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CN102157363B - 一种功率器件衬底背面的离子注入方法 - Google Patents

一种功率器件衬底背面的离子注入方法 Download PDF

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Abstract

一种功率器件衬底背面的离子注入方法，属于半导体功率器件技术领域。本发明在完成功率器件正面工艺步骤后，在完成离子注入(离子注入之前可对衬底背面进行减薄或不减薄处理)和离子激活后，不像传统工艺直接进行金属铝层淀积，而是采用腐蚀或研磨的方法将衬底背面减薄至杂质注入层之后再淀积金属铝层，这样能够减小后续淀积的金属铝与衬底之间的接触电阻，消除不必要的寄生多层结构，使功率器件的漏电流、通态压降和开关时间降低。本发明适用于体硅、碳化硅、砷化镓、磷化铟或锗硅等半导体材料制作的功率半导体器件。

Description

一种功率器件衬底背面的离子注入方法
技术领域
本发明属于半导体功率器件技术领域，涉及半导体功率器件制造技术。
背景技术
功率半导体技术是电力电子技术的核心，随着微电子技术的发展，以栅控功率器件与智能功率集成电路为代表的现代功率半导体技术从20世纪80年代得到了迅速发展，进而极大地推动了电力电子技术的进步。而电力电子技术的不断进步反过来又促使功率半导体技术向高频、高温、高压、大功率及智能化、系统化方向发展。功率半导体器件经过了40多年的发展，在器件制造技术上不断提高，已经历了以晶闸管为代表的分立器件，以可关断晶闸管(GTO)、巨型晶体管(GTR)、功率MOSFET和绝缘栅双极晶体管(IGBT)为代表的功率集成器件(PID)，以智能化功率集成电路(SSPIC)、高压功率集成电路(HVIC)为代表的功率集成电路(SPIC)等三个发展时期。
目前应用中压大功率的电力电子器件已经形成GTO、IGCT、IGBT、IEGT相互竞争、不断创新的技术市场。通过功率器件的制作过程可以实现器件结构变革和参数优化，这些器件都具有PNPN四层结构。以IGBT为例，除最初开发的PT-IGBT是在P+衬底上生长高阻厚外延层制成的，其他的结构大多采用薄片技术。在功率器件的制作过程中不仅要进行正面加工也要进行背面加工，正面加工一般是制造MOS器件，和常规VDMOS工艺技术类同；背面加工技术是以薄片技术为核心，需要进行背面离子注入、热退火和背面金属化等工艺过程来完成。以NPT-IGBT为例，基本工艺流程为：选择<100>晶向的N型硅衬底，长场氧，制作终端部分，有源区刻蚀及长栅氧，淀积多晶硅栅，刻蚀多晶硅栅，注入P型基区及退火，注入N型源区及退火，厚氧化层，刻蚀接触孔，注入P+体区，淀积正面金属，刻蚀正面金属，背面减薄，注入背面P型集电极，P型集电极热退火，背面淀积金属Al，熔炉烧结，冷却，背面布金属Ti/Ni/Ag。
背面离子注入是一种向衬底中引入可控制数量的杂质，以改变其电学特性的方法，从而形成所需要的结。但一定能量的入射离子进入晶体后，由于和晶体中的电子及原子核的相互作用而失去能量后终止在晶体中的某一位置，这些离子往往处于间隙位置，对载流子并没有贡献，并且高能离子的注入会对晶格照成一定的损伤。离子注入给晶体照成的损伤，将直接影响半导体器件的导电性。如散射中心的增加，使载流子迁移率下降，缺陷的增多，使非平衡载流子的寿命减小；在有些情况下，损伤会形成电活性中心，改变载流子浓度；同时注入层晶体的损伤还会使电导下降，P-N结反向漏电流增大等等。
为了修复背部离子注入带来的缺陷并激活注入的杂质，就需要进行退火处理。硅片的退火有两种基本方法：高温炉退火和快速热退火(RTA)，通常采用的是高温炉退火的方法，在高温炉中只能将硅片加热到800℃～1000℃左右，并持续退火大约30分钟。在这样的温度和时间下进行热处理，会导致杂质的扩散过大，影响杂质分布，这是现代IC制造不希望看到的。而快速热退火(RTA)是用极快的升温速度和在目标温度短暂的持续退火时间对硅片进行退火处理，通常在快速热处理机(RTP)中进行。快速的升温和短暂的持续退火时间能够在晶格缺陷的修复、激活杂质和最小化杂质扩散三者之间取得优化，因而RTA是激活杂质并减小杂质再分布的最佳方法。
快速热退火工艺根据加热类型可分为三大类：绝热型、热流型和等温型。绝热型设备的热源通常是宽束相干光源，如准分子激光器。尽管这种退火系统在相同的温度下所需的加热时间最短，但是它存在几个严重的缺陷，包括温度和时间的控制困难，纵向温度梯度大以及设备成本高。热流型系统采用高强度点光源，如电子束或经过聚焦的激光，对硅片进行扫描。但是由于横向的热不均匀性造成的缺陷使其还不能应用于IC制造。等温型系统采用宽束辐射加热圆片许多秒钟，等温型系统在圆片的横向和纵向上引起的温度梯度是最小的。这种等温型系统一般采用非相干光源，如一组钨卤灯。由于等温型系统的优点，现在几乎所有的商用快速热退火系统(RTP)都采用等温型设计。
目前，各种功率器件的主流制造工艺(如图1所示)是在完成硅片(wafer)的正面工艺之后，进行硅片的背面工艺，如硅片背面的减薄、硅片背面的杂质注入和退火、在硅片背面蒸发或溅射金属形成硅片背面的金属层，完成背面工艺，得到功率器件。
其中，器件的背面金属与硅片之间的接触电阻(Rc，contact resistance)是一个重要的器件参数，对于功率器件来讲，使背面掺杂区与背面金属良好接触是器件背面工艺所追求的目标之一。前述各种功率器件的主流制造工艺均是在杂质离子注入和退火之后直接制作金属电极，然而，硅片背面杂质注入后，经过退火激活会形成一定深度的杂质分布层，若不减薄至背面杂质层，会造成背面金属和注入杂质区不能形成良好的欧姆接触，带来不必要的寄生多层结构，使功率器件的漏电流、通态压降和开关时间变大，直接导致所研制的功率器件不能应用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种功率器件衬底背面的离子注入方法，通过改进杂质注入与采用溶剂对硅片背面进行腐蚀的方法，使后续生长的金属能与背面掺杂区得到的良好接触以减小背面金属与硅片之间的接触电阻，消除不必要的寄生多层结构，使功率器件的漏电流、通态压降和开关时间降低。
本发明技术方案如下：
一种功率器件衬底背面的离子注入方法，如图2所示，在完成功率器件正面工艺步骤后，进行包括下述步骤的操作：
步骤1：在功率器件衬底背面注入硼或磷杂质离子；
步骤2：杂质离子激活；
步骤3：功率器件衬底背面减薄至杂质注入层；
步骤4：采用溅射或者蒸发方法在功率器件衬底背面生长金属铝层。
上述方案中，步骤1在功率器件衬底背面注入硼或磷杂质离子时，杂质离子的注入剂量为1×1013～2×1015cm-2，能量范围为30Kev～300Kev，注入深度为
Figure BDA0000049312780000031
本发明采用了较通常离子注入工艺较大的注入能量，使得离子注入深度增加，有利于步骤3对功率器件衬底背面进行减薄时，对减薄深度和速度的控制；也可采用逐步增大的注入能量，这样有利于杂质离子逐层分布，在步骤2对杂质离子进行激活时使杂质离子获得良好的扩散和分布。
上述技术方案中，步骤2对杂质离子进行激活时，可采用快速热退火工艺或者高温炉退火工艺。运用快速热退火时，退火温度为900℃～1100℃之间，退火时间为5-60s；运用高温炉退火时，退火温度在800℃～1000℃之间，退火时间为20-40min。
上述技术方案中，步骤3对功率器件衬底背面进行减薄时，可采用腐蚀工艺或研磨工艺，将功率器件衬底背面减薄至杂质注入层，可使得金属铝层与背面掺杂区形成良好的欧姆接触。
在步骤4采用溅射或者蒸发方法在功率器件衬底背面生长金属铝层后，通常还需在铝层表面蒸镀其他金属或合金作为最终的电极，比如：钛/镍/银；铬/银铜合金；铬/镍/银；钛/镍/金等。
本发明提供的一种功率器件衬底背面的离子注入方法，在完成正面工艺基础上，在完成离子注入(离子注入之前可对衬底背面进行减薄或不减薄处理)和离子激活后，不像传统工艺直接进行金属铝层淀积，而是采用腐蚀或研磨的方法将衬底背面减薄至杂质注入层之后再淀积金属铝层，这样能够减小后续淀积的金属铝与衬底之间的接触电阻，消除不必要的寄生多层结构，使功率器件的漏电流、通态压降和开关时间降低。本发明适用于体硅、碳化硅、砷化镓、磷化铟或锗硅等半导体材料制作的功率半导体器件。
附图说明
图1是现有的功率器件主流背面注入工艺流程示意图。
图2是本发明提出的功率器件衬底背面的离子注入方法流程示意图。
具体实施方式
一种功率器件衬底背面的离子注入方法，如图2所示，在完成功率器件正面工艺步骤后，进行包括下述步骤的操作：
步骤1：在功率器件衬底背面注入硼或磷杂质离子；
步骤2：杂质离子激活；
步骤3：功率器件衬底背面减薄至杂质注入层；
步骤4：采用溅射或者蒸发方法在功率器件衬底背面生长金属铝层。
上述方案中，步骤1在功率器件衬底背面注入硼或磷杂质离子时，杂质离子的注入剂量为1×1013～2×1015cm-2，能量范围为30Kev～300Kev，注入深度为
Figure BDA0000049312780000041
本发明采用了较通常离子注入工艺较大的注入能量，使得离子注入深度增加，有利于步骤3对功率器件衬底背面进行减薄时，对减薄深度和速度的控制；也可采用逐步增大的注入能量，这样有利于杂质离子逐层分布，在步骤2对杂质离子进行激活时使杂质离子获得良好的扩散和分布。
上述技术方案中，步骤2对杂质离子进行激活时，可采用快速热退火工艺或者高温炉退火工艺。运用快速热退火时，退火温度为900℃～1100℃之间，退火时间为5-60s；运用高温炉退火时，退火温度在800℃～1000℃之间，退火时间为20-40min。
上述技术方案中，步骤3对功率器件衬底背面进行减薄时，可采用腐蚀工艺或研磨工艺，将功率器件衬底背面减薄至杂质注入层，可使得金属铝层与背面掺杂区形成良好的欧姆接触。
在步骤4采用溅射或者蒸发方法在功率器件衬底背面生长金属铝层后，通常还需在铝层表面蒸镀其他金属或合金作为最终的电极，比如：钛/镍/银；铬/银铜合金；铬/镍/银；钛/镍/金等。
本发明在完成正面工艺基础上，在完成离子注入(离子注入之前可对衬底背面进行减薄或不减薄处理)和离子激活后，不像传统工艺直接进行金属铝层淀积，而是采用腐蚀或研磨的方法将衬底背面减薄至杂质注入层之后再淀积金属铝层，这样能够减小后续淀积的金属铝与衬底之间的接触电阻，消除不必要的寄生多层结构，使功率器件的漏电流、通态压降和开关时间降低。本发明适用于体硅、碳化硅、砷化镓、磷化铟或锗硅等半导体材料制作的功率半导体器件。
应当说明，在本技术领域内，凡是基于本发明技术方案上的非实质性变化与改进，不应该排除在本发明的保护范围之外。

Claims (5)

1.一种功率器件衬底背面的离子注入方法，在完成功率器件正面工艺步骤后，进行包括下述步骤的操作：
步骤1：在功率器件衬底背面注入硼或磷杂质离子；在功率器件衬底背面注入硼或磷杂质离子时，杂质离子的注入剂量为1×1013～2×1015cm-2，能量范围为30Kev～300Kev，注入深度为
Figure FDA0000123690630000011
步骤2：杂质离子激活；
步骤3：功率器件衬底背面减薄至杂质注入层；
步骤4：采用溅射或者蒸发方法在功率器件衬底背面生长金属铝层。
2.根据权利要求1所述的功率器件衬底背面的离子注入方法，其特征在于，步骤2对杂质离子进行激活时，采用快速热退火工艺或者高温炉退火工艺。
3.根据权利要求2所述的功率器件衬底背面的离子注入方法，其特征在于，所述快速热退火工艺的退火温度为900℃～1100℃之间，退火时间为5-60s。
4.根据权利要求2所述的功率器件衬底背面的离子注入方法，其特征在于，所述高温炉退火工艺的退火温度在800℃～1000℃之间，退火时间为20-40min。
5.根据权利要求1所述的功率器件衬底背面的离子注入方法，其特征在于，步骤3对功率器件衬底背面进行减薄时的工艺方法为腐蚀工艺或研磨工艺。
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