CN106935499A - 一种场终止型绝缘栅双极型晶体管及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种场终止型绝缘栅双极型晶体管及其制造方法，其中，该方法包括：提供第一掺杂浓度的N型硅衬底；在N型硅衬底表面通过外延生长形成N-漂移层，N-漂移层的掺杂浓度为第二掺杂浓度，第二掺杂浓度小于第一掺杂浓度，N型硅衬底表面通过外延生长形成N-漂移层的一面为正面，另一面为背面；在N-漂移层上制备绝缘栅双极型晶体管正面结构；将N型硅衬底进行背面减薄，形成场终止层；在N型硅衬底背面注入P+杂质并背面退火形成P+集电区；在P+集电区上通过沉淀或蒸发的方法，形成背面金属电极，背面金属电极与P+集电区欧姆接触。采用该方法，可以解决现有场终止层制造工艺中产品成本较高、可靠性较差的技术问题。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及一种场终止型绝缘栅双极型晶体管及其制造方法。
背景技术
绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)是由金属-氧化物半导体场效应晶体管(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor,MOSFET)和PNP晶体管复合而成的一种器件，既有MOSFET器件驱动功率小和开关速度快的特点，又有双极型器件饱和压降低而容量大的特点，频率特性介于MOSFET和功率晶体管之间，可正常工作于几十KHZ频率范围内。
场终止(Field Stop，FS)型IGBT是IGBT器件的进一步发展，FS-IGBT器件具有输入阻抗低、通态压降低、驱动电路简单、安全工作区宽、电流处理能力强且几乎无拖尾电流等优点，在电机控制、中频开关电源和逆变器、机器人、空调器以及要求快速低损耗的领域中应用越来越广泛。
现有的FS层制造工艺大致分为两种，一种是通过减薄后进行高能注入和激光退火，另一种是通过外延工艺，在N型或P型衬底材料上注入N型杂质，推阱，再进行外延生产，形成了里面浓，外面淡的FS层。采用高能注入和激光退火，设备要求高，产品破片率难控制，增加产品成本，实现较困难；采用注入外延工艺，注入后需要高温长时间推阱，会照成衬底表面缺陷较多，影响外延的质量，影响器件可靠性，同时由于FS浓度在里面，产品的耐压时耗尽层在FS层里基本没有展宽，dv/dt变化较大，容易造成误导通和动态闩锁，影响应用可靠性。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种场终止型绝缘栅双极型晶体管及其制造方法，以解决现有场终止层制造工艺中产品成本较高、可靠性较差的技术问题。
第一方面，本发明提供了一种场终止型绝缘栅双极型晶体管的制造方法，包括以下步骤：
提供第一掺杂浓度的N型硅衬底；
在所述N型硅衬底表面通过外延生长形成N-漂移层，所述N-漂移层的掺杂浓度为第二掺杂浓度，所述第二掺杂浓度小于所述第一掺杂浓度，所述N型硅衬底表面通过外延生长形成N-漂移层的一面为正面，另一面为背面；
在所述N-漂移层上制备绝缘栅双极型晶体管正面结构；
将所述N型硅衬底进行背面减薄，形成场终止层；
在所述场终止层背面注入P+杂质并背面退火形成P+集电区；
在所述P+集电区上通过沉淀或蒸发的方法，形成背面金属电极，所述背面金属电极与所述P+集电区欧姆接触。
第二方面，本发明还提供了一种场终止型绝缘栅双极型晶体管，包括：N型硅衬底、N-漂移层、P基区、N+发射区、栅氧化层、多晶硅栅电极、介质层、正面金属发射极电极、P+集电区以及背面金属电极；
其中，所述N-漂移层位于所述N型硅衬底正面上方；
所述P基区位于所述N-漂移层内部；
所述N+发射区位于所述P基区内部；
所述栅氧化层位于所述N-漂移层正面上方；
所述多晶硅栅电极位于所述栅氧化层正面上方；
所述介质层延伸并覆盖所述栅氧化层和所述多晶硅电极；
所述正面金属发射极电极延伸并覆盖所述介质层，并与所述P基区以及所述N+发射区电接触；
所述P+集电区位于所述N型硅衬底背面下方；
所述背面金属电极位于所述P+集电区背面下方，与所述P+集电区欧姆接触。
本发明提供的场终止型绝缘栅双极型晶体管及其制造方法，在均匀低掺的N型硅衬底正面通过外延生长形成N-漂移层，在所述N-漂移层上制备绝缘栅双极型晶体管正面结构，然后将所述N型硅衬底进行背面减薄，形成场终止层，并在所述场终止层背面注入P+杂质并背面退火形成P+集电区，最后背金生成背面金属电极。采用本方法，可以解决现有场终止型绝缘栅双极型晶体管的制造方法中场终止层制造工艺产品成本较高、可靠性较差的技术问题。
附图说明
为了更加清楚地说明本发明示例性实施例的技术方案，下面对描述实施例中所需要用到的附图做一简单介绍。显然，所介绍的附图只是本发明所要描述的一部分实施例的附图，而不是全部的附图，对于本领域普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图得到其他的附图。
图1是本发明实施例提供的一种场终止型绝缘栅双极型晶体管的制造方法流程示意图；
图2是本发明实施例提供的一种场终止型绝缘栅双极型晶体管的制造方法中N型硅衬底的剖面示意图；
图3是本发明实施例提供的一种在N型硅衬底表面外延生长N-漂移层后的剖面示意图；
图4是本发明实施例提供的一种场终止型绝缘栅双极型晶体管的制造方法中绝缘栅双极型晶体管正面结构的制备方法的流程示意图；
图5是本发明实施例提供的一种在N-漂移层上生长或淀积栅氧化层后的剖面示意图；
图6是本发明实施例提供的一种在栅氧化层上淀积多晶硅，形成多晶硅栅电极后的剖面示意图；
图7是本发明实施例提供的一种在N-漂移层内形成P基区后的剖面示意图；
图8是本发明实施例提供的一种在P基区内形成N+发射区后的剖面示意图；
图9是本发明实施例提供的一种在栅氧化层和多晶硅栅电极的外围淀积形成介质层后的剖面示意图；
图10是本发明实施例提供的一种在介质层外围形成正面金属发射极电极后的剖面示意图；
图11是本发明实施例提供的一种将N型硅衬底进行背面减薄，形成场终止层后的剖面示意图；
图12是本发明实施例提供的一种在场终止层背面注入P+杂质并背面退火形成P+集电区后的剖面示意图；
图13是本发明实施例提供的一种在P+集电区上形成背面金属电极后的剖面示意图；
图14是本发明实施例提供的一种场终止型绝缘栅双极型晶体管结构示意图；
图15是通过不同工艺得到的场终止型绝缘栅双极型晶体管中离子掺杂浓度曲线对比图；
图16是通过不同工艺得到的场终止型绝缘栅双极型晶体管中场终止层电场分布曲线对比图。
图中的附图标记所分别指代的技术特征为：
201、N型硅衬底；202、N-漂移层；203、P基区；204、N+发射区；205、栅氧化层；206、多晶硅栅电极；207、介质层；208、正面金属发射极电极；209、P+集电区；210、背面金属电极。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下将结合本发明实施例中的附图，通过具体实施方式，完整地描述本发明的技术方案。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下获得的所有其他实施例，均落入本发明的保护范围之内。
实施例
图1是本发明实施例提供的一种场终止型绝缘栅双极型晶体管的制造方法的流程示意图。示例性的，图2是本发明实施例提供的一种场终止型绝缘栅双极型晶体管的制造方法中N型硅衬底的剖面示意图，本实施例可适用于制造场终止型绝缘栅双极型晶体管的情况。如图1和图2所示，本实施例提供的场终止型绝缘栅双极型晶体管的制造方法具体可以包括步骤S110-S160：
S110、提供第一掺杂浓度的N型硅衬底201。
N型硅衬底201掺杂均匀，其掺杂浓度为第一掺杂浓度，其掺杂电阻率可以为1-10欧姆*厘米，优选为3-10欧姆*厘米，厚度为400-675微米，N型硅衬底201的表面晶向可以为<100>，平面晶向可以为<110>，也可以为<100>，优选为<110>。
S120、在N型硅衬底201表面通过外延生长形成N-漂移层202，N-漂移层202的掺杂浓度为第二掺杂浓度，该第二掺杂浓度小于上述第一掺杂浓度，其中，N型硅衬底201表面通过外延生长形成N-漂移层202的一面为正面，另一面为背面。
示例性的，图3是本发明实施例提供的一种在N型硅衬底表面外延生长N-漂移层后的剖面示意图，如图3所示，在N型硅衬底201表面通过外延生长形成N-漂移层202，N-漂移层202的掺杂浓度为第二掺杂浓度，其掺杂电阻率可以为30-140欧姆*厘米，优选为80-110欧姆*厘米，由于N-漂移层202的掺杂电阻率高于N型硅衬底201的掺杂电阻率，且掺杂电阻率越高表明离子浓度越小，因此，N-漂移层202的离子掺杂浓度小于N型硅衬底201的离子掺杂浓度，即，第二掺杂浓度小于第一掺杂浓度，这里的掺杂浓度指的是离子掺杂浓度。进一步的，N-漂移层202的厚度可以为60-140微米，优选为90-120微米。进一步的，N型硅衬底201表面通过外延生长形成N-漂移层202的一面为正面，另一面为背面。
S130、在N-漂移层202上制备绝缘栅双极型晶体管正面结构。
具体的，图4是发明实施例提供的一种场终止型绝缘栅双极型晶体管的制造方法中绝缘栅双极型晶体管正面结构的制备方法的流程示意图，如图4所示，在N-漂移层202上制备绝缘栅双极型晶体管正面结构，可以包括步骤S131-S136：
S131、在N-漂移层202上生长或淀积栅氧化层。
示例性的，图5是本发明实施例提供的一种在N-漂移层上生长或淀积栅氧化层后的剖面示意图，如图5所示，在N-漂移层202上通过生长或者淀积的方法形成栅氧化层205。
S132、在栅氧化层205上淀积多晶硅，通过掩模和刻蚀形成多晶硅栅电极206。
示例性的，图6是本发明实施例提供的一种在栅氧化层上淀积多晶硅，形成多晶硅栅电极后的剖面示意图，如图6所示，在栅氧化层205上进行多晶硅淀积，然后通过选择性地掩模和刻蚀该多晶硅，形成多晶硅栅电极206。
S133、在N-漂移层202上进行刻蚀和离子注入，通过推阱在N-漂移层202内形成P基区203，P基区203从N-漂移层202的正面向背面方向延伸，且P基区203延伸的距离小于N-漂移层202的厚度。
示例性的，图7是本发明实施例提供的一种在N-漂移层内形成P基区后的剖面示意图，如图7所示，在N-漂移层202上进行刻蚀和离子注入，通过推阱在N-漂移层202内形成P基区203，P基区203从N-漂移层202的正面向背面方向延伸，且P基区203延伸的距离小于N-漂移层202的厚度。
S134、在P基区203上进行离子注入，退火后在P基区内形成N+发射区204。
示例性的，图8是本发明实施例提供的一种在P基区内形成N+发射区后的剖面示意图，如图8所示，在P基区203上进行离子注入，退火后在P基区203内形成N+发射区204，在离子注入前，需要在P基区203的表面涂覆光刻胶，然后通过在光刻胶上开出离子注入的窗口，从而能够在P基区203内形成N+发射区204。
S135、在多晶硅栅电极206上进行介质淀积，以在栅氧化层205和多晶硅栅电极206的外围淀积形成介质层207。
示例性的，图9是本发明实施例提供的一种在栅氧化层和多晶硅栅电极的外围淀积形成介质层后的剖面示意图，如图9所示，在多晶硅栅电极206上进行介质淀积，以在栅氧化层205和多晶硅栅电极206的外围淀积形成介质层207，淀积后再通过选择性地掩模和刻蚀，形成具有规则形状的介质层207。
S136、在介质层207的外围淀积或蒸发金属，以形成正面金属发射极电极208，正面金属发射极电极208与P基区203和N+发射区204电接触。
示例性的，图10是本发明实施例提供的一种在介质层外围形成正面金属发射极电极后的剖面示意图，如图10所示，在介质层207的外围淀积或蒸发金属，以形成正面金属发射极电极208，发射极电极208可以选择铝或者铝硅或者铝硅铜等金属材料。淀积后再通过选择性地掩模和刻蚀，形成具有规则形状的正面金属发射极电极208，正面金属发射极电极208与P基区203和N+发射区204电接触。
进一步的，上述正面结构为平面栅极绝缘栅双极型晶体管的正面结构，或者，上述正面结构为沟槽栅极绝缘栅双极型晶体管的正面结构。
示例性的，通过上述步骤制备的绝缘栅双极型晶体管的正面结构可以通过平面栅刻蚀形成平面栅极绝缘栅双极型晶体管的正面结构，也可以通过沟槽栅刻蚀形成沟槽栅极绝缘栅双极型晶体管的正面结构。
S140、将N型硅衬底201进行背面减薄，形成场终止层。
示例性的，图11是本发明实施例提供的一种将N型硅衬底进行背面减薄，形成场终止层后的剖面示意图，如图11所示，将N型硅衬底201进行背面减薄，并进行硅腐蚀后形成场终止层，场终止层的厚度为10-20微米。
S150、在场终止层背面注入P+杂质并背面退火形成P+集电区。
示例性的，图12是本发明实施例提供的一种在场终止层背面注入P+杂质并背面退火形成P+集电区后的剖面示意图，如图12所示，在场终止层背面注入P+杂质并背面退火形成P+集电区209。进一步的，P+杂质的注入剂量可以为1*1012-1*1015/平方厘米，注入能量可以为20-60千电子伏，背面退火的温度可以为350-500摄氏度，退火时间可以为20-200分钟。
S160、在P+集电区209上通过沉淀或蒸发的方法，形成背面金属电极210，背面金属电极210与P+集电区209欧姆接触。
示例性的，图13是本发明实施例提供的一种在P+集电区上形成背面金属电极后的剖面示意图，如图13所示，在P+集电区209上通过沉淀或蒸发的方法，形成背面金属电极210，背面金属电极210的材料可以依次为铝-钛-镍-银。进一步的，背面金属电极210与P+集电区209欧姆接触，最终得到场终止型绝缘栅双极型晶体管。
本发明实施例提供的场终止型绝缘栅双极型晶体管的制造方法，在均匀低掺的N型硅衬底正面通过外延生长形成N-漂移层，在N-漂移层上制备绝缘栅双极型晶体管正面结构，然后将N型硅衬底进行背面减薄，形成场终止层，并在场终止层背面注入P+杂质并背面退火形成P+集电区，最后背金生成背面金属电极。采用本方法，整套工艺和现有工厂NPT工艺相匹配，工艺简单，不需要添加特殊的设备，简单易行，成本低；并且外延前采用均匀低掺的N型材料作为场终止层，不需要高温推阱，表面状况良好，缺陷较少，其外延质量高，产品良率高，可靠性好，可以解决现有场终止型绝缘栅双极型晶体管的制造方法中场终止层制造工艺产品成本较高、可靠性较差的技术问题。
图14是本发明实施例提供的一种场终止型绝缘栅双极型晶体管结构示意图。如图14所示，该场终止型绝缘栅双极型晶体管包括：
N型硅衬底201、N-漂移层202、P基区203、N+发射区204、栅氧化层205、多晶硅栅电极206、介质层207、正面金属发射极电极208、P+集电区209以及背面金属电极210。
其中，N-漂移层202位于N型硅衬底201正面上方；
P基区203位于N-漂移层202内部；
N+发射区204位于P基区203内部；
栅氧化层205位于N-漂移层202正面上方；
多晶硅栅电极206位于栅氧化层205正面上方；
介质层207延伸并覆盖栅氧化层205和多晶硅电极206；
正面金属发射极电极208延伸并覆盖介质层207，并与P基区203以及N+发射区204电接触；
P+集电区209位于N型硅衬底201背面下方；
背面金属电极210位于P+集电区209背面下方，与P+集电区209欧姆接触。
可选的，本发明实施例提供的场终止型绝缘栅双极型晶体管可以采用本发明实施例提供的场终止型绝缘栅双极型晶体管的制造方法进行制备。
进一步的，图15为通过不同工艺得到的场终止型绝缘栅双极型晶体管中离子掺杂浓度曲线对比图。如图15所示，横轴从左向右方向表示场终止型绝缘栅双极型晶体管从背面方向向正面方向延伸，纵轴表示离子掺杂浓度，其单位为个/立方厘米。曲线1501表示通过高能注入和高温长时间推阱得到的场终止型绝缘栅双极型晶体管中离子掺杂浓度曲线；曲线1502表示通过表面注入，推阱得到的场终止型绝缘栅双极型晶体管中离子掺杂浓度曲线；曲线1503表示采用本发明实施例提供的制造方法得到的场终止型绝缘栅双极型晶体管中离子掺杂浓度曲线。从图中可以看出，采用本发明实施例提供的制造方法得到的场终止型绝缘栅双极型晶体管，场终止层离子掺杂浓度均匀，背面P+集电区不需要比较大的掺杂浓度，通过正常的注入，低温退火即可实现场终止型绝缘栅双极型晶体管功能，不需要激光退火等高温退火设备，工艺简单，成本低。
进一步的，图16为通过不同工艺得到的场终止型绝缘栅双极型晶体管中场终止层电场分布曲线对比图。如图16所示，横轴从左向右方向表示场终止型绝缘栅双极型晶体管从背面方向向正面方向延伸，纵轴表示场终止层电场分布，其单位为伏特/厘米。曲线1601表示通过高能注入和激光退火得到的场终止型绝缘栅双极型晶体管中场终止层电场分布曲线；曲线1602表示通过表面注入，推阱得到的场终止型绝缘栅双极型晶体管中场终止层电场分布曲线；曲线1603表示采用本发明实施例提供的制造方法得到的场终止型绝缘栅双极型晶体管中场终止层电场分布曲线。从图中可以看出，采用本发明实施例提供的制造方法得到的场终止型绝缘栅双极型晶体管，场终止层电场分布变化比较均匀，耐压时场终止层扩展具有一定的宽度，比较不容易造成误导通和动态闩锁，产品应用可靠性较高。
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。
Claims (10)
1.一种场终止型绝缘栅双极型晶体管的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
提供第一掺杂浓度的N型硅衬底；
在所述N型硅衬底表面通过外延生长形成N-漂移层，所述N-漂移层的掺杂浓度为第二掺杂浓度，所述第二掺杂浓度小于所述第一掺杂浓度，所述N型硅衬底表面通过外延生长形成N-漂移层的一面为正面，另一面为背面；
在所述N-漂移层上制备绝缘栅双极型晶体管正面结构；
将所述N型硅衬底进行背面减薄，形成场终止层；
在所述场终止层背面注入P+杂质并背面退火形成P+集电区；
在所述P+集电区上通过沉淀或蒸发的方法，形成背面金属电极，所述背面金属电极与所述P+集电区欧姆接触。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述N-漂移层上制备绝缘栅双极性晶体管正面结构，包括以下步骤：
在所述N-漂移层上生长或淀积栅氧化层；
在所述栅氧化层上淀积多晶硅，通过掩模和刻蚀形成多晶硅栅电极；
在所述N-漂移层上进行刻蚀和离子注入，通过推阱在N-漂移层内形成P基区，所述P基区从N-漂移层的正面向背面方向延伸，且所述P基区延伸的距离小于所述N-漂移层的厚度；
在所述P基区上进行离子注入，退火后在所述P基区内形成N+发射区；
在所述多晶硅栅电极上进行介质淀积，以在所述栅氧化层和所述多晶硅栅电极的外围淀积形成介质层；
在所述介质层的外围淀积或蒸发金属，以形成正面金属发射极电极，所述正面金属发射极电极与所述P基区和所述N+发射区电接触。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述N型硅衬底的掺杂电阻率为1-10欧姆*厘米，厚度为400-675微米。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述N-漂移层的掺杂电阻率为30-140欧姆*厘米，厚度为60-140微米。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述场终止层的厚度为10-20微米。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述P+杂质的注入剂量为1*1012-1*1015/平方厘米，注入能量为20-60千电子伏。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述背面退火的温度为350-500摄氏度，退火时间为20-200分钟。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述背面金属电极的材料依次为铝-钛-镍-银。
9.根据权利要求1-8任一所述的方法，其特征在于，所述正面结构为平面栅极绝缘栅双极型晶体管的正面结构，或者，所述正面结构为沟槽栅极绝缘栅双极型晶体管的正面结构。
10.一种场终止型绝缘栅双极型晶体管，其特征在于，包括：N型硅衬底、N-漂移层、P基区、N+发射区、栅氧化层、多晶硅栅电极、介质层、正面金属发射极电极、P+集电区以及背面金属电极；
其中，所述N-漂移层位于所述N型硅衬底正面上方；
所述P基区位于所述N-漂移层内部；
所述N+发射区位于所述P基区内部；
所述栅氧化层位于所述N-漂移层正面上方；
所述多晶硅栅电极位于所述栅氧化层正面上方；
所述介质层延伸并覆盖所述栅氧化层和所述多晶硅电极；
所述正面金属发射极电极延伸并覆盖所述介质层，并与所述P基区以及所述N+发射区电接触；
所述P+集电区位于所述N型硅衬底背面下方；
所述背面金属电极位于所述P+集电区背面下方，与所述P+集电区欧姆接触。
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