專利名稱：Igbt器件的背面工藝方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體集成電路制造工藝方法，特別是涉及一種絕緣柵雙極型晶體管(Insulated gate bipolar transistor, IGBT)器件的背面工藝方法。
背景技術(shù)：
IGBT同時具有絕緣柵型場效應(yīng)管(MOSFET)的電壓控制和雙極型三極管(BJT)的低導(dǎo)通電阻和高耐壓特性，具有電壓控制、輸入阻抗大、驅(qū)動功率小、導(dǎo)通電阻小、開關(guān)損耗低等多中優(yōu)異特性，被廣泛應(yīng)用于中、大功率電力電子系統(tǒng)。IGBT是一種背面引出器件，如圖1所示，是現(xiàn)有場中止型(Field Stop, FS) IGBT的結(jié)構(gòu)示意圖；包括形成于硅片背面的由P+區(qū)組成的集電區(qū)101，形成于所述集電區(qū)101上方的由N+區(qū)組成的場阻斷層(FS)102，由N-摻雜區(qū)組成的漂移區(qū)103，形成于漂移區(qū)103的N-摻雜區(qū)中的P-摻雜區(qū)組成的體區(qū)104，形成于體區(qū)104中的由N+摻雜區(qū)組成的源區(qū)，形成于是所述體區(qū)104上方的柵極106。柵極106加電壓后會在體區(qū)104的表面形成N型溝道將源區(qū)105和漂移區(qū)103電連接，通過在集電區(qū)101加正高電壓能夠?qū)崿F(xiàn)空穴從集電區(qū)101注入到漂移區(qū)103中使漂移區(qū)103的導(dǎo)通電阻降低。柵極106的電壓去除后N型溝道將會關(guān)閉而使器件截止，這時漂移區(qū)103中將會承受加在集電區(qū)101上所加的正高電壓，場阻斷層102的此時會對漂移區(qū)103的電場產(chǎn)生中斷作用使電場在場阻斷層102降為0，而使漂移區(qū)103中的內(nèi)部電場均勻并能實現(xiàn)較高的耐壓能力。相比傳統(tǒng)的IGBT，F(xiàn)S-1GBT在相同耐壓的前提下，具有更好的散熱特性和導(dǎo)通電阻，性能更為優(yōu)異。但FS-1GBT制造工藝更加困難，如何形成η+區(qū)組成的場阻斷層102和p+區(qū)組成的集電區(qū)101都是制造中的難點，IGBT的集電區(qū)101相當(dāng)于VDMOS器件中的漏區(qū)，即用P+摻雜的集電區(qū)代替了 VDMOS器件的N+漏區(qū)、或者在DMOS器件的N+漏區(qū)底部增加了一 P+摻雜的集電區(qū)。對于IGBT器件，尤其是FS-1GBT和NPT-1GBT需要在硅片背面從表面到內(nèi)部依次形成由P+層集電區(qū)和n+FS緩沖層組成的兩個不同摻雜的層。且由于IGBT器件通過的電流極大，且對開關(guān)應(yīng)用時，瞬時的反沖電流會達到極大O100A)，因此對于p+層的表面濃度需要較高，以達到良好的歐姆接觸，降低接觸電阻，否則會在大電流下發(fā)生擊穿燒毀，同時P+層需要具有一定的深度，保證η+緩沖層埋入本體中，能夠使電場分布更平緩，承受更大的反向擊穿電壓，達到較好的電學(xué)特性。

現(xiàn)有方法通常通過外延生長(EPI)方式在硅片的背面形成由ρ+層和η+緩沖層組成雙層結(jié)構(gòu)，即通過EPI工藝在η-摻雜的硅片襯底依次成長η+緩沖層和ρ+層，這種方法好處是n+層，P+層的結(jié)深和摻雜濃度均可控，但成本很高，同時因為EPI的高溫制程，必須在正面器件形成之前先形成背面層?，F(xiàn)有另一種方法是采用離子注入再加長時間的退火工藝來分別形成η+緩沖層和P+層，但是長時間退火同樣會面臨和EPI —樣的問題，為了避免熱過程對正面工藝的影響，也必須先于正面工藝形成。上述兩種方法都要求先形成背面層，然后減薄至一定厚度，再生成正面器件，這就對后續(xù)的生產(chǎn)制造設(shè)備和制造工藝提出了很高的要求，必須對薄片進行兼容，生產(chǎn)難度和成本都非常高。為了規(guī)避上述問題，近年來一些新的退火工藝被提出，比如激光退火。激光退火通過瞬時的激光加熱，使硅片表面在極短時間內(nèi)被加熱到超過1400°C，使摻入的雜質(zhì)進行激活。可以在硅片正面器件形成后，減薄硅片在進行背面注入，以滿足IGBT器件的要求。但是激光退火的問題在于很難達到較高的激活率，文獻有報道的都僅在20% 30%左右，個別理論研究中對于特定的注入條件和硅片厚度可以達到80 90%，但結(jié)深都較淺，非?？拷砻?，一旦要求結(jié)深較深時，雖然可以達到一定的激活率，但表面濃度就會急劇下降，目前未有一種公開的方法可以實現(xiàn)表面激活率達到80%以上，且具有一定結(jié)深的激光退火方法。如圖3所示，曲線2對應(yīng)于現(xiàn)有工藝中在硅片背面進行硼注入后，再進行較低激光能量的激光退火后形成的硼雜質(zhì)在硅片中的分布圖；曲線3對應(yīng)于現(xiàn)有工藝中在硅片背面進行硼注入后，再進行較高激光能量的激光退火后形成的硼雜質(zhì)在硅片中的分布圖；曲線4為現(xiàn)有方法形成的磷雜質(zhì)的分布圖?？梢钥闯?，當(dāng)激光能量較低時，表層激活率不高且結(jié)深較淺，當(dāng)能量更高時，會產(chǎn)生擴散，但表面的峰值濃度會降低，總激活率和較低能量相當(dāng)，無明顯提高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種IGBT器件的背面工藝方法，能使用激光退火工藝形成一個表層高激活、且具有一定結(jié)深的集電區(qū)，能滿足器件的需求，且不會對器件的正面工藝產(chǎn)生影響。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供的IGBT器件的背面工藝方法，采用如下步驟來形成IGBT器件的具有第一導(dǎo)電類型摻雜的集電區(qū)步驟一、在硅片背 面進行第一次離子注入，該第一次離子注入的雜質(zhì)為第二導(dǎo)電類型雜質(zhì)，所述第一次離子注入的注入深度和后續(xù)形成所述集電區(qū)的第二次離子注入的注入深度相同，所述第一次離子注入的第二導(dǎo)電類型雜質(zhì)的摻雜濃度為所述集電區(qū)的第一導(dǎo)電類型雜質(zhì)的摻雜濃度的1/10以下。步驟二、在所述硅片背面進行所述第二次離子注入，所述第二次離子注入的雜質(zhì)為第一導(dǎo)電類型雜質(zhì)并用于形成所述集電區(qū)。步驟三、利用第一束激光對所述硅片背面進行第一次激光退火，所述第一束激光的功率低于所述硅片的硅熔融所需功率，使所述第一次激光退火只對所述硅片背面的表面雜質(zhì)進行退火。步驟四、利用第二束激光對所述硅片背面進行第二次激光退火，所述第二束激光的功率為所述第一束激光的功率的兩倍以上、且所述第二束激光的功率高于所述硅片的硅熔融所需功率，所述第二次激光退火通過對所述硅片產(chǎn)生硅熔融并產(chǎn)生熱擴散實現(xiàn)對所述硅片背面的已經(jīng)經(jīng)過所述第一次激光退火的表面雜質(zhì)以下的雜質(zhì)進行退火。進一步的改進是，步驟二中所述集電區(qū)的第一導(dǎo)電類型雜質(zhì)體濃度為5el7原子/厘米3 le20原子/厘米3。進一步的改進是，步驟二中所述集電區(qū)的結(jié)深為O. 5微米 I微米。
進一步的改進是,所述第二次離子注入的注入能量為Ikev 50kev、注入劑量為lel4原子/厘米2 lel6原子/厘米2、注入雜質(zhì)為硼。進一步的改進是,所述第一次離子注入的注入能量為Ikev 50kev、注入劑量為lel2原子/厘米2 lel4原子/厘米2、注入雜質(zhì)為磷或砷，所述第一次離子注入在保持中注入劑量不變的條件下能夠采用一次注入或一次以上的多次注入實現(xiàn)。進一步的改進是，所述第一束激光和所述第二束激光的波長相同。進一步的改進是，所述第一束激光和所述第二束激光的波長都為10微米 11微米。進一步的改進是，所述第一束激光的脈寬為50納秒 300納秒，所述第二束激光的脈寬為50納秒 300納秒；所述第一束激光和所述第二束激光之間的延遲為O. 5微秒 2微秒。進一步的改進是，所述第一束激光和所述第二束激光的功率比為1:2 1:5。進一步的改進是，所述第一束激光的功率為I毫焦/厘米2 1. 5毫焦/厘米2，所述第二束激光的功率為2毫焦/厘米2 4毫焦/厘米2。本發(fā)明具有如下有益效果本發(fā)明在集電區(qū)的離子注入之前進行摻雜相反的離子注入，能在硅片的背面表面形成一個陷阱(trap)層，在陷阱層中所有雜質(zhì)的有效壽命都會變得較短，有效擴散長度也較短，雜質(zhì)粒子不容易在晶格中產(chǎn)生擴散。通過陷阱層對雜質(zhì)進行限位，配合低于硅片熔融的較低能量的激光退火就能實現(xiàn)對硅片背面表層雜質(zhì)進行充分激活。本發(fā)明第一次激光退火過程中的激光脈沖低于現(xiàn)有激光退火工藝中的脈沖(>500納秒)，也低于雜質(zhì)在硅中的有效壽命，同時其能量低 于使硅產(chǎn)生熔融的能量，硅的晶格保持較好，激活雜質(zhì)在晶格中的擴散能力較弱，會被被限位在表層，而不產(chǎn)生向硅本體內(nèi)的擴散，使表面達到較高的激活效率。本發(fā)明的第二束激光的延遲遠大于雜質(zhì)在娃中的有效壽命，同時能量高于娃娃產(chǎn)生熔融的能量，使硅晶格破壞，并局部加熱到1400°C以上，使第二束激光的作用主要體現(xiàn)為熱擴散作用，此時在熔融硅片中主要對雜質(zhì)發(fā)生熱擴散，能使雜質(zhì)在高溫作用下進行擴散并對較深層次的雜質(zhì)進行部分激活，使結(jié)深達到一定的深度；同時由于表層的雜質(zhì)經(jīng)過較低能量的激光退火已經(jīng)被激活，利用雜質(zhì)被激活后不會被重復(fù)多次激活的特性，能使表層已經(jīng)激活的雜質(zhì)在第二次高能量的激光退火過程中僅會產(chǎn)生輕微的熱擴散，而絕大部分停留在表面，能夠在硅片背面表層維持較高的被激活的摻雜濃度。


下面結(jié)合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明作進一步詳細的說明圖1是現(xiàn)有FS-1GBT的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明實施例方法的流程圖；圖3是本發(fā)明實施例方法和現(xiàn)有方法形成的背面注入的雜質(zhì)濃度分布對比圖。
具體實施例方式如圖2所示，是本發(fā)明實施例方法的流程圖；本發(fā)明實施例1GBT器件的背面工藝方法采用如下步驟來形成IGBT器件的具有P型摻雜的集電區(qū)步驟一、在硅片背面進行第一次離子注入，該第一次離子注入的雜質(zhì)為N型雜質(zhì)，所述第一次離子注入的注入深度和后續(xù)形成所述集電區(qū)的第二次離子注入的注入深度相同，所述第一次離子注入的N型雜質(zhì)的摻雜濃度為所述集電區(qū)的P型雜質(zhì)的摻雜濃度的1/10以下。所述第一次尚子注入的注入能量為Ikev 50kev、注入劑量為lel2原子/厘米2 lel4原子/厘米2、注入雜質(zhì)為磷或砷，所述第一次離子注入在保持中注入劑量不變的條件下能夠采用一次注入或一次以上的多次注入實現(xiàn)。較佳為所述第一次離子注入的注入劑量為lel3原子/厘米2。步驟二、在所述硅片背面進行所述第二次離子注入，所述第二次離子注入的雜質(zhì)為P型雜質(zhì)并用于形成所述集電區(qū)。所述集電區(qū)的P型雜質(zhì)體濃度為5el7原子/厘米3 le20原子/厘米3，所述集電區(qū)的結(jié)深為O. 5微米 I微米。所述第二次離子注入的注入能量為Ikev 50kev、注入劑量為lel4原子/厘米2 lel6原子/厘米2、注入雜質(zhì)為硼。較佳為所述第二次離子注入的注入劑量為5el5原子/厘米2。步驟三、利用第一束激光對所述硅片背面進行第一次激光退火，所述第一束激光的功率低于所述硅片的硅 熔融所需功率，使所述第一次激光退火只對所述硅片背面的表面雜質(zhì)進行退火。所述第一束激光的波長為10微米 11微米，所述第一束激光的脈寬為50納秒 300納秒。所述第一束激光的功率為I毫焦/厘米2 1. 5毫焦/厘米2。較佳為所述第一束激光為由C02激光器產(chǎn)生的波長為10. 6微米的激光，所述第一束激光的脈寬為120納秒。所述第一束激光的功率為1. 2毫焦/厘米2。步驟四、利用第二束激光對所述硅片背面進行第二次激光退火，所述第二束激光的功率為所述第一束激光的功率的兩倍以上、且所述第二束激光的功率高于所述硅片的硅熔融所需功率，所述第二次激光退火通過對所述硅片產(chǎn)生硅熔融并產(chǎn)生熱擴散實現(xiàn)對所述硅片背面的已經(jīng)經(jīng)過所述第一次激光退火的表面雜質(zhì)以下的雜質(zhì)進行退火。所述第一束激光和所述第二束激光的波長相同都為10微米 11微米。所述第二束激光的脈寬為50納秒 300納秒；所述第一束激光和所述第二束激光之間的延遲為O. 5微秒 2微秒。所述第一束激光和所述第二束激光的功率比為1: 2 1: 5，且所述第二束激光的功率為2毫焦/厘米2 4毫焦/厘米2。較佳為所述第一束激光的脈寬為260納秒，所述第一束激光的功率為，2. 5毫焦/厘米2，所述第一束激光和所述第二束激光之間的延遲為O. 8微秒。本發(fā)明實施例方法能使所述集電區(qū)的摻雜雜質(zhì)在O. 5微米內(nèi)激活率達到80%以上，且在I微米內(nèi)激活率達到50%以上。如圖3所示，是本發(fā)明實施例方法和現(xiàn)有方法形成的背面注入的雜質(zhì)濃度分布對比圖。曲線I對應(yīng)于本發(fā)明實施例方法中在硅片背面進行硼注入后，再進行兩次激光退火后形成的硼雜質(zhì)在硅片中的分布圖，可以看出，本發(fā)明方法形成能產(chǎn)生一個表層高激活，且具有一定結(jié)深的P+層，滿足FS-1GBT、NPT-1GBT等具有高性能要求IGBT器件對集電區(qū)的需求。以上通過具體實施例對本發(fā)明進行了詳細的說明，但這些并非構(gòu)成對本發(fā)明的限制。在不脫離本發(fā)明原理的情況下，本領(lǐng)域的技術(shù)人員還可做出許多變形和改進，這些也應(yīng)視為本發(fā)明的保護范圍。
權(quán)利要求
1.一種IGBT器件的背面工藝方法，其特征在于，采用如下步驟來形成IGBT器件的具有第一導(dǎo)電類型摻雜的集電區(qū) 步驟一、在硅片背面進行第一次離子注入，該第一次離子注入的雜質(zhì)為第二導(dǎo)電類型雜質(zhì)，所述第一次離子注入的注入深度和后續(xù)形成所述集電區(qū)的第二次離子注入的注入深度相同，所述第一次離子注入的第二導(dǎo)電類型雜質(zhì)的摻雜濃度為所述集電區(qū)的第一導(dǎo)電類型雜質(zhì)的摻雜濃度的1/10以下； 步驟二、在所述硅片背面進行所述第二次離子注入，所述第二次離子注入的雜質(zhì)為第一導(dǎo)電類型雜質(zhì)并用于形成所述集電區(qū)； 步驟三、利用第一束激光對所述硅片背面進行第一次激光退火，所述第一束激光的功率低于所述硅片的硅熔融所需功率，使所述第一次激光退火只對所述硅片背面的表面雜質(zhì)進行退火； 步驟四、利用第二束激光對所述硅片背面進行第二次激光退火，所述第二束激光的功率為所述第一束激光的功率的兩倍以上、且所述第二束激光的功率高于所述硅片的硅熔融所需功率，所述第二次激光退火通過對所述硅片產(chǎn)生硅熔融并產(chǎn)生熱擴散實現(xiàn)對所述硅片背面的已經(jīng)經(jīng)過所述第一次激光退火的表面雜質(zhì)以下的雜質(zhì)進行退火。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于步驟二中所述集電區(qū)的第一導(dǎo)電類型雜質(zhì)體濃度為5el7原子/厘米3 le20原子/厘米3。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于步驟二中所述集電區(qū)的結(jié)深為0.5微米 I微米。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述第二次離子注入的注入能量為Ikev 50kev、注入劑量為lel4原子/厘米2 lel6原子/厘米2、注入雜質(zhì)為硼。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述第一次離子注入的注入能量為Ikev 50kev、注入劑量為lel2原子/厘米2 lel4原子/厘米2、注入雜質(zhì)為磷或砷，所述第一次離子注入在保持中注入劑量不變的條件下能夠采用一次注入或一次以上的多次注入實現(xiàn)。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述第一束激光和所述第二束激光的波長相同。
7.如權(quán)利要求1或6所述的方法，其特征在于所述第一束激光和所述第二束激光的波長都為10微米 11微米。
8.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述第一束激光的脈寬為50納秒 300納秒，所述第二束激光的脈寬為50納秒 300納秒；所述第一束激光和所述第二束激光之間的延遲為0. 5微秒 2微秒。
9.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述第一束激光和所述第二束激光的功率比為1:2 1:5。
10.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述第一束激光的功率為I毫焦/厘米2 1.5毫焦/厘米2，所述第二束激光的功率為2毫焦/厘米2 4毫焦/厘米2。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種IGBT器件的背面工藝方法，采用如下步驟來形成IGBT器件的集電區(qū)在硅片背面進行第一次離子注入，注入的雜質(zhì)導(dǎo)電類型雜質(zhì)和集電區(qū)的相反、結(jié)深相同、摻雜濃度為集電區(qū)的摻雜濃度的1/10以下；在硅片背面進行用于形成集電區(qū)第二次離子注入；利用功率低于硅片的硅熔融所需功率的第一束激光對硅片背面進行第一次激光退火；利用功率為第一束激光的功率的兩倍以上第二束激光對硅片背面進行第二次激光退火。本發(fā)明能使用激光退火工藝形成一個表層高激活、且具有一定結(jié)深的集電區(qū)，能滿足器件的需求，且不會對器件的正面工藝產(chǎn)生影響。
文檔編號H01L21/265GK103050401SQ201210532799
公開日2013年4月17日 申請日期2012年12月11日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月11日
發(fā)明者王雷, 童宇峰, 劉堯 申請人:上海華虹Nec電子有限公司