CN102142372A - 制备场阻断型绝缘栅双极晶体管的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种制备场阻断型绝缘栅双极晶体管的方法，N-型单晶片清洗后在正反两表面预扩散N+型半导体杂质，经主扩散、推结形成N+杂质区，研磨去除一个N+杂质区作为硅片正面，抛光硅片正面制得衬底材料，光刻场限环形成场限环P+窗口并进行硼离子注入，再光刻形成源区窗口，硅片栅氧化后进行多晶硅淀积和掺杂，在多晶硅栅窗口内离子注入并扩散形成P杂质区和N+杂质区，进行绝缘介质层淀积和回流、光刻引线孔，淀积金属层形成发射极和栅极；将硅片背面的N+杂质区磨消减薄，将硼离子注入后退火形成P+杂质区，淀积金属层形成集电极。本发明具有简化工艺流程，制造成本低，有利于实现IGBT软关断的特点。
Description
技术领域
本发明涉及一种制备场阻断型绝缘栅双极晶体管的方法，属于半导体器件技术领域。
背景技术
由于电磁炉、变频家电、数码相机等消费电子产品中应用绝缘栅双极晶体管(IGBT)的比例不断增大及消费电子产品整机产量巨大的影响，IGBT已经成为功率器件家族中的新兴力量，而场阻断型绝缘栅双极晶体管(FS-IGBT)因为低开关损耗和通态压降兼容，高的短路能力，容易并联等一系列出色的性能，应用范围不断扩大。见图1、2所示，对于场阻断型绝缘栅双极晶体管，由于N+stop layer即为场阻断层，其浓度远高于衬底浓度N-杂质区，所以电场将终止于N+杂质区，其电场分布为梯形。而非穿通型绝缘栅双极晶体管(NPT IGBT)因为没有场阻断层，其电场终止于N-杂质区完全耗尽的边缘，其电场分布为三角形，梯形电场相对于三角形电场，在相同的耐压下，厚度可以更薄，因此FS-IGBT的通态压降更低。N+杂质浓度和分布也直接影响FS-IGBT的拖尾电流，开关损耗等动态性能。常规在制作场阻断型绝缘栅双极晶体管的场阻断层时，一般是硅片背面用超高能量离子注入机注入N型杂质，该注入能量一般都要求大于300KeV，而非超高能量离子注入机注入能量一般在20KeV～200KeV，然后用激光退火进行杂质激活和推结形成浓度较高的场阻断层N+杂质区。因为硅片背面工艺已经到工艺流程尾声，硅片正面器件结构已经成型，后续无法再进行高温热扩散，而场阻断层又需要一定的深度，所以只能使用激光退火，但背面工艺所需要的超高能离子注入机和激光退火炉这两台设备都非常昂贵，薄片工艺的操作也很复杂，碎片率很高，导致整体工艺流程成本居高不下。
发明内容
本发明的目的是提供一种制备场阻断型绝缘栅双极晶体管的方法，能简化工艺流程，降低制造成本，且利用高温扩散形成的线性缓变结，有利于实现IGBT的软关断。
本发明为达到上述目的的技术方案是：一种制备场阻断型绝缘栅双极晶体管的方法，其特征在于：包括以下步骤，
(1)、衬底制备：对厚度在100-1000μm的N-型单晶片进行清洗后，在N-型单晶片的正反两表面上预扩散浓度高于N-单晶片的N+型半导体杂质，在1100-1300℃温度下，进行100-400h的N+型杂质的主扩散，推结深度至10-300μm形成N+杂质区，研磨去除其中一个N+杂质区并作为硅片正面，抛光硅片正面，制得作为场所阻断区的N+杂质区和N-杂质区的衬底材料；
(2)、光刻场限环及硼离子注入：在硅片正面进行氧化形成场氧化层，涂覆光刻胶，进行曝光、显影、刻蚀，形成场限环P+窗口，再进行硼离子注入高温扩散推结，形成导电沟道所在的P杂质区；
(3)、光刻有源区：在硅片正面涂覆光刻胶，进行曝光、显影、刻蚀，形成有源区窗口；
(4)、栅氧化：对硅片进行清洗处理，去除有源区内的场氧化层，并对硅片进行氧化形成栅氧化层；
(5)、多晶硅淀积和掺杂：在栅氧化层上淀积多晶硅层，并对多晶硅层进行离子掺杂；
(6)、光刻多晶硅栅窗口：在多晶硅层表面涂覆光刻胶，进行曝光、显影、刻蚀形成多晶硅栅窗口；
(7)、离子注入和扩散：将硼离子注入多晶硅栅窗口内，高温扩散形成P杂质区，再将砷离子注入到多晶硅栅窗口，高温激活和扩散形成N+杂质区；
(8)、侧壁保护墙淀积和刻蚀：在多晶硅层表面淀积的二氧化硅层，然后进行干法刻蚀，形成多晶硅栅两侧壁保护墙；
(9)、绝缘介质层淀积和回流：在硅片正面淀积绝缘介质层，然后对绝缘介质层进行回流处理；
(10)、引线孔光刻和腐蚀：在硅片正面涂覆光刻胶、光刻、显影、刻蚀形成发射极及栅极的引线孔；
(11)、金属层淀积及钝化层淀积和光刻：对硅片正面溅射或蒸发金属层，通过光刻金属层形成发射极和栅极，并在硅片正面淀积钝化层，并对钝化层光刻和刻蚀出发射极和栅极的引出窗口；
(12)、背面离子注入及退火：将硅片背面的N+杂质区磨消减薄至5-50μm，将硼离子注入硅片背面，低温退火形成P+杂质区；
(13)、背面金属层淀积：对硅片背面溅射Ti或Ni或Ag形成集电极，制得场阻断型绝缘栅双极晶体管。
本发明采用N-型单晶片并通过杂质预扩、高温扩散、推结形成N+杂质区，并研磨去除其中一个表面的N+杂质区作为硅片正面，将硅片抛光后，制得具有N-杂质区和N+杂质区的衬底材料，而N+杂质区为晶体管的场阻断层区，本发明先制得场断层区，再在硅片正面即在N-杂质区表面形成P杂质区和N+杂质区，并通过绝缘介质层淀积、回流以及引线孔光刻和腐蚀后形成发射极和栅极，再对硅片的背面的N+杂质区进行减薄至5-50μm，最后对硅片背面进入硼离子注入及热退火，形成P+杂质区，并通过金属淀积形成集电极，制得场阻断型绝缘栅双极晶体管。本发明在硅片背面无需经过超高能量离子注入和激光退火而制得场阻断层，用普通的低温退火工艺代替了昂贵的激光退火，简化工艺流程，降低了碎片率，成品率明显提高，可利用常规的机器设备即可完成高性能FS-IGBT的制作，大大节省了生产成本。本发明利用高温扩散制备N-杂质区和N+杂质区的衬底材料先制得场所阻断层，再进行硅片正面工序的制作，最后将硼离子通过离子注入机注入到硅片背面形成P+杂质区即可，因此能利用高温扩散形成的线性缓变结，更加有利于实现IGBT的软关断。
附图说明
下面结合附图对本发明的实施例作进一步的详细描述。
图1是常规场阻断型绝缘栅双极晶体管的结构示意图。
图2是场阻断型绝缘栅双极晶体管的电场分布图。
图3是本发明的流程图。
具体实施方式
见图3所示，本发明的制备场阻断型绝缘栅双极晶体管的方法，包括以下步骤：
(1)、衬底制备：对厚度在100-1000μm的N-型单晶片进行清洗后，该N-型单晶片电阻率在10-300Ω·cm，先在N-型单晶片的正反两表面上预扩散浓度高于N-单晶片的N+型半导体杂质，可用磷源预扩，再在1100-1300℃温度下，进行100-400h的N+型杂质主扩散，推结深度至10-300μm形成N+杂质区，本发明N+型杂质的主扩散中，可在1150-1250℃温度下，进行150-200h的N+型杂质扩散，推结深度至50-200μm形成N+杂质区，通过主扩散中形成的两面的氧化层能防止热推结过程中，磷离子的大量外扩，以确保达到要求的深度，研磨去除其中一个N+杂质区并作为硅片正面，保留N-杂质区的厚度可根据FS-IGBT的应用的击穿电压而定，抛光硅片正面，制得作为场所阻断区的N+杂质区和N-杂质区的衬底材料。
(2)、光刻场限环及硼离子注入：在硅片正面进行氧化形成场氧化层，按常规工艺在硅片上涂覆光刻胶，进行曝光、显影、刻蚀场氧化层，形成场限环P+窗口，该窗口宽度控制在0.5μm～30μm，再进行硼离子注入高温扩散推结，在1000～1250℃下进行扩散推结，其注入能量在60～120KeV，注入剂量在5E12～5E14，形成导电沟道所在的P型杂质区。
(3)、光刻有源区：按常规工艺在硅片正面涂覆光刻胶，进行曝光、显影、刻蚀场氧化层形成有源区窗口，有源区窗口宽度可控制在0.2μm～20μm。
(4)、栅氧化：对硅片进行清洗处理，去除有源区内的场氧化层，并对硅片进行氧化形成栅氧化层，将硅片放入氧化炉内在900℃～1200℃条件下进行栅氧化，形成栅氧化层，该栅氧化层的厚度可控制在
(5)、多晶硅淀积和掺杂：将硅片放入淀积炉内，利用低压化学汽相淀积(LPCVD)在栅氧化层上淀积多晶硅层，多晶硅层的厚度控制在
其厚度也可控制在
可根据器件的设计要求确定多晶硅层的具体厚度，并对多晶硅层进行离子掺杂，用POCL3淀积，将硅片放入扩散炉内，在850℃～1000℃温度下对多晶硅层进行离子掺杂形成导电层。
(6)、光刻多晶硅栅窗口：按常规工艺在多晶硅层表面涂覆光刻胶，进行曝光、显影、刻蚀多晶硅层，形成多晶硅栅窗口；
(7)、离子注入和扩散：将硼离子通过离子注入机注入多晶硅栅窗口内，其注入能量在60～120KeV，注入剂量在1E12～8E14/cm2，在1000～1250℃的高温下扩散形成P杂质区，再将砷离子注入到多晶硅栅窗口，其注入能量在30-80KeV，注入剂量在1E15～1E16/cm2，再在950～1100℃的高温激活和扩散，形成N+杂质区。
(8)、侧壁保护墙淀积和刻蚀：在多晶硅层表面淀积的二氧化硅层，然后进行干法刻蚀二氧化硅层，形成多晶硅栅两侧壁保护墙；
(9)、绝缘介质层淀积和回流：将硅片放入淀积炉内，用等离子增强化学汽相淀积(PECVD)，在硅片正面淀积绝缘介质层，该绝缘介质层采用常规磷硅玻璃或硼磷硅玻璃，为达到回流处理时使绝缘介质层表面较为平坦，最好选用硼磷硅玻璃，绝缘介质层厚度在
通过对绝缘介质层厚度的控制，即可保证阻挡可动电荷粘污的能力，又能保证引线孔刻蚀的准确性，然后对绝缘介质层进行回流处理。
(11)、引线孔光刻和腐蚀：按常规工艺在硅片正面涂覆光刻胶、光刻、显影、刻蚀绝缘介质层，形成发射极的引线孔及栅极的引线孔。
(11)、正面金属层淀积及钝化层淀积和光刻：对硅片正面溅射或蒸发金属层，通过光刻金属层形成发射极和栅极，再在硅片正面淀积钝化层，用等离子增强化学汽相淀积在硅片正面淀积钝化层，该钝化层的厚度在1～5μm，可通过氮化硅层作为钝化层来保护器件免受湿气和沾污，并对钝化层进行光刻和刻蚀出发射极和栅极的引出窗口，即对发射极和栅极引出的地方刻开，便于后续打线封装。
(12)、背面离子注入及退火：将硅片背面的N+杂质区磨消减薄至5-50μm，具体厚度需根据生产线实际情况及器件特性、稳定性等因素最终确定，如N+杂质区的厚度在10μ、15μ、20μ，25μ、3μ5、40μ、45μm等，将硼离子注入硅片背面，其注入能量在30～200KeV，注入剂量在1E13～1E16/cm2，低温退火形成P+杂质区，可在400～800℃的温度下退火，即形成集电极区。
(13)、背面金属层淀积：对硅片背面溅射Ti或Ni或Ag，形成集电极，制得场阻断型绝缘栅双极晶体管。
Claims (2)
1.一种制备场阻断型绝缘栅双极晶体管的方法，其特征在于：包括以下步骤，
(1)、衬底制备：对厚度在100-1000μm的N-型单晶片进行清洗后，在N-型单晶片的正反两表面上预扩散浓度高于N-单晶片的N+型半导体杂质，在1100-1300℃温度下，进行100-400h的N+型杂质的主扩散，推结深度至10-300μm形成N+杂质区，研磨去除其中一个N+杂质区并作为硅片正面，抛光硅片正面，制得作为场所阻断区的N+杂质区和N-杂质区的衬底材料；
(2)、光刻场限环及硼离子注入：在硅片正面进行氧化形成场氧化层，涂覆光刻胶，进行曝光、显影、刻蚀，形成场限环P+窗口，再进行硼离子注入高温扩散推结，形成导电沟道所在的P杂质区；
(3)、光刻有源区：在硅片正面涂覆光刻胶，进行曝光、显影、刻蚀，形成有源区窗口；
(4)、栅氧化：对硅片进行清洗处理，去除有源区内的场氧化层，并对硅片进行氧化形成栅氧化层；
(5)、多晶硅淀积和掺杂：在栅氧化层上淀积多晶硅层，并对多晶硅层进行离子掺杂；
(6)、光刻多晶硅栅窗口：在多晶硅层表面涂覆光刻胶，进行曝光、显影、刻蚀形成多晶硅栅窗口；
(7)、离子注入和扩散：将硼离子注入多晶硅栅窗口内，高温扩散形成P杂质区，再将砷离子注入到多晶硅栅窗口，高温激活和扩散形成N+杂质区；
(8)、侧壁保护墙淀积和刻蚀：在多晶硅层表面淀积
的二氧化硅层，然后进行干法刻蚀，形成多晶硅栅两侧壁保护墙；
(9)、绝缘介质层淀积和回流：在硅片正面淀积绝缘介质层，然后对绝缘介质层进行回流处理；
(10)、引线孔光刻和腐蚀：在硅片正面涂覆光刻胶、光刻、显影、刻蚀形成发射极及栅极的引线孔；
(11)、金属层淀积及钝化层淀积和光刻：对硅片正面溅射或蒸发金属层，通过光刻金属层形成发射极和栅极，并在硅片正面淀积钝化层，并对钝化层光刻和刻蚀出发射极和栅极的引出窗口；
(12)、背面离子注入及退火：将硅片背面的N+杂质区磨消减薄至5-50μm，将硼离子注入硅片背面，低温退火形成P+杂质区；
(13)、背面金属层淀积：对硅片背面溅射Ti或Ni或Ag形成集电极，制得场阻断型绝缘栅双极晶体管。
2.根据权利要求1所述制备场阻断型绝缘栅双极晶体管的方法，其特征在于：在上述第一步中在1150-1250℃温度下，进行150-200h的N+型杂质扩散，推结深度至50-200μm形成N+杂质区。
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