IGBT负阻问题的改善方法

摘要

本发明公开了一种IGBT负阻问题的改善方法，包括步骤：选择衬底材料并进行背面减薄。进行背面第一次N型重掺杂离子注入形成第二N型场终止层。进行热退火。完成IGBT的正面图形工艺。对衬底背面进行湿法腐蚀。进行背面第二次N型重掺杂离子注入形成第二N型场终止层。进行背面P型重掺杂离子注入形成P型注入层。进行激光退火激活。形成背面金属层。本发明能形成较厚的背面场终止层并能消除IGBT的负阻效应、提高产品的可靠性，能够现有半导体工艺兼容、工艺成本低。

权利要求

1.一种IGBT负阻问题的改善方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一、选择N型掺杂的衬底材料；对所述衬底进行背面减薄；

步骤二、对所述衬底的背面进行第一次N型重掺杂离子注入形成第一N型场终止层；

步骤三、对所述第一N型场终止层进行热退火；

步骤四、在所述衬底正面完成IGBT的正面图形工艺，所述正面图形工艺的P阱和所述第一N型场终止层之间所述衬底作为N型漂移区；

步骤五、对完成所述正面图形工艺的所述衬底背面进行湿法腐蚀，该湿法腐蚀将所述第一N型场终止层的背面去除一定厚度；

步骤六、对所述衬底的背面进行第二次N型重掺杂离子注入形成第二N型场终止层，所述第二N型场终止层的结深浅于所述第一N型场终止层的结深，由所述第一N型场终止层和所述第二N型场终止层组成IGBT的场终止层，通过所述第一N型场终止层来提高所述场终止层的厚度，通过所述第二N型场终止层来消除所述正面图形工艺过程中引入到所述衬底背面的杂质对后续形成的P型注入层的影响；

步骤七、对所述衬底的背面进行P型重掺杂离子注入形成所述P型注入层，所述P型注入层位于所述第二N型场终止层背面并由所述P型注入层组成IGBT的集电区；

步骤八、对所述第二N型场终止层和所述P型注入层进行激光退火激活；

步骤九、在所述衬底的背面形成背面金属层。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤二所述第一次N型重掺杂离子注入的注入剂量为2E13cm-2～3E13cm-2，注入能量为1.5MeV。

3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于：步骤三中对所述第一N型场终止层的热退火的温度为1200℃，时间为1200分钟。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤五中所述湿法腐蚀将所述第一N型场终止层的背面去除的厚度为3微米～5微米。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤六所述第二次N型重掺杂离子注入的注入剂量为1E12cm-2～3E12cm-2，注入能量为450KeV。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤七中所述P型注入层的所述P型重掺杂离子注入的注入剂量为1E13cm-2～2E13cm-2，注入能量为40KeV。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤八所述激光退火的激光照射量为2.5J/cm2。

8.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述N型漂移区厚度由步骤一中的背面减薄工艺确定，IGBT的工作电压越高，所述N型漂移区的厚度越大、掺杂浓度越小。

9.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述正面图形工艺包括元胞区和耐压保护区。

10.如权利要求9所述的方法，其特征在于：所述元胞区形成有IGBT的单元结构，所述IGBT的单元结构包括：多晶硅栅，所述多晶硅栅和所述P阱之间隔离有栅氧化层；

发射区，由形成于所述P阱表面的N型重掺杂区组成，被所述多晶硅栅覆盖的所述P阱表面用于形成连接所述发射区和所述N型漂移区的沟道；

P阱引出区，由P型重掺杂区组成；所述P阱引出区穿过所述发射区进入到所述P阱中，所述P阱引出区同时和所述发射区和所述P阱接触；

正面金属层，栅极和发射极分别由正面金属层组成，栅极通过接触孔和所述多晶硅栅接触，发射极通过接触孔和所述P阱引出区接触。

说明书

IGBT负阻问题的改善方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种半导体集成电路制造方法，特别是涉及一种IGBT负阻问题的改善方法。

背景技术

[0002] 绝缘栅双极型晶体管(IGBT，Insulated Gate Bipolar Transistor)，是由双极型三极管(BJT)和绝缘栅型场效应管(MOSFET)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件,兼有MOSFET的高输入阻抗和电力晶体管(GTR)即耐高电压、大电流的双极结型晶体管的低导通压降两方面的优点。非常适合应用于直流电压为600V及以上的变流系统如交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域。

[0003] 对于高压IGBT工艺来讲，能够形成较厚背面N+缓冲层对于IGBT产品的性能提升有重大的意义。目前业界有较多的厚N+缓冲层的形成方法，但是和一般半导体集成电路制造工厂(FAB)的工艺常常不兼容，需要另外新建FAB来生产。

[0004] 如图1所示，现有方法形成的IGBT的结构示意图；现有方法中通过在N型掺杂的衬底材料如硅衬底101的正面形成正面图形之前，对衬底101进行背面减薄，并进行注入、退火推阱的方法形成厚度为10微米～20微米的缓冲层即N型场终止层110。形成N型场终止层110之后才进行正面图形工艺，所述正面图形工艺包括元胞区和耐压保护区，耐压保护区围绕在元胞区的周侧。所述元胞区形成有IGBT的单元结构，所述IGBT的单元结构包括：

[0005] P阱104，P阱104形成在衬底101的正面。

[0006] 多晶硅栅102，所述多晶硅栅102和所述P阱104之间隔离有栅氧化层103。

[0007] 发射区105，由形成于所述P阱104表面的N型重掺杂区组成，被所述多晶硅栅102覆盖的所述P阱104表面用于形成连接所述发射区105和所述N型漂移区的沟道。发射区105也即IGBT中的MOS器件的源区。

[0008] P阱引出区105，由P型重掺杂区组成；所述P阱引出区105穿过所述发射区105进入到所述P阱104中，所述P阱引出区105同时和所述发射区105和所述P阱104接触。

[0009] 正面金属层109，栅极和发射极分别由正面金属层109组成，栅极通过穿过层间膜107的接触孔108和所述多晶硅栅102接触，发射极通过接触孔108和所述P阱引出区105接触。

[0010] 正面图形工艺完成之后，进行背面P型重掺杂离子注入形成P型注入层111,由所述P型注入层111组成IGBT的集电区；对所述P型注入层111进行激光退火激活；并在所述衬底101的背面形成背面金属层112，背面金属层112作为集电极。

[0011] 现有方法的缺点是，在形成N型场终止层110之后的正面图形工艺过程中，背面非常容易引入杂质，导致背面P型注入不均匀，即P型注入层111的掺杂会不均匀，这会使得产品出现Vcesat负阻的问题，Vcesat为集电极和发射极饱和电压。图2是图1所示IGBT的Vcesat曲线201；横坐标为Vcesat，纵坐标是Ic，Ic为集电极电流；可以看出曲线201的虚线202所对应区域中存在电流增大而电压会减小的负阻现象，原因是P型注入层111的掺杂会不均匀时，IGBT开启后，在Vce即集电极和发射极电压较小时，各位置处的P型注入层111注入到漂移区中的空穴效率会不均匀，随着Vce的增加当各位置处的P型注入层111都开始进行空穴注入并导通时会对漂移区进行电导调制而使漂移区的导通电阻降低、集电极电流增加从而输出负阻效应。

[0012] 负阻效应的出现会最终导致动态测试关断失效，如图3所示，是图1所示IGBT的动态曲线；曲线203为栅极电压即Vg曲线、曲线204为Ic曲线、曲线205为Vce曲线，虚线206所示区域对应于关断时的过程，可以看出Vg降低为低电平后，Ic并没有降低、Vce也并没有上升，所以关断失效。

发明内容

[0013] 本发明所要解决的技术问题是提供一种IGBT负阻问题的改善方法，能形成较厚的背面场终止层并能消除IGBT的负阻效应、提高产品的可靠性，能够现有半导体工艺兼容、工艺成本低。

[0014] 为解决上述技术问题，本发明提供的IGBT负阻问题的改善方法包括如下步骤：

[0015] 步骤一、选择N型掺杂的衬底材料；对所述衬底进行背面减薄。

[0016] 步骤二、对所述衬底的背面进行第一次N型重掺杂离子注入形成第一N型场终止层。

[0017] 步骤三、对所述第一N型场终止层进行热退火。

[0018] 步骤四、在所述衬底正面完成IGBT的正面图形工艺，所述正面图形工艺的P阱和所述第一N型场终止层之间所述衬底作为N型漂移区。

[0019] 步骤五、对完成所述正面图形工艺的所述衬底背面进行湿法腐蚀，该湿法腐蚀将所述第一N型场终止层的背面去除一定厚度。

[0020] 步骤六、对所述衬底的背面进行第二次N型重掺杂离子注入形成第二N型场终止层，所述第二N型场终止层的结深浅于所述第一N型场终止层的结深，由所述第一N型场终止层和所述第二N型场终止层组成IGBT的场终止层，通过所述第一N型场终止层来提高所述场终止层的厚度，通过所述第二N型场终止层来消除所述正面图形工艺过程中引入到所述衬底背面的杂质对后续形成的P型注入层的影响。

[0021] 步骤七、对所述衬底的背面进行P型重掺杂离子注入形成所述P型注入层，所述P型注入层位于所述第二N型场终止层背面并由所述P型注入层组成IGBT的集电区。

[0022] 步骤八、对所述第二N型场终止层和所述P型注入层进行激光退火激活。

[0023] 步骤九、在所述衬底的背面形成背面金属层。

[0024] 进一步的改进是，步骤二所述第一次N型重掺杂离子注入的注入剂量为2E13cm-2～-23E13cm ，注入能量为1.5MeV。

[0025] 进一步的改进是，步骤三中对所述第一N型场终止层的热退火的温度为1200℃，时间为1200分钟。

[0026] 进一步的改进是，步骤五中所述湿法腐蚀将所述第一N型场终止层的背面去除的厚度为3微米～5微米。

[0027] 进一步的改进是，步骤六所述第二次N型重掺杂离子注入的注入剂量为1E12cm-2～3E12cm-2，注入能量为450KeV。

[0028] 进一步的改进是，步骤七中所述P型注入层的所述P型重掺杂离子注入的注入剂量为1E13cm-2～2E13cm-2，注入能量为40KeV。

[0029] 进一步的改进是，步骤八所述激光退火的激光照射量为2.5J/cm2。

[0030] 进一步的改进是，所述N型漂移区的掺杂浓度由步骤一中所选择的所述衬底的掺杂浓度确定，所述N型漂移区厚度由步骤一中的背面减薄工艺确定，IGBT的工作电压越高，所述N型漂移区的厚度越大、掺杂浓度越小。

[0031] 进一步的改进是，所述正面图形工艺包括元胞区和耐压保护区。

[0032] 进一步的改进是，所述元胞区形成有IGBT的单元结构，所述IGBT的单元结构包括：

[0033] 多晶硅栅，所述多晶硅栅和所述P阱之间隔离有栅氧化层。

[0034] 发射区，由形成于所述P阱表面的N型重掺杂区组成，被所述多晶硅栅覆盖的所述P阱表面用于形成连接所述发射区和所述N型漂移区的沟道。

[0035] P阱引出区，由P型重掺杂区组成；所述P阱引出区穿过所述发射区进入到所述P阱中，所述P阱引出区同时和所述发射区和所述P阱接触。

[0036] 正面金属层，栅极和发射极分别由正面金属层组成，栅极通过接触孔和所述多晶硅栅接触，发射极通过接触孔和所述P阱引出区接触。

[0037] 本发明方法通过在正面图形工艺前进行对衬底进行背面减薄、注入、退火推阱的方法能形成较厚的第一N型场终止层，从而能场终止层的厚度需要、保证产品的性能；通过在正面图形工艺之后，对第一N型场终止层进行一定厚度的湿法腐蚀并进行背面注入形成较薄的第二N型场终止层，能够消除正面图形工艺过程中引入到第一N型场终止层的背面杂质，从而能使后续的P型注入均匀，消除负阻效应，并提高产品的可靠性。

[0038] 另外，本发明方法的工艺都能够现有半导体工艺兼容，所以能够在现有FAB中生产，不需要另外新建FAB来生产，工艺成本低。

附图说明

[0039] 下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：

[0040] 图1是现有方法形成的IGBT的结构示意图；

[0041] 图2是图1所示IGBT的Vcesat曲线；

[0042] 图3是图1所示IGBT的动态曲线；

[0043] 图4是本发明实施例方法流程图；

[0044] 图5是本发明实施例方法形成的IGBT的结构示意图；

[0045] 图6是图5所示IGBT的Vcesat曲线；

[0046] 图7是图6所示IGBT的动态曲线。

具体实施方式

[0047] 如图4所示，是本发明实施例方法流程图；如图5所示，是本发明实施例方法形成的IGBT的结构示意图；本发明实施例IGBT负阻问题的改善方法包括如下步骤：

[0048] 步骤一、选择N型掺杂的衬底1如硅衬底材料；对所述衬底1进行背面减薄。

[0049] 所述N型漂移区的掺杂浓度由步骤一中所选择的所述衬底1的掺杂浓度确定，所述N型漂移区厚度由步骤一中的背面减薄工艺确定，IGBT的工作电压越高，所述N型漂移区的厚度越大、掺杂浓度越小。

[0050] 在较佳实施例一中，所形成的器件的工作电压为3300V，所述衬底1的电阻率为220欧姆·厘米～280欧姆·厘米，所述衬底1减薄后的厚度为530微米～570微米。

[0051] 在较佳实施例二中，所形成的器件的工作电压为4500V，所述衬底1的电阻率为380欧姆·厘米～480欧姆·厘米，所述衬底1减薄后的厚度为530微米～570微米。

[0052] 在较佳实施例三中，所形成的器件的工作电压为4500V，所述衬底1的电阻率为600欧姆·厘米～700欧姆·厘米；所述衬底1减薄后的厚度为670微米～750微米，所述衬底1也能不减薄。

[0053] 步骤二、对所述衬底1的背面进行第一次N型重掺杂离子注入形成第一N型场终止层10。所述第一次N型重掺杂离子注入的注入剂量为2E13cm-2～3E13cm-2，注入能量为1.5MeV。

[0054] 步骤三、对所述第一N型场终止层10进行热退火。对所述第一N型场终止层10的热退火的温度为1200℃，时间为1200分钟。

[0055] 步骤四、在所述衬底1正面完成IGBT的正面图形工艺，所述正面图形工艺的P阱4和所述第一N型场终止层10之间所述衬底1作为N型漂移区。

[0056] 所述正面图形工艺包括元胞区和耐压保护区，所述耐压保护区围绕在所述元胞区的周侧。所述元胞区形成有IGBT的单元结构，所述IGBT的单元结构包括：

[0057] 多晶硅栅2，所述多晶硅栅2和所述P阱4之间隔离有栅氧化层3。

[0058] 发射区5，由形成于所述P阱4表面的N型重掺杂区组成，被所述多晶硅栅2覆盖的所述P阱4表面用于形成连接所述发射区5和所述N型漂移区的沟道。

[0059] P阱引出区6，由P型重掺杂区组成；所述P阱引出区6穿过所述发射区5进入到所述P阱4中，所述P阱引出区6同时和所述发射区5和所述P阱4接触；

[0060] 正面金属层9，栅极和发射极分别由正面金属层9组成，栅极通过穿过层间膜7的接触孔8和所述多晶硅栅2接触，发射极通过接触孔8和所述P阱引出区6接触。

[0061] 步骤五、对完成所述正面图形工艺的所述衬底1背面进行湿法腐蚀，该湿法腐蚀将所述第一N型场终止层10的背面去除一定厚度。所述湿法腐蚀将所述第一N型场终止层10的背面去除的厚度为3微米～5微米。

[0062] 步骤六、对所述衬底1的背面进行第二次N型重掺杂离子注入形成第二N型场终止层13，所述第二N型场终止层13的结深浅于所述第一N型场终止层10的结深，由所述第一N型场终止层10和所述第二N型场终止层13组成IGBT的场终止层，通过所述第一N型场终止层10来提高所述场终止层的厚度，通过所述第二N型场终止层13来消除所述正面图形工艺过程中引入到所述衬底1背面的杂质对后续形成的P型注入层11的影响。所述第二次N型重掺杂-2 -2离子注入的注入剂量为1E12cm ～3E12cm ，注入能量为450KeV。

[0063] 步骤七、对所述衬底1的背面进行P型重掺杂离子注入形成所述P型注入层11，所述P型注入层11位于所述第二N型场终止层13背面并由所述P型注入层11组成IGBT的集电区。所述P型注入层11的所述P型重掺杂离子注入的注入剂量为1E13cm-2～2E13cm-2，注入能量为40KeV。

[0064] 步骤八、对所述第二N型场终止层13和所述P型注入层11进行激光退火激活；

[0065] 步骤九、在所述衬底1的背面形成背面金属层12。

[0066] 如图6所示，是图5所示IGBT的Vcesat曲线301；横坐标为Vcesat，纵坐标是Ic，和曲线201比较可知，本发明实施例的曲线301中不存在负阻效应。

[0067] 图7是图6所示IGBT的动态曲线，曲线302为栅极电压即Vg曲线、曲线303为Ic曲线、曲线304为Vce曲线，可以看出，关断时Vg从高电平降低为低电平后，Ic降低、Vce上升，关断正确。比较图7和图3可知，本发明实施例消除了现有方法形成的IGBT的动态测试关断失效的缺陷。

[0068] 以上通过具体实施例对本发明进行了详细的说明，但这些并非构成对本发明的限制。在不脱离本发明原理的情况下，本领域的技术人员还可做出许多变形和改进，这些也应视为本发明的保护范围。