CN104425260A - 反向导通场截止型绝缘栅双极型晶体管的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种反向导通FS IGBT的制造方法，包括：提供N型硅衬底；通过光刻和离子注入向衬底内注入P型离子，在衬底的表面形成背面PN交隔结构；在衬底形成有背面PN交隔结构的表面通过外延工艺制备出N型的场截止层；在场截止层上外延制备出N型的漂移区；采用IGBT正面工艺制备出IGBT正面结构；将衬底减薄至背面PN交隔结构处；在背面PN交隔结构背离场截止层的表面形成背面金属电极。本发明于正面工艺之前直接在衬底上采用常规光刻机和离子注入设备制作背面PN交隔结构。FS层和漂移区用外延方式制备，外延后圆片厚度与常规流通圆片相同，再进行常规的正面工艺，因此与现有的常规工艺兼容，无需专用薄片流通设备，降低了成本。
Description
技术领域
本发明涉及半导体器件的制造方法，特别是涉及一种反向导通场截止型绝缘栅双极型晶体管的制备方法。
背景技术
绝缘栅双极型晶体管（IGBT）一般采用反向并联续流二极管的方式使用。但这种方式一方面浪费封装面积，另一方面由于寄生电感等寄生效应的存在，并联额外增加了功耗。因此，将IGBT与二极管集成在同一个芯片的技术日益受到重视。
反向导通场截止型（Field Stop,FS）IGBT是一种常用于电磁炉等用电设备的开关器件，由于改善了非平衡载流子的通道，其拖尾电流得到优化，同时器件不需要再并联续流二极管，降低了成本。
反向导通FS IGBT的制备难点在于背面N+buffer层（即Field Stop层）及背面P/N交隔结构的制备，一种传统的制备方法是先利用注入（或预扩）+高温推阱制备背面N+buffer层之后通过双面光刻在背面结构上制作出P/N交隔结构，在背面结构完成后再做正面结构工艺，对于低压IGBT（1700V以下）正面结构制备前就需要将圆片减薄到200μm以下，这就要求生产线有薄片通线能力，因此需要专用的薄片流通设备和双面曝光设备。
发明内容
基于此，为了解决传统的反向导通场截止型绝缘栅双极型晶体管需要专用的薄片流通、加工设备，导致需要额外添购生产设备，提高了生产成本的问题，有必要提供一种与现有的常规生产设备兼容、不需要薄片流通设备的反向导通场截止型绝缘栅双极型晶体管的制备方法。
一种反向导通场截止型绝缘栅双极型晶体管的制备方法，包括下列步骤：提供第一掺杂类型的硅衬底；通过光刻和离子注入向所述硅衬底内注入第二掺杂类型的离子，在所述硅衬底的表面形成背面PN交隔结构，并清理硅衬底的表面完成去胶，所述第二掺杂类型与第一掺杂类型的电性相反；在硅衬底形成有所述背面PN交隔结构的表面通过外延工艺制备出N型的场截止层；在所述场截止层上外延制备出N型的漂移区；包括所述第一掺杂类型的硅衬底、PN交隔结构、场截止层及漂移区的硅片总厚度与常规流通硅片的厚度一致；采用绝缘栅双极型晶体管正面工艺在所述漂移区内和漂移区上制备出绝缘栅双极型晶体管正面结构；将所述硅衬底减薄至所述背面PN交隔结构处；在所述背面PN交隔结构背离所述场截止层的表面形成背面金属电极。
在其中一个实施例中，所述第一掺杂类型为N型，所述第二掺杂类型为P型。
在其中一个实施例中，所述通过光刻和离子注入向所述硅衬底内注入第二掺杂类型的离子的步骤中注入剂量为1*1013～1*1020/平方厘米，注入能量为30千电子伏～200千电子伏。
在其中一个实施例中，所述提供第一掺杂类型的硅衬底的步骤中硅衬底的厚度为100～650微米，所述场截止层的厚度为2～100微米，所述在场截止层上外延制备出N型的漂移区的步骤中漂移区的厚度为10～650微米。
在其中一个实施例中，所述提供第一掺杂类型的硅衬底的步骤中硅衬底的电阻率为0.01～50欧姆*厘米，所述场截止层的电阻率为5～100欧姆*厘米，所述在场截止层上外延制备出N型的漂移区的步骤中漂移区的电阻率为5～500欧姆*厘米。
在其中一个实施例中，所述在背面PN交隔结构背离所述场截止层的表面形成背面金属电极的步骤，是采用溅射工艺制备所述背面金属电极。
在其中一个实施例中，所述在背面PN交隔结构背离所述场截止层的表面形成背面金属电极的步骤，是采用蒸发工艺制备所述背面金属电极。
在其中一个实施例中，所述正面工艺是平面栅极绝缘栅双极型晶体管的正面工艺，所述反向导通场截止型绝缘栅双极型晶体管是平面栅极绝缘栅双极型晶体管。
在其中一个实施例中，所述正面工艺是沟槽栅极绝缘栅双极型晶体管的正面工艺，所述反向导通场截止型绝缘栅双极型晶体管是沟槽栅极绝缘栅双极型晶体管。
上述反向导通场截止型绝缘栅双极型晶体管的制备方法，于正面工艺之前直接在衬底上制作背面PN交隔结构，因此背面PN交隔结构可以采用常规光刻机和离子注入设备作业，无需使用双面曝光机来形成背面PN交隔结构。FS结构所需的N型Buffer层及IGBT的漂移区用外延方式制备，无需使用注入能量可达1兆电子伏以上的高能离子注入设备。外延后圆片厚度与常规流通圆片相同，再进行常规的正面工艺，因此与现有的常规工艺兼容，工艺简单、无需专用薄片流通设备，大大降低了工艺成本。
附图说明
图1是一实施例中反向导通场截止型绝缘栅双极型晶体管的制备方法的流程图；
图2A～图2H是本发明反向导通场截止型绝缘栅双极型晶体管的制备方法的一实施例中、反向导通FS IGBT在制备过程中的剖面示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
图1是一实施例中图1是一实施例中反向导通场截止型绝缘栅双极型晶体管的制备方法的流程图，包括下列步骤：
S110，提供第一掺杂类型的硅衬底。
请参照图2A，在本实施例中，第一掺杂类型为N型，第二掺杂类型为P型；N型衬底30的电阻率为0.01～50Ω*cm。因N型衬底30的部分结构同时会作为反向导通FS IGBT的反向导电通道12，因此对其电阻率有相应的要求。
S120，通过光刻和离子注入向衬底内注入第二掺杂类型的离子，在衬底的表面形成背面PN交隔结构。
请参照图2B，光刻形成注入窗口后，在光刻胶13的掩蔽下向N型衬底30内注入P型离子，作为背面P+发射区，背面P+发射区与N型衬底30一起在衬底的表面形成背面PN交隔结构。在本实施例中，离子注入剂量为1*1013～1*1020/cm2，离子注入能量为30～200kev。
可以理解的，在其它实施例中，第一掺杂类型的硅衬底也可以为P型衬底，步骤S120中通过注入N型离子，同样在衬底的表面形成背面PN交隔结构。P型衬底的电阻率为0.001～100Ω*cm。
离子注入完成后清理N型衬底30的表面，去除光刻胶13，如图2C所示。
S130，在形成有背面PN交隔结构的表面通过外延工艺制备出N型的场截止层。
请参照图2D，外延制备出N buffer层作为场截止层22。在本实施例中，场截止层22的电阻率为5-100Ω*cm。
S140，在场截止层上外延制备出N型的漂移区。
请参照图2E，在本实施例中，漂移区20的厚度为10～650微米，电阻率为5～500Ω*cm。步骤S140完成后，包括N型衬底30、背面PN交隔结构、场截止层22及漂移区20的硅片的总厚度与常规流通硅片一致。常规流通硅片的厚度是本领域技术人员习知的硅片（wafer）在制造、传输中通常的厚度，对于6英寸wafer为625微米，对于8英寸wafer为725微米。
也就是说，应该预先设计好N型衬底30、场截止层22及漂移区20的厚度，使得步骤S140完成后，硅片的厚度为常规流通硅片厚度。在本实施例中，步骤S110提供的N型衬底30的厚度为100～650微米，步骤S140中制备的场截止层22的厚度为2～100微米，步骤S150中制备的漂移区20的厚度为10～650微米。
S150，采用绝缘栅双极型晶体管正面工艺制备出绝缘栅双极型晶体管正面结构。
本实施例中，反向导通FS IGBT是平面栅极（Planar）IGBT，可以用本领域技术人员***面栅极IGBT的正面工艺制备其正面结构，此处不再赘述。参照图2F，步骤S150完成后器件包括漂移区20内的P型体区24，P型体区24内的N型的发射极25，漂移区20表面的栅氧化层26，栅氧化层26表面的多晶硅栅极27，覆盖栅氧化层26和多晶硅栅极27的氧化物介质层28，以及分别从发射极25和多晶硅栅极27引出的焊盘（pad）E（发射极）和焊盘G（栅极）。
可以理解的，在其它实施例中，反向导通FS IGBT也可以是沟槽栅极（Trench）IGBT，可以用本领域技术人员习知的沟槽栅极IGBT的正面工艺制备其正面结构。
S160，将硅衬底减薄至背面PN交隔结构处。
图2G是步骤S160完成后器件的剖面示意图，N型衬底30被磨掉。
S170，在背面PN交隔结构表面形成背面金属电极。
参照图2H，在本实施例中，是通过溅射工艺在背面PN交隔结构背离场截止层22的一面制得背面金属电极19。在其它实施例中，也可以采用蒸发等工艺形成背面金属电极19。
上述反向导通场截止型绝缘栅双极型晶体管的制备方法，于正面工艺之前直接在衬底上制作背面PN交隔结构，因此背面PN交隔结构可以采用常规光刻机和离子注入设备作业，而无需使用双面曝光机来形成背面PN交隔结构。FS结构所需的N型Buffer层及IGBT的漂移区用外延方式制备，无需使用注入能量可达1兆电子伏以上的高能离子注入设备。外延后圆片厚度与常规流通圆片相同，再进行常规的正面工艺，因此与现有的常规工艺兼容，工艺简单、无需专用薄片流通设备，大大降低了工艺成本。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (9)
1.一种反向导通场截止型绝缘栅双极型晶体管的制备方法，包括下列步骤：
提供第一掺杂类型的硅衬底；
通过光刻和离子注入向所述硅衬底内注入第二掺杂类型的离子，在所述硅衬底的表面形成背面PN交隔结构，并清理硅衬底的表面完成去胶，所述第二掺杂类型与第一掺杂类型的电性相反；
在硅衬底形成有所述背面PN交隔结构的表面通过外延工艺制备出N型的场截止层；
在所述场截止层上外延制备出N型的漂移区；包括所述第一掺杂类型的硅衬底、PN交隔结构、场截止层及漂移区的硅片总厚度与常规流通硅片的厚度一致；
采用绝缘栅双极型晶体管正面工艺在所述漂移区内和漂移区上制备出绝缘栅双极型晶体管正面结构；
将所述硅衬底减薄至所述背面PN交隔结构处；
在所述背面PN交隔结构背离所述场截止层的表面形成背面金属电极。
2.根据权利要求1所述的反向导通场截止型绝缘栅双极型晶体管的制备方法，其特征在于，所述第一掺杂类型为N型，所述第二掺杂类型为P型。
3.根据权利要求1所述的反向导通场截止型绝缘栅双极型晶体管的制备方法，其特征在于，所述通过光刻和离子注入向所述硅衬底内注入第二掺杂类型的离子的步骤中注入剂量为1*1013～1*1020/平方厘米，注入能量为30千电子伏～200千电子伏。
4.根据权利要求1所述的反向导通场截止型绝缘栅双极型晶体管的制备方法，其特征在于，所述提供第一掺杂类型的硅衬底的步骤中硅衬底的厚度为100～650微米，所述场截止层的厚度为2～100微米，所述在场截止层上外延制备出N型的漂移区的步骤中漂移区的厚度为10～650微米。
5.根据权利要求1所述的反向导通场截止型绝缘栅双极型晶体管的制备方法，其特征在于，所述提供第一掺杂类型的硅衬底的步骤中硅衬底的电阻率为0.01～50欧姆*厘米，所述场截止层的电阻率为5～100欧姆*厘米，所述在场截止层上外延制备出N型的漂移区的步骤中漂移区的电阻率为5～500欧姆*厘米。
6.根据权利要求1所述的反向导通场截止型绝缘栅双极型晶体管的制备方法，其特征在于，所述在背面PN交隔结构背离所述场截止层的表面形成背面金属电极的步骤，是采用溅射工艺制备所述背面金属电极。
7.根据权利要求1所述的反向导通场截止型绝缘栅双极型晶体管的制备方法，其特征在于，所述在背面PN交隔结构背离所述场截止层的表面形成背面金属电极的步骤，是采用蒸发工艺制备所述背面金属电极。
8.根据权利要求1-7中任意一项所述的反向导通场截止型绝缘栅双极型晶体管的制备方法，其特征在于，所述正面工艺是平面栅极绝缘栅双极型晶体管的正面工艺，所述反向导通场截止型绝缘栅双极型晶体管是平面栅极绝缘栅双极型晶体管。
9.根据权利要求1-7中任意一项所述的反向导通场截止型绝缘栅双极型晶体管的制备方法，其特征在于，所述正面工艺是沟槽栅极绝缘栅双极型晶体管的正面工艺，所述反向导通场截止型绝缘栅双极型晶体管是沟槽栅极绝缘栅双极型晶体管。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| TA01 | Transfer of patent application right |
Effective date of registration: 20170926 Address after: 214028 Xinzhou Road, Wuxi national hi tech Industrial Development Zone, Jiangsu, China, No. 8 Applicant after: Wuxi Huarun Shanghua Technology Co., Ltd. Address before: 214028 Xinzhou Road, Wuxi national hi tech Industrial Development Zone, Jiangsu, China, No. 8 Applicant before: Wuxi CSMC Semiconductor Co., Ltd. |
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| TA01 | Transfer of patent application right | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20150318 |
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |