一種絕緣柵雙極型電晶體的製造方法

2023-06-26 21:13:36

一種絕緣柵雙極型電晶體的製造方法
【專利摘要】本發明公開了一種絕緣柵雙極型電晶體的製造方法，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二主面形成第一導電類型的場終止層；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；在形成有所述基區的所述半導體襯底的第一主面繼續形成所述絕緣柵雙極型電晶體的第一主面結構；和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形成所述絕緣柵雙極型電晶體的剩餘第二主面結構。本方法可以製作出具有高擊穿電壓、低漏電、導通壓降正溫度係數、低開關損耗且工序簡單產品可靠性高的IGBT。
【專利說明】一種絕緣柵雙極型電晶體的製造方法

【技術領域】
[0001] 本發明屬於功率半導體器件【技術領域】，涉及絕緣柵雙極型電晶體（IGBT)，尤其是 場終止型絕緣柵雙極型電晶體（FS-IGBT)的製備方法。

【背景技術】
[0002] IGBT(InsulatedGateBipolarTransistor，絕緣柵雙極型電晶體）是在VDMOS (VerticalDouble-diffusedM0SFET，垂直雙擴散場效應電晶體）的基礎上改進成的新器 件，IGBT的縱向結構己從最初的PT型（PunchThrough,穿通型）單一結構發展到了現在成 熟的NPT型（Non-PunchThrough,非穿通型)、FS型（Field-Stop,場終止型)，在溝道結構上 主要有Planer(平面型）和Trench(溝槽型)。
[0003]FS-IGBT(場截止型絕緣柵雙極型電晶體）同時具有PT-IGBT(穿通型絕緣柵雙極 型電晶體)和NPT-IGBT(非穿通型絕緣柵雙極型電晶體)的優點。FS-IGBT利用N型場截止 層使得電場分布由NPT型的三角形分布轉為了類梯形分布，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，目前通常採用先做正面工藝，背部薄片 後背注的方式來引入FS層，由於要保護正面金屬圖形，退火溫度不能過高，此時雜質激活 率很低，影響器件性能。目前各大公司PlanarFS-IGBT(平面場截止型絕緣柵雙極型晶體 管）的製作工藝大致分為二種：一是通過外延實現，但外延工藝時間較長，影響生產產能，夕卜 延成本較高且產品可靠性低；二是通過購買雙面擴散晶圓，但是，此晶圓成本較高，增加了 產品成本。
[0004] 現有技術中，FS-IGBT工藝流程如圖12,N+緩衝層彌補了NPT-IGBT具有較厚耐 壓層N-區的不足之處。PT結構中，N-基區與P+發射區之間有一個N+區緩衝層，該層的 N型摻雜濃度較N-基區高得多，其間的電場呈直角梯形分布，基區厚度較薄，但其電阻溫度 係數不理想，不利於多晶片並聯的自均流效應的實現。FS型結構中的緩衝層摻雜濃度比PT 型結構緩衝層N+濃度低，但比基區N-濃度高，於是電場在其間的分布呈斜角梯形分布，基 區可以明顯減薄，卻還能保留正電阻溫度係數的特徵。當然，這樣的製作難度增大了。因為 FS-IGBT的緩衝層是靠離子注入，然後退火形成的，在這之前表面的金屬-氧化物-半導體 場效應電晶體（metal-oxide-semiconductorfieldeffecttransistor，簡稱 "M0SFET"） 結構都已做完，如果離子注入後退火時間過長，溫度過高，勢必會導致表面MOSFET結構中 各p-n結結深發生變化，且已做成的表面MOSFET結構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，FS-IGBT的N+緩衝層一般只能作到1μm左右。但用如 此薄的緩衝層做強電場中止層是很不安全的，所以製作時候對工藝要求較高。


【發明內容】

[0005] 本部分的目的在於概述本發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、說明書摘要和發明名稱的目的模糊，而這種簡化或省略不能用於限制本發明的範圍。
[0006] 鑑於上述和/或現有IGBT的製造方法中存在的問題，提出了本發明。
[0007] 因此，本發明其中一個目的是提出一種IGBT的製造方法，該方法能夠製作出具有 高擊穿電壓、低漏電、導通壓降正溫度係數、低開關損耗且工序簡單產品可靠性高的IGBT。
[0008] 為解決上述技術問題，本發明提供了如下技術方案：一種絕緣柵雙極型電晶體的 製造方法，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二主面形成第一導電類型的場終止層；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；在形成有所述基區的所述半導體襯底的第一主 面繼續形成所述絕緣柵雙極型電晶體的第一主面結構；和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形成所述絕緣柵雙極型電晶體的剩餘第二主面結構。
[0009] 作為本發明所述絕緣柵雙極型電晶體的製造方法的一種優選方案，其中：所述在 形成有所述基區的所述半導體襯底的第一主面繼續形成所述絕緣柵雙極型電晶體的第一 主面結構包括：在形成有所述基區的所述半導體襯底的第一主面上形成柵氧化層；在所述 柵氧化層上積澱形成多晶矽層；有選擇的在所述柵氧層和所述多晶矽層上經過光刻、刻蝕 工藝製得有源區注入窗口，自所述有源區注入窗口向所述基區注入第一導電類型的雜質 以形成有源區；在刻蝕有注入窗口的多晶矽層上形成介質層；在所述介質層上有選擇的光 亥IJ、刻蝕出與所述有源區和所述基區相通的接觸孔；在所述介質層上形成金屬層以形成所 述絕緣柵雙極型電晶體的第一電極。
[0010] 作為本發明所述絕緣柵雙極型電晶體的製造方法的一種優選方案，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形成所述絕緣柵雙極型電晶體的 剩餘第二主面結構包括：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 的雜質以形成注入區；在所述注入區上形成金屬層以形成所述絕緣柵雙極型電晶體的第一 電極。
[0011] 作為本發明所述絕緣柵雙極型電晶體的製造方法的一種優選方案，其中：第一導 電類型為N型，第二導電類型為P型，所述有源區為N+有源區，所述注入區為P+集電極區， 第一電極為發射極，第二電極為集電極。
[0012] 作為本發明所述絕緣柵雙極型電晶體的製造方法的一種優選方案，其中：通過離 子注入、高溫推阱、激活工藝在所述半導體襯底的第二主面形成第一導電類型的場終止層。
[0013] 作為本發明所述絕緣柵雙極型電晶體的製造方法的一種優選方案，其中：通過離 子注入、高溫推阱、激活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。
[0014] 本發明提供了一種絕緣柵雙極型電晶體的製造方法，該方法將背面的FS區和正 面的第二類型阱區提前至柵氧化層形成之前。由於先形成較厚的FS，不影響之後製作的矽 片正面MOSFET等器件特性。而矽片正面器件製作的高溫過程對20um?30um厚的FS區影 響很小。在柵氧化層形成之前，形成第二類型阱區，簡化了後續工序且不易引起閂鎖效應， 提高了產品的可靠性；同時，背面離子注入集電區所需第二類型雜質，背面集電區第二類型 雜質激活是靠退火的熱過程激活，激活率高，也可消除離子注入產生的損傷；而且，該方法 形成柵氧化層時採用低溫熱氧化方法，生長成的薄柵氧化層具有界面態密度低、擊穿電壓 高、電荷密度低、針孔少、缺陷少、厚度均勻等特點。因此，可以製作出具有高擊穿電壓、低漏 電、導通壓降正溫度係數、低開關損耗且工序簡單產品可靠性高的絕緣柵雙極型電晶體。
[0015] 進一步地，本發明採用二氧化矽覆蓋矽片背面的第二類型重摻雜集電區，在保護 的同時，利用第二類型雜質易於集中在矽-二氧化矽界面的特性，可以讓第二類型重摻雜 集電區中的第二類型雜質分布優化一與背面金屬接觸的界面具有高摻雜濃度，與第一類 型矽接觸的界面具有低摻雜濃度。一方面易於與背面金屬形成好的歐姆接觸，另一方面有 利於控制PNP的發射效率並改善IGBT器件的交流特性。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0016] 圖1是根據本發明第一實施方式製作FS-IGBT的方法流程圖；
[0017] 圖2是根據本發明第一實施方式中的在矽片背面製作FS區的示意圖；
[0018] 圖3?圖4是根據本發明第一實施方式中的形成P阱區的過程示意圖；
[0019] 圖5?圖6是根據本發明第一實施方式中的形成柵氧化層和多晶矽層的過程示意 圖；
[0020] 圖7是根據本發明第一實施方式中的形成多晶矽柵極以及第一源區和第二源區 的過程示意圖；
[0021] 圖8是根據本發明第一實施方式中的形成介質層和金屬層的過程示意圖；
[0022] 圖9是根據本發明第一實施方式中的形成金屬布線層的過程示意圖；
[0023] 圖10是根據本發明第一實施方式中的形成集電區的過程示意圖；
[0024] 圖11是根據本發明第一實施方式中的形成背面金屬層的過程示意圖；
[0025] 圖12是現有技術製造FS-IGBT的過程示意圖。

【具體實施方式】
[0026] 為使本發明的上述目的、特徵和優點能夠更加明顯易懂，下面結合附圖對本發明 的【具體實施方式】做詳細的說明。
[0027] 在下面的描述中闡述了很多具體細節以便於充分理解本發明，但是本發明還可以 採用其他不同於在此描述的其它方式來實施，本領域技術人員可以在不違背本發明內涵的 情況下做類似推廣，因此本發明不受下面公開的具體實施例的限制。
[0028] 其次，本發明結合示意圖進行詳細描述，在詳述本發明實施例時，為便於說明，表 示器件結構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 限制本發明保護的範圍。此外，在實際製作中應包含長度、寬度及深度的三維空間尺寸。
[0029] 正如【背景技術】部分所述，現有技術的FS-IGBT則以低摻雜η型單晶片為起始材料， 先在正面制MOS結構，然後將矽片從背面減薄到耐壓所需的厚度，再從背面進行離子注入 得到η型場終止層（相當於PT-IGBT的η型緩衝層）與ρ型集電區。由於集電區薄且輕摻 雜，集電結的注入效率很低，器件關斷時，通過集電結的電流以電子流為主，電導調製區 中積累的大量電子可以順暢的通過集電區流到集電極。形象地說，集電區對電子是"透明" 的。這使得FS-IGB在具有較低通態電壓的同時，能獲得較快的開關時間，並且能保持由 遷移率決定的通態電壓正溫度係數。但目前FS-IGBT的製作工藝流程複雜滯後，成產成本 高，且沒有解決由於背面減薄工藝所帶來的產品可靠性低的問題。為使本發明的目的、技術 方案和優點更加清楚，下面將結合附圖對本發明的實施方式作進一步地詳細描述。
[0030] 本發明第一實施方式以娃片為半導體襯底，涉及一種製作FS-IGBT器件的方法， 具體流程如圖1所示。
[0031] 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 非晶結構的矽或矽鍺（SiGe)，也可以包括混合的半導體結構，例如碳化矽、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；也可以是絕緣體上矽（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構。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 明的精神和範圍。
[0032] 在介紹本發明中的IGBT的製造方法之前，需要進行如下說明。本文中涉及到兩種 導電類型，分別為第一導電類型和第二導電類型。在第一導電類型為P型時，第二導電類型 為N型；在第一導電類型為N型時，第二導電類型為P型。這不能被理解為一種限制。IGBT 的發射極和柵極所在的面通常被理解為第一主面，而IGBT的集電極所在的面通常被理解 第二主面。
[0033] 在步驟一 100中，其實是在矽片背面製作FS區。在本實施方式中，通過矽片背面 N型離子注入和高溫推阱形成FS區。
[0034] 具體地說，首先選N-型矽片，N-摻雜濃度和厚度根據所需要的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。在矽片背面注入N型離子，例如 磷、砷、銻、硫或硒，劑量為lE12/cm2?lE14/cm2，並在高溫下推阱。調節溫度和時間，使N型 雜質擴散到所需厚度，即形成FS區101，如圖2所示，同時也完成雜質激活。例如，選擇退火 溫度為1150°C?1250°C，時間10小時?20小時，可形成15um?30um的FS區101。FS區 101中N型雜質離矽片背表面越遠FS區101的雜質濃度越淡，這樣的分布有利於降低關斷 損耗。
[0035] 步驟二200中，參見圖3和圖4,先採用光刻工藝形成第一P阱區201和第二P阱 區202的光刻膠圖案，之後以該光刻膠圖案為掩膜採用離子注入的方式形成第一P阱區的 離子注入層203,以及第二P阱區的離子注入層204 ;之後參見圖4,去除光刻膠層，採用熱 退火工藝，對第一P阱區的離子注入層203以及第二P阱區的離子注入層204進行推阱並 激活注入的P型雜質，形成第一P阱區201和第二P阱區202,該步驟的熱退火工藝也可採 用快速熱退火工藝。
[0036] 步驟三300中，在矽片之上通過熱氧化生長工藝形成一層柵氧化層301，如圖5所 示，在柵氧化層301之上澱積一層多晶矽層302用以製造柵極。
[0037] 參見圖5,在矽片的表面上形成柵氧化層301，本實施例中的柵氧化層301至少包 括氧化矽，形成柵氧化層301的方式可以為，在矽片的表面上一次性生長柵氧化層310,在 本實施例中，採用相對於傳統高溫工藝較低溫度的熱氧化法形成柵氧化層301，具體為，首 先在800°C?850°C時幹氧5min，之後根據需要的氧化層厚度進行!12-02合成氧化，再在 800°C?850°C幹氧氧化3min?5min,最後在860°C?875°C時N2氣氛中退火20min? 30min;這樣是因為持續的高溫過程會大大增加柵及埋SiO2層的界面電荷以及矽的晶格缺 陷密度，導致高的器件洩漏電流，使器件的可靠性及抗輻照能力下降，而低溫熱氧化則能 抑制堆垛層錯等缺陷的生長和溝道區雜質的分凝。
[0038] 如圖6所示，在柵氧化層301上澱積多晶矽層302,採用光刻工藝在該柵多晶矽層 表面上形成具有柵區圖案的光刻膠層，之後以具有柵區圖案的光刻膠層為掩膜，採用幹法 刻蝕的方式形成多晶矽柵極401 (參見圖7)，其中多晶矽層302可採用化學氣相澱積、物理 氣相澱積或其它方式形成，本實施例不做具體限定。
[0039] 在步驟四400中，如圖7所示，採用光刻和刻蝕工藝形成多晶矽柵極401，採用離子 注入和退火工藝在多晶矽柵極401兩側下方的第一P阱區201和第二P阱區202中分別形 成N型重摻雜第一源區402和第二源區403。
[0040] 參見圖8,在本實施例中，介質在所述步驟五500中澱積形成介質層501包圍多晶 矽柵極401 (參見圖7)的側面和頂面，在介質層501中刻蝕接觸孔，採用澱積金屬和平坦化 工藝（例如鎢塞工藝），在矽片表面澱積一層表面金屬層502,然後對金屬層502進行光刻 與刻蝕，形成金屬布線層503。這些步驟都完成後的矽片剖面如圖9所示。
[0041] 步驟六600,請參閱圖10,對N型重摻雜場FS區101的背面進行P型雜質的離子 注入，形成P型重摻雜集電區601。離子注入的P型雜質例如為硼（B)、二氟化硼（BF2)等含 有硼元素的雜質。離子注入的能量例如為20KeV?80KeV，劑量例如為lE13/cm2?1E15/ cm2。退火激活時，退火溫度選在350°C?550°C之間，退火時間20min-200min，以保證較大 激活率前提下背面集電區601擴散較慢，對集電區601和FS區101形成的PN結深影響較 小。
[0042] 最後，步驟七700,除去矽片背面的殘留層，形成背面金屬層701，參見圖11，具體 的說，在矽片正面甩膠烘乾，用常規幹法或溼法除去殘留層（圖中未標示出），常規幹法去 膠，形成背面金屬層701。
[0043] 不難發現，在本實施方式中，背面的FS區和正面的P阱區不是在完成IGBT的 MOSFET製作和背面研磨後進行，而是提前至柵氧化層形成之前。在製作MOSFET之前，先在 矽片背面製作場終止FS區，形成所需厚度的FS後再做正面MOSFET等器件。由於先形成較 厚的FS，不影響之後製作的矽片正面MOSFET等器件特性。而矽片正面器件製作的高溫過程 對20um?30um厚的FS區影響很小。在柵氧化層形成之前，形成P阱區，簡化了後續工序 且不易引起閂鎖效應，提高了產品的可靠性；同時，背面離子注入集電區所需P型雜質；而 且，該方法形成柵氧化層時採用低溫熱氧化方法，生長成的薄柵氧化層具有界面態密度低、 擊穿電壓高、電荷密度低、針孔少、缺陷少、厚度均勻等特點。因此，可以製作出具有高擊穿 電壓、低漏電、導通壓降正溫度係數、低開關損耗且工序簡單產品可靠性高的IGBT。
[0044] 本發明第二實施方式，是先在矽片的正面和背面澱積一層介質，例如二氧化矽，用 於保護矽片的兩個面，保護層可以有效避免後續工序造成矽表面劃傷。其中，保護層的材料 為SiN或Si02/SiN複合層，厚度可根據實際狀況確定，一般為5001?1200人，可採用常規 熱氧化法形成保護層中的SiO2，採用低壓化學汽相澱積法（LPCVD)形成保護層中的SiN。而 後，再按照本發明第一實施例的方法進行FS-IGBT器件的製作。
[0045] 該方法在矽片背面製作FS區之前，先在矽片正面和矽片背面形成保護層，以保證 矽片正面和背面不會被製作過程劃傷。開始進行MOSFET的製作之前，除去矽片正面的保護 層，而背面保護層需一直保留到最後背面金屬澱積前去除，以保護背面PN結不會被劃傷。
[0046] 應說明的是，以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非限制，儘管參照較佳 實施例對本發明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，可以對本發明的技術 方案進行修改或者等同替換，而不脫離本發明技術方案的精神和範圍，其均應涵蓋在本發 明的權利要求範圍當中。
【權利要求】
1. 一種絕緣柵雙極型電晶體的製造方法，其特徵在於；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二主面形成第一導電類型的場終止層； 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； 在形成有所述基區的所述半導體襯底的第一主面繼續形成所述絕緣柵雙極型電晶體 的第一主面結構； 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形成所述絕緣柵雙極型晶 體管的剩餘第二主面結構。
2. 根據權利要求1所述的絕緣柵雙極型電晶體的製造方法，其特徵在於：所述在形成 有所述基區的所述半導體襯底的第一主面繼續形成所述絕緣柵雙極型電晶體的第一主面 結構包括： 在形成有所述基區的所述半導體襯底的第一主面上形成柵氧化層； 在所述柵氧化層上積澱形成多晶娃層； 有選擇的在所述柵氧層和所述多晶娃層上經過光刻、刻蝕工藝製得有源區注入窗口， 自所述有源區注入窗口向所述基區注入第一導電類型的雜質W形成有源區； 在刻蝕有注入窗口的多晶娃層上形成介質層； 在所述介質層上有選擇的光刻、刻蝕出與所述有源區和所述基區相通的接觸孔； 在所述介質層上形成金屬層W形成所述絕緣柵雙極型電晶體的第一電極。
3. 根據權利要求1所述的絕緣柵雙極型電晶體的製造方法，其特徵在於： 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形成所述絕緣柵雙極 型電晶體的剩餘第二主面結構包括： 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W形成注入 區； 在所述注入區上形成金屬層W形成所述絕緣柵雙極型電晶體的第一電極。
4. 根據權利要求1?3任一所述的絕緣柵雙極型電晶體的製造方法，其特徵在於： 第一導電類型為N型，第二導電類型為P型， 所述有源區為化有源區，所述注入區為P+集電極區，第一電極為發射極，第二電極為 集電極。
5. 根據權利要求1所述的絕緣柵雙極型電晶體的製造方法，其特徵在於：通過離子注 入、高溫推阱、激活工藝在所述半導體襯底的第二主面形成第一導電類型的場終止層。
6. 根據權利要求1所述的絕緣柵雙極型電晶體的製造方法，其特徵在於：通過離子注 入、高溫推阱、激活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。
【文檔編號】H01L21/331GK104347402SQ201310326149
【公開日】2015年2月11日 申請日期:2013年7月30日 優先權日:2013年7月30日
【發明者】鄧小社, 芮強, 張碩, 王根毅 申請人:無錫華潤上華半導體有限公司