CN103839797B - 一种igbt短路集电极结构的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种IGBT短路集电极结构的制备方法，属于功率半导体器件。该方法为：在所IGBT结构的正面形成栅极结构和源极结构后，将N‑型衬底的背面减薄，并在N‑型衬底的背面淀积一层掩蔽层；依次刻蚀部分掩蔽层和N‑型衬底，并在N‑型衬底的背面形成凹槽；在掩蔽层上和凹槽内淀积薄膜层，薄膜层的材料为锗，锗的厚度大于所述凹槽的深度；刻蚀掉掩蔽层上的所述薄膜层，经平坦后，依次通过离子注入和高温退火，在掩蔽层上刻蚀孔，并淀积金属，然后形成集电极。本发明在器件特性上，可以降低IGBT的导通电压和关断时间，并优化其导通和关断的折中特性；在制备工艺上，可以在较低温度下完全激活杂质，从而易于工艺的控制。
Description
技术领域
本发明属于功率半导体器件，特别涉及一种IGBT短路集电极结构的制备方法。
背景技术
绝缘栅双极晶体管（IGBT）作为功率开关被广泛应用到电力电子系统中。导通压降和关断时间是影响IGBT在工作状态下的关键参数。导通压降越低，则IGBT在导通状态下的功率损耗越小。关断时间越小，则IGBT从导通到关断的切换过程中的功率损耗越低。参见图1，图1右侧给出了导通状态下沿纵向AB剖面的典型的载流子浓度分布，其中电子通过沟道区从N+源极注入到N-基区中，空穴从P+集电极区域注入到N-基区中。在大注入的条件下，电子和空穴的浓度可以认为是相等的。对于常规的穿通或者非穿通的IGBT结构，导通状态下要求在N-基区存储大量的载流子（电子和空穴），从而降低基区的电阻进而使其导通压降降低，在导通状态下，N-型基区存储的载流子主要由沟道注入的电子和背面P+集电极注入的空穴形成，图中以箭头标识。另一方面，在从导通到关断的切换过程中，需要把N-基区存储的载流子完全移除，较小的关断时间需要基区中的载流子浓度较低并且具有较快的移除速度。关断时间对载流子浓度要求和导通压降是相互矛盾的。和常规IGBT结构相比，短路集电极IGBT由于背面部分N型基区和集电极金属直接相连，载流子不受背面PN结势垒的限制，部分载流子直接通过N-基区流入集电极金属，因此具有更快的载流子移除速度。
在IGBT制备工艺中，首先是正面工艺形成正面的PN结、栅电极和发射极图形，然后是背面的研磨和腐蚀。依照器件的结构和应用的电压等级的不同，最终减薄之后的Si衬底厚度也各不相同。对于穿通型IGBT器件，在减薄之后首先是N型离子注入（例如磷离子）并退火形成一层N+缓冲层。然后是P型离子注入（例如硼离子）并退火形成集电极层。对于非穿通型器件则不用形成N+缓冲层，只需形成集电极层。背面杂质激活退火温度受正面金属Al电极能承受的最高温度的限制，一般N+缓冲层和集电极层的最高退火温度小于500℃，如果换成高熔点的金属像Cu或者W，则不存在此问题，但是金属的刻蚀则较难。这种方法背面杂质的激活率较低，一般小于10%。激光退火可以避免此限制并获得高的杂质激活率，然而需要昂贵的设备。
虽然现有技术也公开了一种采用锗/Al作为IGBT集电极的方法，在方法中，在背面研磨和腐蚀后，淀积一层锗薄膜和Al薄膜，然后在300℃到450℃温度下退火使得Al扩散到锗中作为P型杂质。Al在锗中的掺杂浓度的范围为1018–1021/cm3。这种方法可以降低制备的难度，并改善IGBT的开关特性，但是非晶锗的掺杂采用Al扩散的方法，与离子注入相比，扩散形成的杂质分布更加单一，而且也不利于精确控制杂质的总剂量。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种IGBT短路集电极结构的制备方法，解决了现有技术中不能通过低温下激活杂质的技术问题。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种IGBT短路集电极结构的制备方法，包括如下步骤：
在IGBT结构的正面形成栅极结构和源极结构后，将N-型衬底的背面减薄，并在所述N-型衬底的背面淀积一层掩蔽层；
依次刻蚀部分所述掩蔽层和所述N-型衬底，并在所述N-型衬底的背面形成凹槽；
在所述掩蔽层上和所述凹槽内淀积薄膜层，所述薄膜层的材料为锗，所述锗的厚度大于所述凹槽的深度；
刻蚀掉所述掩蔽层上的所述薄膜层，经平坦后，依次通过离子注入和高温退火，所述高温退火的温度为300℃-500℃；
在所述掩蔽层上刻蚀孔，并淀积金属，然后形成集电极。
进一步地，所述锗的厚度为0.1μm-5μm，所述集电极的掺杂浓度范围为1014–1020/cm3。
进一步地，所述集电极图形之间的间距小于所述IGBT结构中正面的原胞之间的间距。
进一步地，所述掩蔽层的材料为SiO2或者Si3N4。
进一步地，所述凹槽的深度为0.1μm-5μm。
优选地，所述凹槽的深度为0.2μm-1μm。
进一步地，所述锗为多晶锗或者非晶锗。
进一步地，所述离子注入的离子为硼离子。
进一步地，所述硼离子的能量为20–100KeV，所述硼离子的剂量为1012–1016/cm2。
优选地，所述退火的温度为400℃。
本发明提供的一种IGBT短路集电极结构的制备方法，在器件特性上，这种方法可以降低IGBT的导通电压和关断时间，并优化其导通和关断的折中特性。在制备工艺上，这种方法可以在较低温度下完全激活杂质，从而易于工艺的控制。
附图说明
图1为现有技术提供的非穿通型IGBT的结构在导通时N-基区的载流子分布图；
图2-图6为本发明实施例2中提供的各步骤中结构示意图。
具体实施方式
在本发明实施例中，IGBT是指绝缘栅型双极晶体管的首字母简称，一种压控型功率器件，作为高压开关被普遍应用。而短路集电极是指IGBT的集电极区域和背面基极区域同时和集电极金属连接在一起。常采用在背面形成条状或者岛状集电极的方法形成短路集电极结构。淀积是一种常用的薄膜制备方法，常见的淀积方法为物理气相淀积和化学气相淀积。
实施例1：
本发明实施例提供了一种IGBT短路集电极结构的制备方法，包括如下步骤：
步骤101：参见图2，将N-型衬底的背面减薄，并在N-型衬底的背面淀积一层掩蔽层，掩蔽层的材料为SiO2；
步骤102：参见图3，刻蚀部分掩蔽层和N-型衬底，并在N-型衬底的背面形成凹槽，凹槽的深度为0.1μm；
步骤103：参见图4，在掩蔽层上和所述凹槽内淀积薄膜层，薄膜层的材料为锗，锗的厚度大于凹槽的深度，薄膜层为多晶；
步骤104：参见图5，刻蚀掉掩蔽层上的薄膜层，经平坦后，依次通过离子注入和高温退火，离子注入的离子为硼离子，硼离子的能量为20KeV，硼离子的剂量为1012/cm2，高温退火的温度为300℃，退火10秒；
步骤105：参见图6，在掩蔽层上刻蚀孔，并淀积金属，然后形成P+集电极，该金属从上到下依次为Al、Ti、Ni和Ag。
和Si不同，杂质在锗中具有较低的激活温度，一般在300℃到500℃即可完全激活。而且锗材料和现有的IGBT制备工艺兼容，不存在沾污的问题。
实施例2：
本发明实施例还提供了一种IGBT短路集电极结构的制备方法，包括如下步骤：
步骤201：将N-型衬底的背面减薄，并在N-型衬底的背面淀积一层掩蔽层，掩蔽层的材料为Si3N4；
步骤202：刻蚀部分掩蔽层和N-型衬底，并在N-型衬底的背面形成凹槽，凹槽的深度为5μm；
步骤203：在掩蔽层上和凹槽内淀积薄膜层，薄膜层的材料为锗，锗的厚度大于凹槽的深度，薄膜层为非晶；
步骤204：刻蚀掉掩蔽层上的薄膜层，经平坦后，依次通过离子注入和高温退火，离子注入的离子为硼离子，硼离子的能量为100KeV，硼离子的剂量为1016/cm2，高温退火的温度为500℃，退火到120分钟；
步骤205：在掩蔽层上刻蚀孔，并淀积金属，然后形成P+集电极，该金属从上到下依次为Al、Ti、Ni和Ag。
实施例3：
本发明实施例提供了一种IGBT短路集电极结构的制备方法，包括如下步骤：
步骤301：将N-型衬底的背面减薄，并在N-型衬底的背面淀积一层掩蔽层，掩蔽层的材料为SiO2；
步骤302：刻蚀部分掩蔽层和N-型衬底，并在N-型衬底的背面形成凹槽，凹槽的深度为0.2μm；
步骤303：在掩蔽层上和凹槽内淀积薄膜层，薄膜层的材料为锗，锗的厚度大于凹槽的深度，薄膜层为多晶；
步骤304：刻蚀掉掩蔽层上的薄膜层，经平坦后，依次通过离子注入和高温退火，离子注入的离子为硼离子，硼离子的能量为50KeV，硼离子的剂量为1014/cm2，高温退火的温度为400℃，退火10分钟。实验发现，B原子在400℃条下在锗中具有非常低的扩散系数，因此这种方法可以精确的控制PN结的位置和结附近的掺杂分布；
步骤305：在掩蔽层上刻蚀孔，并淀积金属，然后形成P+集电极，该金属从上到下依次为Al、Ti、Ni和Ag。
实施例4：
本发明实施例提供了一种IGBT短路集电极结构的制备方法，包括如下步骤：
步骤401：将N-型衬底的背面减薄，并在N-型衬底的背面淀积一层掩蔽层，掩蔽层的材料为Si3N4；
步骤402：刻蚀部分所述掩蔽层和N-型衬底，并在N-型衬底的背面形成凹槽，凹槽的深度为1μm；
步骤403：在掩蔽层上和所述凹槽内淀积薄膜层，薄膜层的材料为锗，锗的厚度大于凹槽的深度，薄膜层为非晶；
步骤404：刻蚀掉掩蔽层上的薄膜层，经平坦后，依次通过离子注入和高温退火，离子注入的离子为硼离子，硼离子的能量为70KeV，硼离子的剂量为1015/cm2，高温退火的温度为400℃，退火时间为30分钟。实验发现，B原子在400℃条下在锗中具有非常低的扩散系数，因此这种方法可以精确的控制PN结的位置和结附近的掺杂分布；
步骤405：在掩蔽层上刻蚀孔，并淀积金属，然后形成P+集电极，该金属从上到下依次为Al、Ti、Ni和Ag。
实施例5：
由实施例1制备的一种IGBT短路集电极结构，其中，IGBT结构中背面的P+集电极的材料为锗，锗的厚度为0.1μm-5μm，P+集电极掺杂浓度范围为1014–1020/cm3，其中，IGBT结构中背面的集电极图形之间的间距小于IGBT结构中正面的原胞之间的间距。
本发明实施例提供的方法优点如下：
1）材料为锗的P+集电极结构，在相同导通电压下具有更快的关断速度；
2）背面P+集电极掺杂采用离子注入，具有精确的杂质浓度控制；
3）P+集电极掺杂采用低温激活杂质，在400℃下杂质即可完全激活；
4）和p型硅相比，p型锗的P+集电极具有更高的载流子迁移率，并且p型锗的P+集电极具有更低的接触势垒，因此IGBT具有更低的导通压降；
5）锗具有更小的少数载流子寿命，在背面PN结正偏时，从N型基区注入到p型锗的P+集电极中的载流子电子能够更快的复合；
6）采用0.1μm-5μm厚度的锗，可以降低IGBT的导通电压和关断时间，进而减少功耗。
最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (10)
1.一种IGBT短路集电极结构的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
在IGBT结构的正面形成栅极结构和源极结构后，将N-型衬底的背面减薄，并在所述N-型衬底的背面淀积一层掩蔽层；
依次刻蚀部分所述掩蔽层和所述N-型衬底，并在所述N-型衬底的背面形成凹槽；
在所述掩蔽层上和所述凹槽内淀积薄膜层，所述薄膜层的材料为锗，所述薄膜层的厚度大于所述凹槽的深度；
刻蚀掉所述掩蔽层上的所述薄膜层，经平坦后，依次通过离子注入和高温退火，所述高温退火的温度为300℃-500℃；
在所述掩蔽层上刻蚀孔，并淀积金属，然后形成集电极。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述薄膜层的厚度为0.1μm-5μm，所述集电极的掺杂浓度范围为1014–1020/cm3。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述集电极图形之间的间距小于所述IGBT结构中正面的原胞之间的间距。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述掩蔽层的材料为SiO2或者Si3N4。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述凹槽的深度为0.1μm-5μm。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述凹槽的深度为0.2μm-1μm。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述锗为多晶锗或者非晶锗。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述离子注入的离子为硼离子。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述硼离子的能量为20KeV–100KeV，所述硼离子的剂量为1012/cm2–1016/cm2。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述退火的温度为400℃。
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