CN104716039B - 提高igbt性能的背面工艺制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种提高IGBT性能的先进背面工艺制作方法，包括步骤：（1）在完成IGBT的正面工艺后，对晶圆的背面进行减薄，然后，对晶圆的背面进行施主杂质离子注入；（2）对晶圆的背面进行激光退火，激活背面注入的施主杂质离子，形成作为场终止作用的N型缓冲层；（3）对晶圆的背面进行受主杂质离子注入；（4）对晶圆的背面进行激光退火，激活背面注入的受主杂质离子，形成作为集电极的P型集电极层。本发明实现了其耐压与导通压降的更佳的“优值”匹配，并且由于其电流密度的提高，使得其器件尺寸可以相应的缩小，实现了其成本的降低。
Description
技术领域
本发明涉及一种IGBT(绝缘栅双极晶体管)的制备工艺，特别是涉及一种提高IGBT性能的背面工艺制作方法。
背景技术
IGBT(绝缘栅双极晶体管)是在VDMOS的基础上，在其承受高压的N-base(N型衬底)背面增加一层P型薄层，引入了电导调制效应，从而大大提高了器件的电流处理能力。此类IGBT称为NPT型IGBT，即非穿通型IGBT。
对于NPT型IGBT(绝缘栅双极晶体管)，为了实现高耐压的要求，需要一定厚度的低浓度N base区，而N-base的低浓度决定了一定的导通压降，器件的性能受到限制。为了解决这个矛盾，在背面P型集电极层与N-base区之间增加了一层N型缓冲层，也就是说，为了降低IGBT产品的总体功耗，IGBT由NPT型(非穿通型)发展到FS型(场终止型)，即在背面集电极P型集电极层与N-base层之间增加一层N型缓冲层，该层被称为场终止层，即使得IGBT器件以更薄的N-base耐压区厚度，获得同样的耐压。为了实现此N型缓冲层，一般的技术是通过背面的离子注入与炉管退火形成，但此技术存在激活效率不高的问题，使得N型缓冲层的浓度与深度都难以达到要求，对器件性能的改善作用较小。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种提高IGBT(绝缘栅双极晶体管)性能的先进背面工艺制作方法。本发明采用背面高能离子注入与激光退火，并且控制P型集电极层与N型缓冲层达到一定的浓度与深度分布，使得器件性能得到优化。
为解决上述技术问题，本发明的提高绝缘栅双极晶体管(IGBT)性能的背面工艺制作方法(先进背面工艺制作方法)，包括步骤：
(1)在完成IGBT的正面工艺后，对晶圆的背面进行减薄，然后，对晶圆的背面进行施主杂质离子注入；
(2)对晶圆的背面进行激光退火，激活背面注入的施主杂质离子，形成作为场终止作用(Field-Stop)的N型缓冲层；
(3)对晶圆的背面进行受主杂质离子注入；
(4)对晶圆的背面进行激光退火，激活背面注入的受主杂质离子，形成作为集电极的P型集电极层。
所述步骤(1)中，施主杂质离子注入的条件为：
注入次数为两次；注入的离子包括：磷；注入能量为450KeV～2MeV；每次注入剂量不低于3×1011cm-2。
其中，采用两次施主杂质离子注入时，分别进行一次2MeV的施主杂质离子注入，对晶圆的背面进行激光退火后，可形成结深为4μm的N型缓冲层；进行另一次450KeV的离子注入，对晶圆的背面进行激光退火，可保持2μm以内的浓度不低于2MeV离子注入的峰值浓度的N型缓冲层。
所述步骤(2)中，激光退火的条件如下：
通过两束激光交替照射进行，激光波长500nm～600nm，激光能量2.5～4.0J，两束激光的延迟时间为0.5～1.6微秒。
所述步骤(2)中，N型缓冲层的浓度分布如下：
1)由PN结处的浓度最低点的深度X1处上升到深度在X2处的满足不低于1×1015cm-3且大于10倍的N型衬底(N-base区)浓度的要求的浓度分布；
其中，深度X1通常为0.2～0.5μm之间；深度X2通常为0.5～1.0μm之间；
2)深度由从X2处到X3处之间的浓度满足不低于1×1015cm-3且大于10倍的N型衬底(N-base区)浓度的要求的、且浓度变化的深度X2处高于或等于X3处的N型缓冲层浓度分布；
深度X3通常为1.6～2.2μm之间；
3)深度由X3处到X4处之间的浓度由在X3处满足不低于1×1015cm-3且大于N型衬底(N-base区)浓度的要求、降低到X4处的浓度等同于N型衬底(N-base区)浓度的N型缓冲层；
深度X4通常为4.0～4.5μm之间。
所述步骤(3)中，受主杂质离子注入的条件如下：
注入次数为一次注入；注入的离子包括：硼或者二氟化硼；注入能量为10～30KeV；注入剂量记为Y，该Y的范围为：5×1012cm-2≦Y≦5×1013cm-2。
所述步骤(4)中，激光退火的条件如下：
通过两束激光交替照射进行，激光波长500nm～600nm，激光能量1.5～2.5J，两束激光的延迟时间为0.8～1.6微秒。
所述步骤(4)中，P型集电极层的浓度分布如下：
1)由背面硅表面到深度在X0之间的，浓度满足三个条件：a)浓度范围在2×1016cm-3～5×1017cm-3之间的；b)浓度满足不低于10倍的N型缓冲层的浓度的要求；c)浓度变化不超过20％的P型集电极层的浓度分布；
深度X0通常为0.1～0.4μm之间。
2)深度由X0处到X1处之间的、浓度由在X0处满足范围在2×1016cm-3～5×1017cm-3之间的且满足不低于10倍的N型缓冲层的浓度的要求降低到PN结浓度的最低点X1处的P型集电极层的浓度分布；
深度X1通常为0.2～0.5μm之间。
本发明通过背面高能离子注入形成背面N型缓冲层，并通过激光退火的方式激活此N型缓冲层，同时，通过背面低能量离子注入的方式形成背面P型集电极层，并通过激光退火的方式激活此P型集电极层，实现表面较高浓度的P型集电极层，与浓度由维持稳定到逐渐降低的N型缓冲层的浓度梯度，从而有效地降低了IGBT器件的功耗，缩小了器件尺寸，使得IGBT器件性能得到很好的优化。
本发明在保证满足IGBT器件耐压等参数的基础上实现了更薄的N-base区，从而降低了器件的导通压降，实现了其耐压与导通压降的更佳的“优值”匹配，并且由于其电流密度的提高，使得其器件尺寸可以相应的缩小，实现了其成本的降低，即缩减了成本。
附图说明
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：
图1是沟槽栅场终止型IGBT正面工艺完成后的结构示意图；
图2是沟槽栅场终止型IGBT背面减薄后的结构示意图；
图3是沟槽栅场终止型IGBT背面施主杂质离子注入示意图；
图4是在沟槽栅场终止型IGBT背面对施主杂质离子进行激光退火的示意图；
图5是沟槽栅场终止型IGBT背面受主杂质离子注入示意图；
图6是在沟槽栅场终止型IGBT背面对受主杂质离子进行激光退火的示意图；
图7是沟槽栅场终止型IGBT背面金属化示意图；
图8是平面栅场终止型IGBT正面工艺完成后的结构示意图；
图9是平面栅场终止型IGBT背面减薄后的结构示意图；
图10是平面栅场终止型IGBT背面施主杂质离子注入示意图；
图11是在平面栅场终止型IGBT背面对施主杂质离子进行激光退火的示意图；
图12是平面栅场终止型IGBT背面受主杂质离子注入示意图；
图13是在平面栅场终止型IGBT背面对受主杂质离子进行激光退火的示意图；
图14是平面栅场终止型IGBT背面金属化示意图；
图15是背面P型集电极与场终止作用的N型缓冲层的SRP形貌示意图。
图中附图标记说明如下：
11为N型衬底，1为减薄的N型衬底，2为N型缓冲层，3为轻掺杂P阱，4为重掺杂P型，5为N+发射极，6为沟槽栅极，61为平面栅极，7为层间介质(ILD)，8为第一金属，9为P型集电极，10为第二金属，12为激光退火。
具体实施方式
实施例1
本实施例中的提高沟槽(Trench)栅场终止型IGBT性能的先进背面工艺制作方法，步骤如下：
(1)按照常规工艺进行IGBT的正面工艺
准备一片气相掺杂或者中子辐照的轻掺杂衬底材料，该衬底材料根据不同的IGBT器件耐压要求选择不同的掺杂浓度或者电阻率。对衬底材料进行正面IGBT工艺的制作，主要工艺包括：耐压环与场版的制作，Trench沟槽栅的制作，导通沟道以及P型集电极层的制作，发射极或者源区的制作，正面接触孔、金属、钝化层的制作(如图1所示)。
(2)完成正面工艺后，将晶圆反转，进行背面的减薄(如图2所示)，并且进行背面硅腐蚀使得背面表面平整。减薄厚度根据不同的耐压等级决定。
(3)通过背面高能量离子注入的方式，如注入磷，形成背面的N型缓冲层2(如图3所示)。注入能量采用高能量2MeV与450KeV两次注入，一次2MeV的高能量离子注入经过退火后可形成结深为4μm的N型缓冲层，另一次450KeV的离子注入经过退火后可保持2μm以内的浓度不低于2MeV离子注入的峰值浓度。该两次施主杂质离子注入的剂量每次不低于3×1011cm-2。
(4)通过背面激光退火的方式，激活背面注入的N型缓冲层2(如图4所示)。该激光退火是通过两束激光交替照射进行，激光波长控制在500nm～600nm，激光能量控制在2.5J～4.0J之间，两束激光的延迟时间控制在0.5～1.6微秒之间。
通过该激光工艺的激活，形成如下N型缓冲层2的浓度分布：
1)由PN结处的浓度最低点X1处上升到深度在X2处的满足不低于1×1015cm-3且大于10倍的N-base区浓度的要求的浓度分布。
此处的深度X1，通常为0.2μm到0.5μm之间。此处的深度X2，通常为0.5μm到1.0μm之间。
2)深度由X2处到X3处之间的、浓度满足不低于1×1015cm-3且大于10倍的N-base区浓度的要求的且浓度变化X2处高于或等于X3处的N型缓冲层2浓度分布。
此处的深度X3，通常为1.6μm到2.2μm之间。
3)深度由X3处到X4处之间的、浓度由在X3处满足不低于1×1015cm-3且大于10倍的N-base区浓度的要求降低到X4处的浓度等同于N-base区浓度的N型缓冲层2。此处的深度X4，通常为4.0μm到4.5μm之间。
(5)通过一次背面低能量离子注入的方式，形成背面的P型集电极层9(如图5所示)。该受主杂质离子通常为硼或者二氟化硼，该受主杂质离子注入能量控制在10KeV～30KeV之间，注入剂量记为Y，该Y的范围为：5×1012cm-2≦Y≦5×1013cm-2。
(6)通过背面laser激光退火的方式，激活背面注入的P型集电极层9(如图6所示)。该激光退火通过两束激光交替照射的方式进行背面受主杂质离子的激活，激光波长控制在500nm～600nm，激光能量控制在1.5J～2.5J之间，两束激光的延迟时间控制在0.8μs～1.6μs之间。
通过该激光工艺的激活，形成如下的P型集电极层9的浓度分布：
1)由背面硅表面到深度在X0之间的，浓度满足三个条件：a)浓度范围在2×1016cm-3～5×1017cm-3之间的；b)浓度满足不低于10倍的N型缓冲层2的浓度的要求；c)浓度变化不超过20％的P型集电极层的浓度分布。
此处的深度X0，通常为0.1μm到0.4μm之间。
2)深度由X0处到X1处之间的、浓度由在X0处满足范围在2×1016cm-3～5×1017cm-3之间的、且满足不低于10倍的N型缓冲层2的浓度的要求降低到PN结浓度的最低点X1处的P型集电极层9的浓度分布。
此处的深度X1，通常为0.2μm到0.5μm之间。
(7)完成背面金属化工艺，形成背面集电极的金属接触(如图7所示)。
实施例2
本实施例中的提高平面(Planar)栅场终止型IGBT性能的先进背面工艺制作方法，步骤如下：
(1)按照常规工艺进行IGBT的正面工艺
准备一片气相掺杂或者中子辐照的轻掺杂衬底材料，该衬底材料根据不同的IGBT器件耐压要求选择不同的掺杂浓度或者电阻率。对衬底材料进行正面IGBT工艺的制作，主要工艺包括：耐压环与场版的制作，平面栅极的制作，导通沟道以及P型集电极层的制作，发射极或者源区的制作，正面接触孔、金属、钝化层的制作(如图8所示)。
(2)完成正面工艺后，将晶圆反转，进行背面的减薄(如图9所示)，并且进行背面硅腐蚀使得背面表面平整。减薄厚度根据不同的耐压等级决定。
(3)通过背面高能量离子注入的方式，如注入磷，形成背面的N型缓冲层2(如图10所示)。注入能量采用高能量2MeV与450KeV两次注入，一次2MeV的高能量离子注入经过退火后可形成结深为4μm的N型缓冲层，另一次450KeV的离子注入经过退火后可保持2μm以内的浓度不低于2MeV离子注入的峰值浓度。该两次施主杂质离子注入的剂量每次不低于3×1011cm-2。
(4)通过背面激光退火的方式，激活背面注入的N型缓冲层2(如图11所示)。该激光退火是通过两束激光交替照射进行，激光波长控制在500nm～600nm，激光能量控制在2.5J～4.0J之间，两束激光的延迟时间控制在0.5～1.6微秒之间。
通过该激光工艺的激活，形成如下N型缓冲层2的浓度分布：
1)由PN结处的浓度最低点X1处，上升到深度在X2处的满足不低于1×1015cm-3且大于10倍的N-base区浓度的要求的浓度分布。
此处的深度X1，通常为0.2μm到0.5μm之间。此处的深度X2，通常为0.5μm到1.0μm之间。
2)深度由X2处到X3处之间的、浓度满足不低于1×1015cm-3且大于10倍的N-base区浓度的要求的且浓度变化X2处高于或等于X3处的N型缓冲层2浓度分布。
此处的深度X3，通常为1.6μm到2.2μm之间。
3)深度由X3处到X4处之间的、浓度由在X3处满足不低于1×1015cm-3且大于10倍的N-base区浓度的要求降低到X4处的浓度等同于N-base区浓度的N型缓冲层2。此处的深度X4，通常为4.0μm到4.5μm之间。
(5)通过一次背面低能量离子注入的方式，形成背面的P型集电极层9(如图12所示)。该受主杂质离子通常为硼或者二氟化硼，该受主杂质离子注入能量控制在10KeV～30KeV之间，注入剂量记为Y，该Y的范围为：5×1012cm-2≦Y≦5×1013cm-2。
(6)通过背面laser激光退火的方式，激活背面注入的P型集电极层9(如图13所示)。该激光退火通过两束激光交替照射的方式进行背面受主杂质离子的激活，激光波长控制在500nm～600nm，激光能量控制在1.5J～2.5J之间，两束激光的延迟时间控制在0.8μs～1.6μs之间。
通过该激光工艺的激活，形成如下的P型集电极层9的浓度分布：
1)由背面硅表面到深度在X0之间的，浓度满足三个条件：a)浓度范围在2×1016cm-3～5×1017cm-3之间的；b)浓度满足不低于10倍的N型缓冲层2的浓度的要求；c)浓度变化不超过20％的P型集电极层9的浓度分布。
此处的深度X0，通常为0.1μm到0.4μm之间。
2)深度由X0处到X1处之间的、浓度由在X0处满足范围在2×1016cm-3～5×1017cm-3之间的、且满足不低于10倍的N型缓冲层2的浓度的要求降低到PN结浓度的最低点X1处的P型集电极层9的浓度分布。
此处的深度X1，通常为0.2μm到0.5μm之间。
(7)完成背面金属化工艺，形成背面集电极的金属接触(如图14所示)。
另外，按照上述实施例得到的背面P型集电极层9与场终止作用的N型缓冲层2的SRP形貌示意图，如图15所示。其中，图15适用于实施例1与实施例2，并且横轴为从背面向内的P型集电极与N型缓冲层的深度，纵轴为P型集电极与N型缓冲层的浓度分布。
本发明提出了一种形成IGBT的背面FS层与P型集电极层的先进的制作工艺，首先通过两次注入施主杂质离子，并通过背面激光退火激活施主杂质离子的方式形成用于做FS场终止的N型缓冲层；然后再通过注入受主杂质离子，并通过背面激光退火激活受主杂质离子的方式形成用于做集电极的P型集电极层。本发明中的工艺制作方法大大的降低了IGBT器件的功耗，并且节省了芯片的面积，实现了IGBT器件的更高的性能。
Claims (7)
1.一种提高绝缘栅双极晶体管IGBT性能的背面工艺制作方法，其特征在于，包括步骤：
(1)在完成绝缘栅双极晶体管IGBT的正面工艺后，对晶圆的背面进行减薄，然后，对晶圆的背面进行施主杂质离子注入；施主杂质离子注入的条件为：
注入次数为两次；注入的离子包括：磷；注入能量为450KeV～2MeV；每次注入剂量不低于3×1011cm-2；
(2)对晶圆的背面进行激光退火，激活背面注入的施主杂质离子，形成作为场终止作用的N型缓冲层；N型缓冲层的浓度分布如下：深度由从X2处到X3处之间的浓度满足不低于1×1015cm-3且大于10倍的N型衬底浓度的要求的、且从X2处到X3处之间的浓度变化满足从深度X2开始的N型缓冲层浓度高于或等于X3处的N型缓冲层浓度的分布从而形成一浓度保持区；
深度X2为0.5～1.0μm之间；
深度X3为1.6～2.2μm之间；
深度X3处为所述N型缓冲层的两次离子注入中高能量离子注入的磷杂质激光退火后形成的峰值浓度位置；从X2处到X3处之间的所述N型缓冲层的掺杂浓度由两次离子注入的磷杂质叠加并进行激光退火后确定，所述N型缓冲层的两次离子注入加激光退火使所述N型缓冲层具有从X2处到X3处掺杂浓度大于一次高能量离子注入的峰值浓度的浓度保持区；
深度由X3处到X4处之间的浓度由在X3处满足不低于1×1015cm-3且大于N型衬底浓度的要求、降低到X4处的浓度等同于N型衬底浓度的N型缓冲层；
深度X4为4.0～4.5μm之间，在X3处到X4处之间形成一个浓度长缓变区，从X3处到X4处之间的浓度长缓变区的掺杂浓度由所述N型缓冲层的两次离子注入中高能量离子注入的磷杂质激光退火后确定；
(3)对晶圆的背面进行受主杂质离子注入；
(4)对晶圆的背面进行激光退火，激活背面注入的受主杂质离子，形成作为集电极的P型集电极层；由背面硅表面到深度在X0之间的，P型集电极层的浓度满足条件：浓度范围在2×1016cm-3～5×1017cm-3之间的；深度X0为0.1～0.4μm之间。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述两次施主杂质离子注入的方法如下：
进行一次2MeV的施主杂质离子注入，对晶圆的背面进行激光退火后，形成结深为4μm的N型缓冲层；进行另一次450KeV的离子注入，对晶圆的背面进行激光退火，保持2μm以内的浓度不低于2MeV离子注入的峰值浓度的N型缓冲层。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤(2)中，激光退火的条件如下：
通过两束激光交替照射进行，激光波长500nm～600nm，激光能量2.5～4.0J，两束激光的延迟时间为0.5～1.6微秒。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤(2)中，N型缓冲层的浓度分布如下：
1)由PN结处的浓度最低点的深度X1处上升到深度在X2处的满足不低于1×1015cm-3且大于10倍的N型衬底浓度的要求的浓度分布；
其中，深度X1为0.2～0.5μm之间。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤(3)中，受主杂质离子注入的条件如下：
注入次数为一次注入；注入的离子包括：硼或者二氟化硼；注入能量为10～30KeV；注入剂量记为Y，该Y的范围为：5×1012cm-2≦Y≦5×1013cm-2。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤(4)中，激光退火的条件如下：
通过两束激光交替照射进行，激光波长500nm～600nm，激光能量1.5～2.5J，两束激光的延迟时间为0.8～1.6微秒。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤(4)中，P型集电极层的浓度分布如下：
1)由背面硅表面到深度在X0之间的，浓度满足条件：b)浓度满足不低于10倍的N型缓冲层的浓度的要求；c)浓度变化不超过20％的P型集电极层的浓度分布；
2)深度由X0处到X1处之间的、浓度由在X0处满足范围在2×1016cm-3～5×1017cm-3之间的且满足不低于10倍的N型缓冲层的浓度的要求降低到PN结浓度的最低点X1处的P型集电极层的浓度分布；
深度X1为0.2～0.5μm之间。
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