CN101930995A

CN101930995A - 使用锗/铝形成的绝缘栅双极晶体管的集电极及其制造方法

Info

Publication number: CN101930995A
Application number: CN2009101463866A
Authority: CN
Inventors: 黄平; 冯涛; 吴瑞生; 陈益; 段磊
Original assignee: Alpha and Omega Semiconductor Inc
Current assignee: Alpha and Omega Semiconductor Ltd; Alpha and Omega Semiconductor Inc
Priority date: 2009-06-19
Filing date: 2009-06-19
Publication date: 2010-12-29

Abstract

本发明提供一种使用锗/铝形成的IGBT的集电极，以及该集电极的制造方法，该集电极形成在IGBT背面的衬底层上，包含依次形成的锗、铝薄膜层；通过对IGBT的硅片背面进行减薄、腐蚀后，分别蒸发锗铝依次形成锗、铝薄膜层，然后进行退火的方法进行制造。本发明同时适用于非穿通型和穿通型的IGBT，可降低制造成本、减化制造步骤、改善产品的参数性能。

Description

使用锗/铝形成的绝缘栅双极晶体管的集电极及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种使用锗/铝形成的绝缘栅双极晶体管(IGBT)的集电极及其制造方法，尤其涉及一种在穿通型和非穿通型的绝缘栅双极晶体管中，使用锗/铝形成的集电极及相应的制作方法。

背景技术

在IGBT的制造过程中，需要在硅片的背面形成集电极。而目前，非穿通型和穿通型的IGBT都采用硅片背面注入的方法来形成集电极，这样的方式需要昂贵的注入机，同时还需要用于激活注入杂质的热退火设备。

例如，在美国专利第7005702号中，介绍了一种非穿通型IGBT的集电极或阳极结构，该结构是采用区熔单晶硅，在超薄硅片的背面淀积一层P型掺杂的非晶硅，由此形成集电极。

例如，在美国专利第6242288号中，介绍了一种非穿通型IGBT的弱集电极(阳极)的制作方法。该方法采用区熔单晶硅材料，在硅片正面的DMOS结构完成后，将从硅片背部将硅片的厚度减薄到250μm以下；随后在硅片背面注入一层浅的P型杂质，然后把硅片放在真空腔体内加热到400℃约30～40秒，用于去除硅片背面的湿气以及污染物；最后，在硅片背面溅射一层铝，然后再溅射一层其他金属，以形成背面电极。本方法不需要炉管退火或激光退火来激活集电极结。由于本方法中，采用铝做P型杂质，其存在两个问题，一是P-Si/A1的接触电阻会比较大，从而导致IGBT开启时具有较高的电压降；二是由于空穴注入的效率较高，从而导致IGBT的关断时间增加。

综上所述，现有的IGBT的集电极的结构和制造方法，大都需要采用注入机对硅片背面进行P型掺杂注入，成本高。故需要提出一种新的同时适用于非穿通型和穿通型的IGBT的集电极的结构和制造方法，可降低制造成本、减化制造步骤，提高生产效率及质量。

发明内容

本发明的目的是提供一种使用锗/铝形成的IGBT的集电极及其制造方法，其同时适用于非穿通型和穿通型的IGBT，有效降低生产制造的成本，并改善产品的参数性能。

为了达到上述目的，本发明提供一种使用锗/铝形成的IGBT的集电极，其形成在IGBT背面的衬底层上，包含：

直接形成在该衬底层的背部表面上的锗薄膜层；以及

形成在该锗薄膜层上的铝薄膜层。

其中，所述的铝薄膜层中的铝扩散至所述的锗薄膜层中，形成作为IGBT集电极的P型锗薄膜层。

所述的P型锗薄膜层形成在N型衬底层的背部表面上。

本发明还提供一种使用锗/铝形成的IGBT的集电极的制造方法，其包含以下步骤：

步骤1、在完成IGBT的硅片正面结构制作后，对位于硅片背部的衬底层进行减薄和腐蚀；

步骤2、在对IGBT的硅片背部衬底层完成减薄和腐蚀后，在硅片背部衬底层的表面依次先后形成锗薄膜层和铝薄膜层；

步骤3、对所形成的锗、铝薄膜层进行退火。

所述的步骤2中，可通过以下若干方式来先后形成锗薄膜层和铝薄膜层：

一是采用蒸发锗/铝的方式，具体包含以下步骤：

步骤2.1、首先在硅片背部衬底层的表面蒸发金属锗，形成一锗薄膜层；

步骤2.2、随后在该锗薄膜层表面蒸发金属铝，形成一铝薄膜层。

二是采用溅射锗/铝的方式，具体包含以下步骤：

步骤2.1、首先在硅片背部衬底层的表面溅射金属锗，形成一锗薄膜层；

步骤2.2、随后在该锗薄膜层表面溅射金属铝，形成一铝薄膜层。

三是采用先注入锗再淀积铝的方式，具体包含以下步骤：

步骤2.1、首先在硅片背部衬底层的表面注入金属锗，形成一锗薄膜层；

步骤2.2、随后在该锗薄膜层表面淀积金属铝，形成一铝薄膜层。

所述的步骤3中，对所形成的锗、铝薄膜层进行退火的步骤包含以下若干方式：

方式一是采用在真空腔体中对锗、铝薄膜层进行退火；该真空腔体中的退火温度为室温(25℃)～400℃，优选为200℃～400℃；退火时间为30秒～120分钟，优选为10分钟～60分钟；其中，所述的退火时间取决于Ge薄膜层的厚度和空穴注入效率。

方式二是采用在炉管中使用氮氢混合气体，对锗、铝薄膜层进行热退火；该炉管中的退火温度为300℃～450℃，优选为350℃～450℃；退火时间为10分钟～120分钟，优选为10分钟～60分钟；其中，所述的退火时间取决于Ge薄膜层的厚度和空穴注入效率。

方式三是对锗、铝薄膜层采用激光退火。

本发明所述的IGBT的集电极是采用锗/铝形成的。由于锗的禁带宽度比硅的禁带宽度窄，P-Ge/Al的势垒高度比现有技术中采用的P-Si/Al的势垒高度低，因而P-Ge/Al的接触电阻比P-Si/Al的接触电阻小，由此可减低IGBT开启时的较高的电压降；另外，由于锗的禁带宽度比硅的禁带宽度窄，所以本发明使用锗/铝形成集电极的PNP型IGBT的注入效率会比常规的硅PNP型IGBT要低，因而采用本发明集电极的IGBT的关断时间将缩短；其次，还可以通过调整锗薄膜层的厚度或者退火功率、温度、时间等因素来控制空穴注入效率，从而调整IGBT的关断时间。

本发明提供的使用锗/铝形成的IGBT的集电极及其制造方法，其同时适用于非穿通型和穿通型的IGBT，可降低制造成本、减化制造步骤、改善产品的参数性能。

附图说明

图1～图3所示为本发明方法用于非穿通型IGBT时的各步骤的示意图。

图4～图6所示为本发明方法用于穿通型IGBT时的各步骤的示意图。

具体实施方式

以下结合图1～图6，通过优选的具体实施例，详细说明本发明。

如图1～图3所示，对于非穿通型的IGBT，提供本发明的一个具体实施例。

如图2所示，非穿通型IGBT的结构为：在N-型硅衬底103(漂移区)的上部，设置有导电类型与其相同的高掺杂浓度N+源区，在其相邻处设置有导电类型与其相反的P-沟道区和高掺杂浓度的P+源极短路区；在硅片的表面覆盖一层绝缘介质膜105，这层绝缘介质膜即为器件的栅介质；由所述的N+源区和P+源极短路区、位于P-沟道区上方绝缘介质膜105、以及在N-型硅衬底背面形成的导电性能良好的锗/铝薄膜层相应引出为阴极(发射极)、栅极、以及阳极(集电极)，从而构成纵向的非穿通型IGBT。

其中，本发明所述的使用锗/铝形成的非穿通型IGBT的集电极形成在IGBT背面的N-衬底层103上，其包含：

直接形成在该衬底层的背部表面上的锗薄膜层101；以及

形成在该锗薄膜层上的铝薄膜层102。

制造该所述的集电极的具体包括以下步骤：

步骤1、如图1所示，在完成该非穿通型IGBT的硅片正面结构制作后，对位于硅片背部的N-衬底层103进行减薄和腐蚀；在本实施例中，将硅片从720μm的厚度减薄到50μm～200μm这样一个所需的厚度，同时通过腐蚀去除硅片背面的损伤层和磨损层；

步骤2、如图2所示，在对IGBT的硅片背部的N-衬底层103完成减薄和腐蚀后，在硅片背部的N-衬底层103的表面依次先后形成锗薄膜层101和铝薄膜层102；具体步骤为：

步骤2.1、首先在硅片背部N-衬底层103的表面蒸发金属锗，形成一锗薄膜层101；

步骤2.2、随后在该锗薄膜层101表面蒸发金属铝，形成一铝薄膜层102；

该步骤2中，也可以通过溅射先后形成锗、铝薄膜层，或者通过先注入锗再淀积铝的方式先后形成锗、铝薄膜层；

其中，锗薄膜层101的厚度为50A～5000A；铝薄膜层102的厚度为100A～10000A；

步骤3、对所形成的锗、铝薄膜层进行退火；可以采用不同的退火方式，例如：

方式一是采用在真空腔体中对锗、铝薄膜层进行退火；该真空腔体中的退火温度为室温(25℃)～400℃，优选为200℃～400℃；退火时间为30秒～120分钟，优选为10分钟～60分钟；

本实施例中，可以在250℃或者280℃的温度下在真空腔体中对锗、铝薄膜层进行退火；而具体的退火时间则取决于Ge薄膜层的厚度和空穴注入效率；

方式二是采用在炉管中使用氮氢混合气体，对锗、铝薄膜层进行热退火；该炉管中的退火温度为300℃～450℃，优选为350℃～450℃；退火时间为10分钟～120分钟，优选为10分钟～60分钟；

本实施例中，可以在350℃或者380℃的温度下在炉管中使用氮氢混合气体，对锗、铝薄膜层进行热退火；而具体的退火时间则取决于Ge薄膜层的厚度和空穴注入效率；

方式三是对锗、铝薄膜层采用激光退火。

最后，如图3所示，在铝薄膜层的表面上依次淀积钛薄膜层、镍薄膜层和银薄膜层。

上述方法中，步骤3所进行的退火工艺驱使Al往Ge薄膜层中扩散，由于Al是III族元素，从而形成了P型Ge薄膜层，而这层P型Ge薄膜层就是IGBT的集电极(阳极)。Al在Ge薄膜层中的扩散浓度越高，空穴的注入效率就越高，IGBT的导通性能就越好，但关断时间就越长；反之，Al在Ge薄膜层中扩散浓度越低，空穴的注入效率就越低，IGBT导通性能就越差，但关断时间就越短。通常，Al在Ge薄膜层中的表面浓度范围为10¹⁸～10²¹cm^-3。综上，可见通过调整Ge薄膜层的厚度和退火条件，就可以灵活的对IGBT器件的关断时间和导通电阻进行折中选择。

如图4～图6所示，对于穿通型的IGBT，提供本发明方法的另一个具体实施例，所述的穿通型IGBT与非穿通型IGBT相比，区别在于穿通型IGBT在硅片背部的N-衬底层103的底部还设有一N+缓冲层104。

如图5所示，为本发明提供的使用锗/铝形成的穿通型IGBT的集电极，其形成在IGBT背面的N型衬底层上，包含：

直接形成在该衬底层的背部表面上的锗薄膜层101；以及

形成在该锗薄膜层上的铝薄膜层102。

制造该所述的集电极的具体包括以下步骤：

步骤1、如图4所示，在完成该穿通型IGBT的硅片正面结构制作后，对位于硅片背部的N-衬底层103进行减薄和腐蚀；在本实施例中，将硅片从720μm的厚度减薄到50μm～200μm这样一个所需的厚度，同时通过腐蚀去除硅片背面的损伤层和磨损层；随后再采用先注入后退火激活的方式，在硅片背部的N-衬底层103的底部形成一N+缓冲层104；

步骤2、如图5所示，在对IGBT的硅片背部衬底层完成减薄和腐蚀后，在硅片背部衬底层的表面依次先后形成锗薄膜层和铝薄膜层；具体步骤为：

步骤2.1、首先在硅片背部N+缓冲层104的表面蒸发金属锗，形成一锗薄膜层101；

方式三是对锗、铝薄膜层采用激光退火。

如前所述，本实施例中步骤3所述的退火工艺，可驱使Al往Ge薄膜层中扩散，并形成作为IGBT的集电极(阳极)的P型Ge薄膜层。

最后，如图6所示，在铝薄膜层的表面上依次淀积钛薄膜层、镍薄膜层和银薄膜层。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims

1.一种使用锗/铝形成的IGBT的集电极，其特征在于，该集电极形成在IGBT背面的衬底层上，包含：

形成在该衬底层的背部表面上的锗薄膜层；以及

形成在该锗薄膜层上的铝薄膜层。

2.如权利要求1所述的使用锗/铝形成的IGBT的集电极，其特征在于，所述的铝薄膜层中的铝扩散至所述的锗薄膜层中，形成作为IGBT集电极的P型锗薄膜层。

3.如权利要求2所述的使用锗/铝形成的IGBT的集电极，其特征在于，所述的P型锗薄膜层形成在N型衬底层的背部表面上。

4.一种使用锗/铝形成的IGBT的集电极的制造方法，其特征在于，包含以下步骤：

步骤3、对所形成的锗、铝薄膜层进行退火。

5.如权利要求4所述的制造方法，其特征在于，所述的步骤2中，具体包含以下步骤：

6.如权利要求4所述的制造方法，其特征在于，所述的步骤2中，具体包含以下步骤：

7.如权利要求4所述的制造方法，其特征在于，所述的步骤2中，具体包含以下步骤：

8.如权利要求4所述的制造方法，其特征在于，所述的步骤3中，在真空腔体中对锗、铝薄膜层进行退火；该真空腔体中的退火温度为25℃～400℃，退火时间为30秒～120分钟。

9.如权利要求8所述的制造方法，其特征在于，所述的真空腔体中的退火温度为200℃～400℃，退火时间为10分钟～60分钟。

10.如权利要求4所述的制造方法，其特征在于，所述的步骤3中，在炉管中使用氮氢混合气体，对锗、铝薄膜层进行热退火；该炉管中的退火温度为300℃～450℃，退火时间为10分钟～120分钟。

11.如权利要求10所述的制造方法，其特征在于，所述的炉管中的退火温度为350℃～450℃，退火时间为10分钟～60分钟。

12.如权利要求4所述的制造方法，其特征在于，所述的步骤3中，对锗、铝薄膜层进行激光退火。