CN103137474A - 以贴片方式制造场终止型igbt器件的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种以贴片方式制造场终止型IGBT器件的方法，包括：第1步，选择区熔单晶硅的第一硅衬底和第二硅衬底，减薄第一硅衬底的厚度，在第二硅衬底的正面以离子注入和退火工艺形成n型重掺杂场阻断区。第2步，将第一硅衬底的背面和第二硅衬底的正面以键合工艺形成为一体。第3步，在第一硅衬底的正面制造IGBT器件的正面结构，直至淀积正面金属作为发射极。第4步，将第二硅衬底从背面减薄，然后淀积背面金属作为集电极。本发明以贴片方式制造IGBT器件的方法，无需进行厚度在70μm以下的极薄片的生产工艺，从而有效减少薄片工艺的碎片几率，并节约了购买新机台设备的巨大成本。
Description
技术领域
本发明涉及一种IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极晶体管)器件的制造方法。
背景技术
IGBT器件由一个MOS晶体管和一个PNP双极晶体管组成，也可看作是由一个VDMOS(Vertical double diffused MOSFET，垂直双扩散MOS晶体管)和一个二极管组成。
请参阅图1，这是一种场终止型(Field stop)IGBT器件的结构示意图。硅片背面为金属层14作为集电极，其上方具有p型重掺杂集电区4，再往上为n型重掺杂场阻断区3，再往上为n型中低掺杂区1。在n型中低掺杂区1中具有p阱7。在p阱7中具有n型重掺杂源区8和p型重掺杂接触区11。在n型中低掺杂区1之上具有栅氧化层5、层间介质9和接触孔电极10。其中栅氧化层5的两端在n型重掺杂源区8之上，接触孔电极10在p型重掺杂接触区11之上。栅氧化层5之上为多晶硅栅极6。层间介质9之上为金属层12作为发射极，其与接触孔电极10相连。
对于这种场终止型IGBT器件，目前的制造方法如图2所示。
第1步，在n型中低掺杂的硅片1上制造硅片正面的结构，直至进行到淀积层间介质(ILD)这一步。所述硅片正面的结构包括离子注入形成的p阱7、n型重掺杂源区8、p型重掺杂接触区11，淀积层间介质9等。
第2步，将n型中低掺杂的硅片1从背面减薄，一般剩余70μm左右。
第3步，在硅片1的背面以离子注入和退火工艺形成n型重掺杂场阻断区3和p型重掺杂集电区4。
第4步，在硅片正面淀积金属作为发射极12，在硅片背面淀积金属作为集电极14。
之所以采用上述步骤，是因为硅片背面的阻断区3必须注入杂质并进行高温退火以激活杂质。而硅片正面的金属层即发射极12无法承受退火工艺的高温，因此硅片正面淀积金属必须放到硅片背面形成阻断区3之后进行。
上述方法在第2步后，整个硅片的厚度就降到70μm以下，这称为极薄片。对极薄片的后续处理包括金属淀积、光刻、干法刻蚀、离子注入、退火等步骤。
半导体制造厂商的通用设备都是用于处理标准厚度(一般为725μm)的硅片的，处理极薄片有较大的硅片破碎的风险。而重新购买可处理极薄片的设备，又会较大地增加成本并影响整体产能。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种制造场终止型IGBT器件的新方法，该方法可以在安全和低风险的前提下制造场终止型IGBT器件。
为解决上述技术问题，本发明以贴片方式制造场终止型IGBT器件的方法为：
第1步，选择区熔单晶硅的第一硅衬底和第二硅衬底，减薄第一硅衬底的厚度，在第二硅衬底的正面以离子注入和退火工艺形成n型重掺杂场阻断区；
第2步，将第一硅衬底的背面和第二硅衬底的正面以键合工艺形成为一体；
第3步，在第一硅衬底的正面制造IGBT器件的正面结构，直至淀积正面金属作为发射极；
第4步，将第二硅衬底从背面减薄，然后淀积背面金属作为集电极。
本发明以贴片方式制造IGBT器件的方法，无需进行厚度在70μm以下的极薄片的生产工艺，从而有效减少薄片工艺的碎片几率，并节约了购买新机台设备的巨大成本。
附图说明
图1是场终止型IGBT器件的结构示意图；
图2是现有的一种制造场终止型IGBT器件的方法的示意图；
图3、图4分别是本发明制造场终止型IGBT器件的方法的两个实施例的示意图。
图中附图标记说明：
1为n型中低掺杂区；3为n型重掺杂阻断区；4为p型重掺杂集电区；5为栅氧化层；6为多晶硅栅极；7为p阱；8为n型重掺杂源区；9为层间介质；10为接触孔电极；11为p型重掺杂接触区；12为发射极；14为集电极；10为第一硅衬底；40为第二硅衬底。
具体实施方式
请参阅图3，这是本发明以贴片方式制造场终止型IGBT器件的方法的第一实施例，其包括如下步骤：
第1步，选择第一硅衬底10和第二硅衬底40，它们均为区熔单晶硅(FZ-Si)。所述第一硅衬底10优选为n型中低掺杂，掺杂浓度为1×1011～1×1014原子每立方厘米，但也可以是无掺杂、p型掺杂等。所述第二硅衬底40优选为p型重掺杂，掺杂浓度为1×1016～1×1019原子每立方厘米，但也可以是无掺杂、n型掺杂等。
将第一硅衬底10从正面或背面减薄，例如化学机械研磨(CMP)工艺，其剩余厚度在50～300μm之间，优选为60μm。
在第二硅衬底40的正面以离子注入和退火工艺形成n型重掺杂场阻断区3，掺杂浓度为1×1016～1×1019原子每立方厘米。
第2步，将第一硅衬底10的背面和第二硅衬底40的正面(即n型重掺杂场阻断区3的表面)以键合工艺形成为一体。
所述键合工艺是将两个抛光硅片经化学清洗和活化处理后在室温下粘贴在一起，再经过高温退火处理，使键合界面发生物理化学反应，形成强度很大的化学共价键连接，增加键合强度而形成一个整体。该技术具有工艺简单，两键合硅片的晶向、电阻率和导电类型可自由选择，与半导体工艺完全兼容，并且键合强度大，键合后的界面可以承受磨片、抛光和高温处理等优点。
这一步的键合工艺例如又包括如下步骤：
第2.1步，将两片表面平整洁净的抛光硅片(氧化或未氧化)先经适当表面清洗与活化(例如采用OH溶液或等离子体)。
所述清洗工艺是指：硅片的表面有大量的悬挂键，可以吸附环境中的气体分子和有机物，在硅片的表面形成污染，在高温退火的过程中这些有机物分解成气体并在键合界面生成空洞。一般用强氧化性溶液加热处理，使有机物氧化分解。
所述活化处理是指：一种是用含OH离子(氢氧根离子)溶液，另外一种是用氩气等离子体处理，在强氧化的作用下使硅片生成一层本征氧化层，吸附大量的OH团，再用大量的去离子水冲洗，用甩干机甩干。
这一步中硅片表面的氧化层极薄(通常约为
)。
第2.2步，在室温下将硅片的抛光面贴合在一起，使两硅片在室温下依靠短程的分子间作用力吸合在一起。
这也被称为预键合，即在室温下或加热到一定的温度下，把要键合的硅片的抛光面按照晶向对准，然后在硅片的中心加一个外力，使硅片首先在中间键合在一起，然后键合波向硅片的四周边沿扩展，最后把两个硅片完全键合在一起。现在的机器预键合设备可以完成晶向对准、加热、抽真空和充气等多种功能。
第2.3步，将贴合好的硅片经过高温退火处理，使界面发生物理化学反应，增加键合强度形成整体。
在高温下，键合硅片之间发生强烈的物理-化学反应，生成强的化学共价键，使键合完成。为了避免高温时有空洞长生，高温退火温度一般在900℃以上，同时要充氧气或氮气。
键合后的硅片中具有超薄的氧化硅不会对产品产生任何负面影响。后道工艺中的退火均对两个硅衬底之间的分界面做进一步的原子修复。
第3步，在第一硅衬底10的正面制造IGBT器件的正面结构，包括离子注入形成p阱7、n型重掺杂源区8、p型重掺杂接触区11，淀积层间介质9、淀积正面金属作为发射极12等。剩余的第一硅衬底10直接地、或者通过离子注入成为n型中低掺杂区1，掺杂浓度为1×1011～1×1014原子每立方厘米。
在第一硅衬底10为掺杂浓度满足n型中低掺杂区1的n型掺杂的情况下，制造了IGBT器件的正面结构后所剩余的第一硅衬底10就直接作为n型中低掺杂区1。这是优选的实施方式。
在第一硅衬底10为掺杂浓度大于n型中低掺杂区1的n型掺杂的情况下，制造了IGBT器件的正面结构后所剩余的第一硅衬底10可以通过离子注入p型杂质后成为n型中低掺杂区1。
在第一硅衬底10为掺杂浓度小于n型中低掺杂区1的n型掺杂的情况下、或者是无掺杂的情况下、或者是p型掺杂的情况下，制造了IGBT器件的正面结构后所剩余的第一硅衬底10可以通过离子注入n型杂质后成为n型中低掺杂区1。
第4步，将第二硅衬底40从背面减薄，剩余厚度为40～300μm，优选为70μm。剩余的第二硅衬底40直接作为p型重掺杂集电区4，或者通过离子注入成为p型重掺杂集电区4，掺杂浓度为1×1016～1×1019原子每立方厘米。然后在p型重掺杂集电区4的背面淀积金属作为集电极14。
在第二硅衬底40为掺杂浓度满足p型重掺杂集电区4的p型掺杂的情况下，从背面减薄后的第二硅衬底40就直接作为p型重掺杂集电区4。
在第二硅衬底40为掺杂浓度大于p型重掺杂集电区4的p型掺杂的情况下，从背面减薄后的第二硅衬底40可以通过离子注入n型杂质后成为p型重掺杂集电区4。
在第二硅衬底40为掺杂浓度小于p型重掺杂集电区4的p型掺杂的情况下、或者是无掺杂的情况下、或者是n型掺杂的情况下，从背面减薄后的第二硅衬底40可以通过离子注入p型杂质后成为p型重掺杂集电区4。
显然上述方法的第2步和第3步可以互换顺序。
上述以贴片方式制造场终止型IGBT器件的方法的第一实施例具有如下优点：
其一，IGBT器件背面的n型重掺杂场阻断区3的形成需要高温退火工艺，只要其在两个硅衬底贴合之前完成就不影响IGBT器件正面的金属即发射极11。
IGBT器件正面的金属淀积工艺也不再受到严格的限制，只要其在两个硅衬底贴合之前完成即可。
其二，通过控制n型中低掺杂区1的厚度，可以控制该场终止型IGBT器件的击穿电压(BV)和导通电压(Vsat)。n型中低掺杂区1越厚，则器件的击穿电压和导通电压就越大；反之亦然。
通过控制n型中低掺杂区1的掺杂浓度，也可以控制该场终止型IGBT器件的击穿电压(BV)和导通电压(Vsat)。n型中低掺杂区1的掺杂浓度越低，则器件的击穿电压和导通电压就越大；反之亦然。
为了获得好的场终止效果，优选地，n型重掺杂场阻断区3的电阻率为n型中低掺杂区1的5～30倍。
请参阅图4，这是本发明以贴片方式制造场终止型IGBT器件的方法的第二实施例，包括如下步骤：
第1’步，选择区熔单晶硅的第一硅衬底10和第二硅衬底40，将第一硅衬底10减薄为50～300μm，优选为60μm，在第二硅衬底40的正面以离子注入和退火工艺形成n型重掺杂场阻断区3。
第2’步，将第二硅衬底40从背面减薄到300～700μm之间，优选为600μm。
第3’步，将第一硅衬底10的背面和第二硅衬底40的正面(即n型重掺杂场阻断区3的表面)以键合工艺形成为一体。
第4’步，在第一硅衬底10的正面制造IGBT器件的正面结构，剩余的第一硅衬底10直接地、或者通过离子注入成为n型中低掺杂区1。
第5’步，将第二硅衬底40从背面减薄为40～300μm，优选为70μm。剩余的第二硅衬底40直接地、或者通过离子注入成为p型重掺杂集电区4。然后在p型重掺杂集电区4的背面淀积金属作为集电极14。
显然上述方法的第4’步可以放到第1’～2’步之间，或者放到第2’～3’步之间。
上述以贴片方式制造场终止型IGBT器件的方法的第二实施例还具有如下优点：在两个硅衬底贴合前通过减薄各自厚度，使得贴合后其总厚度相当于标准厚度的硅片，对于半导体生产厂商而言，仍旧相对于操作标准厚度的硅片，因而极大地避免了硅片破碎的风险。
以上仅为本发明的优选实施例，并不用于限定本发明。对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种以贴片方式制造场终止型IGBT器件的方法，其特征是，包括：
第1步，选择区熔单晶硅的第一硅衬底和第二硅衬底，减薄第一硅衬底的厚度，在第二硅衬底的正面以离子注入和退火工艺形成n型重掺杂场阻断区；
第2步，将第一硅衬底的背面和第二硅衬底的正面以键合工艺形成为一体；
第3步，在第一硅衬底的正面制造IGBT器件的正面结构，直至淀积正面金属作为发射极；
第4步，将第二硅衬底从背面减薄，然后淀积背面金属作为集电极。
2.根据权利要求1所述的以贴片方式制造场终止型IGBT器件的方法，其特征是，所述方法的第2步、第3步互换顺序。
3.根据权利要求1所述的以贴片方式制造场终止型IGBT器件的方法，其特征是，所述方法第2步具体包括如下步骤：
第2.1步，将第一硅衬底的背面和第二硅衬底的正面进行清洗与活化处理；
第2.2步，将第一硅衬底的背面和第二硅衬底的正面贴合在一起；
第2.3步，将贴合好的硅片经过高温退火处理，使界面发生物理化学反应，增加键合强度形成整体。
4.根据权利要求1所述的以贴片方式制造场终止型IGBT器件的方法，其特征是，所述第一硅衬底为n型掺杂，所述第二硅衬底为p型掺杂。
5.根据权利要求1所述的以贴片方式制造场终止型IGBT器件的方法，其特征是，所述方法第3步中，制造了IGBT器件的正面结构后剩余的第一硅衬底直接地、或者通过离子注入作为n型中低掺杂区；
所述方法第4步中，减薄后的第二硅衬底直接地、或者通过离子注入作为p型重掺杂集电区。
6.根据权利要求5所述的以贴片方式制造场终止型IGBT器件的方法，其特征是，所述n型重掺杂场阻断区的电阻率为n型中低掺杂区的5～30倍。
7.根据权利要求1所述的以贴片方式制造场终止型IGBT器件的方法，其特征是，所述方法第1步中，第一硅衬底减薄后的厚度为50～300μm；
所述方法第4步中，第二硅衬底减薄后的厚度为40～300μm。
8.根据权利要求1所述的以贴片方式制造场终止型IGBT器件的方法，其特征是，包括：
第1’步，选择区熔单晶硅的第一硅衬底和第二硅衬底，减薄第一硅衬底的厚度，在第二硅衬底的正面以离子注入和退火工艺形成n型重掺杂场阻断区；
第2’步，将第二硅衬底从背面减薄；
第3’步，将第一硅衬底的背面和第二硅衬底的正面以键合工艺形成为一体；
第4’步，在第一硅衬底的正面制造IGBT器件的正面结构，直至淀积正面金属作为发射极；
第5’步，将第二硅衬底从背面减薄，然后淀积背面金属作为集电极。
9.根据权利要求8所述的以贴片方式制造场终止型IGBT器件的方法，其特征是，所述方法第4’步挪至第1’步至第2’步之间，或者挪至第2’步和第3’步之间。
10.根据权利要求8所述的以贴片方式制造场终止型IGBT器件的方法，其特征是，所述方法第1’步中，第一硅衬底减薄后的厚度为50～300μm；
所述方法第2’步中，第二硅衬底减薄后的厚度为300～700μm；
所述方法第4’步中，第二硅衬底减薄后的厚度为40～300μm。
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