[发明专利]一种半导体功率器件背面的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种半导体功率器件的制造工艺，更具体地说是涉及一种半导体功率器件的硅片的背面加工工艺的新方法。

背景技术

晶闸管的商品化是由美国通用电气公司(GE)于1956年实现的。自此，晶闸管迅速成为电力电子领域的主要核心开关。由晶闸管结构派生出很多不同的器件结构。器件性能越来越好，功率水平越来越高。早期的晶闸管功率在几百瓦左右，到80年代初期，已经发展至兆瓦级。然而，晶闸管本身的结构限制了它的工作频率。晶闸管的工作频率一般低于5KHz，这大大限制了它的应用。80年代初期，出现了多种高频栅控功率器件，并得到了迅速发展。这些器件包括(i)功率MOS管，(ii)IGBT(绝缘栅双极型晶体管Insulated Gate Bipolar Transistor)，(iii)SIT，(iv)MCT(MOS控制闸流体MOS Controlled Thyristor)和(v)MGT等等，于90年代末，透明集电结穿通型IGBT开始投产，从那时起，IGBT迅速发展，并主导了中等功率范围的市场，以下以IGBT为例作说明作。

1980年，美国RCA公司申请了第一个IGBT专利，1985年日本东芝公司做出了第一个工业用IGBT。从器件的物理结构上来说，它是非透明集电极穿通型IGBT，简称为穿通型IGBT(Punchthrough IGBT-缩写为PT-IGBT)。PT-IGBT是制造在外延硅片上，一般是在P⁺衬底上生长一层n型缓冲区，然后再长一n^-区，要制造1200V耐压器件，便需要生长一n型缓冲区，掺杂浓度约为1×10¹⁷/cm³，厚度约为10μm，然后再生长一外延层厚度约为110μm，掺杂浓度约为5×10¹³/cm³至1×10¹⁴/cm³的n^-区，这是相当厚的外延层。若要制造耐压更高的PT-IGBT，如耐压为2500V或3300V，则n^-区需要更厚和更高的电阻率。生长这样规格的外延，技术上有困难，而且成本会急剧增高，所以，PT-IGBT一般只适用于耐压为400V至1200V范围内。

早期的PT-IGBT的关断时间相对很长，约有数微秒，为了减短关断时间，提高开关速度，于90年代后，一般都引用高能粒子辐照技术(如电子辐照，氢离子或氦离子辐照等)减小器件中过剩载流子寿命。这种方法能提高PT-IGBT的开关速度，但会使通态电压降为负温度系数。即在导通状态下，如果保持流经集电极电流不变，则集电极至发电极之间的电压差会随温度升高而降低。在应用时，假如器件某处局部温度较高，则会有更多导通电流流经该处，这会使该处温度变得更高，从而有可能使器件进入一个正反馈状态，最后把器件烧毁，这电压降为负温度系数是PT-IGBT的一个性能缺陷。

如前所述，PT-IGBT一般只适用于耐压为400V至1200V范围内，若要制造耐压为1700V或2500V或3300V或以上，早期都用非穿通型IGBT(Non-punchthrough IGBT，缩写为NPT-IGBT)，器件直接制造在厚度有几百微米的FZ N型硅片上，器件集电结的P型区或P型/N型区是由离子注入形成的。这种非穿通型IGBT的电压降为正温度系数。这种集电结的结构也被用于器件如MCT或GTO等。由于集电结的掺杂由离子注入形成，注入的剂量可随意控制，若注入的P型掺杂剂量高，则会形成一般的高空穴注入效率集电结(即强集电极)；若注入的P型掺杂剂量小，则空穴注入效率低，而且电子可以经由扩散有效地流过P型区至金属接触处，这类集电结被称为弱集电结或透明集电结(或称为透明集电极)。于94与95年期间，弱集电结曾被用于NPT-IGBT和GTO(可关断晶闸管Gate Turnoff Thyristor)，若把弱集电结方法用来制造600V或1200V IGBT，则IGBT的集电结需要造在只有约60μm或约120μm厚的FZ N型硅片背面上，于94和95年期间，工业界还未有这种超薄硅片工艺能力。