CN114334815A - 整合frd的igbt器件及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种整合FRD的IGBT器件的制造方法，其包括在衬底的正面形成保护环；在衬底的正面设置氧化层；在部分的衬底的正面设置多个栅极；在栅极之间设置P型阱层；在部分的P型阱层的正面设置N型发射层；在N型发射层、栅极和氧化层的正面设置介质层；注入N导电类型的离子和P导电类型的离子；进行重金属掺杂工艺；在介质层的正面设置金属发射极，和在第一N型层的正面设置FRD阴极。借此，IGBT器件无需外加FRD器件，在封装时能减少寄生参数，提高芯片可靠性，并能节省封装面积使得封装更加灵活。并且，通过引入重金属掺杂，可以降低载流子寿命，提高载流子的复合速度，从而提高开关速度。
Description
技术领域
本发明涉及半导体器件技术领域，特别涉及一种整合FRD的IGBT器件及其制造方法。
背景技术
绝缘栅双极晶体管(Insulate-Gate Bipolar Transistor，IGBT)综合了电力晶体管和电力场效应晶体管的优点，具有通态压降低、电流容量大、输入阻抗高、响应速度快和控制简单的特点，被广泛用于工业、信息、新能源、医学、交通、军事和航空领域。
但由于IGBT没有反向导通的能力，目前市面上的IGBT都是通过与FRD(FastRecovery Diode，快速恢复二极管)反并联封装在一起使用，以实现续流的能力。由此从结构上看还是属于两块芯片并联，封装时寄生参数较高，芯片可靠性较低，封装面积较大。
因此，本发明的主要目的在于提供一种整合FRD的IGBT器件及其制造方法，以解决上述问题。
发明内容
本发明提供一种整合FRD的IGBT器件的制造方法，其包括下列步骤：提供一衬底，所述衬底具有相对的正面和背面；在所述衬底的正面形成保护环；在所述衬底的正面设置氧化层；在部分的衬底的正面设置多个栅极；在所述多个栅极之间设置P型阱层；在部分的所述P型阱层的正面设置N型发射层；在所述N型发射层、所述栅极和所述氧化层的正面设置介质层；注入N导电类型的离子和P导电类型的离子，形成第一N型层和第一P型层；进行重金属掺杂工艺；在所述介质层的正面设置金属发射极，和在所述第一N型层的正面设置FRD阴极。
在一实施例中，所述重金属掺杂工艺包括下列步骤：在所述衬底的正面沉积重金属膜层；在惰性气体保护中进行合金化处理，使重金属膜层和衬底的接触界面形成合金层；接着，对合金层进行重金属吸取退火处理。
在一实施例中，所述重金属为铂金属。
在一实施例中，在完成设置所述金属发射极和所述FRD阴极的步骤之后还包括下列步骤：在所述金属发射极和所述FRD阴极的正面设置钝化层。
在一实施例中，在完成设置所述金属发射极和所述FRD阴极的步骤之后还包括下列步骤：在所述衬底的背面设置截止层；在所述截止层的背面设置第二P型层；在所述第二P型层的背面设置集电极。
在一实施例中，在封装IGBT器件的过程中，将所述FRD阴极与所述集电极短接。
在一实施例中，在设置多个栅极的步骤中包括下列步骤：首先生长硬掩膜，接着光刻蚀刻形成栅极沟道，蚀刻完后去除硬掩膜，接着生长栅极氧化层，并淀积多晶硅，后续光刻蚀刻多晶硅到衬底的正面位置，形成栅极。
在一实施例中，在所述注入N导电类型的离子和P导电类型的离子的步骤中，注入的N导电类型的离子的浓度高于P导电类型的离子的浓度。
在一实施例中，所述N导电类型的离子的浓度大于等于所述P导电类型的离子的浓度的20倍。
本发明还提供一种整合FRD的IGBT器件，该整合FRD的IGBT器件采用上述任意实施例提供的整合FRD的IGBT器件的制造方法制造而成。
本发明的一个优势在于提供一种整合FRD的IGBT器件及其制造方法，其可以将FRD整合于IGBT器件内，无需额外增设FRD器件，在封装时能减少寄生参数，提高芯片可靠性，并能节省封装面积使得封装更加灵活。并且，通过引入重金属掺杂的工艺，可以降低漂移区的载流子寿命，使得FRD从正偏改为反偏时，IGBT从开通到关断时，载流子的复合速度变快，从而提高开关速度。此外，FRD的电流规格可以依据需求进行调整，无需受制于市面上的规格。
本发明的另一个优势在于提供一种整合FRD的IGBT器件，在封装时，通过FRD阴极与集电极短接的封装方式，可以极大的节省封装所需的面积，使得封装更加灵活。
本发明的其它特征和有益效果将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他有益效果可通过在说明书、权利要求书等内容中所特别指出的结构来实现和获得。
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一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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；在下面描述中附图所述的位置关系，若无特别指明，皆是图示中组件绘示的方向为基准。
图1是本发明一实施例提供的整合FRD的IGBT器件的制造方法的流程示意图；
图2至图4是本发明一实施例提供的整合FRD的IGBT器件在制造过程中各阶段的结构示意图。
附图标记：
10-IGBT器件；12-衬底；122-衬底的正面；124-衬底的背面；14-保护环；16-氧化层；20-栅极；202-栅极氧化层；22-P型阱层；24-N型发射层；26-介质层；28-第一N型层；30-第一P型层；32-金属发射极；34-FRD阴极；36-钝化层；38-截止层；40-第二P型层；42-集电极；46-元胞区；48-终端区；50-FRD区。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例；下面所描述的本发明不同实施方式中所设计的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“横向”、“上”、“下”、“左”、“右”、“垂直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或组件必须具有特定的方位、或以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。另外，术语“包括”及其任何变形，皆为“至少包含”的意思。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸的连接，或一体成型的连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个组件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
这里所使用的术语仅仅是为了描述具体实施例而不意图限制示例性实施例。除非上下文明确地另有所指，否则这里所使用的单数形式“一个”、“一项”还意图包括复数。还应当理解的是，这里所使用的术语“包括”和/或“包含”规定所陈述的特征、整数、步骤、操作、单元和/或组件的存在，而不排除存在或添加一个或更多其他特征、整数、步骤、操作、单元、组件和/或其组合。
请参阅图1至图4，图1是本发明一实施例提供的整合FRD的IGBT器件10的制造方法的流程示意图，图2至图4是本发明一实施例提供的整合FRD的IGBT器件10在制造过程中各阶段的结构示意图。为达所述优点至少其中之一或其他优点，本发明的一实施例提供一种整合FRD的IGBT器件10的制造方法。如图中所示，制造方法包括下列步骤：
S10：提供一衬底；
S12：在衬底的正面形成保护环；
S14：在衬底的正面设置氧化层；
S16：在部分的衬底的正面设置多个栅极；
S18：在多个栅极之间设置P型阱层；
S20：在部分的P型阱层的正面设置N型发射层；
S22：在N型发射层、栅极和氧化层的正面设置介质层；
S24：注入N导电类型的离子和P导电类型的离子，形成第一N型层和第一P型层；
S26：进行重金属掺杂工艺；
S28：在介质层的正面设置金属发射极，和在第一N型层的正面设置FRD阴极。
在所述步骤S14中，较佳的，还可以在保护环14的正面设置氧化层16。
在所述步骤S16的设置多个栅极20的步骤中可进一步包括下列步骤：首先生长硬掩膜，接着光刻蚀刻形成栅极沟道，蚀刻完后去除硬掩膜，接着生长栅极氧化层202，并淀积多晶硅，后续光刻蚀刻多晶硅到衬底12的正面122位置，形成栅极20。
在所述步骤S18中，较佳的，还可以在栅极20与保护环14之间设置P型阱层22。
在所述步骤S24的注入N导电类型的离子和P导电类型的离子的步骤中，是先注入N导电类型的离子，再注入P导电类型的离子。其中，注入的N导电类型的离子的浓度是高于P导电类型的离子的浓度。较佳的，N导电类型的离子的浓度大于等于所述P导电类型的离子的浓度的20倍。
所述步骤S26的重金属掺杂工艺进一步包括下列步骤：在所述衬底12的正面122沉积重金属膜层；在惰性气体保护中进行合金化处理，使重金属膜层和衬底12的接触界面形成合金层；接着，对合金层进行重金属吸取退火处理。所述重金属是指密度大于4.5g/cm3的金属，例如铂金属。需要说明的是，在完成步骤S24之后，衬底12的正面122上仍然存在裸露的空白区域，即露出衬底12，以进行步骤S26的重金属掺杂工艺。
在完成所述步骤S28之后，还可包括下列步骤：
S30：在所述金属发射极和所述FRD阴极的正面设置钝化层；
S32：在所述衬底的背面设置截止层；
S34：在所述截止层的背面设置第二P型层；
S36：在所述第二P型层的背面设置集电极。
在本实施例中，衬底12的正面122和背面124分别为图中衬底12的上表面和下表面，并且，各结构的正面是同一方向的表面，例如氧化层16的正面是氧化层16的上表面。
以下将结合图2至图4，举例说明整合FRD的IGBT器件10的制造方法的具体过程，不过本案并非以此为限，制造方法的具体过程如下：
首先，在硅衬底12(FZ-wafer)的正面122通过光刻的方式形成保护环14(GuardRing)的形貌，之后注入B11/130Kev/2E14(P导电类型的离子)进行高温退火处理(1150℃/110min)以形成保护环14。换言之，保护环14与硅衬底12是一体的，是先光刻硅衬底12形成保护环14的形貌，再注入P导电类型的离子以形成保护环14，此时的保护环14与硅衬底12的掺杂离子不同。其中，B11/130Kev/2E14的含义为注入硼离子，能量130Kev，浓度2E14，硼离子为P导电类型的离子，以下有涉及到类似的离子表述可参考此段内容理解。
其次，去除光阻剂后在保护环14和硅衬底12的正面122生长氧化层16(FieldOxide)，厚度1.5um；通过光刻蚀刻得到所需要的氧化层16部分，即在保护环14和硅衬底12的部分表面上设置氧化层16，硅衬底12上的氧化层16部分用于后续制成FRD。
接着，生长硬掩膜(Hard Mask)，光刻蚀刻形成栅极沟道(Gate Trench)，蚀刻完后将剩余的硬掩膜去除。接着生长栅极氧化层202(厚度为
)，并淀积多晶硅，进行光刻蚀刻多晶硅到硅衬底12表面位置，作为栅极20。也就是在硅衬底12的正面122上设置多个栅极20。
然后，注入B11/120Kev/1.05E13、B11/90Kev/8.6E12、B11/40Kev/1.05E13(P导电类型的离子)，并进行高温退火处理(1175℃/80min)形成P型阱层22(PW区)，用以形成PN结，承受电压。也就是在相邻二个栅极20之间、栅极20与保护环14之间设置P型阱层22。
接着，光刻蚀刻出N型发射层24的区域，并对该区域注入As75/60Kev/8E15(N导电类型的离子)后进行高温退火(950℃/30min)形成N型发射层24，此时的结构如图2所示。
后续，沉积介质层26(Inter Level Dielectric，ILD)，厚度为1.1um，再进行光刻蚀刻去除预设的contact(接触区)和FRD区50的介质层26，然后附上光刻胶，保护住contact，显影蚀刻出FRD区50所在的位置。
接着，注入As75/115Kev/1E15、As75/100Kev/4E16(N导电类型的离子)，之后去除光刻胶，再全面注入B11/35Kev/5E13、B11/20Kev/2E15(P导电类型的离子)，并高温退火处理(1000℃/0.25min)形成第一P型层30和第一N型层28。需要说明的是，因注入的N导电类型的离子的浓度远高于P导电类型的离子的浓度，例如至少高20倍，所以FRD区30下方为第一N型层28。此时的结构如图3所示。
然后，用金属薄膜沉积法在硅衬底12的正面122沉积一层0.001um以上的铂薄膜层，在惰性气体保护中进行铂硅合金化处理，使硅和铂的接触界面形成一层铂硅合金层，之后除去余下的铂薄膜层，留下铂硅合金层，进行铂吸取退火处理，退火温度为670℃～750℃，时长20～790分钟，使得铂原子掺杂进硅衬底12内。需要说明的是，虽然此时图3中的硅衬底12的正面122并无裸露区域，但其为剖面示意图，若是从俯视图来看，硅衬底12的正面122是存在裸露的空白区域，也就是露出衬底12，以便进行重金属掺杂工艺。
接着，在完成重金属掺杂工艺之后，镀Ti/TiN层，沉积钨，并蚀刻到介质层26的表面位置，再是淀积金属通过光刻蚀刻形成金属发射极32(Emitter)和FRD阴极34(Cathode)，最后淀积钝化层36光刻蚀刻形成钝化层36以露出金属发射极32和FRD阴极34，完成正面工艺处理。
在完成正面工艺后，将硅衬底12的背面124研磨至合适厚度，对其进行离子注入镭射退火形成截止层38和第二P型层40，之后再对其进行抛光、清洗、蒸发、合金形成背面金属，形成集电极42。此时的结构如图4所示。最终得到的整合FRD的IGBT器件10具有元胞区46、终端区48以及FRD区50。元胞区46可在导通时用于流通电流，在截止时用于承受电压。终端区48可用于分压平滑电场，提升器件的耐高压性能。FRD区50则使得IGBT器件10具有反向导通能力。IGBT器件10的耐压测试结果为大于1200V。
通过以上步骤，使得硅衬底12中掺入铂原子，构成复合中心，降低了硅衬底12中的漂移区的载流子寿命，使得FRD从正偏改为反偏时，IGBT从开通到关断时，载流子的复合速度变快，从而提高开关速度。
此外，在封装IGBT器件10时，通过将FRD阴极34与集电极42短接的方式，可以极大的节省封装所需的面积，使得封装更加灵活。
本实施例提供一种整合FRD的IGBT器件10，该整合FRD的IGBT器件10采用上述任意实施例提供的整合FRD的IGBT器件10的制造方法制造而成，其具体结构与技术效果不再赘述。
综上所述，本发明的一个优势在于提供一种整合FRD的IGBT器件10及其制造方法，其可以将FRD整合于IGBT器件10内，无需额外增设FRD器件，在封装时能减少寄生参数，提高芯片可靠性，并能节省封装面积使得封装更加灵活。并且，通过引入重金属掺杂的工艺，可以降低漂移区的载流子寿命，使得FRD从正偏改为反偏时，IGBT从开通到关断时，载流子的复合速度变快，从而提高开关速度。此外，FRD的电流规格可以依据需求进行调整，无需受制于市面上的规格。
本发明的另一个优势在于提供一种整合FRD的IGBT器件10，在封装时，通过FRD阴极34与集电极42短接的封装方式，可以极大的节省封装所需的面积，使得封装更加灵活。
另外，本领域技术人员应当理解，尽管现有技术中存在许多问题，但是，本发明的每个实施例或技术方案可以仅在一个或几个方面进行改进，而不必同时解决现有技术中或者背景技术中列出的全部技术问题。本领域技术人员应当理解，对于一个权利要求中没有提到的内容不应当作为对于该权利要求的限制。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (10)
1.一种整合FRD的IGBT器件的制造方法，其特征在于：所述制造方法包括下列步骤：
提供一衬底，所述衬底具有相对的正面和背面；
在所述衬底的正面形成保护环；
在所述衬底的正面设置氧化层；
在部分的衬底的正面设置多个栅极；
在所述多个栅极之间设置P型阱层；
在部分的所述P型阱层的正面设置N型发射层；
在所述N型发射层、所述栅极和所述氧化层的正面设置介质层；
注入N导电类型的离子和P导电类型的离子，形成第一N型层和第一P型层；
进行重金属掺杂工艺；以及
在所述介质层的正面设置金属发射极，和在所述第一N型层的正面设置FRD阴极。
2.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于：所述重金属掺杂工艺包括下列步骤：在所述衬底的正面沉积重金属膜层；在惰性气体保护中进行合金化处理，使重金属膜层和衬底的接触界面形成合金层；接着，对合金层进行重金属吸取退火处理。
3.根据权利要求2所述的制造方法，其特征在于：所述重金属为铂金属。
4.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于：在完成设置所述金属发射极和所述FRD阴极的步骤之后还包括下列步骤：在所述金属发射极和所述FRD阴极的正面设置钝化层。
5.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于：在完成设置所述金属发射极和所述FRD阴极的步骤之后还包括下列步骤：在所述衬底的背面设置截止层；在所述截止层的背面设置第二P型层；在所述第二P型层的背面设置集电极。
6.根据权利要求5所述的制造方法，其特征在于：在封装IGBT器件的过程中，将所述FRD阴极与所述集电极短接。
7.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于：在设置多个栅极的步骤中包括下列步骤：首先生长硬掩膜，接着光刻蚀刻形成栅极沟道，蚀刻完后去除所述硬掩膜，接着生长栅极氧化层，并淀积多晶硅，后续光刻蚀刻所述多晶硅到所述衬底的正面位置，形成所述栅极。
8.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于：在所述注入N导电类型的离子和P导电类型的离子的步骤中，注入的N导电类型的离子的浓度高于P导电类型的离子的浓度。
9.根据权利要求8所述的制造方法，其特征在于：所述N导电类型的离子的浓度大于等于所述P导电类型的离子的浓度的20倍。
10.一种整合FRD的IGBT器件，其特征在于：所述整合FRD的IGBT器件是采用如权利要求1-9中任一项所述的制造方法制造而成。
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| CN202210035642.XA Pending CN114334815A (zh) | 2022-01-13 | 2022-01-13 | 整合frd的igbt器件及其制造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN114334815A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115483105A (zh) * | 2022-09-19 | 2022-12-16 | 上海功成半导体科技有限公司 | 一种并联frd的双芯片igbt结构及制作方法 |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102044543A (zh) * | 2010-11-22 | 2011-05-04 | 株洲南车时代电气股份有限公司 | 一种单片集成igbt和frd的半导体器件 |
| CN110473913A (zh) * | 2019-09-11 | 2019-11-19 | 厦门芯达茂微电子有限公司 | 一种反向导通场截止型igbt及其制作方法 |
| CN111463270A (zh) * | 2020-03-23 | 2020-07-28 | 珠海格力电器股份有限公司 | 一种igbt结构及其制备方法 |
-
2022
- 2022-01-13 CN CN202210035642.XA patent/CN114334815A/zh active Pending
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102044543A (zh) * | 2010-11-22 | 2011-05-04 | 株洲南车时代电气股份有限公司 | 一种单片集成igbt和frd的半导体器件 |
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