一種fs-igbt的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于功率半導(dǎo)體器件技術(shù)領(lǐng)域，涉及絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)，具體涉及場截止型絕緣柵雙極型晶體管(FS-1GBT)的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)是一種MOS場效應(yīng)和雙極型晶體管復(fù)合的新型電力電子器件，它既有MOSFET易于驅(qū)動(dòng)，控制簡單的優(yōu)點(diǎn)，又有功率晶體管導(dǎo)通壓降低，通態(tài)電流大，損耗小的優(yōu)點(diǎn)，已成為現(xiàn)代電力電子電路中的核心電子元器件之一，廣泛應(yīng)用在諸如通信、能源、交通、工業(yè)、醫(yī)學(xué)、家用電器及航空航天等國民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域。IGBT的發(fā)明和應(yīng)用對(duì)電力電子系統(tǒng)性能的提升起到了極為重要的作用，自上世紀(jì)90年代以來，經(jīng)過器件結(jié)構(gòu)和制備工藝的不斷發(fā)展，商業(yè)量產(chǎn)的IGBT器件及其模塊已涵蓋電壓從370V至6500V，電流從2A至4000A的應(yīng)用范圍。
[0003]從器件漂移區(qū)結(jié)構(gòu)及其制備方法上講，IGBT經(jīng)歷了從PT(穿通型)到NPT(非穿通型)再到FS(場截止型)的發(fā)展。第一代PT型結(jié)構(gòu)元胞如圖1所示，采用P+型CZ單晶硅片作為襯底，通過在P+型CZ硅片上依次外延N型buffer層和N _漂移區(qū)，然后在N _漂移區(qū)上制備MOS結(jié)構(gòu)而成。該結(jié)構(gòu)阻斷時(shí)器件漂移區(qū)電場呈現(xiàn)類梯形分布，在一定的耐壓下器件的N—漂移區(qū)厚度較薄，正向?qū)▔航敌?；但由于作為集電區(qū)的P+襯底摻雜濃度高，厚度大，導(dǎo)致集電極發(fā)射效率過大，關(guān)斷時(shí)間長，電流拖尾現(xiàn)象明顯，致使關(guān)斷損耗很大，難以滿足高速應(yīng)用的要求。因此，通常PT型IGBT需要采用載流子壽命控制技術(shù)以減小載流子壽命，從而減小關(guān)斷時(shí)間和關(guān)斷損耗，但采用該方法后PT型IGBT器件的正向?qū)▔航党尸F(xiàn)負(fù)溫度系數(shù)，不利于并聯(lián)使用。對(duì)于PT型IGBT結(jié)構(gòu)，由于是在較厚的P+襯底上外延N型buffer層和N—漂移區(qū)，因此可獲得薄的N _漂移區(qū)厚度，容易制備中低壓的IGBT器件。
[0004]為了改善IGBT器件的性能，在PT型IGBT的基礎(chǔ)上業(yè)界提出了 NPT型IGBT結(jié)構(gòu)，元胞如圖2所示。NPT型結(jié)構(gòu)不再使用P+型襯底上外延N _層的工藝，而是直接使用N _型的FZ硅片，利用N—型FZ襯底材料作為漂移區(qū)，在N_型漂移區(qū)正面制備MOS結(jié)構(gòu)，并通過背面離子注入并退火的方式形成P型集電區(qū)。對(duì)于NPT型IGBT結(jié)構(gòu)，由于通過采用透明陽極(集電極)技術(shù)，降低了背面P型集電區(qū)的濃度和厚度，大大減小了集電極發(fā)射效率，改善了關(guān)斷損耗大的問題，通過避免使用載流子壽命控制等技術(shù)，NPT型IGBT的正向?qū)▔航禐檎郎囟认禂?shù)，使大電流并聯(lián)應(yīng)用成為可能。但由于阻斷時(shí)，NPT型結(jié)構(gòu)電場的三角形分布，在一定的耐壓下漂移區(qū)過長，導(dǎo)致導(dǎo)通電阻和關(guān)斷損耗較大，仍難以滿足高速應(yīng)用的要求。
[0005]為了進(jìn)一步改善IGBT器件的性能，結(jié)合PT型與NPT型IGBT的優(yōu)點(diǎn)，業(yè)界提出了FS (場截止)型IGBT結(jié)構(gòu)，元胞如圖3所示。FS-1GBT直接使用N—型FZ硅片，利用『型FZ襯底材料作為漂移區(qū)，在N—型漂移區(qū)正面制備MOS結(jié)構(gòu)，并通過在P型透明集電區(qū)形成之前采用擴(kuò)散或離子注入工藝引入N型FS層，從而使漂移區(qū)電場在阻斷時(shí)呈現(xiàn)類梯形分布，在一定的耐壓下大大縮短了器件的漂移區(qū)厚度，降低了正向?qū)▔航担煌瑫r(shí)通過采用透明陽極(集電極)技術(shù)，保證了導(dǎo)通壓降的正溫度特性。此外，由于FS-1GBT的P型集電區(qū)厚度小，濃度低，因此發(fā)射效率低，其拖尾電流很小，開關(guān)損耗遠(yuǎn)低于NPT型和PT型結(jié)構(gòu)，成為高速低損耗應(yīng)用的主流器件。然而，對(duì)于中低壓的FS-1GBT，如擊穿電壓為600V的FS-1GBT，其芯片厚度通常小于70um，而擊穿電壓400V的FS-1GBT，其芯片厚度僅40um。無論是采用先做正面工藝(包括正面MOS結(jié)構(gòu)和終端結(jié)構(gòu))，背部減薄后背注的方式來引入FS層和P型集電區(qū)，還是先做背面工藝(包括FS層和P型集電區(qū))，然后減薄后做正面工藝的方法，制備如此薄的芯片，制備工藝復(fù)雜、難度大，需要非常昂貴和精密的加工設(shè)備，并且硅片太薄容易導(dǎo)致硅片的變形、翹曲和碎片，硅片(晶圓)的大小受到限制、良品率低、成本高，難以實(shí)現(xiàn)商業(yè)化生產(chǎn)，并且晶圓尺寸的限制使得器件的制備難以應(yīng)用與大晶圓尺寸對(duì)應(yīng)的先進(jìn)工藝技術(shù)。此外，薄的芯片厚度也為硅片的劃片和芯片的封裝等帶來巨大的技術(shù)挑戰(zhàn)，增加工藝復(fù)雜性和難度，導(dǎo)致與晶圓制備類似的問題，即芯片太薄容易開裂、碎片，良品率低、成本高，難以實(shí)現(xiàn)商業(yè)化生產(chǎn)等。
[0006]對(duì)于中低壓的PT型IGBT器件，雖然P+型單晶襯底的電阻率很小，但為了進(jìn)一步降低厚的P+型襯底電阻對(duì)器件特性的影響，Jun Zeng提出通過背部刻槽并填充導(dǎo)電材料的制備方式，獲得如圖4所示的元胞結(jié)構(gòu)(J.Zeng, Semiconductor DevicesHaving Reduced Effective Substrate Resistivity and Associated Methods, USpatent#6104062, #7098108)。該結(jié)構(gòu)利用高電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率的金屬等材料以降低P+型襯底的導(dǎo)通電阻及熱阻，但該結(jié)構(gòu)仍為PT型結(jié)構(gòu)，P+型襯底的摻雜濃度很高，并且P +型襯底較厚，特別是在沒有背部刻槽填充的位置，對(duì)于該IGBT器件集電極注入效率高，仍需要采用載流子壽命控制等技術(shù)以獲得低的開關(guān)損耗，正向?qū)▔航党守?fù)溫度系數(shù)，因此不適用于FS-1GBT的制備。
[0007]針對(duì)中低壓FS-1GBT制備的困難，本發(fā)明提出一種制備方法以實(shí)現(xiàn)在較厚的硅片上制備FS-1GBT。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0008]本發(fā)明的目的在于提出一種在厚硅片上制備FS-1GBT的方法，用以解決中低壓FS-1GBT制備過程中，薄硅片帶來的制備工藝復(fù)雜、難度大，硅片翹曲、變形、碎片，硅片(晶圓)的大小受到限制、良品率低、成本高，難以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的問題，以及在后續(xù)晶圓的劃片和芯片的封裝中由于薄硅片帶來的巨大技術(shù)挑戰(zhàn)。
[0009]本發(fā)明解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:
[0010]一種FS-1GBT的制備方法，包括以下步驟:
[0011]第一步:選取兩片N型單晶硅片作為第一硅片和第二硅片，其中第一硅片為厚度300?500微米的輕摻雜的FZ娃，摻雜濃度為113?10 14個(gè)/cm 3，用以形成FS-1GBT的漂移區(qū)；第二硅片為厚度300?500微米的重?fù)诫s的CZ硅或FZ硅，摻雜濃度為119?10 2(1個(gè)/cm3，用以形成FS-1GBT的背部N+區(qū)；
[0012]第二步:在第一硅片的背面通過離子注入N型雜質(zhì)并退火制作FS-1GBT的N型FS層，形成的FS層的厚度為2?5微米，離子注入能量為40keV?500keV，注入劑量為113?114個(gè)/cm2，退火溫度為1150-1200°C，退火時(shí)間為60?300分鐘；
[0013]第三步:在第一硅片的背面再通過離子注入P型雜質(zhì)并退火制作FS-1GBT的P型透明集電區(qū)，形成的P型集電區(qū)的厚度為0.5?2微米，離子注入能量為30keV?lOOkeV，注入劑量為113?10 14個(gè)/cm2，退火溫度為1150-1200°c，退火時(shí)間為O?60分鐘；
[0014]第四步:采用鍵合技術(shù)將第一硅片背面與第二硅片正面鍵合在一起形成第三硅片，鍵合溫度為300?600°C，通過鍵合技術(shù)形成的第三娃片的第一娃片一側(cè)為正面，第二硅片一側(cè)為背面，即第一硅片正面為第三硅片正面，第二硅片背面為第三硅片背面；
[0015]第五步:減薄第三硅片正面至正面的原第一硅片厚度為30?80微米，即減薄漂移區(qū)；
[0016]第六步:通過多次光刻、氧化、離子注入、退火、淀積工藝在經(jīng)過減薄的第三硅片正面制作FS-1GBT的正面結(jié)構(gòu)，包括元胞MOS結(jié)構(gòu)和終端結(jié)構(gòu)等，其中，P型體區(qū)和終端場限環(huán)的結(jié)深為2?3微米，離子注入能量為40keV?120keV，注入劑量為113?10 14個(gè)/cm2，退火溫度為1100?1150C，退火時(shí)間為30?150分鐘；
[0017]第七步:減薄第三硅片背面至背面的原第二硅片厚度為50?100微米，即減薄背部N+區(qū)；
[0018]第八步:采用光刻和刻蝕，在經(jīng)過減薄后的第三硅片背面刻槽至P型透明集電區(qū)；
[0019]第九步:淀積金屬，填充溝槽并覆蓋整個(gè)第三硅片背面至厚度為2?4微米；
[0020]第十步:采用化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)平坦化背面淀積的金屬，形成集電極；
[0021]即制備得FS-1GBT。
[0022]進(jìn)一步的，所述第五步中，對(duì)于400V的FS-1GBT器件減薄后漂移區(qū)厚度為30?40微米，對(duì)于600V的FS-1GBT器件減薄后漂移區(qū)厚度為50?60微米。
[0023]進(jìn)一步的，所述第八步中，刻蝕可采用干法刻蝕、定向濕法腐蝕、激光打孔等方法，所形成的硅槽的形狀、深寬比以及在硅片上的分布根據(jù)背部N+區(qū)的厚度和刻蝕方法而改變。
[0024]進(jìn)一步的，所述第九步中，填充集電極金屬前，先淀積一層金屬阻擋層(如鈦、氮化鈦、氮化鉭等)，以防止金屬擴(kuò)散進(jìn)入硅中，所填充的金屬可以是一層金屬，也可以是多層金屬的組合，所填充的金屬可以是鎢、銅或鋁等。
[0025]進(jìn)一步的，所述第六步中，正面結(jié)構(gòu)為平面柵結(jié)構(gòu)或溝槽柵結(jié)構(gòu)。
[0026]需要說明的是，為了簡化描述，上述制備方法是以η溝道FS-1GBT器件為例來說明，但本發(fā)明同樣適用于P溝道FS-1GBT器件的制備。且上述FS-1GBT的制備方法中的工藝步驟和工藝條件可根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行增刪和調(diào)整；
[0027]本發(fā)明制備所得的FS-1GBT元胞結(jié)構(gòu)如圖5所示。當(dāng)器件正向?qū)〞r(shí)，柵極8電壓為高電位，器件表面MOS結(jié)構(gòu)溝道開啟，背部N+區(qū)11與P型透明集電區(qū)I形成的PN結(jié)J2反偏，并且刻槽填充的背部集電極金屬7短接N+區(qū)11和P型透明集電區(qū)8，因此背部N +區(qū)11不影響FS-1GBT器件的正向?qū)ㄌ匦?包括正向?qū)〞r(shí)的載流子分布)，因而也不會(huì)影響器件的關(guān)斷特性。此外，在正向?qū)〞r(shí)電流不但可以通過背部N+區(qū)11之間刻槽填充的集電極金屬7流動(dòng)，部分電子還可以擴(kuò)散透過P型透明集電區(qū)1，經(jīng)背部N+區(qū)11到達(dá)側(cè)面和下方的集電極金屬7，避免了電流集中的問題，該現(xiàn)象在FS-1GBT器件P型透明集電區(qū)I較薄和摻雜較低時(shí)更加明顯。當(dāng)器件阻斷時(shí)，柵極8電位為低電位，集電極7為高電位，正面P型體區(qū)4與NI票移區(qū)3形成的PN結(jié)Jl反偏，承受器件的耐壓，由于FS層的存在，在器件擊穿時(shí)N—漂移區(qū)3中的電場呈現(xiàn)類梯形分布。由于背部N+區(qū)11與P型透明集電區(qū)I形成的PN結(jié)J2反偏，并且刻槽填充的背部集電極金屬7短接N+區(qū)11和P型透明集電區(qū)8，因此背部N+區(qū)11不影響FS-1GBT器件的阻斷特性。
[0028]本發(fā)明的有益效果表現(xiàn)在:
[0029]本發(fā)明在整個(gè)芯片制備過程中可采用厚的硅片制備具有薄漂移區(qū)的中低壓FS-1GBT，并且最后制備獲得的所述FS-1GBT器件也具有厚的硅片厚度。本發(fā)明提供的一種FS-1GBT的制備方法可解決中低壓FS-1GBT制備過程中，薄硅片帶來的制備工藝復(fù)雜、難度大，硅片翹曲、變形、碎片，硅片(晶圓)的大小受到限制、難以使用與大尺寸晶圓對(duì)應(yīng)的先進(jìn)工藝技術(shù)、良品率低、成本高，難以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的問題，以及在后續(xù)晶圓的劃片和芯片的封裝中由于薄硅片帶來的巨大技術(shù)挑戰(zhàn)。本發(fā)明形成的IGBT為FS型，不需要采用壽命控制技術(shù)，具有與傳統(tǒng)方法獲得的FS-1GBT同樣的諸