公开/公告号CN104716040A
专利类型发明专利
公开/公告日2015-06-17
原文格式PDF
申请/专利权人 上海华虹宏力半导体制造有限公司;
申请/专利号CN201310684374.5
发明设计人 李娜;
申请日2013-12-13
分类号
代理机构上海浦一知识产权代理有限公司;
代理人高月红
地址 201203 上海市浦东新区张江高科技园区祖冲之路1399号
入库时间 2023-12-18 09:28:35
法律状态公告日
法律状态信息
法律状态
2017-08-08
授权
授权
2015-07-15
实质审查的生效 IPC(主分类):H01L21/331 申请日:20131213
实质审查的生效
2015-06-17
公开
公开
技术领域
本发明涉及一种IGBT(绝缘栅双极晶体管)器件的制作方法,特别是涉及一种有效降低 功耗的IGBT器件的制作方法。
背景技术
IGBT(绝缘栅双极晶体管),是在VDMOS的基础上,在其承受高压的N-base飘移区(N 型IGBT的N-层)之下增加一层P型薄层,引入了电导调制效应,从而大大提高了器件的电 流处理能力。此类IGBT称为NPT型IGBT,即非穿通型IGBT。
对于NPT型IGBT(绝缘栅双极晶体管),为了实现高耐压的要求,需要一定厚度的低浓 度N-base区,而N-base的低浓度决定了一定的导通压降,器件的性能受到限制。
为了解决这个矛盾,在背面P型层与N-base区之间增加了一层N型缓冲层,为了实现此 N型缓冲层,一般的技术是通过背面的离子注入与炉管退火形成,但此技术存在激活效率不 高的问题,使得N型缓冲层的浓度与深度都难以达到要求,对器件性能的改善作用较小。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种有效降低功耗的IGBT(绝缘栅双极晶体管)器件的 制作方法。该方法采用背面离子注入与激光退火,并且控制P型集电极层与N型缓冲层达到 一定的浓度与深度分布,使得器件性能得到优化。
为解决上述技术问题,本发明的有效降低功耗的IGBT器件的制作方法,包括步骤:
1)在完成IGBT的正面工艺后,对晶圆的背面进行减薄,然后,通过对减薄的背面进行 施主杂质离子注入掺杂,形成作为场终止作用(Field-Stop)的N型缓冲层;
2)对背面进行受主杂质离子注入掺杂,形成P型集电极层;
3)对背面进行激光退火,激活背面注入的N型缓冲层与P型集电极层。
所述步骤1)中,施主杂质离子注入的条件如下:
注入次数可为一次以上;注入的离子包括:磷;注入能量为400~500KeV;注入剂量记 为M,该M的范围为:3×1011cm-2≦M≦1×1013cm-2;
步骤1)中,进行施主杂质离子注入掺杂后,还需进行激光退火,其中,激光退火的条 件如下:
通过两束激光交替照射进行,激光波长500nm~600nm,激光能量1.9J~3.0J,两束激光 的延迟时间为0.5~1.6微秒。
激光退火后的N型缓冲层的浓度不低于1×1015cm-3且需要大于15倍的N型衬底(N-base 区)浓度。
另外,步骤1)中,进行一次施主杂质离子注入和激光退火,形成N型缓冲层注入时, 可形成深度在0.2~1.0μm之间的且浓度变化不超过10%的N型缓冲层以及形成深度在1.0~ 2.0μm之间的且2.0μm处的浓度等于N型衬底(N-base区)浓度的N型缓冲层;
进行二次施主杂质离子注入和激光退火,形成N型缓冲层注入时,可形成深度在0.2~ 0.4μm之间的且在0.4μm处的浓度超过2倍的0.8μm处的浓度的N型缓冲层、深度在0.4~ 1.7μm之间的且在1.7μm处的浓度满足不高于1×1016cm-3的N型缓冲层;以及深度在1.7~ 2.0μm之间的且2.0μm处的浓度等于N型衬底(N-base区)浓度的N型缓冲层。
所述步骤2)中,受主杂质离子注入的条件如下:
注入次数为一次注入;注入的离子包括:硼或者二氟化硼;注入能量为10~30KeV;注 入剂量记为Y,该Y的范围为:5×1012cm-2≦Y≦1×1014cm-2,即注入的浓度范围(表面的浓 度范围)控制在2×1016cm-3~2×1018cm-3之间且不低于10倍的N型缓冲层的浓度,并且至 0.15~0.3μm的PN结交界处,浓度达到最低点。
步骤2)中,P型集电极层的深度为0.15~0.3μm。
所述步骤3)中,激光退火的条件如下:
通过两束激光交替照射进行,激光波长500nm~600nm,激光能量1.9J~3.0J,两束激光 的延迟时间为0.5~1.6微秒。
本发明通过背面高能离子注入形成背面N型缓冲层以及通过背面低能量离子注入的方式 形成背面P型集电极层,再通过激光退火的方式形成P型集电极层与N型缓冲层的激活,实 现表面较高浓度的P型集电极层,与浓度由平缓到逐渐降低的N型缓冲层的浓度梯度,从而 有效地降低了IGBT器件的功耗,缩小了器件尺寸,使得IGBT器件性能得到很好的优化。
因此,本发明在保证耐压等参数的基础上实现了更薄的N-base区,从而降低了器件的导 通压降,实现了其耐压与导通压降的更佳的“优值”匹配,并且由于其电流密度的提高,使得 其器件尺寸可以相应的缩小,实现了其成本的降低。
附图说明
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细的说明:
图1是沟槽栅场终止型IGBT正面工艺完成后的结构示意图;
图2是沟槽栅场终止型IGBT背面减薄后的结构示意图;
图3是沟槽栅场终止型IGBT背面施主杂质离子注入示意图;
图4是沟槽栅场终止型IGBT背面受主杂质离子注入示意图;
图5是沟槽栅场终止型IGBT背面激光退火激活注入的施主与受主杂质离子示意图;
图6是沟槽栅场终止型IGBT背面金属化示意图;
图7是平面栅场终止型IGBT正面工艺完成后的结构示意图;
图8是平面栅场终止型IGBT背面减薄后的结构示意图;
图9是平面栅场终止型IGBT背面施主杂质离子注入示意图;
图10是平面栅场终止型IGBT背面受主杂质离子注入示意图;
图11是平面栅场终止型IGBT背面激光退火激活注入的施主与受主杂质离子示意图;
图12是平面栅场终止型IGBT背面金属化示意图;
图13是背面P型集电极与场终止作用的N型缓冲层的SRP形貌示意图;其中,A线表 示:一次硼注入+两次磷注入;B表示:一次硼注入+一次磷注入。
图中附图标记说明如下:
11为N型衬底,1为减薄的N型衬底,2为N型缓冲层,3为轻掺杂P阱,4为重掺杂 P型,5为N+发射极,6为沟槽栅极,61为平面栅极,7为层间介质(ILD),8为第一金属, 9为P型集电极,10为第二金属,12为激光退火。
具体实施方式
实施例1
本实施例中的有效降低功耗的沟槽(Trench)栅场终止型IGBT的制作方法,包括步骤:
1)按照常规工艺进行IGBT的正面工艺
准备一片气相掺杂或者中子辐照的轻掺杂衬底材料,该衬底材料根据不同的IGBT器件 耐压要求选择不同的掺杂浓度或者电阻率。对衬底材料进行正面IGBT工艺的制作,主要工 艺包括:耐压环与场版的制作、Trench沟槽栅的制作、导通沟道以及P型层的制作、发射极 或者源区的制作、正面接触孔、金属、钝化层的制作,从而完成IGBT的正面工艺(如图1 所示);
2)在完成IGBT的正面工艺后,将晶圆反转,对晶圆的背面进行减薄(如图2所示), 并且进行背面硅腐蚀,使得背面表面平整,其中,减薄厚度根据不同的耐压等级决定;
然后,通过对减薄的背面进行高能量的施主杂质离子注入掺杂,形成作为场终止作用的 N型缓冲层2(如图3所示);
其中,施主杂质离子注入的条件如下:
注入次数可为一次以上(如一次或两次);注入的离子可为磷;注入能量为400~500KeV; 注入剂量记为M,该M的范围为:3×1011cm-2≦M≦1×1013cm-2;
本步骤中,进行施主杂质离子注入掺杂后,还需进行激光退火,其中,激光退火的条件 如下:
通过两束激光交替照射进行,激光波长500nm~600nm,激光能量1.9J~3.0J,两束激光 的延迟时间为0.5~1.6微秒。
激光退火后的N型缓冲层的浓度不低于1×1015cm-3且需要大于15倍的N型衬底(N-base 区)浓度。
例如,该N型缓冲层2的注入能量采用450KeV的注入可形成2μm的结深。
该N型缓冲层2的形貌根据不同IGBT器件应用的要求以及成本方面的考虑,可以通过 一次或两次注入形成,具体如下:
I、一次注入可形成深度在0.2~1.0μm之间的、满足不低于1×1015cm-3且需要大于15倍 的N型衬底(N-base区)浓度要求的浓度、并且浓度变化不超过10%的N型缓冲层2;以及
深度在1.0~2.0μm之间的、由1.0μm处的浓度满足不低于1×1015cm-3且大于15倍的 N-base区浓度的要求降低到2.0μm处的浓度等于N-base区浓度的N型缓冲层2。
II、两次注入可形成深度在0.2~0.4μm之间的、由0.2μm处的满足不低于1×1016cm-3的 要求的浓度升高到0.4μm处的浓度超过2倍的0.8μm处的浓度的N型缓冲层2;和
深度在0.4~1.7μm之间的、由0.4μm处的浓度满足超过2倍的0.8μm处的浓度的要求且 0.8μm处的浓度满足不低于1×1016cm-3的要求降低到1.7μm处的浓度满足不高于1×1016cm-3且不低于1×1015cm-3且大于15倍的N-base区浓度的要求的N型缓冲层2;以及
深度在1.7~2.0μm之间的、由1.7μm处的浓度满足不高于1×1016cm-3且不低于1×1015cm-3且大于15倍的N-base区浓度的要求降低到2.0μm处的浓度等于N-base区浓度的N型缓冲层 2。
3)对背面进行低能量的受主杂质离子注入掺杂,形成深度为0.15~0.3μm的P型集电极 层9(如图4所示);
其中,受主杂质离子注入的条件如下:
注入次数为一次注入;注入的离子可为硼或者二氟化硼;注入能量为10~30KeV;注入 剂量记为Y,该Y的范围为:5×1012cm-2≦Y≦1×1014cm-2,即注入的浓度范围(表面的浓度 范围)控制在2×1016cm-3~2×1018cm-3之间且不低于10倍的N型缓冲层2的浓度,并且至0.15~ 0.3μm的PN结交界处,浓度达到最低点。
4)对背面进行激光退火12,激活背面注入的N型缓冲层与P型集电极层(如图5所示)。
其中,激光退火12的条件如下:
通过两束激光交替照射进行,激光波长500nm~600nm,激光能量1.9J~3.0J,两束激光 的延迟时间为0.5~1.6微秒。
通过该激光退火12工艺的调节控制和P型集电极层9与N型缓冲层2注入工艺的调节 控制,得到如前描述的P型集电极层9与N型缓冲层2的深度与浓度形貌。
然后,按照常规工艺,完成背面金属化工艺,形成背面集电极的金属接触(如图6所示)。
实施例2
本实施例中的有效降低功耗的平面(Planar)栅场终止型IGBT器件的制作方法,包括步 骤:
1)按照常规工艺进行IGBT的正面工艺
准备一片气相掺杂或者中子辐照的轻掺杂衬底材料,该衬底材料根据不同的IGBT器件 耐压要求选择不同的掺杂浓度或者电阻率。对衬底材料进行正面IGBT工艺的制作,主要工 艺包括:耐压环与场版的制作、平面栅极的制作、导通沟道以及P型层的制作、发射极或者 源区的制作、正面接触孔、金属、钝化层的制作(如图7所示);
2)在完成IGBT的正面工艺后,将晶圆反转,对晶圆的背面进行减薄(如图8所示), 并且进行背面硅腐蚀,使得背面表面平整,其中,减薄厚度根据不同的耐压等级决定;
然后,通过对减薄的背面进行高能量的施主杂质离子注入掺杂,形成作为场终止作用的 N型缓冲层2(如图9所示);
其中,施主杂质离子注入的条件如下:
注入次数可为一次以上(如一次或两次);注入的离子可为磷;注入能量为400~500KeV; 注入剂量记为M,该M的范围为:3×1011cm-2≦M≦1×1013cm-2;
本步骤中,进行施主杂质离子注入掺杂后,还需进行激光退火,其中,激光退火的条件 如下:
通过两束激光交替照射进行,激光波长500nm~600nm,激光能量1.9J~3.0J,两束激光 的延迟时间为0.5~1.6微秒。
激光退火后的N型缓冲层的浓度不低于1×1015cm-3且需要大于15倍的N型衬底(N-base 区)浓度。
例如,该N型缓冲层2的注入能量采用450KeV的注入可形成2μm的结深。
该N型缓冲层2的形貌根据不同IGBT器件应用的要求以及成本方面的考虑,可以通过 一次或两次注入形成,具体如下:
I、一次注入可形成深度在0.2~1.0μm之间的、满足不低于1×1015cm-3且需要大于15倍 的N型衬底(N-base区)浓度要求的浓度、并且浓度变化不超过10%的N型缓冲层2;以及
深度在1.0~2.0μm之间的、由1.0μm处的浓度满足不低于1×1015cm-3且大于15倍的 N-base区浓度的要求降低到2.0μm处的浓度等于N-base区浓度的N型缓冲层2。
II、两次注入可形成深度在0.2~0.4μm之间的、由0.2μm处的满足不低于1×1016cm-3的 要求的浓度升高到0.4μm处的浓度超过2倍的0.8μm处的浓度的N型缓冲层2;和
深度在0.4~1.7μm之间的、由0.4μm处的浓度满足超过2倍的0.8μm处的浓度的要求且 0.8μm处的浓度满足不低于1×1016cm-3的要求降低到1.7μm处的浓度满足不高于1×1016cm-3且不低于1×1015cm-3且大于15倍的N-base区浓度的要求的N型缓冲层2;以及
深度在1.7~2.0μm之间的、由1.7μm处的浓度满足不高于1×1016cm-3且不低于1×1015cm-3且大于15倍的N-base区浓度的要求降低到2.0μm处的浓度等于N-base区浓度的N型缓冲层 2。
3)对背面进行低能量的受主杂质离子注入掺杂,形成深度为0.15~0.3μm的P型集电极 层9(如图10所示);
其中,受主杂质离子注入的条件如下:
注入次数为一次注入;注入的离子可为硼或者二氟化硼;注入能量为10~30KeV;注入 剂量记为Y,该Y的范围为:5×1012cm-2≦Y≦1×1014cm-2,即注入的浓度范围(表面的浓度 范围)控制在2×1016cm-3~2×1018cm-3之间且不低于10倍的N型缓冲层2的浓度,并且至0.15~ 0.3μm的PN结交界处,浓度达到最低点。
4)对背面进行激光退火12,激活背面注入的N型缓冲层与P型集电极层(如图11所示)。
其中,激光退火12的条件如下:
通过两束激光交替照射进行,激光波长500nm~600nm,激光能量1.9J~3.0J,两束激光 的延迟时间为0.5~1.6微秒。
通过该激光退火12工艺的调节控制和P型集电极层9与N型缓冲层2注入工艺的调节 控制,得到如前描述的P型集电极层9与N型缓冲层2的深度与浓度形貌。
然后,按照常规工艺,完成背面金属化工艺,形成背面集电极的金属接触(如图12所示)。
另外,按照上述实施例得到的背面P型集电极层9与场终止作用的N型缓冲层2的SRP 形貌示意图,如图13所示。图13适用于实施例1与实施例例2;横轴为从背面向内的P型 集电极与N型缓冲层的深度,纵轴为P型集电极与N型缓冲层的浓度分布,具体如下:
(1)A线表示:一次硼注入+两次磷注入的一个实例,其N型缓冲层满足深度在0.2~ 0.4μm之间的、由0.2μm处的满足不低于1×1016cm-3的要求的浓度升高到0.4μm处的浓度超 过2倍的0.8μm处的浓度的N型缓冲层2;和深度在0.4~1.7μm之间的、由0.4μm处的浓度 满足超过2倍的0.8μm处的浓度的要求且0.8μm处的浓度满足不低于1×1016cm-3的要求降低 到1.7μm处的浓度满足不高于1×1016cm-3且不低于1×1015cm-3且大于15倍的N-base区浓度 的要求的N型缓冲层2;以及深度在1.7~2.0μm之间的、由1.7μm处的浓度满足不高于 1×1016cm-3且不低于1×1015cm-3且大于15倍的N-base区浓度的要求降低到2.0μm处的浓度等 于N-base区浓度的N型缓冲层2;其P型集电极满足注入的浓度范围(表面的浓度范围)控 制在2×1016cm-3~2×1018cm-3之间且不低于10倍的N型缓冲层2的浓度,并且至0.15~0.3μm 的PN结交界处,浓度达到最低点。
(2)B线表示:一次硼注入+一次磷注入的一个实例,其N型缓冲层满足深度在0.2~ 1.0μm之间的、满足不低于1×1015cm-3且需要大于15倍的N型衬底(N-base区)浓度要求的 浓度、并且浓度变化不超过10%的N型缓冲层2;以及,深度在1.0~2.0μm之间的、由1.0μm 处的浓度满足不低于1×1015cm-3且大于15倍的N-base区浓度的要求降低到2.0μm处的浓度 等于N-base区浓度的N型缓冲层2;其P型集电极满足注入的浓度范围(表面的浓度范围) 控制在2×1016cm-3~2×1018cm-3之间且不低于10倍的N型缓冲层2的浓度,并且至0.15~ 0.3μm的PN结交界处,浓度达到最低点。
本发明通过注入与背面激光退火形成用于做FS的N型缓冲层与用于做集电极的P型层 的结构形貌以及工艺制作方法,大大的降低了IGBT器件的功耗,并且节省了芯片的面积, 即缩小器件尺寸,实现了IGBT器件的更高的性能和优化了IGBT器件性能,并且缩减了成 本。
机译: 降低了功耗的半导体器件以及用于该存储器的半导体薄膜器件中的薄膜晶体管,实现了功耗的降低
机译: 具有降低的功耗的半导体器件以及用于半导体存储器件中的用于实现功耗降低的薄膜晶体管
机译: 控制设备,用于在全交流电压下初始化负载设备并在降低的电压下连续运行,而不会在电压再现期间损失线与负载之间的连续性,一种在全线电压下启动隐藏灯的有效方法以及连续使用低压灯工作电压的有效方法在降低功耗的情况下运行,而不会中断线与隐藏灯之间的连续性以及模块化高强度放电路灯插头控制单元