集成續流二極體的功率半導體器件及其形成方法
2023-06-21 06:28:01 1
集成續流二極體的功率半導體器件及其形成方法
【專利摘要】本發明提供了一種集成續流二極體的功率半導體器件及其形成方法，該器件包括：具有第一摻雜類型的場截止區，該場截止區包括第一外延層，或者該場截止區包括半導體襯底以及位於該半導體襯底正面的第一外延層；位於場截止區正面上的第二外延層，第二外延層的背面與場截止區的正面貼合，第二外延層具有第一摻雜類型；IGBT器件的基區、發射區、柵介質層和柵極，形成於所述第二外延層的正面，基區具有第二摻雜類型，發射區具有第一摻雜類型；具有第二摻雜類型的集電區，位於場截止區的背面；具有第一摻雜類型的二極體接觸區，位於場截止區的背面。本發明的功率半導體器件具有開關安全工作區寬、魯棒性強以及製造成本低等優點。
【專利說明】集成續流二極體的功率半導體器件及其形成方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及IGBT器件及其製造工藝，尤其涉及一種集成續流二極體的功率半導體器件及其形成方法。
【背景技術】
[0002]絕緣柵雙極型電晶體(IGBT,Insulated Gate Bipolar Transistor)是近年來最令人注目及發展最快的一種新型電力電子器件。IGBT具有柵極高輸入阻抗、開通和關斷時具有較寬的安全工作區等特點，因此IGBT在電機驅動、電焊機、電磁爐，UPS電源等方面有很廣泛的應用。
[0003]從器件結構上來看，IGBT可以看作是MOSFET器件和PNP雙極型電晶體的複合元件，是在功率MOSFET工藝基礎上進一步優化的產物。但與MOSFET器件不同的是，常規的IGBT器件不具有可用於續流功能的寄生體二極體結構。通常，IGBT器件製造商會在器件封裝時同時將一顆續流二極體或快恢復二極體與IGBT器件封裝一起，以便客戶使用，但這無形之中增加IGBT器件廠商的生產成本。
[0004]現有技術雖然存在集成續流二極體的IGBT器件，但技術方案依然存在工藝複雜、製造成本高昂、器件應用範圍狹窄等問題。
【發明內容】
[0005]本發明要解決的技術問題是提供一種集成續流二極體的功率半導體器件及其形成方法，形成的集成續流二極體的功率半導體器件具有開關安全工作區寬、魯棒性強以及製造成本低等優點。
[0006]為解決上述技術問題，本發明提供了一種集成續流二極體的功率半導體器件，包括:
[0007]具有第一摻雜類型的場截止區，所述場截止區具有相對的正面和背面，所述場截止區包括第一外延層，或者該場截止區包括半導體襯底以及位於該半導體襯底正面的第一外延層；
[0008]位於所述場截止區正面上的第二外延層，所述第二外延層的背面與所述場截止區的正面貼合，所述第二外延層具有第一摻雜類型；
[0009]IGBT器件的基區、發射區、柵介質層和柵極，形成於所述第二外延層的正面，所述基區具有第二摻雜類型，所述發射區具有第一摻雜類型，所述第一摻雜類型和第二摻雜類型相反；
[0010]具有第二摻雜類型的集電區，位於所述場截止區的背面；
[0011]具有第一摻雜類型的二極體接觸區，位於所述場截止區的背面。
[0012]根據本發明的一個實施例，所述第一外延層的摻雜濃度不低於所述半導體襯底的摻雜濃度。
[0013]根據本發明的一個實施例，所述第一外延層的厚度為2 μ m至50 μ m,所述第一外延層的摻雜濃度為5E14cnT3至lE16cnT3。
[0014]根據本發明的一個實施例，所述半導體襯底是縱向摻雜均勻的，所述半導體襯底的摻雜濃度為lE13cnT3至lE16cnT3。
[0015]根據本發明的一個實施例，所述半導體襯底的晶向為〈100〉。
[0016]根據本發明的一個實施例，所述第二外延層的厚度為40μπι至120μπι，所述第二外延層的摻雜濃度為5E13cm_3至lE15cm_3。
[0017]根據本發明的一個實施例，所述二極體接觸區與集電區之間具有間隔。
[0018]根據本發明的一個實施例，所述二極體接觸區與集電區之間的間隔為5μπι至50 μ m0
[0019]本發明還提供了一種集成續流二極體的功率半導體器件的形成方法，包括:
[0020]提供具有第一摻雜類型的半導體襯底，所述半導體襯底具有相對的正面和背面；
[0021]在所述半導體襯底的正面生長具有第一摻雜類型的第一外延層；
[0022]在所述第一外延層上生長具有第一摻雜類型的第二外延層；
[0023]在所述第二外延層上形成IGBT器件的基區、發射區、柵介質層和柵極，所述基區具有第二摻雜類型，所述發射區具有第一摻雜類型，所述第一摻雜類型和第二摻雜類型相反；
[0024]從背面對所述半導體襯底進行減薄或者對所述半導體襯底和第一外延層進行減薄，保留的第一外延層或者所述第一外延層和保留的半導體襯底作為所述IGBT器件的場截止區；
[0025]在所述場截止區的背面分別形成第二摻雜類型的集電區和第一摻雜類型的二極體接觸區。
[0026]根據本發明的一個實施例，所述第一外延層的摻雜濃度不低於所述半導體襯底的摻雜濃度。
[0027]根據本發明的一個實施例，所述場截止區是縱向摻雜均勻的。
[0028]根據本發明的一個實施例,所述第一外延層的厚度為2 μ m至50 μ m,所述第一外延層的摻雜濃度為5E14cnT3至lE16cnT3。
[0029]根據本發明的一個實施例，所述半導體襯底是縱向摻雜均勻的，所述半導體襯底的摻雜濃度為lE13cnT3至lE16cnT3。
[0030]根據本發明的一個實施例，所述半導體襯底的晶向為〈100〉。
[0031]根據本發明的一個實施例，所述第二外延層的厚度為40μπι至120μπι，所述第二外延層的摻雜濃度為5E13cm_3至lE15cm_3。
[0032]根據本發明的一個實施例，所述二極體接觸區與集電區之間具有間隔。
[0033]根據本發明的一個實施例，所述二極體接觸區與集電區之間的間隔為5μπι至50 μ m0
[0034]與現有技術相比，本發明具有以下優點:
[0035]本發明實施例的集成續流二極體的功率半導體器件具有場截止區，該場截止區優選為雙層結構，包括相疊的半導體襯底以及位於其上的第一外延層，而且該場截止區的厚度可以較傳統的IGBT器件的場截止區更厚，如此，不僅使得IGBT器件在工作時以及在複雜工作狀態下的外加電場能夠較大程度地施加在場截止區上，從而降低了 IGBT器件正面基區底部的電場強度，而且同時還可以有效減小集成在IGBT器件體內的續流二極體的正向電流壓降以提高集成在IGBT器件體內的續流二極體的抗雪崩擊穿能力。
[0036]本發明實施例的功率半導體器件的場截止區中的第一外延層通過生長外延層的方式來形成，因而場截止區的濃度和厚度可以精確控制和調節，使得形成的功率半導體器件具有更強的魯棒性。
[0037]此外，本發明實施例的集成續流二極體的功率半導體器件中，二極體接觸區和集電區之間可以具有間隔，也就是利用場截止區將二極體接觸區和集電區隔離開，可以有效降低二極體接觸區和集電區之間的電場峰值，從而可以減小離化電流，改善IGBT器件在關斷時造成的電流震蕩對集成的續流二極體的衝擊，提高IGBT器件的安全工作範圍。
[0038]再者，本發明實施例的集成續流二極體的功率半導體器件中，集電區的面積優選為佔整個場截止區背面的面積比例可以通過光刻版圖結構進行精確的控制和調整，從而可以兼顧IGBT器件飽和壓降以及集成的續流二極體的正嚮導通壓降。
[0039]另外，本發明實施例的集成續流二極體的功率半導體器件的形成方法可以利用常規類型的半導體襯底作為工藝襯片，在半導體襯底上生長第一外延層、第二外延層，並進一步在第二外延層上形成IGBT器件的正面結構，該工藝襯片不僅具有保護作用，而且將其部分移除之後，可以在該半導體襯底的背面形成IGBT器件的背面結構。採用該形成方法，減少了傳統工藝中在器件正面結構形成後，再通過掩膜工藝以及離子注入、退火等工藝來形成場截止區的工藝步驟，降低了工藝難度，減少了製備過程中的碎片率。並且能通過外延工藝較為準確地控制場截止區的厚度以及摻雜濃度，改善集成的續流二極體的正嚮導通壓降以及抗雪崩擊穿能力。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0040]圖1是本發明實施例的集成續流二極體的功率半導體器件的剖面結構示意圖；
[0041]圖2是本發明實施例的集成續流二極體的功率半導體器件的剖面結構示意圖及其橫向和縱向電場強度分布圖；
[0042]圖3是本發明實施例的集成續流二極體的功率半導體器件中集電區佔的面積比例對器件性能的影響示意圖；
[0043]圖4是本發明實施例的集成續流二極體的功率半導體器件的形成方法的流程示意圖；
[0044]圖5至圖9是本發明實施例的集成續流二極體的功率半導體器件的形成方法中各步驟對應的剖面結構示意圖；
[0045]圖10是本發明另一實施例的集成續流二極體的功率半導體器件的剖面結構示意圖；
[0046]圖11至圖15是本發明另一實施例的集成續流二極體的功率半導體器件的形成方法中各步驟對應的剖面結構示意圖。
【具體實施方式】
[0047]下面結合具體實施例和附圖對本發明作進一步說明，但不應以此限制本發明的保護範圍。[0048]參考圖1，本實施例的集成續流二極體的功率半導體器件可以包括:場截止區NO，其具有第一摻雜類型，例如N型摻雜；位於場截止區NO正面的第二外延層202，該第二外延層202的背面和場截止區NO的正面貼合，第二外延層202的摻雜類型和場截止區NO的摻雜類型相同，例如都為N型摻雜；柵介質層203，位於第二外延層202的正面；柵極204，位於柵介質層203上；基區206，位於第二外延層202的正面、柵介質層203的一側，基區206具有第二摻雜類型，例如P型摻雜；發射區207，位於基區206內，發射區207具有第一摻雜類型，例如N型摻雜；集電區211，位於場截止區NO的背面，集電區211具有第二摻雜類型，例如P型摻雜；二極體接觸區210，位於場截止區NO的背面，二極體接觸區210具有第一摻雜類型，例如N型摻雜。
[0049]此外，該功率半導體器件還可以包括:介質層205，覆蓋柵極204以及第二外延層202的正面，介質層205上可以具有接觸孔208，該接觸孔208中填充有發射極209 ;集電極212，覆蓋場截止區NO的背面。
[0050]圖1所示的實例中，場截止區NO可以包括半導體襯底214以及位於半導體襯底214上的第一外延層201，或者，場截止區NO也可以僅包括第一外延層201。。在場截止區NO包括半導體襯底214和第一外延層201時,該半導體襯底214可以選擇常規的晶向為〈100〉的半導體襯底，以節約成本。此外，更加優選地，第一外延層201的摻雜濃度不低於半導體襯底214的摻雜濃度，也就是第一外延層201的摻雜濃度可以高於半導體襯底214的摻雜濃度或者二者相等。
[0051]場截止區NO的設置不僅使得IGBT器件在工作時以及在複雜工作狀態下的外加電場能夠較大程度地施加在場截止區NO上，從而降低了 IGBT器件正面基區206底部的電場強度，而且，可以通過調整場截止區NO的厚度以及摻雜濃度對IGBT器件中集成的續流二極體結構進行優化，改善續流二極體的正嚮導通壓降以及抗雪崩擊穿能力，使得形成的功率半導體器件具有更強的魯棒性。
[0052]作為一個優選的實施例，集電區211和二極體接觸區210之間可以具有間隔。尤其對於1200V規格的功率器件，該間隔優選為5 μ m至50 μ m。
[0053]集電區211和二極體接觸區210之間具有間隔，或者說集電區211和二極體接觸區210之間由場截止區NO隔開，可以有效改善IGBT器件在關斷時造成的電流震蕩對IGBT器件內集成的續流二極體的衝擊。
[0054]進一步而言，例如在高速直流電機驅動應用過程中，IGBT器件作為開關器件對負載電機進行控制，由於負載電機是電感性的，作為開關元件的IGBT器件在關斷時，器件的集電極與發射極之間電壓會急劇上升。如果採用二極體接觸區210和集電區211相接觸的設置方式，那麼在逆導型IGBT器件縱向下表面區域的二極體接觸區210與集電區211之間會形成一尖峰電場，該電場強度隨著集電極212與發射極209之間的電壓升高而提高。由於該電場的存在，則在二極體接觸區210與集電區211兩邊生成空穴與電子，產生出的空穴與電子在電場的作用下向兩邊運動形成離化電流。這種離化電流最終會導致IGBT器件關斷時，集電極電流與集電極電壓產生嚴重的振蕩，甚至會導致器件或電路損壞。
[0055]參考圖2，本實施例的功率半導體器件中，二極體接觸區210與集電區211通過縱向摻雜均勻的場截止區NO進行隔離，可以有效地降低在二極體接觸區210與集電區211之間的電場峰值，從而減少了離化電流，提高IGBT器件開關安全工作範圍。[0056]仍然參考圖1，作為一個優選的實施例，集電區211的面積佔場截止區NO背面總面積的比例可以通過光刻版圖結構進行精確的控制和調整，以兼顧IGBT器件飽和壓降以及集成的續流二極體的正嚮導通壓降。
[0057]參考圖1和圖3，以電壓規格為600V的某種IGBT產品為例，發明人對集電區211的面積佔場截止區NO背面總面積的比例對整個IGBT器件性能的影響進行了分析，其中Vcesat表示IGBT器件飽和壓降，而Vf表示集成的續流二極體的正嚮導通壓降，可以看出，在比例為20%?60%內時，可以兼顧IGBT器件飽和壓降以及集成的續流二極體的正嚮導通壓降。此外，通過發明人的研究發現:對於採用不同元胞結構的IGBT產品，該優選比例並非是固定不變的，以某型應用於感應加熱的IGBT產品為例，其優選比例為2%?15%。故，針對不同IGBT器件正面的元胞結構的實現方式，可以通過調整集電區211的面積佔場截止區NO的總面積的比例進行匹配，從而獲得適應不同應用環境的IGBT器件。
[0058]仍然參考圖1，作為一個優選的實施例，該第一外延層201的厚度為2μπι至
50μ m，其摻雜濃度為5E14cm_3至lE16cm_3 ;該半導體襯底214是縱向摻雜均勻的，其摻雜濃度為lE13cnT3至lE16cnT3。第二外延層202的厚度為40 μ m至120 μ m,第二外延層202的摻雜濃度為5E13cnT3至lE15cnT3。
[0059]需要說明的是，雖然以上實施例中第一摻雜類型為N型，第二摻雜類型為P型，但本領域技術人員應當理解，該摻雜類型可以互換，也就是第一摻雜類型可以是P型，第二摻雜類型可以是N型。
[0060]參考圖4，本實施例提供了一種集成續流二極體的功率半導體器件的形成方法，包括如下步驟:
[0061]步驟S11，提供具有第一摻雜類型的半導體襯底，所述半導體襯底具有相對的正面和背面；
[0062]步驟S12，在所述半導體襯底的正面生長具有第一摻雜類型的第一外延層；
[0063]步驟S13，在所述第一外延層上生長具有第一摻雜類型的第二外延層；
[0064]步驟S14，在所述第二外延層上形成IGBT器件的基區、發射區、柵介質層和柵極，所述基區具有第二摻雜類型，所述發射區具有第一摻雜類型，所述第一摻雜類型和第二摻雜類型相反；
[0065]步驟S15，從背面對所述半導體襯底進行減薄或者對所述半導體襯底和第一外延層進行減薄，保留的第一外延層或者所述第一外延層和保留的半導體襯底作為所述IGBT器件的場截止區；
[0066]步驟S16，在所述場截止區的背面分別形成第二摻雜類型的集電區和第一摻雜類型的二極體接觸區。
[0067]下面結合圖6至圖10對該形成方法進行詳細說明。
[0068]參考圖5，提供半導體襯底214。作為一個優選的實施例，該半導體襯底214可以是常規的〈100〉晶向的直拉半導體襯底，該〈100〉晶向的半導體襯底214的導電類型例如可以為N型，摻雜濃度可以為高摻雜濃度或低摻雜濃度，甚至也可以為本徵摻雜濃度。從方便工藝管理以及節約成本的角度考慮，可以選取摻雜濃度在lE13cm_3至lE16cm_3，摻雜電阻率在lohm*cm至10ohm*cm之間的直拉襯底片。
[0069]之後在半導體襯底214上生長N型摻雜的第一外延層201。該第一外延層201的厚度例如可以是2 μ m至50 μ m,摻雜濃度可以是5E14cnT3至lE16cnT3。該第一外延層201的形成方法例如可以是外延生長。
[0070]接下來，在已經生長好的第一外延層201的正面上生長N型摻雜的第二外延層202。第二外延層202可以作為IGBT器件的漂移區。該第二外延層202的摻雜濃度優選為比第一外延層201的摻雜濃度低。該第二外延層202的厚度例如可以是40 μ m至120 μ m,摻雜濃度可以是5E13cm_3至lE15cm_3。該第二外延層202的形成方法例如可以是外延生長。
[0071]之後，可以對形成的第二外延層202的表面進行清洗，例如可以採用配比為1:15的HF溶液進行清洗。清洗處理之後，可以在第二外延層202的表面生長氧化層。該氧化層的厚度例如為4000A?10000A之間，該氧化層例如可以是在氧氣或溼氧氣氛下生長形成。
[0072]之後，可以通過光刻、顯影、離子注入以及高溫退火等工藝過程，製備IGBT器件的分壓環結構。
[0073]在形成IGBT器件的分壓環結構的基礎上，可以通過光刻、顯影、離子注入以及高溫退火等工藝過程，形成IGBT器件的有源區。
[0074]關於氧化層、分壓環結構以及有源區的形成工藝，可以採用現有技術中任何適當的工藝。另外，為了清楚地示出本實施例的改進之處，上述氧化層、分壓環結構以及有源區並未在圖中示出。
[0075]參考圖6，在已經形成的IGBT器件的有源區上形成IGBT器件的柵介質層203。該柵介質層203的材料例如可以是氧化矽，其厚度例如可以是800 A至1500A之間。
[0076]之後，在柵介質層203的表面澱積多晶矽層，該多晶矽層的厚度例如可以在50 \ g 10000 之間。該多晶娃層的摻雜類型可以為N型摻雜,摻雜後的多晶娃層的電阻率可以在0.5ohm/sqrt至50ohm/sqrt之間。
[0077]接下來，可以通過光刻、顯影以及刻蝕等工藝過程，對多晶矽層進行圖形化，形成IGBT器件的柵極204。
[0078]在形成IGBT器件的柵極204的基礎上，可以利用柵極204作為自然掩蔽層，通過離子注入、高溫退火等工藝形成P型摻雜的IGBT器件的基區206。
[0079]在形成IGBT器件的基區206之後，通過光刻、顯影、離子注入以及高溫退火等工藝步驟形成N型摻雜的IGBT器件的發射區207。
[0080]在已製備的IGBT器件的發射區207以及柵極204上方澱積介質層205，介質層205的厚度可以為6000 A至15000 A之間。該介質層205的材料例如可以是硼磷矽玻璃(BPSG)。
[0081]之後，通過光刻、顯影以及刻蝕等工藝過程，在介質層205中形成接觸孔208。
[0082]接下來，在接觸孔208中填充導電材料，形成發射極電極209。例如，可以澱積鋁層，並對該鋁層進行刻蝕，形成IGBT器件的發射極電極209。
[0083]參考圖7，從半導體襯底214的背面進行減薄。減薄的方法例如可以是研磨，可以研磨至剩餘的半導體襯底214的厚度為預設的厚度。另外，也可以將半導體襯底214全部研磨去除，暴露出第一外延層201的背面或者進一步研磨該第一外延層201至預設的厚度。在圖7所示的實施例中，半導體襯底214被部分移除，場截止區NO包括保留的半導體襯底214以及第一外延層201。
[0084]參考圖8，通過光刻、顯影、選擇性離子注入以及退火等工藝過程，在場截止區NO的背面(本實施例中具體為半導體襯底214的背面)形成N型摻雜的二極體接觸區210。[0085]參考圖9，通過光刻、顯影、選擇性離子注入以及低溫退火等工藝，在場截止區NO的背面(本實施例中具體為半導體襯底214的背面)形成P型摻雜的集電區211。
[0086]優選地，該集電區211和二極體接觸區210之間具有間隔，由場截止區NO隔開。對於1200V規格的功率器件，集電區211和二極體接觸區210之間的間隔為5μπι至50μπι。
[0087]之後，在集電區211以及二極體接觸區210的下方形成集電極212。
[0088]參考圖10，圖10提供了示出了本發明的集成續流二極體的功率半導體器件的另一種實施例，該實施例所述的功率半導體器件可以包括:半導體襯底214，其具有第一摻雜類型，例如N型摻雜；位於半導體襯底214正面的第一外延層201，第一外延層201的摻雜類型也是第一摻雜類型，該半導體襯底214和第一外延層201共同作為IGBT器件的場截止區；位於第一外延層214正面的第二外延層202，該第二外延層202的背面和第一外延層201的正面貼合，第二外延層202的摻雜類型和半導體襯底214以及第一外延層201的摻雜類型相同，例如都為N型摻雜，該第二外延層202作為IGBT器件的漂移區；縱向的溝槽結構213，位於第二外延層202的體內；柵介質層203，位於溝槽結構213的內表面；柵極204，位於柵介質層203上；具有縱向分布摻雜分布的基區206,位於第二外延層202的正面、柵介質層203的兩側(或者說是溝槽結構213的兩側)，基區206具有第二摻雜類型，例如P型摻雜；發射區207，位於基區206內，發射區207具有第一摻雜類型，例如N型摻雜；集電區211，位於半導體襯底214的背面，集電區211具有第二摻雜類型，例如P型摻雜；二極體接觸區210，位於半導體襯底214的背面，二極體接觸區210具有第一摻雜類型，例如N型摻雜。
[0089]此外，該功率半導體器件還可以包括:介質層205，覆蓋柵極204以及第二外延層202的正面，介質層205上可以具 有接觸孔208，該接觸孔208中填充有發射極209 ;集電極212，覆蓋半導體襯底214的背面。
[0090]下面結合圖11至圖15對該形成方法進行詳細說明。
[0091]參考圖11，提供半導體襯底214。作為一個優選的實施例，該半導體襯底214可以是常規的〈100〉晶向的直拉半導體襯底，該〈100〉晶向的半導體襯底214的導電類型例如可以為N型，摻雜濃度可以為高摻雜濃度或低摻雜濃度。從方便工藝管理以及節約成本的角度考慮，可以選取摻雜濃度在5E14cm_3至lE16cm_3,摻雜電阻率在lohm*cm至10ohm*cm之間的直拉襯底片。
[0092]之後在半導體襯底214上生長N型摻雜的第一外延層201，並在第一外延層201上生長N型摻雜的第二外延層202。第二外延層202可以作為IGBT器件的漂移區。第一外延層201的摻雜濃度優選為不低於半導體襯底214的摻雜濃度。該第一外延層201的厚度例如為2 μ m至50 μ m,第一外延層201的摻雜濃度例如為5E14cnT3至lE16cnT3 ;該第二外延層202的厚度例如可以是40μπι至120μm，摻雜濃度可以是5E13cm-3至lE15cm-3。該第一外延層201和第二外延層202的形成方法例如可以是外延生長。
[0093]之後，可以對形成的第二外延層202的表面進行清洗，例如可以採用配比為1:15的HF溶液進行清洗。清洗處理之後，可以在第二外延層202的表面生長氧化層。該氧化層的厚度例如為4000 A~10000 A之間，該氧化層例如可以是在氧氣或溼氧氣氛下生長形成。
[0094]之後，可以通過光刻、顯影、離子注入以及高溫退火等工藝過程，製備IGBT器件的分壓環結構。
[0095]在形成IGBT器件的分壓環結構的基礎上，可以通過光刻、顯影、離子注入以及高溫退火等工藝過程，形成IGBT器件的有源區。
[0096]關於氧化層、分壓環結構以及有源區的形成工藝，可以採用現有技術中任何適當的工藝。另外，為了清楚地示出本實施例的改進之處，上述氧化層、分壓環結構以及有源區並未在圖中示出。
[0097]參考圖12，在已經形成的IGBT器件的有源區上通過光刻、顯影以及刻蝕工藝形成IGBT器件的溝槽結構213，之後，在溝槽結構213的內側壁形成柵介質層203。該柵介質層203的材料例如可以是氧化矽，其厚度例如可以是800 A至1500 A之間。
[0098]之後，在柵介質層203的表面澱積多晶矽層，該多晶矽層的厚度例如可以在5000 ιΑ至20000 A之間。該多晶娃層的摻雜類型可以為N型摻雜,摻雜後的多晶娃層的電阻率可以在0.5ohm/sqrt至50ohm/sqrt之間。
[0099]接下來，可以通過光刻、顯影以及刻蝕等工藝過程，對多晶矽層進行圖形化，形成IGBT器件的柵極204。
[0100]在形成IGBT器件的柵極204的基礎上，通過光刻、顯影、離子注入以及高溫退火等工藝形成P型摻雜的IGBT器件的基區206。
[0101]在形成IGBT器件的基區206之後，通過光刻、顯影、離子注入以及高溫退火等工藝步驟形成N型摻雜的IGBT器件的發射區207。
[0102]在已製備的IGBT器件的發射區207以及柵極204上方澱積介質層205，介質層205的厚度可以為6000 A至15000 A之間。該介質層205的材料例如可以是硼磷矽玻璃(BPSG)。
[0103]之後，通過光刻、顯影以及刻蝕等工藝過程，在介質層205中形成接觸孔208。
[0104]接下來，在接觸孔208中填充導電材料，形成發射極電極209。例如，可以澱積鋁層，並對該鋁層進行刻蝕，形成IGBT器件的發射極電極209。
[0105]參考圖13，從半導體襯底214的背面進行減薄。減薄的方法例如可以是研磨，可以研磨至保留的半導體襯底214為預設厚度。
[0106]參考圖14，通過光刻、顯影、選擇性離子注入以及退火等工藝過程，在場截止區(也就是保留的半導體襯底214以及第一外延層201)的背面形成N型摻雜的二極體接觸區210。
[0107]參考圖15，通過光刻、顯影、選擇性離子注入以及低溫退火等工藝，在場截止區(也就是保留的半導體襯底214以及第一外延層201)的背面形成P型摻雜的集電區211。
[0108]優選地，該集電區211和二極體接觸區210之間具有間隔，由場截止區隔開。對於某型1200V規格的功率器件，集電區211和二極體接觸區210之間的間隔為5 μ m至50 μ m。
[0109]之後，在集電區211以及二極體接觸區210的下方形成集電極212。
[0110]以上實施例中，第一摻雜類型為N型摻雜，第二摻雜類型為P型摻雜，但本領域【技術領域】應當理解，第一摻雜類型可以為P型摻雜，第二摻雜類型可以為N型摻雜。
[0111]採用上述實施例給出的形成方法至少具有如下優點:
[0112]1、本實施例在集成續流二極體的功率半導體器件中設置了場截止區，二極體接觸區和集電區都形成在場截止區的背面，可以有效擴展IGBT器件的開關安全工作區；
[0113]2、本實施例採用外延生長的方式來形成場截止區中的第一外延層，與傳統的逆導型IGBT器件製造工藝相比，本實施例的方案能夠形成更厚的而且縱向具有均勻摻雜濃度的場截止區，不僅可以有效降低器件在工作狀態下IGBT器件正面基區底部的電場強度，提高IGBT器件的工作強度，同時也能夠靈活的調整集成在IGBT器件體內的續流二極體的正嚮導通壓降以及抗雪崩擊穿能力；
[0114]3、與傳統的逆導型IGBT製造工藝方案相比，本實施例的方案在半導體襯底上方形成IGBT器件的場截止區以及漂移區，場截止區的摻雜濃度以及厚度能夠得到精確的控制與調整，有利於提高形成的功率器件的魯棒性；
[0115]4、與傳統的逆導IGBT製造工藝方案相比，本實施例的方案在半導體襯底上方形成IGBT器件的場截止區以及漂移區，避免了在器件正面結構形成後，再通過研磨工藝以及離子注入與退火工藝形成場截止區的工藝過程，降低了工藝難度，減少了場截止區製備過程中的碎片率；
[0116]5、與傳統的採用離子注入方式形成場截止區的IGBT製造工藝方案相比，本實施例的方案可以採用常規的〈100〉襯底片，能夠避免對襯底片的特殊需求，從而可以有效降低原材料的採購成本以及管理成本。
[0117]以上所述，僅是本發明的較佳實施例而已，並非對本發明作任何形式上的限制。因此，凡是未脫離本發明技術方案的內容，只是依據本發明的技術實質對以上實施例所做的任何簡單的修改、等同的變換，均仍屬於本發明技術方案的保護範圍內。
【權利要求】
1.一種集成續流二極體的功率半導體器件，其特徵在於，包括: 具有第一摻雜類型的場截止區，所述場截止區具有相對的正面和背面，所述場截止區包括第一外延層，或者該場截止區包括半導體襯底以及位於該半導體襯底正面的第一外延層； 位於所述場截止區正面上的第二外延層，所述第二外延層的背面與所述場截止區的正面貼合，所述第二外延層具有第一摻雜類型； IGBT器件的基區、發射區、柵介質層和柵極，形成於所述第二外延層的正面，所述基區具有第二摻雜類型，所述發射區具有第一摻雜類型，所述第一摻雜類型和第二摻雜類型相反； 具有第二摻雜類型的集電區，位於所述場截止區的背面； 具有第一摻雜類型的二極體接觸區，位於所述場截止區的背面。
2.根據權利要求1所述的集成續流二極體的功率半導體器件，其特徵在於，所述第一外延層的摻雜濃度不低於所述半導體襯底的摻雜濃度。
3.根據權利要求1所述的集成續流二極體的功率半導體器件，其特徵在於，所述第一外延層的厚度為2 μ m至50 μ m,所述第一外延層的摻雜濃度為5E14cnT3至lE16cnT3。
4.根據權利要求1所述的集成續流二極體的功率半導體器件，其特徵在於，所述半導體襯底是縱向摻雜均勻的，所述半導體襯底的摻雜濃度為lE13Cm_3至lE16cnT3。
5.根據權利要求1所述的集成續流二極體的功率半導體器件，其特徵在於，所述半導體襯底的晶向為〈100〉。
6.根據權利要求1所述的集成續流二極體的功率半導體器件，其特徵在於，所述第二外延層的厚度為40μηι至120 μ m,所述第二外延層的摻雜濃度為5E13cnT3至lE15cnT3。
7.根據權利要求1所述的集成續流二極體的功率半導體器件，其特徵在於，所述二極體接觸區與集電區之間具有間隔。
8.根據權利要求7所述的集成續流二極體的功率半導體器件，其特徵在於，所述二極體接觸區與集電區之間的間隔為5μπι至50μπι。
9.一種集成續流二極體的功率半導體器件的形成方法，其特徵在於，包括: 提供具有第一摻雜類型的半導體襯底，所述半導體襯底具有相對的正面和背面； 在所述半導體襯底的正面生長具有第一摻雜類型的第一外延層； 在所述第一外延層上生長具有第一摻雜類型的第二外延層； 在所述第二外延層上形成IGBT器件的基區、發射區、柵介質層和柵極，所述基區具有第二摻雜類型，所述發射區具有第一摻雜類型，所述第一摻雜類型和第二摻雜類型相反； 從背面對所述半導體襯底進行減薄或者對所述半導體襯底和第一外延層進行減薄，保留的第一外延層或者所述第一外延層和保留的半導體襯底作為所述IGBT器件的場截止區； 在所述場截止區的背面分別形成第二摻雜類型的集電區和第一摻雜類型的二極體接觸區。
10.根據權利要求9所述的形成方法，其特徵在於，所述第一外延層的摻雜濃度不低於所述半導體襯底的摻雜濃度。
11.根據權利要求9所述的形成方法，其特徵在於，所述第一外延層的厚度為2μ m至.50 μ m,所述第一外延層的摻雜濃度為5E14cnT3至lE16cnT3。
12.根據權利要求9所述的形成方法，其特徵在於，所述半導體襯底是縱向摻雜均勻的，所述半導體襯底的摻雜濃度為lE13cnT3至lE16cnT3。
13.根據權利要求9所述的形成方法，其特徵在於，所述半導體襯底的晶向為〈100〉。
14.根據權利要求9所述的形成方法，其特徵在於，所述第二外延層的厚度為40μπι至.120 μ m，所述第二外延層的摻雜濃度為5E13cm_3至lE15cm_3。
15.根據權利要求9所述的形成方法，其特徵在於，所述二極體接觸區與集電區之間具有間隔。
16.根據權利要求15所述的形成方法，其特徵在於，所述二極體接觸區與集電區之間白勺 1?]!?!? 5 μ m M 50 μ m。
【文檔編號】H01L29/739GK103594466SQ201310613993
【公開日】2014年2月19日 申請日期:2013年11月27日 優先權日:2013年11月27日
【發明者】顧悅吉, 聞永祥, 劉琛, 劉慧勇 申請人:杭州士蘭集成電路有限公司