一種絕緣柵雙極晶體管的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種絕緣柵雙極晶體管的制造方法，其包括：提供具有正面和反面的晶圓，其中晶圓包括有第一導電類型的半導體襯底、基于半導體襯底在晶圓的正面?zhèn)刃纬傻牡诙щ婎愋偷幕鶚O層以及從基極層的正面貫穿基極層至所述半導體襯底的多個溝槽；通過溝槽向位于基極層下方的半導體襯底注入第一導電類型雜質以在溝槽的底部外側形成第一導電類型注入?yún)^(qū)；進行高溫推阱使得相鄰的兩個溝槽的底部外側形成的注入?yún)^(qū)雜質擴散并相融合以在基極層下方形成第一導電類型擴散層，其中擴散層的第一導電類型雜質的濃度較半導體襯底的第一導電類型雜質的濃度高。由于該制造方法與現(xiàn)有的常規(guī)工藝兼容，且工藝簡單，效率高，無需專用的高能注入設施。
【專利說明】一種絕緣柵雙極晶體管的制造方法
【【技術領域】】
[0001]本發(fā)明涉及半導體設計及制造【技術領域】，特別涉及一種絕緣柵雙極晶體管(Insulated Gate Bipolar Transistor,簡稱 IGBT)的制造方法。
【【背景技術】】
[0002]IGBT 是由 BJT (Bipolar Junct1n Transistor，雙極結型晶體管)和 M0SFET (Metal-Oxide-Semiconductor-Field-Effect-Transistor,金屬氧化物半導體場效應晶體管)組成的復合全控型電壓驅動式功率半導體器件，兼有M0SFET的高輸入阻抗和BJT的低導通壓降兩方面的優(yōu)點，具有工作頻率高，控制電路簡單，電流密度高，通態(tài)壓低等特點，廣泛應用于功率控制領域。
[0003]由于Vce (sat)(集電極-發(fā)射極飽和壓降)是絕緣柵雙極晶體管作為功率器件最為重要的參數(shù)之一，它直接決定了絕緣柵雙極晶體管的功耗，因此，在保證其它參數(shù)滿足要求的情況下，盡量降低Vce (sat)成為開發(fā)絕緣柵雙極晶體管的首要任務。傳統(tǒng)的溝槽型絕緣柵雙極晶體管受制作工藝的一系列限制，在保證反向擊穿電壓等參數(shù)的前提條件下降低Vce (sat)的手段有限，比如，單純的增大集電極注入能量劑量不僅對設備能力要求過高，同時其調整余地也非常小。
[0004]請參考圖1所示，其為現(xiàn)有技術中的一種新型結構的溝槽型絕緣柵雙極晶體管。與傳統(tǒng)的溝槽型絕緣柵雙極晶體管相比，其在正面Pbody(P基區(qū))層20下方增加了 N型擴散層60”，增加這層結構可以極大的增加背面P+集電極110的空穴注入效率，在相同深度，這種新型結構的溝槽型絕緣柵雙極晶體管比傳統(tǒng)的溝槽型絕緣柵雙極晶體管的載流子密度要高出許多，在保證Eoff (關斷損耗)不增加的情況下，可以有效的減小Vce(sat)。但是，現(xiàn)有技術中，增加N型擴散層60”的常規(guī)思路是利用高能注入，這需要額外的昂貴設備，從而增加了工藝成本，并且由于工藝開發(fā)窗口太小，造成實際生產(chǎn)菜單維護困難的問題；并且此方法制得的N型擴散層60”與Pbody層20的邊界不容易控制，導致閾值電壓(Vth)容易波動。
[0005]因此，有必要提供一種改進的技術方案來克服上述問題。
【
【發(fā)明內容】
】
[0006]本發(fā)明的目的在于提供一種絕緣柵雙極晶體管的制造方法，其可以實現(xiàn)在絕緣柵雙極晶體管的第二導電類型的基極層下方形成第一導電類型的擴散層，由于該制造方法與現(xiàn)有的常規(guī)工藝兼容，且工藝簡單，效率高，無需專用的高能注入設施。
[0007]為了解決上述問題，本發(fā)明提供一種絕緣柵雙極晶體管的制造方法，其包括:提供具有正面和反面的晶圓，其中所述晶圓包括有第一導電類型的半導體襯底、基于所述半導體襯底在所述晶圓的正面?zhèn)刃纬傻牡诙щ婎愋偷幕鶚O層以及從所述基極層的正面貫穿所述基極層至所述半導體襯底的多個溝槽；通過所述溝槽向位于所述基極層下方的半導體襯底注入第一導電類型雜質以在所述溝槽的底部外側形成第一導電類型注入?yún)^(qū)；進行高溫推阱使得相鄰的兩個溝槽的底部外側形成的注入?yún)^(qū)雜質擴散并相融合以在所述基極層下方形成第一導電類型擴散層，其中所述擴散層的第一導電類型雜質的濃度較所述半導體襯底的第一導電類型雜質的濃度高。
[0008]在一個優(yōu)選的實施例中，通過控制所述高溫推阱的時間以保證所述基極層和擴散層不重疊。
[0009]在一個優(yōu)選的實施例中，所述第一導電類型為N型，所述第二導電類型為P型，所述半導體襯底為N-型半導體襯底,所述基極層為Pbody層，第一導電類型擴散層為N+型擴散層；所述半導體襯底包括與所述晶圓的正面位于同側的第一主面和與所述晶圓的反面位于同側的第二主面。
[0010]在一個優(yōu)選的實施例中，所述提供具有正面和反面的晶圓包括:提供具有第一主面和第二主面的N-型半導體襯底；在所述半導體襯底的第一主面?zhèn)刃纬蒔body層；在形成有Pbody層的半導體襯底的第一主面上淀積硬掩膜；在所述硬掩膜上有選擇的刻蝕出溝槽的腐蝕窗口 ；通過該腐蝕窗口進行溝槽腐蝕，以形成從所述Pbody層的第一主面貫穿所述Pbody層至半導體襯底的多個溝槽；在溝槽的槽內表面上形成犧牲氧化層，其中通過所述犧牲氧化層向所述溝槽的底部注入第一導電類型雜質。
[0011]在一個優(yōu)選的實施例中，在形成了所述N+型擴散層之后，所述制造方法還包括:在形成有N+型擴散層的晶圓的正面繼續(xù)形成所述絕緣柵雙極晶體管的剩余正面結構；在形成所述絕緣柵雙極晶體管的正面結構的晶圓的反面繼續(xù)形成所述絕緣柵雙極晶體管的反面結構。
[0012]在一個優(yōu)選的實施例中，所述在形成有N+型擴散層的晶圓的正面繼續(xù)形成所述絕緣柵雙極晶體管的剩余正面結構包括:去除所述硬掩膜和犧牲氧化層；在所述溝槽的內部上形成柵極氧化層；在所述溝槽內形成多晶硅柵極；選擇性地自所述Pbody層的第一主面向所述Pbody層內形成位于所述溝槽外側的N+有源區(qū)；在所述半導體襯底的第一主面上形成覆蓋所述溝槽和部分覆蓋所述N+有源區(qū)的層間絕緣膜；在所述半導體襯底的第一主面上形成覆蓋所述層間絕緣膜的發(fā)射極。
[0013]在一個優(yōu)選的實施例中，所述在形成所述絕緣柵雙極晶體管的正面結構的晶圓的反面繼續(xù)形成所述絕緣柵雙極晶體管的反面結構包括:在所述半導體襯底的第二主面?zhèn)刃纬傻诙щ婎愋偷陌雽w層，然后在所述半導體襯底的第二主面上形成于與所述第二導電類型的半導體層電接觸的第二主電極。
[0014]與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明中的絕緣柵雙極晶體管的制造方法，其在制得溝槽后，通過所述溝槽在所述溝槽底部注入并擴散第一導電類型雜質，從而在第二導電類型的基極層下方形成第一導電類型的擴散層，該擴散層的第一導電類型雜質的濃度較半導體襯底的第一導電類型雜質的濃度高。由于該制造方法與現(xiàn)有的常規(guī)工藝兼容，且工藝簡單，效率高，無需專用的高能注入設施。
【【專利附圖】

【附圖說明】】
[0015]為了更清楚地說明本發(fā)明實施例的技術方案，下面將對實施例描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動性的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其它的附圖。其中:
[0016]圖1為現(xiàn)有技術中的絕緣柵雙極晶體管的縱剖面圖；
[0017]圖2為本發(fā)明在一個實施例中的絕緣柵雙極晶體管的制造方法的流程圖；
[0018]圖3至圖11為圖2所示的流程圖中的各個制造工序對應晶圓的縱剖面圖。
【【具體實施方式】】
[0019]為使本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點能夠更加明顯易懂，下面結合附圖和【具體實施方式】對本發(fā)明作進一步詳細的說明。
[0020]此處所稱的“一個實施例”或“實施例”是指可包含于本發(fā)明至少一個實現(xiàn)方式中的特定特征、結構或特性。在本說明書中不同地方出現(xiàn)的“在一個實施例中”并非均指同一個實施例，也不是單獨的或選擇性的與其他實施例互相排斥的實施例。
[0021]本發(fā)明中的絕緣柵雙極晶體管的制造方法是在制得溝槽后，通過所述溝槽注入并擴散第一導電類型雜質，以在第二導電類型的基極層下方形成第一導電類型的擴散層。
[0022]請參考圖2所示，其為本發(fā)明在一個實施例中的絕緣柵雙極晶體管的制造方法200的流程圖。所述絕緣柵雙極晶體管的制造方法200包括如下步驟。
[0023]步驟210，提供具有正面和反面的晶圓，其中，所述晶圓包括有第一導電類型的半導體襯底10、基于所述半導體襯底10在所述晶圓的正面?zhèn)刃纬傻牡诙щ婎愋偷幕鶚O層20以及有選擇的從所述基極層20的正面貫穿所述基極層20至所述半導體襯底10的多個溝槽30。
[0024]在一個實施例中，所述步驟210提供如圖3所示的半導體晶圓300，假設所述第一導電類型為N型，所述第二導電類型為P型，此時所述第一導電類型的半導體襯底為N-型的半導體襯底10，所述第二導電類型的基極層為Pbody層20。其中所述半導體襯底10包括與所述晶圓的正面位于同側的第一主面1S1和與所述晶圓的反面位于同側的第二主面1S2。
[0025]圖3中的半導體晶圓300可以基于如下工藝制得，具體為:制備具有第一主面1S1和第二主面1S2的N-型半導體襯底10 ;在所述半導體襯底10的第一主面1S1側形成Pbody層20 ;在形成有Pbody層20的半導體襯底10的第一主面1S1上淀積硬掩膜40 ;在所述硬掩膜40上進行trench (溝槽)層光刻、硬掩膜腐蝕，以刻蝕出溝槽30的腐蝕窗口 ；通過該腐蝕窗口進行trench腐蝕，以形成從所述Pbody層20的第一主面1S1貫穿所述Pbody層20至半導體襯底10的溝槽30 ;在溝槽30的槽內表面上形成犧牲氧化層30a。
[0026]步驟220，通過所述溝槽30向位于所述基極層20下方的半導體襯底10注入濃度適中的第一導電類型雜質，以在所述溝槽30的底部外側形成第一導電類型注入?yún)^(qū)60a。
[0027]在一個實施例中，步驟220如圖4所示，利用已有的掩膜保護，進行正面磷注入(即N型雜質注入)，以在所述溝槽30底部外側形成N+型注入?yún)^(qū)60a。由于所述半導體晶圓300正面的其它部分注入均在硬掩膜40之上，只有溝槽30區(qū)域有N型雜質注入；并且該步驟的要點在于應確保N型雜質注入的劑量集中在溝槽底部。
[0028]步驟230，進行高溫推阱，使得相鄰的兩個溝槽底部外側的注入?yún)^(qū)60a雜質擴散并相融合，從而在所述基極層20下方形成擴散層60。所述擴散層60的第一導電類型雜質的濃度較所述半導體襯底10的第一導電類型雜質的濃度高。
[0029]在一個實施例中，步驟230如圖5所示，進行高溫推阱，使得N+型注入?yún)^(qū)60a雜質擴散，從而使各個溝槽底部外側的N型注入?yún)^(qū)擴散匯合，以在所述Pbody層20下方形成N+型擴散層60。在一個優(yōu)選的實施例中，可以通過控制N+型注入?yún)^(qū)60a的推阱時間，保證Pbody層20和N+型擴散層60沒有重疊，即Pbody層20和所述N+型擴散層在縱向上還是間隔有N-型半導體襯底10，兩個層并未相接。具體的，所述推阱時間需要經(jīng)過模擬仿真測算，考慮P型與N型的擴散速度，以保證Pbody層20和N+型擴散層60沒有重疊。該N+型擴散層60作為載流子層(CS層)，其的增加可以有效的降低Vce(sat)。可以通過控制推阱時間，使所述基極層20和N+型擴散層60沒有重疊以有效的解決了 Pbody層20和N+型擴散層60互相影響導致閾值電壓Vth不易控制的問題。
[0030]可以看出，通過步驟210至步驟230即可實現(xiàn)在絕緣柵雙極晶體管的第二導電類型基極層20下方形成第一導電類型擴散層60。
[0031]以下，為制造絕緣柵雙極晶體管的后續(xù)步驟。
[0032]步驟240，在所述基極層20下方形成擴散層60之后，去除所述半導體襯底10上的硬掩膜40和犧牲氧化層30a，在所述溝槽30的內壁上形成柵極氧化層50，得到如圖6所示的晶圓。
[0033]步驟250，隔著所述柵極氧化層50，在所述溝槽30內形成多晶硅柵極80。
[0034]在一個實施例中，步驟250中，在所述半導體襯底10的第一主面1S1上淀積多晶硅，結構如圖7所示，隨后通過光刻、刻蝕工藝去除所述晶圓上表面的多晶硅，以形成多晶娃柵極80。
[0035]步驟260，選擇性地自基極層20的第一主面向所述基極層20內形成位于所述溝槽30外側的第一導電類型的有源區(qū)70。
[0036]在一個實施例中，通過光刻和刻蝕得到離子注入窗口，隨后進行N型雜質注入形成N+有源區(qū)70，得到如圖8所示的晶圓，其中80a為光刻膠。
[0037]步驟270，在所述半導體襯底10的第一主面1S1上形成覆蓋所述溝槽30和部分覆蓋所述有源區(qū)70的層間絕緣膜90，如圖9所示。具體的，可以先去除光刻膠80a，刻蝕掉所述晶圓上的氧化層，隨后在半導體襯底10上形成層間絕緣模層，也可以稱之為介質層，之后經(jīng)過光刻、刻蝕得到圖9所示的層間絕緣模90。
[0038]步驟280，在所述半導體襯底10的第一主面1S1上形成覆蓋所述層間絕緣膜90的第一主電極100。
[0039]在一個實施例中，步驟270如圖10所示，在所述半導體襯底10的第一主面上形成覆蓋所述層間絕緣膜90的金屬發(fā)射極100，該發(fā)射極100與Pbody層20和N+有源區(qū)70電接觸。
[0040]在實際應用中，在步驟280后和步驟290前，還需要在晶圓的正面形成用戶保護的鈍化層(未圖示)。
[0041]步驟240-步驟280為在形成有N+型擴散層的晶圓的正面繼續(xù)形成所述絕緣柵雙極晶體管的剩余正面結構的過程。
[0042]步驟290，在所述半導體襯底10的第二主面1S2側形成第二導電類型的半導體層110，然后在所述半導體襯底10的第二主面1S2上形成于與所述第二導電類型的半導體層110電接觸的第二主電極120，如圖10所示。在圖11所示的實施例中，所述第二導電類型的半導體層110為P+集電極層110，所述第二主電極為金屬集電極120。
[0043]步驟290為在形成所述絕緣柵雙極晶體管的正面結構的晶圓的反面繼續(xù)形成所述絕緣柵雙極晶體管的反面結構的過程。
[0044]其中，N_、N+、P+中的“ + ”表示摻雜濃度高，表示摻雜濃度低。
[0045]可以看出，本發(fā)明的重點在于N+型擴散層60的形成方式和過程，IGBT中的其他結構的形成都可以參照正常的制造工藝來執(zhí)行。
[0046]與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明中的絕緣柵雙極晶體管的制造方法，其在制得溝槽30后，通過所述溝槽30注入并擴散高濃度的第一導電類型雜質，從而在第二導電類型基極層20下方形成第一導電類型擴散層60 ;并且可以通過控制推阱時間，使所述基極層20和擴散層60沒有重疊。由于該制造方法與現(xiàn)有的常規(guī)工藝兼容，且工藝簡單，效率高，無需專用的高能注入設施，因此，可以大大降低工藝成本；并且有效的解決了 Pbody層和N型擴散層互相影響導致閾值電壓不易控制的問題。
[0047]在上文中以非穿通型(NPT)結構的絕緣柵雙極性晶體管的制造方法為例進行介紹，很顯然，該制造方法還可以適用于制造場終止(FS)型絕緣柵雙極性晶體管，只需要將步驟220和230適當?shù)奶砑佑贔S型絕緣柵雙極性晶體管的常規(guī)制造方法中即可。
[0048]在上述實施例中，以所述第一導電類型為N型，所述第二導電類型為P型為例進行介紹，在其他改變的實施例中，也可以使得第一導電類型為P型，所述第二導電類型為N型，此時采用P-型的半導體襯底10，所述基極層20為N型基極層，第二主電極120為發(fā)射極，第一主電極100為集電極，具體結構和原理與上文的中絕緣柵雙極晶體管相似，這里不在贅述。
[0049]需要指出的是，熟悉該領域的技術人員對本發(fā)明的【具體實施方式】所做的任何改動均不脫離本發(fā)明的權利要求書的范圍。相應地，本發(fā)明的權利要求的范圍也并不僅僅局限于前述【具體實施方式】。
【權利要求】
1.一種絕緣柵雙極晶體管的制造方法，其特征在于，其包括: 提供具有正面和反面的晶圓，其中所述晶圓包括有第一導電類型的半導體襯底、基于所述半導體襯底在所述晶圓的正面?zhèn)刃纬傻牡诙щ婎愋偷幕鶚O層以及從所述基極層的正面貫穿所述基極層至所述半導體襯底的多個溝槽； 通過所述溝槽向位于所述基極層下方的半導體襯底注入第一導電類型雜質以在所述溝槽的底部外側形成第一導電類型注入?yún)^(qū)； 進行高溫推阱使得相鄰的兩個溝槽的底部外側形成的注入?yún)^(qū)雜質擴散并相融合以在所述基極層下方形成第一導電類型擴散層，其中所述擴散層的第一導電類型雜質的濃度較所述半導體襯底的第一導電類型雜質的濃度高。
2.根據(jù)權利要求1所述的制造方法，其特征在于，通過控制所述高溫推阱的時間以保證所述基極層和擴散層不重疊。
3.根據(jù)權利要求1所述的制造方法，其特征在于，所述第一導電類型為N型，所述第二導電類型為P型，所述半導體襯底為N-型半導體襯底，所述基極層為Pbody層，第一導電類型擴散層為N+型擴散層；所述半導體襯底包括與所述晶圓的正面位于同側的第一主面和與所述晶圓的反面位于同側的第二主面。
4.根據(jù)權利要求3所述的制造方法，其特征在于，所述提供具有正面和反面的晶圓包括: 提供具有第一主面和第二主面的N-型半導體襯底； 在所述半導體襯底的第一主面?zhèn)刃纬蒔body層； 在形成有Pbody層的半導體襯底的第一主面上淀積硬掩膜； 在所述硬掩膜上有選擇的刻蝕出溝槽的腐蝕窗口； 通過該腐蝕窗口進行溝槽腐蝕，以形成從所述Pbody層的第一主面貫穿所述Pbody層至半導體襯底的多個溝槽； 在溝槽的槽內表面上形成犧牲氧化層， 其中通過所述犧牲氧化層向所述溝槽的底部注入第一導電類型雜質。
5.根據(jù)權利要求4所述的制造方法，其特征在于，在形成了所述N+型擴散層之后，所述制造方法還包括: 在形成有N+型擴散層的晶圓的正面繼續(xù)形成所述絕緣柵雙極晶體管的剩余正面結構； 在形成所述絕緣柵雙極晶體管的正面結構的晶圓的反面繼續(xù)形成所述絕緣柵雙極晶體管的反面結構。
6.根據(jù)權利要求5所述的制造方法，其特征在于，所述在形成有N+型擴散層的晶圓的正面繼續(xù)形成所述絕緣柵雙極晶體管的剩余正面結構包括: 去除所述硬掩膜和犧牲氧化層； 在所述溝槽的內部上形成柵極氧化層； 在所述溝槽內形成多晶硅柵極； 選擇性地自所述Pbody層的第一主面向所述Pbody層內形成位于所述溝槽外側的N+有源區(qū)； 在所述半導體襯底的第一主面上形成覆蓋所述溝槽和部分覆蓋所述N+有源區(qū)的層間絕緣膜； 在所述半導體襯底的第一主面上形成覆蓋所述層間絕緣膜的發(fā)射極。
7.根據(jù)權利要求5所述的制造方法，其特征在于，所述在形成所述絕緣柵雙極晶體管的正面結構的晶圓的反面繼續(xù)形成所述絕緣柵雙極晶體管的反面結構包括: 在所述半導體襯底的第二主面?zhèn)刃纬傻诙щ婎愋偷陌雽w層，然后在所述半導體襯底的第二主面上形成于與所述第二導電類型的半導體層電接觸的第二主電極。
【文檔編號】H01L21/331GK104347405SQ201310346631
【公開日】2015年2月11日 申請日期:2013年8月9日 優(yōu)先權日:2013年8月9日
【發(fā)明者】王根毅, 王德俊, 日格爾格, 吳宗憲 申請人:無錫華潤上華半導體有限公司