场终止绝缘栅双极型晶体管中的背侧掺杂激活制造技术

在制造前侧IGBT结构后没有背侧激光掺杂物激活或任何温度超过450℃的工艺的情况下制造的场终止绝缘栅双极型晶体管(IGBT)提供具有受控制的掺杂浓度的激活注入区。注入区可以通过外延生长或者离子注入和扩散形成在衬底上或衬底中，然后生长N场终止和漂移层以及前侧制造IGBT有源单元。背侧材料去除可以暴露(多个)注入区以与背侧金属电连接。替代地，在前侧制造IGBT有源单元之后，背侧材料去除可以暴露场终止层(或注入区)，并且使用具有良好控制的掺杂浓度的硅靶的溅射可以形成具有良好控制的掺杂浓度的空穴或电子注入区。

Back doping activation in field terminated IGBT

【技术实现步骤摘要】
场终止绝缘栅双极型晶体管中的背侧掺杂激活相关申请的交叉引用本专利文件要求于2018年10月1日提交的美国临时专利申请号62/739813，其全部内容通过引用并入本文。
技术介绍
绝缘栅双极型晶体管(IGBT)器件通常包括驱动双极结型晶体管(BJT)的宽基极的金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。垂直IGBT已成为高电流和高电压用途的关键功率器件，特别是用于电机控制和感应加热类型应用。正在进行的研究和开发继续尝试改进IGBT的安全操作区域(SOA)并提高IGBT的效率和稳健性。用于改善垂直IGBT的一些目标包括减小正向集电极-发射极电压降(VCE-Sat)并使开关损耗最小化。正向集电极-发射极电压降的主要来源是器件的顶表面上的发射极与垂直IGBT的背侧上的集电极之间的厚的轻掺杂漂移区。场终止IGBT在漂移区和集电极之间采用更重掺杂的场终止层。在场终止IGBT的关断状态下，发射极和集电极之间的电场强度在漂移区内缓慢降低，并且在更导电的场终止层内更快地降低。场终止IGBT因此可以具有较薄的漂移层并且仍然在关断状态下耐受给定电压，并且较薄的漂移层降低导通状态电阻和正向电压降(VCE-Sat)。IGBT的正向压降(VCE-Sat)还可以通过降低MOSFET的漏-源电阻(Rds)来降低，该MOSFET为垂直PNPBJT提供基极电流，并且因此提供垂直型PNPBJT的N基极的载流子调制。可以通过在IGBT的上部的多个MOSFET单元之间分流电流来减小MOSFET电阻Rds。遗憾的是，PNPBJT的N基极中的载流子调制或载流子存储的高电平通过减慢IGBT的关断速度而增加开关损耗，这降低了IGBT的SOA。另一个问题是低MOSFETRds典型地在负载短路模式期间导致较高的饱和和较短的耐受时间，例如用于电机驱动应用。基于作为MOSFET的一部分的寄生型NPNBJT的发射极/源极短路对于防止锁定和增强IGBT稳健性是至关重要。P+空穴注入极的掺杂浓度以及IGBT的N场终止或N缓冲区的掺杂浓度可以用于控制MOSFET进入IGBT的垂直型BJT的基极的注入效率。因此，控制连接到集电极电极和N缓冲区的P型空穴注入区的掺杂浓度对于IGBT的器件性能是至关重要的。在不同的IGBT设计中使用若干类型的P型空穴注入结构。穿通型IGBT结构通常使用P+衬底晶片，其具有N缓冲区的和在P+衬底上外延生长的N-漂移区。然而，P+晶片中的掺杂浓度通常不能很好地控制。为了降低P型空穴注入和N场终止区域的掺杂浓度变化，在完成IGBT前侧晶片处理之后，可以研磨晶片的背侧并用磷或氢离子注入以形成N场终止区域，和用硼离子注入以形成P型空穴注入区。通常需要掺杂激活工艺(例如，退火)以去除在离子注入期间形成的缺陷并激活注入的磷杂质以变成N型掺杂物和注入的硼杂质以变成晶体硅中的P型掺杂物。即使在N型外延生长期间形成具有期望的掺杂浓度的N场终止并且从减薄的IGBT晶片的背侧仅注入硼的情况，但是仍然需要激活硼杂质以形成P型空穴注入区。激活过程对于晶片前侧上的结构可能是有问题的。特别是在背侧工艺期间，晶片前侧的温度可能需要保持在450℃以下(对于只有铝的前侧金属而言甚至更低)，以防止金属层中的铝渗入(spike)到相邻的硅中并损坏前侧结构，特别是在IGBT的P体(Pbody)结处。为了保持前侧温度较低(例如，低于450℃)，可以使用激光退火工具，但是激光退火工具是昂贵的。替代地，可以使用在450℃左右退火的低温炉，但是在这个低温下，只有小部分注入的硼杂质被激活以充当P型掺杂物。已经提出或实现若干不同的场终止IGBT结构和制造方法。例如，标题为“Powersemiconductordeviceusingsiliconsubstrateasfieldstoplayerandmethodofmanufacturingthesame”的美国专利申请号7,645,659公开了通过在N衬底上生长N-外延层来制造场终止IGBT，其被减薄并用作N型场终止。标题为“Powerdeviceincludingafieldstoplayer”的美国专利号9,685,335描述了使用外延生长以在IGBT中形成双场终止区。标题为“Verticalpowertransistorwithdualbufferregions”的美国专利号9,852,910公开了场终止IGBT结构，其具有在衬底上形成的包括N+岛的双N缓冲(场终止)区。标题为“Methodofminimizingfieldstopinsulatedgatebipolartransistor(IGBT)bufferandemitterchargevariation”的美国专利号8,283,213提出了通过在轻掺杂的衬底上N场终止和N-外延层的生长来制造垂直场终止IGBT的方法。另一个制造垂直场终止IGBT的方法公开在标题为“Injectioncontrolinsemiconductorpowerdevices”的美国专利号9,620,630中，该方法生长了包括P型外延层和硼注入到覆盖轻掺杂衬底的P外延层中的多个外延层。用于场终止IGBT的所有这些制造方法都需要通过炉或激光退火来背侧离子注入和激活。
技术实现思路
根据本专利技术的方面，各种场终止和薄IGBT结构和制造工艺不需要在前侧处理之后对晶片的背侧中注入的杂质进行高温或激光激活。背侧过程特别地可以在低于450℃，低于400℃或甚至在较低温度下进行。附图说明图1A示出了使用具有P+空穴注入层或P+空穴注入区的P衬底的IGBT晶片的示例实现方式的横截面图。图1B示出了使用具有包括多个岛的图案化P+空穴注入区的P衬底的IGBT晶片的示例实现方式的横截面图。图1C示出了包含多区段漂移层的IGBT晶片的示例实现方式的横截面图，其中P衬底包含P+空穴注入层或P+空穴注入区。图1D示出了包含多区段漂移层的IGBT晶片的示例实现方式的横截面图，其中P衬底包含具有多个岛的图案化的P+空穴注入区。图1E示出了用于使用N衬底制造RCIGBT的IGBT晶片的示例实现方式的横截面图，该N衬底包含P+空穴注入层或P+空穴注入区。图1F示出了用于制造包含多区段漂移层的RCIGBT的IGBT晶片的示例实现方式的横截面图，其中该N衬底包含具有多个岛的图案化的P+空穴注入区。图1G示出了包括无空穴注入区的P衬底的IGBT晶片的示例实现方式的横截面图。图1H示出了包括无空穴注入区的N衬底的IGBT晶片的示例实现方式的横截面图。图2A示出了采用背侧研磨之后保留的P+空穴注入层的沟槽场终止IGBT的示例实现方式的横截面图。图2B示出了在背侧研磨后保留的P-材料中采用图案化的P+空穴注入区的沟槽场终止IGBT的示例性实现方式的横截面图。图2C示出了在背侧研磨后保留的N型材料中采用多个P+区的场终止RCIGBT的示例实现方式的横截面图。图3A示出了在背侧处理之前包括在晶片的前侧上所制造的沟槽IGBT的晶片的示例实现方式的横截面图。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种垂直绝缘栅双极型晶体管(IGBT)结构，包括：/n衬底，所述衬底包括在所述衬底的前侧形成的第一导电类型的注入区，所述衬底的背侧被减薄以暴露所述注入区的底部；/n外延层，位于所述衬底的前侧上，所述外延层包括：/n第二导电类型的场终止区；和/n所述场终止区域上的第二导电类型的漂移区；/n多个绝缘栅双极型晶体管有源单元，位于所述漂移区中和所述漂移区上；以及/n背侧金属，位于所述衬底的背侧上并与所述注入区接触。/n

【技术特征摘要】
20181001 US 62/739,813;20190613 US 16/440,6961.一种垂直绝缘栅双极型晶体管(IGBT)结构，包括：
衬底，所述衬底包括在所述衬底的前侧形成的第一导电类型的注入区，所述衬底的背侧被减薄以暴露所述注入区的底部；
外延层，位于所述衬底的前侧上，所述外延层包括：
第二导电类型的场终止区；和
所述场终止区域上的第二导电类型的漂移区；
多个绝缘栅双极型晶体管有源单元，位于所述漂移区中和所述漂移区上；以及
背侧金属，位于所述衬底的背侧上并与所述注入区接触。


2.根据权利要求1所述的垂直绝缘栅双极型晶体管结构，其中所述衬底具有所述第一导电类型。


3.根据权利要求1所述的垂直绝缘栅双极型晶体管结构，其中所述注入区在位于所述绝缘栅双极型晶体管有源单元之下的区域中覆盖所述衬底的背侧。


4.根据权利要求1所述的垂直绝缘栅双极型晶体管结构，其中所述注入区覆盖所述衬底的背侧的第一图案化区域。


5.根据权利要求4所述的垂直绝缘栅双极型晶体管结构，其中所述注入区覆盖所述绝缘栅双极型晶体管器件的背侧的在10％和90％之间的百分比，所述百分比被选择为优化开关速度和导通状态电压Vce。


6.根据权利要求4所述的垂直绝缘栅双极型晶体管结构，还包括所述衬底的背侧的第二图案化的区域，所述注入区具有所述第一导电类型的掺杂物的第一浓度，并且所述第二图案化的区域中暴露的区具有所述第一导电类型的掺杂物的第二浓度，所述第二浓度低于所述第一浓度。


7.根据权利要求4所述的垂直绝缘栅双极型晶体管结构，其中所述绝缘栅双极型晶体管结构是反向导电绝缘栅双极型晶体管，并且还包括所述衬底的背侧的第二图案化的区域，其中所述衬底中的第二注入区在所述第二图案化的区域中暴露，具有所述第二导电类型，并且延伸到所述衬底的前侧，所述背侧金属还接触所述第二注入区。


8.根据权利要求7所述的垂直绝缘栅双极型晶体管结构，其中所述第二注入区包括在围绕所述有源绝缘栅双极型晶体管单元的终端边缘下方形成的电子注入区，以及以包含所述有源绝缘栅双极型晶体管单元的有源器件区域的下方为中心的圆形电子注入区。


9.根据权利要求1所述的垂直绝缘栅双极型晶体管结构，其中，所述第一导电类型是P型，并且所述第二导电类型是N型。


10.根据权利要求1所述的垂直绝缘栅双极型晶体管结构，其中所述衬底的掺杂浓度大于1e15cm-3但小于所述第一导电类型的掺杂物的5e16cm-3。


11.根据权利要求1所述的垂直绝缘栅双极型晶体管结构，其中所述注入区具有2e17cm-3和5e19cm-3之间的掺杂浓度以及在2至12微米范围的厚度。


12.根据权利要求8所述的垂直绝缘栅双极型晶体管结构，其中所述场终止区具有5e14cm-3和1e18cm-3之间的掺杂浓度以及在1至10微米范围的厚度。


13.根据权利要求1所述的垂直绝缘栅双极型晶体管结构，其中所述漂移区具有类似浴盆的掺杂分布。


14.根据权利要求1所述的垂直绝缘栅双极型晶体管结构，其中所述场终止区掺杂有注入的砷(As)或锑(Sb)。


15.根据权利要求1所述的垂直绝缘栅双极型晶体管结构，其中所述漂移区包括过渡区段，所述过渡区段具有5e14cm-3和5e15cm-3之间的掺杂浓度以及在2至5微米范围的厚度。


16.一种制造垂直绝缘栅双极型晶体管(IGBT)结构的方法，包括：
在半导体衬底的前侧注入并扩散第一导电类型的杂质以形成注入区；
在所述注入区上方的所述半导体衬底的前侧上生长第二导电类型的场终止层；
生长所述第二导电类型的场终止层的漂移区；
在所述漂移区中和所述漂移区上形成多个绝缘栅双极型晶体管有源单元；
在形成所述绝缘栅双极型晶体管有源单元之后，从所述半导体衬底的背侧去除材料以暴露所述注入区的底部；以及
沉积与所述注入区的底部接触的背侧金属。


17.根据权利要求16所述的方法，其中，生长所述漂移区包括：
在所述场终止区正上方生长所述漂移区的过渡区段，所述过渡区段具有低于所述场终止区的掺杂浓度的第一掺杂浓度；
在所述过渡区段上方生长所述漂移区的高压区段，所述过渡区段具有低于所述第一掺杂浓度的第二掺杂浓度，所述高压区段支持高压阻挡。


18.根据权利要求17所述的方法，还包括生长所述漂移区的表面区段，所述表面区段具有高于所述第二掺杂浓度的第三掺杂浓度。


19.根据权利要求17所述的方法，还包括通过在所述有源绝缘栅双极型晶体管单元的体区下方延伸的磷的高能离子注入来形成具有所述第二导电类型的高掺杂浓度的区。


20.根据权利要求16所述的方法，其中沉积所述背侧金属包括将铝：钛：镍：银或金溅射或真空蒸镀到所述衬底的背侧表面上。


21.根据权利要求16所述的方法，其中在背向金属沉积之后，还在低于450℃的温度下烧结，以改进所述背侧金属与所述注入区的欧姆接触。


22.根据权利要求16所述的方法，其中，所述第一导电类型是P型，并且所述第二导电类型是N型。


23.根据...

【专利技术属性】
技术研发人员：H耶尔马兹，
申请(专利权)人：艾鲍尔半导体，
类型：发明
国别省市：美国;US