CN106409893A - 一种绝缘栅双极晶体管及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种绝缘栅双极晶体管及其制备方法。该方法包括：在衬底正面形成绝缘栅型晶体管主体结构后，形成发射极金属层、栅极金属层和钝化层；随后形成图形光刻胶，使其覆盖住所述栅极金属层和部分钝化层；在上述衬底正面形成第二金属层，并去除图形光刻胶表面的第二金属层，以形成复合金属层，该复合金属层位于钝化层及发射极金属层上层，最后去除图形光刻胶。通过采用上述技术方案，使得需要被去除的第二金属层与下面的钝化层以及栅极金属层之间相隔了一层光刻胶，由于第二金属层与光刻胶之间的粘合力较小，所以光刻胶上的第二金属层很容易被剥离，步骤简单，且能够有效提高器件的稳定性以及良品率，降低制造工艺的复杂性和制造成本。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，具体涉及一种绝缘栅双极晶体管及其制备方法。
背景技术
绝缘栅双极晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)是金属氧化物半导体场效应管(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect-Transistor，MOSFET)和双极结型晶体管(Bipolar Junction Transistor，BJT)的复合器件，兼备MOSFET的高输入阻抗和BJT的低导通压降的优点，广泛应用于功率控制领域。
传统的IGBT模块通常采用引线键合或者焊接方式将半导体芯片与陶瓷基板、散热底板等封装在一起，存在可靠性问题，器件容易失效，且在进行单独装配及测试时不够便利。因此，出现了压接式的IGBT封装结构。压接式IGBT模块中半导体芯片与电极通过压力接触，相比传统的采用引线键合或焊接工艺封装的IGBT模块，压接式IGBT具有更高的可靠性、更好的散热性以及更高的工作结温等优点。
由于压接式IGBT模块与传统的IGBT模块封装方式不同，所以在半导体芯片方面要做出改变。半导体芯片上面集成了IGBT器件，传统的IGBT模块中半导体芯片上面集成的典型的一种IGBT器件的剖面结构示意图如图1所示，包括元胞区(有源区)10、过渡区11和终端区12。具体包括集电极金属层100、P型集电极区101、N型漂移区102、P型终端环区103、P型体区(Pbody区)104、N型发射极区105、场氧化层106、栅氧化层107、多晶栅层108、介质层109、发射极金属层110、栅极金属层111以及钝化层112。其制备工艺包括如下步骤：
1、在N型衬底上生长场氧化层106；
2、经过光刻、腐蚀、离子注入及推阱等工艺在N型衬底上形成P型终端环区103；
3、经过光刻、腐蚀及热生长等工艺生长栅氧化层107；
4、淀积多晶硅并掺杂形成多晶硅栅层108；
5、经过光刻、腐蚀、离子注入及推阱等工艺形成P型体区104；
6、经过离子注入及高温退火等工艺形成N型发射极区106；
7、形成介质层109；
8、淀积金属以形成发射极金属层110和栅极金属层111；
9、经过光刻及淀积等工艺形成钝化层112；
10、在N型衬底背面进行离子注入及退火等工艺，形成P型集电极区101，并淀积金属以形成集电极金属层100。
压接式的封装方式中，半导体芯片与电极通过压力接触，所以对IGBT器件的制备工艺提出了更高的要求，尤其是电极的制备。在制备电极时，要考虑到如何在保证器件质量的同时，尽量与现有的平面IGBT工艺制程兼容，从而降低制造工艺的复杂性和制造成本。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提供一种绝缘栅双极晶体管的制备方法及绝缘栅双极晶体管，以优化用于压接式封装的绝缘栅双极晶体管的制备方法，使其与现有的平面IGBT工艺制程兼容，并提高器件的稳定性以及良品率，降低制造工艺的复杂性和制造成本。
第一方面，本发明实施例提供了一种绝缘栅双极晶体管的制备方法，包括：
在衬底正面形成绝缘栅型晶体管主体结构，所述主体结构包括漂移区、体区、发射极区、场氧化层、栅氧化层、多晶栅层和介质层；
在上述衬底正面形成第一金属层，并采用构图工艺形成发射极金属层和栅极金属层；
在上述衬底正面形成钝化层，并采用构图工艺刻蚀露出至少部分发射极金属层和栅极金属层；
在上述衬底正面形成图形光刻胶，所述图形光刻胶覆盖住所述栅极金属层和部分钝化层；
在上述衬底正面形成第二金属层；
去除所述图形光刻胶表面的第二金属层，以形成复合金属层，所述复合金属层位于所述发射极金属层的上方；
去除所述图形光刻胶。
第二方面，本发明实施例提供了一种绝缘栅双极晶体管，包括主体结构、发射极金属层、栅极金属层、钝化层以及复合金属层；所述主体结构包括漂移区，形成于所述漂移区内的体区和发射极区、形成于漂移区上方的场氧化层和栅氧化层，形成于所述场氧化层和所述栅氧化层上层的多晶栅层，以及介质层；所述发射极金属层形成于所述发射极区上方、所述栅极金属层形成于所述多晶栅层上方，所述钝化层形成于所述发射极金属层和所述栅极金属层上方。其中，所述复合金属层，形成在所述钝化层的上层，并位于所述发射极金属层的上方。
本发明实施例提供的绝缘栅双极晶体管的制备方法，在衬底正面形成绝缘栅型晶体管主体结构后，形成发射极金属层和栅极金属层，随后形成钝化层；在上述衬底正面形成图形光刻胶，使该图形光刻胶覆盖住所述栅极金属层和部分钝化层；在上述衬底正面形成第二金属层，并去除图形光刻胶表面的第二金属层，以形成复合金属层，该复合金属层位于发射极金属层的上方，最后去除图形光刻胶。通过采用上述技术方案，使得需要被去除的第二金属层与下面的钝化层以及栅极金属层之间相隔了一层光刻胶，由于第二金属层与光刻胶之间的粘合力较小，所以光刻胶上的第二金属层很容易被剥离，与现常用的腐蚀等去除金属层的工艺相比，步骤简单，且能够有效提高器件的稳定性以及良品率，降低制造工艺的复杂性和制造成本。
本发明实施例提供的绝缘栅双极晶体管，在现有的发射极金属层以及钝化层表面增加了复合金属层，其表层金属为银。现有的发射极金属层通常为包含铝的合金，而银相对于铝来说质地较软，且接触电阻小，不存在电迁移问题，更加适用于压接式封装的绝缘栅双极晶体管的电极制备，尤其是发射极。
附图说明
下面将通过参照附图详细描述本发明的示例性实施例，使本领域的普通技术人员更清楚本发明的上述及其他特征和优点，附图中：
图1为传统的IGBT模块中半导体芯片上面集成的典型的一种IGBT器件的剖面结构示意图；
图2为本发明实施例一提供的一种绝缘栅双极晶体管的剖面结构示意图；
图3为本发明实施例二提供的一种绝缘栅双极晶体管的制备方法的流程示意图；
图4为图3所示实施例二中S310的具体流程示意图；
图5为图3所示实施例二中进行S310步骤之后形成绝缘栅型晶体管主体结构的剖面结构示意图；
图6为图3所示S320对应的剖面结构示意图；
图7为图3所示S330对应的剖面结构示意图；
图8为图3所示S340对应的剖面结构示意图；
图9为图3所示S350对应的剖面结构示意图；
图10为图3所示S360对应的剖面结构示意图；
图11为图3所示S370对应的剖面结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部内容。
实施例一
图2为本发明实施例一提供的一种绝缘栅双极晶体管的剖面结构示意图。为了与图1中传统的IGBT器件进行对比，保留了与传统的IGBT器件相同部分的附图标记，并以在N型硅衬底上形成的IGBT器件为例进行说明。如图2所示，本发明实施例一提供的IGBT器件包括元胞区(有源区)10、过渡区11和终端区12。具体包括集电极金属层100、P型集电极区101、N型漂移区102、P型终端环区103、P型体区(Pbody区)104、N型发射极区105、场氧化层106、栅氧化层107、多晶栅层108、介质层109、发射极金属层110、栅极金属层111以及钝化层112，此外，还包括形成在所述钝化层112的上层，并位于所述发射极金属层110上方的复合金属层201。
可选的，复合金属层201自下向上的层材质可依次为钛镍银(TINIAG)，即钛金属层、镍金属层和银金属层；还可依次为氧化钛层、钛金属层和银金属层；也可依次为钒金属层、镍金属层和银金属层；当然，也可为其他金属或金属氧化物的组合，在此不作具体限定。示例性的，当复合金属层201自下向上的层材质可依次为钛镍银时，钛金属层的厚度可为20nm～300nm，镍金属层的厚度可为20nm～300nm，银金属层的厚度可为1000nm～5000nm。
其中，发射极金属层110和栅极金属层111的材质可与传统的IGBT器件中相同。例如，采用铝硅铜合金(ALSICU)或铝硅合金(ALSI)等。示例性的，发射极金属层110和栅极金属层111的厚度可为2um～8um。
本发明实施例提供的绝缘栅双极晶体管，在现有的发射极金属层以及钝化层表面增加了复合金属层，其表层金属为银。现有的发射极金属层通常为包含铝的合金，而银相对于铝来说质地较软，且接触电阻小，不存在电迁移问题，更加适用于压接式封装的绝缘栅双极晶体管的电极制备，尤其是发射极。本发明实施例提供的绝缘栅双极晶体管在发射极采用铝+银(Al+Ag)的双层金属结构，能够适用于压接式封装的IGBT模块的制备。
实施例二
图3为本发明实施例二提供的一种绝缘栅双极晶体管的制备方法的流程示意图。如图3所示，本发明实施例提供的一种绝缘栅双极晶体管的制备方法包括如下步骤：
S310、在衬底正面形成绝缘栅型晶体管主体结构，所述主体结构包括漂移区、体区、发射极区、场氧化层、栅氧化层、多晶栅层和介质层。
图4为图3所示实施例二中S310的具体流程示意图，如图4所示，S310可具体包括如下步骤：
S311、提供第一导电类型的衬底。
所述第一导电类型可为P型或N型，优选为N型。具体的，可采用晶向为<100>的N型硅衬底。
S312、在衬底的正面有选择的形成场氧化层。
S313、自衬底的正面向内有选择的形成第二导电类型重掺杂终端区。
当第一导电类型为N型时，此处的第二导电类型为P型。
S314、在衬底正面有选择的形成栅氧化层。
S315、在栅氧化层表面和场氧化层表面有选择的形成多晶硅栅层。
S316、自衬底的正面向内有选择的形成第二导电类型基区。
S317、自第二导电类型基区的表面向内有选择的形成第一导电类型的重掺杂有源区。
此处的重掺杂有源区即为发射极区。
S318、在所述多晶硅层和所述衬底正面有选择的形成介质层。
图5为本发明实施例二中进行S310步骤之后形成绝缘栅型晶体管主体结构的剖面结构示意图，为了与图1中传统的IGBT器件进行对比，在图5以及后续的附图中，保留了与传统的IGBT器件相同部分的附图标记，并以在N型硅衬底上形成的IGBT器件为例进行说明，不再另行说明。由图5所示，绝缘栅型晶体管主体结构包括N型漂移区102、P型终端环区103、P型体区(Pbody区)104、N型发射极区105、场氧化层106、栅氧化层107、多晶栅层108和介质层109。
S320、在上述衬底正面形成第一金属层，并采用构图工艺形成发射极金属层和栅极金属层。
在本步骤中，第一金属层可与传统的IGBT器件中用来制备发射极金属层和栅极金属层的材质相同。例如，采用铝硅铜合金(ALSICU)或铝硅合金(ALSI)等。示例性的，第一金属层的厚度可为2um～8um。可采用热蒸发、磁控溅射等工艺在衬底正面形成第一金属层。所述构图工艺可为光刻工艺，即包括涂光刻胶、曝光和显影等步骤。利用显影后的光刻胶作为阻挡层，对第一金属层进行刻蚀，可包括湿法刻蚀和干法刻蚀。通过刻蚀形成发射极金属层和栅极金属层。
图6为图3所示S320对应的剖面结构示意图。如图6所示，本步骤制备了发射极金属层110和栅极金属层111。
S330、在上述衬底正面形成钝化层，并采用构图工艺刻蚀露出至少部分发射极金属层和栅极金属层。
本步骤中的钝化层的材料具体可为氮化硅(SI3N4)、正硅酸乙酯和氮化硅(TEOS+SI3N4)、磷硅玻璃和氮化硅(PSG+SI3N4)以及半绝缘多晶硅(SIPOS)等。所述构图工艺可为光刻工艺，即包括涂光刻胶、曝光和显影等步骤。利用显影后的光刻胶作为阻挡层，对钝化层进行刻蚀，露出至少部分发射极金属层和栅极金属层。
图7为图3所示S330对应的剖面结构示意图。如图7所示，刻蚀后的钝化层112覆盖住了部分的发射极金属层110和栅极金属层111。
S340、在上述衬底正面形成图形光刻胶，图形光刻胶覆盖住栅极金属层和部分钝化层。
在本步骤中，形成图形光刻胶具体为先涂光刻胶，利用掩膜版对光刻胶进行遮挡后曝光，经过显影后留下图形光刻胶。
图8为图3所示S340对应的剖面结构示意图。如图8所示，图形光刻胶801覆盖住了栅极金属层111和部分的钝化层112。
S350、在上述衬底正面形成第二金属层。
第二金属层可为多层结构，自下向上的层材质可依次为钛镍银(TINIAG)，即钛金属层、镍金属层和银金属层；还可依次为氧化钛层、钛金属层和银金属层；也可依次为钒金属层、镍金属层和银金属层；当然，也可为其他金属或金属氧化物的组合，在此不作具体限定。示例性的，当复合金属层201自下向上的层材质可依次为钛镍银时，钛金属层的厚度可为20nm～300nm，镍金属层的厚度可为20nm～300nm，银金属层的厚度可为1000nm～5000nm。
具体的，可采用磁控溅射等工艺逐层进行淀积来形成第二金属层。
进一步的，因为金属银不能经受高温(300℃以上)，所以在形成第二金属层之前，优选的先进行高温工艺。所以，在进行步骤S350之前还可包括：
在衬底背面进行离子注入和退火，以形成绝缘栅型晶体管主体结构的集电极区。
图9为图3所示S350对应的剖面结构示意图。其中，在进行步骤S350之前，已经形成P型集电极区101。如图9所示，第二金属层901覆盖了整个衬底表面。
S360、去除图形光刻胶表面的第二金属层，以形成复合金属层，复合金属层位于发射极金属层的上方。
由于第二金属层与光刻胶之间的粘合力较小，所以光刻胶上的第二金属层很容易被剥离，与现常用的腐蚀等去除金属层的工艺相比具有很多优点。例如，最常用的湿法腐蚀工艺，为保证金属银(Ag)被腐蚀干净，需要增加足够的过腐蚀时间，那么侧向腐蚀量较大且不易控制；腐蚀液需要对Ag和Al的腐蚀选择比高，腐蚀Ag一般需要强氧化剂，在腐蚀Ag时容易腐蚀掉Al，进而影响后续栅电极的封装键合；湿法腐蚀工序一般在工厂后道重金属区域，还容易产生重金属玷污的问题，从而导致与现有的平面IGBT工艺制程不兼容。
示例性的，去除图形光刻胶表面的第二金属层具体可为：在第二金属层表面粘贴树脂膜，树脂膜与第二金属层和钝化层之间的粘合力大于图形光刻胶与第二金属层之间的粘合力；通过撕除树脂膜来去除图形光刻胶表面的第二金属层。优选的，所述树脂膜为蓝膜。蓝膜是一种蓝色保护胶带，是在半导体晶圆厂或封装厂中常用于晶圆背面研磨、切割、减薄制程中所使用的保护胶带。本步骤中主要利用蓝膜的粘性来撕除形光刻胶表面的第二金属层，对蓝膜的规格、厚度、颜色及材质等不作限定。
图10为图3所示S360对应的剖面结构示意图。如图10所示，去除图形光刻胶表面的第二金属层之后，留下来的部分第二金属层即为复合金属层1001。
S370、去除图形光刻胶。
优选的，采用湿法去除图形光刻胶。
图11为图3所示S370对应的剖面结构示意图，如图11所示，去除图形光刻胶后，露出了被图形光刻胶所覆盖的部分钝化层112和部分栅极金属层111。
进一步的，本实施例提供的方法还可包括：
S380、在上述衬底背面淀积第三金属层，以形成集电极金属层。
在衬底背面进行金属化，采用磁控溅射等工艺淀积第三金属层，作为集电极金属层。最终形成如图2所示的绝缘栅双极晶体管，所述第三金属层即为集电极金属层100。
本发明实施例提供的绝缘栅双极晶体管的制备方法，在衬底正面形成绝缘栅型晶体管主体结构后，形成发射极金属层和栅极金属层，随后形成钝化层；在上述衬底正面形成图形光刻胶，使该图形光刻胶覆盖住所述栅极金属层和部分钝化层；在上述衬底正面形成第二金属层，并去除图形光刻胶表面的第二金属层，以形成复合金属层，该复合金属层位于钝化层及发射极金属层上层，最后去除图形光刻胶。通过采用上述技术方案，使得需要被去除的第二金属层与下面的钝化层以及栅极金属层之间相隔了一层光刻胶，由于第二金属层与光刻胶之间的粘合力较小，所以光刻胶上的第二金属层很容易被剥离，与现常用的腐蚀等去除金属层的工艺相比，步骤简单，可与现有的平面IGBT工艺制程兼容，且能够有效提高器件的稳定性以及良品率，降低制造工艺的复杂性和制造成本。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域技术人员而言，本发明可以有各种改动和变化。凡在本发明的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种绝缘栅双极晶体管，包括主体结构、发射极金属层、栅极金属层以及钝化层；所述主体结构包括漂移区，形成于所述漂移区内的体区和发射极区、形成于漂移区上方的场氧化层和栅氧化层，形成于所述场氧化层和所述栅氧化层上层的多晶栅层，以及介质层；所述发射极金属层形成于所述发射极区上方、所述栅极金属层形成于所述多晶栅层上方，所述钝化层形成于所述发射极金属层和所述栅极金属层上方，其特征在于，还包括：
复合金属层，形成在所述钝化层的上层，并位于所述发射极金属层的上方。
2.根据权利要求1所述的绝缘栅双极晶体管，其特征在于：
所述复合金属层自下向上的层材质依次为钛镍银。
3.一种绝缘栅双极晶体管的制备方法，其特征在于，包括：
在衬底正面形成绝缘栅型晶体管主体结构，所述主体结构包括漂移区、体区、发射极区、场氧化层、栅氧化层、多晶栅层和介质层；
在上述衬底正面形成第一金属层，并采用构图工艺形成发射极金属层和栅极金属层；
在上述衬底正面形成钝化层，并采用构图工艺刻蚀露出至少部分发射极金属层和栅极金属层；
在上述衬底正面形成图形光刻胶，所述图形光刻胶覆盖住所述栅极金属层和部分钝化层；
在上述衬底正面形成第二金属层；
去除所述图形光刻胶表面的第二金属层，以形成复合金属层，所述复合金属层位于所述发射极金属层的上方；
去除所述图形光刻胶。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，在上述衬底表面形成第二金属层之前，还包括：
在所述衬底背面进行离子注入和退火，以形成绝缘栅型晶体管主体结构的集电极区。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，去除所述图形光刻胶表面的第二金属层包括：
在所述第二金属层表面粘贴树脂膜，所述树脂膜与所述第二金属层和钝化层之间的粘合力大于所述图形光刻胶与所述第二金属层之间的粘合力；
通过撕除所述树脂膜来去除所述图形光刻胶表面的第二金属层。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述树脂膜为蓝膜。
7.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，去除所述图形光刻胶包括：
采用湿法去除所述图形光刻胶。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，在去除所述图形光刻胶之后还包括：
在所述衬底背面形成集电极金属层。
9.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述第一金属层为铝硅铜合金层或铝硅合金层；所述第二金属层为多层结构，自下向上分别为钛金属层、镍金属层和银金属层。
10.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，在衬底正面形成绝缘栅型晶体管主体结构包括：
提供第一导电类型的衬底；
在所述衬底的正面有选择的形成场氧化层；
自所述衬底的正面向内有选择的形成第二导电类型重掺杂终端区；
在所述衬底正面有选择的形成栅氧化层；
在所述栅氧化层表面和所述场氧化层表面有选择的形成多晶硅栅层；
自所述衬底的正面向内有选择的形成第二导电类型基区；
自所述第二导电类型基区的表面向内有选择的形成第一导电类型的重掺杂有源区；
在所述多晶硅层和所述衬底正面有选择的形成介质层。
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