CN104716040B - 有效降低功耗的igbt器件的制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种有效降低功耗的IGBT器件的制作方法，包括：1）在完成IGBT的正面工艺后，对晶圆的背面进行减薄，然后，通过对减薄的背面进行施主杂质离子注入掺杂，形成作为场终止作用的N型缓冲层；2）对背面进行受主杂质离子注入掺杂，形成P型集电极层；3）对背面进行激光退火，激活背面注入的N型缓冲层与P型集电极层。本发明在保证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。

Description

有效降低功耗的IGBT器件的制作方法

技术领域

本发明涉及一种IGBT（绝缘栅双极晶体管）器件的制作方法，特别是涉及一种有效降低功耗的IGBT器件的制作方法。

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飘移区（N型IGBT的N-层）之下增加一层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型层与N-base区之间增加了一层N型缓冲层，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有效降低功耗的IGBT（绝缘栅双极晶体管）器件的制作方法。该方法采用背面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，本发明的有效降低功耗的IGBT器件的制作方法，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，通过对减薄的背面进行施主杂质离子注入掺杂，形成作为场终止作用（Field-Stop）的N型缓冲层；

2）对背面进行受主杂质离子注入掺杂，形成P型集电极层；

3）对背面进行激光退火，激活背面注入的N型缓冲层与P型集电极层。

所述步骤1）中，施主杂质离子注入的条件如下：

注入次数可为一次以上；注入的离子包括：磷；注入能量为400～500KeV；注入剂量记为M，该M的范围为：3×10¹¹cm^-2≦M≦1×10¹³cm^-2；

步骤1）中，进行施主杂质离子注入掺杂后，还需进行激光退火，其中，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1.9J～3.0J，两束激光的延迟时间为0.5～1.6微秒。

激光退火后的N型缓冲层的浓度不低于1×10¹⁵cm^-3且需要大于15倍的N型衬底（N-base区）浓度。

另外，步骤1）中，进行一次施主杂质离子注入和激光退火，形成N型缓冲层注入时，可形成深度在0.2～1.0μm之间的且浓度变化不超过10%的N型缓冲层以及形成深度在1.0～2.0μm之间的且2.0μm处的浓度等于N型衬底（N-base区）浓度的N型缓冲层；

进行二次施主杂质离子注入和激光退火，形成N型缓冲层注入时，可形成深度在0.2～0.4μm之间的且在0.4μm处的浓度超过2倍的0.8μm处的浓度的N型缓冲层、深度在0.4～1.7μm之间的且在1.7μm处的浓度满足不高于1×10¹⁶cm^-3的N型缓冲层；以及深度在1.7～2.0μm之间的且2.0μm处的浓度等于N型衬底（N-base区）浓度的N型缓冲层。

所述步骤2）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≦1×10¹⁴cm^-2，即注入的浓度范围（表面的浓度范围）控制在2×10¹⁶cm^-3～2×10¹⁸cm^-3之间且不低于10倍的N型缓冲层的浓度，并且至0.15～0.3μm的PN结交界处，浓度达到最低点。

步骤2）中，P型集电极层的深度为0.15～0.3μm。

所述步骤3）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1.9J～3.0J，两束激光的延迟时间为0.5～1.6微秒。

本发明通过背面高能离子注入形成背面N型缓冲层以及通过背面低能量离子注入的方式形成背面P型集电极层，再通过激光退火的方式形成P型集电极层与N型缓冲层的激活，实现表面较高浓度的P型集电极层，与浓度由平缓到逐渐降低的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。

因此，本发明在保证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。

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是沟槽栅场终止型IGBT背面受主杂质离子注入示意图；

图5是沟槽栅场终止型IGBT背面激光退火激活注入的施主与受主杂质离子示意图；

图6是沟槽栅场终止型IGBT背面金属化示意图；

图7是平面栅场终止型IGBT正面工艺完成后的结构示意图；

图8是平面栅场终止型IGBT背面减薄后的结构示意图；

图9是平面栅场终止型IGBT背面施主杂质离子注入示意图；

图10是平面栅场终止型IGBT背面受主杂质离子注入示意图；

图11是平面栅场终止型IGBT背面激光退火激活注入的施主与受主杂质离子示意图；

图12是平面栅场终止型IGBT背面金属化示意图；

图13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；其中，A线表示：一次硼注入+两次磷注入；B表示：一次硼注入+一次磷注入。

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

本实施例中的有效降低功耗的沟槽（Trench）栅场终止型IGBT的制作方法，包括步骤：

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，从而完成IGBT的正面工艺（如图1所示）；

2）在完成IGBT的正面工艺后，将晶圆反转，对晶圆的背面进行减薄（如图2所示），并且进行背面硅腐蚀，使得背面表面平整，其中，减薄厚度根据不同的耐压等级决定；

然后，通过对减薄的背面进行高能量的施主杂质离子注入掺杂，形成作为场终止作用的N型缓冲层2（如图3所示）；

其中，施主杂质离子注入的条件如下：

注入次数可为一次以上（如一次或两次）；注入的离子可为磷；注入能量为400～500KeV；注入剂量记为M，该M的范围为：3×10¹¹cm^-2≦M≦1×10¹³cm^-2；

本步骤中，进行施主杂质离子注入掺杂后，还需进行激光退火，其中，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1.9J～3.0J，两束激光的延迟时间为0.5～1.6微秒。

激光退火后的N型缓冲层的浓度不低于1×10¹⁵cm^-3且需要大于15倍的N型衬底（N-base区）浓度。

例如，该N型缓冲层2的注入能量采用450KeV的注入可形成2μm的结深。

该N型缓冲层2的形貌根据不同IGBT器件应用的要求以及成本方面的考虑，可以通过一次或两次注入形成，具体如下：

I、一次注入可形成深度在0.2～1.0μm之间的、满足不低于1×10¹⁵cm^-3且需要大于15倍的N型衬底（N-base区）浓度要求的浓度、并且浓度变化不超过10%的N型缓冲层2；以及

深度在1.0～2.0μm之间的、由1.0μm处的浓度满足不低于1×10¹⁵cm^-3且大于15倍的N-base区浓度的要求降低到2.0μm处的浓度等于N-base区浓度的N型缓冲层2。

II、两次注入可形成深度在0.2～0.4μm之间的、由0.2μm处的满足不低于1×10¹⁶cm^-3的要求的浓度升高到0.4μm处的浓度超过2倍的0.8μm处的浓度的N型缓冲层2；和

深度在0.4～1.7μm之间的、由0.4μm处的浓度满足超过2倍的0.8μm处的浓度的要求且0.8μm处的浓度满足不低于1×10¹⁶cm^-3的要求降低到1.7μm处的浓度满足不高于1×10¹⁶cm^-3且不低于1×10¹⁵cm^-3且大于15倍的N-base区浓度的要求的N型缓冲层2；以及

深度在1.7～2.0μm之间的、由1.7μm处的浓度满足不高于1×10¹⁶cm^-3且不低于1×10¹⁵cm^-3且大于15倍的N-base区浓度的要求降低到2.0μm处的浓度等于N-base区浓度的N型缓冲层2。

3）对背面进行低能量的受主杂质离子注入掺杂，形成深度为0.15～0.3μm的P型集电极层9（如图4所示）；

其中，受主杂质离子注入的条件如下：

注入次数为一次注入；注入的离子可为硼或者二氟化硼；注入能量为10～30KeV；注入剂量记为Y，该Y的范围为：5×10¹²cm^-2≦Y≦1×10¹⁴cm^-2，即注入的浓度范围（表面的浓度范围）控制在2×10¹⁶cm^-3～2×10¹⁸cm^-3之间且不低于10倍的N型缓冲层2的浓度，并且至0.15～0.3μm的PN结交界处，浓度达到最低点。

4）对背面进行激光退火12，激活背面注入的N型缓冲层与P型集电极层（如图5所示）。

其中，激光退火12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1.9J～3.0J，两束激光的延迟时间为0.5～1.6微秒。

通过该激光退火12工艺的调节控制和P型集电极层9与N型缓冲层2注入工艺的调节控制，得到如前描述的P型集电极层9与N型缓冲层2的深度与浓度形貌。

然后，按照常规工艺，完成背面金属化工艺，形成背面集电极的金属接触（如图6所示）。

实施例2

本实施例中的有效降低功耗的平面（Planar）栅场终止型IGBT器件的制作方法，包括步骤：

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7所示）；

2）在完成IGBT的正面工艺后，将晶圆反转，对晶圆的背面进行减薄（如图8所示），并且进行背面硅腐蚀，使得背面表面平整，其中，减薄厚度根据不同的耐压等级决定；

然后，通过对减薄的背面进行高能量的施主杂质离子注入掺杂，形成作为场终止作用的N型缓冲层2（如图9所示）；

其中，施主杂质离子注入的条件如下：

注入次数可为一次以上（如一次或两次）；注入的离子可为磷；注入能量为400～500KeV；注入剂量记为M，该M的范围为：3×10¹¹cm^-2≦M≦1×10¹³cm^-2；

本步骤中，进行施主杂质离子注入掺杂后，还需进行激光退火，其中，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1.9J～3.0J，两束激光的延迟时间为0.5～1.6微秒。

激光退火后的N型缓冲层的浓度不低于1×10¹⁵cm^-3且需要大于15倍的N型衬底（N-base区）浓度。

例如，该N型缓冲层2的注入能量采用450KeV的注入可形成2μm的结深。

该N型缓冲层2的形貌根据不同IGBT器件应用的要求以及成本方面的考虑，可以通过一次或两次注入形成，具体如下：

I、一次注入可形成深度在0.2～1.0μm之间的、满足不低于1×10¹⁵cm^-3且需要大于15倍的N型衬底（N-base区）浓度要求的浓度、并且浓度变化不超过10%的N型缓冲层2；以及

深度在1.0～2.0μm之间的、由1.0μm处的浓度满足不低于1×10¹⁵cm^-3且大于15倍的N-base区浓度的要求降低到2.0μm处的浓度等于N-base区浓度的N型缓冲层2。

II、两次注入可形成深度在0.2～0.4μm之间的、由0.2μm处的满足不低于1×10¹⁶cm^-3的要求的浓度升高到0.4μm处的浓度超过2倍的0.8μm处的浓度的N型缓冲层2；和

深度在0.4～1.7μm之间的、由0.4μm处的浓度满足超过2倍的0.8μm处的浓度的要求且0.8μm处的浓度满足不低于1×10¹⁶cm^-3的要求降低到1.7μm处的浓度满足不高于1×10¹⁶cm^-3且不低于1×10¹⁵cm^-3且大于15倍的N-base区浓度的要求的N型缓冲层2；以及

深度在1.7～2.0μm之间的、由1.7μm处的浓度满足不高于1×10¹⁶cm^-3且不低于1×10¹⁵cm^-3且大于15倍的N-base区浓度的要求降低到2.0μm处的浓度等于N-base区浓度的N型缓冲层2。

3）对背面进行低能量的受主杂质离子注入掺杂，形成深度为0.15～0.3μm的P型集电极层9（如图10所示）；

其中，受主杂质离子注入的条件如下：

注入次数为一次注入；注入的离子可为硼或者二氟化硼；注入能量为10～30KeV；注入剂量记为Y，该Y的范围为：5×10¹²cm^-2≦Y≦1×10¹⁴cm^-2，即注入的浓度范围（表面的浓度范围）控制在2×10¹⁶cm^-3～2×10¹⁸cm^-3之间且不低于10倍的N型缓冲层2的浓度，并且至0.15～0.3μm的PN结交界处，浓度达到最低点。

4）对背面进行激光退火12，激活背面注入的N型缓冲层与P型集电极层（如图11所示）。

其中，激光退火12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1.9J～3.0J，两束激光的延迟时间为0.5～1.6微秒。

通过该激光退火12工艺的调节控制和P型集电极层9与N型缓冲层2注入工艺的调节控制，得到如前描述的P型集电极层9与N型缓冲层2的深度与浓度形貌。

然后，按照常规工艺，完成背面金属化工艺，形成背面集电极的金属接触（如图12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13所示。图13适用于实施例1与实施例例2；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，具体如下：

（1）A线表示：一次硼注入+两次磷注入的一个实例，其N型缓冲层满足深度在0.2～0.4μm之间的、由0.2μm处的满足不低于1×10¹⁶cm^-3的要求的浓度升高到0.4μm处的浓度超过2倍的0.8μm处的浓度的N型缓冲层2；和深度在0.4～1.7μm之间的、由0.4μm处的浓度满足超过2倍的0.8μm处的浓度的要求且0.8μm处的浓度满足不低于1×10¹⁶cm^-3的要求降低到1.7μm处的浓度满足不高于1×10¹⁶cm^-3且不低于1×10¹⁵cm^-3且大于15倍的N-base区浓度的要求的N型缓冲层2；以及深度在1.7～2.0μm之间的、由1.7μm处的浓度满足不高于1×10¹⁶cm^-3且不低于1×10¹⁵cm^-3且大于15倍的N-base区浓度的要求降低到2.0μm处的浓度等于N-base区浓度的N型缓冲层2；其P型集电极满足注入的浓度范围（表面的浓度范围）控制在2×10¹⁶cm^-3～2×10¹⁸cm^-3之间且不低于10倍的N型缓冲层2的浓度，并且至0.15～0.3μm的PN结交界处，浓度达到最低点。

（2）B线表示：一次硼注入+一次磷注入的一个实例，其N型缓冲层满足深度在0.2～1.0μm之间的、满足不低于1×10¹⁵cm^-3且需要大于15倍的N型衬底（N-base区）浓度要求的浓度、并且浓度变化不超过10%的N型缓冲层2；以及，深度在1.0～2.0μm之间的、由1.0μm处的浓度满足不低于1×10¹⁵cm^-3且大于15倍的N-base区浓度的要求降低到2.0μm处的浓度等于N-base区浓度的N型缓冲层2；其P型集电极满足注入的浓度范围（表面的浓度范围）控制在2×10¹⁶cm^-3～2×10¹⁸cm^-3之间且不低于10倍的N型缓冲层2的浓度，并且至0.15～0.3μm的PN结交界处，浓度达到最低点。

本发明通过注入与背面激光退火形成用于做FS的N型缓冲层与用于做集电极的P型层的结构形貌以及工艺制作方法，大大的降低了IGBT器件的功耗，并且节省了芯片的面积，即缩小器件尺寸，实现了IGBT器件的更高的性能和优化了IGBT器件性能，并且缩减了成本。

Claims (3)

1.一种降低功耗的绝缘栅双极晶体管IGBT器件的制作方法，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，通过对减薄的背面进行施主杂质离子注入掺杂，形成作为场终止作用的N型缓冲层；

施主杂质离子注入的条件如下：

注入次数为一次以上；注入的离子包括：磷；注入能量为400～500KeV；注入剂量记为M，该M的范围为：3×10¹¹cm^-2≦M≦1×10¹³cm^-2；

进行施主杂质离子注入掺杂后，还需进行激光退火，其中，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1.9J～3.0J，两束激光的延迟时间为0.5～1.6微秒；

进行一次施主杂质离子注入和激光退火，形成N型缓冲层注入时，形成深度在0.2～1.0μm之间的且浓度变化不超过10％的N型缓冲层以及形成深度在1.0～2.0μm之间的且2.0μm处的浓度等于N型衬底浓度的N型缓冲层；

进行二次施主杂质离子注入和激光退火，形成N型缓冲层注入时，形成深度在0.2～0.4μm之间的且在0.4μm处的浓度超过2倍的0.8μm处的浓度的N型缓冲层、深度在0.4～1.7μm之间的且在1.7μm处的浓度满足不高于1×10¹⁶cm^-3的N型缓冲层；以及深度在1.7～2.0μm之间的且2.0μm处的浓度等于N型衬底浓度的N型缓冲层；

2)对背面进行受主杂质离子注入掺杂，形成P型集电极层；

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≦1×10¹⁴cm^-2；

所述注入的浓度范围控制在2×10¹⁶cm^-3～2×10¹⁸cm^-3之间且不低于10倍的N型缓冲层的浓度，并且至0.15～0.3μm的PN结交界处，浓度达到最低点；

3)对背面进行激光退火，激活背面注入的N型缓冲层与P型集电极层。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤2)中，P型集电极层的深度为0.15～0.3μm。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤3)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1.9J～3.0J，两束激光的延迟时间为0.5～1.6微秒。