逆導igbt器件及製造方法

2023-11-01 10:11:57 3

專利名稱：逆導igbt器件及製造方法
技術領域：
本發明涉及一種半導體器件及其製造方法，尤其是一種逆導IGBT器件及製造方法，屬於IGBT技術領域。
背景技術：
IGBT為絕緣柵型雙極電晶體的首字母簡稱，是一種壓控型功率器件，作為高壓開關被普遍應用。傳統的IGBT在承受反壓時，集電結反偏而不能導通。逆導型IGBT就是當IGBT承受反壓時，可以允許電流從發射極流向集電極。逆導型IGBT的思想節省了晶片面積、封裝、測試費用，降低了器件成本。此外，它還具有低的損耗、良好的SOA (面向服務的體系結構，service-oriented architecture)特性、正的溫度係數，以及良好的軟關斷特性、短路特性 以及良好的功率循環特性。在實際的應用中，IGBT多用於驅動感性的負載。為了在IGBT關斷後為感性負載提供洩放電流迴路，通常在IGBT旁邊反並聯一個FRD (快恢復二極體)。實際上，目前市場上銷售的IGBT單管及模塊，多是由IGBT晶片與FRD晶片一起封裝製成的。但是這種方式一方面成本比較高，一方面系統的可靠性相對較差。逆導型IGBT就是把IGBT晶片和FRD晶片集成到一個晶片裡。在常規的逆導型IGBT製備工藝中，首先是正面工藝，包括氧化、離子注入、曝光、澱積和刻蝕等形成正面的PN結、柵電極和發射極圖形。然後是背面的減薄工藝和背面的離子注入，常規的IGBT背面都是P型參雜的，而逆導型IGBT是部分P型參雜，部分N型參雜的。在這種方法中，背面退火溫度受正面金屬Al電極能承受的最高溫度的限制，一般集電極層的最高退火溫度小於500°C。這種方法背面雜質的激活率較低，一般小於10%。雷射退火可以避免此限制獲得高的雜質激活率，然而需要昂貴的設備。和Si不同，雜質在Ge中具有較低的激活溫度，一般在300°C到550°C即可完全激活。而且Ge材料和現有的IGBT製備工藝兼容，不存在沾汙的問題。在專利US20100327314中，提出了一種採用Ge/Al作為IGBT集電極的方法，在該專利中，在背面研磨和腐蝕後，澱積一層Ge薄膜和Al薄膜，然後在300°C到450°C溫度下退火使得Al擴散到Ge中作為P型雜質。Al在Ge中的摻雜濃度的範圍為IO18 1021/cm3。這種方法可以降低製備的難度，並改善IGBT的開關特性。但該種方法由於需要背面金屬的刻蝕，如果用溼法腐蝕的話會腐蝕到正面的金屬，所以只能用幹法刻蝕的方法，對工藝要求比較聞。

發明內容
本發明的目的是克服現有技術中存在的不足，提供一種逆導IGBT器件及製造方法，實現了在較低溫度獲得較高的雜質激活率。按照本發明提供的技術方案，所述逆導IGBT器件，在所述逆導IGBT器件的截面上，包括第一導電類型漂移區，第一導電類型漂移區具有相互平行的正面和背面；所述第一導電類型漂移區內設有第二導電類型基區，第二導電類型基區由第一導電類型漂移區的正面向背面方向延伸，且第二導電類型基區的延伸距離小於第一導電類型漂移區的厚度；所述第二導電類型基區內設有第一導電類型發射區，第一導電類型發射區位於第二導電類型基區的上部，第一導電類型發射區由第一導電類型漂移區的正面向背面方向延伸；所述第一導電類型漂移區內的第二導電類型基區通過位於第一導電類型漂移區正面上的柵氧化層以及位於柵氧化層下方的第一導電類型漂移區相隔離；所述柵氧化層位於第一導電類型漂移區正面的中心區，分別與兩側的第二導電類型基區相接觸，並與兩側第二導電類型基區內相鄰的第一導電類型發射區相接觸；在所述柵氧化層上設有多晶柵，多晶柵的形狀與柵氧化層的形狀相一致；所述第二導電類型基區位於第一導電類型漂移區正面中心區的外圈，第二導電類型基區環繞多晶柵和柵氧化層；在所述第二導電類型基區上設有發射極，發射極與第二導電類型基區和該第二導電類型基區內的第一導電類型發射區相接觸，在多晶柵上設有柵電極；其特徵是在所述第一導電類型漂移區的背面設有第二導電類型集電區和第一導電類型集電摻雜區，第一導電類型集電摻雜區位於第二導電類型集電區的一側；在所述第一導電類型漂移區的背面澱積有第一集電金屬區，第一集電金屬區的一面覆蓋第二導電類型集電區，第一集電金屬區的另一面上澱積有第二集電金屬區，第二集電金屬區覆蓋第二導電類型集電區和第一導電類型集電摻雜區。 所述第一集電金屬區是由Ge澱積形成的金屬薄膜。所述第二集電金屬區為Al/Ti/Ni/Ag多層金屬。所述第一導電類型發射區的濃度大於第一導電類型漂移區的濃度。所述第二導電類型集電區的濃度大於第二導電類型基區的濃度。所述第一導電類型集電摻雜區的濃度大於第一導電類型漂移區的濃度。所述發射極和柵電極相隔離。本發明所述逆導IGBT器件結構的製造方法，其特徵是，採用如下製作過程
(1)提供具有正面和背面的第一導電類型半導體基板，在第一導電類型半導體基板的正面與背面之間為第一導電類型漂移區，在第一導電類型漂移區的正面幹氧氧化生長成一層柵氧化層；
(2)在低溫爐管內於柵氧化層的上表面生長一層多晶層並利用光刻腐蝕出柵極形狀，得到位於第一導電類型漂移區正面中心的柵氧化層和位於柵氧化層上的多晶柵，多晶柵的形狀與柵氧化層的形狀相一致；
(3)在第一導電類型漂移區的正面、環繞多晶柵和柵氧化層的區域中自對準注入第二導電類型離子，並進行熱擴散，得到第二導電類型基區；所述第二導電類型基區由第一導電類型漂移區的正面向背面方向延伸，且第二導電類型基區的延伸距離小於第一導電類型漂移區的厚度，在截面上，柵氧化層與兩側的第二導電類型基區相接觸；
(4)在第一導電類型漂移區的正面光刻出第一導電類型發射區的注入窗口，然後注入第一導電類型離子，退火後在第二導電類型基區內形成第一導電類型發射區，第一導電類型發射區的濃度大於第一導電類型漂移區的濃度，在截面上，柵氧化層與相鄰兩側的第二導電類型基區內相鄰的第一導電類型發射區相接觸；
(5)在上述第一導電類型漂移區的正面進行金屬連線製作，先在第一導電類型漂移區的正面澱積一層金屬，然後用光刻腐蝕工藝腐蝕出Al的連線形貌，在多晶柵上形成柵電極，在第二導電類型基區上形成發射極，發射極與第二導電類型基區和該第二導電類型基區內的第一導電類型發射區相接觸，發射極和柵電極不相接觸；
(6)將上述第一導電類型漂移區的背面進行減薄至所需厚度，然後在第一導致電類型漂移區的背面注入第二導電類型離子，得到第二導電類型集電區；接著在第一導電類型漂移區的背面外延或澱積一層Ge金屬薄膜，接著在該Ge金屬薄膜表面注入第二導電類型離子，得到第一集電金屬區； (7)在上述第一集電金屬區的外表面旋塗一層光刻膠並選擇性地曝光顯影，露出需要離子注入的區域；
(8)向注入離子的區域中注入第一導電類型離子形成第一導電類型集電摻雜區，第一導電類型集電摻雜區的濃度大於第一導電類型漂移區的濃度，第一導電類型集電摻雜區位於第二導電類型集電區的一側；再進行低溫激活，溫度為300 500°C，時間為10 120秒；
(9)去除第一集電金屬區外表面的光刻膠,在第一集電金屬區的外表面蒸發形成Al/Ti/Ni/Ag多層金屬，得到第二集電金屬區，第二集電金屬區覆蓋住第一集電金屬區和N+集電摻雜區；最後將N-漂移區的背面進行退火處理。所述柵氧化層的厚度為1000A。所述步驟(5)中，澱積的金屬厚度為4 μ m，澱積的金屬為Al。本發明具有以下優點(1)本發明採用離子注入，具有精確的雜質濃度控制；(2)本發明採用Ge作為第一集電金屬區的材料，在Ge/Si界面處具有大的P型摻雜濃度；(3)低溫的雜質激活，在400°C下雜質即可完全激活；(4) p-Ge具有更高的載流子遷移率，並且P-Ge具有更低的接觸勢壘，因此IGBT具有更低的導通壓降；(5)集電極透明度的控制，Ge具有更小的少數載流子壽命，在背面PN結正偏時，從N-基板注入到p-Ge中的載流子能夠更快的複合，因此IGBT具有更快的關斷速度。


圖I為本發明的結構剖視圖。圖2 圖10為本發明所述製造方法的具體工藝實施剖視圖，其中
圖2為得到柵氧化層後的結構剖視圖。圖3為得到多晶柵後的結構剖視圖。圖4為得到第二導電類型基區後的結構剖視圖。圖5為得到第一導電類型發射區後的結構剖視圖。圖6為得到發射極和柵電極後的結構剖視圖。圖7為得到第二導電類型集電區和第一集電金屬區的結構剖視圖。圖8為光刻膠曝光顯影后的結構剖視圖。圖9為得到第一導電類型集電摻雜區的結構剖視圖。圖10為得到第二集電金屬區的結構剖視圖。
具體實施例方式下面結合具體附圖對本發明作進一步說明。
如圖I 圖10所示以N型IGBT器件為例，本發明包括N-漂移區I、柵氧化層2、多晶柵3、發射極4、柵電極5、P型基區6、N+發射區7、第一集電金屬區8、N+集電摻雜區9、第二集電金屬區10、P+集電區11。如圖I、圖10所示，在所述IGBT器件的截面上，半導體基板包括N-漂移區1，N_漂移區I具有相互平行的正面和背面；所述N-漂移區I內設有P型基區6，P型基區6由N-漂移區I的正面向背面方向延伸，且P型基區6的延伸距離小於N-漂移區I的厚度；所述P型基區6內設有N+發射區7，N+發射區7位於P型基區6的上部，N+發射區7由N-漂移區I的正面向背面方向延伸，N+發射區7的濃度大於N-漂移區I的濃度；所述N-漂移區I內的P型基區6通過位於N-漂移區I正面上的柵氧化層2以及位於柵氧化層2下方的N-漂移區I相隔離；所述柵氧化層2位於N-漂移區I正面的中心區，分別與兩側的P型基區6相接觸，並與兩側P型基區6內相鄰的N+發射區7相接觸；在所述柵氧化層2上設有多晶柵3，多晶柵3的形狀與柵氧化層2的形狀相一致；所述P型基區6位於N-漂移區I正面中心區的外圈，P型基區6環繞多晶柵3和柵氧化層2 ;在所述P型基區6上設有發射極4，發射極4與P型基區6和該P型基區6內的N+發射區7相接觸，在多晶柵3上設有柵電 極5，發射極4和柵電極5不相接觸；在所述N-漂移區I的背面注入B離子形成P+集電區11，P+集電區10的濃度大於P型基區6的濃度；在所述P+集電區11的一側注入P離子形成N+集電摻雜區9，N+集電摻雜區9的濃度大於N-漂移區I的濃度；在所述N-漂移區I的背面澱積有第一集電金屬區8,第一集電金屬區8的一面覆蓋P+集電區11，第一集電金屬區8的另一面上澱積有第二集電金屬區10，第二集電金屬區10覆蓋P+集電區11和N+集電摻雜區9 ;
所述第一集電金屬區8是由Ge澱積形成的金屬薄膜；所述第二集電金屬區10為Al/Ti/Ni/Ag多層金屬；本發明採用Ge材料作為N-漂移區I背面的第一集電金屬區8的材料，可以在低溫下獲得較高的雜質激活率，因為雜質B和P在Ge中具有較低的激活溫度，一般在300°C到550°C即可完全激活。如圖2 圖10所示，上述結構的IGBT器件的製造過程如下
(1)如圖2所示，提供具有正面和背面的N型半導體基板12，在N型半導體基板12的正面與背面之間為N-漂移區1，在N-漂移區I的正面幹氧氧化生長成一層厚度1000A的柵氧化層2，柵氧化層2是十分緻密的氧化層；
(2)如圖3所示，在低溫爐管內於柵氧化層2的上表面生長一層多晶層並利用光刻腐蝕出柵極形狀，得到位於N-漂移區I正面中心的柵氧化層2和位於柵氧化層2上的多晶柵3，多晶柵3的形狀與柵氧化層2的形狀相一致；
(3)如圖4所示，在N-漂移區I的正面、環繞多晶柵3和柵氧化層2的區域中自對準注入B離子，並進行熱擴散，得到P型基區6 ;所述P型基區6由N-漂移區I的正面向背面方向延伸，且P型基區6的延伸距離小於N-漂移區I的厚度，在截面上，柵氧化層2與兩側的P型基區6相接觸；
(4)如圖5所示，在N-漂移區I的正面光刻出N+發射區7的注入窗口，然後進行高濃度As離子注入，退火後在P型基區6內形成N+發射區7，N+發射區7的濃度大於N-漂移區I的濃度，在截面上，柵氧化層2與相鄰兩側的P型基區6內相鄰的N+發射區7相接觸；
(5)如圖6所示，在上述N-漂移區I的正面進行金屬連線製作，先在N-漂移區I的正面澱積一層4 μ m厚的Al，然後用光刻腐蝕工藝腐蝕出Al的連線形貌，在多晶柵3上形成柵電極5，在P型基區6上形成發射極4，發射極4與P型基區6和該P型基區6內的N+發射區7相接觸，發射極4和柵電極5不相接觸；
(6)如圖7所示，將上述N-漂移區I的背面進行減薄至所需厚度，然後在N-漂移區I的背面注入B離子，得到P+集電區11 ;接著在N-漂移區I的背面外延或澱積一層Ge金屬薄膜，接著在該Ge金屬薄膜表面注入B離子，得到第一集電金屬區8 ;在Ge金屬薄膜表面注入B離子，從而在Ge/Si界面處具有P型摻雜；
(7)如圖8所示，在上述第一集電金屬區8的外表面旋塗一層光刻膠13並選擇性地曝光顯影，露出需要離子注入的區域；
(8)如圖9所示，向注入離子的區域中注入P離子形成N+集電摻雜區9，N+集電摻雜區9的濃度大於N-漂移區I的濃度，N+集電摻雜區9位於P+集電區11的一側；再進行低 溫激活，溫度為300 500°C，時間為10 120秒；
(9)如圖10所不,去除第一集電金屬區8外表面的光刻膠,在第一集電金屬區8的外表面蒸發形成Al/Ti/Ni/Ag多層金屬，得到第二集電金屬區10，第二集電金屬區10覆蓋住第一集電金屬區8和N+集電摻雜區9 ;最後將N-漂移區I的背面進行退火處理。
權利要求
1.一種逆導IGBT器件，在所述逆導IGBT器件的截面上，包括包括第一導電類型漂移區，第一導電類型漂移區具有相互平行的正面和背面；所述第一導電類型漂移區內設有第二導電類型基區，第二導電類型基區由第一導電類型漂移區的正面向背面方向延伸，且第二導電類型基區的延伸距離小於第一導電類型漂移區的厚度；所述第二導電類型基區內設有第一導電類型發射區，第一導電類型發射區位於第二導電類型基區的上部，第一導電類型發射區由第一導電類型漂移區的正面向背面方向延伸；所述第一導電類型漂移區內的第二導電類型基區通過位於第一導電類型漂移區正面上的柵氧化層以及位於柵氧化層下方的第一導電類型漂移區相隔離；所述柵氧化層位於第一導電類型漂移區正面的中心區，分別與兩側的第二導電類型基區相接觸，並與兩側第二導電類型基區內相鄰的第一導電類型發射區相接觸；在所述柵氧化層上設有多晶柵，多晶柵的形狀與柵氧化層的形狀相一致；所述第二導電類型基區位於第一導電類型漂移區正面中心區的外圈，第二導電類型基區環繞多晶柵和柵氧化層；在所述第二導電類型基區上設有發射極，發射極與第二導電類型基區和該第二導電類型基區內的第一導電類型發射區相接觸，在多晶柵上設有柵電極；其特徵是在所述第一導電類型漂移區的背面設有第二導電類型集電區和第一導電類型集電摻雜區，第一導電類型集電摻雜區位於第二導電類型集電區的一側；在所述第一導電類型漂移區的背面澱積有第一集電金屬區，第一集電金屬區的一面覆蓋第二導電類型集電區，第一集電金屬區的另一面上澱積有第二集電金屬區，第二集電金屬區覆蓋第二導電類型集電區和第一導電類型集電摻雜區。
2.如權利要求I所述的逆導IGBT器件，其特徵是所述第一集電金屬區是由Ge澱積形成的金屬薄膜。
3.如權利要求I所述的逆導IGBT器件，其特徵是所述第二集電金屬區為Al/Ti/Ni/Ag多層金屬。
4.如權利要求I所述的逆導IGBT器件，其特徵是所述第一導電類型發射區的濃度大於第一導電類型漂移區的濃度。
5.如權利要求I所述的逆導IGBT器件，其特徵是所述第二導電類型集電區的濃度大於第二導電類型基區的濃度。
6.如權利要求I所述的逆導IGBT器件，其特徵是所述第一導電類型集電摻雜區的濃度大於第一導電類型漂移區的濃度。
7.如權利要求I所述的逆導IGBT器件，其特徵是所述發射極和柵電極相隔離。
8.一種逆導IGBT器件結構的製造方法，其特徵是，採用如下製作過程 (1)提供具有正面和背面的第一導電類型半導體基板，在第一導電類型半導體基板的正面與背面之間為第一導電類型漂移區，在第一導電類型漂移區的正面幹氧氧化生長成一層柵氧化層； (2)在低溫爐管內於柵氧化層的上表面生長一層多晶層並利用光刻腐蝕出柵極形狀，得到位於第一導電類型漂移區正面中心的柵氧化層和位於柵氧化層上的多晶柵，多晶柵的形狀與柵氧化層的形狀相一致； (3)在第一導電類型漂移區的正面、環繞多晶柵和柵氧化層的區域中自對準注入第二導電類型離子，並進行熱擴散，得到第二導電類型基區；所述第二導電類型基區由第一導電類型漂移區的正面向背面方向延伸，且第二導電類型基區的延伸距離小於第一導電類型漂移區的厚度，在截面上，柵氧化層與兩側的第二導電類型基區相接觸； (4)在第一導電類型漂移區的正面光刻出第一導電類型發射區的注入窗口，然後注入第一導電類型離子，退火後在第二導電類型基區內形成第一導電類型發射區，第一導電類型發射區的濃度大於第一導電類型漂移區的濃度，在截面上，柵氧化層與相鄰兩側的第二導電類型基區內相鄰的第一導電類型發射區相接觸； (5)在上述第一導電類型漂移區的正面進行金屬連線製作，先在第一導電類型漂移區的正面澱積一層金屬，然後用光刻腐蝕工藝腐蝕出Al的連線形貌，在多晶柵上形成柵電極，在第二導電類型基區上形成發射極，發射極與第二導電類型基區和該第二導電類型基區內的第一導電類型發射區相接觸，發射極和柵電極不相接觸； (6)將上述第一導電類型漂移區的背面進行減薄至所需厚度，然後在第一導致電類型漂移區的背面注入第二導電類型離子，得到第二導電類型集電區；接著在第一導電類型漂移區的背面外延或澱積一層Ge金屬薄膜，接著在該Ge金屬薄膜表面注入第二導電類型離子，得到第一集電金屬區； (7)在上述第一集電金屬區的外表面旋塗一層光刻膠並選擇性地曝光顯影，露出需要離子注入的區域； (8)向注入離子的區域中注入第一導電類型離子形成第一導電類型集電摻雜區，第一導電類型集電摻雜區的濃度大於第一導電類型漂移區的濃度，第一導電類型集電摻雜區位於第二導電類型集電區的一側；再進行低溫激活，溫度為300 500°C，時間為10 120秒； (9)去除第一集電金屬區外表面的光刻膠,在第一集電金屬區的外表面蒸發形成Al/Ti/Ni/Ag多層金屬，得到第二集電金屬區，第二集電金屬區覆蓋住第一集電金屬區和N+集電摻雜區；最後將N-漂移區的背面進行退火處理。
9.如權利要求8所述的逆導IGBT器件結構的製造方法，其特徵是所述柵氧化層的厚度為ιοοοΑ。
10.如權利要求8所述的逆導IGBT器件結構的製造方法，其特徵是所述步驟(5)中，澱積的金屬厚度為4 μ m，澱積的金屬為Al。
全文摘要
本發明涉及一種逆導IGBT器件結構，包括第一導電類型漂移區，第一導電類型漂移區內設第二導電類型基區，第二導電類型基區上部設第一導電類型發射區；第二導電類型基區與第一導電類型漂移區上方設柵氧化層，在柵氧化層上設多晶柵，在多晶柵上設柵電極，在第二導電類型基區上設發射極；在、第一導電類型漂移區的背面設第二導電類型集電區和第一導電類型集電摻雜區，第一導電類型集電摻雜區位於第二導電類型集電區的一側；在所述第一導電類型漂移區的背面澱積有第一集電金屬區，第一集電金屬區的一面覆蓋第二導電類型集電區，第一集電金屬區的另一面上澱積有第二集電金屬區，第二集電金屬區覆蓋第二導電類型集電區和第一導電類型集電摻雜區。本發明實現了在較低溫度獲得較高的雜質激活率。
文檔編號H01L29/08GK102931228SQ20121047601
公開日2013年2月13日 申請日期2012年11月21日 優先權日2012年11月21日
發明者徐承福, 朱陽軍 申請人:江蘇物聯網研究發展中心