專利名稱：：半導體裝置及其制造方法
技術領域：
：本發明涉及半導體裝置及其制造方法，具體地說，涉及具有絕緣柵型雙極晶體管及續流二極管的半導體裝置及其制造方法。
背景技術：
：近年來，從節能觀點出發，控制家電產品和工業用電力裝置等用的逆變器電路得到了廣泛應用。逆變器電路用功率半導體裝置反復使電壓或電流通斷，對功率進行控制。在這種逆變器電路中，額定電壓在300V以上，從此特性出發，主要采用絕緣柵型雙極晶體管(以下簡稱IGBT)。逆變器電路往往主要驅動感應電動機等的電感負載，在這種場合，從電感負載產生反電動勢，因此需要使該反電動勢引起的電流回流的續流二極管。通常的逆變器電路由IGBT和續流二極管反向并聯(反向導通IGBT)構成。為了達到使逆變器裝置小型化的目的，將續流二極管和IGBT集成在一起，實現單片化的半導體裝置的開發。傳統技術中，例如，在日本專利特開平06-085269號公告、特開平06-196705號公告、特開平2005-057235號公告中提出這樣的IGBT和續流二極管等形成為一體而單片化的半導體裝置。在反向導通IGBT中，在半導體襯底表面側形成絕緣柵型場效應晶體管部和續流二極管的陽極區，在背面側形成IGBT集電極區和續流二極管的陰極區。然后，在半導體襯底的背面上形成背面電極，在電氣上連接該集電極區和陰極區。傳統技術中，該背面電極具有從半導體襯底背面側依次層疊Al(鋁)、Mo(鉬)、Ni(鎳)和Au(金)的結構。該背面電極Al/Mo/Ni/Au可以與P型雜質形成良好的歐姆接觸。因此，IGBT的絕緣柵型場效應晶體管部導通時，可得到良好的導通電壓。可是，背面電極Al/Mo/Ni/Au難以與n型雜質形成良好的歐姆接觸。因此，存在續流二極管導通時導通電壓惡化的問題。另外，在反向導通IGBT上，須用電子射線、Y射線、中子射線、離子射線等輻射線照射半導體晶圓，進行壽命控制。此外，為了使背面電極Al/Mo/Ni/Au與半導體襯底的歐姆接觸良好，必須在背面電極形成后對半導體晶圓進行熱處理。但是，反向導通IGBT的半導體晶圓在背面研磨后厚度變薄。因此，若在背面電極形成后進行熱處理，由于硅與背面電極的熱膨脹系數不同，半導體晶圓會發生翹曲，存在使批量生產性能惡化的問題。
發明內容本發明的一個目的在于，提供一種不論在絕緣柵型場效應晶體管部導通時，還是續流二極管導通時，都能得到良好導通電壓的半導體裝置及其制造方法。另外，本發明的另一目的在于，提供一種難以造成熱處理翹曲的半導體裝置及其制造方法。本發明的半導體裝置具有半導體襯底、絕緣柵型雙極晶體管的絕緣柵型場效應晶體管部及第一導電型集電極區、續流二極管的第一導電型陽極區和第二導電型陰極區和背面電極。半導體襯底具有彼此相對的第一主面和第二主面。絕緣柵型場效應晶體管部在半導體襯底的第一主面上形成。陽極區在半導體襯底的第一主面上形成。集電極區在半導體襯底的笫二主面上形成。陰極區在半導體襯底的第二主面上形成。背面電極在第二主面上形成，連接集電極區和陰極區，而且具有從第二主面側依次層疊的鈦層、鎳層及金層。本發明的半導體裝置制造方法包括以下工序。首先，在半導體襯底的第一主面上形成絕緣柵型雙極晶體管的絕緣柵型場效應晶體管部和續流二極管的第一導電型陽極區。研磨與笫一主面相對的第二主面。在半導體第二主面上，形成絕緣柵型雙極晶體管的第一導電型集電^l區。在半導體笫二主面上，形成續流二極管第二導電型的陰極區。從第二主面側依次層疊鈦層、鎳層及金層，在第二主面上形成背面電極，連接集電極區和陽極區。按照本發明，由于形成鈦層，連接集電極區和陰極區，不論在絕緣柵型場效應晶體管部導通時，還是在續流二極管導通時，都可以得到良好的導通電壓。此外，由于可以得到上述良好的導通電壓，沒有必要為了使背面電極與半導體襯底的歐姆接觸良好，而在背面電極形成后進行熱處理。因此，不會由于熱處理而使半導體襯底翹曲。由于在鈦層上形成鎳層，才莫塊組裝連接背面側時，鎳層起到焊錫的作用，可以獲得良好的連4妾。另外，由于在容易氧化的鎳層上形成金層，故可防止鎳層氧化。聯系附圖，從以下對本發明的詳細說明中可以明白本發明的上述和其他目的、特征、形態和優點。圖1是概略表示本發明一實施例的半導體裝置的剖視圖；圖2是表示沿著圖1的II-II線(剖面)部分p型雜質的濃度分布圖3-圖8依次表示本發明一實施例的半導體裝置制造方法各工序的概略剖視圖。具體實施例方式以下根據本發明的實施例。參見圖1，本發明的實施例的半導體裝置具有在半導體村底20的單元區上形成的IGBT和續流二極管。半導體襯底20例如，由摻入n型雜質的硅組成，具有彼此相對的第一主面20a和笫二主面20b。該半導體襯底20厚度最好在15(^im以下。IGBT主要有半導體襯底20的rT半導體層1、p型基極區2、n+發射極區3、溝道柵極5和p型集電極區9。半導體襯底20的單元區上，在iT型半導體層的第一主面20a側上，通過擴散p型雜質選擇性地形成p型基極區2。在p型基極區2內的第一主面20a上，通過選擇性地擴散高濃度n型雜質而選擇性地形成n+型發射極區3。在半導體襯底20的第一主面20a上，形成多個溝槽4,貫穿n+型發射極區3和p型基極區2，達到n—型半導體層l。沿著各個溝槽4的內壁形成柵絕緣層6，在該溝槽4內進行填充而形成溝槽柵極5。形成該溝槽柵極5,它隔著柵絕緣層6與iT半導體層1和n+型發射極區3所夾持的p型基極區2相對。通過這些n—半導體層1、p型基極區2、n+型發射極區3及溝槽柵極5,在半導體村底20的笫一主面20a側構成IGBT的絕緣柵型場效應晶體管部。就是說，iT半導體層1及n+發射極區3起一對源極/漏極的作用，隔著柵絕緣層6,與溝槽柵極5相對的p型基極區2部分(溝槽柵極的周邊部分)起溝道作用，溝槽柵極5起控制該溝道形成的柵極作用。在半導體襯底20的單元區，在第二主面20b上，通過擴散p型雜質選擇性地形成p型集電極區9。續流二極管具有半導體襯底20的n—半導體層1、p型陰極區2和n型陰極區10。上述p型基極區2還起續流二極管陽極區的作用。半導體襯底20的單元區上，在第二主面20b上，通過擴散n型雜質，選擇性地形成n型陰極區10。相鄰地交替形成n型陰極區10與p型集電極區9。在半導體襯底20的第一主面20a上形成絕緣層7，覆蓋溝槽柵極5并露出p型基極區2和n+型發射極區3的表面。在第一主面20a上形成發射極8，與該露出的p型基極區2和n+型發射極區3表面接觸。該發射極8兼作續流二極管的陽極。在半導體襯底20的整個第二主面20b上，形成背面電極14。背面電極14在單元區上連接p型集電極區9和n型陰極區10。背面電極14從第二主面20b側依次層疊鈥(Ti)j:11、鎳(Ni)層12和金(Au)層13。從而，鈦層11連接p型集電極區9和n型陰極區10。另夕卜，形成鎳層12與鈦層11連接，形成金層13與鎳層12連接。該背面電極14既是IGBT的集電極，又是續流二極管的陰極。4太層的厚度例如最好在0.05pm以上、0.3|im以下，鎳層的厚度例如最好在0.3pm以上、2.0nm以下，金層的厚度例如最好在0.02nm以上、0.4pm以下，從而可以穩定反向導通IGBT的特性。形成護環區(未作圖示)，包圍上述包含IGBT和續流二極管的單元區的第一主面20a的外圍。該護環區是通過擴散p型雜質而形成。護環區的表面覆蓋有絕緣層7，其上形成護環電極。參照圖2,例如以從第二主面(背面)20b起的0.3pm左右的深度形成p型集電極區9，最好整個具有1.0xl019cm-3以上的峰值濃度。該p型集電極區9最好從第二主面20b起形成l.Onm以下的深度，且最好具有3.0xl019cm-3以上的峰值濃度。如本實施例這樣背面電極14為Ti/Ni/Au時，采用后述的激光退火，如圖2所示，p型集電極區9的擴散深度在1.0|Lim以下，而且峰值濃度控制在3.0xl019cm-3以上，以此使背面電極14與半導體襯底20具有良好的歐姆接觸，可以進一步防止導通電壓增大。接著，用圖1說明本實施例的IGBT的導通動作。參見圖l，為了使導通動作發生，首先在發射極8和背面電極14之間施加預定的正集電極電壓VCE，在發射極8和溝槽柵極5之間施加預定的正柵極電壓VQE,使柵極處于導通狀態。此時，從與溝槽柵極5相對的p型基極區2的部分從p型翻轉為n型而形成溝道，來自發射極8的電子通過該溝道注入iT型半導體層1。由于該電子注入，在p型集電極區9和n—型半導體層1之間形成正偏置狀態，從p型集電極區9向iT型半導體層1注入空穴。從而，n—型半導體層l的電阻大幅度降低，絕緣柵型場效應晶體管部的導通電阻大幅降低，電流容量增大。另外，在第一主面20a上形成的絕緣柵型場效應晶體管部正下方的第二主面20b上，形成p型集電極區9，從而可將注入電子和空穴的路徑,縮到最短，防止導通電阻上升。接著，用圖1說明本實施例的續流二極管的導通動作。參見圖1，在發射極8和背面電極14之間施加超過預定閾值電壓的正偏置(陽極電壓V^)。從而，從p型基極區2向n-型半導體層1注入空穴，進而從n型陰極區10注入電子，正向電壓(V》大幅度降低，有電流流過。另外，在第一主面20a上形成的續流二極管區正下方的笫二主面20b上，形成n型陰極區10。從而可以將電子和空穴的注入路徑縮到最短，防止正向電壓(V。的增加。接著，說明本實施例的半導體裝置的制造方法。參見圖3，制備從摻入了n型雜質的單晶硅形成的半導體襯底20。在此狀態下，整個半導體村底20由n-型半導體層1形成。此后，在第一主面20a上，通過在n—型半導體層1的表面上擴散p型雜質，形成護環區(圖中未示出)，包圍單元區的外圍。參照圖4，在半導體襯底20的第一主面20a上，形成IGBT絕緣柵型場效應晶體管部(p型基極區2、n+發射極區3、溝槽4、柵極絕層6、溝槽柵極5)。此時，由于絕緣柵型場效應晶體管部的p型基極區2也變為續流二極管的陽極區，所以同時還形成續流二極管陽極區2。在第一主面20a上形成絕緣層7，覆蓋溝槽柵極5和續流二極管區上部，并露出p型基極區2和n+型發射極區3的表面。參照圖5，形成發射極8而連接p型基極區2和n+型發射極區3,同時在護環區上面形成護環電極。此后，研磨半導體村底20的第二主面20b。參照圖6，通過上述研磨，將半導體襯底20例如設成150pm以下的厚度。此后，進行壽命控制處理。該壽命控制處理是通過用例如電子射線、Y射線、中子射線、離子射線等幅射線照射半導體襯底20進行的。參照圖7，在第二主面20b的單元區，例如選擇性地用25keV以上、200keV以下的加速電壓進行p型雜質的離子注入。從而，在第二主面20b上選擇性地形成p型集電極區9。參照圖8，在第二主面20b的單元區，例如選擇性地用25keV以上、200keV以下的加速電壓，選擇性地進行n型雜質的離子注入。從而，在第二主面20b上選擇性地形成n型陽極區10，與p型集電極區9相鄰。此后，通過同樣的熱處理，活化離子注入到p型集電極區9的p型雜質和離子注入到n型陽極區10的n型雜質。該活化的熱處理，例如用激光退火進行。參照圖1，從第二主面20b側依次層疊，在笫二主面20b上形成鈦層11、鎳層12和金層3，從而形成背面電極14。鈦層的厚度例如在0.05|xm以上、0.3pm以下，鎳層的厚度例如在0.3|im以上、2.0pm以下，金層的厚度例如在0.02pm以上、0.4nm以下。從而制造出特性穩定的圖1所示的反向導通IGBT。按照本實施例，由于形成4太層11而連接p型集電極區9和n型陰極區10，所以不^r絕緣柵型場效應晶體管部導通時，還是續流二極管導通時，都可獲得良好的導通電壓。另外，由于能夠獲得如上所述的良好的導通電壓，背面電極14形成后，沒有必要進行熱處理來使背面電極14和半導體襯底20獲得良好的歐姆接觸。因此，不會因熱處理而使半導體襯底20翹曲。另外，由于在鈦層11上形成鎳層12，在模塊組裝時連接背面側時，鎳層12起到焊錫的作用，故可獲得良好的連接。此外，由于在容易氧化的鎳層12上形成金層13，可以防止鎳層12氧化。通過圖5和圖6的工序的研磨，使半導體襯底20的厚度在150jim以下，可使絕緣柵型場效應晶體管部和續流二極管的導通電壓進一步改善。另外，由于通過進行壽命控制處理，可以在半導體襯底20中形成晶體缺陷(亦稱"復合中心"或"壽命控制區")，控制半導體襯底20中載流子的壽命，故可達到良好的開關特性。另外，如圖7所示，p型雜質的離子注入和圖8所示的n型雜質的離子注入，可分別通過在25keV以上、200keV以下的范圍內改變，可以控制從第二主面20b向深度方向的雜質濃度梯度。這樣，可以改善絕緣柵型場效應晶體管部和續流二極管的導通電壓。此外，能夠在圖8的工序中背面電極14形成之前進行激光退火熱處理，因此可加熱至背面電才及14的熔點以上的溫度。乂人而，可以只在第二主面20b的最表面(從第二主面20b起l.Onm以下的深度)活化高濃度p型雜質和n型雜質，可以降低形成p型集電極區9和n型陰極區IO所需要的雜質量。特別是，如圖2所示，通過將p型雜質的峰值濃度設置在3.0xl0"cm-s以上，在p型集電4l區9和背面電極14形成良好的歐姆接觸，可以防止絕緣柵型場效應晶體管部導通時導通電壓的增加。另外，p型集電極區9的p型雜質和n型陰極區10的n型雜質受到同一熱處理(例如，激光退火)而活化，與分開進行熱處理的情況相比，可省略熱處理工序，并可簡化制造工序。本發明者調查了因背面電才及14的材質、構成的不同而造成導通電壓的差異。以下就此作一說明。假定背面電極以外的制造工序與上述實施例相同，為背面電極制備以下(l)-(3)各種材質、構成而形成的IGBT。(1)從半導體襯底20的第二主面20b側依次形成了鈦層、鎳層和金層的背面電極(Ti/Ni/Au);(2)從半導體襯底20的第二主面20b側依次形成了鋁層、鈦層、鎳層和金層的背面電極(Al/Ti/Ni/Au);(3)從半導體襯底20的第二主面20b側依次形成了鋁和硅的化合物層、鈦層、鎳層和金層的背面電極(AlSi/Ti/Ni/Au)。表1表示在這些反向導通IGBT中，在同一測定條件下使額定電流通過絕緣柵型場效應晶體管部時的導通電壓(VcE(^))和使額定電流通過續流二極管時的導通電壓(VF)的比較結果。表1<table>tableseeoriginaldocumentpage12</column></row><table>從該表的結果看，絕緣柵型場效應晶體管部的發射極8和柵極5之間施加15V柵極電壓VCE時，背面電極14采用Ti/Ni/Au材質和構成時，與其他兩類背面電極的材質和構成相比可以看出，Vce一)與VF之和變低變好，特別是Vp優異。另外，背面電極14為Ti/Ni/Au時，如表1所示，背面電極14形成后，為了使歐姆接觸良好，進行熱處理與不進行處理相比，在Vce一)與Vp上幾乎沒有差別。就是說，可以看出，形成背面電極14之后，不進行上述熱處理在鈦和硅的界面上也能實現良好的歐姆接觸。因此，可在背面電極14形成之前施加壽命控制后的熱處理，從而可以解決翹曲的問題。盡管已經對本發明進行了詳細的說明，但應明白，它們僅為示例，并不起限定作用，本發明的精神和范圍只由后附的權利要求書限定。權利要求1.一種半導體裝置，設有半導體襯底(20)，具有彼此相對的第一主面(20a)和第二主面(20b)；絕緣柵型雙極晶體管的絕緣柵型場效應晶體管部，在所述半導體襯底(20)的第一主面(20a)側形成；續流二極管的第一導電型的陽極區(2)，在所述半導體襯底(20)的所述第一主面(20a)上形成；絕緣柵型雙極晶體管的第一導電型的集電極區(9)，在所述半導體襯底(20)的所述第二主面(20b)上形成；續流二極管的第二導電型的陰極區(10)，在所述半導體襯底(20)的所述第二主面(20b)上形成；以及在所述第二主面(20b)上形成的背面電極(14)，具有從所述第二主面(20b)側起依次層疊的鈦層(11)、鎳層(12)及金層(13)，連接所述集電極區(9)和所述陰極區(10)。2.權利要求1記載的半導體裝置，其特征在于所述集電極區(IO)的第一導電型雜質從所述第二主面(20b)起的擴散深度為l.Opm以下。3.—種半導體裝置的制造方法，包括如下工序在半導體襯底(20)的第一主面(20a)側形成絕緣柵型雙極晶體管的絕緣柵型場效應晶體管部和續流二極管的第一導電型的陽極區(2);研磨與所述半導體襯底(20)的第一主面(20a)相對的第二主面(20b);在所述半導體襯底(20)的第二主面(20b)上形成絕緣柵型雙極晶體管的第一導電型的集電極區(9);在所述半導體襯底(20)的笫二主面(20b)上形成所述續流二極管的第二導電型的陰極區(10);以及從所述第二主面(20b)側依次層疊鈦層(ll)、鎳層(12)及金層(13)，在所述第二主面(20b)上形成背面電極(14),將所述集電極區(9)和所述陽極區(10)連接。4.權利要求3記載的半導體裝置的制造方法，其特征在于還包括^口下工序在所述研磨后對所述半導體襯底(20)進行壽命控制處理；以及在所述壽命控制處理后、所述背面電極(14)形成前，對所述半導體襯底C20)進行熱處理。5.權利要求3記載的半導體裝置的制造方法，其特征在于形成所述集電極區(9)的工序包含將第一導電型雜質離子注入到所述半導體襯底(20)的所述笫二主面(20b)的工序；形成所述陰極區(10)的工序包含將笫二導電型雜質離子注入到所述半導體村底(20)的所述第二主面(20b)的工序。6.權利要求5記載的半導體裝置的制造方法，其特征在于所述離子注入到所述集電極區(9)的所述第一導電型雜質和所述離子注入到所述陰極區(10)的所述第二導電型雜質通過同一熱處理;波活化。7.權利要求6記載的半導體裝置的制造方法，其特征在于被離子注入到所述集電極區(9)的所述第一導電型雜質和被離子注入到所述陰極區(10)的所述第二導電型雜質的活化熱處理，用激光退火進行。全文摘要在半導體襯底(20)的第二主面(20b)上交互地形成IGBT的p型集電極區(9)和續流二極管的n型陰極區(10)。背面電極(14)在第二主面(20b)上形成，連接p型集電極區(9)和n型陰極區(10)，且從第二主面(20b)側起具有依次層疊的鈦層(11)、鎳層(12)和金層(13)。由此可實現不論在絕緣柵型場效應晶體管導通時，還是在續流二極管導通時，均可獲得良好導通電壓的半導體器件及其制造方法。文檔編號H01L27/06GK101170109SQ20071013688公開日2008年4月30日申請日期2007年7月10日優先權日2006年10月27日發明者友松佳史,鈴木健司,高橋英樹申請人:三菱電機株式會社