專利名稱：一種絕緣柵雙極型晶體管及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體功率器件及制造領(lǐng)域，尤其是涉及一種絕緣柵雙極型晶體管及其制造方法。
背景技術(shù)：
絕緣柵雙極型晶體管Gnsulated Gate Bipolar Transistor,以下簡稱IGBT)是一種集金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)管(MOSFET)的柵電極電壓控制特性和雙極結(jié)型晶體管 (BJT)的低導(dǎo)通電阻特性于一身的新型半導(dǎo)體功率器件。它具有電壓控制、輸入阻抗大、驅(qū)動功率小、導(dǎo)通電阻小、開關(guān)損耗低及工作頻率高等特性，是比較理想的半導(dǎo)體功率開關(guān)器件，有著廣闊的發(fā)展和應(yīng)用前景。根據(jù)IGBT背面結(jié)構(gòu)的不同，可以把IGBT分為穿通型(PT-IGBT)和非穿通型 (NPT-IGBT)兩種結(jié)構(gòu)。PT-IGBT—般是在均勻摻雜的厚度為數(shù)百微米的P+襯底上外延生長N+緩沖層和N-基區(qū)，然后再于N-層上制作所需的正面結(jié)構(gòu)而形成。IGBT的正向阻斷電壓(也可簡稱為耐壓)由N-基區(qū)的摻雜濃度與厚度所決定，正向阻斷電壓高的IGBT需要很厚的N-基區(qū)，如正向阻斷電壓在1000V以上所需的N-基區(qū)厚度會在IOOum以上，使用厚層外延的技術(shù)難度很大，而且制造成本很高。而NPT型的絕緣柵雙極型晶體管，它是在均勻摻雜的厚度為數(shù)百微米的N-單晶襯底上先制作正面結(jié)構(gòu)，然后再對襯底片背面采用研磨、 腐蝕等方法減薄N-基區(qū)到正向阻斷電壓所需的厚度，再用離子注入的方法形成背P+陽極 (也稱集電極)。它不需要厚層外延，適合制造高正向阻斷電壓的IGBT，但由于沒有N+緩沖層，因此達(dá)到相同的正向阻斷電壓所需的N-基區(qū)要比PT-IGBT更厚，因而其正向?qū)▔航狄脖萈T-IGBT要大。而且對于制造正向阻斷電壓在1000 2000V左右的IGBT來說，其 N-基區(qū)的厚度大多在100多微米，在這很薄的薄片上加工器件，其制作難度相當(dāng)大，碎片比率高。中國專利申請00135808. 1公開了一種IGBT的新結(jié)構(gòu)，如圖1所示。其中包括背面的陽極10、背P+陽極區(qū)11、N+緩沖層12、N-基區(qū)13、柵氧化層14、柵電極15、N+陰極區(qū) 16、陰極17以及P型基區(qū)18。其制造方法是先用高溫擴(kuò)散在N-襯底片兩面進(jìn)行N+的深結(jié)擴(kuò)散，然后磨去一邊的擴(kuò)散層，在其上做正面結(jié)構(gòu)，之后再研磨背面，保留背面的擴(kuò)散層到所需的厚度作為N+緩沖層，然后在這個N+緩沖層上做離子注入形成背P+陽極區(qū)。此種結(jié)構(gòu)的IGBT同時具有PT-IGBT通態(tài)壓降小的特點和NPT-IGBT開關(guān)時間短的特點。此發(fā)明對 IGBT的背面結(jié)構(gòu)及其制作方法進(jìn)行了創(chuàng)新，與ABB公司提出的軟穿通IGBT(SPT-IGBT)結(jié)構(gòu)和三菱電機(jī)公司提出的輕穿通IGBT(LPT-IGBT)結(jié)構(gòu)有相似之處，可以有效降低器件功耗， 但是對于正面結(jié)構(gòu)依然以傳統(tǒng)方法制作完成，未有創(chuàng)新。從IGBT的正面結(jié)構(gòu)來看，可以分為平面柵型和溝槽柵型兩種結(jié)構(gòu)。平面柵型結(jié)構(gòu)制作工藝簡單，但由于存在著寄生的JFET(Junction Field Effect Transistor 結(jié)型場效應(yīng)晶體管)效應(yīng)而產(chǎn)生JFET電阻，其導(dǎo)通壓降比溝槽柵型要大，相應(yīng)的電流能力也低。為減弱JFET電阻對導(dǎo)通壓降的影響，通常的辦法是提高正面表面區(qū)域的摻雜濃度，使表面電阻率下降，制造方法是在制作平面柵型IGBT的通用正面結(jié)構(gòu)之前在表面先做一次整體或局部的離子注入(通常稱為JFET注入)，再通過擴(kuò)散達(dá)到一定深度，使表面區(qū)域摻雜濃度上升，從而使JFET電阻下降。但是這種方法由于增加了一次JFET注入工藝必然導(dǎo)致生產(chǎn)成本上升、工藝離散性增加、而且JFET注入也會降低IGBT的正向阻斷電壓。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種絕緣柵雙極型晶體管及其制造方法，可以較好的克服或緩解傳統(tǒng)平面柵型結(jié)構(gòu)IGBT制造過程中由于JFET注入工藝而引發(fā)的上述不利因素，即生產(chǎn)成本上升、工藝離散性增力卩、正向阻斷電壓降低等問題?！N絕緣柵雙極型晶體管，包括N型基區(qū)、P型基區(qū)、背P+陽極區(qū)、N+陰極區(qū)、柵氧化層、陰極、柵電極和陽極，所述的N型基區(qū)由依次層疊的N+擴(kuò)散殘留層、N-基區(qū)和N+緩沖層組成，所述的N+擴(kuò)散殘留層和N+緩沖層從與N-基區(qū)的交界起始向外摻雜濃度逐漸增加。所述的N-基區(qū)為摻雜濃度恒定區(qū)，其厚度和摻雜濃度由所需的器件正向阻斷電壓決定，正向阻斷電壓與其厚度正相關(guān)，與摻雜濃度負(fù)相關(guān)。所述的N+緩沖層，太厚會使導(dǎo)通壓降升高，太薄則電場中止作用不足，會使正向阻斷電壓降低。所述的N+緩沖層與背P+集電區(qū)交界面的摻雜濃度與N+緩沖層厚度負(fù)相關(guān)。由于緩沖層的存在可以使N-基區(qū)在達(dá)到相同正向阻斷電壓時更薄，因此導(dǎo)通壓降也會更低。所述的N+擴(kuò)散殘留層，若厚度小，表面的摻雜濃度就會比較低，減小JFET電阻的效果就弱，而較厚，表面的摻雜濃度就較高，減小JFET電阻的效果就強(qiáng)，但是會引起正向阻斷電壓的降低，因此N+擴(kuò)散殘留層厚度的優(yōu)選值以數(shù)微米為宜。本發(fā)明還提供了該絕緣柵雙極型晶體管的制備方法，包括(1)在N型單晶硅的兩面通過高溫深結(jié)擴(kuò)散分別形成數(shù)十微米深的第一擴(kuò)散區(qū)和第二擴(kuò)散區(qū)；(2)分別對第一擴(kuò)散區(qū)和第二擴(kuò)散區(qū)使用研磨、拋光等減薄工藝形成N+擴(kuò)散殘留層和N+緩沖層；(3)在N+擴(kuò)散殘留層上形成P型基區(qū)、N+陰極區(qū)、柵氧化層、陰極、柵電極；(4)在N+緩沖層上生成背P+陽極區(qū)，背P+陽極區(qū)金屬化后形成陽極。本發(fā)明絕緣柵雙極型晶體管，由于其特殊的制備方法在N-基區(qū)正面保留了一層 N+擴(kuò)散殘留層，提高了 N型基區(qū)正面的雜質(zhì)離子摻雜濃度，減弱了 JEFT電阻的影響，從而有效降低IGBT的導(dǎo)通壓降。同時，由于該制備方法形成的N+擴(kuò)散殘留層具有線性緩變和深結(jié)結(jié)構(gòu)，比常規(guī)的JFET注入形成的突變淺結(jié)結(jié)構(gòu)，對正向阻斷電壓的影響要小，即在增大同樣集電極電流的情況下，正向阻斷電壓的降低會小很多。同時深結(jié)的控制性和穩(wěn)定性也好，器件的集電極電流和正向阻斷電壓隨工藝離散波動小。本發(fā)明絕緣柵雙極型晶體管在N-基區(qū)正面的N+擴(kuò)散殘留層通過先高溫擴(kuò)散，再研磨、拋光等減薄工藝形成，這些均屬原有的正常工藝，不需要額外增加JFET注入，可使制造成本降低。


圖1為現(xiàn)有IGBT的剖面結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明IGBT的剖面結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本發(fā)明IGBT制造過程示意各結(jié)構(gòu)剖面圖；其中，圖3a為原始N-型硅片的剖面圖；圖北為圖3a所示硅片高溫擴(kuò)散形成兩擴(kuò)散區(qū)后的剖面圖；圖3c為圖北所示硅片正面擴(kuò)散區(qū)經(jīng)加工后的剖面圖；圖3d為圖3c所示硅片形成IGBT正面結(jié)構(gòu)后的剖面圖； 圖!Be為圖3d所示硅片背面擴(kuò)散區(qū)加工后的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3f為圖!Be所示硅片背面注入離子形成背P+陽極區(qū)的剖面圖；圖3g為圖3f所示硅片背P+陽極區(qū)背面金屬化形成陽極后剖面圖；圖4為正面殘留層厚度對導(dǎo)通壓降與集電極電流的影響對比圖；圖5為正面殘留層工藝與JFET工藝對IGBT集電極電流與正向阻斷電壓的影響對比圖。
具體實施例方式如圖2所示，一種絕緣柵雙極型晶體管，包括N型基區(qū)、P型基區(qū)觀、背P+陽極區(qū) 21、N+陰極區(qū)沈、柵氧化層24、陰極27、柵電極25和陽極20，其中N型基區(qū)由N+擴(kuò)散殘留層^、N-基區(qū)23和N+緩沖層22依次層疊組成，該絕緣柵雙極型晶體管制造過程如圖3所示，具體如下如圖3a所示的晶向為<100>的N型單晶襯底30，其摻雜濃度為6X1013cm_3，厚度為 500um，根據(jù)正向阻斷電壓即耐壓的需要(比如1700￥，下同)，可調(diào)整摻雜濃度至2父1013 2 X IO1W30如圖北所示，N型單晶襯底經(jīng)高溫擴(kuò)散后形成依次層疊的第一 N+擴(kuò)散區(qū)32、N_基區(qū)23和第二 N+擴(kuò)散區(qū)31，其中N-基區(qū)23厚度根據(jù)正向阻斷電壓的要求可調(diào)整到100 250umo如圖3c所示，第一 N+擴(kuò)散區(qū)32經(jīng)研磨和拋光后形成N+擴(kuò)散殘留層四，該層厚度控制在數(shù)微米之內(nèi)。減薄后襯底厚度不低于300um，可保證后期加工不易碎片。如圖3d所示，在N+擴(kuò)散殘留層四上先通過P+光刻、刻蝕、離子注入、擴(kuò)散等工藝步驟形成P型基區(qū)觀，然后在其表面氧化形成柵氧化層對，接著在柵氧化層上淀積多晶硅形成柵電極25，再通過N+陰極區(qū)光刻、刻蝕、離子注入、擴(kuò)散等步驟形成N+集電區(qū)沈，最后再通過光刻、刻蝕之后在N+集電區(qū)上淀積金屬形成陰極27，這樣IGBT的正面結(jié)構(gòu)就形成了。如圖;3e、3f和3g所示，第二 N+擴(kuò)散區(qū)31經(jīng)背面研磨和拋光后注入硼，形成N+緩沖層22和背P+陽極區(qū)21。對以上面實施例工藝制作方法所做的平面柵型IGBT器件，在確定的面積下，不同的正面擴(kuò)散殘留層四厚度及無正面殘留層器件導(dǎo)通壓降和集電極電流的比較見圖4。圖中兩條曲線的最左邊一點即為無擴(kuò)散殘留層時的導(dǎo)通壓降和集電極電流，可以看到此時的導(dǎo)通壓降為2. 07V，集電極電流為74A ；而在正面殘留層厚度為6um的時候，導(dǎo)通壓降為 1.98V，集電極電流為83A。從比較結(jié)果可以看出，使用正面擴(kuò)散殘留層減弱了 JFET電阻的影響，導(dǎo)通壓降有所降低，從而使集電極電流有了大幅度的提升，有效地改善了器件的性能。同時由于不再使用JFET注入工藝，也使器件的制造成本得到降低。另一方面，就正向阻斷電壓而言，本發(fā)明絕緣柵雙極型晶體管在N-基區(qū)正面形成的N+擴(kuò)散殘留層，是線性緩變深結(jié)結(jié)構(gòu)，比起用常規(guī)JFET注入形成的突變淺結(jié)結(jié)構(gòu)，對器件正向阻斷電壓的影響要小很多。從圖5可見，在增大同樣集電極電流情況下，殘留層技術(shù)的耐壓降低比JFET注入引起的耐壓降低要小很多。同時，殘留層技術(shù)其控制性和穩(wěn)定性也好，與JFET注入工藝相比，注入深度或殘留層厚度的工藝波動，對器件的電流和耐壓性能影響明顯要小。工業(yè)實用性本發(fā)明所述的一種絕緣柵雙極型晶體管通過在正面使用N+擴(kuò)散殘留層的結(jié)構(gòu)可以有效的減弱JFET電阻的影響，從而使器件的導(dǎo)通壓降降低，陽極電流得到提高，同時對 IGBT器件耐壓的影響可以降到最低，產(chǎn)品性能的一致性也得到改善。本發(fā)明所述的這種絕緣柵雙極型晶體管的制造方法還可以減少一次JFET注入，使得總的制造成本得以降低。因而具有較高的工業(yè)實用性。
權(quán)利要求
1.一種絕緣柵雙極型晶體管，包括N型基區(qū)、P型基區(qū)、背P+陽極區(qū)、N+陰極區(qū)、柵氧化層、陽極、柵電極和陰極，其特征在于所述的N型基區(qū)由依次層疊的N+擴(kuò)散殘留層、N-基區(qū)和N+緩沖層組成，所述的N+擴(kuò)散殘留層和N+緩沖層從與N-基區(qū)的邊界起始向外摻雜濃度逐漸增加。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的絕緣柵雙極型晶體管，其特征在于所述的N+擴(kuò)散殘留層的厚度為微米數(shù)量級，其與P型基區(qū)所構(gòu)成的PN結(jié)具有對提高器件耐壓有利的線性緩變結(jié)結(jié)構(gòu)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1 2任一所述的絕緣柵雙極型晶體管，其特征在于所述的N+擴(kuò)散殘留層由于是經(jīng)深度擴(kuò)散再減薄而保留下來的，其與P型基區(qū)所構(gòu)成的PN結(jié)具有對提高器件耐壓有利的深結(jié)特質(zhì)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1 3任一所述的絕緣柵雙極型晶體管的制備方法，包括(1)在N型單晶硅兩側(cè)通過高溫擴(kuò)散分別形成第一N+擴(kuò)散區(qū)和第二 N+擴(kuò)散區(qū)；(2)分別對第一N+擴(kuò)散區(qū)和第二 N+擴(kuò)散區(qū)進(jìn)行加工形成N+擴(kuò)散殘留層和N+緩沖層；(3)在N+擴(kuò)散殘留層上形成P型基區(qū)、N+陰極區(qū)、柵氧化層、陰極、柵電極；(4)在N+緩沖層上注入離子形成背P+陽極區(qū)，背P+陽極區(qū)氧化形成陽極。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的絕緣柵雙極型晶體管的制備方法，其特征在于所述的N+擴(kuò)散殘留層是對第一 N+擴(kuò)散區(qū)使用減薄工藝制得的。
全文摘要
提供一種絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)及其制備方法，該IGBT包括N型基區(qū)、P型基區(qū)(28)、背P+陽極區(qū)(21)、N+陰極區(qū)(26)、柵氧化層(24)、陽極(20)、柵電極(25)和陰極(27)，所述的N型基區(qū)由依次層疊的N+擴(kuò)散殘留層(29)、N-基區(qū)(23)和N+緩沖層(22)組成，所述的N+擴(kuò)散殘留層(29)和N+緩沖層(22)從與N-基區(qū)(23)的邊界起始向外摻雜濃度逐漸增加。IGBT在N-基區(qū)(23)正面設(shè)置N+擴(kuò)散殘留層(29)，提高了N型正面的離子摻雜濃度，降低了結(jié)型場效應(yīng)晶體管(JEFT)電阻的影響，從而有效降低IGBT的導(dǎo)通壓降，同時對IGBT的正向阻斷電壓(耐壓)的影響降低到最小。
文檔編號H01L29/739GK102439725SQ201180002477
公開日2012年5月2日 申請日期2011年7月11日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月25日
發(fā)明者張世峰, 張斌, 胡佳賢, 韓雁 申請人:浙江大學(xué)