CN106711208A - 一种碳化硅纵向绝缘栅双极型晶体管及制备方法 - Google Patents
一种碳化硅纵向绝缘栅双极型晶体管及制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种碳化硅纵向绝缘栅双极型晶体管及制备方法，属于微电子技术领域。可以有效促使器件关断时漂移层内过剩少数载流子的抽出，提高器件开关速度，降低开关损耗，使器件在高频应用中的综合能量损耗显著下降。同时也可以避免在器件缓冲层使用局部载流子寿命调制技术造成的导通电阻负温度系数现象，提高大电流下器件并联应用的可靠性。包括：所述抽出层设置在所述集电极注入区内部，所述抽出层四周与所述集电极注入区相连，且所述抽出层的顶端与所述缓冲层的底部相连，所述抽出层的底部与所述集电极接触金属的顶部相连。
Description
技术领域
本发明属于微电子技术领域，涉及半导体器件，特别涉及一种碳化硅纵向绝缘栅双极型晶体管及制备方法。
背景技术
现代电力电子及新能源技术的快速发展对大功率半导体器件提出了越来越高的要求。由于材料的限制，传统的硅器件难以在高于250℃的高温下运行，特别是当高工作温度与大功率、高频及强辐射环境并存时。
碳化硅是最近十几年来迅速发展起来的宽禁带半导体材料，它的主要特点是：禁带宽度大，击穿电场高，热导率大，电子饱和漂移速度高。这就决定了它具有在高温、高电压、高频等条件下工作的良好性质，能够适用于大功率、高温及抗辐照等应用领域。其中，碳化硅绝缘栅双极型晶体管(英文为：Insulate-Gate Bipolar Transistor，英文简称：IGBT)是由双极型晶体管(英文为：Bipolar Transistor，英文简称：BJT)和金属-氧化物-半导体场效应晶体管(英文为：Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，英文简称：MOSFET)合成的复合全控型电压驱动式的功率半导体器件。它因为电流开关能力大、栅极驱动简单，综合了功耗低和开关速度快的特点，相对于SiC MOSFET以及硅基的IGBT、晶闸管等器件具有显著的技术优势，特别适用于高压、电力系统应用领域。可以预见的是，高压SiC IGBT将成为下一代智能电网技术中电力电子技术最核心的器件。
尽管由于碳化硅材料固有的优良特性，碳化硅绝缘栅双极型晶体管相比同类硅器件在截止电压和开关速度上都有了很大提升，但高效大功率开关电源等应用仍将对绝缘栅双极型晶体管的开关速度及相应功率损耗提出更高的要求。传统的绝缘栅双极型晶体管由于有漂移层过剩载流子的存在，器件正向导通压降较小，然而也正是由于这部分载流子的存在，器件在关断时必须首先将其清除，这降低了器件的开关速度，增加了相应的开关损耗，不利于系统整体的提升。因此有必要采用合适的技术方法改善器件的开关特性，实现正向导通与开关特性的良好折衷。
可用于提高碳化硅绝缘栅双极型晶体管的一种方法是局部载流子寿命调制技术。图1为传统结构的绝缘栅双极型晶体管，区域7为漂移层，区域8为缓冲层，区域9为集电区注入层，局部载流子寿命调制技术主要使用中子辐照等方法在缓冲层人为引入缺陷能级，通过减小局部载流子寿命，使载流子可以在器件关断时快速复合从而达到提高器件开关速度的目的。但是这种方法同时减弱了器件在开启时的电导调制效应，增加了导通功率损耗。更重要的是，局部载流子寿命调制技术将使器件导通电阻具有负温度系数，这不利于大电流下器件的并联应用。
发明内容
本发明的目的在于克服上述已有技术的缺点，提出一种碳化硅纵向绝缘栅双极型晶体管及制备方法。该结构可以有效促使器件关断时漂移层内过剩少数载流子的抽出，提高器件开关速度，降低开关损耗，使器件在高频应用中的综合能量损耗显著下降。同时也可以避免在器件缓冲层使用局部载流子寿命调制技术造成的导通电阻负温度系数现象，提高大电流下器件并联应用的可靠性。
本发明实施例提供一种碳化硅纵向绝缘栅双极型晶体管，包括栅极金属、绝缘栅、发射极接触金属、阱接触区、发射区、阱区、漂移层、缓冲层、抽出层、集电极注入区和集电极接触金属，
所述抽出层设置在所述集电极注入区内部，所述抽出层四周与所述集电极注入区相连，且所述抽出层的顶端与所述缓冲层的底部相连，所述抽出层的底部与所述集电极接触金属的顶部相连。
优选地，所述集电极接触金属厚度为300nm。
优选地，所述的集电极接触金属为Ti/Al合金。
本发明实施例还提供一种碳化硅纵向绝缘栅双极型晶体管制作方法，包括：
在N+碳化硅衬底上外延生长厚度为20～25μm的过渡层；所述过渡层的生长条件为：温度为1600℃，压力100mbar，反应气体包括硅烷和丙烷，载运气体为纯氢气；
在所述过渡层上外延生长厚度为120～130μm、氮离子掺杂浓度为2×1014cm-3的漂移层；所述漂移层的生长条件为：温度为1600℃，压力100mbar，反应气体包括硅烷和丙烷，载运气体为纯氢气，杂质源为液态氮气；
在所述漂移层上外延生长厚度为1～2μm、氮离子掺杂浓度1×1017cm-3的缓冲层；所述缓冲层的生长条件为：温度为1600℃，压力100mbar，反应气体包括硅烷和丙烷，载运气体为纯氢气，杂质源为液态氮气；
在所述缓冲层上外延生长厚度为1～5μm、铝离子掺杂浓度1×1017～1×1018cm-3的抽出层；所述抽出层的生长条件为：温度为1600℃，压力100mbar，反应气体包括硅烷和丙烷，载运气体为纯氢气，杂质源为三甲基铝；
在所述抽出层上进行第一次离子注入，形成集电极注入区；所述第一次离子条件为：注入杂质为铝离子，深度为0.9～1.5μm，掺杂浓度5×1018cm-3，注入温度650℃；
使用化学机械抛光去除N+碳化硅衬底及过渡层；
在所述漂移区上未进行集电极注入区离子注入的一面进行第二次离子注入，形成P型阱区；所述第二次离子条件为：注入杂质为铝离子，深度为0.9μm，掺杂浓度5×1017cm-3，注入温度650℃；
在所述P型阱区内进行第三次离子注入，形成p+阱接触区；所述第三次离子条件为：注入杂质为铝离子，深度为0.15μm，掺杂浓度1×1020cm-3，注入温度650℃；
在所述P型阱区内进行第四次离子注入，形成n+发射区；所述第四次离子条件为：注入杂质为氮离子，深度为0.15μm，掺杂浓度1×1019cm-3，注入温度650℃；
对碳化硅片正面进行干氧氧化，形成50nm～100nm的二氧化硅隔离介质作为绝缘栅；所述干氧氧化温度为1200℃。
本发明实施例中，提供了一种碳化硅纵向绝缘栅双极型晶体管及其制作方法，由于在集电极区引入肖特基接触，其载流子抽出作用可以提高器件开关速度，降低器件开关损耗。进一步的，避免了使用局部少子寿命调制技术，器件导通电阻具有正温度系数，有利于器件的并联应用。同时，还可以通过调节所述的集电极肖特基金属所占面积比例改变器件载流子抽出强度，从而达到器件导通损耗与开关损耗的最优折衷。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是传统的碳化硅纵向绝缘栅双极型晶体管结构示意图；
图2是本发明实施例提供的一种碳化硅纵向绝缘栅双极型晶体管结构示意图；
图3是本发明实施例提供的制作碳化硅纵向绝缘栅双极型晶体管工艺流程示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图2是本发明实施例提供的一种碳化硅纵向绝缘栅双极型晶体管结构示意图，如图2所示，本发明实施例提供的一种碳化硅纵向绝缘栅双极型晶体管主要包括：栅极金属1、绝缘栅2、发射极接触金属3、阱接触区4、发射区5、阱区6、漂移层7、缓冲层8、抽出层9、集电极注入区10和集电极接触金属11。
以下结合图2，对本发明实施例提供的一种碳化硅纵向绝缘栅双极型晶体管的具体结构进行详细说明：
抽出层9为厚度为1～5μm，铝离子掺杂浓度为1×1017～1×1018cm-3的P型外延层；集电极注入区10由对抽出层9上部分区域进行铝离子注入形成，掺杂浓度为5×1018cm-3，深度为0.9～1.5μm；抽出层9上方为缓冲层8，其厚度为1～2μm，氮离子掺杂浓度为1×1017cm-3；缓冲层8上方为漂移层7，其厚度为100～110μm、氮离子掺杂浓度为2×1014cm-3；漂移层7表面区域两侧为由离子注入形成的深度为0.9μm，铝离子掺杂浓度为5×1017cm-3的阱区6；阱区6上方为由离子注入形成的深度为0.15μm，氮离子掺杂浓度为1×1019cm-3的发射区5；发射区5两侧为由离子注入形成的深度为0.15μm，铝离子掺杂浓度为1×1020cm-3的阱接触区4；漂移层7上方为干氧氧化形成的60nm～100nm的二氧化硅隔离介质的绝缘栅2；绝缘栅2表面的栅极金属1为厚度为200nm的金属铝；阱接触区4和发射区5表面的发射极接触金属3为厚度为50nm/100nm/43nm的Ni/Ti/Al合金；抽出层9和集电极注入区10表面的集电极接触金属11为厚度为00nm/100nm的Ti/Al金属。
图3是本发明实施例提供的制作碳化硅纵向绝缘栅双极型晶体管工艺流程示意图。基于相同的发明构思，以下以实施例并结合附图3，对本发明实施例提供的一种碳化硅纵向绝缘栅双极型晶体管制作方法进行详细介绍。
实施例1
第1步，在N+碳化硅衬底片上外延生长过渡层，如图3所示，先对N+型碳化硅衬底片进行RCA标准清洗；再在N+型碳化硅衬底片正面上用低压热壁化学气相淀积法外延生长厚度为20μm的过渡层。
需要说明的是，过渡层的生长条件是：温度为1600℃，压力100mbar，反应气体是硅烷和丙烷，载运气体为纯氢气。
需要说明的是，RCA标准清洗法是1965年由Kern和Puotinen等人在N.J.Princeton的RCA实验室首创的，并由此而得名。RCA是一种典型的、至今仍为最普遍使用的湿式化学清洗法，该清洗法主要包括以下几种清洗液。
(1)、SPM:H2SO4/H2O2120～150℃SPM具有很高的氧化能力，可将金属氧化后溶于清洗液中，并能把有机物氧化生成CO 2和H2O。用SPM清洗硅片可去除硅片表面的重有机沾污和部分金属，但是当有机物沾污特别严重时会使有机物碳化而难以去除。
(2)、HF(DHF):HF(DHF)20～25℃DHF可以去除硅片表面的自然氧化膜，因此，附着在自然氧化膜上的金属将被溶解到清洗液中，同时DHF抑制了氧化膜的形成。因此可以很容易地去除硅片表面的Al，Fe，Zn，Ni等金属，DHF也可以去除附着在自然氧化膜上的金属氢氧化物。用DHF清洗时，在自然氧化膜被腐蚀掉时，硅片表面的硅几乎不被腐蚀。
(3)、APM(SC-1):NH4OH/H2O2/H2O 30～80℃由于H2O2的作用，硅片表面有一层自然氧化膜(SiO2)，呈亲水性，硅片表面和粒子之间可被清洗液浸透。由于硅片表面的自然氧化层与硅片表面的Si被NH4OH腐蚀，因此附着在硅片表面的颗粒便落入清洗液中，从而达到去除粒子的目的。在NH4OH腐蚀硅片表面的同时，H2O2又在氧化硅片表面形成新的氧化膜。
(4)、HPM(SC-2):HCl/H2O2/H2O 65～85℃用于去除硅片表面的钠、铁、镁等金属沾污。在室温下HPM就能除去Fe和Zn。
清洗的一般思路是首先去除硅片表面的有机沾污，因为有机物会遮盖部分硅片表面，从而使氧化膜和与之相关的沾污难以去除；然后溶解氧化膜，因为氧化层是"沾污陷阱"，也会引入外延缺陷；最后再去除颗粒、金属等沾污，同时使硅片表面钝化。
第2步，在过渡层上外延生漂移层，具体地，如图3所示，在过渡层上用低压热壁化学气相淀积法外延生长厚度为120μm、氮离子掺杂浓度为2×1014cm-3的漂移层7。
需要说明的是，漂移层7的生长条件为：温度为1600℃，压力为100mbar，反应气体采用硅烷和丙烷，载运气体采用纯氢气，杂质源为液态氮气。
第3步，在漂移层上外延生长缓冲层，具体地，如图3所示，在漂移层上用低压热壁化学气相淀积法外延生长厚度为1～2μm、氮离子掺杂浓度1×1017cm-3的缓冲层8。
需要说明的是，缓冲层8的生长条件为：温度为1600℃，压力100mbar，反应气体是硅烷和丙烷，载运气体为纯氢气，杂质源为液态氮气。
第4步，在缓冲层上外延生长抽出层，具体地，如图3所示，在缓冲层上用低压热壁化学气相淀积法外延生长厚度为1μm、铝离子掺杂浓度1×1017cm-3的抽出层9。
需要说明的是，抽出层9的生长条件为：温度为1600℃，压力100mbar，反应气体是硅烷和丙烷，载运气体为纯氢气，杂质源为三甲基铝。
第5步，在抽出层中多次选择性铝离子注入，形成集电极注入区，具体地，如图3所示，包括以下步骤：
(5.1)用低压化学汽相淀积方式在整个抽出层表面淀积一层厚度为0.2μm的SiO2，再淀积厚度为0.7μm的Al作为集电极注入区10铝离子注入的阻挡层，并通过光刻和刻蚀形成集电极注入区10；
(5.2)在650℃的温度下进行3次铝离子注入，注入的剂量分别为6.5×1013cm-2、4.3×1013cm-2和7.4×1012cm-2，对应的能量分别为350keV、180keV和50keV；
(5.3)采用RCA清洗标准对碳化硅表面依次进行清洗、烘干和C膜保护，并在1700～1750℃氩气氛围中作15min的离子激活退火。
第6步，去除衬底及过渡层，具体地，如图3所示，采用化学机械抛光工艺，去除器件的衬底及过渡层。
第7步，在漂移层上多次选择性铝离子注入，形成阱区，具体地，如图3所示，包括以下步骤：
(7.1)用低压化学汽相淀积方式在漂移层表面淀积一层厚度为0.2μm的SiO2，再淀积厚度为0.7μm的Al作为阱区6铝离子注入的阻挡层，并通过光刻和刻蚀形成阱区6；
(7.2)在650℃的温度下进行3次铝离子注入，注入的剂量分别为6.7×1013cm-2、4.6×1013cm-2和6.4×1012cm-2，对应的能量分别为350keV、200keV和80keV；
(7.3)采用RCA清洗标准对碳化硅表面依次进行清洗、烘干和C膜保护，并在1700～1750℃氩气氛围中作15min的离子激活退火。
第8步，在阱区内多次选择性铝离子注入，形成阱接触区，具体地，如图3所示，包括以下步骤：
(8.1)用低压化学汽相淀积方式在漂移层表面淀积一层厚度为0.2μm的SiO2，再淀积厚度为0.7μm的Al作为阱接触区4铝离子注入的阻挡层，并通过光刻和刻蚀形成阱接触区4；
(8.2)在650℃的温度下进行2次铝离子注入，注入的剂量分别为2.6×1014cm-2和3.4×1014cm-2，对应的能量分别为90keV和50keV；
(8.3)采用RCA清洗标准对碳化硅表面依次进行清洗、烘干和C膜保护，并在1700～1750℃氩气氛围中作15min的离子激活退火。
第9步，在阱区内多次选择性氮离子注入，形成发射区，具体地，如图3所示，包括以下步骤：
(9.1)用低压化学汽相淀积方式在漂移层表面淀积一层厚度为0.2μm的SiO2作为发射区5铝离子注入的阻挡层，并通过光刻和刻蚀形成发射区5；
(9.2)在650℃的温度下进行2次氮离子注入，注入的剂量分别为8×1014cm-2和6×1014cm-2，对应的能量分别为80keV和50keV；
(9.3)采用RCA清洗标准对碳化硅表面依次进行清洗、烘干和C膜保护，并在1700～1750℃氩气氛围中作15min的离子激活退火。
第10步，氧化形成绝缘栅，具体地，如图3所示，包括以下步骤：
(10.1)在1200℃下干氧氧化60min，再在950℃下湿氧氧化60℃，形成厚度为50nm的SiO2膜；
(10.2)通过光刻、刻蚀形成SiO2绝缘栅2。
第11步，在绝缘栅上淀积金属铝作为栅极金属，具体地，如图3所示，包括以下步骤：
(11.1)在整个碳化硅片正面涂光刻胶，然后通过显影形成栅极金属1窗口；
(11.2)对整个碳化硅片淀积200nm金属铝，之后通过超声波剥离使正面形成栅极金属1；
第12步，淀积形成发射极接触金属层，具体地，如图3所示，包括以下步骤：
(12.1)在整个碳化硅片正面涂光刻胶，然后通过显影形成发射极接触金属3窗口；
(12.2)对整个碳化硅片淀积50nm/100nm/43nm的Ni/Ti/Al合金，之后通过超声波剥离使正面形成发射极接触金属层3；
(12.3)在900℃温度下，氮气气氛中对整个碳化硅片退火5分钟形成欧姆接触。
第13步，淀积形成集电极接触金属层，具体地，如图3所示，对整个抽出层表面淀积200nm/100nm的Ti/Al金属，作为集电极接触金属11，其中轻掺杂区表面自然形成集电极肖特基金属，在1050℃下，氮气气氛中退火3分钟形成接触电极。
综上所述，本发明实施例提供了一种碳化硅纵向绝缘栅双极型晶体管及其制作方法，由于在集电极区引入肖特基接触，其载流子抽出作用可以提高器件开关速度，降低器件开关损耗。进一步的，避免了使用局部少子寿命调制技术，器件导通电阻具有正温度系数，有利于器件的并联应用。同时，还可以通过调节所述的集电极肖特基金属所占面积比例改变器件载流子抽出强度，从而达到器件导通损耗与开关损耗的最优折衷。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (4)
1.一种碳化硅纵向绝缘栅双极型晶体管，包括栅极金属(1)、绝缘栅(2)、发射极接触金属(3)、阱接触区(4)、发射区(5)、阱区(6)、漂移层(7)、缓冲层(8)、抽出层(9)、集电极注入区(10)和集电极接触金属(11)，其特征在于：
所述抽出层(9)设置在所述集电极注入区(10)内部，所述抽出层(9)四周与所述集电极注入区(10)相连，且所述抽出层(9)的顶端与所述缓冲层(8)的底部相连，所述抽出层(9)的底部与所述集电极接触金属(11)的顶部相连。
2.如权利要求1所述晶体管，其特征在于，所述集电极接触金属(11)厚度为300nm。
3.如权利要求1所述晶体管，其特征在于，所述的集电极接触金属(11)为Ti/Al合金。
4.一种碳化硅纵向绝缘栅双极型晶体管制作方法，其特征在于，包括：
在N+碳化硅衬底上外延生长厚度为20～25μm的过渡层；所述过渡层的生长条件为：温度为1600℃，压力100mbar，反应气体包括硅烷和丙烷，载运气体为纯氢气；
在所述过渡层上外延生长厚度为120～130μm、氮离子掺杂浓度为2×1014cm-3的漂移层；所述漂移层的生长条件为：温度为1600℃，压力100mbar，反应气体包括硅烷和丙烷，载运气体为纯氢气，杂质源为液态氮气；
在所述漂移层上外延生长厚度为1～2μm、氮离子掺杂浓度1×1017cm-3的缓冲层；所述缓冲层的生长条件为：温度为1600℃，压力100mbar，反应气体包括硅烷和丙烷，载运气体为纯氢气，杂质源为液态氮气；
在所述缓冲层上外延生长厚度为1～5μm、铝离子掺杂浓度1×1017～1×1018cm-3的抽出层；所述抽出层的生长条件为：温度为1600℃，压力100mbar，反应气体包括硅烷和丙烷，载运气体为纯氢气，杂质源为三甲基铝；
在所述抽出层上进行第一次离子注入，形成集电极注入区；所述第一次离子条件为：注入杂质为铝离子，深度为0.9～1.5μm，掺杂浓度5×1018cm-3，注入温度650℃；
使用化学机械抛光去除N+碳化硅衬底及过渡层；
在所述漂移区上未进行集电极注入区离子注入的一面进行第二次离子注入，形成P型阱区；所述第二次离子条件为：注入杂质为铝离子，深度为0.9μm，掺杂浓度5×1017cm-3，注入温度650℃；
在所述P型阱区内进行第三次离子注入，形成p+阱接触区；所述第三次离子条件为：注入杂质为铝离子，深度为0.15μm，掺杂浓度1×1020cm-3，注入温度650℃；
在所述P型阱区内进行第四次离子注入，形成n+发射区；所述第四次离子条件为：注入杂质为氮离子，深度为0.15μm，掺杂浓度1×1019cm-3，注入温度650℃；
对碳化硅片正面进行干氧氧化，形成50nm～100nm的二氧化硅隔离介质作为绝缘栅；所述干氧氧化温度为1200℃。
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