CN103839803B - 一种平面型igbt结构的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种平面型IGBT结构的制备方法，属于半导体技术领域。该方法为：在N‑型衬底上开出一窗口区域，在窗口区域通过硅的选择氧化方法淀积氧化层，在N‑型衬底和窗口区域的上表面均生长栅氧层，在栅氧层上淀积多晶硅层，将窗口区域以外的多晶硅层形成栅极，通过离子注入法，在N‑型衬底的上表面依次形成P‑基区和N‑注入区，在多晶硅层的表面依次淀积层间氧化层和金属层，形成发射极，在N‑型衬底的背面，通过离子注入法依次形成N型缓冲层和p‑集电极区，在N‑型衬底的背面，淀积背面金属层。本发明在硅表面以下生长氧化层，通过增加电容介质的厚度，减小密勒电容，改善了传统工艺中造成材料断裂的问题。
Description
技术领域
本发明属于半导体技术领域，特别涉及一种平面型IGBT结构的制备方法。
背景技术
IGBT的全称是Insulate Gate Bipolar Transistor，即绝缘栅双极晶体管。它兼具MOSFET和GTR的多项优点，极大地扩展了功率半导体器件的应用领域。作为新型电力半导体器件的主要代表，IGBT被广泛用于工业、信息、新能源、医学、交通、军事和航空领域。IGBT是目前最重要的功率器件之一。IGBT由于具有输入阻抗高,通态压降低，驱动电路简单，安全工作区宽，电流处理能力强等优点，在各种功率开关应用中越来越引起人们的重视。它在电机控制，中频开关电源和逆变器、机器人、空调以及要求快速低损耗的许多领域有着广泛应用。
高压高频IGBT目前还是设计上的一个难点。为了减小器件本身的功率损耗,希望器件的导通电阻越小越好；同时为了提高应用频率，IGBT的寄生电容也尽可能的小。耐压、导通电阻和寄生电容三者的矛盾，要求IGBT各个结构参数做尽可能的最优化设计。为了达到更高的电压，需要增加N-漂移区的厚度及电阻率，而这样势必加大器件的导通电阻。为了减小导通电阻，利用电导调制效应，降低有效电流沟的密度，需要增加多晶硅栅覆盖的面积，这样势必引入更大的输入电容。
实际应用中，使用输入电容、输出电容和反馈电容来作为衡量IGBT器件频率特性的参数,它们并不是一个定值,而是随着其外部施加给器件本身的电压变化的，设计一个高压功率IGBT时,为了提高器件的频率特性,需要降低IGBT的电容。但是降低电容参数的时候,导通电阻会随之增大。电容和导通电阻是两个矛盾的参数,需要在设计上互相协调,得到一个优化的结果。在具体设计时，可以把IGBT的电容Cgd近似看作平板电容,基本的平板电容如下公式（1）所示:
式中E代表平板电容中的介质的介电常数,a的大小由多晶硅层长度决定。若要使C越小,则应该增大d的值或者减小a的值，也就是说为了减小电容,应该尽可能的减小多晶硅层的长度并增大栅氧的厚度，而现有技术是通过在硅片表面淀积氧化层，来增加栅氧层的厚度，这样可以有效降低电容。但是这种方法改善有限，因为如果氧化层太厚，会导致多晶硅及金属等层次垂直高度差过大，容易造成材料断裂等问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种平面型IGBT结构的制备方法，解决了现有技术中降低输入电容时，氧化层太厚造成材料断裂等技术问题。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种平面型IGBT结构的制备方法，包括如下步骤：
在N-型衬底上开出一窗口区域；在所述窗口区域通过硅的选择氧化方法淀积氧化层，在所述N-型衬底和所述窗口区域的上表面均生长栅氧层；在所述栅氧层上淀积多晶硅层，将所述窗口区域以外的所述多晶硅层形成栅极；通过离子注入法，在所述N-型衬底的上表面依次形成P-基区和N-注入区，在所述多晶硅层的表面依次淀积层间氧化层和金属层，形成发射极；在所述N-型衬底的背面，通过离子注入法依次形成N型缓冲层和p-集电极区，在所述N-型衬底的背面，淀积背面金属层，与所述p-集电极区形成欧姆接触。
进一步地，形成所述P-基区的离子为B元素。
进一步地，形成所述N-注入区的离子为AS元素和P元素。
进一步地，所述金属层的金属为AL。
进一步地，形成所述N型缓冲层的离子为P元素。
进一步地，形成所述p-集电极区的离子为B元素。
本发明提供的一种平面型IGBT结构的制备方法，在硅表面以下生长氧化层，通过增加电容介质的厚度，减小密勒电容，从而增加了器件的快速反应能力，同时改善了传统工艺中造成材料断裂的问题。
附图说明
图1-图11为本发明实施例提供的平面型IGBT结构的制备过程示意图。
具体实施方式
参见图1至图11，本发明实施例提供了一种平面型IGBT结构的制备方法，包括如下步骤：
步骤101：选择N-型衬底2；
步骤102：使用第一光刻掩膜板，在N-型衬底上均匀涂上光刻胶1，在N-型衬底2的上表面刻蚀部分硅料，开出一窗口区域；
步骤103：使用第二光刻掩膜版，在窗口区域通过硅的选择氧化方法淀积氧化层3，具体条件为，温度保持在1150℃下，使用H2和O2气流，经过500分钟氧化后即得，然后再去除光刻胶；
步骤104：在温度保持在1050℃的条件下，通过O2气流，经过75分钟，在N-型衬底和窗口区域的上表面均匀生长栅氧层4；
步骤105：在栅氧层上，采用低压化学淀积工艺，在580℃-650℃之间热分解硅烷，淀积一层薄薄的多晶硅层5，使用第三光刻掩膜版，刻蚀除窗口区域上的多晶硅层，将窗口区域以外的多晶硅层形成栅极；
步骤106：通过高能离子注入法，在N-型衬底的上表面依次形成P-基区6和N-注入区7；其中，形成P-基区的离子为B元素，形成N-注入区的离子为AS元素和P元素，B元素的能量为80kev，B元素的剂量为2e15atom/cm2；
步骤107：使用低压化学淀积工艺，在650℃-750℃的条件下分解正硅酸乙酯，在多晶硅层的表面开始沉积层间氧化层，在温度为950℃的条件下，经过30分钟的回流，在多晶硅层的表面形成了层间氧化层8，然后在开接触孔的区域刻蚀部分层间氧化层8，其中，刻蚀有光刻胶1覆盖的层间氧化层8，形成接触孔；
步骤108：在层间氧化层8表面淀积金属层9，该金属层的金属为Al，形成发射极；
步骤109：在N-型衬底的背面，通过高能离子注入法依次形成N型缓冲层10和p-集电极区11；其中，形成N型缓冲层的离子为P元素，P元素的能量450kev,P元素的剂量为5e13atom/cm2；形成p-集电极区的离子为B元素,B元素的能量50kev,B元素的剂量1e15atom/cm2；
步骤110：在N-型衬底的背面，淀积背面金属层12，该金属层从上至下依次为铝钛镍银（Al-Ti-Ni-Ag），与p-集电极区形成欧姆接触，引出IGBT器件的集电极电位，最后器件翻转，形成完成的IGBT器件。
对于本领域技术人员来说，介质层电容Cgd由多晶硅栅和N-漂移区衬底作为两个极板，以栅氧化层作为介质构成。这个电容的大小主要取决于介质层的厚度。而源漏之间的电容Cds是一个PN结电容，它的大小是由耗尽层宽度来决定的,也就是说是由器件在源漏之间所加的电压Vds所决定的。而输入电容Ciss=Cgd+Cgs；输出电容Coss=Cgd+Cds；反馈电容Crss=Cgd，可见，密勒电容Cgd是一个非常重要的电容，它对输入电容，输出电容，反馈电容都有贡献，因此本发明实施例的目的在于改善密勒电容Cgd，密勒电容的构成如下公式（2）所示：
其中，E代表平板电容中的介质的介电常数，
W为栅氧化层的宽度，Wd为窗口区域的宽度，在本发明实施例中，由于多晶硅层大部分都在窗口区域上，因此W≈Wd，tox为栅氧的厚度，而栅氧的厚度如下公式（3）所示：
tox=tox1+tox2（3）
其中，tox1为栅氧层4的厚度
tox2为氧化层3的厚度。
从公式（2）可以看出，tox值越大，则Cgd电容值越小，也就是说为了减小电容,在尽可能减小栅氧化层宽度的同时，增大栅氧的厚度。而现有的技术的方法大多是在硅片表面淀积氧化层，增加栅氧厚度，可以有效降低电容，但这种方法改善有限，因为如果氧化层太厚，会导致多晶硅及金属等层次垂直高度差过大，容易造成材料断裂等问题。本发明实施例通过增加多晶硅层下氧化层厚度，提出向上填充氧化层的方式，即在多晶硅栅下面，将硅材料全部挖掉，然后再使用硅的选择氧化方法，生长氧化层，氧化层的厚度可达几微米，而传统工艺使用场氧，最多1um。可见本发明实施例会在输入电容上有非常大的优化。降低了输入密勒电容，从而增加了器件的快速反应能力，同时改善了传统工艺中造成材料断裂的问题。
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 (6)
1.一种平面型IGBT结构的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
在N-型衬底上开出一窗口区域；在所述窗口区域通过硅的选择氧化方法淀积氧化层，在所述N-型衬底和所述窗口区域的上表面均生长栅氧层；在所述栅氧层上淀积多晶硅层，将所述窗口区域以外的所述多晶硅层形成栅极；通过离子注入法，在所述N-型衬底的上表面依次形成P-基区和N-注入区，在所述多晶硅层的表面依次淀积层间氧化层和金属层，形成发射极；在所述N-型衬底的背面，通过离子注入法依次形成N型缓冲层和p-集电极区，在所述N-型衬底的背面，淀积背面金属层，与所述p-集电极区形成欧姆接触；其中，
在所述窗口区域通过硅的选择氧化方法淀积氧化层的条件包括：温度保持在1150℃下，使用H2和O2气流，经过500分钟氧化。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，形成所述P-基区的离子为B元素。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，形成所述N-注入区的离子为AS元素和P元素。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述金属层的金属为Al。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，形成所述N型缓冲层的离子为P元素。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，形成所述p-集电极区的离子为B元素。
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