CN111415984B - 逆导型igbt器件的制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种制造方法，尤其是一种逆导型IGBT器件的制造方法，属于逆导型IGBT器件的技术领域。采用常规激光退火工艺对衬底背面注入的第一导电类型离子注入层进行局部激活，然后通过减薄的方式去除未激活的第一导电类型离子注入层，再通过背面第二导电型杂质离子注入和炉管退火形成第二导电类型激活区。由于炉管退火的激活率远低于激光退火，因此在第一导电类型激活区中注入的第二导电类型杂质离子在经过炉管退火激活之后不会完全补偿掉第一导电类型激活区中的第一导电类型离子，从而可以不通过光刻的方式即可形成逆导型IGBT所需的交替排列的N型区和P型区，降低了器件制造成本，工艺步骤简单，与现有工艺兼容，安全可靠。
Description
技术领域
本发明涉及一种制造方法，尤其是一种逆导型IGBT器件的制造方法，属于逆导型IGBT器件的技术领域。
背景技术
IGBT(绝缘栅双极晶体管)是由BJT(双极结型晶体管)和MOSFET(金属-氧化物-半导体场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件,具有功率MOSFET的高速性能与双极结型结构的低电阻性能两方面的优点。
在实际应用中，IGBT一般用于驱动感性的负载。在IGBT关断后，为了能为感性负载提供泄放电流的回路，IGBT会反并联一个FRD。传统的IGBT单管及模块，是由IGBT芯片与FRD芯片一起封装制成的。但是这种方式一方面成本比较高，另一方面系统的可靠性相对较差。逆导型IGBT就是把IGBT芯片和FRD芯片集成到一个芯片里。传统的IGBT在承受反压时，集电结反偏而不能导通。而逆导型IGBT由于背面引入了N+区域，当IGBT承受反压时，背面N+区域和正面的P基区形成一个FRD，可以允许电流从发射极流向集电极。逆导型IGBT节省了芯片面积、封装、测试费用，降低了器件成本。此外，它还具有低的损耗、良好的SOA特性、正的温度系数，以及良好的软关断特性、短路特性以及良好的功率循环特性。
传统制造逆导型IGBT的方法，是在IGBT背面减薄之后，通过背面光刻、注入和退火的方法实现背面N+区域和P+区域交替排列的结构，这种制造方式需要专门的背面光刻设备进行背面光刻加工，这样会增加器件的加工成本。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种逆导型IGBT器件的制备方法，其工艺步骤简单，与现有工艺兼容，无须进行背面光刻工艺即可实现逆导型IGBT的制造，从而降低了器件制造工艺难度和制造成本。
按照本发明提供的技术方案，一种逆导型IGBT器件的制造方法，所述制造方法包括如下步骤：
步骤1、提供具有第一导电类型的衬底，并在所述衬底的正面进行所需的正面元胞工艺；
步骤2、将衬底的背面减薄至所需的厚度，并在所述衬底的背面注入第一导电类型杂质离子，以形成第一导电类型离子注入层；
步骤3、采用激光退火工艺对上述第一导电类型离子注入层进行局部激活，以得到若干第一导电类型激活区，相邻的第一导电类型激活区由第一导电类型离子注入层间隔；
步骤4、对上述衬底的背面再次减薄，以去除衬底背面的第一导电类型离子注入层，相邻的第一导电类型激活区间由衬底间隔；
步骤5、对衬底的背面进行第二导电类型杂质离子的注入与炉管退火，以在衬底的背面得到第二导电类型激活区，其中，第二导电类型激活区与第一导电类型激活区间交替排列；
步骤6、在上述衬底的背面进行金属化，以得到集电极金属层，所述集电极金属层与第一导电类型激活区、第二导电类型激活区欧姆接触。
所述步骤2中，第一导电类型杂质离子的注入能量为400keV～3MeV，注入剂量为5e11cm-2～5e13cm-2。
所述步骤3中，激光退火能量为0.5J～5J，退火时间为1μs～5μs，第一导电类型激活区的大小为10μm～200μm，相邻第一导电类型激活区的间距为10μm～200μm。
所述步骤4中，对衬底背面减薄的厚度为0.5μm～5μm。
步骤5中，第二导电类型杂质离子注入的能量为20keV～100keV，注入剂量为1e13cm-2～5e14cm-2，炉管退火温度400℃～500℃。
所述衬底的类型包括硅衬底。
在衬底的正面制备得到的元胞为平面型元胞或沟槽型元胞。
本发明的优点：采用常规激光退火工艺对衬底背面注入的第一导电类型离子注入层进行局部激活，然后通过减薄的方式去除未激活的第一导电类型离子注入层，再通过背面第二导电型杂质离子注入和炉管退火形成第二导电类型激活区。由于炉管退火的激活率远低于激光退火，因此在第一导电类型激活区中注入的第二导电类型杂质离子在经过炉管退火激活之后不会完全补偿掉第一导电类型激活区中的第一导电类型离子，从而可以不通过光刻的方式即可形成逆导型IGBT所需的交替排列的N型区和P型区，降低了器件制造成本，工艺步骤简单，与现有工艺兼容，安全可靠。
附图说明
图1～图5为本发明背面结构的具体制备工艺步骤图，其中
图1为本发明在N型衬底的背面得到N型离子注入层后的示意图。
图2为本发明得到N+激活区后的示意图。
图3为本发明对N型衬底再次减薄后的示意图。
图4为本发明得到交替分布的N+激活区与P+激活区后的示意图。
图5为本发明得到集电极金属层后的示意图。
附图标记说明：1-N型离子注入层、2-N+激活区、3-P+激活区、4-N型衬底、5-栅极金属层、6-发射极金属层、7-集电极金属层、8-P型基区、9-N+源区、10-绝缘氧化层以及11-栅极多晶硅。
具体实施方式
下面结合具体附图和实施例对本发明作进一步说明。
如图1～图5所示：为了能有效制备逆导型IGBT器件，以第一导电类型为N型为例，本发明的制造方法包括如下步骤：
步骤1、提供具有N型衬底4，并在所述N型衬底4的正面进行所需的正面元胞工艺；
具体地，N型衬底4的材料可以为硅，或其他常用的半导体衬底材料，具体材料类型可以根据需要进行选择。采用本技术领域常用的技术手段，在N型衬底4的正面进行正面元胞工艺，以得到正面元胞结构，其中，在N型衬底4的正面制备得到的元胞为平面型元胞或沟槽型元胞。
图1中为平面型元胞的示意图，具体地，包括设置于N型衬底4内的P型基区8，P型基区8在N型衬底4内呈对称分布，在每个P型基区8内均设置N+源区9，相邻的P型基区8间由N型衬底4间隔。在N型衬底4的正面上设置绝缘氧化层10以及位于所述绝缘氧化层10上的栅极多晶硅11，栅极多晶硅11通过绝缘氧化层10与N型衬底4、P型基区8、N+源区9隔离，绝缘氧化层10与N型衬底4、P型基区8以及N+源区9接触。
在N型衬底4的上方设置发射极金属层6以及栅极金属层5，所述栅极金属层5位于栅极导电多晶硅11上，栅极金属层5与栅极导电多晶硅11欧姆接触，发射极金属层6与P型基区8以及所述P型基区8内的N+源区9欧姆接触。通过栅极金属层5能形成IGBT器件的栅电极，通过发射极金属层6能形成IGBT器件的源电极。
具体实施时，正面元胞工艺的具体过程，以及具体制备得到正面元胞的形式均可以根据需要进行选择，具体为本技术领域人员所熟知，即本申请所需要制造的IGBT器件的正面元胞结构可以采用现有常用的形式，具体情况此处不再赘述。
步骤2、将N型衬底4的背面减薄至所需的厚度，并在所述N型衬底4的背面注入N型杂质离子，以形成N型离子注入层1；
本发明实施例中，对N型衬底4的背面减薄所需厚度由IGBT器件所需耐压决定，N型杂质离子注入的元素优选为磷，N型离子注入的能量和剂量由二极管正向压降和二极管反向恢复电荷决定。具体实施时，N型杂质离子的注入能量为400keV～3MeV，注入剂量为5e11cm-2～5e13cm-2。如图1所示，N型离子注入层1位于N型衬底4的背面，N型离子注入层1的掺杂浓度大于N型衬底4的掺杂浓度。
步骤3、采用激光退火工艺对上述N型离子注入层1进行局部激活，以得到若干N+激活区2，相邻的N+激活区2由N型离子注入层1间隔；
本发明实施例中，激光退火能量由逆导型IGBT的击穿电压，导通压降决定，局部激活的N+激活区2的大小和间隔由二极管正向压降和二极管反向恢复电荷决定。具体实施时，激光退火能量为0.5J～5J，退火时间为1μs～5μs，N+激活区2的大小为10μm～200μm，相邻N+激活区2的间距为10μm～200μm。
图2中，示出了N+激活区2的情况，N+激活区2的掺杂浓度大于N型离子注入层1的掺杂浓度以及N型衬底4的掺杂浓度，N+激活区2在N型衬底4内的深度大于N型离子注入层1在N型衬底4内的深度，具体进行激光激活的工艺过程为本技术领域人员所熟知，此处不再赘述。N+激活区2在N型衬底4的背面呈非连续分布，相邻的N+激活区2利用N型离子注入层1间隔。
步骤4、对上述N型衬底4的背面再次减薄，以去除N型衬底4背面的N型离子注入层1，相邻的N+激活区2间由N型衬底4间隔；
本发明实施例中，对N型衬底4背面减薄的厚度要大于等于未激活的N型离子注入层1的厚度，具体减薄的方式可以采用现有常用的形式，在对N型衬底4减薄时，也对背面N+激活区2进行减薄，由于N型离子注入层1完全去除，相邻的N+激活区2间由N型衬底4间隔，如图3所示。具体实施时，对N型衬底4背面减薄的厚度为0.5μm～5μm，由未激活的N型离子注入层1的厚度决定。
步骤5、对N型衬底4的背面进行P型杂质离子的注入与炉管退火，以在N型衬底5的背面得到P+激活区3，其中，P+激活区3与N+激活区2间交替排列；
本发明实施例中，P型杂质离子的注入能量、注入剂量以及炉管退火温度，均由逆导型IGBT器件的导通压降决定，具体可以根据需要进行选择。具体实施时，P型杂质离子注入的能量为20keV～100keV，注入剂量为1e13cm-2～5e14cm-2，炉管退火温度400℃～500℃。
由于炉管退火的激活率远低于激光退火，在N+激活区2中注入的P型杂质离子在经过炉管退火激活之后，不会完全补偿掉N+激活区2中的N型离子，经上述工艺后，在相邻的N+激活区2之间的N型衬底4能形成P+激活区3，从而可以不通过光刻的方式即可形成逆导型IGBT所需的交替排列的N型区和P型区，如图4所示。
步骤6、在上述N型衬底4的背面进行金属化，以得到集电极金属层7，所述集电极金属层7与N+激活区2、P+激活区3欧姆接触。
本发明实施例中，采用本技术领域常用的技术手段，对N型衬底4进行金属化，以得到集电极金属层7，具体制备得到集电极金属层7的工艺过程与现有工艺相一致。集电极金属层7与N+激活区2、P+激活区3欧姆接触，如图5所示，通过集电极金属层7能形成IGBT器件的集电极。
Claims (7)
1.一种逆导型IGBT器件的制造方法，其特征是，所述制造方法包括如下步骤：
步骤1、提供具有第一导电类型的衬底，并在所述衬底的正面进行所需的正面元胞工艺；
步骤2、将衬底的背面减薄至所需的厚度，并在所述衬底的背面注入第一导电类型杂质离子，以形成第一导电类型离子注入层；
步骤3、采用激光退火工艺对上述第一导电类型离子注入层进行局部激活，以得到若干第一导电类型激活区，相邻的第一导电类型激活区由第一导电类型离子注入层间隔；
步骤4、对上述衬底的背面再次减薄，以去除衬底背面的第一导电类型离子注入层，同时，将第一导电类型激活区减薄掉与第一导电类型离子注入层相同的厚度，减薄后，相邻的第一导电类型激活区间由衬底间隔；
步骤5、对衬底的背面进行第二导电类型杂质离子的注入与炉管退火，以在衬底的背面得到第二导电类型激活区，其中，第二导电类型激活区与第一导电类型激活区间交替排列；
步骤6、在上述衬底的背面进行金属化，以得到集电极金属层（7），所述集电极金属层（7）与第一导电类型激活区、第二导电类型激活区欧姆接触。
2.根据权利要求1所述的逆导型IGBT器件的制造方法，其特征是：所述步骤2中，第一导电类型杂质离子的注入能量为400keV~3MeV，注入剂量为5e11cm-2~5e13cm-2。
3.根据权利要求1所述的逆导型IGBT器件的制造方法，其特征是：所述步骤3中，激光退火能量为0.5J~5J，退火时间为1μs~5μs，第一导电类型激活区的大小为10μm~200μm，相邻第一导电类型激活区的间距为10μm~200μm。
4.根据权利要求1所述的逆导型IGBT器件的制造方法，其特征是：所述步骤4中，对衬底背面减薄的厚度为0.5µm~5µm。
5.根据权利要求1所述的逆导型IGBT器件的制造方法，其特征是：步骤5中，第二导电类型杂质离子注入的能量为20keV~100keV，注入剂量为1e13cm-2~5e14cm-2，炉管退火温度400℃~500℃。
6.根据权利要求1所述的逆导型IGBT器件的制造方法，其特征是：所述衬底的类型包括硅衬底。
7.根据权利要求1所述的逆导型IGBT器件的制造方法，其特征是：在衬底的正面制备得到的元胞为平面型元胞或沟槽型元胞。
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