CN107452619B - 一种igbt硅片背面退火方法及激光退火*** - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种IGBT硅片背面退火方法及激光退火***，该方法包括下列步骤：完成IGBT硅片的正面工艺；对所述硅片背面进行减薄工艺，将其研磨至所需厚度；对所述硅片进行离子注入；对所述硅片背面进行退火处理；对所述硅片背面进行金属化处理。本发明提出的IGBT硅片背面退火方法及激光退火***，适应IGBT背面退火工艺研发节点，推出不同激光器组合加预热功能，用以满足特定IGBT背面多层次退火工艺需求，提供了一套激光退火***化解决方案，替代高功率准分子激光器退火和质子辐照+低温炉管退火工艺，实现不同结深客户定制化需求。
Description
技术领域
本发明涉及半导体制造工艺技术领域，且特别涉及一种IGBT硅片背面退火方法及激光退火***。
背景技术
IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)，绝缘栅双极型晶体管，是由BJT(双极型三极管)和MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件,兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点。GTR饱和压降低，载流密度大，但驱动电流较大；MOSFET驱动功率很小，开关速度快，但导通压降大，载流密度小。IGBT综合了以上两种器件的优点，驱动功率小而饱和压降低。非常适合应用于直流电压为600V及以上的变流***如交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域。
IGBT作为新型功率半导体器件又称绝缘栅双极型晶体管，是功率半导体器件第三次技术革命的代表性产品，广泛应用于轨道交通、航空航天、船舶驱动、智能电网、新能源、交流变频、风力发电、电机传动、汽车等强电控制等产业领域。它问世近三十年，已做到8吋硅晶片、6500伏的高水平。由于它在强电领域广泛应用，专业人士已十分了解。但遗憾的是至今在国内市场上见不到国产芯片货，而是被德国英飞凌、西门康、瑞士ABB、美国IR、Fairchld飞兆，日本三菱、富士、东芝、Sanken等十大国外企业产品所垄断，是国内IGBT市场中销售额最大的10个企业。应用者们十分疑惑的问：中国为什么制造不了？
从技术角度讲不能不承认IGBT技术含量高、制造难度大，这是阻碍我们下决心去开发IGBT芯片主要原因之一。据了解，制造工艺与集成电路有雷同之处，但集成电路厂没有功率电子的生产工艺。设计思路也不一样。但就承受电压来说要达到数千伏，硅片厚度减薄至40μm及以下，远远超过了集成电路，需要专门对应开发的背面工艺设备，如高能离子注入，激光退火设备，Taiko减薄设备，质子辐照设备等。
由于在中国市场上购买进口的IGBT芯片十分容易，近十几年来我国的IGBT应用技术逐渐成熟，发展得很快。IGBT整机产品广泛应用于工业、交通、通信、消费电子等各个领域，大幅度提高工业生产效率，大幅度节约电能、降低原材料消耗。于是对高质量、多品种、低价格IGBT的需求量越来越大，引起了电力电子功率器件和集成电路制造商的高度注意。单靠进口是不行了，需要自行制造。
近几年来，我国企业用自己的技术力量独立或合资制成功率IGBT芯片和模块的消息时有传来。他们是：株洲南车、上海华虹NEC、西安爱帕克(西安电力电子研究所)、江阴长电、江苏宏微、比亚迪、东光微电、吉林华微、华润上华、北京时代民芯、浙江华芯，嘉兴斯达等公司。鼓舞人心的消息频频传来，相信国产的高压IGBT芯片几年内上市已为期不远，市场上没有国产的IGBT芯片的现象将一去不复返。
随着硅片厚度不断减薄趋势，实际应用场景需要对0～30μm不同深度位置进行掺杂离子有效激活，这就使得硅基表面退火仅依赖传统炉管将无法满足客户需求。此外，最新调研还发现，该领域引入了激光退火工艺和质子辐照工艺。
对于质子辐照工艺流程而言，其原理如下：氢原子注入后会在晶格位置形成空位，空位和质子相互作用形成FS层的N型掺杂。当需要形成FS层的深度较深时(10微米以上)，对应所需注入杂质能量特别高(5MeV)，质子由于具有较大穿透深度因而获得了广泛的应用。
多层次退火工艺可通过一次或多次质子辐照形成背面Buff N+层，注入能量100-500KeV，300-400度退火；若通过多次质子辐照，随辐照能量降低，剂量逐渐增大，即N+Buffer在靠近集电极区有更大的浓度，质子辐照工艺一般应用于高压器件10μm以上结深退火制造工艺。
图1所示为现有技术中激光退火波长与深度的关系示意图。对于IGBT不同结深退火需求，目前业界采用515和808nm波长，满足0.5～10μm大部分退火工艺需求。而实际应用中发现，例如浅层0.5μm以下和10μm以上这类新应用需求出现，原有的激光退火波长将会遇到工艺挑战，因此需要引入更适合的激光波长组合。
发明内容
本发明提出一种IGBT硅片背面退火方法及激光退火***，适应IGBT背面退火工艺研发节点，推出不同激光器组合加预热功能，用以满足特定IGBT背面多层次退火工艺需求，提供了一套激光退火***化解决方案，替代高功率准分子激光器退火和质子辐照+低温炉管退火工艺，实现不同结深客户定制化需求。
为了达到上述目的，本发明提出一种IGBT硅片背面退火方法，包括下列步骤：
完成IGBT硅片的正面工艺；
对所述硅片背面进行减薄工艺，将其研磨至所需厚度；
对所述硅片进行离子注入；
对所述硅片背面进行退火处理；
对所述硅片背面进行金属化处理；其中，
在对所述硅片背面进行退火处理过程中，当进行0～0.5μm结深退火处理时，采用355+527nm激光器组合进行激光退火处理，当进行10μm以上结深退火处理时，采用808nm+940nm激光器组合进行激光退火处理。
进一步的，所述对硅片进行离子注入步骤包括：依次对IGBT硅片背面场截止层和浅层电极层各进行一次离子注入。
进一步的，所述对IGBT硅片背面场截止层进行离子注入为N型掺杂注入。
进一步的，所述IGBT硅片背面场截止层为沟槽栅场截止型层。
进一步的，所述对浅层电极层进行离子注入为P型掺杂注入。
进一步的，所述浅层电极层发射极。
进一步的，当进行10μm以上结深退火处理时，还包括对所述IGBT硅片的底面吸盘采取预热处理。
为了达到上述目的，本发明还提出一种IGBT硅片背面激光退火***，包括：
第一激光器和第二激光器，其分别连接有相应的光学***、激光器控制器，及能量监控***；
带预热功能的载片台，其连接于载片台控制***；
同步控制***，连接于所述载片台控制***和两个激光器控制器，其中，
所述激光器波长为355、527、808或940nm，当进行0～0.5μm结深退火处理时，所述第一激光器和第二激光器采用355+527nm激光器组合，当进行10μm以上结深退火处理时，所述第一激光器和第二激光器采用808nm+940nm激光器组合。
进一步的，所述激光器类型为固体激光器或半导体激光器。
进一步的，当进行10μm以上结深退火处理时，采用载片台吸盘预热***，对IGBT硅片的底面吸盘采取预热处理。
本发明提出的IGBT硅片背面退火方法及激光退火***，根据不同IGBT背面退火工艺，推出不同激光器组合加预热功能，用以满足特定IGBT背面多层次退火工艺需求，本发明的激光退火工艺主要采用了固体和半导体激光器，激光器波长为355、527、808或940nm，通过光学***优化，可替代准分子激光器和质子辐照+低温炉管工艺，实现0～10μm退火需求。
附图说明
图1所示为现有技术中激光退火波长与深度的关系示意图。
图2所示为本发明较佳实施例的IGBT硅片背面退火方法流程图。
图3所示为本发明较佳实施例的IGBT硅片背面激光退火***结构示意图。
图4所示为本发明较佳实施例的双波长激光退火工艺仿真示意图。
具体实施方式
以下结合附图给出本发明的具体实施方式，但本发明不限于以下的实施方式。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比率，仅用于方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
请参考图2，图2所示为本发明较佳实施例的IGBT硅片背面退火方法流程图。本发明提出一种IGBT硅片背面退火方法，包括下列步骤：
步骤S100：完成IGBT硅片的正面工艺；
步骤S200：对所述硅片背面进行减薄工艺，将其研磨至所需厚度；
步骤S300：对所述硅片进行离子注入；
步骤S400：对所述硅片背面进行退火处理；
步骤S500：对所述硅片背面进行金属化处理，其中
在对所述硅片背面进行退火处理过程中，当进行0～0.5μm结深退火处理时，采用355+527nm激光器组合进行激光退火处理，当进行10μm以上结深退火处理时，采用808nm+940nm激光器组合进行激光退火处理。
完成IGBT硅片背面退火工艺流程后，对其进行测试和切割工艺处理。
根据本发明较佳实施例，所述对硅片进行离子注入步骤包括：依次对IGBT硅片背面场截止层和浅层电极层各进行一次离子注入。所述对IGBT硅片背面场截止层进行离子注入为N型掺杂注入，所述IGBT硅片背面场截止层为沟槽栅场截止型层。所述对浅层电极层进行离子注入为P型掺杂注入，所述浅层电极层发射极。
当进行0～0.5μm结深退火处理时，采用355+527nm激光器组合进行激光退火处理。传统炉管退火方式，无法适应浅层退火工艺需求，通常采用308nm短波长激光器(用于BSI退火)或者10.6μm CO2激光器(用于USJ退火)，而本发明创新采用的355+527nm波长组合，对于IGBT领域具有更好的工艺适应性。
当进行10μm以上结深退火处理时，采用808nm+940nm激光器组合进行激光退火处理。深层退火工艺需求，通常采用质子辐照+低温炉管，但是该设备组合设备成本过高，受限于质子辐照设备的技术壁垒，而本发明创新采用的808+940nm这类近红外波长组合，同样可以实现大结深IGBT退火工艺需求。
进一步的，当进行10μm以上结深退火处理时，还包括对所述IGBT硅片的底面吸盘采取预热处理。底部吸盘是考虑实现深层退火的梯度分布，即设定激光退火作用表面为0μm时，退火10μm以上结深，需要该层面(如10μm)的截面温度达到800度或以上，才能对掺杂离子的有效激活。实际运用中，希望在不影响底面金属层的前提下(低于300度)，将底面温度加热到200～250度，这样做的目的可以优化温度随深度变化曲线，降低所需退火激光器总能量密度需求。
请参考图3，图3所示为本发明较佳实施例的IGBT硅片背面激光退火***结构示意图。本发明还提出一种IGBT硅片背面激光退火***，包括：
第一激光器和第二激光器，其分别连接有相应的光学***、激光器控制器，及能量监控***；
带预热功能的载片台，其连接于载片台控制***；
同步控制***，连接于所述载片台控制***和两个激光器控制器，其中，
所述激光器波长为355、527、808或940nm，当进行0～0.5μm结深退火处理时，所述第一激光器和第二激光器采用355+527nm激光器组合，当进行10μm以上结深退火处理时，所述第一激光器和第二激光器采用808nm+940nm激光器组合。
所述两个激光器控制器分别控制第一激光器和第二激光器发出不同波长的激光，并经过激光器的光学***处理后入射到载片台上的IGBT硅片上，所述激光器通过能量监控***对其发射出的激光进行能量监控，所述载片台通过载片台控制***控制，所述同步控制***对激光器控制器和载片台控制***进行同步控制。
根据本发明较佳实施例，所述激光器类型为固体激光器或半导体激光器。当进行0～0.5μm结深退火处理时，所述第一激光器和第二激光器采用355+527nm激光器组合，实现浅层退火工艺。当进行10μm以上结深退火处理时，所述第一激光器和第二激光器采用808nm+940nm激光器组合，实现深层退火工艺。进一步的，当进行10μm以上结深退火处理时，采用载片台吸盘预热***，对IGBT硅片的底面吸盘采取预热处理，实现优化深层退火温度梯度分布需求。
本发明的进步效果在于采用多波长激光器组合搭配，一套激光退火***化解决方案实现0～30μm不同结深退火需求。提出一种解决方案，可适应完整的IGBT背面退火工艺线，选择合适的激光器组合，以满足客户不同IGBT产品参数需求，实现的延伸。主要激光器组合选择思路为：
1、通过软件仿真：初步选取满足工艺需求的激光器类型；
2、分批工艺试验：分步进行分组DEMO退火进行验证，找到适合的工艺窗口；
3、整理退火参数和测试数据：分析SRP、SIMS和ECV等结果，对激光器组合方案反馈。
虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。
Claims (7)
1.一种IGBT硅片背面退火方法，其特征在于，包括下列步骤：
完成IGBT硅片的正面工艺；
对所述硅片背面进行减薄工艺，将其研磨至所需厚度；
对所述硅片进行离子注入；
对所述硅片背面进行退火处理；
对所述硅片背面进行金属化处理；其中，
在对所述硅片背面进行退火处理过程中，当进行0～0.5μm结深退火处理时，采用355+527nm激光器组合进行激光退火处理；当进行10μm以上结深退火处理时，采用808nm+940nm激光器组合进行激光退火处理，并对所述IGBT硅片的底面吸盘采取预热处理，将底面温度加热到200～250度。
2.根据权利要求1所述的IGBT硅片背面退火方法，其特征在于，所述对硅片进行离子注入步骤包括：依次对IGBT硅片背面场截止层和浅层电极层各进行一次离子注入。
3.根据权利要求2所述的IGBT硅片背面退火方法，其特征在于，所述对IGBT硅片背面场截止层进行离子注入为N型掺杂注入。
4.根据权利要求2所述的IGBT硅片背面退火方法，其特征在于，所述IGBT硅片背面场截止层为沟槽栅场截止型层。
5.根据权利要求2所述的IGBT硅片背面退火方法，其特征在于，所述对浅层电极层进行离子注入为P型掺杂注入。
6.一种IGBT硅片背面激光退火***，其特征在于，包括：
第一激光器和第二激光器，其分别连接有相应的光学***、激光器控制器，及能量监控***；
带预热功能的载片台，其连接于载片台控制***；
同步控制***，连接于所述载片台控制***和两个激光器控制器，其中，
所述激光器波长为355、527、808或940nm，当进行0～0.5μm结深退火处理时，所述第一激光器和第二激光器采用355+527nm激光器组合；当进行10μm以上结深退火处理时，所述第一激光器和第二激光器采用808nm+940nm激光器组合，并采用载片台吸盘预热***，对IGBT硅片的底面吸盘采取预热处理，将底面温度加热到200～250度。
7.根据权利要求6所述的IGBT硅片背面激光退火***，其特征在于，所述激光器类型为固体激光器或半导体激光器。
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