埋多晶指內透明集電區絕緣柵雙極晶體管及制造方法
【專利摘要】埋多晶指內透明集電區絕緣柵雙極晶體管及制造方法，屬于絕緣柵雙極晶體管【技術領域】。在外延緩沖層之前，通過薄膜生長工藝與光刻工藝形成二氧化硅或氮化硅介質條，再通過同步外延，形成局域交叉分布的多晶硅指。最終通過常規穿通型IGBT的制造工藝，在集電區近集電結附近形成具有埋多晶指結構的內透明集電極IGBT。本發明可控性強，適用范圍廣，有利于實現低成本和高成品率，且器件性能優良。
【專利說明】埋多晶指內透明集電區絕緣柵雙極晶體管及制造方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及埋多晶指內透明集電區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結構可以平面柵和溝槽柵，屬于絕緣柵雙極晶體管【技術領域】。
【背景技術】
[0002]做為電力電子技術中重要的開關器件，絕緣柵雙極晶體管(IGBT)因其兼具雙極結型晶體管(BJT)的低導通損耗和金屬氧化物半導體場效應晶體管(MOSFET)開關速度快、工作頻率高之優點，廣泛應用于各種電能變換電路，例如:不間斷電源電路、電機變頻調速電路、逆變焊機電路等。IGBT最早由不同的研究者于1980年代前后分別分別提出(參見 1982IEDM Tech.Dig., pp.246-247，IEEE Transaction on Power Electronics, Vol.PE-2, N0.3，PP.194-207 )，經過三十年發展，器件結構——進而性能指標提高——取得了巨大改善。單就集電極(背發射極)結構來說，包括非透明集電極技術、透明集電極技術(參見 1989PESC Recordl， PP.21-25 ；1996ISPSD, PP.331-334 和 PP.164-172 ；2000ISPSD PP.355-358)和內透明集電極技術(參見中國專利200710063086.2，2009ISPSDPP.287-290)。
[0003]非透明集電區技術是最早成熟投產的一類IGBT，它具有工藝成熟、易控制、成品率高等優點。但需全局載流子壽命控制技術提高器件開關速度，造成導通壓降VCEsat具有負溫度系數，熱電正反饋效應很容易使電流集中，誘發二次擊穿，器件高溫穩定性差，不利于并聯工作。
[0004]透明集電區技術是當今高性能指標IGBT普遍采用的一種結構，尤其特別適合于千伏以上IGBT的制造，而對于制造耐壓在1200V及以下的大量應用的IGBT時卻遇到一個很大的技術挑戰: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、成品率高是一個極嚴峻的問題。這使這種技術在低壓IGBT制造的推廣應用遇到困難。
[0005]內透明集電極IGBT是新一類IGBT結構，它采用與傳統非透明集電區IGBT兼容的簡單工藝，實現了透明集電區IGBT的性能。本發明提出一種新的制造技術方案。

【發明內容】

[0006]本發明針對內透明集電區IGBT，提出一種新的制造技術，在外延緩沖層之前，通過薄膜生長工藝與光刻工藝形成二氧化硅或氮化硅介質條，再通過同步外延，形成局域交叉分布的多晶硅指(本發明的“指”為條紋狀)。之后按照常規穿通型IGBT的制造工藝，在集電區近集電結附近形成具有埋多晶指結構的內透明集電極IGBT。由于晶粒間界的存在，多晶硅層的能帶結構中會在禁帶引入缺陷能級，可以極大降低多晶硅層及附近區域過剩載流子壽命，這是它可以使集電區內透明的關鍵，也是本發明技術的重點。[0007]埋多晶指內透明集電區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調整介質層的寬度，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+襯底生長薄介質層(參見附圖2 (a)之區域9 )，介質層可以是二氧化硅，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)進行一次光刻刻蝕工藝，形成均勻分布的介質層條紋(參見附圖2(b_l)之區域
2)，俯視效果參見圖2(b-2)，介質條紋的寬度(參見附圖2 (13-2)之21)控制在14 111-2 4 111，間距(參見附圖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-單晶指交替分布結構:外延過程包括:A.去除步驟2)介質條紋間單晶硅P+襯底表面的自然氧化層，露出新鮮生長界面；此工藝過程對氮化硅介質條紋厚度影響很少，對采用二氧化硅做介質條紋的結構，條紋厚度會變薄，最終剩余二氧化硅介質條紋厚度在100A埃300埃范圍；B.正式同步外延，同步外延過程中通腐蝕氣體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同步外延過程中，介質條紋上生長多晶娃,而介質條間單晶娃上生長單晶娃,單晶生長優勢超越多晶硅生長，單晶硅(參見圖2 (c)之4)逐漸變寬，多晶硅(參見圖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-單晶指交替分布結構；其中同步外延層厚度(亦為多晶指高度)(圖2 (c)之31)優選為1μπι-2μπι，且同步外延過程為摻雜外延-摻磷，磷摻雜濃度控制在IX 1018-5 X IO18CnT3。
[0011]4)外延緩沖層(參見圖1之6)和漂移區耐壓層(參圖1中的7)，此工藝在實際操作中與同步外延同工序進行。最后完成正面MOS結構(圖1中的8)、背面多層電極(圖1中的9)等的制備。此工藝步驟與常規穿通型IGBT工藝相同。
[0012]經歷整個器件制造工藝后，P+襯底的雜質會向外延層進一步推進，最終集電結位置圖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)中介質層條紋寬決定著最終多晶娃的寬度,在同步外延時，同時決定著多晶硅的厚度，而多晶的寬度與厚度將決定最終內透明集電區的透明效果，是器件設計制造的關鍵。
[0014]本發明與傳統穿通型(PT)-1GBT類似，但增加以下兩個關鍵步驟:1)緩沖層與耐壓層外延前通過介質生長與光刻技術形成介質層條形圖案；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渡層。過渡層的特點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整個晶圓。
[0015]以上本發明的制造方法和工序安排，與現有PT-1GBT制造流程有很好的兼容性，只需在常規工藝流程開始前進行薄氧氧化、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，因而有廣泛的應用范圍。可控性強，適用范圍廣，有利于實現低成本和高成品率，且器件性能優良。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]圖1埋多晶指內透明集電區平面柵IGBT結構示意圖(未含鈍化層)；[0017]圖2本發明制造技術包含的關鍵工藝
[0018](a)介質層生長；
[0019](b-1)介質層光刻與刻蝕形成介質條；
[0020](b-2)介質條俯視圖；
[0021](c)多晶硅-單晶硅同步外延形成多晶-單晶交替分布結構；
[0022](d)經過其他常規穿通型IGBT工藝形成最終的結構；
[0023]I——低阻(100 )晶向P+單晶襯底
[0024]2——埋介質條
[0025]3——埋多晶硅指
[0026]4——同步外延過程中形成的單晶硅條
[0027]5——最終集電結位置
[0028]6——緩沖層
[0029]7——漂移區耐壓層
[0030]8-正面MOS結構
[0031]9——背面多層電極
[0032]10——薄介質層
[0033]21——薄介質層條寬
[0034]22—薄介質層間距
[0035]31——多晶指高度，亦為同步外延層厚度。
【具體實施方式】:
[0036]本發明技術的關鍵是形成局域壽命控制區的方法一埋多晶硅條生長，只涉及常規的薄膜生長、光刻工藝等，這些為通常技術人員所掌握和公知的技術。下面按照本發明的技術方案，給出具體埋多晶硅內透明集電區IGBT的制造方法來說明本發明的實施可行性。
[0037]實施例1:氮化硅做介質層的埋多晶指內透明集電區絕緣柵雙極晶體管制造
[0038]采用本發明制造一種具有內透明集電區的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+襯底上通過化學氣相淀積生長一層薄氮化硅，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)之后工藝按常規流程進行，外延生長，制備緩沖層和漂移區耐壓層，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)所示的剖面結構。
[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的最終距離約為1.5微米左右。最終器件導通壓降典型值為1.7V，關斷過程的下降時間典型值為400ns。零溫度點對應電流密度為50A/cm2左右，低于額定電流密度(通常為150-200A/cm2)，在器件工作范圍內具有電壓正溫度系數。
[0040]實施例2:二氧化硅做介質層的埋多晶指內透明集電區絕緣柵雙極晶體管制造
[0041]采用本發明制造一種具有內透明集電區的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+襯底上通過熱氧化工藝生長一層二氧化娃，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)之后工藝按常規流程進行，外延生長，制備緩沖層和漂移區耐壓層，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的最終距離約為2微米左右。最終器件導通壓降典型值為
1.6V，關斷過程的下降時間典型值為500ns。零溫度點對應電流密度為60A/cm2左右，低于額定電流密度(通常為150-200A/cm2)，在器件工作范圍內具有電壓正溫度系數。
【權利要求】
1.埋多晶指內透明集電區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+襯底生長薄介質層，介質層是二氧化硅，厚度在2000埃-2500埃范圍，或者氮化硅，厚度在100埃-200埃范圍； 2)進行一次光刻刻蝕工藝，形成均勻分布的介質層條紋，介質條紋的寬度控制在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-單晶指交替分布結構，外延過程包括:Α.去除步驟2)介質條紋間單晶硅P+襯底表面的自然氧化層，露出新鮮生長界面；此工藝過程對氮化硅介質條紋厚度影響很少，對采用二氧化硅做介質條紋的結構，條紋厚度會變薄，最終剩余二氧化硅介質條紋厚度在100A埃300埃范圍；B.正式同步外延，同步外延過程中通腐蝕氣體H2或HCl，腐蝕氣體流量與源氣體流量之比為0.001 - 0.02，同步外延過程中，介質條紋上生長多晶娃，而介質條間單晶娃上生長單晶娃，單晶生長優勢超越多晶娃生長，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-單晶指交替分布結構，同步外延過程為摻磷外延，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行外延緩沖層和漂移區耐壓層，此工藝在實際操作中與同步外延工藝同工序進行；最后完成正面MOS結構、背面多層電極的制備。
2.按照權利要求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.按照權利要求1-2的任一方法制備得到的埋多晶指內透明集電區絕緣柵雙極晶體管。
4.按照權利要求1-3的任一方法制備得到的埋多晶指內透明集電區絕緣柵雙極晶體管，最終集電結位置距多晶硅層頂部的距離為1-2微米。
【文檔編號】H01L21/331GK103515226SQ201310317124
【公開日】2014年1月15日 申請日期:2013年7月25日 優先權日:2013年7月25日
【發明者】胡冬青, 賈云鵬, 吳郁, 呂佩壕 申請人:北京工業大學