CN114050183B - 逆导型功率芯片制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种逆导型功率芯片制造方法，包括步骤：S1、提供单晶半导体衬底；S2、在单晶半导体衬底上表面形成正面结构，正面结构中包括绝缘层和正面金属电极，正面金属电极包括IGBT发射极金属电极和FRD阳极金属电极；S3、在绝缘层和IGBT发射极金属电极上表面形成钝化膜层，暴露出FRD阳极金属电极；S4、在FRD区注入寿命控制粒子；S5、将IGBT发射极金属电极上表面的钝化膜层去除；S6、在单晶半导体衬底下表面形成背面电极结构。本发明的逆导型功率芯片制造方法，制备的逆导型IGBT芯片的IGBT和FRD部分的性能得以分别优化调整而不受制约，最大可能的实现性能参数最优化。
Description
技术领域
本发明属于半导体产品技术领域，具体地说，本发明涉及一种逆导型功率芯片制造方法。
背景技术
绝缘栅双极型晶体管(IGBT)作为新型半导体功率器件，在工业变频、电动汽车、轨道牵引、电力转换等领域有着广泛的应用。自上个世纪80年代IGBT诞生以来，IGBT芯片技术经历了PT型、NPT型、SPT型、FS型、trench-FS型等数代的发展，技术越来越先进，性能越来越优异。随着IGBT技术和应用的发展，功能集成成为了未来IGBT发展的方向之一，其中IGBT芯片与配套使用的FRD(续流二极管)芯片集成已经成为了现实，称为逆导型IGBT芯片。
如图5所示，为现有技术的逆导型IGBT芯片的典型结构示意图，其中110位半导体体区，101位IGBT阱区，105位IGBT沟槽栅，102为FRD阳极区，104位正面金属电极，106为绝缘层，107位表面钝化层，108位IGBT集电区，109位FRD阴极区。该逆导型IGBT因结构和功能的差异，在水平方向分为IGBT区域和FRD区域。
现有逆导型IGBT的制造方法包括如下的步骤：
1、如图6-1所示，提供一种半导体单晶衬底原材料；
2、如图6-2所示，在半导体单晶衬底的上表面，利用光刻显影、离子注入、高温扩散、CVD、PVD、蚀刻等工艺结合，形成IGBT元胞、FRD阳极、表面金属电极、表面钝化；
3、如图6-3所示，利用高能离子注入的方式，注入寿命控制粒子，形成水平方向一致，垂直方向均匀或非均匀的少子寿命控制区域；
4、如图6-4所示，利用背面研磨、光刻、离子注入、退火、金属化等工艺，形成逆导型IGBT背面电极结构。
由于FRD追求阳极附近较低的少数载流子寿命，以降低上表面附近提取的载流子浓度，而IGBT要求增加表面附近体区的载流子浓度。现有逆导型IGBT的制造方法，IGBT区域和FRD区域会经受相同的少数载流子寿命控制，必然导致IGBT和FRD上表面附近体区的载流子浓度降低，如果寿命控制强度过高，FRD的特性较优，但IGBT导通压降会显著升高，如果寿命控制强度低，IGBT的导通压降得到保障，但FRD的反向恢复电流与损耗会显著升高。两部分区域的特性会形成制约，使逆导型IGBT特性无法实现理想的效果。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提供一种逆导型功率芯片制造方法，目的是实现IGBT与FRD区域寿命控制技术的分立。
为了实现上述目的，本发明采取的技术方案为：逆导型功率芯片制造方法，包括步骤：
S1、提供单晶半导体衬底；
S2、在单晶半导体衬底上表面形成正面结构，正面结构中包括绝缘层和正面金属电极，正面金属电极包括IGBT发射极金属电极和FRD阳极金属电极；
S3、在绝缘层和IGBT发射极金属电极上表面形成钝化膜层，暴露出FRD阳极金属电极；
S4、在FRD区注入寿命控制粒子；
S5、将IGBT发射极金属电极上表面的钝化膜层去除；
S6、在单晶半导体衬底下表面形成背面电极结构。
所述步骤S1中，所述单晶半导体衬底的厚度为500um～700um。
所述步骤S2中，所述正面结构中包括IGBT阱区、FRD阳极区和IGBT沟槽栅，IGBT阱区和FRD阳极区的厚度为1um～8um，IGBT沟槽栅的厚度为1.5um～10um。
所述步骤S2中，所述绝缘层的厚度为0.5um～5um。
本发明还提供了另一种逆导型功率芯片制造方法，包括步骤：
F1、提供单晶半导体衬底；
F2、在单晶半导体衬底上表面形成正面结构，正面结构中包括绝缘层、IGBT发射极金属电极和FRD阳极金属电极；
F3、在绝缘层和IGBT发射极金属电极上表面形成阻挡膜层，暴露出FRD阳极金属电极；
F4、在FRD区注入寿命控制粒子；
F5、将阻挡膜层去除；
F6、在绝缘层上表面形成钝化膜层，暴露出FRD阳极金属电极和IGBT发射极金属电极；
F7、在单晶半导体衬底下表面形成背面电极结构。
所述步骤F1中，所述单晶半导体衬底的厚度为500um～700um。
所述步骤F2中，所述正面结构中包括IGBT阱区、FRD阳极区和IGBT沟槽栅，IGBT阱区和FRD阳极区的厚度为1um～8um，IGBT沟槽栅的厚度为1.5um～10um。
所述步骤F2中，所述绝缘层的厚度为0.5um～5um。
所述步骤F3中，所述阻挡膜层的材质为光敏聚酰乙胺或者非光敏聚酰乙胺。
所述步骤F4中，注入寿命控制粒子时的注入能量为300KeV～3MeV。
本发明的逆导型功率芯片制造方法，制备的逆导型IGBT芯片仅在FRD区域阳极附近的体区内有少子寿命控制，IGBT区域无寿命控制，FRD的特性得到优化，但不影牺牲IGBT的特性，IGBT和FRD部分的性能得以分别优化调整而不受制约，最大可能的实现性能参数最优化。
附图说明
本说明书包括以下附图，所示内容分别是：
图1是实施例一的逆导型功率芯片制造方法的流程图；
图2-1-图2-6是实施例一的逆导型功率芯片制造过程示意图；
图3是实施例二的逆导型功率芯片制造方法的流程图；
图4-1-图4-7是实施例二的逆导型功率芯片制造过程示意图；
图5是现有技术中的逆导型IGBT结构示意图；
图6-1-图6-4是现有技术中的逆导型功率芯片制造过程示意图；
图中标记为：101、IGBT阱区；102、FRD阳极区；105、IGBT沟槽栅；104、正面金属电极；106、绝缘层；107、表面钝化层；108、IGBT集电区；109、FRD阴极区；110、半导体体区；301、IGBT阱区；302、FRD阳极区；304、正面金属电极；305、IGBT沟槽栅；306、绝缘层；307、钝化膜层；308、IGBT集电区；309、FRD阴极区；310、单晶半导体衬底；401、IGBT阱区；402、FRD阳极区；404、正面金属电极；405、IGBT沟槽栅；406、绝缘层；407、阻挡膜层；408、IGBT集电区；409、FRD阴极区；410、单晶半导体衬底；411、钝化膜层。
具体实施方式
下面对照附图，通过对实施例的描述，对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明，目的是帮助本领域的技术人员对本发明的构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解，并有助于其实施。
实施例一
如图1、图2-1至图2-6所示，本发明提供了一种逆导型功率芯片制造方法，包括如下的步骤：
S1、提供单晶半导体衬底310；
S2、在单晶半导体衬底310上表面形成正面结构，正面结构中包括绝缘层306、正面金属电极304、IGBT阱区301、FRD阳极区302和IGBT沟槽栅305，正面金属电极304包括IGBT发射极金属电极和FRD阳极金属电极；
S3、在绝缘层306和IGBT发射极金属电极上表面形成钝化膜层307，暴露出FRD阳极金属电极；
S4、在FRD区注入寿命控制粒子；
S5、将IGBT发射极金属电极上表面的钝化膜层307去除；
S6、在单晶半导体衬底310下表面形成背面电极结构。
具体地说，如图2-1所示，在上述步骤S1中，先提供一种单晶半导体衬底310，其掺杂类型为n型，掺杂浓度根据耐压要求不同而设定不同，具体可在5e12/cm3至1e15/cm3范围不等，单晶半导体衬底310的厚度为500um～700um。
如图2-2所示，在上述步骤S2中，在单晶半导体衬底310上表面，利用光刻显影、离子注入、高温扩散、CVD工艺(化学气相沉积)、PVD工艺(物理气相沉积)和蚀刻工艺，形成IGBT元胞和FRD阳极分离的正面结构，正面结构包括IGBT发射极金属电极和FRD阳极金属电极。IGBT阱区301和FRD阳极区302的厚度为1um～8um，IGBT沟槽栅305的厚度为1.5um～10um，IGBT沟槽栅305的厚度大于IGBT阱区301的厚度，绝缘层306的厚度为0.5um～5um，正面金属电极304的厚度为1um～5um。绝缘层306位于正面金属电极304的四周，正面金属电极304位于IGBT阱区301、IGBT沟槽栅305和FRD阳极区302的上方。
如图2-3所示，在上述步骤S3中，首先在绝缘层306和正面金属电极304的上表面涂覆一层厚度很厚的钝化膜层307，然后将覆盖在正面金属电极304上对应FRD区处的一部分钝化膜层307去除，暴露出下方的FRD阳极金属电极，位于IGBT区的IGBT发射极金属电极仍由钝化膜层307覆盖。钝化膜层307的厚度为20um～50um，特别优选的，该钝化膜层307的材质为光敏聚酰乙胺或者非光敏聚酰乙胺。
在上述步骤S3中，是利用光刻显影蚀刻工艺，去除覆盖在正面金属电极304上对应FRD区处的钝化膜层307。
如图2-4所示，在上述步骤S4中，利用高能离子注入的方式，注入寿命控制粒子。特别的，该注入的寿命控制粒子选取非贯穿整个单晶半导体衬底310的质子，其注入能量范围可选取300KeV～3MeV范围，由于只有FRD区域的厚钝化膜层307去除，故该寿命控制粒子形成寿命控制区域仅在FRD区域产生，IGBT区域及边缘区域均被厚的钝化膜层307阻挡。
如图2-5所示，在上述步骤S5中，利用光刻显影蚀刻工艺，去除覆盖在正面金属电极304上对应IGBT区处的钝化膜层307，暴露出IGBT发射极金属电极，仅保留边缘保护区域的钝化膜层307。
如图2-6所示，在上述步骤S5中，在单晶半导体衬底310的下表面，利用背面研磨、光刻、离子注入、退火、金属化等工艺，形成逆导型IGBT背面电极结构。背面电极结构包括位于IGBT区的P型掺杂集电极和位于FRD区的n型掺杂阴极。单晶半导体衬底310的厚度根据芯片耐压要求，单晶半导体衬底310可以减薄50um～600um。
本实施例提供的逆导型IGBT制造方法，对正面的钝化层结构实施了两次光刻蚀刻步骤，从而使得在寿命控制离子注入的环节，充分利用了厚钝化层的阻挡作用，使寿命控制离子仅注入在FRD区域阳极附近的体区，在IGBT的发射极区域内并没有寿命控制离子，故而避免了IGBT区域的寿命控制影响，消除了寿命控制对IGBT饱和压降的影响，使得逆导型IGBT芯片内，IGBT和FRD部分的性能得以分别优化调整而不受制约，最大可能的实现性能参数最优化。
按照本实施例的制造方法制造的逆导型IGBT芯片，仅在FRD区域阳极附近的体区内有少子寿命控制，IGBT区域无寿命控制，FRD的特性得到优化，但不影牺牲IGBT的特性，该逆导型的IGBT芯片可以最大限度的进行优化匹配。
实施例二
如图3、图4-1至图4-6所示，本发明提供了一种逆导型功率芯片制造方法，包括如下的步骤：
F1、提供单晶半导体衬底410；
F2、在单晶半导体衬底410上表面形成正面结构，正面结构中包括绝缘层406、IGBT发射极金属电极和FRD阳极金属电极；
F3、在绝缘层406和IGBT发射极金属电极上表面形成阻挡膜层407，暴露出FRD阳极金属电极；
F4、在FRD区注入寿命控制粒子；
F5、将阻挡膜层407去除；
F6、在绝缘层406上表面形成钝化膜层411，暴露出FRD阳极金属电极和IGBT发射极金属电极；
F7、在单晶半导体衬底410下表面形成背面电极结构。
具体地说，如图4-1所示，在上述步骤F1中，先提供一种单晶半导体衬底410，其掺杂类型为n型，掺杂浓度根据耐压要求不同而设定不同，具体可在5e12/cm3至1e15/cm3范围不等，单晶半导体衬底410的厚度为500um～700um。
如图4-2所示，在上述步骤F2中，在单晶半导体衬底410上表面，利用光刻显影、离子注入、高温扩散、CVD工艺(化学气相沉积)、PVD工艺(物理气相沉积)和蚀刻工艺，形成IGBT元胞和FRD阳极分离的正面结构，正面结构包括IGBT发射极金属电极和FRD阳极金属电极。IGBT阱区401和FRD阳极区402的厚度为1um～8um，IGBT沟槽栅405的厚度为1.5um～10um，IGBT沟槽栅405的厚度大于IGBT阱区401的厚度，绝缘层406的厚度为0.5um～5um，正面金属电极404的厚度为1um～5um。绝缘层406位于正面金属电极404的四周，正面金属电极404位于IGBT阱区401、IGBT沟槽栅405和FRD阳极区402的上方。
如图4-3所示，在上述步骤F3中，首先在绝缘层406和正面金属电极404的上表面涂覆一层阻挡膜层407，然后将覆盖在正面金属电极404上对应FRD区处的一部分阻挡膜层407去除，暴露出下方的FRD阳极金属电极，位于IGBT区的IGBT发射极金属电极仍由阻挡膜层407覆盖。阻挡膜层407的厚度为20um～50um，特别优选的，该阻挡膜层407的材质为光敏聚酰乙胺或者非光敏聚酰乙胺。
在上述步骤F3中，是利用光刻显影蚀刻工艺，去除覆盖在正面金属电极404上对应FRD区处的阻挡膜层407。
如图4-4所示，在上述步骤F4中，利用高能离子注入的方式，注入寿命控制粒子。特别的，该注入的寿命控制粒子选取非贯穿整个单晶半导体衬底410的质子，其注入能量范围可选取300KeV～3MeV范围，由于只有FRD区域的厚阻挡膜层407去除，故该寿命控制粒子形成寿命控制区域仅在FRD区域产生，IGBT区域及边缘区域均被厚的阻挡膜层407阻挡。
如图4-5所示，在上述步骤F5中，利用蚀刻工艺，将剩余的阻挡膜层407去除干净，也即去除覆盖在绝缘层406和正面金属电极404上表面的所有阻挡膜层407。
如图4-6所示，在上述步骤F6中，首先在绝缘层406和正面金属电极404的上表面涂覆一层钝化膜层411，然后将覆盖在正面金属电极404上的钝化膜层411去除，暴露出下方的FRD阳极金属电极和IGBT发射极金属电极仍由钝化膜层411覆盖。钝化膜层411的厚度为0.5um～30um，特别优选的，该钝化膜层411的材质为绝缘材质、光敏聚酰乙胺或者非光敏聚酰乙胺。
在上述步骤F6中，采用CVD工艺，在绝缘层406和正面金属电极404的上表面形成钝化膜层411。然后采用光刻显影蚀刻工艺，将IGBT区和FRD区的钝化膜层411去除，仅保留位于边缘保护区的钝化膜层411。
如图4-7所示，在上述步骤F7中，在单晶半导体衬底410的下表面，利用背面研磨、光刻、离子注入、退火、金属化等工艺，形成逆导型IGBT背面电极结构。背面电极结构包括位于IGBT区的P型掺杂集电极和位于FRD区的n型掺杂阴极。单晶半导体衬底410的厚度根据芯片耐压要求，单晶半导体衬底410可以减薄50um～600um。
按照本实施例的制造方法制造的逆导型IGBT芯片，仅在FRD区域阳极附近的体区内有少子寿命控制，IGBT区域无寿命控制，FRD的特性得到优化，但不影牺牲IGBT的特性，该逆导型的IGBT芯片可以最大限度的进行优化匹配，特别的，该制造方法的寿命控制阻挡膜层和钝化膜层不共用，可以根据需求灵活调整钝化膜层的厚度，制造具有更多的灵活性。
以上结合附图对本发明进行了示例性描述。显然，本发明具体实现并不受上述方式的限制。只要是采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进；或未经改进，将本发明的上述构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.逆导型功率芯片制造方法，其特征在于，包括步骤：
S1、提供单晶半导体衬底；
S2、在单晶半导体衬底上表面形成正面结构，正面结构中包括绝缘层、正面金属电极、IGBT阱区、FRD阳极区和IGBT沟槽栅，正面金属电极包括IGBT发射极金属电极和FRD阳极金属电极；
S3、在绝缘层和IGBT发射极金属电极上表面形成钝化膜层，暴露出FRD阳极金属电极；
S4、在FRD阳极区注入寿命控制粒子；
S5、将IGBT发射极金属电极上表面的钝化膜层去除；
S6、在单晶半导体衬底下表面形成背面电极结构；
其中，绝缘层位于正面金属电极的四周，正面金属电极位于IGBT阱区、IGBT沟槽栅和FRD阳极区的上方；
在步骤S3中，首先在绝缘层和正面金属电极的上表面涂覆一层钝化膜层，然后将覆盖在正面金属电极上对应FRD阳极区处的一部分钝化膜层去除，暴露出下方的FRD阳极金属电极，位于IGBT区的IGBT发射极金属电极仍由钝化膜层覆盖，钝化膜层的厚度为20um~50um；
在步骤S3中，是利用光刻显影蚀刻工艺，去除覆盖在正面金属电极上对应FRD阳极区处的钝化膜层；
在步骤S4中，利用高能离子注入的方式，注入寿命控制粒子；该注入的寿命控制粒子选取非贯穿整个单晶半导体衬底的质子，其注入能量范围为300KeV~3MeV；该寿命控制粒子形成寿命控制区域仅在FRD阳极区产生，IGBT区域及边缘区域均被钝化膜层阻挡；
在步骤S5中，利用光刻显影蚀刻工艺，去除覆盖在正面金属电极上对应IGBT区处的钝化膜层，暴露出IGBT发射极金属电极，仅保留边缘保护区域的钝化膜层。
2.根据权利要求1所述的逆导型功率芯片制造方法，其特征在于，所述步骤S1中，所述单晶半导体衬底的厚度为500um~700um。
3.根据权利要求1或2所述的逆导型功率芯片制造方法，其特征在于，所述IGBT阱区和FRD阳极区的厚度为1um~8um，IGBT沟槽栅的厚度为1.5um~10um。
4.根据权利要求1或2所述的逆导型功率芯片制造方法，其特征在于，所述步骤S2中，所述绝缘层的厚度为0.5um~5um。
5.逆导型功率芯片制造方法，其特征在于，包括步骤：
F1、提供单晶半导体衬底；
F2、在单晶半导体衬底上表面形成正面结构，正面结构中包括绝缘层、IGBT发射极金属电极和FRD阳极金属电极；
F3、在绝缘层和IGBT发射极金属电极上表面形成阻挡膜层，暴露出FRD阳极金属电极；
F4、在FRD区注入寿命控制粒子；
F5、将阻挡膜层去除；
F6、在绝缘层上表面形成钝化膜层，暴露出FRD阳极金属电极和IGBT发射极金属电极；
F7、在单晶半导体衬底下表面形成背面电极结构；
其中，绝缘层位于正面金属电极的四周，正面金属电极位于IGBT阱区、IGBT沟槽栅和FRD阳极区的上方；
在步骤F3中，首先在绝缘层和正面金属电极的上表面涂覆一层阻挡膜层，然后将覆盖在正面金属电极上对应FRD阳极区处的一部分阻挡膜层去除，暴露出下方的FRD阳极金属电极，位于IGBT区的IGBT发射极金属电极仍由阻挡膜层覆盖，阻挡膜层的厚度为20um~50um；
在步骤F3中，是利用光刻显影蚀刻工艺，去除覆盖在正面金属电极上对应FRD阳极区处的阻挡膜层；
在步骤F4中，利用高能离子注入的方式，注入寿命控制粒子；该注入的寿命控制粒子选取非贯穿整个单晶半导体衬底的质子，其注入能量范围为300KeV~3MeV；该寿命控制粒子形成寿命控制区域仅在FRD阳极区产生，IGBT区域及边缘区域均被阻挡膜层阻挡；
在步骤F5中，利用蚀刻工艺，将剩余的阻挡膜层去除干净，也即去除覆盖在绝缘层和正面金属电极上表面的所有阻挡膜层。
6.根据权利要求5所述的逆导型功率芯片制造方法，其特征在于，所述步骤F1中，所述单晶半导体衬底的厚度为500um~700um。
7.根据权利要求5或6所述的逆导型功率芯片制造方法，其特征在于，所述步骤F3中，所述阻挡膜层的材质为光敏聚酰乙胺或者非光敏聚酰乙胺。
8.根据权利要求5或6所述的逆导型功率芯片制造方法，其特征在于，所述步骤F2中，所述绝缘层的厚度为0.5um~5um。
9.根据权利要求5或6所述的逆导型功率芯片制造方法，其特征在于，所述IGBT阱区和FRD阳极区的厚度为1um~8um，IGBT沟槽栅的厚度为1.5um~10um，IGBT沟槽栅的厚度大于IGBT阱区的厚度。
10.根据权利要求5或6所述的逆导型功率芯片制造方法，其特征在于，所述步骤F6中，首先在绝缘层和正面金属电极的上表面涂覆一层钝化膜层，然后将覆盖在正面金属电极上的钝化膜层去除，暴露出下方的FRD阳极金属电极和IGBT发射极金属电极。
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