埋多晶指內(nèi)透明集電區(qū)絕緣柵雙極晶體管及制造方法
【專利摘要】埋多晶指內(nèi)透明集電區(qū)絕緣柵雙極晶體管及制造方法，屬于絕緣柵雙極晶體管【技術(shù)領(lǐng)域】。在外延緩沖層之前，通過(guò)薄膜生長(zhǎng)工藝與光刻工藝形成二氧化硅或氮化硅介質(zhì)條，再通過(guò)同步外延，形成局域交叉分布的多晶硅指。最終通過(guò)常規(guī)穿通型IGBT的制造工藝，在集電區(qū)近集電結(jié)附近形成具有埋多晶指結(jié)構(gòu)的內(nèi)透明集電極IGBT。本發(fā)明可控性強(qiáng)，適用范圍廣，有利于實(shí)現(xiàn)低成本和高成品率，且器件性能優(yōu)良。
【專利說(shuō)明】埋多晶指內(nèi)透明集電區(qū)絕緣柵雙極晶體管及制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及埋多晶指內(nèi)透明集電區(qū)絕緣柵雙極晶體管制造方法，適用于耐壓范圍在1200V以下的中、低壓器件，表面MOS結(jié)構(gòu)可以平面柵和溝槽柵，屬于絕緣柵雙極晶體管【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]做為電力電子技術(shù)中重要的開(kāi)關(guān)器件，絕緣柵雙極晶體管(IGBT)因其兼具雙極結(jié)型晶體管(BJT)的低導(dǎo)通損耗和金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)開(kāi)關(guān)速度快、工作頻率高之優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于各種電能變換電路，例如:不間斷電源電路、電機(jī)變頻調(diào)速電路、逆變焊機(jī)電路等。IGBT最早由不同的研究者于1980年代前后分別分別提出(參見(jiàn) 1982IEDM Tech.Dig., pp.246-247，IEEE Transaction on Power Electronics, Vol.PE-2, N0.3，PP.194-207 )，經(jīng)過(guò)三十年發(fā)展，器件結(jié)構(gòu)——進(jìn)而性能指標(biāo)提高——取得了巨大改善。單就集電極(背發(fā)射極)結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，包括非透明集電極技術(shù)、透明集電極技術(shù)(參見(jiàn) 1989PESC Recordl， PP.21-25 ；1996ISPSD, PP.331-334 和 PP.164-172 ；2000ISPSD PP.355-358)和內(nèi)透明集電極技術(shù)(參見(jiàn)中國(guó)專利200710063086.2，2009ISPSDPP.287-290)。
[0003]非透明集電區(qū)技術(shù)是最早成熟投產(chǎn)的一類IGBT，它具有工藝成熟、易控制、成品率高等優(yōu)點(diǎn)。但需全局載流子壽命控制技術(shù)提高器件開(kāi)關(guān)速度，造成導(dǎo)通壓降VCEsat具有負(fù)溫度系數(shù)，熱電正反饋效應(yīng)很容易使電流集中，誘發(fā)二次擊穿，器件高溫穩(wěn)定性差，不利于并聯(lián)工作。
[0004]透明集電區(qū)技術(shù)是當(dāng)今高性能指標(biāo)IGBT普遍采用的一種結(jié)構(gòu)，尤其特別適合于千伏以上IGBT的制造，而對(duì)于制造耐壓在1200V及以下的大量應(yīng)用的IGBT時(shí)卻遇到一個(gè)很大的技術(shù)挑戰(zhàn):在硅片減薄到耐壓所需要的極薄厚度后一以耐壓600V的FS-1GBT為例，芯片最終需減薄到70 - 80微米——還要有多次清洗、離子注入、退火、金屬化淀積、合金等等，如何保持不碎片、不翹曲、缺陷低、成品率高是一個(gè)極嚴(yán)峻的問(wèn)題。這使這種技術(shù)在低壓IGBT制造的推廣應(yīng)用遇到困難。
[0005]內(nèi)透明集電極IGBT是新一類IGBT結(jié)構(gòu)，它采用與傳統(tǒng)非透明集電區(qū)IGBT兼容的簡(jiǎn)單工藝，實(shí)現(xiàn)了透明集電區(qū)IGBT的性能。本發(fā)明提出一種新的制造技術(shù)方案。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明針對(duì)內(nèi)透明集電區(qū)IGBT，提出一種新的制造技術(shù)，在外延緩沖層之前，通過(guò)薄膜生長(zhǎng)工藝與光刻工藝形成二氧化硅或氮化硅介質(zhì)條，再通過(guò)同步外延，形成局域交叉分布的多晶硅指(本發(fā)明的“指”為條紋狀)。之后按照常規(guī)穿通型IGBT的制造工藝，在集電區(qū)近集電結(jié)附近形成具有埋多晶指結(jié)構(gòu)的內(nèi)透明集電極IGBT。由于晶粒間界的存在，多晶硅層的能帶結(jié)構(gòu)中會(huì)在禁帶引入缺陷能級(jí)，可以極大降低多晶硅層及附近區(qū)域過(guò)剩載流子壽命，這是它可以使集電區(qū)內(nèi)透明的關(guān)鍵，也是本發(fā)明技術(shù)的重點(diǎn)。[0007]埋多晶指內(nèi)透明集電區(qū)絕緣柵雙極晶體管制造方法，其特征在于，形成埋多晶硅層，該制造方法可以通過(guò)調(diào)整介質(zhì)層的寬度，控制多晶硅層的寬度和高度，范圍從I μ m-2 μ m0包括以下步驟工藝:
[0008]I)在電阻率為0.001 - 0.02 Ω cm (100)晶向單晶硅P+襯底生長(zhǎng)薄介質(zhì)層(參見(jiàn)附圖2 (a)之區(qū)域9 )，介質(zhì)層可以是二氧化硅，厚度在2000埃-2500埃范圍，或者氮化硅，厚度在100埃-200埃范圍；
[0009]2)進(jìn)行一次光刻刻蝕工藝，形成均勻分布的介質(zhì)層條紋(參見(jiàn)附圖2(b_l)之區(qū)域
2)，俯視效果參見(jiàn)圖2(b-2)，介質(zhì)條紋的寬度(參見(jiàn)附圖2 (13-2)之21)控制在14 111-2 4 111，間距(參見(jiàn)附圖2 (b-2)之22)在0.5 μ m-Ι μ m之間。
[0010]3)多晶硅-單晶硅同步外延形成多晶指-單晶指交替分布結(jié)構(gòu):外延過(guò)程包括:A.去除步驟2)介質(zhì)條紋間單晶硅P+襯底表面的自然氧化層，露出新鮮生長(zhǎng)界面；此工藝過(guò)程對(duì)氮化硅介質(zhì)條紋厚度影響很少，對(duì)采用二氧化硅做介質(zhì)條紋的結(jié)構(gòu)，條紋厚度會(huì)變薄，最終剩余二氧化硅介質(zhì)條紋厚度在100A埃300埃范圍；B.正式同步外延，同步外延過(guò)程中通腐蝕氣體H2或HCl，腐蝕氣體流量與源氣體流量之比為0.001 -0.02，例如采用硅烷外延，外延溫度980°C，硅烷流量為7.8SCCm，腐蝕氣體為氯化氫氣體，氯化氫氣體的流量為
0.1sccmo同步外延過(guò)程中，介質(zhì)條紋上生長(zhǎng)多晶娃,而介質(zhì)條間單晶娃上生長(zhǎng)單晶娃,單晶生長(zhǎng)優(yōu)勢(shì)超越多晶硅生長(zhǎng)，單晶硅(參見(jiàn)圖2 (c)之4)逐漸變寬，多晶硅(參見(jiàn)圖2 (c)之
3)逐漸變窄，直至單晶硅條完全橫向侵并多晶硅條，形成多晶指-單晶指交替分布結(jié)構(gòu)；其中同步外延層厚度(亦為多晶指高度)(圖2 (c)之31)優(yōu)選為1μπι-2μπι，且同步外延過(guò)程為摻雜外延-摻磷，磷摻雜濃度控制在IX 1018-5 X IO18CnT3。
[0011]4)外延緩沖層(參見(jiàn)圖1之6)和漂移區(qū)耐壓層(參圖1中的7)，此工藝在實(shí)際操作中與同步外延同工序進(jìn)行。最后完成正面MOS結(jié)構(gòu)(圖1中的8)、背面多層電極(圖1中的9)等的制備。此工藝步驟與常規(guī)穿通型IGBT工藝相同。
[0012]經(jīng)歷整個(gè)器件制造工藝后，P+襯底的雜質(zhì)會(huì)向外延層進(jìn)一步推進(jìn)，最終集電結(jié)位置圖2 (d)之位置5 (或圖1中的5)，它們距多晶硅層頂部的距離為1-2微米。
[0013]步驟2)中介質(zhì)層條紋寬決定著最終多晶娃的寬度,在同步外延時(shí)，同時(shí)決定著多晶硅的厚度，而多晶的寬度與厚度將決定最終內(nèi)透明集電區(qū)的透明效果，是器件設(shè)計(jì)制造的關(guān)鍵。
[0014]本發(fā)明與傳統(tǒng)穿通型(PT)-1GBT類似，但增加以下兩個(gè)關(guān)鍵步驟:1)緩沖層與耐壓層外延前通過(guò)介質(zhì)生長(zhǎng)與光刻技術(shù)形成介質(zhì)層條形圖案；2)利用單晶硅-多晶硅同步外延工藝獲得一層單晶指-多晶指交替分布的過(guò)渡層。過(guò)渡層的特點(diǎn)是單晶條寬逐漸變寬、多晶條寬逐漸變窄，最終單晶條完全占據(jù)整個(gè)晶圓。
[0015]以上本發(fā)明的制造方法和工序安排，與現(xiàn)有PT-1GBT制造流程有很好的兼容性，只需在常規(guī)工藝流程開(kāi)始前進(jìn)行薄氧氧化、光刻刻蝕及多晶單晶同步外延工藝。此外，這種方法，不僅適用于IGBT，而且適用于晶閘管和MOS控晶閘管，因而有廣泛的應(yīng)用范圍?？煽匦詮?qiáng)，適用范圍廣，有利于實(shí)現(xiàn)低成本和高成品率，且器件性能優(yōu)良。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0016]圖1埋多晶指內(nèi)透明集電區(qū)平面柵IGBT結(jié)構(gòu)示意圖(未含鈍化層)；[0017]圖2本發(fā)明制造技術(shù)包含的關(guān)鍵工藝
[0018](a)介質(zhì)層生長(zhǎng)；
[0019](b-1)介質(zhì)層光刻與刻蝕形成介質(zhì)條；
[0020](b-2)介質(zhì)條俯視圖；
[0021](c)多晶硅-單晶硅同步外延形成多晶-單晶交替分布結(jié)構(gòu)；
[0022](d)經(jīng)過(guò)其他常規(guī)穿通型IGBT工藝形成最終的結(jié)構(gòu)；
[0023]I——低阻(100 )晶向P+單晶襯底
[0024]2——埋介質(zhì)條
[0025]3——埋多晶硅指
[0026]4——同步外延過(guò)程中形成的單晶硅條
[0027]5——最終集電結(jié)位置
[0028]6——緩沖層
[0029]7——漂移區(qū)耐壓層
[0030]8-正面MOS結(jié)構(gòu)
[0031]9——背面多層電極
[0032]10——薄介質(zhì)層
[0033]21——薄介質(zhì)層條寬
[0034]22—薄介質(zhì)層間距
[0035]31——多晶指高度，亦為同步外延層厚度。
【具體實(shí)施方式】:
[0036]本發(fā)明技術(shù)的關(guān)鍵是形成局域壽命控制區(qū)的方法一埋多晶硅條生長(zhǎng)，只涉及常規(guī)的薄膜生長(zhǎng)、光刻工藝等，這些為通常技術(shù)人員所掌握和公知的技術(shù)。下面按照本發(fā)明的技術(shù)方案，給出具體埋多晶硅內(nèi)透明集電區(qū)IGBT的制造方法來(lái)說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)施可行性。
[0037]實(shí)施例1:氮化硅做介質(zhì)層的埋多晶指內(nèi)透明集電區(qū)絕緣柵雙極晶體管制造
[0038]采用本發(fā)明制造一種具有內(nèi)透明集電區(qū)的η溝IGBT，耐壓600V。具體工藝制造步驟如下:(I)在電阻率為0.02 Ω Cm的(100)晶向ρ+襯底上通過(guò)化學(xué)氣相淀積生長(zhǎng)一層薄氮化硅，氮化硅的厚度為150埃；(2)采用光刻刻蝕工藝，形成條寬2 μ m、條間距I μ m的氮化硅條；(3)單晶硅和多晶硅同步外延，采用硅烷外延，HCl流量與載氣稀釋的硅烷流量之比為0.005。同步外延摻雜濃度約為2X IO18CnT3 ； (4)之后工藝按常規(guī)流程進(jìn)行，外延生長(zhǎng)，制備緩沖層和漂移區(qū)耐壓層，完成表面MOS制造，表面鈍化，背面減薄、背面多層電極等，最終形成如圖2 (d)所示的剖面結(jié)構(gòu)。
[0039]按此工藝形成的多晶硅層的厚度約2微米，多晶硅層上邊界離集電結(jié)的最終距離約為1.5微米左右。最終器件導(dǎo)通壓降典型值為1.7V，關(guān)斷過(guò)程的下降時(shí)間典型值為400ns。零溫度點(diǎn)對(duì)應(yīng)電流密度為50A/cm2左右，低于額定電流密度(通常為150-200A/cm2)，在器件工作范圍內(nèi)具有電壓正溫度系數(shù)。
[0040]實(shí)施例2:二氧化硅做介質(zhì)層的埋多晶指內(nèi)透明集電區(qū)絕緣柵雙極晶體管制造
[0041]采用本發(fā)明制造一種具有內(nèi)透明集電區(qū)的η溝IGBT，耐壓600V。具體工藝制造步驟如下:(I)在電阻率為0.005 Ω Cm的(100)晶向ρ+襯底上通過(guò)熱氧化工藝生長(zhǎng)一層二氧化娃，二氧化娃層的厚度為400埃；(2)采用光刻刻蝕工藝,形成條寬I μ m、條間距0.5 μ m的氧化硅條；(3)單晶硅和多晶硅同步外延，采用二氯氫硅外延，HCl流量為載氣稀釋的二氯氫硅流量之比為0.01。同步外延摻雜濃度約為5X IO18CnT3 ； (4)之后工藝按常規(guī)流程進(jìn)行，外延生長(zhǎng)，制備緩沖層和漂移區(qū)耐壓層，完成表面MOS制造，表面鈍化，背面減薄、背面多層電極等。
[0042]按此工藝最終剩余埋氧化層的厚度為250A，同步外延形成的多晶硅層的厚度約I微米，多晶硅層上邊界離集電結(jié)的最終距離約為2微米左右。最終器件導(dǎo)通壓降典型值為
1.6V，關(guān)斷過(guò)程的下降時(shí)間典型值為500ns。零溫度點(diǎn)對(duì)應(yīng)電流密度為60A/cm2左右，低于額定電流密度(通常為150-200A/cm2)，在器件工作范圍內(nèi)具有電壓正溫度系數(shù)。
【權(quán)利要求】
1.埋多晶指內(nèi)透明集電區(qū)絕緣柵雙極晶體管制造方法，其特征在于，局域壽命控制層為多晶指-單晶指交替分布的埋多晶硅層，包括以下步驟工藝: 1)在電阻率為0.0Ol 一 0.02 Qcm的(100)晶向單晶硅P+襯底生長(zhǎng)薄介質(zhì)層，介質(zhì)層是二氧化硅，厚度在2000埃-2500埃范圍，或者氮化硅，厚度在100埃-200埃范圍； 2)進(jìn)行一次光刻刻蝕工藝，形成均勻分布的介質(zhì)層條紋，介質(zhì)條紋的寬度控制在I μ m-2 μ m,丨旬足巨在0.5 μ m_l μ m之丨旬； 3)多晶硅-單晶硅同步外延形成多晶指-單晶指交替分布結(jié)構(gòu)，外延過(guò)程包括:Α.去除步驟2)介質(zhì)條紋間單晶硅P+襯底表面的自然氧化層，露出新鮮生長(zhǎng)界面；此工藝過(guò)程對(duì)氮化硅介質(zhì)條紋厚度影響很少，對(duì)采用二氧化硅做介質(zhì)條紋的結(jié)構(gòu)，條紋厚度會(huì)變薄，最終剩余二氧化硅介質(zhì)條紋厚度在100A埃300埃范圍；B.正式同步外延，同步外延過(guò)程中通腐蝕氣體H2或HCl，腐蝕氣體流量與源氣體流量之比為0.001 - 0.02，同步外延過(guò)程中，介質(zhì)條紋上生長(zhǎng)多晶娃，而介質(zhì)條間單晶娃上生長(zhǎng)單晶娃，單晶生長(zhǎng)優(yōu)勢(shì)超越多晶娃生長(zhǎng)，單晶硅逐漸變寬，多晶硅逐漸變窄，直至單晶硅條完全橫向侵并多晶硅條，形成多晶指-單晶指交替分布結(jié)構(gòu)，同步外延過(guò)程為摻磷外延，磷摻雜濃度控制在IX 1018-5 X IO18CnT3 ； 4)與同步外延工藝同工序進(jìn)行外延緩沖層和漂移區(qū)耐壓層，此工藝在實(shí)際操作中與同步外延工藝同工序進(jìn)行；最后完成正面MOS結(jié)構(gòu)、背面多層電極的制備。
2.按照權(quán)利要求1的方法，其特征在于，埋多晶指高度亦即同步外延的厚度為I μ m-2 μ m。
3.按照權(quán)利要求1-2的任一方法制備得到的埋多晶指內(nèi)透明集電區(qū)絕緣柵雙極晶體管。
4.按照權(quán)利要求1-3的任一方法制備得到的埋多晶指內(nèi)透明集電區(qū)絕緣柵雙極晶體管，最終集電結(jié)位置距多晶硅層頂部的距離為1-2微米。
【文檔編號(hào)】H01L21/331GK103515226SQ201310317124
【公開(kāi)日】2014年1月15日 申請(qǐng)日期:2013年7月25日 優(yōu)先權(quán)日:2013年7月25日
【發(fā)明者】胡冬青, 賈云鵬, 吳郁, 呂佩壕 申請(qǐng)人:北京工業(yè)大學(xué)