场产生中断作用使电场在场阻断层102降为0，而使漂移区103中的内部电场均匀并能实现较高的耐压能力。相比传统的IGBT，FS-IGBT在相同耐压的前提下，具有更好的散热特性和导通电阻，性能更为优异。但FS-IGBT制造工艺更加困难，如何形成n+区组成的场阻断层102和p+区组成的集电区101都是制造中的难点，IGBT的集电区101相当于VDMOS器件中的漏区，即用P+掺杂的集电区代替了VDMOS器件的N+漏区、或者在DMOS器件的N+漏区底部增加了一P+掺杂的集电区。
对于IGBT器件，尤其是FS-IGBT和NPT-IGBT需要在硅片背面从表面到内部依次形成由p+层集电区和n+FS缓冲层组成的两个不同掺杂的层。且由于IGBT器件通过的电流极大，且对开关应用时，瞬时的反冲电流会达到极大（>100A），因此对于p+层的表面浓度需要较高，以达到良好的欧姆接触，降低接触电阻，否则会在大电流下发生击穿烧毁，同时p+层需要具有一定的深度，保证n+缓冲层埋入本体中，能够使电场分布更平缓，承受更大的反向击穿电压，达到较好的电学特性。
现有方法通常通过外延生长（EPI）方式在硅片的背面形成由p+层和n+缓冲层组成双层结构，即通过EPI工艺在n-掺杂的硅片衬底依次成长n+缓冲层和p+层，这种方法好处是n+层，p+层的结深和掺杂浓度均可控，但成本很高，同时因为EPI的高温制程，必须在正面器件形成之前先形成背面层。
现有另一种方法是采用离子注入再加长时间的退火工艺来分别形成n+缓冲层和p+层，但是长时间退火同样会面临和EPI一样的问题，为了避免热过程对正面工艺的影响，也必须先于正面工艺形成。
上述两种方法都要求先形成背面层，然后减薄至一定厚度，再生成正面器件，这就对后续的生产制造设备和制造工艺提出了很高的要求，必须对薄片进行兼容，生产难度和成本都非常高。
为了规避上述问题，近年来一些新的退火工艺被提出，比如激光退火。激光退火通过瞬时的激光加热，使硅片表面在极短时间内被加热到超过1400℃，使掺入的杂质进行激活。可以在硅片正面器件形成后，减薄硅片在进行背面注入，以满足IGBT器件的要求。
但是激光退火的问题在于很难达到较高的激活率，文献有报道的都仅在20%～30%左右，个别理论研究中对于特定的注入条件和硅片厚度可以达到80～90%，但结深都较浅，非常靠近表面，一旦要求结深较深时，虽然可以达到一定的激活率，但表面浓度就会急剧下降，目前未有一种公开的方法可以实现表面激活率达到80%以上，且具有一定结深的激光退火方法。
如图3所示，曲线2对应于现有工艺中在硅片背面进行硼注入后，再进行较低激光能量的激光退火后形成的硼杂质在硅片中的分布图；曲线3对应于现有工艺中在硅片背面进行硼注入后，再进行较高激光能量的激光退火后形成的硼杂质在硅片中的分布图；曲线4为现有方法形成的磷杂质的分布图。可以看出，当激光能量较低时，表层激活率不高且结深较浅，当能量更高时，会产生扩散，但表面的峰值浓度会降低，总激活率和较低能量相当，无明显提高。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种IGBT器件的背面工艺方法，能使用激光退火工艺形成一个表层高激活、且具有一定结深的集电区，能满足器件的需求，且不会对器件的正面工艺产生影响。
为解决上述技术问题，本发明提供的IGBT器件的背面工艺方法，采用如下步骤来形成IGBT器件的具有第一导电类型掺杂的集电区：
步骤一、在硅片背面进行第一次离子注入，该第一次离子注入的杂质为第二导电类型杂质，所述第一次离子注入的注入深度和后续形成所述集电区的第二次离子注入的注入深度相同，所述第一次离子注入的第二导电类型杂质的掺杂浓度为所述集电区的第一导电类型杂质的掺杂浓度的1/10以下。
步骤二、在所述硅片背面进行所述第二次离子注入，所述第二次离子注入的杂质为第一导电类型杂质并用于形成所述集电区。
步骤三、利用第一束激光对所述硅片背面进行第一次激光退火，所述第一束激光的功率低于所述硅片的硅熔融所需功率，使所述第一次激光退火只对所述硅片背面的表面杂质进行退火。
步骤四、利用第二束激光对所述硅片背面进行第二次激光退火，所述第二束激光的功率为所述第一束激光的功率的两倍以上、且所述第二束激光的功率高于所述硅片的硅熔融所需功率，所述第二次激光退火通过对所述硅片产生硅熔融并产生热扩散实现对所述硅片背面的已经经过所述第一次激光退火的表面杂质以下的杂质进行退火。
进一步的改进是，步骤二中所述集电区的第一导电类型杂质体浓度为5e17原子/厘米3～1e20原子/厘米3。
进一步的改进是，步骤二中所述集电区的结深为0.5微米～1微米。
进一步的改进是，所述第二次离子注入的注入能量为1kev～50kev、注入剂量为1e14原子/厘米2～1e16原子/厘米2、注入杂质为硼。
进一步的改进是，所述第一次离子注入的注入能量为1kev～50kev、注入剂量为1e12原子/厘米2～1e14原子/厘米2、注入杂质为磷或砷，所述第一次离子注入在保持中注入剂量不变的条件下能够采用一次注入或一次以上的多次注入实现。
进一步的改进是，所述第一束激光和所述第二束激光的波长相同。
进一步的改进是，所述第一束激光和所述第二束激光的波长都为10微米～11微米。
进一步的改进是，所述第一束激光的脉宽为50纳秒～300纳秒，所述第二束激光的脉宽为50纳秒～300纳秒；所述第一束激光和所述第二束激光之间的延迟为0.5微秒～2微秒。
进一步的改进是，：所述第一束激光和所述第二束激光的功率比为1:2～1:5。
进一步的改进是，所述第一束激光的功率为1毫焦/厘米2～1.5毫焦/厘米2，所述第二束激光的功率为2毫焦/厘米2～4毫焦/厘米2。
本发明具有如下有益效果：
本发明在集电区的离子注入之前进行掺杂相反的离子注入，能在硅片的背面表面形成一个陷阱（trap）层，在陷阱层中所有杂质的有效寿命都会变得较短，有效扩散长度也较短，杂质粒子不容易在晶格中产生扩散。通过陷阱层对杂质进行限位，配合低于硅片熔融的较低能量的激光退火就能实现对硅片背面表层杂质进行充分激活。本发明第一次激光退火过程中的激光脉冲低于现有激光退火工艺中的脉冲（>500纳秒），也低于杂质在硅中的有效寿命，同时其能量低于使硅产生熔融的能量，硅的晶格保持较好，激活杂质在晶格中的扩散能力较弱，会被被限位在表层，而不产生向硅本体内的扩散，使表面达到较高的激活效率。
本发明的第二束激光的延迟远大于杂质在硅中的有效寿命，同时能量高于硅硅产生熔融的能量，使硅晶格破坏，并局部加热到1400℃以上，使第二束激光的作用主要体现为热扩散作用，此时在熔融硅片中主要对杂质发生热扩散，能使杂质在高温作用下进行扩散并对较深层次的杂质进行部分激活，使结深达到一定的深度；同时由于表层的杂质经过较低能量的激光退火已经被激活，利用杂质被激活后不会被重复多次激活的特性，能使表层已经激活的杂质在第二次高能量的激光退火过程中仅会产生轻微的热扩散，而绝大部分停留在表面，能够在硅片背面表层维持较高的被激活的掺杂浓度。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明:
图1是现有FS-IGBT的结构示意图；
图2是本发明实施例方法的流程图；
图3是本发明实施例方法和现有方法形成的背面注入的杂质浓度分布对比图。
具体实施方式
如图2所示，是本发明实施例方法的流程图；本发明实施例IGBT器件的背面工艺方法采用如下步骤来形成IGBT器件的具有P型掺杂的集电区：
步骤一、在硅片背面进行第一次离子注入，该第一次离子注入的杂质为N型杂质，所述第一次离子注入的注入深度和后续形成所述集电区的第二次离子注入的注入深度相同，所述第一次离子注入的N型杂质的掺杂浓度为所述集电区的P型杂质的掺杂浓度的1/10以下。所述第一次离子注入的注入能量为1kev～50kev、注入剂量为1e12原子/厘米2～1e14原子/厘米2、注入杂质为磷或砷，所述第一次离子注入在保持中注入剂量不变的条件下能够采用一次注入或一次以上的多次注入实现。较佳为：所述第一次离子注入的注入剂量为1e13原子/厘米2。
步骤二、在所述硅片背面进行所述第二次离子注入，所述第二次离子注入的杂质为P型杂质并用于形成所述集电区。所述集电区的P型杂质体浓度为5e17原子/厘米3～1e20原子/厘米3，所述集电区的结深为0.5微米～1微米。所述第二次离子注入的注入能量为1kev～50kev、注入剂量为1e14原子/厘米2～1e16原子/厘米2、注入杂质为硼。较佳为：所述第二次离子注入的注入剂量为5e15原子/厘米2。
步骤三、利用第一束激光对所述硅片背面进行第一次激光退火，所述第一束激光的功率低于所述硅片的硅熔融所需功率，使所述第一次激光退火只对所述硅片背面的表面杂质进行退火。所述第一束激光的波长为10微米～11微米，所述第一束激光的脉宽为50纳秒～300纳秒。所述第一束激光的功率为1毫焦/厘米2～1.5毫焦/厘米2。较佳为：所述第一束激光为由CO2激光器产生的波长为10.6微米的激光，所述第一束激光的脉宽为120纳秒。所述第一束激光的功率为1.2毫焦/厘米2。
步骤四、利用第二束激光对所述硅片背面进行第二次激光退火，所述第二束激光的功率为所述第一束激光的功率的两倍以上、且所述第二束激光的功率高于所述硅片的硅熔融所需功率，所述第二次激光退火通过对所述硅片产生硅熔融并产生热扩散实现对所述硅片背面的已经经过所述第一次激光退火的表面杂质以下的杂质进行退火。所述第一束激光和所述第二束激光的波长相同都为10微米～11微米。所述第二束激光的脉宽为50纳秒～300纳秒；所述第一束激光和所述第二束激光之间的延迟为0.5微秒～2微秒。所述第一束激光和所述第二束激光的功率比为1:2～1:5，且所述第二束激光的功率为2毫焦/厘米2～4毫焦/厘米2。较佳为：所述第一束激光的脉宽为260纳秒，所述第一束激光的功率为,2.5毫焦/厘米2，所述第一束激光和所述第二束激光之间的延迟为0.8微秒。
本发明实施例方法能使所述集电区的掺杂杂质在0.5微米内激活率达到80%以上，且在1微米内激活率达到50%以上。如图3所示，是本发明实施例方法和现有方法形成的背面注入的杂质浓度分布对比图。曲线1对应于本发明实施例方法中在硅片背面进行硼注入后，再进行两次激光退火后形成的硼杂质在硅片中的分布图，可以看出，本发明方法形成能产生一个表层高激活，且具有一定结深的p+层，满足FS-IGBT、NPT-IGBT等具有高性能要求IGBT器件对集电区的需求。
以上通过具体实施例对本发明进行了详细的说明，但这些并非构成对本发明的限制。在不脱离本发明原理的情况下，本领域的技术人员还可做出许多变形和改进，这些也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种IGBT器件的背面工艺方法，其特征在于，采用如下步骤来形成IGBT器件的具有第一导电类型掺杂的集电区：
步骤一、在硅片背面进行第一次离子注入，该第一次离子注入的杂质为第二导电类型杂质，所述第一次离子注入的注入深度和后续形成所述集电区的第二次离子注入的注入深度相同，所述第一次离子注入的第二导电类型杂质的掺杂浓度为所述集电区的第一导电类型杂质的掺杂浓度的1/10以下；所述第一次离子注入的杂质在所述硅片的背面表面形成一个陷阱层；
步骤二、在所述硅片背面进行所述第二次离子注入，所述第二次离子注入的杂质为第一导电类型杂质并用于形成所述集电区；
步骤三、利用第一束激光对所述硅片背面进行第一次激光退火，所述第一束激光的功率低于所述硅片的硅熔融所需功率，使所述第一次激光退火只对所述硅片背面的表面杂质进行退火；所述第一束激光的功率为1毫焦/厘米2～1.5毫焦/厘米2；在所属第一次激光退火过程中所述陷阱层对所述集电区的杂质进行限位并实现对所述硅片背面的所述集电区的表层杂质进行充分激活；
步骤四、利用第二束激光对所述硅片背面进行第二次激光退火，所述第二束激光的功率为所述第一束激光的功率的两倍以上、且所述第二束激光的功率高于所述硅片的硅熔融所需功率，所述第二次激光退火通过对所述硅片产生硅熔融并产生热扩散实现对所述硅片背面的已经经过所述第一次激光退火的表面杂质以下的杂质进行退火。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤二中所述集电区的第一导电类型杂质体浓度为5e17原子/厘米3～1e20原子/厘米3。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤二中所述集电区的结深为0.5微米～1微米。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述第二次离子注入的注入能量为1kev～50kev、注入剂量为1e14原子/厘米2～1e16原子/厘米2、注入杂质为硼。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述第一次离子注入的注入能量为1kev～50kev、注入剂量为1e12原子/厘米2～1e14原子/厘米2、注入杂质为磷或砷，所述第一次离子注入在保持注入剂量不变的条件下能够采用一次注入或多次注入实现。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述第一束激光和所述第二束激光的波长相同。
7.如权利要求1或6所述的方法，其特征在于：所述第一束激光和所述第二束激光的波长都为10微米～11微米。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述第一束激光的脉宽为50纳秒～300纳秒，所述第二束激光的脉宽为50纳秒～300纳秒；所述第一束激光和所述第二束激光之间的延迟为0.5微秒～2微秒。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述第一束激光和所述第二束激光的功率比为1:2～1:5。
10.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述第二束激光的功率为2毫焦/厘米2～4毫焦/厘米2。
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