CN110416073A - Igbt和其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种IGBT和其制造方法，其中IGBT制造方法包括以下步骤：在半导体衬底中注入氢离子，形成n型的载流子存储层。本发明的IGBT和其制造方法在制作载流子存储层的步骤中，采用氢离子注入技术，从而在形成载流子存储层后，既起到n型空穴阻挡层的作用，又形成复合中心，因此，既能降低饱和压降，又同时有效缩短少子寿命。
Description
技术领域
本发明属于IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)制造技术领域，尤其涉及一种IGBT和其制造方法。
背景技术
IGBT是由BJT(双极型三极管)和MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件,兼有MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-EffectTransistor，金属-氧化物半导体场效应晶体管)的高输入阻抗和GTR(Giant Transistor，电力晶体管)的低导通压降两方面的优点。GTR饱和压降低，载流密度大，但驱动电流较大；MOSFET驱动功率很小，开关速度快，但导通压降大，载流密度小。IGBT综合了以上两种器件的优点，驱动功率小而饱和压降低。非常适合应用于直流电压为600V及以上的变流系统如交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域。
为了降低饱和压降，有些IGBT中具有载流子存储层(carrier stored layer，也称电荷存储层(charge storage layer)，或CS层)。图1示出了一种槽栅结构(亦称沟槽结构)的IGBT的剖面结构，该IGBT包括集电极101(collector electrode)、第一p型重掺杂层102(p+sub layer)、n型重掺杂缓冲层103(n+buffer layer)、n型轻掺杂层104(n-layer)、载流子存储层105、p型半导体衬底层106(p base layer)、多晶硅栅极107(poly-silicongate)、发射层108(emitter layer)、第二p型重掺杂层109(p+layer)、栅氧化层110(gateoxide layer)、金属阻挡层111(barrier metal layer)、发射极112(emitter electrode)。现有技术中，为了制作载流子存储层105，常常在半导体衬底中注入磷离子，并经过退火等工艺，可形成载流子存储层105。该载流子存储层105表现为n型空穴阻挡层，其在正向导通时起阻挡空穴的作用，使界面附近的空穴浓度增大，可以有效降低饱和压降(collector-emitter saturation voltage，通常标识为Vce(sat))。但该种制作方法制造的IGBT的少子寿命(minority-carrier lifetime)较长。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有技术中的在制作IGBT的载流子存储层中采用磷注入工艺，少子寿命较长的缺陷，提供一种IGBT和其制造方法。
本发明通过以下技术方案解决上述技术问题：
一种IGBT制造方法，该IGBT制造方法包括以下步骤：
在半导体衬底中注入氢离子，形成n型的载流子存储层。
较佳地，在半导体衬底中注入氢离子，形成n型的载流子存储层的步骤包括：
在漂移区中注入氢离子，形成载流子存储层。
较佳地，在半导体衬底中注入氢离子，形成n型的载流子存储层的步骤之后，IGBT制造方法包括以下步骤：
对所述载流子存储层进行退火，以激活载流子存储层中的氢离子，形成复合中心。
较佳地，退火步骤包括炉管退火，退火温度为200-400摄氏度，退火时间为1-5小时。
较佳地，IGBT为槽栅IGBT，IGBT制造方法包括以下步骤：
在半导体衬底上刻蚀形成沟槽，沟槽的底部与漂移区连通；
在漂移区中注入氢离子，形成载流子存储层的步骤包括：
在沟槽的底部向漂移区中注入氢离子，形成载流子存储层。
较佳地，半导体衬底包括P阱，在半导体衬底中注入氢离子，形成n型的载流子存储层的步骤包括：
从P阱的上方向P阱中注入氢离子，形成载流子存储层，载流子存储层将P阱分隔为第一P阱和第二P阱。
较佳地，在半导体衬底中注入氢离子的步骤之前，IGBT制造方法还包括以下步骤：
在半导体衬底的表面设置掩膜，掩膜包括阻挡区和透射区，阻挡区用于阻挡氢离子注入半导体衬底；透射区用于供氢离子穿过，以注入半导体衬底。
较佳地，掩膜包括聚酰亚胺树脂(polyimide，PI)掩膜，或铝掩膜，或氮化硅(SiN)掩膜。
较佳地，铝掩膜的厚度为3-100微米，或，聚酰亚胺树脂掩膜的厚度为2-100微米。
本发明还提供一种IGBT，IGBT利用本发明的IGBT制造方法制造。
本发明的积极进步效果在于：本发明的IGBT制造方法在制作载流子存储层的步骤中，采用氢离子注入技术，从而在形成载流子存储层后，既起到n型空穴阻挡层的作用，又形成复合中心，因此，既能降低饱和压降，又同时有效缩短少子寿命。本发明的IGBT具有采用氢离子注入技术形成的载流子存储层，这种载流子存储层既起到n型空穴阻挡层的作用，同时又形成复合中心，因此，该IGBT的饱和压降很低，并且，少子寿命大大缩短。
附图说明
图1为现有技术的一种IGBT的结构示意图。
图2为本发明的一较佳实施例的IGBT制造方法的流程图。
图3为本发明的一较佳实施例的IGBT制造方法的第一种IGBT的结构示意图。
图4为本发明的一较佳实施例的IGBT制造方法的第二种IGBT的结构示意图。
图5为本发明的一较佳实施例的IGBT制造方法的第二种IGBT制作P阱的步骤的结构示意图。
图6为本发明的一较佳实施例的IGBT制造方法的第二种IGBT制作第一载流子存储层的步骤的结构示意图。
图7为本发明的一较佳实施例的IGBT制造方法的第二种IGBT制作沟槽的步骤的结构示意图。
图8为本发明的一较佳实施例的IGBT制造方法的第二种IGBT制作第二载流子存储层的步骤的结构示意图。
图9为本发明的一较佳实施例的IGBT制造方法的第二种IGBT制作栅氧化层的步骤的结构示意图。
图10为本发明的一较佳实施例的IGBT制造方法的第二种IGBT制作多晶硅栅的步骤的结构示意图。
图11为本发明的一较佳实施例的IGBT制造方法的第三种IGBT的结构示意图。
图12为本发明的一较佳实施例的IGBT制造方法的第四种IGBT的结构示意图。
图13为本发明的一较佳实施例的IGBT制造方法的第五种IGBT的结构示意图。
图14为本发明的一较佳实施例的IGBT制造方法的第五种IGBT的局部结构示意图。
具体实施方式
下面通过一较佳实施例的方式进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。
本实施例的IGBT制造方法，参照图2，包括以下步骤：
S402、在半导体衬底中注入氢离子，形成n型的载流子存储层。
为了将氢离子有效注入至目标区域，并避免氢离子注入非目标区域，如图2所示，在进行氢离子注入之前，本实施例的IGBT制造方法包括以下步骤：
S401、在半导体衬底的表面设置掩膜，掩膜包括阻挡区和透射区，阻挡区用于阻挡氢离子注入半导体衬底；透射区用于供氢离子穿过，以注入半导体衬底。
该掩膜可采用聚酰亚胺树脂材料，或铝材料，或氮化硅材料制成，该聚酰亚胺树脂材料、铝材料、氮化硅材料均为市售可得。根据实验数据，在氢离子注入过程中，1微米厚的铝材料掩膜的阻挡效率为1微米，即，假设铝材料掩膜的厚度为5微米，进行氢离子注入时，氢离子注入至透射区下5微米的区域时，阻挡区下没有氢离子注入，全部被阻挡。根据实验数据，1微米厚的聚酰亚胺树脂掩膜的阻挡效率为0.7微米。在本实施例的绝缘栅双极型晶体管的制造方法中，聚酰亚胺树脂掩膜的厚度为2-100微米，铝材料掩膜的厚度为3-100微米。现有技术中，往往采用二氧化硅掩膜，而二氧化硅掩膜因张力、应力因素，当达到一定厚度时，容易发生翘曲，会影响IGBT的可靠性。因此，二氧化硅掩膜无法达到较大的厚度。而聚酰亚胺树脂掩膜、铝材料掩膜均可以达到较大的厚度，依然不会发生翘曲，可以保证IGBT的可靠性。
在完成步骤S402之后，如图2所示，本实施例的IGBT制造方法包括以下步骤：
S403、对载流子存储层进行退火操作，以激活载流子存储层中的氢离子，形成复合中心。为了将载流子存储层中的氢离子有效激活，从而起到良好的阻挡空穴的效果，在退火步骤中采用炉管退火工艺，较佳的退火温度为200-400摄氏度，退火时间以为1-5小时为宜。
本发明的IGBT制造方法在制作载流子存储层的步骤中，采用氢离子注入技术，从而在形成载流子存储层后，既起到n型空穴阻挡层的作用，同时又形成复合中心，因此，既能降低饱和压降，又同时有效缩短少子寿命。
本实施例的IGBT制造方法可以用于制造各种具有载流子存储层的IGBT，具体实施时，根据制造的IGBT的结构的差异，相应的制作步骤可以进行相应的调整。
在第一种可选的实施方式中，本实施例的IGBT制造方法可以用于制造如图3所示的IGBT(本发明中称为“第一种IGBT”)，该IGBT是槽栅结构的，包括集电极101、第一p型重掺杂层102、n型重掺杂缓冲层103、n型轻掺杂层104、载流子存储层205、p型半导体衬底层106、多晶硅栅极107、发射层108、第二p型重掺杂层109、栅氧化层110、金属阻挡层111、发射极112。
在该IGBT的制造过程中，首先，在半导体(例如，硅)衬底中进行离子注入，形成第一p型重掺杂层102，然后进行退火，对第一p型重掺杂层102进行激活。然后，在第一p型重掺杂层102的上方进行离子注入，形成n型重掺杂缓冲层103，然后进行退火，对n型重掺杂缓冲层103进行激活。下一步，在n型重掺杂缓冲层103的上方进行离子注入，形成n型轻掺杂层104；然后进行退火，对n型轻掺杂层104进行激活。下一步，在n型轻掺杂层104的顶部区域内注入一定浓度的氢离子，并使该区域的掺杂浓度高于n型轻掺杂层104的掺杂浓度，形成n型重掺杂的载流子存储层205。
接下来，在半导体衬底上刻蚀形成沟槽，在沟槽中形成多晶硅栅极107。然后，按照现有工艺，逐步完成该IGBT其它结构的制作，形成该IGBT。
本实施例还提供一种采用第一种可选的实施方式的IGBT制造方法制造的IGBT，图3示出了该IGBT的剖面结构，该IGBT是槽栅结构的，包括集电极101、第一p型重掺杂层102、n型重掺杂缓冲层103、n型轻掺杂层104、载流子存储层205、p型半导体衬底层106、多晶硅栅极107、发射层108、第二p型重掺杂层109、栅氧化层110、金属阻挡层111、发射极112。
在该IGBT的制造过程中，在半导体衬底中注入一定浓度的氢离子，在半导体衬底中形成载流子存储层。然后，进行退火操作。为了将载流子存储层中的氢离子有效激活，从而起到良好的阻挡空穴的效果，在退火步骤中采用炉管退火工艺，较佳的退火温度为200-400摄氏度，退火时间以为1-5小时为宜。
本实施例的IGBT制造方法，在制造载流子存储层的步骤中，采用氢离子注入工艺，替代现有技术中的磷离子注入工艺，使得IGBT中形成的载流子存储层既起到n型空穴阻挡层的作用，又形成复合中心，因此，既能降低饱和压降，又同时有效缩短少子寿命。
在第二种可选的实施方式中，本实施例的IGBT制造方法可以用于制造槽栅结构的IGBT，如图4所示，该槽栅结构的IGBT(本发明中称为“第二种IGBT”)包括集电极301、p型掺杂层302、n型重掺杂缓冲层303、n型轻掺杂层304、第一p阱3052、第一载流子存储层306、第二p阱3051、发射层311、p型重掺杂层312、第二载流子存储层308、栅氧化层309、多晶硅栅极310、发射极313。
制造该IGBT的过程如下：首先，如图5所示，在半导体衬底上进行离子注入，形成p型掺杂层302，然后对p型掺杂层302进行退火操作。接下来，在半导体衬底上进行离子注入，在p型掺杂层302的上方形成n型重掺杂缓冲层303，并对该层进行退火。然后，通过离子注入工艺，在n型重掺杂缓冲层303的上方形成n型轻掺杂层304，并进行退火。n型轻掺杂层304亦成为漂移区(drift region)。接下来，参照图5，通过离子注入工艺，在n型轻掺杂层304的上方形成p阱305。
然后，图如6所示，在p阱305中注入氢离子，形成n型重掺杂的第一载流子存储层306，并进行退火操作。第一载流子存储层306将p阱305分隔成第一p阱3052和第二p阱3051。第一载流子存储层306既起到n型空穴阻挡层的作用，同时又形成复合中心，因此，既能降低饱和压降，又同时有效缩短少子寿命。
接下来，参照图7，在半导体衬底上刻蚀形成沟槽307，沟槽307的底部与漂移区(n型轻掺杂层304)连通。然后，参照图8，在沟槽307的底部向漂移区(n型轻掺杂层304)中注入氢离子，形成第二载流子存储层308，并进行退火操作。第二载流子存储层308既起到n型空穴阻挡层的作用，同时又形成复合中心，因此，既能降低饱和压降，又同时有效缩短少子寿命。
然后，参照图9，对沟槽307的内壁进行热氧化，形成栅氧化层309。然后，参照图10，在沟槽307内进行化学气相沉积(Chemical Vapor Deposition，简称CVD)，使多晶硅(poly-silicon)填充沟槽307形成多晶硅栅极310。
接下来，按照现有技术中的制作工艺，制作发射层311、p型重掺杂层312、发射极313等结构，从而形成该IGBT。
本实施例还提供一种IGBT，该IGBT的剖面结构如图4所示，集电极301、p型掺杂层302、n型重掺杂缓冲层303、n型轻掺杂层304、第一p阱3052、第一载流子存储层306、第二p阱3051、发射层311、p型重掺杂层312、第二载流子存储层308、栅氧化层309、多晶硅栅极310、发射极313。该IGBT采用第二种可选的实施方式的IGBT制造方法制造，制造流程不再赘述。在制作第一载流子存储层306、第二载流子存储层308的过程中，采用氢离子注入工艺替代现有技术中的磷离子注入工艺，使得第一载流子存储层306、第二载流子存储层308起到n型空穴阻挡层的作用的同时，还形成复合中心，从而大大缩短少子寿命。
本发明的第三种可选的实施方式中，本实施例的IGBT制造方法还用于制造如图11所示的IGBT(本发明中称为“第三种IGBT”)，该IGBT与图4所示的IGBT的区别在于，图11所示的IGBT不包括第二载流子存储层308。相应地，图11所示的IGBT的制造流程相较于本实施例的IGBT制造方法，省略了制作第二载流子存储层308的步骤。
本发明的第四种可选的实施方式中，本实施例的IGBT制造方法还用于制造如图12所示的IGBT(本发明中称为“第四种IGBT”)，该IGBT与图4所示的IGBT的区别在于，图12所示的IGBT不包括第一载流子存储层306。相应地，图12所示的IGBT的制造流程相较于本实施例的IGBT制造方法，省略了制作第一载流子存储层306的步骤。
本发明的第五种可选的实施方式中，该IGBT制造方法可以应用于制造平面(planar)IGBT，如图13所示，该IGBT(本发明中称为“第五种IGBT”)包括集电极502、p型重掺杂层503、n型重掺杂缓冲层504、n型轻掺杂层505、p型重掺杂区506、n型重掺杂区507、发射极508、栅氧化层509、栅极510、载流子存储层501。
在制造该IGBT的过程中，参照图14，在半导体衬底上制作形成p型重掺杂层503、n型重掺杂缓冲层504、n型轻掺杂层505、p型重掺杂区506、n型重掺杂区507之后，在n型轻掺杂层505中注入一定浓度的氢离子，形成载流子存储层501。载流子存储层501将n型轻掺杂层505分隔为上下两个区域。然后，进行退火操作，将氢离子激活。载流子存储层501既起到n型空穴阻挡层的作用，又形成复合中心，因此，既能降低饱和压降，又同时有效缩短少子寿命。然后，按照现有工艺，逐步完成该IGBT其它结构的制作，形成该IGBT。
本实施例还提供一种采用第五种可选的实施方式的IGBT制造方法制造的IGBT，该IGBT的剖面结构如图13所示，包括集电极502、p型重掺杂层503、n型重掺杂缓冲层504、n型轻掺杂层505、p型重掺杂区506、n型重掺杂区507、发射极508、栅氧化层509、栅极510、载流子存储层501。该IGBT的制作流程不再赘述。在制造该IGBT的过程中，制作载流子存储层的步骤中，采用氢离子注入工艺，替代现有技术中的磷离子注入工艺，载流子存储层既起到n型空穴阻挡层的作用，又能形成复合中心，因此，既能降低饱和压降，又同时有效缩短少子寿命。
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种IGBT制造方法，其特征在于，所述IGBT制造方法包括以下步骤：
在半导体衬底中注入氢离子，形成n型的载流子存储层。
2.如权利要求1所述的IGBT制造方法，其特征在于，所述在半导体衬底中注入氢离子，形成n型的载流子存储层的步骤包括：
在漂移区中注入氢离子，形成所述载流子存储层。
3.如权利要求1所述的IGBT制造方法，其特征在于，所述在半导体衬底中注入氢离子，形成n型的载流子存储层的步骤之后，所述IGBT制造方法包括以下步骤：
对所述载流子存储层进行退火，以激活所述载流子存储层中的氢离子，形成复合中心。
4.如权利要求3所述的IGBT制造方法，其特征在于，所述退火步骤包括炉管退火，退火温度为200-400摄氏度，退火时间为1-5小时。
5.如权利要求2所述的IGBT制造方法，其特征在于，所述IGBT为槽栅IGBT，所述IGBT制造方法包括以下步骤：
在所述半导体衬底上刻蚀形成沟槽，所述沟槽的底部与所述漂移区连通；
所述在漂移区中注入氢离子，形成所述载流子存储层的步骤包括：
在所述沟槽的底部向所述漂移区中注入氢离子，形成所述载流子存储层。
6.如权利要求1所述的IGBT制造方法，其特征在于，所述半导体衬底包括P阱，所述在半导体衬底中注入氢离子，形成n型的载流子存储层的步骤包括：
从所述P阱的上方向所述P阱中注入氢离子，形成所述载流子存储层，所述载流子存储层将所述P阱分隔为第一P阱和第二P阱。
7.如权利要求1所述的IGBT制造方法，其特征在于，所述在半导体衬底中注入氢离子的步骤之前，所述IGBT制造方法还包括以下步骤：
在所述半导体衬底的表面设置掩膜，所述掩膜包括阻挡区和透射区，所述阻挡区用于阻挡所述氢离子注入所述半导体衬底；所述透射区用于供氢离子穿过，以注入所述半导体衬底。
8.如权利要求7所述的IGBT制造方法，其特征在于，所述掩膜包括聚酰亚胺树脂掩膜，或铝掩膜，或氮化硅掩膜。
9.如权利要求8所述的IGBT制造方法，其特征在于，所述铝掩膜的厚度为3-100微米，或，所述聚酰亚胺树脂掩膜的厚度为2-100微米。
10.一种IGBT，其特征在于，所述IGBT利用如权利要求1-9中任意一项所述的IGBT制造方法制造。
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