CN103578967A

CN103578967A - 改善沟槽型igbt 栅极击穿能力的制备方法

Info

Publication number: CN103578967A
Application number: CN201210249970.6A
Authority: CN
Inventors: 迟延庆
Original assignee: Shanghai Hua Hong NEC Electronics Co Ltd
Current assignee: Shanghai Huahong Grace Semiconductor Manufacturing Corp
Priority date: 2012-07-19
Filing date: 2012-07-19
Publication date: 2014-02-12

Abstract

本发明公开了一种改善沟槽型IGBT栅极击穿能力的制备方法，包括步骤：1）在N型硅片上淀积二氧化硅作为硬掩膜后，通过光罩定义出深沟槽的图案，刻蚀，将硬掩膜打开；2）将硬掩膜打开的区域进行湿法各向异性刻蚀；3）采用干法刻蚀，形成深沟槽；4）湿法刻蚀去除剩余的硬掩膜；5）在深沟槽内，依次沉积氧化硅和掺杂多晶硅作为栅极，然后通过光刻和刻蚀工艺形成栅极；6）在N型硅片上，形成P型区和N型区后，通过连接形成发射极；7）在硅片背面形成集电极。本发明能避免栅极加电压时电场集中，优化器件的栅极击穿能力，同时维持器件的其它电性能不变。

Description

改善沟槽型IGBT 栅极击穿能力的制备方法

技术领域

本发明涉及一种功率半导体器件中改善栅极击穿能力的方法，特别是涉及一种改善沟槽型IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管）栅极击穿能力的制备方法。

背景技术

IGBT功率器件是一种发展迅速、应用广泛的新型功率半导体器件。它是在普通双扩撒金属氧化物半导体（DMOS）的基础上，通过在集电极引入P+结构，除了具备DMOS输入阻抗高、开关速度快、工作频率高、易电压控制、热稳定好、驱动电路简单、易于集成等特点外，通过集电极空穴注入的电导调制效应，大大降低了导通电阻，减少了通态功耗。目前功率IGBT已广泛应用于变频家电，风能发电，机车牵引，智能电网等领域。

目前功率IGBT器件的制备工艺主要分成两大类，一种是利用平面栅极形成的平面IGBT；另外一种是在深沟槽壁的氧化形成的沟槽IGBT。

在沟槽IGBT的制备工艺中，通常沟槽顶部是比较尖锐的。为了降低沟槽顶部的电场集中，需要对沟槽尖角进行优化。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种改善沟槽型IGBT栅极击穿能力的制备方法。该方法通过改善沟槽IGBT的工艺流程，优化沟槽顶部的尖角，从而降低沟槽顶部的电场集中，改善栅极击穿能力。

为解决上述技术问题，本发明的改善沟槽型IGBT栅极击穿能力的制备方法，包括步骤：

1）在作为衬底的N型硅片上，淀积一层二氧化硅作为硬掩膜（Hard mask）后，通过一层光罩定义出深沟槽的图案，干法或湿法刻蚀，将硬掩膜打开；

2）将硬掩膜打开的区域进行湿法各向异性刻蚀；

3）采用干法刻蚀，形成一定深度的深沟槽，其深沟槽深度可以根据沟槽型IGBT器件的击穿电压来决定；

4）采用湿法刻蚀（如湿法BOE工艺），去除剩余的硬掩膜；

5）在深沟槽内，依次沉积一层氧化硅和掺杂多晶硅作为栅极，然后通过光刻和干法刻蚀工艺形成栅极；

6）在N型硅片上，依次利用2次离子注入分别形成P型区和N型区后，通过金属（包括：铝）连接形成发射极；

7）在整个N型硅片表面淀积一层或多层绝缘介质膜（包括：二氧化硅或氮化硅等），然后通过光刻和干法刻蚀工艺形成钝化保护层；其中，钝化保护层厚度由沟槽型IGBT器件耐压和漏电水平决定；

然后，将N型硅片反转，进行硅片背面减薄，在硅片背面P型离子注入和蒸金，在硅片背面形成集电极。

所述步骤1）中，淀积的方法为以化学气相淀积（CVD）方式淀积。

所述步骤2）中，刻蚀的深度由刻蚀形成的顶角斜坡长度决定，满足关系式：h=L×sin54.7°，其中，h表示刻蚀深度，L表示刻蚀形成的顶角斜坡长度；刻蚀的速度可通过刻蚀液浓度和腐蚀温度控制；其中，刻蚀液包括：碱金属的氢氧化物（如KOH）、氢氧化铵（TMAH）或乙二胺邻苯二酚（EDP）。

所述步骤5）中，氧化硅的厚度由沟槽型IGBT器件的阈值电压决定；掺杂多晶硅是在多晶硅中掺入N型杂质离子所形成，如一般由临场掺杂工艺参入N型杂质离子形成；其中，N型杂质离子包括：磷；掺杂的浓度和掺杂多晶硅的厚度由沟槽型IGBT器件所需的栅极电阻决定。

所述步骤6）中，P型区是由注入P型离子形成，P型离子包括：硼；P型离子注入能量为40Kev～120Kev，注入剂量为1×10¹⁵～5×10¹⁵/CM²；N型区是由注入N型离子形成，N型离子包括：磷或砷；N型离子注入能量为40Kev～120Kev，注入剂量为2×10¹⁵～1×10¹⁶/CM²。

所述步骤7）中，硅片背面减薄的厚度由沟槽型IGBT器件的耐压决定；硅片背面P型离子注入中，注入的离子包括硼，注入能量为40Kev～800Kev，注入剂量为1×10¹⁴～1×10¹⁵/CM²，注入后需要由炉管或者激光设备退火激活；蒸金是由蒸发工艺在硅片背面蒸镀多层金属，包括：铝、钛、镍、银，其厚度组成以总应力最小为最佳。

本发明针对深沟槽结构的IGBT功率器件的工艺，通过改善沟槽的制造工艺流程，在硬掩膜打开后沟槽刻蚀前，增加一步Si的各向异性刻蚀，从而优化沟槽顶部的尖角，避免栅极加电压时电场集中，优化器件的栅极击穿能力。同时，维持器件的其它电性能不变，如击穿电压和饱和压降等。

附图说明

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：

图1是本发明中的硬掩膜打开后的示意图；

图2A是硬掩膜打开的区域进行刻蚀的示意图；

图2B是湿法各向异性腐蚀后腐蚀形貌和尺寸的示意图；

图3是干法刻蚀形成的深沟槽示意图；

图4是去除剩余的硬掩膜后的示意图；

图5是形成栅极后的示意图；

图6是形成集电极后的示意图。

图中附图标记说明如下：

1为集电极，2为IGBT背面P型区，3为N型硅片，4为氧化硅，5为P型区，6为N型区，7为发射极，8为栅极，9为硬掩膜。

具体实施方式

本发明的改善沟槽型IGBT栅极击穿能力的制备方法，包括步骤：

1）准备一片带有足够厚度的N型硅片3作为衬底，其衬底层厚度由沟槽型IGBT器件设计的耐压值所决定，如对于1700V非穿通型沟槽IGBT，其厚度通常在200μm～350μm之间；

然后，在N型硅片3衬底上，以CVD方式淀积一层二氧化硅（二氧化硅最小厚度需要满足：在沟槽刻蚀整个过程中，二氧化硅都没有消耗到厚度为零，一般在7000～12000埃之间）作为硬掩膜9后，通过一层光罩定义出深沟槽的图案，采用干法或湿法刻蚀，将硬掩膜9打开（如图1所示）。

2）采用各向异性的硅刻蚀工艺（湿法刻蚀）进行刻蚀，将硬掩膜打开的区域进行刻蚀（如图2A所示），刻蚀的深度由刻蚀形成的顶角斜坡长度决定，满足关系式：h=L×sin54.7°，其中，h表示刻蚀深度，L表示刻蚀形成的顶角斜坡长度，如图2B所示。

其中，刻蚀液可采用：KOH、氢氧化铵（TMAH）或乙二胺邻苯二酚（EDP）。由于N型硅片3{111}晶面和N型硅片3的{100}晶面腐蚀速率的差异，如对于EDP，{111}晶面和{100}晶面的腐蚀速率比为35:1，可以在N型硅片3上形成54.7°的斜坡。

另外，刻蚀的速度可以通过刻蚀液浓度和腐蚀温度控制，如对于KOH溶液，质量浓度控制在40%～50%，腐蚀温度控制在70℃～90℃，刻蚀速率在0.5μm/min～3μm/min之间变化；对于TMAH，典型腐蚀液质量浓度为20%～25%，典型腐蚀温度为90℃，典型刻蚀速率为：0.5μm/min～1.5μm/min；对于EDP，典型组成为750ml乙二胺（ethylenediamine）：120g邻苯二酚(Pyrocatechol)：100ml水，乙二胺邻苯二酚的典型腐蚀温度为115℃，典型刻蚀速率为0.75μm/min。

3）采用干法刻蚀，形成一定深度的深沟槽（如图3所示），其深沟槽深度可以根据器件的击穿电压来决定，如对于1700V非穿通型沟槽IGBT，其沟槽深度通常在4μm～8μm之间。

4）采用湿法BOE工艺刻蚀，去除剩余的硬掩膜9（如图4所示）；

5）在深沟槽内，依次沉积一层氧化硅4和掺杂多晶硅作为栅极，然后通过光刻和干法刻蚀工艺形成栅极8（如图5所示）；

其中，氧化硅4的厚度由沟槽型IGBT器件的的阈值电压决定；掺杂多晶硅一般由临场掺杂工艺参入N型杂质离子（如磷）形成，掺杂的浓度和掺杂多晶硅厚度一般由沟槽型IGBT器件所需的栅极电阻决定；

6）在N型硅片3衬底上，依次利用2次离子注入分别形成P型区5和N型区6后，通过金属连接（如铝）形成发射极7；

其中，P型区5和N型区6中，P型区5一般注入P型离子形成，如硼，注入能量一般在40Kev～120Kev，注入剂量一般在1×10¹⁵～5×10¹⁵/CM²；

N型区6一般注入N型离子形成，如磷或者砷，注入能量一般在40Kev～120Kev，注入剂量一般在2×10¹⁵～1×10¹⁶/CM²。

7）在整个硅片表面淀积一层或多层绝缘介质膜（如二氧化硅，氮化硅等），然后通过光刻和干法刻蚀工艺形成钝化保护层，该钝化保护层的厚度由器件耐压和漏电水平决定，钝化层完成后，将硅片反转，进行硅片背面减薄，硅片背面P型离子注入和蒸金，在硅片背面形成集电极1（如图6所示）。

其中，硅片背面减薄的厚度由沟槽型IGBT器件的耐压决定，背面P型离子注入是一般注入P型离子形成，如硼，注入能量一般在40Kev～800Kev，注入剂量一般在1×10¹⁴～1×10¹⁵/CM²，注入后需要由炉管或者激光设备退火激活，炉管退火温度一般在400°C到450°C之间，时间一般在1小时左右，激光退火的能量由注入的浓度和深度决定。蒸金是由蒸发工艺在背面蒸镀多层金属（如铝/钛/镍/银），其厚度组成以总应力最小为最佳。

按照上述步骤制备得到的深沟槽结构的IGBT功率器件，能避免栅极加电压时电场集中，优化了器件的栅极击穿能力。同时，维持器件的其它电性能不变，如击穿电压和饱和压降等。

Claims

1.一种改善沟槽型IGBT栅极击穿能力的制备方法，其特征在于，包括步骤：

1）在作为衬底的N型硅片上，淀积一层二氧化硅作为硬掩膜后，通过一层光罩定义出深沟槽的图案，刻蚀，将硬掩膜打开；

2）将硬掩膜打开的区域进行湿法各向异性刻蚀；

3）采用干法刻蚀，形成深沟槽；

4）采用湿法刻蚀，去除剩余的硬掩膜；

6）在N型硅片上，依次利用2次离子注入分别形成P型区和N型区后，通过金属连接形成发射极；

7）在整个N型硅片表面淀积一层或多层绝缘介质膜，然后通过光刻和干法刻蚀工艺形成钝化保护层；

然后，将N型硅片反转，进行硅片背面减薄，硅片背面P型离子注入和蒸金，在硅片背面形成集电极。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤1）中，N型硅片的厚度由沟槽型IGBT器件设计的耐压值所决定；

淀积的方法为以化学气相淀积方式淀积；

二氧化硅的最小厚度需要满足：在沟槽刻蚀整个过程中，二氧化硅都未消耗到厚度为零。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤1）中，刻蚀方法为干法或湿法刻蚀；

二氧化硅的厚度为7000～12000埃。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤2）中，刻蚀的深度由刻蚀形成的顶角斜坡长度决定，满足关系式：h=L×sin54.7°，其中，h表示刻蚀深度，L表示刻蚀形成的顶角斜坡长度；

刻蚀的速度通过刻蚀液浓度和腐蚀温度控制；其中，刻蚀液包括：碱金属的氢氧化物、氢氧化铵或乙二胺邻苯二酚。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于：所述碱金属的氢氧化物为KOH溶液，质量浓度为40%～50%，腐蚀温度为70℃～90℃，刻蚀速率在0.5μm/min～3μm/min之间；

刻蚀液为氢氧化铵时，质量浓度为20%～25%，腐蚀温度为90℃，刻蚀速率为0.5μm/min～1.5μm/min；

刻蚀液为乙二胺邻苯二酚时，乙二胺邻苯二酚的组成为750ml乙二胺：120g邻苯二酚：100ml水；乙二胺邻苯二酚的腐蚀温度为：115℃，刻蚀速率为0.75μm/min。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤3）中，深沟槽的深度根据沟槽型IGBT器件的击穿电压来决定。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤4）中，采用湿法BOE工艺进行刻蚀。

8.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤5）中，氧化硅的厚度由沟槽型IGBT器件的阈值电压决定；

掺杂多晶硅是在多晶硅中掺入N型杂质离子所形成；其中，N型杂质离子包括：磷；掺杂的浓度和掺杂多晶硅的厚度由沟槽型IGBT器件所需的栅极电阻决定。

9.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤6）中，P型区是由注入P型离子形成，P型离子包括：硼；P型离子注入能量为40Kev～120Kev，注入剂量为1×10¹⁵～5×10¹⁵/CM²；

N型区是由注入N型离子形成，N型离子包括：磷或砷；N型离子注入能量为40Kev～120Kev，注入剂量为2×10¹⁵～1×10¹⁶/CM²；

步骤6）中的金属包括：Al。

10.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤7）中，绝缘介质膜包括：二氧化硅或氮化硅；

钝化保护层的厚度由沟槽型IGBT器件耐压和漏电水平决定；

硅片背面减薄的厚度由沟槽型IGBT器件的耐压决定；

硅片背面P型注入中，注入的离子包括硼，注入能量为40Kev～800Kev，注入剂量为1×10¹⁴～1×10¹⁵/CM²，注入后需要由炉管或者激光设备退火激活；

蒸金是由蒸发工艺在硅片背面蒸镀多层金属，包括：铝、钛、镍、银，其厚度组成以总应力最小为最佳。