CN102184855A

CN102184855A - 一种具有场截止构造的非穿通型沟槽igbt制造方法

Info

Publication number: CN102184855A
Application number: CN 201110112783
Authority: CN
Inventors: 饶祖刚; 丛培金; 沈浩平; 冯春阳; 陆界江; 赵雁
Original assignee: TIANJIN HUANXIN TECHNOLOGY DEVELOPMENT Co Ltd
Current assignee: TIANJIN HUANXIN TECHNOLOGY DEVELOPMENT Co Ltd
Priority date: 2010-05-06
Filing date: 2011-05-03
Publication date: 2011-09-14
Anticipated expiration: 2031-05-03
Also published as: CN101826552A; CN102184855B

Abstract

本发明公开了一种具有场截止构造的非穿通型沟槽IGBT制造方法。本发明在硅基片上表面元胞区内的沟槽中，以氮化硅绝缘介质膜作为沟槽侧壁保护，在沟槽底部形成由两次热氧化生长的厚氧化硅绝缘介质膜，在沟槽侧壁形成由一次热氧化生长的薄氧化硅绝缘介质膜；在元胞区外通过两次离子注入和热处理形成复合场限环，通过多晶硅、金属淀积与刻蚀形成复合场板，并由复合场限环和复合场板形成一个或多个耐压环；在硅基片下表面，通过两次离子注入及浅结热处理形成场截止层和集电区。本发明所确立的制造方法成本低，易于实施；制造出的IGBT面积小，开关速度快，具有功耗低、抗电磁干扰和抗辐射能力增强等性能特点，从而可以满足市场对IGBT产品高品质的需求。

Description

一种具有场截止构造的非穿通型沟槽IGBT制造方法

技术领域

本发明涉及功率器件领域中的IGBT（绝缘栅双极晶体管）制造方法，特别涉及一种具有场截止构造的非穿通型沟槽IGBT制造方法。

背景技术

IGBT即绝缘栅双极晶体管是一种由MOSFET（场效应晶体管）与双极晶体管复合的器件。它包括一个NMOS场效应管和由该NMOS场效应管驱动的一个PNP双极晶体管；或者包括一个PMOS场效应管和由该PMOS场效应管驱动的一个NPN双极晶体管，NMOS场效应管或者PMOS场效应管包括发射电极、栅电极和硅基片体区，PNP双极晶体管或者NPN晶体管包括发射电极、硅基片体区和集电极。

IGBT主要应用在工业控制、消费电子、计算机、网络通信、汽车电子等领域。随着我国特高压直流输电、高压变频、交流传动机车/动车组、城市轨道交通等领域技术发展和市场需求的增加，新能源、节能减排国策的深入贯彻以及低碳经济时代的到来，变频、太阳能发电、风能发电、新能源汽车等新的应用不断扩展，新型半导体功率器件IGBT的需求非常紧迫，需求量迅速扩大，并保持着较高的增长速度。

目前已有的IGBT包括平面IGBT和沟槽IGBT两种。国内对平面IGBT已进行了比较广泛的研究与试制，其特点是：具有一个水平的MOS管驱动一个垂直的双极晶体管的结构，采用硅单晶与外延工艺，因此芯片面积大，导通电阻高，抗短路性能差。从平面IGBT发展到沟槽IGBT，其优点在于器件的导通特性和电流密度得以改善，寄生晶体管效应得以消除。国内也有了沟槽IGBT的专利，如专利200410093011.5公开了一种具有沟槽结构的IGBT及其制造方法。在功率器件领域，也存在一些别的使用沟槽结构的器件和耐压环结构的器件，如专利CN101567320A公开了一种具有沟槽结构的功率MOS晶体管的制造方法，这些专利公开了一些特殊的器件结构及其制造方法。专利CN101504954A公开了一种具有多级场板或者无级渐变场板的高压功率快恢复二极管及其制造方法。

专利200410093011.5公开了一种具有沟槽结构的IGBT及其制造方法。其制造方法存在诸多不足，首先，它采用了外延工艺，因此成本较高；其次，这种制造方法形成的沟槽底部氧化硅绝缘介质膜的厚度与沟槽侧壁氧化硅介质膜的厚度相同，在电场集中的沟槽底部高压耐受性能相对较差，且栅极-集电极间电容大，对开关速度有一定影响。

专利CN101567320A公开了一种功率MOS晶体管的制造方法。本专利通过热氧化在沟槽中形成侧壁和底部厚度均匀的第一氧化层，利用高密度等离子沉积的台阶覆盖特点，在沟槽中形成侧壁薄底部厚的第二层氧化层，通过光刻胶的涂覆与刻蚀，去胶，在沟槽底部形成较厚的底氧化层。该专利的实施需要有高密度等离子沉积工艺，对于小尺寸的深沟槽，光刻胶不容易彻底去除干净；另外，需要在第一氧化层生长之前，形成底部圆滑的沟槽，这对刻蚀或者其后的圆滑处理工艺要求较高。

专利CN101504954A公开了一种高压功率快恢复二极管及其制造方法。该专利方法在较轻掺杂的P-主结边缘，由多晶硅场板和金属场板复合形成的场板，具有多级场板或者无极渐变场板的结构特点。该专利制造方法形成的终端结构由于采用金属与较轻掺杂的P-主结接触，因此金属与P-主结间不易形成较好的欧姆接触；另外，这种制造方法形成的终端结构只有主结终端结构，在实现相同耐压的情况下，面积偏大。

发明内容

综上所述，为满足当今时代对新型半导体功率器件IGBT高品质的需求，进一步改善和提高IGBT性能，缩小芯片面积，降低制造成本，本发明公开了一种具有场截止构造的非穿通型沟槽IGBT制造方法。采取本方法，可氧化形成沟槽底部氧化硅绝缘介质膜厚度是沟槽侧壁氧化硅绝缘介质膜厚度的1~3倍的沟槽栅结构；形成栅极-集电极电容小、耐压高的结构；以自对准方式形成复合场限环，结合复合场板形成尺寸小耐压高的耐压环结构；在硅基片体区靠近集电区的位置通过离子注入和浅结热处理形成一个与硅基片体区具有相同导电类型，掺杂浓度更高的场截止层，以实现进一步减薄硅基片，降低导通压降的目的；IGBT器件直接做在区熔抛光硅基片上，形成非穿通型的IGBT。其结构特点主要体现在：

1、本发明沟槽栅制造工艺简单，性能优良。

本发明公开的具有场截止构造的非穿通型沟槽IGBT制造方法，其沟槽栅加工技术易于实现，利用氮化硅绝缘介质膜配合干法刻蚀的各向异性，形成沟槽侧墙，在沟槽中选择性地生长氧化硅绝缘介质膜，最终形成沟槽底部氧化硅绝缘介质膜厚，沟槽侧壁绝缘介质膜薄的结构；另外，这种在沟槽底部选择性地生长氧化硅绝缘介质膜的方法，还同时起到对沟槽底部的圆滑处理，可降低对沟槽刻蚀等前面工艺的圆滑处理要求。在沟槽内，沟道区沟槽侧壁氧化硅绝缘介质膜（即栅氧化膜）的厚度确保了沟道开启电压满足目标值要求；而在沟道以外区域，尤其是沟槽底部电场集中的地方，以热氧化方式生长了更厚的氧化硅绝缘介质膜，能耐受更高的电压。同时，底部更厚的氧化硅绝缘介质膜具有更小的栅极-集电极电容，开关速度更快。沟槽侧壁、底部无损伤的高质量氧化硅绝缘介质膜还有漏电小等优点。

2、本发明耐压环易于加工，尺寸小，耐压高。

本发明公开的具有场截止构造的非穿通型沟槽IGBT制造方法，通过自对准方式形成复合场限环，并结合复合场板结构，实现由一个或者多个耐压环构成的耐压环区，在更小尺寸下实现器件更高的耐压，其制造工艺可与元胞区制造工艺相兼容。

3、本发明场截止构造实现更低导通压降，并具有浅结特点。

本发明下的IGBT在硅基片体区靠近集电区的位置形成了一层电场阻止层，即场截止层，从而可以减薄硅基片体区的厚度，降低导通电压，增强抗电磁干扰和抗辐射能力，提升最大结温。硅基片下表面形成浅结的场截止层和集电区，也降低了对设备加工能力尤其是能量能力的要求。

本发明所采取的技术方案是：一种具有场截止构造的非穿通型沟槽IGBT制造方法，包括在硅基片上表面元胞区内沟槽、元胞区外耐压环的制造过程和硅基片下表面场截止构造的制造过程，其特征在于，在硅基片上表面，通过干法刻蚀在元胞区内形成沟槽，以氮化硅绝缘介质膜作为沟槽侧壁保护，通过第四次热氧化，在沟槽底部生长一层沟槽底部初始氧化硅绝缘介质膜；将侧壁保护的氮化硅绝缘介质膜及其下面的预氧化硅绝缘介质膜全部去除干净；之后进行第五次热氧化，在沟槽侧壁形成一层由第五次热氧化生长的沟槽侧壁氧化硅绝缘介质膜即栅氧化硅绝缘介质膜，在沟槽底部，形成一层由第四次和第五次热氧化生长的沟槽底部氧化硅绝缘介质膜；在元胞区外通过第一次和第二次离子注入和热处理形成复合场限环，通过多晶硅、金属淀积与刻蚀形成复合场板，并由复合场限环和复合场板形成一个或者多个耐压环；在硅基片下表面，通过第四次和第五次离子注入以及浅结热处理形成场截止层和集电区。

硅基片上表面元胞区内沟槽栅的制造过程包括以下步骤：

（一）、在硅基片的上表面淀积一层氧化硅绝缘介质膜，并以该氧化硅绝缘介质膜作为掩蔽膜刻蚀出沟槽；

（二）、通过第二次热氧化生长，在沟槽中形成一层牺牲氧化硅绝缘介质膜，之后以湿法腐蚀将该牺牲氧化硅绝缘介质膜去除干净；

（三）、通过第三次热氧化生长，在沟槽中形成一层预氧化硅绝缘介质膜，再淀积一层氮化硅绝缘介质膜；

（四）、利用各向异性的干法刻蚀，将沟槽外硅基片上表面和沟槽底部的氮化硅绝缘介质膜刻蚀干净，留下沟槽侧壁氮化硅绝缘介质膜；

（五）、通过第四次热氧化生长，在沟槽中形成沟槽底部初始氧化硅绝缘介质膜，并在沟槽外形成硅基片上表面氧化硅绝缘介质膜；

（六）、通过湿法腐蚀，将沟槽侧壁的氮化硅绝缘介质膜去除干净，并将沟槽侧壁的预氧化硅绝缘介质膜去除干净，在沟槽底部留下第四次热氧化生长的氧化硅绝缘介质膜；

（七）、通过第五次热氧化生长，在沟槽侧壁形成一层由第五次热氧化生长的沟槽侧壁氧化硅绝缘介质膜，在沟槽底部，形成一层由第四次和第五次热氧化生长的沟槽底部氧化硅绝缘介质膜；

（八）、在硅基片上表面淀积掺杂多晶硅，通过干法刻蚀去除沟槽外硅基片上表面的多晶硅，留下沟槽内多晶硅形成多晶硅栅电极，沟槽外硅基片上表面留下一层氧化硅绝缘介质膜。

硅基片上表面元胞区外耐压环的制造过程包括以下步骤：

（一）、通过第一次热氧化生长，在硅基片的上表面形成一层场氧化硅绝缘介质膜，刻蚀场氧化硅绝缘介质膜形成耐压环区和耐压环区内的一个或者多个场限环注入区；

（二）、淀积掺杂多晶硅并刻蚀，在每个场限环注入区旁外侧方向的场氧化硅绝缘介质膜上形成每个多晶硅场板；

（三）、通过第一次离子注入和热处理，在场限环注入区形成与硅基片体区导电类型相反的阱区轻掺杂场限环，通过第二次离子注入和热处理，在阱区轻掺杂场限环内形成与硅基片体区导电类型相反的P+区或者N+区重掺杂场限环，即通过第一次和第二次离子注入和热处理形成复合场限环，复合场限环在每个场限环注入区处以自对准方式形成；

（四）、淀积形成层间绝缘膜，在层间绝缘膜上开接触孔；

（五）、淀积金属并刻蚀，在耐压环区的每个多晶硅场板和最近邻的每个复合场限环之上形成金属场板，每个金属场板通过接触孔与该多晶硅场板和复合场限环欧姆接触，由每个多晶硅场板和其上的金属场板形成复合场板。

硅基片下表面场截止构造的制造过程包括以下步骤：

（一）、通过第四次离子注入，形成与硅基片体区导电类型相同的场截止层注入层；

（二）、通过第五次离子注入，形成与硅基片体区导电类型相反的集电区注入层；

（三）、以400~500℃温度对硅基片进行浅结热处理，将场截止层注入层和集电区注入层的杂质激活，形成具有掺杂浓度为1x10¹⁷~1x10¹⁹cm^-3，结深为0.2~1um杂质分布特点的场截止层，和具有掺杂浓度为1x10¹⁷~1x10¹⁸cm^-3cm^-3，结深为0.1~0.5um杂质分布特点的集电区。

本发明所产生的有益效果是：该发明所确立的制造方法成本低，易于实施；制造出的IGBT面积小，开关速度快，具有功耗低、抗电磁干扰和抗辐射能力增强等性能特点，从而可以满足市场对IGBT产品高品质的需求。

附图说明

图1所示为本发明形成的IGBT器件剖面结构示意图。

图2、图3、图4、图5所示为本发明实施的IGBT沟槽栅制造过程示意图。

图6所示为本发明形成的IGBT元胞区示意图。

图7所示为本发明形成的IGBT耐压环示意图。

图8所示为本发明形成的IGBT耐压环区示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步说明：参照图1至图8，本发明的IGBT制造方法有如下步骤：

（一）、清洗硅基片，通过第一次热氧化生长，在硅基片的上表面形成一层厚度为1~2um的场氧化硅绝缘介质膜19，光刻，然后刻蚀场氧化硅绝缘介质膜形成元胞区1和耐压环区8，并在耐压环区8内形成一个或者多个场限环注入区5；

（二）、在硅基片上表面淀积一层氧化硅绝缘介质膜13，将沟槽14位置上的氧化硅绝缘介质膜13去除，并以未刻蚀的该氧化硅绝缘介质膜13作为掩蔽膜刻蚀出沟槽14，将作为掩蔽膜的氧化硅绝缘介质膜13去除干净；

（三）、清洗硅基片，通过第二次热氧化生长，在硅基片上表面和沟槽中形成一层厚度为0.05~0.2um的牺牲氧化硅绝缘介质膜，之后以湿法腐蚀将该牺牲氧化硅绝缘介质膜去除干净；

（四）、清洗硅基片，通过第三次热氧化生长，在硅基片上表面和沟槽中形成一层厚度为0.01~0.1um的预氧化硅绝缘介质膜16，再淀积一层厚度为0.08~0.2um的氮化硅绝缘介质膜17；

（五）、利用各向异性的干法刻蚀，将沟槽外硅基片上表面和沟槽底部的氮化硅绝缘介质膜17刻蚀干净，留下沟槽侧壁氮化硅绝缘介质膜17；

（六）、清洗硅基片，通过第四次热氧化生长，在沟槽中形成厚度为0.2~0.6um的沟槽底部初始氧化硅绝缘介质膜18，并在沟槽外硅基片上表面形成厚度为0.2~0.8um的氧化硅绝缘介质膜15；

（七）、通过湿法腐蚀，将沟槽侧壁的氮化硅绝缘介质膜17去除干净，并将沟槽侧壁的预氧化硅绝缘介质膜16去除干净，沟槽外硅基片上表面的氧化硅绝缘介质膜15被部分刻蚀，留下厚度为0.1~0.5um的氧化硅绝缘介质膜15’，沟槽底部初始氧化硅绝缘介质膜18被部分刻蚀，留下厚度为0.1~0.5um的沟槽底部氧化硅绝缘介质膜18’；

（八）、清洗硅基片，通过第五次热氧化生长，在沟槽侧壁形成一层由第五次热氧化生长的厚度为0.1~0.3um的沟槽侧壁氧化硅绝缘介质膜16’，在沟槽底部，形成一层由第四次和第五次热氧化生长的厚度为0.15~0.8um的沟槽底部氧化硅绝缘介质膜18”；

（九）、在硅基片上表面淀积掺杂多晶硅并完全填充沟槽，通过光刻、干法刻蚀在元胞区1去除沟槽外硅基片上表面的多晶硅，留下沟槽内多晶硅形成多晶硅栅电极3’，多晶硅栅电极3’与沟槽侧壁氧化硅绝缘介质膜16’、沟槽底部氧化硅绝缘介质膜18”构成沟槽栅2，沟槽外硅基片上表面留下一层氧化硅绝缘介质膜15”，用于防止后续离子注入工艺过程中可能产生的损伤；在耐压环区8的每个场限环注入区旁外侧方向的场氧化硅绝缘介质膜19上形成每个多晶硅场板6；

（十）、从硅基片上表面进行第一次离子注入和热处理，在元胞区1相邻的沟槽栅2之间形成与硅基片体区12导电类型相反的轻掺杂的阱区20，在耐压环区8的场限环注入区5内形成阱区20轻掺杂场限环，阱区20的掺杂浓度为1x10¹⁶~1x10¹⁸cm^-3，结深为3~6um；从硅基片上表面进行第二次离子注入和热处理，在元胞区1阱区20的中央位置形成与硅基片体区12导电类型相反的重掺杂的P+区或者N+区21，在耐压环区8的场限环注入区5内形成P+区或者N+区21重掺杂场限环，P+区或者N+区21的掺杂浓度为1x10¹⁸~1x10²⁰cm^-3，结深为1~3um；从硅基片上表面进行第三次离子注入和热处理，在元胞区1沟槽栅2与重掺杂的P+区或者N+区21之间阱区20内形成与硅基片体区12导电类型相同的重掺杂发射区22，发射区22的掺杂浓度为5x10¹⁸~5x10²⁰cm^-3，结深为0.3~1um；在耐压环区8的阱区20轻掺杂场限环和P+区或者N+区21重掺杂场限环形成复合场限环，复合场限环通过场限环注入区5以自对准方式形成；

（十一）、在硅基片上表面淀积形成厚度为1~2um的层间绝缘膜23，在层间绝缘膜23上开接触孔；

（十二）、在硅基片上表面淀积厚度为3~7um的金属并刻蚀，在元胞区1形成栅电极3和发射电极4，在耐压环区8的每个多晶硅场板6和最近邻的每个复合场限环之上形成金属场板7，每个金属场板7通过接触孔与该多晶硅场板6和复合场限环欧姆接触，由每个多晶硅场板6和其上的金属场板7形成复合场板。

（十三）、在硅基片上表面淀积或者涂覆厚度为0.3~5um的钝化层24，开键合孔；

（十四）、腐蚀，或者背磨后腐蚀处理硅基片下表面；

（十五）、从硅基片下表面进行第四次离子注入，形成与硅基片体区12导电类型相同的场截止层9注入层；

（十六）、从硅基片下表面进行第五次离子注入，形成与硅基片体区12导电类型相反的集电区10注入层；

（十七）、以400~500℃温度对硅基片进行浅结热处理，将场截止层9注入层和集电区10注入层的杂质激活，形成具有掺杂浓度为1x10¹⁷~1x10¹⁹cm^-3，结深为0.2~1um杂质分布特点的场截止层9，和具有掺杂浓度为1x10¹⁷~1x10¹⁸cm^-3，结深为0.1~0.5um杂质分布特点的集电区10；

（十八）、在硅基片下表面淀积厚度为1~3um的集电极11金属。

Claims

1.一种具有场截止构造的非穿通型沟槽IGBT制造方法，包括在硅基片上表面元胞区内沟槽栅、元胞区外耐压环的制造过程和硅基片下表面场截止构造的制造过程，其特征在于，在硅基片上表面，通过干法刻蚀在元胞区内形成沟槽；以氮化硅绝缘介质膜作为沟槽侧壁保护，通过第四次热氧化，在沟槽底部生长一层沟槽底部初始氧化硅绝缘介质膜；将侧壁保护的氮化硅绝缘介质膜及其下面的预氧化硅绝缘介质膜全部去除干净；之后进行第五次热氧化，在沟槽侧壁形成一层由第五次热氧化生长的沟槽侧壁氧化硅绝缘介质膜即栅氧化硅绝缘介质膜，在沟槽底部，形成一层由第四次和第五次热氧化生长的沟槽底部氧化硅绝缘介质膜；在元胞区外通过第一次和第二次离子注入和热处理形成复合场限环，通过多晶硅、金属淀积与刻蚀形成复合场板，并由复合场限环和复合场板形成一个或者多个耐压环；在硅基片下表面，通过第四次和第五次离子注入以及浅结热处理形成场截止层和集电区。

2.根据权利要求1所述的一种具有场截止构造的非穿通型沟槽IGBT制造方法，其特征在于，硅基片上表面元胞区内沟槽栅的制造过程包括以下步骤：

3.根据权利要求1所述的一种具有场截止构造的非穿通型沟槽IGBT制造方法，其特征在于，硅基片上表面元胞区外耐压环的制造过程包括以下步骤：

（四）、淀积形成层间绝缘膜，在层间绝缘膜上开接触孔；

4.根据权利要求1所述的一种具有场截止构造的非穿通型沟槽IGBT制造方法，其特征在于，硅基片下表面场截止构造的制造过程包括以下步骤：

（三）、以400～500℃温度对硅基片进行浅结热处理，将场截止层注入层和集电区注入层的杂质激活，形成具有掺杂浓度为1x10¹⁷～1x10¹⁹cm^-3，结深为0.2～1um杂质分布特点的场截止层，和具有掺杂浓度为1x10¹⁷～1x10¹⁸cm^-3cm^-3，结深为0.1～0.5um杂质分布特点的集电区。