[发明专利]用多晶硅做寿命控制层的内透明集电极IGBT制造方法

说明书

技术领域：

本发明涉及一种半导体器件的制造方法，更具体说是涉及一种功率半导体开关器件的制造方法。

背景技术：

绝缘栅双极晶体管(IGBT)的发明带来了电力电子技术的变革，开启了电力电子技术的高频时代，为节约能源，节约材料和减小电力电子设备体积、重量等做出了巨大贡献。IGBT经过近30年的发展，综合性能不断进步。表征不同IGBT产品综合性能改善的重要方式之一，是描绘出代表器件静态功耗的通态电压V_CEsat与代表动态功耗的关断能耗E_off之间的折中曲线。不同IGBT产品的折中曲线中，距离原点越近的，综合性能就越好。

IGBT芯片背面的电极称为集电极，有时又称为背发射极或阳极。集电极与p型集电区(又称背发射区或阳极区)相连，而p型集电区又与n型基区构成集电结(又称背发射结)。当集电结(背发射结)的注入效率偏低、流经集电结或集电区的电流中电子流超过空穴流时，相关结构被称为“透明”的(transparent)集电结、集电区和集电极。1980年代初研究成功并投产的IGBT是非透明集电极穿通型IGBT，今天简称为穿通型IGBT(Punchthrough IGBT，缩写为PT-IGBT)。它在制造中通常用电子辐照减小硅中过剩载流子寿命来提高开关速度。这种方法造成了PT-IGBT的一个重要性能缺陷，即在导通状态下如果保持集电极电流不变则集电极一发射极之间的电压V_CEsat随温度升高而下降，就是常说的具有通态电压负温度系数。这一特性对PT-IGBT并联使用时的均流是不利的。早期开发的PT-IGBT的另一个缺点是，用电子辐照减小过剩载流子寿命的方法是一种全局性的寿命控制，是均匀地作用在整个芯片厚度上的。IGBT后来的发展证明，用全局寿命控制的方法所得到的IGBT的V_CEsat与E_off的折中曲线远未达到最佳的优化，后来研发的局域化寿命控制的PT-IGBT(参见IEEE Electron Device Letters，vol.18，no.7，1997，pp.333-335)和不进行寿命控制的一些新型IGBT如FS-IGBT(Infineon公司)和SPT-IGBT(ABB公司)等，都具有更优化的折中曲线。

1988年，西门子公司发明的透明集电极非穿通型IGBT(Non-Punchthrough IGBT，缩写为NPT-IGBT)采用了透明集电极技术，使NPT-IGBT具有与PT-IGBT相反的电压温度系数，即NPT-IGBT具有电压正温度系数。这是因为NPT-IGBT的集电极是由掺杂浓度较低而且厚度不到1微米的极薄的集电区直接连接到欧姆接触构成，在IGBT关断时存储在IGBT基区中的大量过剩电子能够以扩散流方式穿透极薄的集电区流出到欧姆接触处消失掉，使IGBT基区中存储的电荷迅速消失从而达到迅速关断。既然透明集电极的作用可以使IGBT迅速关断，NPT-IGBT就不需要高能粒子辐照来提高开关速度。因而避免了电子辐照引起的不良的电压负温度系数，而具有由迁移率决定的电压正温度系数。由于透明集电极技术的这种重大优点，自NPT-IGBT发明后新出现的各种IGBT基本都采用透明集电极技术。

然而，现有的采用透明集电极技术的各类IGBT结构，只是对于千伏以上IGBT的制造特别适合；而用于制造耐压不太高的1200V以下的大量应用的IGBT时却遇到一个很大的制造上的困难：因所需的硅片太薄，在包含光刻、刻蚀、离子注入、退火、表面金属化、钝化等在内的制造过程中易发生碎片、翘曲等，使制造难度大大增加，极易导致低成品率和高制造成本。例如Infineon公司耐压为600V的具有透明集电极的电场中止型IGBT(FS-IGBT)的管芯硅片厚度仅有70μm(参见Proc.of ISPSD 2003，pp.63-66)，耐压1200V的也只有100μm稍多一点。因而这种制造技术的推广应用遇到困难。现在世界上能解决这个制造工艺技术难题实现超薄片加工的只有很少几家公司。更何况IGBT还要向耐压600V以下领域发展，它需要更薄的硅片，制造技术上的困难就更大。