專利名稱：溝槽型絕緣柵雙極型晶體管及其制備方法
技術領域：
本發(fā)明屬于絕緣柵雙極型晶體管(InsulatedGate Bipolar Transistor, IGBT)技術領域，涉及溝槽型IGBT的制備方法以及采用該制備方法所制備形成的IGBT，尤其涉及正面工藝基本在半導體襯底的正面完成、而背面工藝在半導體襯底背面生長的外延層中完成的溝槽型IGBT制備方法。
背景技術：
IGBT是一種常見的功率型器件，其是大電流開關主流器件之一，廣泛應用于高壓大電流情況下，例如，應用于工作電壓在1200V的情況下。IGBT中，按照柵極的結構類型，IGBT可以分為平面型IGBT和溝槽型IGBT，二者的結構特征及其相應特性為本領域技術人員所知悉。但是，這兩種IGBT在制備的過程中，均包括正面工藝和背面工藝，其中，正面工藝主要用來完成IGBT的柵極(Gate，G)和發(fā)射極(Emitter, E)的制備，背面工藝主要用來完成IGBT的集電極(Collector，C)的制備。通常地，現有的溝槽型IGBT主要通過以下兩種方法制備形成。第一種是，在單晶硅襯底上完成正面工藝，然后對襯底背面減薄、背面多次離子注入以引出形成集電極；這種方法不依賴于外延工藝，但是依賴于高能離子注入以及退火激活工藝過程,高能離子注入的設備成本高、工藝過程實現成本也比較高；并且,離子注入并退火形成的集電極區(qū)的摻雜源的激活率不高，進而導致IGBT的飽和特性不佳。第二種是，在單晶硅襯底上反型外延生長較厚的外延層，并在該外延層上完成正面工藝，然后在其背面對硅襯底減薄并形成集電極；這種方法采用外延工藝并且以外延層來主要制備IGBT (緩沖層以上均由外延層來形成)，外延層比較厚并且對外延層的性能要求非常高(例如缺陷數目)，常常因為外延層的質量不夠好而導致IGBT性能變差(例如，過壓承受能力和過電流承受能力差)或者成品率低。有鑒于此，為提高溝槽型IGBT的性能，有必要針對溝槽型IGBT提出一種新的制備方法。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的之一在于，提高溝槽型IGBT的性能。本發(fā)明的又一目的在于，降低溝槽型IGBT的制備成本。為實現以上目的或者其它目的，本發(fā)明提供以下技術方案。按照本發(fā)明的一方面，提供一種溝槽型IGBT的制備方法，其特征在于，包括以下步驟:
提供半導體襯底；
在所述半導體襯底的第一面上外延生長外延層；
在所述半導體襯底的第二面上制備形成所述溝槽型IGBT的柵極和發(fā)射極；
對所述外延層進行減薄以形成集電區(qū)；以及 在所述集電區(qū)上金屬化以形成集電極。按照本發(fā)明一優(yōu)選實施例的制備方法，其中，所述溝槽型IGBT為溝槽型場截止IGBT ;并且
所述外延生長步驟中，包括:
在所述半導體襯底的第一面上外延生長用于形成緩沖層的第一外延層；以及 在所述第一外延層上外延生長用于形成集電區(qū)的第二外延層。在之前所述實施例的制備方法中，優(yōu)選地，在對所述外延層進行減薄的步驟中，對所述第二外延層進行減薄。在之前所述實施例的制備方法中，優(yōu)選地，所述半導體襯底為N型摻雜，所述第一外延層為N型摻雜，所述第二外延層為P型摻雜。在之前所述實施例的制備方法中，優(yōu)選地，所述半導體襯底的摻雜濃度范圍為I X IO9 離子 /cm3 至 I X IO15 離子 /cm3。在之前所述實施例的制備方法中，優(yōu)選地，所述第一外延層的摻雜濃度范圍為I X IO14離子/cm3至I X IO22離子/cm3，所述第一外延層的厚度范圍為0.0001微米至100微米。在之前所述實施例的制備方法中，優(yōu)選地，所述第二外延層的摻雜濃度范圍為I X IO14離子/cm3至I X IO23離子/cm3，所述第二外延層的厚度范圍為I微米至600微米。在之前所述實施例的制備方法中，優(yōu)選地，所述外延生長的溫度范圍為1100°C至1240。。。在之前所述實施例的制備方法中，優(yōu)選地，所述集電極為Al/Ti/Ni/Ag的復合層結構；或者為Ti /Ni/Ag的復合層結構；或者為Al/V/Ni/Ag的復合層結構。在之前所述實施例的制備方法中，優(yōu)選地，在外延生長外延層步驟之前，對所述半導體襯底的第一面進行拋光。按照本發(fā)明的又一方面，提供一種溝槽型IGBT，其通過以上所述及的任一種方法制備形成。本發(fā)明的技術效果是，采用外延生長的辦法在半導體襯底的背面形成集電區(qū)，避免了傳統(tǒng)工藝中多次高能離子注入的過程，相對成本低且不容易受高能離子注入設備的限制；并且，溝槽型IGBT正面工藝是在半導體襯底中完成，半導體襯底的質量優(yōu)于外延生長的半導體層的質量，因此，能大大提高溝槽型IGBT的器件性能(例如，溝槽型IGBT的飽和特性)；外延的半導體層主要用來形成集電區(qū)，其質量要求較低，也降低了外延工藝的要求及成本。因此，使用本發(fā)明的制備方法成本低、制備形成的溝槽型IGBT的器件性能好。


從結合附圖的以下詳細說明中，將會使本發(fā)明的上述和其它目的及優(yōu)點更加完全清楚，其中，相同或相似的要素采用相同的標號表示。圖1是按照本發(fā)明一實施例的溝槽型IGBT制備方法的流程示意圖。圖2至圖7是按照圖1所示方法流程制備溝槽型IGBT時的結構變化示意圖。
具體實施方式
下面介紹的是本發(fā)明的多個可能實施例中的一些，旨在提供對本發(fā)明的基本了解，并不旨在確認本發(fā)明的關鍵或決定性的要素或限定所要保護的范圍。容易理解，根據本發(fā)明的技術方案，在不變更本發(fā)明的實質精神下，本領域的一般技術人員可以提出可相互替換的其它實現方式。因此，以下具體實施方式
以及附圖僅是對本發(fā)明的技術方案的示例性說明，而不應當視為本發(fā)明的全部或者視為對本發(fā)明技術方案的限定或限制。在附圖中，為了清楚起見，夸大了層和區(qū)域的厚度，并且，由于刻蝕引起的圓潤等形狀特征未在附圖中示意出。本文中，“背面”、“正面”、“上”和“下”等方位術語是相對于附圖中的定義的z坐標方向來定義的，相對于IGBT器件單元來說，發(fā)射極、柵極相對集電極的方向被定義為z坐標的正方向，z坐標同時垂直于用于制備該IGBT的襯底表面。并且，應當理解到，這些方向性術語是相對的概念，它們用于相對于的描述和澄清，其可以根據IGBT器件單元所放置的方位的變化而相應地發(fā)生變化。另外，IGBT器件單元的截面的溝道上的方向定義為X坐標方向，也即水平方向。圖1所示為按照本發(fā)明一實施例的溝槽型IGBT制備方法的流程示意圖；圖2至圖7所示為按照圖1所示方法流程制備溝槽型IGBT時的結構變化示意圖。結合圖1至圖7詳細說明該制備方法實施例。首先，步驟110，提供N-單晶硅襯底。如圖2所示，N-單晶硅襯底300的晶向優(yōu)選地為〈100〉，其摻雜濃度在I X IO9離子/cm3至IX IO1范圍內設定，例如，其摻雜濃度可以為6X IO14離子/cm3。N-單晶硅襯底300的兩面為正面302和背面301，其分別用來完成溝槽型IGBT的正面工藝和背面工藝。進一步，步驟S120，在N-單晶硅襯底的背面外延生長N+外延層。如圖3所示，采用外延工藝，在N-單晶硅襯底300的背面301生長一層N+外延層310，N+外延層310與N-單晶硅襯底300之間為同類型摻雜，因此，其為同型(相同導電類型、即相同摻雜類型)的外延生長，相對于反型的外延生長，N+外延層310的摻雜濃度等容易得到控制。較佳地，N+外延層310的摻雜濃度在I X IO14離子/cm3至I X IO22離子/cm3范圍內設定(例如，5 X IO18離子/cm3)，其厚度范圍為0.0001微米至100微米(例如5微米)；外延生長N+外延層310時工藝條件中的外延爐生長的溫度范圍為1100°C至1240°C。N+外延層310最終可以用來形成溝槽型IGBT的緩沖層(Buffer Layer)。優(yōu)選地，在該步驟120中，在外延生長之前，包括對N-單晶硅襯底300的背面進行單面拋光的步驟，以準確進行外延生長。進一步,步驟S130,在N+外延層上外延生長P+外延層。如圖4所示，采用外延工藝，繼續(xù)在N+外延層310上反型生長形成P+外延層320a。較佳地，P+外延層320a的摻雜濃度在IX IO14離子/cm3至IX IO23離子/cm3范圍內設定(例如，7 X IO19離子/cm3)，其厚度范圍為I微米至600微米(例如，20微米);外延生長P+外延層320a時，其具體工藝條件為在1100°C至1240°C的溫度范圍內外延爐生長。由于該P+外延層320a最終是用來形成集電極(C)，該外延層的質量(例如缺陷數目等)對溝槽型IGBT的性能影響相對較小，并且，大部分的P+外延層320a在其后步驟中需要減薄去除，因此，對該外延步驟生長形成的P+外延層320a相對于背景技術中的第二種方法的外延層的質量要求也低，也有利于降低成本。
進一步，步驟S140，在N-單晶硅襯底的正面完成正面工藝以制備形成IGBT的柵極和發(fā)射極。如圖5所示，以N-單晶硅襯底300形成溝槽型IGBT的N-漂移(Drift)區(qū)，在N-單晶硅襯底300正面構圖摻雜形成P+體區(qū)351，在P+體區(qū)351中構圖刻蝕形成溝槽，并在溝槽內氧化生長柵介質層353，在溝槽內進一步形成諸如多晶硅材料的柵極354 ;進一步在P+體區(qū)351上、溝槽的兩旁構圖摻雜形成N+發(fā)射區(qū)352，在該實例中，兩個N+發(fā)射區(qū)352共同連接于一個發(fā)射極355，發(fā)射極355通過金屬化工藝形成。在該實例中，溝槽穿過P+體區(qū)351至N-漂移區(qū)，柵極354是通過溝槽形成，因此，被稱為溝槽型IGBT從在N-單晶硅襯底的正面形成P+體區(qū)351至形成柵極354和發(fā)射極355，統(tǒng)稱為正面工藝，通過正面工藝，溝槽型IGBT的主體已經基本形成。需要理解的是，溝槽型IGBT的具體正面工藝步驟、或者正面工藝過程所具體形成的結構均不受本發(fā)明圖示實施例所限制，其可以采用現有技術中已經公開或揭示的任何正面工藝及其形成的結構，甚至可以采用將來改進的正面工藝或其所形成的結構。進一步,步驟S150,對P+外延層實施減薄工藝。如圖6所示，例如可以采用拋光等減薄工藝對P+外延層320a的背面進行減薄以形成P+集電區(qū)320。P+集電區(qū)320的摻雜濃度同樣在I X IO14離子/cm3至I X IO23離子/cm3范圍內設定(例如，7 X IO19離子/cm3)，其厚度范圍為I微米至100微米(例如，5微米)。因此，大部分的P+外延層320a在該實施例中被減薄去除。進一步，步驟S160，背面金屬化以形成集電極。如圖7所不,在P+集電區(qū)320的表面上沉積金屬層并金屬化以形成集電極330。在一優(yōu)選實例中，集電極330為Al/Ti/Ni/Ag的復合層結構，Al、T1、N1、Ag由上至下依次排布設置(圖中未示出)；在又一優(yōu)選實例中，集電極330為Ti/Ni/Ag的復合層結構，T1、N1、Ag由上至下依次排布設置(圖中未示出);在還一實施例中，集電極330為A1/V (釩)/Ni/Ag的復合層結構，Al、V、N1、Ag由上至下依次排布設置(圖中未示出)。至此，圖1所示實施例的制備方法過程基本結束，從而制備形成了如圖7所示實施例的溝槽型IGBT。在圖7所示中，需要說明的是，多個溝槽型IGBT的單元元胞共同地并聯(lián)共用一個集電極330，電阻較小。在圖7所示實施例的溝槽型IGBT中，采用兩次外延生長的辦法形成N-緩沖層和集電區(qū)，避免了傳統(tǒng)工藝中多次高能離子注入的過程，相對成本低且不容易受高能離子注入設備的限制；尤其是，溝槽型IGBT正面工藝是在以單晶硅為例的半導體襯底中完成，半導體襯底的質量優(yōu)于外延生長的半導體層的質量，因此，能大大提高溝槽型IGBT的器件性能(例如,溝槽型IGBT的飽和特性)；并且,外延的半導體層主要用來形成集電區(qū),其質量要求相對較低，也降低了外延工藝的要求及成本。圖7所述實施例的溝槽型IGBT，溝槽型場截止(Field Stop) IGBT, N+外延層310相對于襯底形成的N-漂移層的摻雜濃度更高，按照泊松方程，可以使電場強度在該N+外延層310中迅速終止。需要理解是，本發(fā)明制備方法還可以應用于其他實施例的溝槽型IGBT的制備，例如，不包括N+外延層310的非場截止型的IGBT。以上例子主要說明了本發(fā)明的溝槽型IGBT的制備方法以及使用該制備方法所形成的。盡管只對其中一些本發(fā)明的實施方式進行了描述，但是本領域普通技術人員應當了解，本發(fā)明可以在不偏離其主旨與范圍內以許多其他的形式實施。因此，所展示的例子與實施方式被視為示意性的而非限制性的，在不脫離如所附各權利要求所定義的本發(fā)明精神及范圍的情況下，本發(fā)明可能涵蓋各種的修改與替換。
權利要求
1.一種溝槽型絕緣柵雙極型晶體管的制備方法，其特征在于，包括以下步驟: 提供半導體襯底； 在所述半導體襯底的第一面上外延生長外延層； 在所述半導體襯底的第二面上制備形成所述溝槽型絕緣柵雙極型晶體管的柵極和發(fā)射極； 對所述外延層進行減薄以形成集電區(qū)；以及 在所述集電區(qū)上金屬化以形成集電極。
2.如權利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述溝槽型絕緣柵雙極型晶體管為溝槽型場截止絕緣柵雙極型晶體管；并且 所述外延生長步驟中，包括: 在所述半導體襯底的第一面上外延生長用于形成緩沖層的第一外延層；以及 在所述第一外延層上外延生長用于形成集電區(qū)的第二外延層。
3.如權利要求2所述的制備方法，其特征在于，在對所述外延層進行減薄的步驟中，對所述第二外延層進行減薄。
4.如權利要求2所述的制備方法，其特征在于，所述半導體襯底為N型摻雜，所述第一外延層為N型摻雜，所述第二外延層為P型摻雜。
5.如權利要求4所述的制備方法，其特征在于，所述半導體襯底的摻雜濃度范圍為I X IO9 離子 /cm3 至 I X IO15 離子 /cm3。
6.如權利要求4所述的制備方法，其特征在于，所述第一外延層的摻雜濃度范圍為I X IO14離子/cm3至I X IO22離子/cm3，所述第一外延層的厚度范圍為0.0001微米至100微米。
7.如權利要求4所述的制備方法，其特征在于，所述第二外延層的摻雜濃度范圍為I X IO14離子/cm3至I X IO23離子/cm3，所述第二外延層的厚度范圍為I微米至600微米。
8.如權利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述外延生長的溫度范圍為1100°C至1240。。。
9.如權利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述集電極為Al/Ti/Ni/Ag的復合層結構；或者為Ti/Ni/Ag的復合層結構；或者為Al/V/Ni/Ag的復合層結構。
10.如權利要求1所述的制備方法，其特征在于，在外延生長外延層步驟之前，對所述半導體襯底的第一面進行拋光。
11.一種按照如權利要求1至10中任一項所述方法制備形成的溝槽型絕緣柵雙極型晶體管。
全文摘要
本發(fā)明提供一種溝槽型絕緣柵雙極型晶體管(InsulatedGateBipolarTransistor，IGBT)及其制備方法，屬于IGBT技術領域。該制備方法包括步驟(1)提供半導體襯底；(2)在所述半導體襯底的第一面上外延生長外延層；(3)在所述半導體襯底的第二面上制備形成所述溝槽型IGBT的柵極和發(fā)射極；(4)對所述外延層進行減薄以形成集電區(qū)；(5)在所述集電區(qū)上金屬化以形成集電極。該制備方法成本低、制備形成的溝槽型IGBT的器件性能好。
文檔編號H01L29/36GK103151251SQ20111040256
公開日2013年6月12日 申請日期2011年12月7日 優(yōu)先權日2011年12月7日
發(fā)明者唐紅祥, 孫永生, 計建新, 馬衛(wèi)清 申請人:無錫華潤華晶微電子有限公司