CN102184854B - 一种功率器件背面热退火时对正面金属图形的保护方法 - Google Patents

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Abstract

一种功率器件背面热退火时对正面金属图形的保护方法，属于半导体功率器件技术领域。本发明在完成功率器件正面制作工艺之后，先在功率器件正面金属图形表面涂覆一层有机硅树脂，有机硅树脂经预热固化之后，再进行功率器件背面制作工艺，待背面工艺完成之后将功率器件置于能够溶解有机硅树脂的有机溶剂中去除有机硅树脂。本发明由于在背面热退火之前，在器件正面金属图形表面涂覆并固化了一层耐高温的有机硅树脂，使得在对器件进行背面热退火时，可采用较高的退火温度和较长的退火时间来充分激活背部P区或N区的杂质离子的同时而器件正面金属图形不会遭到破坏。

Description

一种功率器件背面热退火时对正面金属图形的保护方法
技术领域
本发明属于半导体功率器件技术领域，涉及功率器件的制造工艺，尤其是器件背面热退火时对正面金属图形的保护方法。
背景技术
功率半导体技术是电力电子技术的核心，随着微电子技术的发展，以栅控功率器件与智能功率集成电路为代表的现代功率半导体技术从20世纪80年代得到了迅速发展，进而极大地推动了电力电子技术的进步。而电力电子技术的不断进步反过来又促使功率半导体技术向高频、高温、高压、大功率及智能化、***化方向发展。功率半导体器件经过了40多年的发展，在器件制造技术上不断提高，已经历了以晶闸管为代表的分立器件，以可关断晶闸管(GTO)、巨型晶体管(GTR)、功率MOSFET和绝缘栅双极晶体管(IGBT)为代表的功率集成器件(PID)，以智能化功率集成电路(SSPIC)、高压功率集成电路(HVIC)为代表的功率集成电路(SPIC)等三个发展时期。
目前应用中压大功率的电力电子器件已经形成GTO、IGCT、IGBT、IEGT相互竞争不断创新的技术市场。通过功率器件的制作过程可以实现器件结构变革和参数优化，这些器件都有PNPN四层结构，以IGBT为例，除最初开发的PT-IGBT是在P+衬底上生长高阻厚外延层制成外，其他的结构大多采用薄片技术，在功率器件的制作过程中不仅要进行正面加工也要进行背面加工，正面加工一般是制造MOS器件，和常规VDMOS工艺技术类同；背面加工技术是以薄片技术为核心，需要进行背面离子注入、热退火和背面金属化等工艺过程来完成。以NPT-IGBT为例，基本工艺流程为：选择<100>晶向的N型硅衬底，长场氧，制作终端部分，有源区刻蚀及长栅氧，淀积多晶硅栅，刻蚀多晶硅栅，注入P型基区及退火，注入N型源区及退火，厚氧化层，刻蚀接触孔，注入P+体区，淀积正面金属，刻蚀正面金属，背面减薄，注入背面P型集电极，P型集电极热退火，背面淀积金属Al，熔炉烧结，冷却，背面布金属Ti/Ni/Ag。
背面的离子注入是一种向衬底中引入可控制数量的杂质，以改变其电学特性的方法，从而形成所需要的结。但一定能量的入射离子进入晶体后，由于和晶体中的电子及原子核的相互作用而失去能量最后终止在晶体中的某一位置，这些离子往往处于间隙位置，对载流子并没有贡献，并且高能离子的注入会对晶格照成一定的损伤。离子注入给晶体照成的损伤，将直接影响半导体器件的导电性。如散射中心的增加，使载流子迁移率下降，缺陷的增多，使非平衡载流子的寿命减小；在有些情况下，损伤会造成电活性中心，改变载流子浓度；同时注入层晶体的损伤还会使电导下降，P-N结反向漏电流增大等等。
为了修复背部离子注入带来的缺陷并激活注入的杂质，就需要进行退火热处理。硅片的退火有两种基本方法：高温炉退火和快速热退火(RTA)，传统方法运用的是高温炉退火的方法，在高温炉中只能将硅片加热到800℃～1000℃左右，并持续退火大约30分钟。在这样的温度和时间下进行热处理，会导致杂质的扩散过大，影响杂质分布，这是现代IC制造不希望看到的。而快速热退火(RTA)是用极快的升温和在目标温度短暂的持续时间对硅片进行处理，通常在快速热处理机(RTP)中进行。快速的升温和短暂的持续时间能够在晶格缺陷的修复、激活杂质和最小化杂质扩散三者之间取得优化，因而RTA是激活杂质并减小杂质再分布的最佳方法。快速热退火工艺根据加热类型可分为三大类：绝热型、热流型和等温型。绝热型设备的热源通常是宽束相干光源，如准分子激光器。尽管这种退火***在相同的温度下所需的加热时间最短，但是它存在几个严重的缺陷，包括温度和时间的控制困难，纵向温度梯度大以及设备成本高。热流型***采用高强度点光源，如电子束或经过聚焦的激光，对硅片进行扫描。但是由于横向的热不均匀性造成的缺陷使其还不能应用于IC制造。等温型***采用宽束辐射加热圆片许多秒钟，等温型***在圆片的横向和纵向上引起的温度梯度是最小的。这种等温型***一般采用非相干光源，如一组钨卤灯。由于等温型***的优点，现在几乎所有的商用快速热退火***(RTP)都采用等温型设计。
以NPT-IGBT为例，对功率器件进行背面杂质注入后的杂质热退火工艺时，由于正面金属一般为铝层、其他金属或合金，导致背面杂质注入后的杂质的退火温度一般不超过500℃，然而修复绝大多数晶格缺陷大约需要500℃，激活杂质原子需要约950℃，因此，传统的低温(不大于500℃)长时间的退火方法会导致因背面注入杂质引起的晶格缺陷不能完全修复，背面所注入的杂质不能充分激活。因而如何提高功率半导体器件背面杂质注入后的杂质热退火温度而又不破坏正面金属层图形就成了本发明主要解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种功率器件背面热退火时对正面金属的保护方法，功率器件正面工艺完成后，在正面金属层上面旋涂覆盖一层耐高温有机硅树脂，加热到250-300℃，使其固化形成保护层，保护正面金属在其后的高温热退火过程中，图形不变。在功率器件背面杂质注入后，进行高温热退火，达到激活杂质、修复晶格带来的损伤的目的。由于有耐高温的有机硅树脂罩的保护，正面金属在高温过程即使熔化也不会流动，冷却后恢复其图形。结束高温热退火后，将硅片置于惰性有机溶剂(如甲苯)中去除表面保护罩。与传统的背面低温热退火相比，高温热退火可以使杂质充分激活，修复辐射带来的晶格损伤，降低退火时间和推结深度，进而达到减小热预算，提高器件性能的目的。
本发明的技术方案如下：
一种功率器件背面热退火时对正面金属图形的保护方法，如图2所示，在完成功率器件正面制作工艺之后，先在功率器件正面金属图形表面涂覆一层有机硅树脂，有机硅树脂经预热固化之后，再进行功率器件背面制作工艺，待背面工艺完成之后将功率器件置于能够溶解有机硅树脂的有机溶剂中去除有机硅树脂。
上述方案中，所述功率器件背面制作工艺包括背面减薄、背面杂质离子注入、背面杂质离子高温热退火和淀积背面金属步骤；其中背面杂质离子高温热退火可采用高温快速热退火或者高温炉退火。若采用高温快速热退火，退火温度为900～1100℃、退火时间为5～60秒；若采用高温炉退火，退火温度为800～1000℃、退火时间为20～40分钟。
由于功率器件背面高温热退火工艺要求温度达到900℃到1000℃，此温度远远超过了低熔点金属层(如铝或合金)的熔点，因此在进行高温热退火的过程中，功率器件正面金属图形层会熔化并破坏刻蚀图形，造成器件损坏。本发明提供的功率器件背面热退火时对正面金属图形的保护方法，由于在背面热退火之前，在器件正面金属图形表面涂覆并固化了一层耐高温的有机硅树脂，使得在对器件进行背面热退火时，可采用较高的退火温度和较长的退火时间来充分激活背部P区或N区的杂质离子的同时而器件正面金属图形不会遭到破坏。
功率器件背面热退火之前，在器件正面金属图形表面涂覆并固化的耐高温的有机硅树脂，在器件背面高温热退火处理过程中对金属图形层起到了很好的保护作用，它能够防止正面金属图形层熔化后自由流动，在退火过程结束后，去除掉保护层，从而达到激活杂质，修复缺陷并保护金属层图形不受热退火过程影响的目的。
有机硅树脂作为一种耐高温的涂料，它的耐热性远好于一般树脂，它是由多官能度的有机硅氧烷经水解缩聚及稠化重排，制成室温下稳定的活性预聚物，应用时进一步加热即可缩合交联成坚硬的或弹性较小的固体硅树脂。在涂料中填入铝粉等其他材料固化后可以耐高温，并可溶于惰性有机溶剂(如甲苯等)，方便去除。如美国Tempil公司生产的Pyromark2500，耐温可以达到1370℃。
在功率器件设计中，例如IGBT，由于热退火温度低造成背面P区杂质激活率远低于设计要求。采用本发明的制作方法，背面P区B杂质退火更彻底，杂质激活效率显著提高，从而可以更精准的控制P区杂质有效浓度，实现对P型集电极注入效率的更好控制；并且，由于晶格损伤被高温热退火修复，杂质被激活，背部P区中的晶格缺陷和复合中心大大减少，整体提高了器件的性能。此外，快速热退火只需要几十秒的时间，减小了掺杂区的推结，降低了热预算。
综上所述，本发明所提供的功率器件背面热退火时对正面金属图形层的保护方法，改进了传统背面低温热退火的工艺，能够在保护正面金属图形的前提下，实现高温热退火，充分提高了杂质激活效率，修复了晶格损伤，降低了掺杂区因退火不完全产生的晶格缺陷。
附图说明
图1是一种功率器件(以NPT-IGBT为例)背面的高温热退火时正面金属保护技术示意图。器件从下至上依次为，1为背面阳极金属，2为P型集电极，3为N-漂移区，4为P基区，5为P+体区，6为N+源极，7为栅氧化层，8为多晶栅极，9为正面金属层，10为厚氧化层，11为场限环，12为硅基树脂保护层。
图2是一种半导体器件高温热退火时的正面金属保护技术主要工艺流程。包括正面工艺完成，在正面旋涂金属的保护层(有机硅树脂)，保护层预热固化(固化有机硅树脂)形成保护罩，背面减薄，背面杂质注入，背面杂质高温热退火，淀积背面金属，硅片置于有机溶剂(甲苯)中去除金属的保护罩(去除固化有机硅树脂)。
具体实施方式
一种功率器件背面热退火时对正面金属图形的保护方法，如图2所示，在完成功率器件正面制作工艺之后，先在功率器件正面金属图形表面涂覆一层有机硅树脂，有机硅树脂经预热固化之后，再进行功率器件背面制作工艺，待背面工艺完成之后将功率器件置于能够溶解有机硅树脂的有机溶剂中去除有机硅树脂。
上述方案中，所述功率器件背面制作工艺包括背面减薄、背面杂质离子注入、背面杂质离子高温热退火和淀积背面金属步骤；其中背面杂质离子高温热退火可采用高温快速热退火或者高温炉退火。若采用高温快速热退火，退火温度为900～1100℃、退火时间为5～60秒；若采用高温炉退火，退火温度为800～1000℃、退火时间为20～40分钟。
本发明采用是在半导体功率器件背面进行高温热退火前，正面金属层已经完成之后，在正面金属层上面旋涂一层硅基树脂材料，让材料均匀覆盖在硅片上，加热到250℃到300℃使材料固化形成保护层，保护正面金属在高温热退火时不会因熔化而破坏掉已经刻蚀好的金属图形，从而提高背面高温热退火的温度，达到激活杂质，修复晶格带来的损伤的目的。做完背部工艺后，将硅片至于有机溶剂中，去除正面保护层。
在功率器件设计中，例如IGBT，由于热退火温度低造成背面P区杂质激活率远低于设计要求。采用本发明的制作方法，背面P区B杂质退火更彻底，杂质激活效率显著提高，从而可以更精准的控制P区杂质有效浓度，实现对P型集电极注入效率的更好控制；并且，由于晶格损伤被高温热退火修复，杂质被激活，背部P区中的晶格缺陷和复合中心大大减少，整体提高了器件的性能。此外，快速热退火只需要几十秒的时间，减小了掺杂区的推结，降低了热预算。
以如图1所示的NPT-IGBT为例，器件结构从下至上依次为：1为背面阳极金属，2为P型集电极，3为N-漂移区，4为P基区，5为P+体区，6为N+源极，7为栅氧化层，8为多晶栅极，9为正面金属层，10为厚氧化层，11为场限环，12为正面金属保护层(固化的有机硅树脂)，13为功率器件的元胞部分，14为功率器件的终端部分。主要实施过程为：选择<100>晶向的N型衬底，长场氧，制作终端部分，有源区刻蚀及长栅氧，淀积多晶硅栅，刻蚀多晶硅栅，注入P型基区及退火，注入N型源区及退火，厚氧化层，刻蚀接触孔，注入P+体区，淀积正面金属，刻蚀正面金属，涂覆有机硅树脂并固化形成保护层，背面减薄中，注入背面P型集电极，P型集电极高温热退火，淀积背面金属，置于有机溶剂去除有机硅树脂保护层。
本发明提供的功率器件背面热退火时对正面金属图形的保护方法，并不仅限于图1所示NPT-IGBT器件的制造，并且适用于所有需要高温热退火的功率器件。

Claims (2)

1.一种功率器件背面热退火时对正面金属图形的保护方法，在完成功率器件正面制作工艺之后，先在功率器件正面金属图形表面涂覆一层有机硅树脂，有机硅树脂经预热固化之后，再进行功率器件背面制作工艺，待背面工艺完成之后将功率器件置于能够溶解有机硅树脂的有机溶剂中去除有机硅树脂；
所述功率器件背面制作工艺包括背面减薄、背面杂质离子注入、背面杂质离子高温热退火和淀积背面金属步骤；
所述背面杂质离子高温热退火为高温快速热退火或者高温炉退火；其中，所述高温快速热退火的退火温度为900~1100℃、退火时间为5~60秒；所述高温炉退火的退火温度为800~1000℃、退火时间为20~40分钟。
2.根据权利要求1所述的功率器件背面热退火时对正面金属图形的保护方法，其特征是，所述有机硅树脂为美国Tempil公司生产的Pyromark2500，所述能够溶解有机硅树脂的有机溶剂为甲苯。
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