CN104716040B - 有效降低功耗的igbt器件的制作方法 - Google Patents
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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
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。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
C06 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
C10 | Entry into substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
GR01 | Patent grant | ||
GR01 | Patent grant |