絕緣柵雙極型晶體管及其制造方法
【專利摘要】絕緣柵雙極型晶體管及其制造方法。本發(fā)明提供了一種IGBT及其制造方法，該IGBT包括：具有第一導(dǎo)電類型的襯底；具有第二導(dǎo)電類的基區(qū)，其形成于襯底的上表面；具有第一導(dǎo)電類型的發(fā)射區(qū)，其摻雜濃度大于襯底的摻雜濃度，形成于基區(qū)的上表面；發(fā)射極，形成于發(fā)射區(qū)的上表面；溝槽，其從襯底的上表面垂直延伸到襯底的中部，并與基區(qū)間隔設(shè)置，溝槽由多晶硅填充形成柵電極，多晶硅始于溝槽的底部并止于基區(qū)的上表面，多晶硅與襯底之間、以及多晶硅與基區(qū)之間形成有柵極氧化層；絕緣層，形成于柵電極的上表面；集電極區(qū)，形成于襯底的下表面；集電極，形成于集電極區(qū)的下表面。本發(fā)明可提高電流驅(qū)動(dòng)能力，減小柵極溝道長(zhǎng)度，把碳化硅?氧化層界面態(tài)對(duì)溝道電子遷移率的變小的影響減至最小。
【專利說(shuō)明】
絕緣柵雙極型晶體管及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本發(fā)明涉及一種絕緣柵雙極型晶體管及其制造方法。
【背景技術(shù)】
[0002]SiC是一種固態(tài)的IV-1V化合物，具有帶隙寬(4H-SiC:3.26eV/S1:1.12eV)、高擊穿電場(chǎng)(4H-SiC:2.2X 16V/cm/S1: 2.5 X 105V/cm)、熱導(dǎo)率高(4H_SiC: 3.0ff/cm.Κ/Si: 1.5ff/cm.K)、高電子迀移率(4H-SiC:1OOOcm2V-1S-1)、高飽和電子迀移速度(4H-SiC: 2 X 107cm/S/Si: I X 107cm/S)，是下一代功率器件的理想材料，適于制造工作在高溫、高頻、抗福射、大功率和高密度集成的電子器件。
[0003]絕緣棚.雙極型晶體管(IGBT，InsulatedGate Bipolar Transistor)是一種可以廣泛使用在大功率(高壓、大電流)應(yīng)用中的半導(dǎo)體器件。其原理是由一個(gè)金屬氧化物場(chǎng)效應(yīng)三極管(M0SFET，Metal Oxide Field Effect Transistor)驅(qū)動(dòng)一個(gè)雙極結(jié)型三極管BJT(Bipolar Junct1n Transistor) JOSFET為BJT提供基極電流，而B(niǎo)JT的基極同時(shí)充當(dāng)耐壓的漂移區(qū)(Drift Layer)。由于BJT是雙極型器件，有電子和空穴兩種載流子，存在電導(dǎo)調(diào)制(Conductivity Modulat1n)效應(yīng)。所以盡管高耐壓需要盡量寬的基極長(zhǎng)度，但是電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)使得基極的電阻非常小。因此，IGBT有高耐壓和低導(dǎo)通電壓降的雙重優(yōu)點(diǎn)。
[0004]IGBT按照結(jié)構(gòu)分可以分為非穿通(NPT，Non Punch Through)型IGBT、穿通(PT，Punch Through)型IGBT、場(chǎng)截止(FS,Field Stop)型IGBT。IGBT結(jié)合了場(chǎng)效晶體管柵極易驅(qū)動(dòng)的特性與雙極型晶體管耐高電流與低導(dǎo)通電壓壓降特性，IGBT通常用于中高容量功率場(chǎng)合，如切換式電源供應(yīng)器、馬達(dá)控制與電磁爐。
[0005]由于碳化硅-氧化層之間的界面存在大量的界面態(tài)的原因，導(dǎo)致以碳化硅為原材料的絕緣柵雙極型晶體管IGBT的溝道中載流子的迀移率較小，溝道電阻大，限制了 IGBT在碳化娃材料上的電流能力。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是:提供以碳化硅為材料的一種絕緣柵雙極型型晶體管，可提高電流驅(qū)動(dòng)能力，同時(shí)能減小柵極溝道長(zhǎng)度，較小的溝道長(zhǎng)度能減小溝道電阻，提高IGBT的電流能力，把碳化硅-氧化層界面態(tài)對(duì)溝道電子迀移率的變小的影響減至最小。此夕卜，本發(fā)明還提供一種絕緣柵雙極型晶體管的制備方法，可提高制得的絕緣柵雙極型晶體管的電流驅(qū)動(dòng)能力。
[0007]為此，本發(fā)明的絕緣柵雙極型晶體管，包括:襯底I，具有第一導(dǎo)電類型;基區(qū)2，具有第二導(dǎo)電類型，形成于所述襯底I的上表面并注入所述襯底I中；發(fā)射區(qū)3，具有第一導(dǎo)電類型，且其摻雜濃度大于所述襯底I的摻雜濃度，形成于所述基區(qū)2的上表面并注入所述基區(qū)2;發(fā)射極7，形成于所述發(fā)射區(qū)3的上表面;至少一個(gè)溝槽，所述溝槽從所述襯底I的上表面垂直延伸到所述襯底I的中部，并與所述基區(qū)2間隔設(shè)置，所述至少一個(gè)溝槽由多晶硅5填充形成柵電極52，所述多晶硅5始于所述溝槽的底部并止于所述基區(qū)2的上表面，所述多晶硅5與所述襯底I之間、以及所述多晶硅5與所述基區(qū)2之間形成有柵極氧化層4;絕緣層6，形成于所述柵電極52的上表面;集電極區(qū)8，形成于所述襯底I的下表面;集電極9，形成于所述集電極區(qū)8的下表面。
[0008]優(yōu)選地，所述襯底I為碳化硅襯底，所述第一導(dǎo)電類型為N型，所述第二導(dǎo)電類型為卩型。
[0009]優(yōu)選地，所述基區(qū)2的結(jié)深為2?4μπι、峰值摻雜濃度為lel7?3el7。所述發(fā)射區(qū)3的結(jié)深為0.5?Ιμπι、峰值摻雜濃度為lel8?lel9。
[0010]本發(fā)明的絕緣柵雙極型晶體管的制造方法，包括正面工藝過(guò)程和背面工藝過(guò)程，其中，所述正面工藝過(guò)程包括如下步驟:步驟1-1:在具有第一導(dǎo)電類型的襯底I的上表面注入具有第二導(dǎo)電類型的物質(zhì)，形成基區(qū)2;步驟1-2:在所述基區(qū)2的上表面注入具有第一導(dǎo)電類型的、摻雜濃度大于所述襯底I的摻雜濃度的物質(zhì)，形成發(fā)射區(qū)3;步驟1-3:在所述襯底I中、與所述基區(qū)2間隔的位置，從所述襯底I的上表面開(kāi)始垂直向下刻蝕至少一個(gè)溝槽，所述溝槽向下延伸到所述襯底I的中部;步驟1-4:在所述溝槽的底部和側(cè)壁、所述溝槽與所述基區(qū)2之間的所述襯底I的上表面、以及所述基區(qū)2的上表面，生長(zhǎng)柵極氧化層4;步驟1-5:在所述溝槽中填充多晶硅5形成柵電極52，所述多晶硅5始于所述溝槽的底部并止于所述基區(qū)2的上表面;步驟1-6:在所述絕緣柵雙極型晶體管的上表面生成絕緣層6;步驟1-7:將覆蓋所述發(fā)射區(qū)3的至少部分所述絕緣層6進(jìn)行刻蝕，以使得所述發(fā)射區(qū)3暴露于所述絕緣柵雙極型晶體管的上表面，然后在所述發(fā)射區(qū)3的上表面進(jìn)行蒸金以形成發(fā)射極7;以及，所述背面工藝過(guò)程包括如下步驟:步驟2-1:在所述襯底I的下表面注入具有第二導(dǎo)電類型的物質(zhì)，形成集電極區(qū)8;步驟2-2:在所述集電極區(qū)8的下表面進(jìn)行蒸金以形成集電極9。
[0011]優(yōu)選地，所述襯底I為碳化硅襯底，所述第一導(dǎo)電類型為N型，所述第二導(dǎo)電類型為卩型。
[0012]優(yōu)選地，在所述步驟1-1中，所述注入具有第二導(dǎo)電類型的物質(zhì)包括:先注入劑量為lel4?lel5且能量為200KeV?500KeV的硼，再注入劑量為2el3?4el3且能量為800KeV?2MeV的硼。在所述步驟1-2中，所述注入具有第一導(dǎo)電類型的、摻雜濃度大于所述襯底I的摻雜濃度的物質(zhì)包括:注入劑量為lel5?lel6且能量為200KeV?IMKeV的磷。在所述步驟2-1中，所述注入具有第二導(dǎo)電類型的物質(zhì)包括:注入劑量為5el3?lel4且能量為50KeV?I OOKeV的硼。
[0013]本發(fā)明的絕緣柵雙極型晶體管及其制造方法，能夠提高IGBT的電流驅(qū)動(dòng)能力，同時(shí)能減小柵極溝道長(zhǎng)度，把碳化硅-氧化層界面態(tài)對(duì)溝道電子迀移率的變小的影響減至最小。
【附圖說(shuō)明】
[0014]圖1為本發(fā)明的絕緣柵雙極型晶體管的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0015]圖2為本發(fā)明的絕緣柵雙極型晶體管的制造方法的步驟1-1完成后的絕緣柵雙極型晶體管的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0016]圖3為本發(fā)明的絕緣柵雙極型晶體管的制造方法的步驟1-2完成后的絕緣柵雙極型晶體管的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0017]圖4為本發(fā)明的絕緣柵雙極型晶體管的制造方法的步驟1-3完成后的絕緣柵雙極型晶體管的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0018]圖5為本發(fā)明的絕緣柵雙極型晶體管的制造方法的步驟1-4完成后的絕緣柵雙極型晶體管的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0019]圖6為本發(fā)明的絕緣柵雙極型晶體管的制造方法的步驟1-5完成后的絕緣柵雙極型晶體管的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0020]圖7為本發(fā)明的絕緣柵雙極型晶體管的制造方法的步驟1-6完成后的絕緣柵雙極型晶體管的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0021]圖8為本發(fā)明的絕緣柵雙極型晶體管的制造方法的步驟1-7完成后的絕緣柵雙極型晶體管的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0022]圖9為本發(fā)明的絕緣柵雙極型晶體管的制造方法的步驟2-1完成后的絕緣柵雙極型晶體管的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0023]圖10為本發(fā)明的絕緣柵雙極型晶體管的制造方法的步驟2-2完成后的絕緣柵雙極型晶體管的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0024]下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明的絕緣柵雙極型晶體管及其制造方法作進(jìn)一步的詳細(xì)描述，但不作為對(duì)本發(fā)明的限定。
[0025]參照?qǐng)D1，為本發(fā)明的絕緣柵雙極型晶體管的結(jié)構(gòu)示意圖。本發(fā)明的絕緣柵雙極型晶體管包括襯底1、基區(qū)2、發(fā)射區(qū)3、發(fā)射極7、柵極氧化層4、多晶硅5、柵電極52、絕緣層6、集電極區(qū)8、以及集電極9。
[0026]其中，襯底I具有第一導(dǎo)電類型(例如N型)，為碳化硅襯底，基區(qū)2具有第二導(dǎo)電類型(例如P型)，發(fā)射區(qū)3具有第一導(dǎo)電類型，且發(fā)射區(qū)3的摻雜濃度大于襯底I的摻雜濃度，SPN-型襯底I和N+型發(fā)射區(qū)3?；鶇^(qū)2形成于襯底I的上表面并注入襯底I中，發(fā)射區(qū)3形成于基區(qū)2的上表面并注入基區(qū)2中，發(fā)射極7形成于發(fā)射區(qū)3的上表面。
[0027]優(yōu)選地，基區(qū)2的結(jié)深為2?4μπι、峰值摻雜濃度為Ie 17?3e 17 ;發(fā)射區(qū)3的結(jié)深為
0.5?Ιμπι、峰值慘雜濃度為lel8?lel9。
[0028]本發(fā)明的絕緣柵雙極型晶體管還包括至少一個(gè)溝槽，該溝槽從襯底I的上表面垂直延伸到襯底I的中部，并且與基區(qū)2間隔設(shè)置，如圖所示，即溝槽與基區(qū)2之間有襯底I相隔。溝槽中由多晶硅5填充，多晶硅5的填充始于溝槽的底部并止于基區(qū)2的上表面，即不僅填充了溝槽的內(nèi)部還覆蓋了基區(qū)2的上表面、以及溝槽與基區(qū)2相隔的那部分襯底I的上表面。多晶硅5位于絕緣柵雙極型晶體管的頂部的部分形成柵電極52。此外，在溝槽的底部和側(cè)壁(即多晶硅5襯底I之間)、以及多晶硅5與基區(qū)2之間還形成有柵極氧化層4。
[0029]絕緣層6覆蓋于柵電極52的上表面，集電極區(qū)8形成于襯底I的下表面，集電極9形成于集電極區(qū)8的下表面。
[0030]本發(fā)明的絕緣柵雙極型晶體管，當(dāng)在其集電極9加正壓時(shí)，柵電極52的電壓為零，器件反偏的時(shí)候，電場(chǎng)被有效地限制在襯底I的漂移區(qū)，溝道不再直接面對(duì)電場(chǎng)。因此，同等耐壓下的器件，溝道長(zhǎng)度可以縮小。由于在同等柵電極電壓的情況下，溝道電流反比與溝道長(zhǎng)度，因此，發(fā)明的絕緣柵雙極型晶體管通過(guò)減小溝道長(zhǎng)度，能夠提高器件的電流驅(qū)動(dòng)能力。
[0031]本發(fā)明還提供了上述絕緣柵雙極型晶體管的制造方法，包括正面工藝過(guò)程和背面工藝過(guò)程，下面結(jié)合附圖2至10來(lái)詳細(xì)描述各過(guò)程。
[0032]首先，正面工藝過(guò)程包括如下步驟:
[0033]步驟1-1:在具有第一導(dǎo)電類型(例如N-型)的碳化硅襯底I的上表面注入具有第二導(dǎo)電類型(例如P型)的物質(zhì)(例如硼(boron))，形成基區(qū)2。步驟1-1完成之后如圖2所示。優(yōu)選地，先注入劑量為lel4?lel5且能量為200KeV?500KeV的硼，再注入劑量為2el3?4el3且能量為800KeV?2MeV的硼。
[0034]步驟1-1中分兩次注入硼，第一次注入低能硼，第二注入高能硼，兩次注入結(jié)合，導(dǎo)致在柵電極加電壓時(shí)，形成的反型區(qū)-載流子溝道不在碳化硅襯底和柵極氧化層的界面，而在略低于界面的碳化硅襯底中，因此可以有效地避免碳化硅襯底和柵極氧化層界面態(tài)對(duì)載流子迀移率的影響，增加了溝道載流子的迀移率。而溝槽柵結(jié)構(gòu)一方面起到阻擋電場(chǎng)的作用，另一方面也起到場(chǎng)版的作用。
[0035]步驟1-2:在基區(qū)2的上表面注入具有第一導(dǎo)電類型(例如N+型)的、摻雜濃度大于碳化娃襯底I的摻雜濃度的物質(zhì)(例如磷(phosphorous))，形成發(fā)射區(qū)3。步驟1-2完成之后如圖3所示。優(yōu)選地，注入劑量為lel5?lel6且能量為200KeV?IMKeV的磷。
[0036]步驟1-3:在碳化硅襯底I中、與基區(qū)2間隔的位置，從襯底I的上表面開(kāi)始垂直向下刻蝕至少一個(gè)溝槽A，溝槽A向下延伸到襯底I的中部。步驟1-3完成之后如圖4所示?？梢允褂玫入x子Plasma刻蝕溝槽A，溝槽A的深度范圍為2μπι?4μπι。
[0037]步驟1-4:在溝槽A的底部和側(cè)壁、溝槽A與基區(qū)2之間的襯底I的上表面、以及基區(qū)2的上表面，生長(zhǎng)柵極氧化層4。步驟1-4完成之后如圖5所示。在生長(zhǎng)柵極氧化層4之前，可以先生長(zhǎng)犧牲氧化層，然后再將犧牲氧化層腐蝕，得到較好的硅表面;再在此基礎(chǔ)上生長(zhǎng)柵極氧化層4，柵極氧化層4的厚度范圍為50nm?120nmo
[0038]步驟1-5:在溝槽A中填充多晶硅5形成柵電極52，多晶硅5始于溝槽A的底部并止于基區(qū)2的上表面。步驟1-5完成之后如圖6所不。
[0039]步驟1-6:在絕緣柵雙極型晶體管的上表面生成絕緣層6，絕緣層6覆蓋柵電極52。步驟1-6完成之后如圖7所示。
[0040]步驟1-7:將覆蓋發(fā)射區(qū)3的至少部分絕緣層6進(jìn)行刻蝕，以使得發(fā)射區(qū)3暴露于絕緣柵雙極型晶體管的上表面，然后在發(fā)射區(qū)3的上表面進(jìn)行蒸金以形成發(fā)射極7。步驟1-7完成之后如圖8所示。
[0041 ] 至此，正面工藝過(guò)程結(jié)束。
[0042]背面工藝過(guò)程包括如下步驟:
[0043]步驟2-1:在襯底I的下表面注入具有第二導(dǎo)電類型(例如P型)的物質(zhì)(例如硼)，形成集電極區(qū)8。步驟2-1完成之后如圖9所示。優(yōu)選地，注入劑量為5el3?lel4且能量為50KeV?I OOKeV的硼。
[0044]步驟2-2:在集電極區(qū)8的下表面進(jìn)行蒸金以形成集電極9。步驟2-2完成之后如圖1O所示。
[0045]利用上述絕緣柵雙極型晶體管的制造方法，能夠制造出本發(fā)明的絕緣柵雙極型晶體管，可提高制得的絕緣柵雙極晶體管的電流驅(qū)動(dòng)能力。
[0046]以上【具體實(shí)施方式】?jī)H為本發(fā)明的示例性實(shí)施方式，不能用于限定本發(fā)明，本發(fā)明的保護(hù)范圍由權(quán)利要求書(shū)限定。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在本發(fā)明的實(shí)質(zhì)和保護(hù)范圍內(nèi)，對(duì)本發(fā)明做出各種修改或等同替換，這些修改或等同替換也應(yīng)視為落在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種絕緣柵雙極型晶體管，其特征在于，包括: 襯底(1)，具有第一導(dǎo)電類型； 基區(qū)(2)，具有第二導(dǎo)電類型，形成于所述襯底(I)的上表面并注入所述襯底(I)中；發(fā)射區(qū)(3)，具有第一導(dǎo)電類型，且其摻雜濃度大于所述襯底(I)的摻雜濃度，形成于所述基區(qū)(2)的上表面并注入所述基區(qū)(2); 發(fā)射極(7)，形成于所述發(fā)射區(qū)(3)的上表面； 至少一個(gè)溝槽，所述溝槽從所述襯底(I)的上表面垂直延伸到所述襯底(I)的中部，并與所述基區(qū)(2)間隔設(shè)置，所述至少一個(gè)溝槽由多晶硅(5)填充形成柵電極(52)，所述多晶硅(5)始于所述溝槽的底部并止于所述基區(qū)(2)的上表面，所述多晶硅(5)與所述襯底(I)之間、以及所述多晶硅(5)與所述基區(qū)(2)之間形成有柵極氧化層(4); 絕緣層(6)，形成于所述柵電極(52)的上表面； 集電極區(qū)(8)，形成于所述襯底(I)的下表面； 集電極(9)，形成于所述集電極區(qū)(8)的下表面。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，所述襯底(I)為碳化硅襯底，所述第一導(dǎo)電類型為N型，所述第二導(dǎo)電類型為P型。3.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，所述基區(qū)(2)的結(jié)深為2?4μηι、峰值摻雜濃度為Iel7?3el7。4.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，所述發(fā)射區(qū)(3)的結(jié)深為0.5?Ιμπι、峰值慘雜濃度為lel8?lel9。5.—種絕緣柵雙極型晶體管的制造方法，其特征在于，包括正面工藝過(guò)程和背面工藝過(guò)程，其中， 所述正面工藝過(guò)程包括如下步驟: 步驟1-1:在具有第一導(dǎo)電類型的襯底(I)的上表面注入具有第二導(dǎo)電類型的物質(zhì)，形成基區(qū)(2);步驟1-2:在所述基區(qū)(2)的上表面注入具有第一導(dǎo)電類型的、摻雜濃度大于所述襯底(I)的摻雜濃度的物質(zhì)，形成發(fā)射區(qū)(3); 步驟1-3:在所述襯底(I)中、與所述基區(qū)(2)間隔的位置，從所述襯底(I)的上表面開(kāi)始垂直向下刻蝕至少一個(gè)溝槽，所述溝槽向下延伸到所述襯底(I)的中部； 步驟1-4:在所述溝槽的底部和側(cè)壁、所述溝槽與所述基區(qū)(2)之間的所述襯底(I)的上表面、以及所述基區(qū)(2)的上表面，生長(zhǎng)柵極氧化層(4); 步驟1-5:在所述溝槽中填充多晶硅(5)形成柵電極(52)，所述多晶硅(5)始于所述溝槽的底部并止于所述基區(qū)(2)的上表面； 步驟1-6:在所述絕緣柵雙極型晶體管的上表面生成絕緣層(6); 步驟1-7:將覆蓋所述發(fā)射區(qū)(3)的至少部分所述絕緣層(6)進(jìn)行刻蝕，以使得所述發(fā)射區(qū)(3)暴露于所述絕緣柵雙極型晶體管的上表面，然后在所述發(fā)射區(qū)(3)的上表面進(jìn)行蒸金以形成發(fā)射極(7);以及， 所述背面工藝過(guò)程包括如下步驟: 步驟2-1:在所述襯底(I)的下表面注入具有第二導(dǎo)電類型的物質(zhì)，形成集電極區(qū)(8); 步驟2-2:在所述集電極區(qū)(8)的下表面進(jìn)行蒸金以形成集電極(9)。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的絕緣柵雙極型晶體管的制造方法，其特征在于，所述襯底(I)為碳化硅襯底，所述第一導(dǎo)電類型為N型，所述第二導(dǎo)電類型為P型。7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的絕緣柵雙極型晶體管的制造方法，其特征在于，在所述步驟1-1中，所述注入具有第二導(dǎo)電類型的物質(zhì)包括:先注入劑量為lel4?lel5且能量為200KeV?500KeV的硼，再注入劑量為2el3?4el3且能量為800KeV?2MeV的硼。8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的絕緣柵雙極型晶體管的制造方法，其特征在于，在所述步驟1-2中，所述注入具有第一導(dǎo)電類型的、摻雜濃度大于所述襯底(I)的摻雜濃度的物質(zhì)包括:注入劑量為lel5?lel6且能量為200KeV?IMKeV的磷。9.根據(jù)權(quán)利要求5所述的絕緣柵雙極型晶體管的制造方法，其特征在于，在所述步驟2-1中，所述注入具有第二導(dǎo)電類型的物質(zhì)包括:注入劑量為5el3?lel4且能量為50KeV?I OOKeV的硼。
【文檔編號(hào)】H01L29/739GK106024874SQ201610559805
【公開(kāi)日】2016年10月12日
【申請(qǐng)日】2016年7月15日
【發(fā)明人】胡舜濤, 張 杰, 肖彩華
【申請(qǐng)人】上海源翌吉電子科技有限公司