CN101436542A - 变缓冲层浓度内透明集电区绝缘栅双极晶体管的制造方法 - Google Patents

Abstract

变缓冲层浓度内透明集电区绝缘栅双极晶体管的制造方法属于晶体管的制造领域。本发明在器件的集电区附近一定范围内形成一个极低过剩载流子寿命控制区。其技术方案是利用高剂量氦注入及后继退火工艺在器件集电区近集电结附近引入局域纳米空腔层，该纳米空腔不仅可以在硅禁带中心附近引入缺陷能级，大大降低载流子寿命，且具有良好的高温稳定性，这项技术可以在器件制造最初实施，与常规工艺流程有很好的工艺兼容性。该项技术，工艺常规，可控性强，适用范围广，有利于实现低成本和高成品率，且器件性能优良。

Description

变缓冲层浓度内透明集电区绝缘栅双极晶体管的制造方法

技术领域：

本发明涉及一种半导体器件制造方法，更具体说是涉及一种硅材料内透明集电区绝缘栅双极晶体管的制造方法，这种器件的耐压范围是在1200V以下的中、低压范围。适用于平面栅和沟槽栅器件。

背景技术：

绝缘栅双极晶体管(IGBT)做为电力电子技术中重要的开关器件，结合了双极结型晶体管(BJT)和金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)的优点，具有导通损耗低、开关速度快、工作频率高等综合性能优势，它广泛应用于电机变频调速电路、不间断电源电路、逆变焊机电路等。IGBT自1980年代发明以来(参见1982 IEDM Tech.Dig.，pp.246-247，IEEE Transaction on Power Electronics，Vol.PE-2，No.3，PP.194-207)，器件结构的优化——进而性能指标提高——取得了巨大发展。单就背面结构来说，包括穿通型(PT)、非穿通型(NPT)和场终止型(FS)。

PT-IGBT，以数百微米厚的P+单晶为起始材料(衬底)，之后外延N+缓冲层和N-耐压层，复杂的正面结构在外延层上制造。PT-IGBT是最早成熟投产的一类IGBT，它具有工艺成熟、易控制、成品率高等优点。但这种结构的IGBT，其集电区为重掺杂厚衬底，对少数载流子电子是非透明。器件导通压降和关断损耗之间的折中，主要通过优化缓冲层结构(掺杂和厚度)以及全局载流子寿命控制实现。全局载流子低寿命造成导通压降V_CEsat具有负温度系数，热电正反馈效应很容易使电流集中，诱发二次击穿，器件高温稳定性差，不利于并联工作。

在高压IGBT研制过程中，为了规避厚外延带来的高成本，1980代末出现了NPT-IGBT(参见1989 PESC Record 1，PP.21-25；1996 ISPSD，PP.331-334和PP.164-172)。NPT-IGBT采用N-型单晶为起始材料，正面复杂的结构直接制造在单晶衬底上，正面结构完成后从衬底背面采用研磨、腐蚀的方法减薄到耐压所需的厚度，之后通过离子注入形成P+集电区。该集电区很薄，不超过1微米，且掺杂浓度较低，对少子电子是透明的，通过集电结的电流以电子流为主(约占70％)。器件关断过程中，存储在漂移区的大量过剩电子能通过透明集电区迅速流出，而空穴本来就可以顺利流向发射极。这样，NPT-IGBT借助透明集电区技术，不需要载流子寿命控制就能实现快速关断。而由于漂移区载流子的寿命足够长，因此通态压降V_CEsat具有正温度系数。正是透明集电区技术的这种重大优点，自NPT-IGBT发明后，新出现的各种IGBT基本都采用透明集电区技术。例如，FS-IGBT(参见2000 ISPSD PP.355-358)。

但采用透明集电区技术的各类IGBT结构，对千伏以上IGBT的制造特别适合，而对于制造耐压在1200V及以下的大量应用的IGBT时却遇到一个很大的制造困难：因所需耐压对应的硅片厚度太薄，制造过程中易发生碎片、曲翘等，造成成品率低、成本高。以耐压600V的FS-IGBT为例，当芯片减薄到70—80微米后还要有多次清洗、离子注入、退火、金属化淀积、合金等等，如何保持不碎片、不翘曲、缺陷低、成品率高是一个极严峻的问题。这使这种技术的推广应用遇到困难。为此，本专利申请人提出了具有内透明集电区的绝缘栅双极晶体管结构(参见中国专利200710063086.2)。

高剂量氦注入到硅半导体材料，可以在硅中诱发形成氦泡，后继退火工艺使氦泡蒸发，形成纳米空腔，这种纳米空腔改变了硅材料局域结构和电特性，在半导体技术中可用于过剩载流子局域寿命控制(参见1997 IEEE electron devices，PP.333-335)，超浅结硼扩散(J.Appl.Phys.101，2007)，SiGe衬底应力释放(Nucl.Instrum.Methods Phys.Res.B175-177，2001)等，但这种技术未见用于功率半导体器件的集电区。本发明的目的是利用这项技术，在IGBT的集电区引入一个极低过剩载流子寿命控制区，为实现集电区内透明提供一种制造方法。这种制造工艺，同样适用于半导体晶闸管和MCT。

发明内容

本发明针对现有1200V(含)以内的IGBT制造技术都不很理想进行改进，在集电区靠近集电结的位置通过高剂量氦注入及退火形成纳米空腔薄层是本发明技术的重点(参见图1之区域2)。纳米空腔本身可以在硅禁带中央附近引入缺陷能级，可以极大降低纳米空腔层及附近区域过剩载流子寿命，这是它可以使集电区内透明的关键。同时纳米空腔层具有良好的高温稳定性，在器件制造的最开始引入，离子注入能量相对较低，常规离子注入机就能满足要求，不需要专门的注入设备，这是本发明的另一特点。第三，纳米空腔具有吸除杂质的作用，可以吸除器件有源区不期望的杂质，改善器件性能，而金属杂质的吸附可以进一步增加过剩载流子的复合，改进集电区透明度。

该制造方法首先进行以下步骤：

a)在电阻率为0.02-0.005Ωcm的单晶硅P+衬底的表面进行氦离子注入，每次氦离子注入的剂量在1×10¹⁵-1×10¹⁷cm^-2，氦注入的能量范围在20keV-1000keV，

b)实施低、高温退火，低、高温退火的气氛为氩气或者真空；低温退火温度在400-900℃，时间在30-300分钟，高温退火的温度在1000-1150℃，时间10-300分钟；

c)外延缓冲层：实施外延工艺前先对衬底进行抛蚀，抛蚀厚度为0.1-1微米；缓冲层外延采用变掺杂浓度外延，变掺杂浓度缓冲层第一层为较高掺杂浓度，掺杂范围在1-50×10¹⁷cm^-3，厚度0.1-5微米；第二层较轻掺杂，浓度1-10×10¹⁶cm^-3，厚度1-15微米；

其余工艺按照穿通型IGBT制造所采用的工艺；

在器件集电区近集电结附近形成一个具有稳定的纳米空腔缺陷的极低过剩载流子寿命控制区，称为纳米空腔层；纳米空腔层的厚度为0.2-3微米，纳米空腔层上边界离集电结的最终距离在0.1-5微米之间，最终集电区表面的掺杂浓度为5×10¹⁶cm^-3到5×10¹⁸cm^-3。

本发明技术的特点在于形成纳米空腔层的具体制造方法，该制造方法可以使纳米空腔层的宽度通过氦注入的次数及能量合理搭配进行调整，范围从0.2微米到3微米，纳米空腔层上边界且距集电结的位置可以从0.1微米到5微米，它通过氦注入的能量、缓冲层浓度调节等方法实现。具体工艺工艺如下：

(1)在电阻率为0.02-0.005Ωcm的低阻P+单晶衬底上进行高剂量氦注入。高剂量氦注入的目的是在硅单晶局部区域引入高浓度缺陷和氦泡(参见附图2(a)之区域11)，氦注入的次数为1-5次，例如1次，2次，3次。每次注入的剂量在1×10¹⁵-1×10¹⁷cm^-2范围，例如3×10¹⁶cm^-2，4×10¹⁶cm^-2或5×10¹⁶cm^-2。每次注入的能量在20keV-1000keV，例如50keV，100keV，200keV，400keV，600keV等。不同能量、剂量组合注入，决定了高浓度缺陷区的范围和高浓度缺陷中心距离表面的距离。典型注入为：一次注入，能量20-1000keV，剂量1-10×10¹⁶cm^-2(实施注入后效果参见附图2(a-1))；两次注入，第一次注入的能量为20-600keV，剂量1-10×10¹⁶cm^-2；第二次注入能量为300-1000keV，剂量2-8×10¹⁶cm^-2，或者次序相反(实施注入后效果参见附图2(a-2))；三次注入：第一次注入的能量为20-300keV，剂量1-5×10¹⁶cm^-2；第二次注入能量为200-700keV，剂量2-6×10¹⁶cm^-2；第三次注入能量为300-1000keV，剂量2-6×10¹⁶cm^-2，或者次序相反。

(2)在惰性气氛下或者真空条件下较低温度退火，目的是使氦泡蒸发，形成纳米空腔层——一个低过剩载流子寿命控制区(一次氦注入参见附图2(b-1)之区域2，二次氦注入参见附图2(b-2)之区域2)。退火温度在400-900℃，持续时间为30-300分钟，例如600℃，200分钟；或者700℃，50分钟；或者750℃，40分钟。

(3)在惰性气氛下或者真空条件下较高温度退火。高温退火的目的有三个：第一，恢复表面晶格损伤(参见附图2(a-1)、附图2(a-2)之区域13和附图2(b-1)、附图2(b-2)之区域14)，保证后继外延工艺中外延层的质量；第二，使表面P+杂质浓度降低(参见附图2(c-1)、附图2(c-2))，削弱后继工艺中P+衬底中杂质向外延层的扩散；第三，使纳米空腔进一步长大、稳定，最终低过剩载流子寿命控制区的范围(几个纳米空腔层的串连)在0.2-3微米之间，例如0.3微米，0.5微米，1微米等，具体值由氦注入的次数和能量组合决定。

高温退火是在低温退火结束后直接升温进行。退火温度为1000-1150℃，时间10-300分钟，例如升温到1100℃，保持时间200分钟。退火后的表面区杂质浓度比体内低，形成一定的浓度梯度分布(参见图2(c-1)、图2(c-2)之区域16)，表面浓度可以比体内降低一个数量级(参见图2(d))。

(4)外延缓冲层。为了保证良好的外延生长面，生长前表面抛蚀0.1-1微米，例如0.3微米，0.5微米，0.8微米等(参见附图2(c-1)、附图2(c-2)之区域4)。此时，器件的集电结位于外延层和衬底界面(参见附图2(e-1)、附图2(e-2)之位置5)。为了减缓后继工艺集电结向缓冲层的推进，保证极低过剩载流子寿命控制区距集电结足够近，缓冲层外延分成两层：第一层较重掺杂，浓度1-50×10¹⁷cm^-3，例如2×10¹⁷cm^-3、5×10¹⁷cm^-3、7×10¹⁷cm^-3、1×10¹⁸cm^-3、2×10¹⁸cm^-3；厚度0.1-10微米；例如2微米、3微米、5微米等。浓度1-10×10¹⁶cm^-3，例如1×10¹⁶cm^-3、5×10¹⁶cm^-3、7×10¹⁶cm^-3，厚度1-15微米，例如2微米、5微米、10微米等。

(5)外延耐压层(参见图2(f-1)、图2(f-2)之区域22)。此工艺与常规PT-IGBT相同。外延浓度与厚度与耐压要求有关。

(6)完成正面MOS结构及背面减薄和多层电极工艺。此步骤与常规PT-IGBT制造工艺相同。

经历整个器件制造工艺后，集电结会离开最初的外延界面向外延层进一步推进，推进程度与外延层浓度、衬底浓度有关。最终集电结位置分别如图2(f-1)、图2(f-2)之位置6。它们距离纳米空腔层的顶部距离为0.1-5微米，典型值如0.2微米、0.5微米、0.8微米、1微米、1.5微米、2微米等；纳米空腔层跨越范围在0.2-3微米，例如0.3微米，0.5微米，1微米等；同时最终集电区表面(参见图2(f-1)、图2(f-2)之位置6)的掺杂浓度为5×10¹⁶cm^-3到5×10¹⁸cm^-3，例如1×10¹⁷cm^-3、5×10¹⁷cm^-3、7×10¹⁷cm^-3、1×10¹⁸cm^-3等。

以上本发明的制造方法和工序安排，与现有PT-IGBT制造流程有很好的兼容性，只需在常规工艺流程开始前形成纳米空腔层。工艺简单明了，可控性强，有利于实现高成品率。此外，这种方法，不仅适用于IGBT，而且适用于晶闸管和MOS控晶闸管，因而有广泛的应用范围。由于本发明能够在集电区近集电结附近引入低过剩载流子寿命控制区，使集电区由非透明变成内透明，因此能够生产出开关速度快、综合性能优的耐压1200V以下的IGBT。

附图说明

图1具有内透明集电区的平面栅IGBT结构示意图(未画出钝化层)

1——低阻P+单晶衬底

2——纳米空腔层

3——实际集电区

4——外延前被抛蚀的衬底部分

5——外延层起始位置

6——最终集电结位置

7——缓冲层

8——耐压层

9——正面MOS结构

10——背面多层电极

图2本发明制造方法包含的主要工艺

(a)高剂量氦注入；

(b)在惰性气氛下或者真空条件下较低温度退火；

(c)在惰性气氛下或者真空条件下较高温度退火；

(d)高温退火形成的表面较低浓度区浓度分布

(e)缓冲层外延

(f)其他前道工艺，完成芯片结构

11——高密度缺陷及氦泡密集区

12——高密度缺陷中心位置

13——表面较低密度缺陷区

14——氦原子蒸发、缺陷部分消除的表面层

2——纳米空腔层(低过剩载流子寿命控制区)

16——表面掺杂浓度过渡区

4——外延前被抛蚀的表面区域

18——外延前剩余的晶格完整区

19——重掺杂缓冲层

20——轻掺杂缓冲层

5——外延界面(最初的集电结位置)

22——外延耐压层(基区)

23——工艺结束后区域18向外延层的扩展

6——最终的集电结位置

具体实施方式

本发明技术方案具体步骤中的离子注入剂量、能量、退火温度、时间、气氛、外延层浓度和厚度等选择点，只要落在本发明给出的范围，便可达到本发明所制造的具有内透明集电区结构的IGBT的要求。这些选择点的调整为通常技术人员所掌握和公知的技术。

下面根据附图对工艺做个综合介绍：在单晶衬底1上进行高能氦注入，形成高浓度氦泡和缺陷区11，之后在氩气或者真空气氛下进行低、高温退火，低温退火使氦泡蒸发形成纳米空腔层2，高温退火使表面低缺陷区13的晶格损伤得到恢复。低、高温退火工艺结束后进行缓冲层外延。为保证良好的外延生长界面，外延前将表面区4抛蚀掉，且纳米空腔层上剩余一定厚度的完整晶格区18。缓冲层外延采用变掺杂外延，由较高浓度区19和较低浓度区20构成。缓冲层工艺结束后，按照常规穿通型IGBT制造工艺完成后继工序，包括外延耐压层22，形成表面MOS结构9，衬底减薄及背面多层电极10制造等。整个工艺结束后，集电结由最初的位置5推进到位置6，实际集电区为区域3。

下面按照本发明的技术方案，分别列举一次氦注入、两次和5次氦注入内透明集电区IGBT的制造方法来说明本发明的实施可行性。

实施例1：单次、单能量氦注入表面栅n沟内透明集电区IGBT的制造方法：

参见图2，采用本发明制造一种具有内透明集电区的n沟IGBT，耐压600V。采用的工艺制造步骤如下：(1)在p+低阻衬底(电阻率0.01Ωcm左右)实施高剂量氦注入，氦离子注入的能量为200keV，剂量为2×10¹⁶cm^-2；(2)将硅片在氩气气氛下退火，具体退火分成两步：先升温到700℃，保持50分钟，之后再升温到1100℃，保持300分钟；(3)外延缓冲层和耐压层：外延过程中，先对衬底进行抛蚀，抛蚀厚度为0.5微米左右，之后进行外延。外延缓冲层浓度分两层，第一层浓度1×10¹⁷cm^-3，厚度5微米；第二层浓度2×10¹⁶cm^-3，厚度10微米。耐压层掺杂浓度为7×10¹³cm^-3，厚度55微米。(4)之后工艺按常规流程进行，先完成表面MOS制造，表面钝化，背面减薄、金属化等，最终形成如图2(f)所示的剖面结构。

按此工艺形成的纳米空腔层的厚度约0.3微米，纳米空腔层上边界离集电结的最终距离约为2.5微米左右，集电区表面的掺杂浓度为1×10¹⁷cm^-3左右。最终器件导通压降典型值为1.5V，关断过程的下降时间典型值为600ns。零温度点对应电流密度为40A/cm²左右，低于额定电流密度(通常为150-200A/cm²)，在器件工作范围内具有电压正温度系数。

实施例2：单次、单能量氦注入表面栅n沟内透明集电区IGBT的制造方法：

参见图2，采用本发明制造一种具有内透明集电区的n沟IGBT，耐压600V。采用的工艺制造步骤如下：(1)在p+低阻衬底(电阻率0.01Ωcm左右)实施高剂量氦注入，氦离子注入的能量为1000keV，剂量为1×10¹⁷cm^-2；(2)将硅片在真空气氛下退火，具体退火分成两步：先升温到400℃，保持300分钟，之后再升温到1000℃，保持300分钟；(3)外延缓冲层和耐压层：外延过程中，先对衬底进行抛蚀，抛蚀厚度为1微米左右，之后进行外延。外延缓冲层浓度分两层，第一层浓度1×10¹⁷cm^-3，厚度3微米；第二层浓度1×10¹⁶cm^-3，厚度15微米。耐压层掺杂浓度为1×10¹⁴cm^-3，厚度55微米。(4)之后工艺按常规流程进行，先完成表面MOS制造，表面钝化，背面减薄、金属化等，最终形成如图2(f)所示的剖面结构。

按此工艺形成的纳米空腔层的厚度0.3微米左右，纳米空腔层上边界离集电结的最终距离为5.0微米左右，集电区表面的掺杂浓度为5×10¹⁷cm^-3左右。最终器件导通压降典型值为2.0V，关断过程的下降时间典型值为100ns。零温度点对应电流密度为60A/cm²左右，低于额定电流密度(通常为150-200A/cm²)，在器件工作范围内具有电压正温度系数。

实施例3：两次、双能量氦注入表面栅n沟内透明集电区IGBT的制造方法：

参见图3，采用本发明制造一种具有内透明集电区的n沟IGBT，耐压600V。采用的工艺制造步骤如下：(1)在p+低阻衬底(电阻率0.01Ωcm左右)实施高剂量氦注入，第一次氦离子注入的能量为200keV，剂量为3×10¹⁶cm^-2；第二次氦注入的能量为400keV，剂量5×10¹⁶cm^-2；(2)将硅片在氩气气氛下退火，具体退火分成两步：先升温到900℃，保持20分钟，之后再升温到1100℃，保持300分钟；(3)外延缓冲层和耐压层：外延过程中，先对衬底进行抛蚀，抛蚀厚度为0.5微米左右，之后进行外延。外延缓冲层浓度分两层，第一层浓度1×10¹⁸cm^-3，厚度2微米；第二层浓度2×10¹⁶cm^-3，厚度5微米。耐压层掺杂浓度为7×10¹³cm^-3，厚度55微米。(4)之后工艺按常规流程进行，先完成表面MOS制造，表面钝化，背面减薄、金属化等，最终形成如图2(f)所示的剖面结构。

按此工艺形成的纳米空腔层的厚度约0.8微米左右，纳米空腔层上边界离集电结的最终距离为1.5微米左右，集电区表面的掺杂浓度为5×10¹⁷cm^-3左右。最终器件导通压降典型值为2V左右，关断过程的下降时间典型值为90ns。零温度点对应电流密度为80A/cm²左右，低于额定电流密度(通常为150-200A/cm²)，在器件工作范围内具有电压正温度系数。

实施例4：5次、多能量氦注入表面栅n沟内透明集电区IGBT的制造方法：

采用本发明制造一种具有内透明集电区的n沟IGBT，耐压600V。采用的工艺制造步骤如下：(1)在p+低阻衬底(电阻率0.01Ωcm左右)实施高剂量氦注入，第一次氦离子注入的能量为20keV，剂量为1×10¹⁵cm^-2；第二次氦注入的能量为200keV，剂量5×10¹⁵cm^-2；第三次氦注入的能量为500keV，剂量2×10¹⁶cm^-2；第四次氦注入的能量为800keV，剂量4×10¹⁶cm^-2；第五次氦注入的能量为1000keV，剂量5×10¹⁶cm^-2；(2)将硅片在氩气气氛下退火，具体退火分成两步：先升温到900℃，保持30分钟，之后再升温到1100℃，保持300分钟；(3)外延缓冲层和耐压层：外延过程中，先对衬底进行抛蚀，抛蚀厚度为0.1微米左右，之后进行外延。外延缓冲层浓度分两层，第一层浓度5×10¹⁸cm^-3，厚度0.1微米；第二层浓度2×10¹⁶cm^-3，厚度5微米。耐压层掺杂浓度为7×10¹³cm^-3，厚度55微米。(4)之后工艺按常规流程进行，先完成表面MOS制造，表面钝化，背面减薄、金属化等，最终形成如图2(f)所示的剖面结构。

按此工艺形成的纳米空腔层的厚度约3微米左右，纳米空腔层上边界离集电结的最终距离为0.1微米左右，集电区表面的掺杂浓度为5×10¹⁶cm^-3左右。最终器件导通压降典型值为2V左右，关断过程的下降时间典型值为90ns。零温度点对应电流密度为80A/cm²左右，低于额定电流密度(通常为150-200A/cm²)，在器件工作范围内具有电压正温度系数。

Claims (9)

1、变缓冲层浓度内透明集电区绝缘栅双极晶体管的制造方法，其特征在于，该制造方法首先进行以下步骤：

a)在电阻率为0.02-0.005Ωcm的单晶硅P+衬底的表面进行氦离子注入，每次氦离子注入的剂量在1×10¹⁵-1×10¹⁷cm^-2，氦注入的能量范围在20keV-1000keV，

b)实施低、高温退火，低、高温退火的气氛为氩气或者真空；低温退火温度在400-900℃，时间在30-300分钟，高温退火的温度在1000-1150℃，时间10-300分钟；

c)外延缓冲层：实施外延工艺前先对衬底进行抛蚀，抛蚀厚度为0.1-1微米；缓冲层外延采用变掺杂浓度外延，变掺杂浓度缓冲层第一层为较高掺杂浓度，掺杂范围在1-50×10¹⁷cm^-3，厚度0.1-5微米；第二层较轻掺杂，浓度1-10×10¹⁶cm^-3，厚度1-15微米；

其余工艺按照穿通型IGBT制造所采用的工艺；

在器件集电区近集电结附近形成一个具有稳定的纳米空腔缺陷的极低过剩载流子寿命控制区，称为纳米空腔层；纳米空腔层的厚度为0.2-3微米，纳米空腔层上边界离集电结的最终距离在0.1-5微米之间，最终集电区表面的掺杂浓度为5×10¹⁶cm^-3到5×10¹⁸cm^-3。

2、根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于：氦注入的次数为1-5次。

3、根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于：氦注入的次数为1次，氦注入的能量为100-400keV，剂量为1-5×10¹⁶cm^-2。

4、根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于：氦注入的次数为2次，第一次注入的能量为100-200keV，剂量1-3×10¹⁶cm^-2；第二次注入能量为200-400keV，剂量2-6×10¹⁶cm^-2。

5、根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于：氦注入的剂量为2×10¹⁶cm^-2、3×10¹⁶cm^-2或4×10¹⁶cm^-2。

6、根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于：氦注入的能量为200keV或300keV。

7、根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于：低温退火的温度700℃，时间50分钟；高温退火的温度1100℃，时间300分钟。

8、根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于：实施外延工艺前先对衬底进行抛蚀，抛蚀厚度为0.5微米或0.8微米。

9、根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于：变掺杂浓度缓冲层第一层较高掺杂浓度为1×10¹⁷cm^-3、5×10¹⁷cm^-3或1×10¹⁸cm^-3，厚度为1微米或2微米。

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