CN111326572A - 一种半导体功率器件的背面结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种半导体功率器件的背面结构，包括半导体基板，所述半导体基板具有彼此相对的第一表面和第二表面，所述半导体基板的第一表面上设有元胞区，所述半导体基板的第二表面具有若干金属填充孔，所述金属填充孔内填充有第一金属，所述第一金属的底部延伸至所述第二表面的外部，所述第一金属的顶部与所述半导体基板欧姆接触。本发明对传统的半导体功率器件的背面结构进行了改善，通过在半导体基板的第二表面设置金属填充孔并填充第一金属，在半导体基板的第一表面直接加工形成不同类型的功率器件，以进一步降低寄生电阻，提高功率器件的性能；本发明可以省略外延层和背面金属，以简化功率器件的制造工艺步骤，节省材料，降低成本。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，具体为一种半导体功率器件的背面结构。
背景技术
半导体器件用于各种电子应用中，诸如个人电脑、手机、数码相机和其他电子设备。通常通过在半导体基板上方依次沉积绝缘或介电层、导电层和半导体材料层，并且使用光刻方法在各个材料层上形成特定的图案，以在半导体基板上方形成电路组件和元件来制造半导体器件。
在当今的功率器件市场上，通常通过在半导体基板下方形成背面金属，在半导体基板上设置所需器件结构来制造半导体器件，背面金属与半导体基板作为标准工艺被广泛地应用在金属氧化物半导体场效晶体管(MOSFET)、双极型晶体管(BJT)、二极管等功率器件上，以满足器件的各项规格要求。
图1至图3示出了现有技术中各种不同类型的功率器件的结构，均为在半导体基板背面形成背面金属，在半导体基板表面加工形成不同类型的功率器件，这个传统工艺流程长，成本高，产能紧急，技术扩展受限，产品性能也有待优化。
发明内容
本发明的目的在于提供一种半导体功率器件的背面结构，在半导体基板正面直接加工形成不同类型的功率器件，通过在半导体基板背面设置金属填充孔并填充金属，以进一步降低寄生电阻，提高功率器件的性能，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种半导体功率器件的背面结构，包括半导体基板，所述半导体基板具有彼此相对的第一表面和第二表面，所述半导体基板的第一表面上设有元胞区，所述半导体基板的第二表面具有若干金属填充孔，所述金属填充孔内填充有第一金属，所述第一金属的底部延伸至所述第二表面的外部，所述第一金属的顶部与所述半导体基板欧姆接触。
优选的，在所述半导体基板与所述金属填充孔顶部的接触面内设有第一掺杂区。
优选的，所述第一金属的侧部与所述半导体基板之间为欧姆接触或非欧姆接触。
优选的，所述第一金属的侧部与所述半导体基板之间为欧姆接触时，在所述半导体基板与所述金属填充孔侧部的接触面内设有第二掺杂区。
优选的，所述第一金属延伸至所述第二表面外部的部分与所述第二表面之间为欧姆接触或非欧姆接触。
优选的，所述第一金属延伸至所述第二表面外部的部分与所述第二表面之间为欧姆接触时，所述第二表面内设有第三掺杂区。
优选的，所述第一金属包括填充金属。
优选的，所述第一金属还包括连接层和保护层，所述连接层、保护层和填充金属自所述半导体基板的表面向外依次分布。
优选的，所述连接层为钛，和/或，所述保护层为氮化钛，和/或，所述填充金属为铝、银、铜、镍、金、钨、铝铜合金、铝硅铜合金中的一种。
优选的，所述金属填充孔均匀分布在所述半导体基板的第二表面内。
优选的，所述金属填充孔的延伸方向与所述第二表面所在平面垂直。
优选的，每个所述第一金属延伸至所述第二表面外部的部分均相连，形成第一金属层。
优选的，每个所述第一金属延伸至所述第二表面外部的部分互不相连。
优选的，所述半导体基板的第二表面上形成有背面金属，所述背面金属包覆所述第二表面及所述第一金属。
优选的，所述背面金属与所述第一金属的金属类型相同。
优选的，所述背面金属与所述第一金属的金属类型不同。
优选的，所述半导体基板为半导体衬底，或，所述半导体基板包括半导体衬底和外延层。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：本发明对传统的半导体功率器件的背面结构进行了改善，通过在半导体基板的第二表面设置金属填充孔并填充第一金属，在半导体基板的第一表面直接加工形成不同类型的功率器件，以进一步降低寄生电阻，提高功率器件的性能；本发明可以不设置外延层和背面金属，以简化工艺步骤，降低成本。
附图说明
图1为现有技术中的金属氧化物半导体场效晶体管的剖视图；
图2为现有技术中的双极型晶体管的剖视图；
图3为现有技术中的二极管的剖视图；
图4为本发明的一实施例的剖视图；
图5为本发明的一实施例的第一金属的剖视图；
图6为本发明的另一实施例的剖视图；
图7为本发明的另一实施例的剖视图；
图8为本发明的另一实施例的剖视图；
图9为本发明的另一实施例的剖视图；
图10为本发明的第一实施例的功率器件的剖视图；
图11为本发明的第二实施例的功率器件的剖视图；
图12为本发明的第三实施例的功率器件的剖视图。
图中：1、半导体基板；11、半导体衬底；12、外延层；3、元胞区；4、背面金属；5、第一金属；51、连接层；52、保护层；53、填充金属；6、第一掺杂区；7、第二掺杂区；8、第三掺杂区。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图4所示，本发明提供了一种半导体功率器件的背面结构，包括半导体基板1，所述半导体基板1具有彼此相对的第一表面和第二表面，所述半导体基板1的第一表面上设有元胞区3，所述半导体基板1的第二表面具有若干金属填充孔，采用激光方式、机械方式或化学方式在所述半导体基板1的第二表面上进行开槽，形成所述金属填充孔，所述金属填充孔可以是孔状也可以是槽状，对此不具体限定，所述金属填充孔均匀分布在所述半导体基板1的第二表面内，所述金属填充孔的延伸方向与所述半导体基板1的第二表面所在平面垂直，金属填充孔的槽深可根据半导体功率器件的参数要求进行调整。图4至图9中的元胞区3仅作标示作用，不代表任何具体的功率器件。
所述金属填充孔内填充有第一金属5，所述第一金属5填充满所述金属填充孔，并且所述第一金属5的底部延伸至所述半导体基板1的第二表面的外部。
在一较佳地实施例中，如图5所示，所述第一金属5连接层51、保护层52和填充金属53，所述连接层51、保护层52和填充金属53自所述半导体基板1的表面向外依次分布。其中，优选的，所述连接层51为钛，所述连接层51用于改善第一金属5与半导体基板1的欧姆接触；所述保护层52为氮化钛，所述保护层52用于保护连接层51，防止连接层51氧化；所述填充金属53为铝、银、铜、镍、金、钨、铝铜合金、铝硅铜合金中的一种。需要注意的是，所述连接层51包括但不限于钛，所述保护层52包括但不限于氮化钛，所述填充金属53包括但不限于铝、银、铜、镍、金、钨、铝铜合金、铝硅铜合金中的一种。在半导体基板1的第二表面和金属填充孔内通过CVD、PVD、电镀等方式依次形成连接层51、保护层52和填充金属53为本领域的常用技术手段，在此不再赘述。
在另一较佳地实施例中，所述第一金属5仅包括填充金属53，在该实施例中，第一金属5包括但不限于铝、银、铜、镍、金、钨、铝铜合金、铝硅铜合金中的一种。在半导体基板1的第二表面和金属填充孔内通过CVD、PVD、电镀等方式形成填充金属53为本领域的常用技术手段，在此不再赘述。需要注意的是，填充金属53并非仅包括单一的层状结构，本发明的填充金属53还包括用于填充满金属填充孔的部分。
在以下内容中，第一金属5可以是如图5所示的多层结构，也可以仅包括填充金属53，应当理解为第一金属5的上述两种结构均适用于以下内容，因此不再分开阐述。
所述第一金属5的顶部与所述半导体基板1欧姆接触。在一较佳地实施例中，在所述半导体基板1与所述金属填充孔顶部的接触面内设有第一掺杂区6。在半导体基板1与第一金属5顶部的接触面上，在半导体基板1内注入高浓度离子，形成所述第一掺杂区6，以使得第一金属5的顶部与半导体基板1之间形成欧姆接触。
所述第一金属5的侧部与所述半导体基板1之间可以是欧姆接触，也可以是非欧姆接触。所述第一金属5的侧部与所述半导体基板1之间为非欧姆接触时，直接填充第一金属5即可；所述第一金属5的侧部与所述半导体基板1之间为欧姆接触时，如图6所示，在所述半导体基板1与所述金属填充孔侧部的接触面内设有第二掺杂区7，在半导体基板1与第一金属5侧部的接触面上，在半导体基板1内注入高浓度离子，形成所述第二掺杂区7，以使得第一金属5的侧部与半导体基板1之间形成欧姆接触。
所述第一金属5延伸至半导体基板1第二表面外部的部分与半导体基板1的第二表面之间可以是欧姆接触，也可以是非欧姆接触。所述第一金属5延伸至半导体基板1第二表面外部的部分与半导体基板1的第二表面之间是非欧姆接触时，直接在半导体基板1的第二表面上形成所述第一金属5即可；所述第一金属5延伸至半导体基板1第二表面外部的部分与半导体基板1的第二表面之间是欧姆接触时，如图7所示，在所述半导体基板1的第二表面内设有第三掺杂区8，通过在半导体基板1的第二表面内注入高浓度离子，形成所述第三掺杂区8。需要注意的是，在形成第一掺杂区6的步骤中，通过整体表面注入的方式，可同时形成所述第三掺杂区8。
在一较佳地实施例中，如图8所示，每个所述第一金属5延伸至半导体基板1第二表面外部的部分均相连，形成第一金属层。
在一较佳地实施例中，每个所述第一金属5延伸至半导体基板1第二表面外部的部分互不相连。进一步地，如图9所示，所述半导体基板1的第二表面上还可以形成有背面金属4，所述背面金属4包覆所述第一金属5及半导体基板1的第二表面。所述背面金属4与所述第一金属5的金属类型可以相同，也可以不同。
如图4所示，本发明中的半导体基板1可以为半导体衬底11，半导体衬底11的正面不生长外延层12，通过在半导体衬底11的背面设置本发明的上述背面结构，在半导体衬底11的正面直接设置不同结构的元胞区3来加工形成不同类型的功率器件。
如图6所示，本发明中的半导体基板1也可以为半导体衬底11和外延层12,外延层12设置在半导体衬底11的正面，通过在半导体衬底11的背面设置本发明的上述背面结构，在外延层12的正面加工成不同结构的元胞区3来加工形成不同类型的功率器件。
因此，本发明适用于原有背面结构为半导体基板1的第二表面设有背面金属4，且电流垂直流动的功率器件。
第一实施例
图10示出了本发明第一实施例的功率器件的剖视图，本实施例为具有本发明的背面结构的N型平面型MOSFET，包括N型半导体衬底11，所述N型半导体衬底11具有彼此相对的第一表面和第二表面，所述N型半导体衬底11的第一表面上设置有元胞区3，在本实施例中，所述元胞区3包括设置在N型半导体衬底11内的P型体区及位于P型体区内的N型源区，所述N型源区电气接触有一源极引出端，所述P型体区内具有一沟道区，所述沟道区上方在绝缘层上侧面延伸出一栅极部分。一般地，在元胞区3的外圈设置终端保护区，利用终端保护区能实现对元胞区3的耐压保护，终端保护区与元胞区3之间的具体配合关系为本技术领域人员所熟知，此处不再赘述。
所述N型半导体衬底11的第二表面具有若干金属填充孔，采用激光方式、机械方式或化学方式在所述N型半导体衬底11的第二表面上进行开槽，形成所述金属填充孔，所述金属填充孔均匀分布在所述N型半导体衬底11的第二表面内，所述金属填充孔的延伸方向与所述N型半导体衬底11的第二表面所在平面垂直，金属填充孔的槽深可根据半导体功率器件的参数要求进行调整。
所述金属填充孔内填充有第一金属5，所述第一金属5填充满所述金属填充孔，并且所述第一金属5的底部延伸至所述N型半导体衬底11的第二表面的外部，所述第一金属5可以是上述的多层结构，也可以仅为填充金属53，所述第一金属5的顶部与所述N型半导体衬底11欧姆接触。
在本实施例中，在所述N型半导体衬底11与所述金属填充孔顶部的接触面内设有第一掺杂区6，在N型半导体衬底11与第一金属5顶部的接触面上，在N型半导体衬底11内注入高浓度离子，形成第一掺杂区6，以使得第一金属5的顶部与N型半导体衬底11之间形成欧姆接触。
在本实施例中，所述第一金属5的侧部与所述N型半导体衬底11之间为非欧姆接触。
在本实施例中，所述第一金属5延伸至N型半导体衬底11第二表面外部的部分与N型半导体衬底11的第二表面为非欧姆接触。
在本实施例中，每个所述第一金属5延伸至N型半导体衬底11第二表面外部的部分互不相连。
根据第一实施例的描述，本领域技术人员很容易理解本发明的背面结构适用于原有背面结构为半导体基板1的第二表面设有背面金属4，且电流垂直流动的MOSFET，如沟槽型MOSFET等。
第二实施例
图11示出了本发明第一实施例的功率器件的剖视图，本实施例为具有本发明的背面结构的双极型晶体管，包括N型半导体衬底11和外延层12，外延层12设置在N型半导体衬底11的正面，所述N型半导体衬底11的背面为第二表面，所述外延层12的正面设置有元胞区3，在本实施例中，所述元胞区3包括设置在外延层12内的P型基区及位于P型基区内的N型发射区，P型基区和N型发射区上端覆盖有绝缘层，发射极穿透绝缘层与N型发射区连接，基极穿透绝缘层与P型基区连接。一般地，在元胞区3的外圈设置终端保护区，利用终端保护区能实现对元胞区3的耐压保护，终端保护区与元胞区3之间的具体配合关系为本技术领域人员所熟知，此处不再赘述。
所述N型半导体衬底11的第二表面具有若干金属填充孔，采用激光方式、机械方式或化学方式在所述N型半导体衬底11的第二表面上进行开槽，形成所述金属填充孔，所述金属填充孔均匀分布在所述N型半导体衬底11的第二表面内，所述金属填充孔的延伸方向与所述N型半导体衬底11的第二表面所在平面垂直，金属填充孔的槽深可根据半导体功率器件的参数要求进行调整。
所述金属填充孔内填充有第一金属5，所述第一金属5填充满所述金属填充孔，并且所述第一金属5的底部延伸至所述N型半导体衬底11的第二表面的外部，所述第一金属5可以是上述的多层结构，也可以仅为填充金属53，所述第一金属5的顶部与所述N型半导体衬底11欧姆接触。
在本实施例中，在所述N型半导体衬底11与所述金属填充孔顶部的接触面内设有第一掺杂区6，在N型半导体衬底11与第一金属5顶部的接触面上，在N型半导体衬底11内注入高浓度离子，形成第一掺杂区6，以使得第一金属5的顶部与N型半导体衬底11之间形成欧姆接触。
在本实施例中，所述第一金属5的侧部与所述N型半导体衬底11之间为欧姆接触。在N型半导体衬底11与第一金属5侧部的接触面上，在N型半导体衬底11内注入高浓度离子，形成第二掺杂区7，以使得第一金属5的侧部与N型半导体衬底11之间形成欧姆接触。
在本实施例中，所述第一金属5延伸至N型半导体衬底11第二表面外部的部分与N型半导体衬底11的第二表面为非欧姆接触。
在本实施例中，每个所述第一金属5延伸至N型半导体衬底11第二表面外部的部分均相连，形成第一金属层。
根据第二实施例的描述，本领域技术人员很容易理解本发明的背面结构适用于原有背面结构为半导体基板1的第二表面设有背面金属4，且电流垂直流动的双极型晶体管。
第三实施例
图12示出了本发明第一实施例的功率器件的剖视图，本实施例为具有本发明的背面结构的二极管，包括N型半导体衬底11，所述N型半导体衬底11具有彼此相对的第一表面和第二表面，所述N型半导体衬底11的第一表面上设置有元胞区3，在本实施例中，所述元胞区3包括设置在N型半导体衬底11内的P型掺杂区，P型掺杂区上端覆盖有绝缘层，阳极穿透绝缘层与P型掺杂区连接。一般地，在元胞区3的外圈设置终端保护区，利用终端保护区能实现对元胞区3的耐压保护，终端保护区与元胞区3之间的具体配合关系为本技术领域人员所熟知，此处不再赘述。
所述N型半导体衬底11的第二表面具有若干金属填充孔，采用激光方式、机械方式或化学方式在所述N型半导体衬底11的第二表面上进行开槽，形成所述金属填充孔，所述金属填充孔均匀分布在所述N型半导体衬底11的第二表面内，所述金属填充孔的延伸方向与所述N型半导体衬底11的第二表面所在平面垂直，金属填充孔的槽深可根据半导体功率器件的参数要求进行调整。
所述金属填充孔内填充有第一金属5，所述第一金属5填充满所述金属填充孔，并且所述第一金属5的底部延伸至所述N型半导体衬底11的第二表面的外部，所述第一金属5可以是上述的多层结构，也可以仅为填充金属53，所述第一金属5的顶部与所述N型半导体衬底11欧姆接触。
在本实施例中，在所述N型半导体衬底11与所述金属填充孔顶部的接触面内设有第一掺杂区6，在N型半导体衬底11与第一金属5顶部的接触面上，在N型半导体衬底11内注入高浓度离子，形成第一掺杂区6，以使得第一金属5的顶部与N型半导体衬底11之间形成欧姆接触。
在本实施例中，所述第一金属5的侧部与所述N型半导体衬底11之间为欧姆接触。在N型半导体衬底11与第一金属5侧部的接触面上，在N型半导体衬底11内注入高浓度离子，形成第二掺杂区7，以使得第一金属5的侧部与N型半导体衬底11之间形成欧姆接触。
在本实施例中，所述第一金属5延伸至N型半导体衬底11第二表面外部的部分与N型半导体衬底11的第二表面之间是欧姆接触，在所述N型半导体衬底11的第二表面内设有第三掺杂区8，通过在N型半导体衬底11的第二表面内注入高浓度离子，形成所述第三掺杂区8。在形成第一掺杂区6的步骤中，通过整体表面注入的方式，同时形成所述第三掺杂区8。
在本实施例中，每个所述第一金属5延伸至N型半导体衬底11第二表面外部的部分互不相连。进一步地，所述N型半导体衬底11的第二表面上还可以形成有背面金属4，所述背面金属4包覆所述第一金属5及N型半导体衬底11的第二表面。所述背面金属4与所述第一金属5的金属类型可以相同，也可以不同。
根据第三实施例的描述，本领域技术人员很容易理解本发明的背面结构适用于原有背面结构为半导体基板1的第二表面设有背面金属4，且电流垂直流动的二极管。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
Claims (10)
1.一种半导体功率器件的背面结构，包括半导体基板，所述半导体基板具有彼此相对的第一表面和第二表面，所述半导体基板的第一表面上设有元胞区，其特征在于：所述半导体基板的第二表面具有若干金属填充孔，所述金属填充孔内填充有第一金属，所述第一金属的底部延伸至所述第二表面的外部，所述第一金属的顶部与所述半导体基板欧姆接触。
2.根据权利要求1所述的半导体功率器件的背面结构，其特征在于，在所述半导体基板与所述金属填充孔顶部的接触面内设有第一掺杂区。
3.根据权利要求1所述的半导体功率器件的背面结构，其特征在于，所述第一金属的侧部与所述半导体基板之间为欧姆接触或非欧姆接触。
4.根据权利要求3所述的半导体功率器件的背面结构，其特征在于，所述第一金属的侧部与所述半导体基板之间为欧姆接触时，在所述半导体基板与所述金属填充孔侧部的接触面内设有第二掺杂区。
5.根据权利要求1所述的半导体功率器件的背面结构，其特征在于，所述第一金属延伸至所述第二表面外部的部分与所述第二表面之间为欧姆接触或非欧姆接触。
6.根据权利要求5所述的半导体功率器件的背面结构，其特征在于，所述第一金属延伸至所述第二表面外部的部分与所述第二表面之间为欧姆接触时，所述第二表面内设有第三掺杂区。
7.根据权利要求1所述的半导体功率器件的背面结构，其特征在于，所述第一金属包括填充金属。
8.根据权利要求7所述的半导体功率器件的背面结构，其特征在于，所述第一金属还包括连接层和保护层，所述连接层、保护层和填充金属自所述半导体基板的表面向外依次分布。
9.根据权利要求8所述的半导体功率器件的背面结构，其特征在于，所述连接层为钛，和/或，所述保护层为氮化钛，和/或，所述填充金属为铝、银、铜、镍、金、钨、铝铜合金、铝硅铜合金中的一种。
10.根据权利要求1所述的半导体功率器件的背面结构，其特征在于，所述金属填充孔均匀分布在所述半导体基板的第二表面内。
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