CN103855198B - 一种逆导型igbt器件及其形成方法 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例公开了一种逆导型IGBT器件，包括：半导体衬底；形成于所述半导体衬底下表面内的集电极，所述集电极包括并列设置的集电区和短路区；形成于所述集电极表面的铝金属层，所述铝金属层至少覆盖所述集电区；形成于所述铝金属层表面的钛金属层，所述钛金属层完全覆盖所述集电区和短路区，从而使得所述集电区与其表面的金属层之间形成良好的欧姆接触，且所述短路区与其表面的金属层之间形成良好的欧姆接触，进而降低所述集电极与其表面金属层的接触电阻，提高所述逆导型IGBT器件的性能。

Description

一种逆导型IGBT器件及其形成方法
技术领域
本发明涉及半导体器件制造技术领域，尤其涉及一种逆导型IGBT器件及其形成方法。
背景技术
如图1所示，传统的IGBT器件包括：漂移区101；位于所述漂移区101上表面的基区100；位于所述漂移区101和基区100表面的栅极结构105；位于所述漂移区101下表面的缓冲层102；位于所述缓冲层102下表面的集电极结构103以及位于所述集电极结构103下表面的金属电极104。
传统的IGBT器件在承受反压时，集电结反偏而不能导通。所以在工作时，IGBT器件经常与一个反并联的快恢复二极管一起使用，从而通过快恢复二极管为IGBT器件的感性负载提供电流的释放通道。实际应用中的大多数IGBT单管及模块由IGBT芯片与快恢复二极管芯片共同封装而成。为了降低系统的成本，提高系统的整体可靠性，人们发明了一种逆导型IGBT，简称RC-IGBT。逆导型IGBT是当前国际上一种新型的IGBT器件，如图2所示，最早提出于1988年。
如图2所示，逆导型IGBT器件包括：漂移区201；位于所述漂移区201上表面的基区200；位于所述漂移区201和基区200表面的栅极结构205；位于所述漂移区201下表面的缓冲层202；位于所述缓冲层202下表面的集电极结构203，所述集电极结构203包括并列位于所述缓冲层202下表面的集电区2031和短路区2032；位于所述集电极结构203下表面的金属电极204。
对比图1和图2可以看出，相较于传统的IGBT器件，逆导型IGBT器件的集电极结构203不是连续的重掺杂P型集电区2031，而是间断的引入了一些与集电区2031并列位于所述缓冲层202表面的重掺杂N型短路区2032，从而使得逆导型IGBT器件的基区200、漂移区201、缓冲层202以及短路区2032构成一个PIN二极管，使得逆导型IGBT器件等效于一个IGBT与一个PIN二极管反并联，只是将其集成在同一芯片中，从而为其反偏时提供一个紧凑的电流释放电路。而且，在关断期间，短路区2032为漂移区201内的过剩载流子提供了一条有效的抽走通道，大大缩短了逆导型IGBT器件的关断时间。
相对于传统的IGBT器件，逆导型IGBT器件节省了芯片面积和封装、测试费用，降低了器件成本。此外，逆导型IGBT器件还具有较低的损耗，良好的安全电压特性，正的温度系数，以及良好的关断特性、良好的短路特性和良好的功率循环特性。
由于逆导型IGBT器件在成本和性能上具有很大的优势，再加上巨大的市场需求，使得不断提高逆导型IGBT器件的性能成为国内外各大厂商研究的重点。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种逆导型IGBT器件及其形成方法，以提高所述逆导型IGBT器件的性能。
为解决上述问题，本发明实施例提供了如下技术方案：
一种逆导型IGBT器件，包括：半导体衬底；形成于所述半导体衬底下表面内的集电极，所述集电极包括并列设置的集电区和短路区；形成于所述集电极表面的铝金属层，所述铝金属层至少覆盖所述集电区；形成于所述铝金属层表面的钛金属层，所述钛金属层完全覆盖所述集电区和短路区。
优选的，所述短路区的形成工艺为普通退火时，所述铝金属层只覆盖所述集电区。
优选的，所述钛金属层形成于所述铝金属层和所述短路区表面，且完全覆盖所述集电区表面的铝金属层和所述短路区。
优选的，所述短路区的形成工艺为激光退火时，所述铝金属层完全覆盖所述集电区和短路区。
优选的，所述钛金属层形成于所述铝金属层表面，且完全覆盖所述集电区和短路区表面的铝金属层。
优选的，所述逆导型IGBT器件为穿通型IGBT器件时，还包括：形成于所述半导体衬底内的缓冲层，且所述缓冲层与所述集电区以及短路区的上表面相邻。
一种逆导型IGBT器件的形成方法，包括：提供半导体衬底；在所述半导体衬底下表面内形成集电区，所述集电区表面形成有铝金属层；在所述半导体衬底下表面内形成短路区，所述短路区与所述集电区并列形成于所述半导体衬底的下表面内；在所述铝金属层与所述短路区的表面形成钛金属层，所述钛金属层完全覆盖所述铝金属层和短路区。
优选的，所述集电区和短路区的形成工艺为普通退火。
优选的，在所述半导体衬底下表面内形成集电区，所述集电区表面形成有铝金属层包括：对所述半导体衬底进行P型离子注入，在所述半导体衬底的下表面内形成P型掺杂层；在所述P型掺杂层的表面形成铝金属层；将部分半导体衬底内的P型掺杂层和铝金属层完全去除，在所述半导体衬底下表面内形成集电区，所述集电区表面形成有铝金属层。
一种逆导型IGBT器件的形成方法，包括：提供半导体衬底；在所述半导体衬底下表面内形成并列设置的集电区和短路区；在所述集电区和短路区表面形成铝金属层，所述铝金属层完全覆盖所述集电区和短路区；在所述铝金属层表面形成钛金属层，所述钛金属层完全覆盖所述集电区和短路区。
优选的，所述集电区和短路区的形成工艺为激光退火。
优选的，所述逆导型IGBT器件为穿通型IGBT器件时，在所述半导体衬底下表面内形成集电区之前还包括：在所述半导体衬底内形成缓冲层，且所述缓冲层与所述集电区和短路区的上表面相邻。
与现有技术相比，上述技术方案具有以下优点：
本发明实施例所提供的技术方案中，所述集电极表面形成有铝金属层，且所述铝金属层至少覆盖所述集电区，从而使得所述集电区与其表面的金属层之间形成良好的欧姆接触，然后在采用普通退火的工艺条件下，在所述铝金属层和短路区表面形成钛金属层，从而使得所述短路区与其表面的金属层之间也形成良好的欧姆接触，或者采用激光退火的工艺，来提高所述短路区中真正激活的杂质离子浓度，从而使得所述短路区与其表面的金属层之间也形成良好的欧姆接触，进而降低所述集电极与其表面金属层的接触电阻，提高所述逆导型IGBT器件的性能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为现有技术中传统IGBT器件的结构示意图；
图2为现有技术中逆导型IGBT器件的结构示意图；
图3为钛金属层与P型集电区形成欧姆接触时的伏安特性曲线；
图4为铝金属层与P型集电区形成欧姆接触时的伏安特性曲线；
图5为不同金属层与N型短路区形成欧姆接触时的势垒高度测量值；
图6-图15为本发明实施例一所提供的逆导型IGBT器件及其形成方法的示意图；
图16-图23为本发明实施例二所提供的逆导型IGBT器件及其形成方法的示意图。
具体实施方式
在制作半导体器件时，为了使器件芯片和封装基座之间粘接强度高，空洞少，接触电阻和接触热阻小，热匹配性能好，使器件具有良好的热疲性能和较高的可靠性，通常需要在芯片背面制作多层金属，即金属化系统，从而使得芯片，多层金属，焊接材料以及基座应力相匹配，粘接牢固。
在IGBT、FRD、VDMOS中，常用的金属化系统有①Al-Ti-Ni-Ag；②Ti-Ni-Ag。此外还有：③Ti-Ni-Au；④Cr-Ni-Au；⑤Cr-Au；⑥V-Ni-Ag；⑦V-Ni-Au；⑧V-Au；⑨Ti/Ni/Sn/Au；⑩Ti/Ni/SnAg（合金）等等。其中，Ti金属层或Cr金属层为阻挡金属层，一方面用于阻挡金属向硅衬底中扩散，另一方面还能侵蚀掉硅衬底表面的自然氧化层，提高硅衬底表面粘附性能，其厚度通常为300nm；Ni金属层主要用于提供良好的焊接性，其厚度通常为500nm；金属Au或金属Ag由于其密度较大，具有较好的物质润湿性，因此，Au金属层或Ag金属层主要用于为焊接时提供一致的、良好的润湿性，而且，由于这层金属比较稳定，还可以防止外界环境对半导体器件的侵蚀。此外，半导体器件的金属化系统还包括位于背面最顶层的金属，其金属类型视具体的封装工艺要求而定。
一般情况下，对于IGBT器件，通常选择Al-Ti-Ni-Ag作为背面金属化系统；而对于FRD器件和VDMOS器件，则通常选择Ti-Ni-Ag作为背面金属化系统。然而，利用现有技术中的制造方法，逆导型IGBT器件不论选择Al-Ti-Ni-Ag作为背面金属化系统，还是选择Ti-Ni-Ag作为背面金属化系统，其芯片与基座之间均不能形成良好的欧姆接触，性能较差。
发明人研究发现，这是因为现有技术中的逆导型IGBT器件在制作时。一般通过离子注入、低温退火的方式形成集电极结构203，导致集电极结构203中的杂质离子激活率比较低。而所述逆导型IGBT器件的集电结构203包括：并列形成于所述缓冲层202表面的P型集电区2031和N型短路区2032。虽然，所述集电区2031与金属的接触势垒较低，但是如果集电区2031中的杂质离子激活不充分，会使得集电区2031与大多数的金属很难形成良好的欧姆接触。如图3所示，钛金属层与P型集电区2031接触时，表现出轻微的整流特性，从而使得制成的逆导型IGBT器件在应用时，具有较大的接触电阻，导致所述逆导型IGBT器件的耗散功率增加。
发明人进一步研究发现，金属铝是受主杂质，在与集电区2031接触形成硅铝合金时，会在集电区2031表面形成一层很薄的重掺杂P型层，有助于铝金属层与低掺杂浓度的集电区2031形成良好的欧姆接触，如图4所示。但是，如果要保证短路区2032与铝金属层也形成良好的欧姆接触，短路区2032中的杂质离子浓度必须大于1019㎝-3，虽然，短路区2012中注入的杂质浓度很高，但由于短路区2032中的杂质离子激活不充分，导致短路区2032中真正激活的杂质离子浓度很难达到1019㎝-3，使得铝金属层与短路区2032不能形成良好的欧姆接触。
然而，如图5所示，相较于金属铝，N型短路区2032与金属钛的接触势垒更低一些，从而使得N型短路区2032可以与钛金属层形成良好的欧姆接触。
有鉴于此，本发明提供了一种逆导型IGBT器件及其形成方法。其中，所述逆导型IGBT器件，包括：半导体衬底；形成于所述半导体衬底下表面内的集电极，所述集电极包括并列设置的集电区和短路区；形成于所述集电极表面的铝金属层，所述铝金属层至少覆盖所述集电区；形成于所述铝金属层表面的钛金属层，所述钛金属层完全覆盖所述集电区和短路区。
相应的，本发明提供的一种逆导型IGBT器件形成方法包括：提供半导体衬底；在所述半导体衬底下表面内形成集电区，所述集电区表面形成有铝金属层；在所述半导体衬底下表面内形成短路区，所述短路区与所述集电区并列形成于所述半导体衬底的下表面内；在所述铝金属层与所述短路区的表面形成钛金属层，所述钛金属层完全覆盖所述铝金属层和短路区。
本发明提供的另一种逆导型IGBT器件形成方法包括：提供半导体衬底；在所述半导体衬底下表面内形成并列设置的集电区和短路区；在所述集电区和短路区表面形成铝金属层，所述铝金属层完全覆盖所述集电区和短路区；在所述铝金属层表面形成钛金属层，所述钛金属层完全覆盖所述集电区和短路区。
本发明实施例所提供的逆导型IGBT器件及其形成方法中，通过在所述集电区表面形成铝金属层，并在不同的工艺条件下，在所述短路区表面形成不同的金属层，从而在保证所述集电区与其表面的金属层保持良好的欧姆接触的前提下，使得所述短路区也能与其表面的金属层形成良好的欧姆接触，进而降低所述集电极与其表面金属层的接触电阻，提高所述逆导型IGBT器件的性能。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。本发明所提供的功率半导体器件优选为IGBT器件，且本发明实施例以所述功率半导体器件为IGBT器件为例进行说明。
在以下描述中阐述了具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以多种不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广。因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。
实施例一：
参考图6-图15，本发明实施例提供了一种逆导型IGBT器件及其形成方法，包括：
步骤101：提供半导体衬底600，所述半导体衬底600可以为N型掺杂，也可以为P型掺杂，视具体情况而定。在本发明实施例中，以所述半导体衬底600为N型掺杂为例，对本发明所提供的逆导型IGBT器件及其形成方法进行详细说明。
步骤102：在所述半导体衬底600下表面内形成集电区601，所述集电区601表面形成有铝金属层602。
在本发明的一个实施例中，步骤102具体包括：
步骤10201：如图6所示，对所述半导体衬底600的下表面进行P型离子注入，并进行普通退火，在所述半导体衬底600的下表面内形成P型掺杂层601’，如图7所示；
步骤10202：如图8所示，在所述P型掺杂层601’的表面淀积铝金属，形成铝金属层602’，在本实施例中，所述铝金属层602’的形成工艺为淀积，但在本发明的其他实施例中，所述铝金属层602’的形成工艺也可以为其他工艺，本发明对此并不限定；
步骤10203：如图9所示，在所述铝金属层602’表面形成光刻胶603，并在所述光刻胶603表面放置掩膜版，所述掩膜版上具有与所述半导体衬底600内待形成短路区位置相对应的刻蚀窗口，然后以所述掩膜版为掩膜对所述光刻胶603进行刻蚀，以在所述光刻胶603上形成与所述掩膜版上刻蚀窗口相对应的凹槽；最后，以所述光刻胶603为掩膜，依次对所述铝金属层602’和所述P型掺杂层601’进行刻蚀，将部分半导体衬底内的P型掺杂层601’和铝金属层602’完全去除，即将所述半导体衬底600内待形成短路区位置处的P型掺杂层601’和铝金属层602’完全去除，在所述半导体衬底600下表面内形成集电区601，所述集电区601表面形成有铝金属层602，如图10所示。
需要说明的是，步骤10203中将所述半导体衬底600内待形成短路区位置处的P型掺杂层601’和铝金属层602’完全去除过程中的刻蚀深度可以为刚刚好刻蚀掉所述P型掺杂层601’，也可以有一定程度的过刻，即也可以完全刻蚀掉所述P型掺杂层601’后，再进行进一步刻蚀，从而刻蚀掉相应位置的半导体衬底600表面。
步骤103：如图11和12所示，继续以所述光刻胶603为掩膜，对所述半导体衬底600的下表面进行N型离子注入，并进行普通退火，在所述半导体衬底600的下表面内形成N型掺杂层，即短路区604，所述短路区604与所述集电区601并列形成于所述半导体衬底600的下表面内。
步骤104：如图13所示，去除所述光刻胶，在所述短路区604和铝金属层602的表面淀积钛金属，形成钛金属层605，所述钛金属层605完全覆盖所述铝金属层602和所述短路区604。在本实施例中，所述钛金属层605的形成工艺为淀积，但在本发明的其他实施例中，所述钛金属层605的形成工艺也可以为其他工艺，本发明对此并不限定；
步骤105：如图14所示，在所述钛金属层605表面依次形成镍金属层606和银金属层607，形成所述逆导型IGBT器件的背面金属化系统。
需要说明的是，步骤10201和步骤10301中的普通退火可以进行，也可以不进行，从而在所述金属化系统形成之后，统一进行普通退火，以减少所述逆导型IGBT器件的工艺步骤。
还需要说明的是，如图15所示，当所述逆导型IGBT器件为穿通型IGBT器件时，在所述半导体衬底600下表面内形成集电区601之前还包括：在所述半导体衬底600内形成缓冲层608，且所述缓冲层608与所述集电区601和短路区604的上表面相邻。
综上所述，本发明实施例所提供的逆导型IGBT器件及其形成方法中，所述集电极表面形成有铝金属层，且所述铝金属层只覆盖所述集电区，从而使得所述集电区与其表面的金属层之间形成良好的欧姆接触，然后在采用普通退火的工艺条件下，在所述铝金属层和短路区表面形成钛金属层，从而使得所述短路区与其表面的金属层之间也形成良好的欧姆接触，进而降低所述集电极与其表面金属层的接触电阻，提高所述逆导型IGBT器件的性能。
而且，本发明所提供的逆导型IGBT器件形成方法中，只用了一次掩膜，形成了所述逆导型IGBT器件的集电区和短路区，同时分别在所述集电区和短路区表面形成了不同的金属化系统，实现了所述集电区与短路区分别和其表面的金属层形成良好的欧姆接触，方法简单，成本较低。
实施例二：
参考图16-图23，本发明还提供了另一种逆导型IGBT器件及其形成方法，包括：
步骤201：提供半导体衬底700，所述半导体衬底700可以为N型掺杂，也可以为P型掺杂，视具体情况而定。在本发明实施例中，以所述半导体衬底700为N型掺杂为例，对本发明所提供的逆导型IGBT器件及其形成方法进行详细说明。
步骤202：在所述半导体衬底700下表面内形成并列设置的集电区701和短路区704。
在本发明的一个实施例中，步骤202具体包括：
步骤20201：如图16和图17所示，在所述半导体衬底700下表面形成光刻胶703’，所述光刻胶703’上形成有与所述半导体衬底700内待形成集电区701位置相对应的刻蚀窗口；以所述光刻胶703’为掩膜，对所述半导体衬底700的下表面进行P型离子注入，并进行激光退火，在所述半导体衬底700的下表面内形成集电区701；
步骤20202：如图18和19所示，在所述集电区701表面形成光刻胶703，以所述光刻胶703为掩膜，对所述半导体衬底700的下表面进行N型离子注入，并进行激光退火，在所述半导体衬底700的下表面内形成N型掺杂层，即短路区704。
需要说明的是，步骤20201中的激光退火工艺可以进行，也可以不进行，从而在步骤20202中统一进行，以减少所述逆导型IGBT器件形成的工艺步骤。
由于激光退火刻蚀瞬时加热半导体衬700的背面结构，使得激光退火产生的高温可以瞬间激活所述短路区704中的杂质离子，从而显著提高所述短路区704中的杂质激活率，使得所述短路区704中激活的杂质离子浓度大于1019㎝-3，进而使得所述短路区704与铝金属层702形成良好的欧姆接触。而且由于加热时间较短，激光退火产生的热量，不足以传递到所述半导体衬底700的正面，因此，不会破坏其正面结构。
步骤203：如图20所示，去除所述光刻胶703，在所述集电区701和短路区704的表面淀积铝金属，形成铝金属层702，所述铝金属层702完全覆盖所述集电区701和短路区704。在本实施例中，所述铝金属层702的形成工艺为淀积，但在本发明的其他实施例中，所述铝金属层702的形成工艺也可以为其他工艺，本发明对此并不限定；
步骤204：如图21所示，在所述铝金属层702的表面淀积钛金属，形成钛金属层705，所述钛金属层705完全覆盖所述铝金属层702。在本实施例中，所述钛金属层705的形成工艺为淀积，但在本发明的其他实施例中，所述钛金属层705的形成工艺也可以为其他工艺，本发明对此并不限定。
步骤205：如图22所示，在所述钛金属层705表面依次形成镍金属层706和银金属层707，形成所述逆导型IGBT器件的背面金属化系统。
需要说明的是，如图23所示，当所述逆导型IGBT器件为穿通型IGBT器件时，在所述半导体衬底700下表面内形成集电区701和短路区704之前还包括：在所述半导体衬底700内形成缓冲层708，且所述缓冲层708与所述集电区701和短路区704的上表面相邻。
综上所述，本发明实施例所提供的逆导型IGBT器件及其形成方法中，所述集电区表面形成有铝金属层，从而保证了所述集电区与其表面金属层之间形成良好的欧姆接触；而且通过采用激光退火，提高了所述短路区的退火温度，从而显著提高了所述短路区中的杂质离子激活率，使得所述短路区与铝金属层之间也可以形成良好的欧姆接触，进而降低所述集电极与其表面金属层的接触电阻，提高所述逆导型IGBT器件的性能。
本说明书中各个部分采用递进的方式描述，每个部分重点说明的都是与其他部分的不同之处，各个部分之间相同相似部分互相参见即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (5)

1.一种逆导型IGBT器件，其特征在于，包括：
半导体衬底；
形成于所述半导体衬底下表面内的集电极，所述集电极包括并列设置的集电区和短路区；
形成于所述集电极表面的铝金属层，所述铝金属层至少覆盖所述集电区；
形成于所述铝金属层表面的钛金属层，所述钛金属层完全覆盖所述集电区和短路区；
其中，所述短路区的形成工艺为普通退火时，所述铝金属层只覆盖所述集电区；所述钛金属层形成于所述铝金属层和所述短路区表面，且完全覆盖所述集电区表面的铝金属层和所述短路区。
2.根据权利要求1所述的逆导型IGBT器件，其特征在于，所述逆导型IGBT器件为穿通型IGBT器件时，还包括：形成于所述半导体衬底内的缓冲层，且所述缓冲层与所述集电区以及短路区的上表面相邻。
3.一种逆导型IGBT器件的形成方法，其特征在于，包括：
提供半导体衬底；
在所述半导体衬底下表面内形成集电区，所述集电区表面形成有铝金属层；
在所述半导体衬底下表面内形成短路区，所述短路区与所述集电区并列形成于所述半导体衬底的下表面内；
在所述铝金属层与所述短路区的表面形成钛金属层，所述钛金属层完全覆盖所述铝金属层和短路区；
其中，所述集电区和短路区的形成工艺为普通退火。
4.根据权利要求3所述的形成方法，其特征在于，在所述半导体衬底下表面内形成集电区，所述集电区表面形成有铝金属层包括：
对所述半导体衬底进行P型离子注入，在所述半导体衬底的下表面内形成P型掺杂层；
在所述P型掺杂层的表面形成铝金属层；
将部分半导体衬底内的P型掺杂层和铝金属层完全去除，在所述半导体衬底下表面内形成集电区，所述集电区表面形成有铝金属层。
5.根据权利要求3或4所述的形成方法，其特征在于，所述逆导型IGBT器件为穿通型IGBT器件时，在所述半导体衬底下表面内形成集电区之前还包括：在所述半导体衬底内形成缓冲层，且所述缓冲层与所述集电区和短路区的上表面相邻。
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