CN104979283A - Ti-igbt的制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种TI-IGBT的制作方法，包括：提供半导体衬底，对半导体衬底的一侧表面进行第一次掺杂；对半导体衬底退火，以激活第一次掺杂的掺杂杂质；对半导体衬底进行与第一次掺杂的掺杂类型相反的第二次掺杂，使第二次掺杂的掺杂深度大于或等于第一次掺杂的掺杂深度，并使第二次掺杂的掺杂浓度在其掺杂范围内不同掺杂深度处均大于第一次掺杂的掺杂浓度；利用激光扫描第二次掺杂的区域的待形成第二集电区，以对待形成第二集电区退火，激活待形成第二集电区中的第二次掺杂的掺杂杂质，形成第二集电区，与第二集电区相邻的第一次掺杂的区域为第一集电区。本发明所提供的方法能够降低生产成本、提高生产效率、改善晶圆翘曲或碎片的问题。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，更具体地说，涉及一种TI-IGBT（Triple ModeIntegrate-Insulated Gate Bipolar Transistor，三模式集成绝缘栅型双极晶体管）的制作方法。
背景技术
TI-IGBT是一种将传统的VDMOS（Vertical Double Diffused Metal OxideSemiconductor Field Effect Transistor，垂直双扩散金属氧化物半导体场效应晶体管）、IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅型双极晶体管）和FRD（Fast Recovery Diode，快恢复二极管）三种器件的结构和功能集成为一体的半导体器件。
以N沟道TI-IGBT为例，TI-IGBT的结构如图1所示，包括：相对的MOS（Metal Oxide Semiconductor，金属氧化物半导体）结构11与集电极结构13，及位于MOS结构11与集电极结构13之间的N-（N型轻掺杂）漂移区12。其中，MOS结构11包括：位于漂移区12表面内的P-（P型轻掺杂）阱区111和P+（P型重掺杂）深阱区112；位于阱区111表面内的N+（Ｎ型重掺杂）发射区113；位于阱区111和发射区113上的栅氧化层114；位于栅氧化层114上的栅极G；覆盖在深阱区112上方和部分发射区113上方的发射极E。集电极结构13包括：位于漂移区12背离MOS结构11的一侧的N+缓冲层131；位于缓冲层131下方的P+集电区132和N+短路区133；覆盖在集电区132和短路区133上的集电极金属C。
从上述结构可知，TI-IGBT的MOS结构11与传统的VDMOS、IGBT等器件的MOS结构相似，集电极结构13则综合了VDMOS和IGBT集电极结构的特点，既有N型区域，又有P型区域，因此，TI-IGBT具有VDMOS和IGBT各自的优点，既有较快的关断速度，又有较低的导通压降。并且，TI-IGBT可以双向导通电流，可以在很多的应用场合中不必反向并联FRD，即TI-IGBT集成有FRD的功能。
现有技术中，制作TI-IGBT集电极结构13中的集电区132和短路区133的方法主要有两种：一种方法是在半导体衬底完成正面MOS结构工艺后，将衬底背面减薄，通过光刻工艺在衬底背面定义需要引入P型掺杂的区域，然后注入P型杂质，之后通过光刻工艺在衬底背面定义需要引入N型掺杂的区域，然后注入N型杂质，最后对衬底进行退火激活杂质，形成集电区132和短路区133；另一种方法是在衬底完成正面MOS结构工艺后，将背面减薄，在衬底背面全部注入P型杂质，通过光刻工艺定义需要引入N型掺杂的区域，然后注入N型杂质，之后退火激活杂质，形成集电区132和短路区133。
以上两种方法均需要采用光刻工艺实现对衬底的局部掺杂，这会引起一系列的问题。首先，成本较高，光刻机中成像系统（由15个～20个直径为200mm～300mm的透镜组成）和定位系统（定位精度小于10nm）价格昂贵，造成光刻机成为生产线上最贵的机台，其价格通常为5百万～15百万美元/台，且光刻机的折旧速度非常快，大约3～9万人民币/天，这使得光刻工艺的成本约为整个硅片制造工艺的1/3；其次，生产周期较长，光刻工艺的步骤繁琐，一般要经历硅片表面清洗烘干、涂底、旋涂光刻胶、软烘、对准曝光、后烘、显影、硬烘、刻蚀、检测等工序，耗费时间约占整个生产工艺的40%～60%；加工超薄衬底时易造成衬底翘曲或碎片，由于需要1次～2次的光刻工艺，光刻工艺本身的步骤繁琐，低压的TI-IGBT背面减薄后衬底不足100μm，因此当对该超薄衬底进行光刻加工时，极易出现衬底翘曲或碎片的问题。
发明内容
本发明提供了一种TI-IGBT的制作方法，以解决TI-IGBT生产工艺过程中的成本高、生产周期长及晶圆翘曲或碎片的问题。
为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：
一种TI-IGBT的制作方法，包括：提供半导体衬底，对所述半导体衬底的一侧表面进行第一次掺杂；对所述半导体衬底进行退火，以激活所述第一次掺杂的掺杂杂质；对所述半导体衬底的进行第一次掺杂的同一侧表面进行第二次掺杂，所述第二次掺杂的掺杂类型与所述第一次掺杂的掺杂类型相反，使所述第二次掺杂的掺杂深度大于或等于所述第一次掺杂的掺杂深度，并使所述第二次掺杂的掺杂浓度在其掺杂范围内不同掺杂深度处均大于所述第一次掺杂的掺杂浓度；利用激光扫描所述第二次掺杂的区域的待形成第二集电区，以对所述待形成第二集电区进行退火，激活所述待形成第二集电区中的第二次掺杂的掺杂杂质，形成第二集电区，与所述第二集电区相邻的第一次掺杂的区域为第一集电区。
优选的，所述第一次掺杂的掺杂杂质为P型，所述第二次掺杂的掺杂杂质为N型。
优选的，所述第一次掺杂的掺杂杂质为N型，所述第二次掺杂的掺杂杂质为P型。
优选的，所述半导体衬底的材料为硅、碳化硅、氮化镓或金刚石。
优选的，所述对所述半导体衬底进行退火，以激活所述第一次掺杂的掺杂杂质具体为：利用低温退火工艺或激光退火工艺对所述半导体衬底进行退火，以激活所述第一次掺杂的掺杂杂质。
优选的，所述利用激光扫描所述第二次掺杂的区域的待形成第二集电区具体为：利用激光采用直写式扫描的方式扫描所述第二次掺杂的区域的待形成第二集电区。
优选的，在形成所述第一集电区与第二集电区之后，还包括：在所述第一集电区与第二集电区的表面上淀积集电极材料，形成集电极。
优选的，在对所述半导体衬底的一侧表面进行第一次掺杂之前，还包括：对所述半导体衬底的一侧表面进行与所述半导体衬底的掺杂类型相同的缓冲层掺杂；对所述半导体衬底进行退火，以激活所述缓冲层掺杂的掺杂杂质，形成缓冲层。
优选的，所述TI-IGBT的制作方法还包括：在所述半导体衬底的一侧表面形成MOS结构，所述MOS结构位于所述半导体衬底的与所述第一集电区和第二集电区相对的一侧。
与现有技术相比，本发明所提供的技术方案至少具有以下优点：
本发明所提供的TI-IGBT的制作方法中，利用掺杂后需要退火将杂质激活才能使掺杂区发挥应有的功能这一原理，通过对半导体衬底的一侧表面进行第一次掺杂，并退火激活掺杂杂质，然后对同一侧表面进行与第一次掺杂类型相反的第二次掺杂，并使第二次掺杂的深度不小于第一次掺杂的深度，第二次掺杂的浓度在其掺杂范围内的不同掺杂深度处均大于第一次掺杂的浓度，然后利用激光对第二次掺杂的区域进行局部退火，以激活第二次掺杂的部分区域中的杂质，使该区域反型，形成第二集电区，第二次掺杂未进行激光退火的区域由于杂质未激活，其类型仍为第一次掺杂的类型，从而形成第一集电区，完成TI-IGBT的集电极结构中P型区和N型区的制作。由上述制作过程可见，本发明所提供的方法避免使用光刻工艺，这也就避免了光刻工艺所带来的成本高、生产周期长及半导体衬底易翘曲或碎片的问题，使制作TI-IGBT的集电极结构的成本得到极大的降低，工艺步骤大大简化，生产效率得以提高，提高了TI-IGBT的良品率。
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TI-IGBT的结构图；
图2～图7为本发明实施例所提供的TI-IGBT的制作方法的工艺步骤图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他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例的限制。
其次，本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。
本实施例提供了一种TI-IGBT的制作方法，如图2～图7所示，该制作方法包括以下步骤：
步骤S1：提供半导体衬底21，在该半导体衬底21的一侧表面形成MOS结构22（如图2所示）；
所提供的半导体衬底的材料优选的可为硅、碳化硅、氮化镓或金刚石等，其掺杂类型可为N型，也可为P型。本实施例中以所提供的半导体衬底的掺杂类型为N型为例进行说明。
所述半导体衬底21中除MOS结构22外的其它N型掺杂的区域为漂移区。
所形成的MOS结构位于最终位于半导体衬底21的与第一集电区和第二集电区相对的一侧。
步骤S2：在半导体衬底21的一侧表面内形成缓冲层23，缓冲层23位于半导体衬底21的与MOS结构22相对的一侧表面（如图3所示）；
形成缓冲层23的具体过程可为：对半导体衬底21的一侧表面进行与所述半导体衬底21的掺杂类型相同的缓冲层掺杂，以半导体衬底的掺杂类型为N型为例，则需将N型掺杂杂质掺入半导体衬底21中（如图3所示），之后对半导体衬底21进行退火，激活所述缓冲层掺杂的N型掺杂杂质，形成N+缓冲层23。
在本发明的其它实施例中本步骤也可省略，即最终所形成的TI-IGBT为不含缓冲层的TI-IGBT。
步骤S3：对半导体衬底21的一侧表面进行第一次掺杂（如图4所示）；
进行该第一次掺杂的表面为与MOS结构22相对的一侧的表面。
所述第一次掺杂的掺杂类型可为P型，也可为N型。本实施例以第一次掺杂的掺杂类型为P型为例进行说明，则步骤S3具体为：向缓冲层23所在的一侧表面掺入P型掺杂杂质，形成第一次掺杂的区域24，该第一次掺杂的区域24的结深小于缓冲层23的结深。
步骤S4：对半导体衬底21进行退火，以激活第一次掺杂的掺杂杂质（如图4所示）；
本实施例对进行退火所采用的工艺并不限定，优选的，步骤S4具体可为：利用低温退火工艺或激光退火工艺对半导体衬底21进行退火，以激活第一次掺杂的掺杂杂质。
步骤S5：对半导体衬底21的进行第一次掺杂的同一侧表面进行第二次掺杂，所述第二次掺杂的掺杂类型与第一次掺杂的掺杂类型相反，使第二次掺杂的掺杂深度大于或等于第一次掺杂的掺杂深度，并使第二次掺杂的掺杂浓度在其掺杂范围内不同掺杂深度处均大于第一次掺杂的掺杂浓度（如图5所示）；
若第一次掺杂的掺杂杂质为N型，则第二次掺杂的掺杂类型需为P型；若第一次掺杂的掺杂杂质可以为P型，则第二次掺杂的掺杂杂质需为N型。
本实施例中，若第一次掺杂的掺杂类型为P型，则步骤S5具体为：向第一次掺杂的区域24所在的一侧表面掺入N型杂质，形成第二次掺杂的区域25。
使第二次掺杂的区域25的深度大于第一次掺杂的区域24的深度，并使在第二次掺杂的掺杂范围内的不同掺杂深度下，第二次掺杂的区域25的掺杂浓度均大于第一次掺杂的区域24的掺杂浓度，其目的是保证第二次掺杂的区域25在被激活的区域能够很好的反型，在本实施例中即从P型转变为N型。
步骤S6：利用激光扫描第二次掺杂的区域25的待形成第二集电区，以对待形成第二集电区进行退火，激活待形成第二集电区中的第二次掺杂的掺杂杂质，形成第二集电区26，与第二集电区26相邻的第一次掺杂的区域为第一集电区27（如图6所示）；
本实施例中，利用激光束扫描第二次掺杂的区域25的局部区域（即待形成第二集电区），即激光的扫描范围为该待形成第二集电区区域，扫描时半导体衬底21表面薄层的晶体温度迅速升高，从而完成杂质的激活和晶格修复，实现对该待形成第二集电区的退火作用。
在退火过程中，虽然整个半导体衬底21的整个表面都注入了杂质离子，但是只有激光扫描的区域（即待形成第二集电区）的杂质被激活，其它区域的杂质并没有起到施主或受主的作用。由于第二次掺杂的区域25的掺杂浓度处处大于第一次掺杂的区域24的掺杂浓度，因此第二次掺杂的N型掺杂杂质会补偿掉第一次掺杂的P型杂质，最终实现待形成第二集电区掺杂类型由P型反型为N型，形成N+的第二集电区。第二次掺杂的区域25未被激光扫描的区域实际对应第一次掺杂的区域24未反型的区域，也即待形成第一集电区所在的区域，待形成第一集电区内的N型掺杂杂质由于未进行退火而未被激活，从而该区域仍显示P型，成为第一集电区27。
利用激光仅扫描待形成第二集电区区域，实质是对半导体衬底21进行局部激光扫描，扫描的具体方式在本实施例中并不限定。优选的，步骤S5中利用激光扫描第二次掺杂的区域25的待形成第二集电区具体为：利用激光采用直写式扫描的方式扫描第二次掺杂的区域25的待形成第二集电区。
需要说明的是，本实施例中实现激光局部扫描的方法优选的可为：若待形成第二集电区为圆形，扫描时为逐行扫描，则每行的扫描路径长度不同，可在激光器中提前设定好每行的扫描路径的长度，在扫描时，激光束按照设定程序进行扫描即可。
步骤S7：在第一集电区27与第二集电区26的表面上淀积集电极材料，形成集电极28（如图7所示）。
所述集电极材料优选为金属材料，金属化集电极材料的目的是是所形成的集电极28与第一集电区27和第二集电区26均形成欧姆接触。
需要说明的是，本实施例对所述的掺杂（第一次掺杂、第二次掺杂和缓冲层掺杂）所采用的具体工艺并不限定，优选的可采用离子注入工艺。
另外，本实施例仅以先形成MOS结构，再形成包括第一集电区27、第二集电区26、集电极28的集电极结构的步骤顺序，对所提出的TI-IGBT的制作方法进行介绍，在本发明的其它实施例中，MOS结构还可在第一集电区27和第二集电区26之后形成。
本实施例中，利用了掺杂杂质需要进行激活才能表现出施主或受主的特性，首先对半导体衬底的一面进行第一次掺杂，再对该面进行第二次掺杂，然后利用激光扫描第二次掺杂的区域26的待形成第二集电区区域，使该区域内的杂质离子被激活，形成第二集电区26，这就避免了光刻工艺的使用，无需旋涂光刻胶、对准曝光等繁杂的步骤，也就避免了光刻工艺引起的成本昂贵、生产周期长、晶圆易翘曲或碎片的问题，从而极大的降低了TI-IGBT的生产成本、提高了生产效率、改善了晶圆翘曲或碎片的问题。
虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。
Claims (9)
1.一种TI-IGBT的制作方法，其特征在于，包括：
提供半导体衬底，对所述半导体衬底的一侧表面进行第一次掺杂；
对所述半导体衬底进行退火，以激活所述第一次掺杂的掺杂杂质；
对所述半导体衬底的进行第一次掺杂的同一侧表面进行第二次掺杂，所述第二次掺杂的掺杂类型与所述第一次掺杂的掺杂类型相反，使所述第二次掺杂的掺杂深度大于或等于所述第一次掺杂的掺杂深度，并使所述第二次掺杂的掺杂浓度在其掺杂范围内不同掺杂深度处均大于所述第一次掺杂的掺杂浓度；
利用激光扫描所述第二次掺杂的区域的待形成第二集电区，以对所述待形成第二集电区进行退火，激活所述待形成第二集电区中的第二次掺杂的掺杂杂质，形成第二集电区，与所述第二集电区相邻的第一次掺杂的区域为第一集电区。
2.根据权利要求1所述的TI-IGBT的制作方法，其特征在于，所述第一次掺杂的掺杂杂质为P型，所述第二次掺杂的掺杂杂质为N型。
3.根据权利要求1所述的TI-IGBT的制作方法，其特征在于，所述第一次掺杂的掺杂杂质为N型，所述第二次掺杂的掺杂杂质为P型。
4.根据权利要求1所述的TI-IGBT的制作方法，其特征在于，所述半导体衬底的材料为硅、碳化硅、氮化镓或金刚石。
5.根据权利要求1所述的TI-IGBT的制作方法，其特征在于，所述对所述半导体衬底进行退火，以激活所述第一次掺杂的掺杂杂质具体为：利用低温退火工艺或激光退火工艺对所述半导体衬底进行退火，以激活所述第一次掺杂的掺杂杂质。
6.根据权利要求1所述的TI-IGBT的制作方法，其特征在于，所述利用激光扫描所述第二次掺杂的区域的待形成第二集电区具体为：利用激光采用直写式扫描的方式扫描所述第二次掺杂的区域的待形成第二集电区。
7.根据权利要求1～6任一项所述的TI-IGBT的制作方法，其特征在于，在形成所述第一集电区与第二集电区之后，还包括：
在所述第一集电区与第二集电区的表面上淀积集电极材料，形成集电极。
8.根据权利要求7所述的TI-IGBT的制作方法，其特征在于，在对所述半导体衬底的一侧表面进行第一次掺杂之前，还包括：
对所述半导体衬底的一侧表面进行与所述半导体衬底的掺杂类型相同的缓冲层掺杂；
对所述半导体衬底进行退火，以激活所述缓冲层掺杂的掺杂杂质，形成缓冲层。
9.根据权利要求7所述的TI-IGBT的制作方法，其特征在于，还包括：
在所述半导体衬底的一侧表面形成MOS结构，所述MOS结构位于所述半导体衬底的与所述第一集电区和第二集电区相对的一侧。
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