CN107452620B - 一种igbt硅片背面退火方法 - Google Patents
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Abstract
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；将减薄后硅片的器件面与基底进行有机胶临时键合；对所述硅片进行离子注入；对所述硅片背面进行退火处理；进行临时解键合工艺，将硅片与基底分离；所述基底的的材料为玻璃基底，厚度为100～500μm。本发明提出的IGBT硅片背面退火方法，采用808nm+双527nm激光波长组合，利用键合基底对底部硅片的热量起到阻热作用，间接提供了底部预热功能，同样可以实现大结深IGBT退火工艺需求。
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。
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。
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。
此外，为了支持low topography的超薄硅片，Thermal release tapes的工艺已经被广泛应用在硅片减薄工艺中。具体步骤为，先将载片被粘合在可双面粘贴的胶带上，该胶带具有热解性质的一面贴合在器件硅片上。经过这种工艺的硅片可以被研磨到50μm以下。然后可以进行P离子和B离子的注入工艺，继而进行激光退火，然后将硅片加热到一定温度进行解键合。
业界有两种工艺发展路线实现大结深退火：第一种方案采用了高能离子注入和激光退火技术，选择合适的激光波长如图1所示，实现了4～10μm的退火工艺方案；另一种方案采用质子辐照加上炉管低温退火完成，可以实现10μm以上退火需求。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。
发明内容
本发明提出一种IGBT硅片背面退火方法，采用808nm+双527nm激光波长组合，利用键合基底对底部硅片的热量起到阻热作用，间接提供了底部预热功能，同样可以实现大结深IGBT退火工艺需求。
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；
将减薄后硅片的器件面与基底进行有机胶临时键合；
对所述硅片进行离子注入；
对所述硅片背面进行退火处理；
进行临时解键合工艺，将硅片与基底分离；
所述基底的的材料为玻璃基底，厚度为100～500μm。
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，所述退火处理采用808nm+双527nm波长激光器组合。
进一步的，所述临时键合基底的材料阻热系数大于SiC或者Si基底。
进一步的，该方法还包括通过底部硅片预热优化深层退火温度梯度分布，利用键合基底对底部硅片的热量起到阻热作用，间接提供了底部预热功能。
进一步的，该方法还包括通过改变基底厚度实现不同的底部预热温度，并通过试验设计模型建立相应关系。
本发明提出的IGBT硅片背面退火方法，采用808nm+双527nm激光波长组合，引入键合片工艺，利用玻璃作为临时键合基底，对底部硅片的热量起到阻热作用，间接提供了底部预热功能，从而实现大结深IGBT退火工艺需求。采用键合片预热功能，相当于底部温度的引入，同样温度需求，可降低所需退火激光器总能量密度需求。
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所示为不同材料基底与硅片底部接触面的温度仿真示意图。
图4所示为典型退火温度随深度仿真曲线示意图。
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：将减薄后硅片的器件面与基底进行有机胶临时键合；
步骤S400：对所述硅片进行离子注入；
步骤S500：对所述硅片背面进行退火处理；
步骤S600：进行临时解键合工艺，将硅片与基底分离；
所述基底的的材料为玻璃基底，厚度为100～500μm。
本专利的技术改进点在于引入键合片工艺，利用玻璃作为临时键合基底，相比Si(硅片)和SiC(吸盘)的热传导特性，玻璃阻热效果更好，可以将底部的温度保持在可控的范围内，利用玻璃较好的阻热能力，相比碳化硅(SiC)和纯硅(Bare Silicon)基底而言，同样厚度石英玻璃(Glass)基底导热能力与前两者比例关系约为330:100:1，理论超过50倍以上导热能力差异就会对背面退火工艺产生显著影响。相应地，实际应用还需考虑工艺条件适用范围，所述100～500μm基底范围可以满足各类退火需求，仿真数据如图3所示，可间接实现退火硅片底部的预热功能。
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。
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。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。
根据本发明较佳实施例，所述退火处理采用808nm+双527nm波长激光器组合，包含绿光与红外光组合，可选用激光器波长如527nm，808nm或者波长更长的红外波段。
所述临时键合基底的材料阻热系数大于SiC或者Si基底。进一步的，所述基底的材料为玻璃基底，也可以选用更大阻热系数材料。
进一步的，该方法还包括通过底部硅片预热优化深层退火温度梯度分布，利用键合基底对底部硅片的热量起到阻热作用，间接提供了底部预热功能。
底部硅片预热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，如图4所示的典型退火温度随深度仿真曲线示意图，如果采用527nm+808nm波长的激光器组合，表面温度可达1400℃，而在4～10μm的温度快速下降到800℃以下，如果需要在此深度范围需要有效激活，温度的控制尤为重要。在不影响底面金属层的前提下(低于400度)，将底面温度加热到100～350度，这样做的目的可以优化温度随深度变化曲线。仿真数据如表1所示，例如600W功率在7μm温度为913℃， 采用键合片预热功能，相当于底部温度的引入，同样温度需求，可降低所需退火激光器总能量密度需求。
表1 808nm波长激光在不同功率下温度随深度仿真
| 808nm波长激光功率 | 7μm(/℃) | 120μm(/℃) |
| 600W | 913 | 273 |
| 700W | 1005 | 298 |
| 800W | 1090 | 324 |
根据本发明较佳实施例，该方法还包括通过改变基底厚度实现不同的底部预热温度，并通过试验设计模型建立相应关系。实际运用中，考虑到玻璃基底载片厚度将影响热传导系数，通过***试验可以获得厚度与激光器能量的关系，仅需改变玻璃基底载片厚度，就可以实现不同的底部预热温度，并通过DOE(Design of Experiment，试验设计)模型建立相应关系。例如500μm厚度可以实现300度以上的预热，将玻璃增厚可以实现更高底部预热温度，而减少玻璃厚度将更有利于向SiC吸盘热传导，相应底部预热温度就会减少。
均匀性验证，因为IGBT激光退火属于快速熔融，使表面2μm以内硅片从固相转为液相，底部的玻璃基底载片所起到的预热作用(阻热)，而硅与玻璃交接面的热量更容易向两侧扩散，使得最终底部温度趋于一致，也间接提升了温度均匀性。此外，本发明主要是利用了底部玻璃键合片的阻热作用，使得随深度的温度分布梯度下降曲线趋于平缓，当预热温度与正面激光作用温度共同作用达到并超越激活所需温度，例如800℃以上，不同位置的温度差异性(超过800℃以上数值)将对最终的退火效果不会有统计上的明显差异，例如参数激活率<0.5％。
功率器件IGBT根据产品设计需要，高压FS-IGBT相比中低压器件，需要较深的FS结构退火如4μm及以上退火深度。本发明基于808nm搭配双527nm退火波长组合，采用键合片工艺，利用其高温阻碍热传导效应，选取合适的耐高温粘结剂，可实现该领域的退火需求。
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 (10)
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；
将减薄后硅片的器件面与基底进行有机胶临时键合；
对所述硅片进行离子注入；
对所述硅片背面进行退火处理；
进行临时解键合工艺，将硅片与基底分离；
所述基底的材料为玻璃基底，厚度为100～500μm。
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.根据权利要求2所述的IGBT硅片背面退火方法，其特征在于，所述浅层电极层作为发射极。
7.根据权利要求1所述的IGBT硅片背面退火方法，其特征在于，所述退火处理采用808nm波长激光器和527nm波长激光器的组合。
8.根据权利要求1所述的IGBT硅片背面退火方法，其特征在于，所述临时键合基底的材料阻热系数大于SiC或者Si基底。
9.根据权利要求1所述的IGBT硅片背面退火方法，其特征在于，该方法还包括：通过对底部硅片进行预热，来优化深层退火温度梯度分布，其中，对底部硅片进行预热包括：利用键合基底对底部硅片的热量起到阻热作用，间接提供底部预热功能。
10.根据权利要求1所述的IGBT硅片背面退火方法，其特征在于，该方法还包括通过改变基底厚度实现不同的底部预热温度，并通过试验设计模型建立相应关系。
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