一種絕緣柵雙極性晶體管的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種絕緣柵雙極性晶體管的制造方法，包括，提供第一導電類型的半導體襯底，該半導體襯底具有第一主面和第二主面；在所述半導體襯底的第一主面形成第一導電類型的離子注入層；在所述半導體襯底的第一主面外延形成第一導電類型的漂移區(qū)；將所述離子注入層形成場終止層；基于所述漂移區(qū)形成所述絕緣柵雙極性晶體管的第一主面結(jié)構(gòu)；自所述半導體襯底的第二主面開始減薄所述半導體襯底直到露出所述場終止層；在形成有所述場終止層的所述半導體襯底的第二主面繼續(xù)形成所述絕緣柵雙極性晶體管的剩余第二主面結(jié)構(gòu)。本發(fā)明不需要專用設備，現(xiàn)有NPT生產(chǎn)設備就可以完成整個流程。
【專利說明】一種絕緣柵雙極性晶體管的制造方法

【技術(shù)領域】
[0001]本發(fā)明屬于功率半導體器件【技術(shù)領域】，涉及絕緣柵雙極性晶體管(IGBT)，尤其是場終止型絕緣柵雙極性晶體管(FS-1GBT)的制備方法。

【背景技術(shù)】
[0002]IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor,絕緣柵雙極型晶體管)是在 VDMOS(Vertical Double-diffused M0SFET，垂直雙擴散場效應晶體管)的基礎上改進成的新器件，IGBT的縱向結(jié)構(gòu)己從最初的PT型(Punch Through,穿通型)單一結(jié)構(gòu)發(fā)展到了現(xiàn)在成熟的NPT型(Non-Punch Through,非穿通型)、FS型(Field-Stop,場終止型),在溝道結(jié)構(gòu)上主要有Planer (平面型)和Trench (溝槽型)。
[0003]FS-1GBT (場截止型絕緣柵雙極性晶體管)同時具有PT-1GBT (穿通型絕緣柵雙極性晶體管)和NPT-1GBT (非穿通型絕緣柵雙極性晶體管)的優(yōu)點。FS-1GBT利用N型場截止層使得電場分布由NPT型的三角形分布轉(zhuǎn)為了類梯形分布，縮短了器件的厚度，大幅降低了器件的導通壓降和損耗。但這給工藝增加了難度，目前FS結(jié)構(gòu)的IGBT制造主要采用的高能注入、激光退火、硅片鍵合、多次外延等方法來實現(xiàn)。高能注入，需要專用設備，甚至需要多次注入；激光退火需要專用的設備，目前國內(nèi)沒有成熟技術(shù)；硅片鍵合的方法同樣需要專用的設備；多次外延成本較高，同樣產(chǎn)能也會降低。上述方法生產(chǎn)成本較高，同NPT-1GBT生產(chǎn)設備相比，需要增加額外的設備投入。
[0004]現(xiàn)有技術(shù)中，F(xiàn)S-1GBT工藝流程如圖7，N+緩沖層彌補了 NPT-1GBT具有較厚耐壓層N-區(qū)的不足之處。PT結(jié)構(gòu)中，N-基區(qū)與P+發(fā)射區(qū)之間有一個N+區(qū)緩沖層，該層的N型摻雜濃度較N-基區(qū)高得多，其間的電場呈直角梯形分布，基區(qū)厚度較薄，但其電阻溫度系數(shù)不理想，不利于多芯片并聯(lián)的自均流效應的實現(xiàn)。FS型結(jié)構(gòu)中的緩沖層摻雜濃度比PT型結(jié)構(gòu)緩沖層N+濃度低，但比基區(qū)N-濃度高，于是電場在其間的分布呈斜角梯形分布，基區(qū)可以明顯減薄，卻還能保留正電阻溫度系數(shù)的特征。當然，這樣的制作難度增大了。因為FS-1GBT的緩沖層是靠離子注入，然后退火形成的，在這之前表面的金屬-氧化物-半導體場效應晶體管(metal-oxide-semiconductor field effect transistor,簡稱 “M0SFET”)結(jié)構(gòu)都已做完，如果離子注入后退火時間過長，溫度過高，勢必會導致表面MOSFET結(jié)構(gòu)中各p-n結(jié)結(jié)深發(fā)生變化，且已做成的表面MOSFET結(jié)構(gòu)的鋁層限制了退火溫度必須控制在500° C以下。所以，考慮到這點，F(xiàn)S-1GBT的N+緩沖層一般只能作到幾微米至幾十微米左右。但用如此薄的緩沖層做強電場中止層是很不安全的，所以制作時候?qū)に囈筝^高。
[0005]同時，現(xiàn)有技術(shù)FS結(jié)構(gòu)的IGBT制造主要采用高能注入、激光退火、硅片鍵合、多次外延等方法來實現(xiàn)，也有通過擴散和推阱然后再生長外延層實現(xiàn)FS結(jié)構(gòu)的方法。但是形成的FS層的濃度分布并不理想，濃度分布不是FS結(jié)構(gòu)需要的理想分布。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本部分的目的在于概述本發(fā)明的實施例的一些方面以及簡要介紹一些較佳實施例。在本部分以及本申請的說明書摘要和發(fā)明名稱中可能會做些簡化或省略以避免使本部分、說明書摘要和發(fā)明名稱的目的模糊，而這種簡化或省略不能用于限制本發(fā)明的范圍。
[0007]鑒于上述和/或現(xiàn)有IGBT的制造方法中存在的問題，提出了本發(fā)明。
[0008]因此，本發(fā)明的目的是提出一種IGBT的制造方法，該方法采用注入、外延、推阱的簡單方法實現(xiàn)buffer層濃度分布，本方法不需要專用設備，現(xiàn)有NPT生產(chǎn)設備就可以完成整個流程。
[0009]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了如下技術(shù)方案:一種絕緣柵雙極性晶體管的制造方法，包括，提供第一導電類型的半導體襯底，該半導體襯底具有第一主面和第二主面；在所述半導體襯底的第一主面形成第一導電類型的離子注入層；在所述半導體襯底的第一主面外延形成第一導電類型的漂移區(qū)；將所述離子注入層形成場終止層；基于所述漂移區(qū)形成所述絕緣柵雙極性晶體管的第一主面結(jié)構(gòu)；自所述半導體襯底的第二主面開始減薄所述半導體襯底直到露出所述場終止層；在形成有所述場終止層的所述半導體襯底的第二主面繼續(xù)形成所述絕緣柵雙極性晶體管的剩余第二主面結(jié)構(gòu)。
[0010]作為本發(fā)明所述絕緣柵雙極性晶體管的制造方法的一種優(yōu)選方案，其中:所述將所述離子注入層形成場終止層是在900°C?1300°C的條件下,高溫推講100?3000min。
[0011]作為本發(fā)明所述絕緣柵雙極性晶體管的制造方法的一種優(yōu)選方案，其中:所述基于所述漂移區(qū)形成所述絕緣柵雙極性晶體管的第一主面結(jié)構(gòu)包括:在形成有所述基區(qū)的所述半導體襯底的第一主面上形成柵氧層；在所述柵氧層上積淀形成多晶硅層；有選擇的在所述柵氧層和所述多晶硅層上經(jīng)過光刻、刻蝕工藝制得有源區(qū)注入窗口，自所述有源區(qū)注入窗口向所述基區(qū)注入第一導電類型的雜質(zhì)以形成有源區(qū)；在刻蝕有注入窗口的多晶硅層上形成介質(zhì)層；在所述介質(zhì)層上有選擇的光刻、刻蝕出與所述有源區(qū)和所述基區(qū)相通的接觸孔；在所述介質(zhì)層上形成金屬層以形成所述絕緣柵雙極性晶體管的第一電極。
[0012]作為本發(fā)明所述絕緣柵雙極性晶體管的制造方法的一種優(yōu)選方案，其中:所述在形成有所述場終止層的所述半導體襯底的第二主面繼續(xù)形成所述絕緣柵雙極性晶體管的剩余第二主面結(jié)構(gòu)包括:自所述半導體襯底的第二主面向所述場終止層注入第二導電類型的雜質(zhì)以形成注入?yún)^(qū)；在所述注入?yún)^(qū)上形成金屬層以形成所述絕緣柵雙極性晶體管的第二電極。
[0013]作為本發(fā)明所述絕緣柵雙極性晶體管的制造方法的一種優(yōu)選方案，其中:第一導電類型為N型，第二導電類型為P型，所述有源區(qū)為N+有源區(qū)，所述注入?yún)^(qū)為P+集電極區(qū)，第一電極為發(fā)射極，第二電極為集電極。
[0014]作為本發(fā)明所述絕緣柵雙極性晶體管的制造方法的一種優(yōu)選方案，其中:通過光亥|J、離子注入、擴散、高溫推阱、激活等工藝在所述半導體襯底的第一主面有選擇的形成第二導電類型的基區(qū)。
[0015]作為本發(fā)明所述絕緣柵雙極性晶體管的制造方法的一種優(yōu)選方案，其中:在所述半導體襯底的第一主面形成第一導電類型的離子注入層包括:在所述半導體襯底的第一主面進行第一導電類型的離子注入；在800°C?1200°C的條件下低溫推阱1min?60min形成離子注入層。
[0016]本發(fā)明提供了一種絕緣柵雙極性晶體管的制造方法，與現(xiàn)有技術(shù)相比，該方法先進行離子的注入和低溫推阱形成離子注入層，而后外延生成漂移區(qū)再高溫推阱形成FS-1GBT所需的場終止層。相對于目前制作FS-1GBT的工藝，本發(fā)明采用注入、外延、推阱的簡單方法實現(xiàn)buffer層的結(jié)構(gòu)，不需要專用設備，以現(xiàn)有NPT-1GBT生產(chǎn)設備就可以完成整個流程，buffer層厚度濃度均較理想，減薄控制也較容易，形成FS結(jié)構(gòu)IGBT。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]為了更清楚地說明本發(fā)明實施例的技術(shù)方案，下面將對實施例描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例，對于本領域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動性的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其它的附圖。其中:
[0018]圖1至圖6為發(fā)明一個實施例中各個制造工序得到絕緣柵雙極性晶體管的縱剖面示意圖；
[0019]圖7是現(xiàn)有技術(shù)制造FS-1GBT的過程示意圖。

【具體實施方式】
[0020]為使本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點能夠更加明顯易懂，下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的【具體實施方式】做詳細的說明。
[0021]在下面的描述中闡述了很多具體細節(jié)以便于充分理解本發(fā)明，但是本發(fā)明還可以采用其他不同于在此描述的其它方式來實施，本領域技術(shù)人員可以在不違背本發(fā)明內(nèi)涵的情況下做類似推廣，因此本發(fā)明不受下面公開的具體實施例的限制。
[0022]其次，本發(fā)明結(jié)合示意圖進行詳細描述，在詳述本發(fā)明實施例時，為便于說明，表示器件結(jié)構(gòu)的剖面圖會不依一般比例作局部放大，而且所述示意圖只是示例，其在此不應限制本發(fā)明保護的范圍。此外，在實際制作中應包含長度、寬度及深度的三維空間尺寸。
[0023]正如【背景技術(shù)】部分所述，現(xiàn)有技術(shù)的FS-1GBT采用高能注入，需要專用設備，甚至需要多次注入；激光退火需要專用的設備，目前國內(nèi)沒有成熟技術(shù)；硅片鍵合的方法同樣需要專用的設備；多次外延成本較高，同樣產(chǎn)能也會降低。上述方法生產(chǎn)成本較高，同NPT-1GBT生產(chǎn)相比，產(chǎn)能低、需要增加額外的設備投入，甚至引入薄片流通的風險。也有通過擴散和推阱然后再生長外延層實現(xiàn)FS結(jié)構(gòu)的方法。但是此種方法濃度分布不理想，控制減薄厚度存在難度。為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施方式作進一步地詳細描述。
[0024]本發(fā)明第一實施方式以娃片為半導體襯底，涉及一種制作FS-1GBT器件的方法，具體流程如圖1所示。
[0025]需要說明的是，本實施例中的半導體襯底可以包括半導體元素，例如單晶、多晶或非晶結(jié)構(gòu)的硅或硅鍺(SiGe)，也可以包括混合的半導體結(jié)構(gòu)，例如碳化硅、銻化銦、碲化鉛、砷化銦、磷化銦、砷化鎵或銻化鎵、合金半導體或其組合；也可以是絕緣體上硅(SOI)。此夕卜，半導體襯底還可以包括其它的材料，例如外延層或掩埋層的多層結(jié)構(gòu)。雖然在此描述了可以形成半導體襯底的材料的幾個示例，但是可以作為半導體襯底的任何材料均落入本發(fā)明的精神和范圍。
[0026]如圖1所示，第一步，提供第一導電類型的半導體襯底，該半導體襯底具有第一主面和第二主面。在本實施方式中，具體地說，首選N-型襯底101硅片，N-摻雜濃度和厚度根據(jù)所需要的IGBT特性選擇，例如擊穿電壓越高，N-的摻雜濃度要求越低，厚度要求越厚。
[0027]第二步，參見圖2，在所述半導體襯底(本實施例采用N-型襯底101)的第一主面形成第一導電類型的離子注入層。具體為，首先在襯底上先做N型雜質(zhì)注入。N型雜質(zhì)可以選擇低擴散速率或高擴散速率注入，選用低擴散速率的N型雜質(zhì)用于FS調(diào)整峰值濃度，保證推阱之后峰值濃度達到需要值；而選用高擴散速率的N型雜質(zhì)可以得到較低的前段濃度梯度，以及較深的結(jié)深。同樣在調(diào)整濃度分布的時候可以使用相反類型的P型雜質(zhì)用于補償N型雜質(zhì)，這樣更有利于得到需要的濃度梯度。在本實施例中，離子注入的能量為40KeV?200Ke V，劑量例如為 IEl 1/cm2 ~ lE16/cm2。
[0028]注入之后做低溫推阱。注入后的推阱，減小表面摻雜濃度，修復注入帶來的晶格缺陷，優(yōu)化摻雜表面對外延的影響。選擇較低溫度的原因是避免雜質(zhì)向內(nèi)部過多擴散，避免需要擴散至外延層的雜質(zhì)總量減少及峰值濃度降低，導致推阱后不能形成需要的buffer層。具體是在800°C?1200°C的條件下低溫推阱1min?60min，形成離子注入層201。
[0029]第三步，其實分成了先后兩步完成，首先在所述半導體襯底的第一主面外延形成第一導電類型的漂移區(qū)301，而后通過在900°C?1300°C的條件下高溫推阱10min?3000min,將所述離子注入層201形成場終止層302。先生長N-型外延，然后作業(yè)高溫推阱。先作業(yè)外延步驟利用自擴現(xiàn)象推阱，然后再進行高溫推阱，高溫推阱雜質(zhì)會雙向擴散，在N-外延層上形成需要的緩邊雜質(zhì)分布，低濃度梯度和較高的峰值濃度正是形成良好Buffer層的關(guān)鍵。該方法區(qū)別于一般擴散推阱外延方法的好處是，若采用先推阱后外延的方法會帶來擴散后N-外延層這邊FS層濃度梯度較大，與要求的低濃度梯度的FS層有較明顯的差別。
[0030]第四步，基于所述漂移區(qū)301采用正常IGBT工藝流程形成所述IGBT的第一主面結(jié)構(gòu)。
[0031]圖4中示意出了一種平面IGBT的第一主面結(jié)構(gòu)。所述IGBT的第一主面結(jié)構(gòu)包括:在所述漂移區(qū)301的上表面上有選擇的形成的P型基區(qū)(P-body)401，在所述P型基區(qū)401內(nèi)有選擇的形成的N型發(fā)射極區(qū)402，位于所述漂移區(qū)301的上表面上的柵氧化層403，在所述柵極氧化層403上形成的多晶硅柵極404(G)，覆蓋所述柵極氧化層403和多晶硅柵極404的介質(zhì)層405，以及與所述P型基區(qū)401和所述N型發(fā)射極區(qū)402電性接觸的正面金屬電極406 (即發(fā)射極E)。
[0032]圖4中只是示意性的示出了正面金屬電極406，事實上，正面金屬電極406可能會覆蓋整個介質(zhì)層405。此外，所述IGBT的正面結(jié)構(gòu)還可能包括形成于正面金屬電極406外側(cè)的鈍化層(未示出)，比如二氧化硅和氮化硅等介質(zhì)。
[0033]在其他實施例中，也可以制造溝槽型IGBT，所述溝槽型IGBT的正面結(jié)構(gòu)與圖4中的IGBT的正面結(jié)構(gòu)并不相同，不過現(xiàn)有技術(shù)中已經(jīng)公開了很多溝槽型IGBT，這里就不再重復描述了。需要知曉的是，從本發(fā)明的某個角度來說，本發(fā)明并不特別關(guān)心IGBT的具體正面結(jié)構(gòu)，只要有正面結(jié)構(gòu)并且能形成可以使用的IGBT器件即可。
[0034]從另一個角度來講，有關(guān)IGBT的第一主面結(jié)構(gòu)的具體制造工藝也不屬于本發(fā)明的重點，其可以采用現(xiàn)有的各種制造工藝制造而成，因此為了突出本發(fā)明的重點，有關(guān)IGBT的第一主面結(jié)構(gòu)的具體制造工藝在本文中并未被詳細描述。
[0035]第五步，如圖5所示，自所述N-型襯底101的第二主面開始減薄所述N-型襯底101直到露出所述場終止層302，對場終止層302的背面進行P型雜質(zhì)的離子注入，形成P型重摻雜集電區(qū)501。離子注入的P型雜質(zhì)例如為硼(B)、二氟化硼(BF2)等P型雜質(zhì)。離子注入的能量例如為10KeV?300KeV，劑量例如為lE12/cm2?lE16/cm2。退火激活時，退火溫度選在300°C?600°C之間，退火時間小于2小時，以保證較大激活率前提下背面集電區(qū)501擴散較慢，對集電區(qū)501和場終止層302形成的PN結(jié)深影響較小。
[0036]第六步，參見圖6，在所述集電區(qū)501外側(cè)通過采用濺射或蒸發(fā)的方式制得背面金屬電極(集電極C) 601，該背面金屬電極601與所述集電區(qū)501電性接觸。
[0037]所屬領域內(nèi)的普通技術(shù)人員應該能夠理解的是，本發(fā)明的特點或目的之一在于:首先完成IGBT的背面的相互間隔的P型集電極區(qū)和N型通道的制作，之后在外延漂移區(qū)15上制備IGBT的正面結(jié)構(gòu)，在正面結(jié)構(gòu)完成后僅需要做減薄和背面金屬化步驟，這樣對薄片流通能力沒有特殊要求，更不需要雙面曝光機設備。
[0038]應說明的是，以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管參照較佳實施例對本發(fā)明進行了詳細說明，本領域的普通技術(shù)人員應當理解，可以對本發(fā)明的技術(shù)方案進行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍，其均應涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當中。
【權(quán)利要求】
1.一種絕緣柵雙極性晶體管的制造方法，其特征在于:包括， 提供第一導電類型的半導體襯底，該半導體襯底具有第一主面和第二主面； 在所述半導體襯底的第一主面形成第一導電類型的離子注入層； 在所述半導體襯底的第一主面外延形成第一導電類型的漂移區(qū)； 將所述離子注入層形成場終止層； 基于所述漂移區(qū)形成所述絕緣柵雙極性晶體管的第一主面結(jié)構(gòu)； 自所述半導體襯底的第二主面開始減薄所述半導體襯底直到露出所述場終止層；在形成有所述場終止層的所述半導體襯底的第二主面繼續(xù)形成所述絕緣柵雙極性晶體管的剩余第二主面結(jié)構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的絕緣柵雙極性晶體管的制造方法，其特征在于:所述將所述離子注入層形成場終止層是在900°C?1300°C的條件下,高溫推講100?3000min。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的絕緣柵雙極性晶體管的制造方法，其特征在于: 所述基于所述漂移區(qū)形成所述絕緣柵雙極性晶體管的第一主面結(jié)構(gòu)包括: 在形成有所述基區(qū)的所述半導體襯底的第一主面上形成柵氧層； 在所述柵氧層上積淀形成多晶硅層； 有選擇的在所述柵氧層和所述多晶硅層上經(jīng)過光刻、刻蝕工藝制得有源區(qū)注入窗口，自所述有源區(qū)注入窗口向所述基區(qū)注入第一導電類型的雜質(zhì)以形成有源區(qū)； 在刻蝕有注入窗口的多晶硅層上形成介質(zhì)層； 在所述介質(zhì)層上有選擇的光刻、刻蝕出與所述有源區(qū)和所述基區(qū)相通的接觸孔； 在所述介質(zhì)層上形成金屬層以形成所述絕緣柵雙極性晶體管的第一電極。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的絕緣柵雙極性晶體管的制造方法，其特征在于: 所述在形成有所述場終止層的所述半導體襯底的第二主面繼續(xù)形成所述絕緣柵雙極性晶體管的剩余第二主面結(jié)構(gòu)包括: 自所述半導體襯底的第二主面向所述場終止層注入第二導電類型的雜質(zhì)以形成注入?yún)^(qū)； 在所述注入?yún)^(qū)上形成金屬層以形成所述絕緣柵雙極性晶體管的第二電極。
5.根據(jù)權(quán)利要求1?4任一所述的絕緣柵雙極性晶體管的制造方法，其特征在于: 第一導電類型為N型，第二導電類型為P型， 所述有源區(qū)為N+有源區(qū)，所述注入?yún)^(qū)為P+集電極區(qū)，第一電極為發(fā)射極，第二電極為集電極。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的絕緣柵雙極性晶體管的制造方法，其特征在于:通過光刻、離子注入、擴散、高溫推阱、激活等工藝在所述半導體襯底的第一主面有選擇的形成第二導電類型的基區(qū)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的絕緣柵雙極性晶體管的制造方法，其特征在于:在所述半導體襯底的第一主面形成第一導電類型的離子注入層包括: 在所述半導體襯底的第一主面進行第一導電類型的離子注入； 在800°C?1200°C的條件下低溫推阱1min?60min形成離子注入層。
【文檔編號】H01L21/331GK104282555SQ201310289822
【公開日】2015年1月14日 申請日期:2013年7月11日 優(yōu)先權(quán)日:2013年7月11日
【發(fā)明者】王萬禮, 王根毅, 鄧小社, 芮強 申請人:無錫華潤上華半導體有限公司