CN103928321B - 碳化硅绝缘栅双极型晶体管的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种碳化硅绝缘栅双极型晶体管的制备方法，主要解决目前SiC绝缘栅双极型晶体管制备成本过高的问题。其实现步骤是：选用结构性能优良的P型SiC衬底，在其硅面生长氧化层，随后依次淀积多晶硅、氮化硅；采用栅自对准工艺，在淀积有多晶硅、氮化硅的衬底表面光刻刻蚀出阱区窗口，通过离子注入形成N阱、N+接触区以及发射极区；在衬底碳面离子注入形成集电极区；接着进行高温退火，完成推阱，激活注入杂质；在衬底硅面及碳面分别淀积金属层，引出各个电极；最后，烧结金属，形成良好接触。与现有方法相比，本发明不需要外延工艺生长过厚的耐压层，节省了大量生产成本，简化了工艺步骤，可用于开关电源和照明电路。
Description
技术领域
本发明属于微电子技术领域，涉及半导体器件的制备方法，可广泛用于变频器、逆变器、开关电源、照明电路和电机等领域。
技术背景
回顾功率半导体器件的发展,大体可分为四代产品。第一代是以50年代出现的可控硅SCR为代表。其优点是功率容量特别大,目前的水平已达到7000V/8000A。但缺点是开关速度低,关断不可控。为解决SCR关断的不可控问题,70年代出现了以门极可关断晶闸管GTO和巨型双极晶体管GTR为代表的第二代产品。它们都是自关断器件,开关速度比SCR高,控制电路也得到了简化。但是,GTO的开关速度还是较低,GTR存在二次击穿和不易并联问题。另外,它们共同存在驱动电流大、功耗损失大的问题。70年代末出现了以功率场效应晶体管VDMOS和静电感应晶体管SIT为代表的第三代产品。与前两代双极器件相比,VDMOS和SIT具有开关速度高、输入阻抗高、控制功率小、驱动电路简单等特点。但导通电阻限制了它们的电流容量和功率容量,特别是500V以上,由于漂移区电阻随耐压的2.5次方增加,限制了VDMOS的电流容量。为了解决VDMOS的导通电阻大的问题,80年代诞生了以绝缘栅双极晶体管IGBT为代表的第四代产品。IGBT器件由于其简单的栅驱动和较大的电流开关能力，在Si电力电子领域获得较大的成功，而且其特有的电导调制效应大大降低了导通电阻。
碳化硅绝缘栅双极型晶体管，即SiC IGBT，是基于碳化硅材料发展起来的新型耐高压器件。目前电力电子领域应用的固态主流器件是Si IGBT，其关断电压为0.6～6.5kV。经过三十年的发展，Si IGBT已达到性能和器件结构的极限，而随着电动汽车、光伏和风能绿色能源、智能电网等新的应用发展，要求电力电子器件性能上新的飞跃。20世纪90年代中期，低微管缺陷密度的SiC宽禁带半导体材料的突破，使新一代电力电子器件成为可能。SiC MOS器件已推出高击穿电压和低界面态密度的器件，为SiC IGBT的开发铺平了道路。宽禁带的材料结构导致半导体器件低漏电、高工作温度和抗辐照等性能的改善。宽禁带半导体SiC具有比Si高一个数量级的临界击穿电场，意味着SiC电力电子器件的关断漂移层能更薄和具有更高的掺杂浓度，导致和Si同等器件相比具有低一个量级的导通电阻；更高的载流子饱和速度导致更高的工作频率；更高的热导率将改善热耗散，使器件可以工作在更高的功率密度。
传统的SiC IGBT的工艺步骤如下：首先在衬底硅面上生长50～200μm厚的外延耐压层；然后在耐压层上继续外延生长浓度较耐压层略高的同类型缓冲层；接着在缓冲层上通过离子注入形成阱区、发射区和重掺杂金属接触区；然后生长刻蚀栅氧化层、淀积多晶硅；最后淀积、光刻金属层。这种方法存在以下不足：
1.制备成本高。例如，SiC外延设备价格昂贵，外延过程耗能大等。
2.生长较厚外延层的技术难度大。对于生长100μm及以上厚度的外延层，其工艺要求高，在国际上只有像Cree等这样顶尖的碳化硅器件公司才能做到，因此，技术瓶颈问题限制了大功率SiC IGBT的普及与应用。
发明内容
本发明目的在于针对上述已有技术的不足，提出一种碳化硅绝缘栅双极型晶体管的制备方法，以减小制备成本。
为实现上述目的，本发明的制备方法包括以下步骤：
(1)在P型SiC衬底硅面进行栅氧化，氧化层厚度为50～100nm；该P型SiC选用没有微管结构的P型衬底，其基平面位错为104/cm-3，衬底浓度为2×1014～1×1015cm-3；
(2)采用低压化学气相淀积法在上述氧化层上依次淀积多晶硅和氮化硅，其中多晶硅厚度为2～6μm，氮化硅厚度约为100nm；
(3)在淀积有多晶硅和氮化硅的SiC衬底中间区域，刻蚀掉其氮化硅和多晶硅，形成阱区窗口；
(4)在阱区窗口用氮离子进行器件的N阱离子注入，注入剂量为5×1012cm-2，注入能量为100～500Kev，形成N阱区；
(5)在所述阱区中间位置用氮离子进行N+体接触区的离子注入，注入剂量为5×1013～4×1014cm-2，注入能量为100～300Kev；
(6)在阱区窗口两边边缘区域用铝进行器件发射极的P+离子注入，注入剂量5×1014cm-2～2×1015cm-2，注入能量为60～150Kev；
(7)在该SiC衬底的碳面进行集电极的N+离子注入，注入剂量为1×1014cm-2～8×1014cm-2，注入能量为100～300Kev；
(8)将所述P型SiC衬底进行高温退火，激活所有注入杂质；
(9)退火后去除衬底硅面上剩余的氮化硅和阱区氧化层，依次淀积金属层，即先淀积50nm厚的铝，再淀积200nm厚的镍，接着进行金属光刻与刻蚀，引出发射极与栅极，再在衬底的碳面淀积厚度为1μm的镍金属层，引出集电极；
(10)在高温下进行金属烧结，形成良好接触。
本发明由于选用没有微管结构的P型SiC衬底制备IGBT器件，无需进行外延，可直接通过离子注入制备器件；同时由于省去了外延工艺，进而降低了制备难度，节省了制备成本与时间，极大得节约了资源与能源。
附图说明
图1是本发明制备器件的流程图；
图2是本发明制备器件的工艺示意图。
具体实施方式
本发明所用到的设备主要有热氧化炉，离子注入机，磁控溅射仪，多晶硅淀积设备。
参照图2，本发明要制备的碳化硅绝缘栅双极型晶体管，其结构包括P型SiC衬底1，氧化层2，多晶硅层3，氮化硅层4，N阱区5，N+体接触区6，P+发射区7，N+集电极区8，铝金属层9，镍金属层10。其中，氧化层2位于P型SiC衬底1的上方，多晶硅层3位于氧化层2的上方，氮化硅层4位于多晶硅层3的上方，N阱区5位于P型SiC衬底1的上方中部区域，N+体接触区6位于N阱区5的上方上方中部区域，P+发射区7位于N+体接触区6的左右两侧，N+集电极区8位于P型SiC衬底1的最下部，铝金属层9位于多晶硅层3的左上方与右上方、N+体接触区6和P+发射区7的上方，镍金属层10位于铝金属层9的上方和N+集电极区8的下方。
本发明制备所述碳化硅绝缘栅双极型晶体管的方法，给出如下三种实施例：
实施例1：在基平面位错为104/cm-3、衬底浓度为2×1014cm-3的无微管结构P型SiC衬底上，制备碳化硅绝缘栅双极型晶体管。
参照图1和图2，本实施例的实现步骤如下：
步骤1：生长硅面氧化层。
先在1200℃下，对衬底硅面干氧氧化一个小时之后，再在950℃下湿氧氧化一个小时，在衬底硅面形成厚度为50nm的氧化层2，如图2a；然后在1050℃的N2氛围下进行退火，降低SiO2薄膜表面的粗糙度。
步骤2：淀积多晶硅。
在氧化层上，采用低压化学气相淀积法，在淀积压强为150Pa、淀积温度为600℃的条件下，依次淀积厚度为2μm的多晶硅3和厚度为100nm的氮化硅保护层4，如图2b，其中多晶硅的反应气体为硅烷和磷化氢，载运气体为氦气。
步骤3：在氮化硅层上涂胶光刻，刻蚀掉SiC样件中间区域氮化硅和多晶硅层，形成阱区窗口，然后去胶，清洗，如图2c。
步骤4：N阱注入。
采用低压化学汽相淀积方式在阱区窗口表面依次淀积一层厚度为0.2μm的SiO2，厚度为1μm的Al作为氮离子注入的阻挡层，通过光刻在阱区窗口用氮离子进行器件的N阱离子注入，注入剂量为5×1012cm-2，注入能量为100Kev，形成N阱区5，如图2d；
步骤5：N+体接触区注入。
在所述P型SiC衬底整个硅面上涂胶，在阱区中间位置光刻出体接触区窗口，在该窗口用氮离子进行N+重掺杂的离子注入，注入剂量为5×1013cm-2，注入能量为100Kev，形成N+体接触区6，如图2d；
步骤6：发射极注入。
在含有N+体接触区的P型SiC衬底整个硅面涂胶，光刻出发射极窗口，在该窗口用铝离子进行器件发射极的P+离子注入，注入剂量5×1014cm-2，注入能量为60Kev，形成发射极区域7，并去除掩膜作用的Al金属层，如图2e；
步骤7：集电极区离子注入。
在完成以上步骤的P型SiC衬底的碳面进行集电极的N+离子注入，注入剂量为1×1014cm-2，注入能量为100Kev，形成集电极区8，如图2f；
步骤8：将上述P型SiC衬底在氩气环境中，1600℃下进行高温退火15分钟，完成推阱，激活注入杂质；
步骤9：制备电极。
(9.1)去除衬底硅面上剩余的氮化硅和阱区氧化层；
(9.2)在硅面上磁控溅射淀积金属层，即先淀积50nm厚的铝金属层9，再淀积200nm厚的镍金属层10，接着涂胶进行金属光刻与刻蚀，引出发射极与栅极，去胶，清洗；接着进行金属钝化，保护器件正面，如图2g；
(9.3)在衬底的碳面淀积厚度为1μm的镍金属层，引出集电极，如图2h；
步骤10：在800℃高温下进行金属烧结，持续时间6分钟，使器件金属层形成良好接触。
实施例2
在基平面位错为104/cm-3、衬底浓度为6×1014cm-3的无微管结构P型SiC衬底上，制备碳化硅绝缘栅双极型晶体管。
参照图1和图2，本实施例的实现步骤如下：
步骤A：生长硅面氧化层。
先在1200℃下干氧氧化2小时之后，再在950℃下湿氧氧化一个小时，形成厚度为70nm的氧化层2，如图2a；然后在1050℃的N2氛围下进行退火，降低SiO2薄膜表面的粗糙度。
步骤B：淀积多晶硅。
在氧化层上，采用低压化学气相淀积法，在淀积压强220Pa、淀积温度650℃下，依次淀积厚度4μm的多晶硅3，厚度100nm的氮化硅保护层4，如图2b；其中多晶硅的反应气体为硅烷和磷化氢，载运气体为氦气。
步骤C：与实施例1的步骤3相同。
步骤D：N阱注入。
采用低压化学汽相淀积方式在阱区窗口表面依次淀积一层厚度为0.2μm的SiO2，厚度为1μm的Al作为氮离子注入的阻挡层，通过光刻在阱区窗口用氮离子进行器件的N阱离子注入，注入剂量为5×1012cm-2，注入能量为300Kev，形成N阱区5，如图2d。
步骤E：N+体接触区注入。
在所述P型SiC衬底整个硅面上涂胶，在阱区中间位置光刻出体接触区窗口，在该窗口用氮离子进行N+重掺杂的离子注入，注入剂量为9×1013cm-2，注入能量为200Kev，形成N+体接触区6，如图2d。
步骤F：发射极注入。
在含有N+体接触区的P型SiC衬底整个硅面涂胶，光刻出发射极窗口，在该窗口用铝离子进行器件发射极的P+离子注入，注入剂量8×1014cm-2，注入能量为100Kev，形成发射极区域7，并去除掩膜作用的Al金属层，如图2e。
步骤G：集电极区离子注入。
在完成以上步骤的P型SiC衬底的碳面进行集电极的N+离子注入，注入剂量为2×1014cm-2，注入能量为200Kev，形成集电极区8，如图2f；
步骤H：将上述P型SiC衬底在氩气环境中，1600℃下进行高温退火22分钟，完成推阱，激活注入杂质；
步骤I：与实施例1的步骤9相同。
步骤J：在1000℃高温下进行金属烧结，持续时间5分钟，使器件金属层形成良好接触。
实施例3
在基平面位错为104/cm-3、衬底浓度为1×1015cm-3的无微管结构P型SiC衬底上，制备碳化硅绝缘栅双极型晶体管。
参照图1和图2，本实施例的实现步骤如下：
步骤一：生长硅面氧化层，即先在1200℃下，对衬底硅面干氧氧化3小时之后，再在950℃下湿氧氧化90分钟，在衬底硅面形成厚度为100nm的氧化层2，如图2a；然后在1050℃的N2氛围下进行退火，降低SiO2薄膜表面的粗糙度。
步骤二：在氧化层上，采用低压化学气相淀积法依次淀积多晶硅3和氮化硅保护层4，其条件为淀积压强300Pa、淀积温度650℃。淀积的多晶硅厚度为6μm，氮化硅保护层的厚度为100nm，如图2b，其中多晶硅的反应气体为硅烷和磷化氢，载运气体为氦气。
步骤三：与实施例1的步骤3相同。
步骤四：采用低压化学汽相淀积方式在阱区窗口表面先淀积一层厚度为0.2μm的SiO2，再淀积厚度1μm的Al作为氮离子注入的阻挡层；然后通过光刻在阱区窗口用氮离子进行器件的N阱离子注入，形成N阱区5，如图2d，其中注入剂量为5×1012cm-2，注入能量为500Kev。
步骤五：在所述P型SiC衬底整个硅面上涂胶，在阱区中间位置光刻出体接触区窗口，在该窗口用氮离子进行N+重掺杂的离子注入，形成N+体接触区6，如图2d，其中注入剂量为4×1014cm-2，注入能量为300Kev。
步骤六：在含有N+体接触区的P型SiC衬底整个硅面涂胶，光刻出发射极窗口，在该窗口用铝离子进行器件发射极的P+离子注入，注入剂量2×1015cm-2，注入能量为150Kev，形成发射极区域7，并去除掩膜作用的Al金属层，如图2e。
步骤七：在完成以上步骤的P型SiC衬底的碳面进行集电极的N+离子注入，形成集电极区8，如图2f，其中注入剂量为8×1014cm-2，注入能量为300Kev。
步骤八：将上述P型SiC衬底在氩气环境中，进行1600℃的高温退火，完成推阱，激活注入杂质，其中退火时间为30分钟。
步骤九：与实施例1的步骤9相同。
步骤十：在1000℃高温下烧结金属3分钟，使器件金属层形成良好接触。
Claims (5)
1.一种碳化硅绝缘栅双极型晶体管的制备方法，包括以下步骤：
(1)在P型SiC衬底硅面进行栅氧化，氧化层厚度为50～100nm；该P型SiC选用没有微管结构的P型衬底，其基平面位错密度为104/cm2，衬底浓度为2×1014～1×1015cm-3；
(2)采用低压化学气相淀积法在上述氧化层上依次淀积多晶硅和氮化硅，其中多晶硅厚度为2～6μm，氮化硅厚度为100nm；
(3)在淀积有多晶硅和氮化硅的SiC衬底中间区域，刻蚀掉其氮化硅和多晶硅，形成阱区窗口；
(4)在阱区窗口用氮离子进行器件的N阱离子注入，注入剂量为5×1012cm-2，注入能量为100～500Kev，形成N阱区；
(5)在所述阱区中间位置用氮离子进行N+体接触区的离子注入，注入剂量为5×1013～4×1014cm-2，注入能量为100～300Kev；
(6)在阱区窗口两边边缘区域用铝进行器件发射极的P+离子注入，注入剂量5×1014cm-2～2×1015cm-2，注入能量为60～150Kev；
(7)在该SiC衬底的碳面进行集电极的N+离子注入，注入剂量为1×1014cm-2～8×1014cm-2，注入能量为100～300Kev；
(8)将所述P型SiC衬底进行高温退火，激活所有注入杂质；
(9)退火后去除衬底硅面上剩余的氮化硅和阱区氧化层，依次淀积金属层，即先淀积50nm厚的铝，再淀积200nm厚的镍，接着进行金属光刻与刻蚀，引出发射极与栅极，再在衬底的碳面淀积厚度为1μm的镍金属层，引出集电极；
(10)在高温下进行金属烧结，形成良好接触。
2.根据权利要求1所述的SiC IGBT制备方法，其特征在于步骤(1)所述的P型SiC衬底的氧化工艺，其采用干湿氧交替的氧化方式，其中干氧氧化在1200℃下氧化1～3h，湿氧氧化在950℃下氧化60～90分钟。
3.根据权利要求1所述的SiC IGBT制备方法，其特征在于步骤(2)所述的低压化学气相淀积工艺中所采用压强为150～300Pa。
4.根据权利要求1所述的SiC IGBT制备方法，其特征在于所述步骤(8)的高温退火，是在1600℃下氩气环境中退火15～30分钟。
5.根据权利要求1所述的SiC IGBT制备方法，其特征在于所述步骤(10)中的金属烧结，是在温度为800～1000℃下，烧结3～6分钟。
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