功率半导体元件及其制造方法技术

本发明专利技术涉及一种功率半导体元件及其制造方法，该功率半导体元件包括半导体基板、金属氧化物半导体区、N型缓冲区、P型注入区、背向沟槽区及集极金属区。半导体基板具有第一表面及第二表面。金属氧化物半导体区形成于第一表面，且定义N型高阻值区。N型缓冲区以离子注入的方式注入形成于第二表面。P型注入区以离子注入的方式注入形成于N型缓冲区，并经至少一次离子激光退火。背向沟槽区形成于P型注入区以及部分的N型缓冲区。集极金属区形成于P型注入区以及背向沟槽区，使通过集极金属区、P型注入区及N型缓冲区的短路形成一并联的反向二极管结构。本发明专利技术的功率半导体元件可大幅降低封装面积及封装与制造成本，也可使元件特性稳定。

Power semiconductor device and method of manufacturing the same

The invention relates to a power semiconductor element and its manufacturing method, the power semiconductor device includes a semiconductor substrate, N type metal oxide semiconductor area, buffer area and the P type injection region, back to the trench region and collector metal zone. A semiconductor substrate having a first surface and a two surface. A metal oxide semiconductor region is formed on the first surface and defines a N type high resistance region. The N buffer is injected into the second surface by ion implantation. The P type injection region is injected into the N buffer region by ion implantation and annealed at least once. The back channel region is formed in the P type injection region and part of the N buffer. The collector metal region is formed in the P type injection region and the back groove region, so as to form a parallel reverse diode structure through the short circuit of the collector metal region, the P type injection region and the N buffer. The power semiconductor device of the invention can greatly reduce the packaging area, the package and the manufacturing cost, and can also stabilize the component characteristics.

【技术实现步骤摘要】

本案涉及一种功率半导体元件，特别涉及一种具有反向二极管结构的功率半导体元件及其制造方法。
技术介绍
于现代生活中，由于科技的蓬勃发展，多元化的电子产品不断推陈出新，各式各样的电子装置已成为与生活密不可分的工具或娱乐，例如应用于自动车辆的仪表装置、导航系统等，普及率最高的智能手机及平板电脑等，以及多种类的声光玩具、遥控设备等。其中，电子装置内不可或缺的主要元件为半导体元件，例如功率半导体、晶体管、放大器或开关元件等，又以功率半导体为工业制造上的大宗。举例而言，功率半导体主流产品之一为绝缘栅双极晶体管(InsulatedGateBipolarTransistor,IGBT)，其基本封装为三端点的功率半导体，特点为高效率及切换速度，为改善功率双极性接面型晶体管(BipolarJunctionTransistor,BJT)的工作状况而诞生。绝缘栅双极晶体管结合了场效晶体管栅极易驱动的特性与双极性晶体管耐高电流与低导通电压压降等特性，常用于中高容量功率场合，如切换式电源供应器、马达控制与电磁炉等。请参阅图1及图2，其中图1显示传统绝缘栅双极晶体管的结构示意图，以及图2显示习用绝缘栅双极晶体管与二极管并联封装的示意图。如图1及图2所示，当传统绝缘栅双极晶体管1使用在某些电路系统，例如电感负载电路时，必须额外搭配一反向并联的二极管2应用，以使反向电流通过并保护绝缘栅双极晶体管1，公知技术的作法将独立的绝缘栅双极晶体管1芯片与独立的二极管2芯片一同封装为绝缘栅双极晶体管元件3，然此方式除增加封装面积外，也会使封装成本升高。请参阅图3，其显示传统逆导式绝缘栅双极晶体管元件的结构示意图。如图3所示，由于半导体元件朝集成化发展，为了节省电路上的零件，遂开发出将绝缘栅双极晶体管和二极管结合在一起的绝缘栅双极晶体管元件，一般称为逆导式绝缘栅双极晶体管(ReverseConductingIGBT,RC-IGBT)元件。逆导式绝缘栅双极晶体管元件4具有双向导通功能，即具有正向导通模式和反向导通模式，能够减少电路中所封装的芯片和打线数量，也因此能降低元件整体的制造成本。公知技术常见作法是在绝缘栅双极晶体管底部以黄光及离子注入技术来形成P/N交错的图形，P型区和N型区皆在同一平面上，借着金属来造成短路接触，在电路上即可形成内建二极管的逆导式绝缘栅双极晶体管元件4。然而，因为此种逆导式绝缘栅双极晶体管元件的P/N交错图形以掩模(Mask)及离子注入方式形成，离子回火工艺容易导致横向扩散问题，注入轮廓不易控制，进而导致元件特性不稳定等缺点。是以，如何发展一种可改善上述公知技术缺失的功率半导体及其制造方法，实为目前尚待解决的问题。
技术实现思路
本案的主要目的为提供一种功率半导体元件及其制造方法，使解决传统绝缘栅双极晶体管与反向二极管并联封装所造成的高封装面积及高封装成本问题，避免制造逆导式绝缘栅双极晶体管元件的离子回火工艺的横向扩散问题，同时更降低注入轮廓控制难度，以及避免元件特性不稳定等缺点。本案的另一目的为提供一种功率半导体元件及其制造方法，通过集极金属区、P型注入区与N型缓冲区的短路相接，以形成具有一并联的反向二极管结构的功率半导体元件，可达到大幅降低封装面积及封装与制造成本的功效，也可避免传统离子回火工艺的横向扩散问题，进而使元件特性稳定。本案的另一目的为提供一种功率半导体元件及其制造方法，通过背向沟槽区的形成，以及将集极金属区填满全部的背向沟槽区，其晶背沟槽区结构可增加金属接触面积、降低接触电阻，并有利于金属与硅基材间的附着。为达上述目的，本案的一较广实施方式为提供一种功率半导体元件，包括：一半导体基板，具有一第一表面及一第二表面；一金属氧化物半导体区，形成于该第一表面，且定义该半导体基板的一N型高阻值区；一N型缓冲区，以离子注入的方式注入形成于该第二表面；一P型注入区，以离子注入的方式注入形成于该N型缓冲区，并经至少一次离子激光退火；至少一背向沟槽区，形成于该P型注入区以及部分的该N型缓冲区；以及一集极金属区，形成于该P型注入区以及该背向沟槽区，使通过该集极金属区、该P型注入区及该N型缓冲区的短路形成一并联的反向二极管结构。于一些实施例中，该集极金属区填满全部的该背向沟槽区。于一些实施例中，该N型缓冲区具有一第三表面及一第四表面，其中该第三表面与该第二表面相连接，且该P型注入区形成于该第四表面。该P型注入区还具有一第五表面及一第六表面，其中该第五表面与该第四表面相连接，且该第六表面相对于该第五表面。此外，功率半导体元件还包括一射极金属区，其中该射极金属区形成于该金属氧化物半导体区之上，该集极金属区形成于该第六表面，且该射极金属区相对该集极金属区形成。于一些实施例中，该背向沟槽区以晶背黄光工艺、晶背蚀刻工艺以及晶背去光致抗蚀剂工艺形成，且该集极金属区以晶背集极金属沉积工艺形成。于一些实施例中，该金属氧化物半导体区为一沟槽式金属氧化物半导体区或一平面式金属氧化物半导体区。为达上述目的，本案的另一较广实施方式为提供一种功率半导体元件的制造方法，至少包括步骤：(a)提供一半导体基板；(b)于该半导体基板的一第一表面形成一金属氧化物半导体区，并研磨该半导体基板的一第二表面；(c)以离子注入的方式于该半导体基板的一第二表面注入形成一N型缓冲区；(d)以离子注入的方式于该N型缓冲区注入形成一P型注入区；(e)对该P型注入区进行至少一次离子激光退火工艺；(f)进行一晶背黄光工艺、一晶背蚀刻工艺以及一晶背去光致抗蚀剂工艺，以形成至少一背向沟槽区于该P型注入区及部分的该N型缓冲区；以及(g)于该P型注入区以及该背向沟槽区进行金属沉积，以形成一集极金属区，使通过该集极金属区、该P型注入区及该N型缓冲区的短路形成一并联的反向二极管结构。于一些实施例中，该集极金属区填满全部的该背向沟槽区。于一些实施例中，该步骤(c)后还包括步骤：(h)选择性地对该N型缓冲区进行一激光退火工艺。本专利技术的功率半导体元件及其制造方法，通过集极金属区、P型注入区与N型缓冲区的短路相接，以形成具有一并联的反向二极管结构的功率半导体元件，可达到大幅降低封装面积及封装与制造成本的功效，也可避免传统离子回火工艺的横向扩散问题，进而使元件特性稳定。同时，通过背向沟槽区的形成，以及将集极金属区填满全部的背向沟槽区，其晶背沟槽区结构可增加金属接触面积、降低接触本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种功率半导体元件，包括：一半导体基板，具有一第一表面及一第二表面；一金属氧化物半导体区，形成于该第一表面，且定义该半导体基板的一N型高阻值区；一N型缓冲区，以离子注入的方式注入形成于该第二表面；一P型注入区，以离子注入的方式注入形成于该N型缓冲区，并经至少一次离子激光退火；至少一背向沟槽区，形成于该P型注入区以及部分的该N型缓冲区；以及一集极金属区，形成于该P型注入区以及该背向沟槽区，使通过该集极金属区、该P型注入区及该N型缓冲区的短路形成一并联的反向二极管结构。

【技术特征摘要】
2014.11.12 TW 1031391471.一种功率半导体元件，包括：
一半导体基板，具有一第一表面及一第二表面；
一金属氧化物半导体区，形成于该第一表面，且定义该半导体基板的一
N型高阻值区；
一N型缓冲区，以离子注入的方式注入形成于该第二表面；
一P型注入区，以离子注入的方式注入形成于该N型缓冲区，并经至少
一次离子激光退火；
至少一背向沟槽区，形成于该P型注入区以及部分的该N型缓冲区；以
及
一集极金属区，形成于该P型注入区以及该背向沟槽区，使通过该集极
金属区、该P型注入区及该N型缓冲区的短路形成一并联的反向二极管结构。
2.根据权利要求1所述的功率半导体元件，其中该集极金属区填满全部
的该背向沟槽区。
3.根据权利要求1所述的功率半导体元件，其中该N型缓冲区具有一
第三表面及一第四表面，其中该第三表面与该第二表面相连接，且该P型注
入区形成于该第四表面。
4.根据权利要求3所述的功率半导体元件，其中该P型注入区还具有一
第五表面及一第六表面，其中该第五表面与该第四表面相连接，且该第六表
面相对于该第五表面。
5.根据权利要求4所述的功率半导体元件，还包括一射极金属区，其中
该射极金属区形成于该金属氧化物半导体区之上，该集极金属区形成于该第
六表面，且该射极金属区相对该集极金属区形成。

【专利技术属性】
技术研发人员：张建平，
申请(专利权)人：台湾茂矽电子股份有限公司，
类型：发明
国别省市：中国台湾;71