CN103700589A - 场中止型绝缘栅型双极晶体管的制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及场中止型绝缘栅型双极晶体管的制造方法。该方法依次具备下述步骤：形成第一衬底的第一衬底形成步骤；在所述第一衬底的背面形成终止层的终止层形成步骤；将所述第一衬底通过所述终止层与规定厚度的第二衬底利用直接键合方式键合在一起的键合步骤；将所述第一衬底的厚度减薄的减薄步骤；以及在所述第一衬底形成IGBT的正面结构的正面结构形成步骤；以所述终止层为重点去除所述第二衬底的第二衬底去除步骤；去除所述终止层的终止层去除步骤。根据本发明的上述方法，能与现有的常规工艺兼容，工艺简单、效率高、无需专用的设备，能够答复降低工艺成本。
Description
技术领域
本发明涉及集成电路制造领域，尤其涉及一种利用直接键合方式制造场中止型（Field Stop，简称为FS型）绝缘栅型双极晶体管（Insulated Gate
Bipolar Transistor，简称为IGBT）的制造方法。
背景技术
IGBT是由BJT(双极型三极管)和MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件，兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点。GTR饱和压降低，载流密度大，但驱动电流较大；MOSFET驱动功率很小，开关速度快，但导通压降大，载流密度小。IGBT综合了以上两种器件的优点，驱动功率小而饱和压降低。
在IGBT中，有一种可以有效降低产品的导通压降和应用温度的FS（Field Stop，场中止）型IGBT。FS型IGBT的制备难点为背面N+ 缓冲层（即Field
Stop层）的制备，现有制备方法有两种：第一种，先利用注入或预扩和高温推阱制备背面N+
缓冲层层之后再制备正面结构工艺，对于低压IGBT（1700V以下）正面结构制备前就需要将圆片减薄到200um以下，这就要求生产线有薄片通线能力，因此需要专用的薄片流通设备；第二种，先完成正面结构制备再完成背面N+ 缓冲层，而这需要专用的高能离子注入设备或特殊元素注入，这种设备注入能量高达1~8Mev。
不论上述哪种方式都需要价格高昂的专用设备，增加了FS型IGBT 的工艺制造成本。
发明内容
本发明鉴于上述问题提出一种无需专用的制备设备、能够与常规工艺兼容且工艺简单的制造场中止型绝缘栅型双极晶体管（即，FS型IGBT）的制造方法。
本发明的场中止型绝缘栅型双极晶体管的制造方法，其特征在于，依次具备下述步骤：
形成第一衬底的第一衬底形成步骤；
在所述第一衬底的背面形成终止层的终止层形成步骤；
将所述第一衬底通过所述终止层与规定厚度的第二衬底利用直接键合方式键合在一起的键合步骤；
将所述第一衬底的厚度减薄的减薄步骤；以及
在所述第一衬底形成IGBT的正面结构的正面结构形成步骤；
以所述终止层为重点去除所述第二衬底的第二衬底去除步骤；
去除所述终止层的终止层去除步骤。
优选地，在所述键合步骤中，所采用的第二衬底的规定厚度为使得在所述减薄步骤之后的所述第一衬底、所述第二衬底、所述终止层的厚度总和为常规的硅片厚度。
优选地，所述常规的硅片厚度为100～800μm。
优选地，所述第一衬底形成步骤依次包括下述步骤：
在第一导电类型的衬底背面形成第一导电类型的漂移层；
在所述第一导电类型的漂移层下表面形成第一导电类型层；以及
在第一导电类型层的下表面形成第二导电类型层。
优选地，在所述第二衬底去除步骤中依次包括下述步骤：
将所述第二衬底减薄；
利用湿法腐蚀所述第二衬底，腐蚀停止到所述终止层为止。
优选地，在所述终止层形成步骤中，利用热氧化或者CVD淀积等的方式形成终止层。
优选地，在所述终止层形成步骤中，形成厚度为200～50000Å的终止层。
优选地，在所述减薄步骤中，将所述第一导电类型的漂移层（101）减薄到10～600μm。
优选地，在所述终止层去除步骤中，利用湿法腐蚀去除所述终止层。
优选地，所述终止层是氧化物层，所述第一导电类型是N型，所述第二导电类型是P型。
根据上述本发明的场中止型绝缘栅型双极晶体管的制造方法，通过采用直接键合方式（SDB）制造FS型IGBT，键合的硅片厚度与常规的硅片厚度一致，因此，能够与现有的常规工艺兼容，不需要薄片设备就能够采用常规产品的工艺线来制造超薄的FS型的IGBT，具有工艺简单、成本低、效率高的优点。
附图说明
图1、图2、图3表示本发明实施例的场中止型绝缘栅型双极晶体管的制造方法中形成第一衬底100的示意图。
图4是表示本发明实施例的场中止型绝缘栅型双极晶体管的制造方法中形成了终止层200的示意图。
图5是表示本发明实施例的场中止型绝缘栅型双极晶体管的制造方法中形成了第二衬底300的示意图。
图6是表示本发明实施例的场中止型绝缘栅型双极晶体管的制造方法中对第一衬底100中的第一导电类型的漂移层101进行了减薄处理后的示意图。
图7是表示本发明实施例的场中止型绝缘栅型双极晶体管的制造方法中在第一衬底100形成IGBT正面结构的示意图。
图8是表示本发明实施例的场中止型绝缘栅型双极晶体管的制造方法中去除了第二衬底200后的示意图。
图9是表示本发明实施例的场中止型绝缘栅型双极晶体管的制造方法中去除了终止层300后的示意图。
具体实施方式
下面介绍的是本发明的多个实施例中的一些，旨在提供对本发明的基本了解。并不旨在确认本发明的关键或决定性的要素或限定所要保护的范围。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明作进一步的详细描述。
图1、图2、图3表示本发明实施例的场中止型绝缘栅型双极晶体管的制造方法中形成第一衬底100的示意图。图4是表示本发明实施例的场中止型绝缘栅型双极晶体管的制造方法中形成了终止层200的示意图。图5是表示本发明实施例的场中止型绝缘栅型双极晶体管的制造方法中形成了第二衬底300的示意图。图6是表示本发明实施例的场中止型绝缘栅型双极晶体管的制造方法中对第一衬底100中的第一导电类型的漂移层101进行了减薄处理后的示意图。图7是表示本发明实施例的场中止型绝缘栅型双极晶体管的制造方法中在第一衬底100形成IGBT正面结构的示意图。图8是表示本发明实施例的场中止型绝缘栅型双极晶体管的制造方法中去除了第二衬底200后的示意图。图9是表示本发明实施例的场中止型绝缘栅型双极晶体管的制造方法中去除了终止层300后的示意图。
下面参照图1～图9对于本发明的场中止型绝缘栅型双极晶体管的制造方法进行具体说明。
第一步：如图1所示，对形成有第一导电类型的漂移层101的硅片进行注入或预扩，制备下述的第一导电类型层102。在本实施方式中，第一导电类型的漂移层101为N－漂移层，102为N+层。在注入过程中可以通过注入P或As等来制备作为第一导电类型层102的N+层。
第二步：如图2所示在完成图1所示的第一步后，对硅片进行推阱，控制推阱温度及时间制备出厚度符合需求的第一导电类型层102，在本实施方式中为N+层，N+层作为FS型IGBT的电场截止层。
第三步：如图3所示，在硅片的背面，即第一导电类型层102的下表面形成集电极层103。在本实施方式中，集电极层103是P＋层，它作为IGBT的集电极。形成集电极层103的方式有例如注入方式或是扩散方式。在本发明中将形成有第一导电类型的漂移层101、第一导电类型层102、集电极层103的硅片称作为第一衬底100。
第四步：如图4所示，在第一衬底100的背面，即集电极层103的下表面形成终止层200。在本发明中，作为终止层200，利用热氧化或是CVD淀积方式形成一层氧化物层。终止层200的厚度可以设计为200~50000Å，但对此不做限定，可以按实际需求来设计其厚度。在本发明中，由氧化物构成的终止层200将在后续的第八步中作为去除下述的第二衬底300时的腐蚀停止终点，利用该终止层200能够准确地控制腐蚀减薄的厚度。
第五步：如图5所示，利用直接键合方式（Silicon Direct
Bonding，简称SDB）把第一衬底100和第二衬底300键合在一起。这里，第二衬底300的厚度设计为，要使得在下述的第六步完成后的整个硅片的厚度为常规硅片的厚度（这里的常规硅片是指一般的硅片，非超薄的硅片，例如，常规的硅片厚度为100～800μm）。这是因为超薄的FS型IGBT相比于一般的IGBT，其硅片的厚度是超薄的，因此一般制造FS型IGBT是需要特殊的薄片设备才能完成，而在本发明中通过键合第二衬底300，能够暂时将较薄的第一衬底100变换成较厚的硅片，这样，就能够利用一般厚片（常规硅片）的制造设备来制造超薄型的IGBT，而不需要另行采用薄片设备，因此，具有能够与现有的常规工艺兼容、降低生产成本的优点。
直接键合方式是指两硅片通过高温处理直接键合在一起，不需要任何粘结剂和外加电场、工艺简单，这种键合技术也称为硅-硅直接键合。
直接键合的工艺如下：
（1）将两枚衬底（在本发明中是形成有终止层200的第一衬底100以及第二衬底300）经含OH的溶液浸泡处理；
（2）在室温下将两枚衬底贴合在一起；
（3）将贴合好的两枚衬底在氧气或氮气环境中经数小时的高温处理，这样就形成了良好的键合。
直接键合的机理可用三个阶段的键合过程加以描述。
第一阶段，从室温到200°C，两衬底的硅片表面吸附OH团，在相互接触区产生氢键。在200°C时，形成氢键的两硅片的硅醇键之间发生聚合反应，产生水及硅氧键，即
Si-OH+HO-Si→ Si-O-Si+H2O。
到400°C时，聚合反应基本完成。
第二阶段温度在500~800°C范围内，在形成硅氧键时产生的水向SiO2中的扩散不明显，而OH团可以破坏桥接氧原子的一个键使其转变为非桥接氧原子，即：
HOH+Si-O-Si=2 +2Si- 。
第三阶段，温度高于800°C后，水向SiO2中扩散变得显著，而且随温度的升高扩散量成指数增大。键合界面的空洞和间隙处的水分子可在高温下扩散进入四周SiO2中，从而产生局部真空，这样硅片会发生塑性变形使空洞消除。同时，此温度下的SiO2粘度降低，会发生粘滞流动，从而消除了微间隙。超过1000°C时，邻近原子间相互反应产生共价键，使键合得以完成。
另外，在一般的直接键合工艺中，要求对两枚键合衬底的键合面做平整化处理以保证在键合面不会产生空洞、凹凸等问题。而在本发明中，由于形成有终止层200（即氧化层），在直接键合时，该氧化层能够作为隔离层降低第二衬底层的杂质离子、键合时产生空洞及缺陷等对第一导电类型层102的影响，因此，通过设置终止层200，降低了对直接键合的工艺要求，简化了工艺步骤。
第六步：如图6所示，在直接键合之后，对第一导电类型的漂移层101进行减薄，减薄到设计FS型IGBT所需要的厚度，例如10～600μm。然后，对该减薄后的第一导电类型的漂移层101进行CMP平坦化，以方便在第一衬底100正面制备IGBT的正面结构。
第七步：在硅片的正面制备IGBT的正面结构。作为IGBT的正面结构的一个示例，如图7所示IGBT的正面结构从下至上包括：Pbody 401、N＋层402、栅极氧化层403、栅电极poly层404、介质层405以及金属层406。
第八步：在形成了IGBT的正面结构之后，如图8所示，去除第二衬底300。去除第二衬底300的具体步骤包括：先将第二衬底300的厚度减薄；再将厚度减薄后的第二衬底300用湿法腐蚀方式进行去除。在用湿法腐蚀方式去除的第二衬底300的过程中，以终止层200为腐蚀终点，使得腐蚀停止于该终止层，由此，能够精确地去除全部的第二衬底300，因此，能够利用终止层200准确地控制腐蚀的厚度。
第九步：在去除了第二衬底300之后，如图9所示，利用湿法腐蚀去除背面的终止层200，从而得到完成的FS型IGBT。
另外，在本实施方式中，第一导电类型是N型，第二导电类型是P型，作为其他变换实施方式，也可以是第一导电类型是P型，第二导电类型是N型。
根据上述本发明的场中止型绝缘栅型双极晶体管的制造方法，通过采用直接键合方式制造FS型IGBT，在制造过程中键合之后的硅片厚度与常规的硅片厚度一致，因此，能够与现有的常规工艺兼容，不需要薄片设备就能够采用常规产品的工艺线来制造超薄的FS型的IGBT。而且，通过形成终止层200，能够准确地控制减薄腐蚀的厚度，该终止层200在直接键合方式中能够作为隔离层防止键合的界面态、空洞、杂质离子对第一导电类型层102的负面影响，并且能够降低直接键合中对需要键合的硅片的键合面的要求。基于以上内容，本发明的场中止型绝缘栅型双极晶体管的制造方法具有工艺简单、成本低、效率高的优点。
以上例子主要说明了本发明利用直接键合方式制造FS型IGBT的制造方法。尽管只对其中一些本发明的具体实施方式进行了描述，但是本领域普通技术人员应当了解，本发明可以在不偏离其主旨与范围内以许多其他的形式实施。因此，所展示的例子与实施方式被视为示意性的而非限制性的，在不脱离如所附各权利要求所定义的本发明精神及范围的情况下，本发明可能涵盖各种的修改与替换。
Claims (10)
1.一种场中止型绝缘栅型双极晶体管的制造方法，其特征在于，依次具备下述步骤：
形成第一衬底（100）的第一衬底形成步骤；
在所述第一衬底（100）的背面形成终止层（200）的终止层形成步骤；
将所述第一衬底（100）通过所述终止层（200）与规定厚度的第二衬底（300）利用直接键合方式键合在一起的键合步骤；
将所述第一衬底（100）的厚度减薄的减薄步骤；以及
在所述第一衬底（100）形成IGBT的正面结构的正面结构形成步骤；
以所述终止层（200）为重点去除所述第二衬底（200）的第二衬底去除步骤；
去除所述终止层（200）的终止层去除步骤。
2.如权利要求1所述的场中止型绝缘栅型双极晶体管的制造方法，其特征在于，
在所述键合步骤中，所采用的第二衬底的规定厚度为使得在所述减薄步骤之后的所述第一衬底、所述第二衬底、所述终止层的厚度总和为常规的硅片厚度。
3.如权利要求2所述的场中止型绝缘栅型双极晶体管的制造方法，其特征在于，
所述常规的硅片厚度为100～800μm。
4.如权利要求2所述的场中止型绝缘栅型双极晶体管的制造方法，其特征在于，
所述第一衬底形成步骤依次包括下述步骤：
在第一导电类型的衬底背面形成第一导电类型的漂移层（101）；
在所述第一导电类型的漂移层下表面形成第一导电类型层（102）；以及
在第一导电类型层的下表面形成第二导电类型层（103）。
5.如权利要求2所述的场中止型绝缘栅型双极晶体管的制造方法，其特征在于，
在所述第二衬底去除步骤中依次包括下述步骤：
将所述第二衬底减薄；
利用湿法腐蚀所述第二衬底，腐蚀停止到所述终止层为止。
6.如权利要求2所述的场中止型绝缘栅型双极晶体管的制造方法，其特征在于，
在所述终止层形成步骤中，利用热氧化或者CVD淀积的方式形成终止层。
7.如权利要求2所述的场中止型绝缘栅型双极晶体管的制造方法，其特征在于，
在所述终止层形成步骤中，形成厚度为200～50000Å的终止层。
8.如权利要求2所述的场中止型绝缘栅型双极晶体管的制造方法，其特征在于，
在所述减薄步骤中，将所述第一导电类型的漂移层（101）减薄到10～600μm。
9.如权利要求2所述的场中止型绝缘栅型双极晶体管的制造方法，其特征在于，
在所述终止层去除步骤中，利用湿法腐蚀去除所述终止层。
10.如权利要求1～9中任意一项所述的场中止型绝缘栅型双极晶体管的制造方法，其特征在于，
所述终止层（200）是氧化物层，所述第一导电类型是N型，所述第二导电类型是P型。
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| CN104979161A (zh) * | 2014-04-04 | 2015-10-14 | 江苏中科君芯科技有限公司 | 半导体器件的制作方法及ti-igbt的制作方法 |
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