超级结绝缘栅双极型晶体管的制作方法与流程

1.本发明特别涉及一种超级结绝缘栅双极型晶体管的制作方法，属于晶体管技术领域。


背景技术：

2.超级结igbt(绝缘栅双极型晶体管)的器件结构如图1所示，传统超级结igbt的器件的制作工艺主要包括：在硅衬底上生长外延层；在外延层上刻蚀深槽，在深槽内淀积部分p型si；在器件沟槽上表面继续生长n型外延层；进行沟槽刻蚀，生长栅氧化层，填充poly形成栅极；离子注入形成p型体区和n+源区；淀积介质层，刻蚀金属接触孔淀积金属；背面离子注入以及背面金属。现有的超级结igbt(绝缘栅双极型晶体管)器件一般在制作完成后再对器件整理进行电子辐照，然这会导致器件栅氧损害以及导致阈值电压大幅下降的问题。


技术实现要素：

3.本发明的主要目的在于提供一种超级结绝缘栅双极型晶体管的制作方法，从而克服现有技术中的不足。
4.为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：
5.本发明实施例提供了一种超级结绝缘栅双极型晶体管的制作方法，包括：
6.在衬底的第一表面形成第一外延层，并对所述第一外延层进行电子辐照，以在所述第一外延层内形成复合中心；
7.在所述第一外延层上形成第二外延层，在所述第二外延层内制作形成超级结区，所述第一外延和第二外延层为漂移区；
8.在所述漂移区上形成第三外延层，并在所述第三外延层内形成阱区、发射极和栅极。
9.与现有技术相比，本发明的优点包括：本发明实施例提供的一种超级结绝缘栅双极型晶体管的制作方法，首先生长一层外延层然后进行电子辐照，以在该区域引入复合中心，从而加快载流子复合，进而解决超级结器件在关断时的电流拖尾问题，减小了器件的关断损耗，同时不会影响栅氧的质量与器件的阈值电压。
附图说明
10.图1是本案发明人提供一种超级结绝缘栅双极型晶体管的结构示意图；
11.图2a-图2f是本发明一典型实施案例中提供的一种超级结绝缘栅双极型晶体管的制作流程示意图；
12.附图标记说明：1-集电区，2-漂移区，3-超级结区，4-第三外延层，5-栅氧化层，6-栅极，7-阱区，8-发射极，9-介质层，10-发射极金属，11-集电极，12-集电极金属。
具体实施方式
13.鉴于现有技术中的不足，本案发明人经长期研究和大量实践，得以提出本发明的技术方案。如下将对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明。
14.本发明实施例提供了一种超级结绝缘栅双极型晶体管的制作方法，包括：
15.在衬底的第一表面形成第一外延层，并对所述第一外延层进行电子辐照，以在所述第一外延层内形成复合中心；
16.在所述第一外延层上形成第二外延层，在所述第二外延层内制作形成超级结区，所述第一外延和第二外延层为漂移区；
17.在所述漂移区上形成第三外延层，并在所述第三外延层内形成阱区、发射极和栅极。
18.在一具体实施方式中，所述电子辐照的剂量为50-100kgy，经测试发现，当电子辐照的剂量低于50kgy时，无法在第一外延层内形成足够的复合中心；而当电子辐照的剂量达到100kgy时，第一外延层中的复合中心达到饱和，继续增加电子辐照的剂量，第一外延层内的复合中心数量便不再增加。
19.在一具体实施方式中，所述电子辐照所采用的电子束流强度为3.5-10mev，经测试发现，当采用的电子束流强度低于3.5mev或高于10mev时，无法在第一外延层内形成最佳的复合中心分布，从而影响关断时载流子复合效率，导致关断时间增加。
20.需要说明的是，本发明采用电子辐照是利用高能的电子束流贯穿整个外延层，使外延层中的硅材料内部晶格中的点阵原子发生位移，造成晶格空位和间隙原子；原子和硅中的其它杂质、空位互相作用，形成深能级的载流子复合中心，如此不仅可以减轻辐照损伤，还可以加快载流子复合，进一步解决超级结器件在关断时的电流拖尾问题；本发明通过引入复合中心进而达到加快载流子复合，解决器件关断过程中的电流拖尾问题，进而减小器件的关断损耗。
21.本发明实施例提供了一种超级结绝缘栅双极型晶体管的制作方法中的电子辐照是在长完第一外延层后进行，不会对后面的工艺步骤产生影响，因此不会影响栅氧质量及阈值电压；而如果在整个器件完成后再对器件整体进行电子辐照，则电子辐照在引入复合中心的同时会影响栅氧化层中的电荷，从而导致器件阈值电压大幅下降等问题。
22.在一具体实施方式中，所述第一外延层的厚度为4-6um，即所述第一外延层于漂移区的厚度占比为1/25-1/16，经测试发现，若第一外延层的厚度过大或过小，会导致器件的击穿电压发生迅速退化，且第一外延层的厚度与器件的关断损耗成反比，若第一外延层的厚度过大或过小，还会导致器件的关断损耗增加。
23.在一具体实施方式中，所述的制作方法具体包括：在所述第二外延层表面加工形成多个深槽，且控制所述深槽的槽底部延伸至第一外延层的顶部表面截止，之后在所述深槽内形成所述的超级结区。
24.在一具体实施方式中，所述的制作方法具体包括：在所述第三外延层的表面加工形成多个栅槽，在所述栅槽内壁形成栅氧化层，之后在所述栅槽内制作形成栅极。
25.在一具体实施方式中，所述的制作方法具体包括：将所述第三外延层的顶部区域转化成阱区，将所述阱区的顶部区域的部分转化成多个发射极，且使每一发射极环绕所述栅极设置。
26.在一具体实施方式中，所述的制作方法具体包括：在所述阱区的顶部表面设置多个介质层，且使每一介质层将一个栅极完全掩盖，之后在所述阱区的顶部表面设置发射极金属，且使所述发射极金属与发射极电连接。
27.在一具体实施方式中，所述的制作方法具体包括：将所述衬底靠近第二表面的部分转化形成集电极，在所述集电极表面设置集电极金属，且使所述集电极金属与所述集电极电连接，其中，所述第二表面和第一表面背对设置。
28.如下将结合附图以及具体实施案例对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明，除非特别说明的之外，本发明实施例所采用外延生长、刻蚀、离子注入、热扩散等工艺均可以是本领域技术人员已知的，在此不对其具体的工艺参数进行限定和说明，需要说明的是，本发明实施例中的制作流程是示例性的，其中各个步骤仅是其中一种示例，本领域技术人员可以根据需要对其具体工艺顺序进行调整，其包含在本发明的保护范围中。
29.实施例1
30.一种超级结绝缘栅双极型晶体管的制作方法，包括如下步骤：
31.1)提供硅衬底，所述硅衬底包括集电区1，采用外延生长等工艺在硅衬底1的第一表面上形成第一外延层21，所述第一外延层的厚度为4μm，并对所述第一外延层21进行电子辐照，以在所述第一外延层21内形成复合中心，从而加快载流子复合；
32.在本实施例中，所述硅衬底为第一导电类型，所述第一外延层21为第二导电类型；
33.在本实施例中，所述电子辐照的剂量为50kgy，所述电子辐照所采用的电子束流强度为7.5mev：
34.2)采用外延生长等工艺在所述第一外延层21上形成第二外延层22，所述第二外延层22与所述第一外延层21叠层设置，所述第二外延层22的厚度为44μm，所述第二外延层22的材质与第一外延层21的材质相同，且所述第二外延层22为第二导电类型；
35.在所述第二外延层22表面的选定区域覆设掩膜，并对未被掩膜覆盖的第二外延层22进行刻蚀，从而在所述第二外延层22内形成多个深槽，且控制所述深槽的槽底部延伸至第一外延层21的顶部表面截止；所述第二外延层22和第一外延层21为漂移区2，所述漂移区为第二导电类型；
36.3)在所述深槽内填充沉积硅形成硅柱，且使所述硅柱的顶部表面与漂移区的表面齐平，从而形成超级结区3，所述超级结区3为第一掺杂类型；
37.4)采用外延生长等工艺在所述漂移区的表面形成第三外延层4，所述第三外延层4与所述漂移区叠层设置，所述第三外延层4的材质与第二外延层22、第一外延层21的材质相同，且所述第三外延层4为第二导电类型；
38.5)在所述第三外延层4的表面覆设掩膜，并对未被覆盖的第三外延层4进行刻蚀，从而在所述第三外延层4形成多个栅槽；
39.6)在栅槽的内壁和第三外延层4的表面形成氧化硅层，之后除去第三外延层4表面的氧化硅层，以余留在栅槽内壁的氧化硅层作为栅氧化层5，在所述栅槽内填充硅而形成栅极6，所述栅极6的顶部与所述第三外延层4的顶部表面齐平；
40.7)采用离子注入和/或热扩散的方式将所述第三外延层4靠近顶部表面的顶部区域转化形成阱区7，且控制所述阱区7的厚度小于所述栅槽的深度，其中，所述阱区7为第一导电类型；
41.8)采用离子注入和/或热扩散的方式将所述阱区7靠近栅槽的部分转化形成发射极8，且使所述发射极8环绕所述栅槽设置，其中，所述发射极8为第二导电类型；
42.9)采用cvd沉积等方式在所述阱区7的顶部表面形成介质层9，且使所述介质层9完全覆盖所述栅极6以及部分的发射极8；
43.10)采用cvd沉积等方式在所述阱区7的顶部表面形成发射极金属10，且使所述发射极金属10与发射极8电连接；
44.11)对所述硅衬底第二表面进行减薄处理，并采用离子注入和/或热扩散的方式将所述硅衬底靠近第二表面的部分转化形成集电极11，所述集电极11为第一导电类型；
45.12)采用cvd沉积等方式在所述集电极11表面形成集电极金属12，且使所述集电极金属12与所述集电极11电连接；在本实施例中，所述第一导电类型为p型，第二导电类型为n型。
46.实施例2
47.一种超级结绝缘栅双极型晶体管的制作方法，包括如下步骤：
48.1)提供硅衬底，所述硅衬底包括集电区1，采用外延生长等工艺在硅衬底1的第一表面上形成第一外延层21，所述第一外延层的厚度为5μm，并对所述第一外延层21进行电子辐照，以在所述第一外延层21内形成复合中心，从而加快载流子复合；
49.在本实施例中，所述硅衬底为第一导电类型，所述第一外延层21为第二导电类型；
50.在本实施例中，所述电子辐照的剂量为75kgy，所述电子辐照所采用的电子束流强度为10mev；
51.2)采用外延生长等工艺在所述第一外延层21上形成第二外延层22，所述第二外延层22与所述第一外延层21叠层设置，所述第二外延层22的厚度为44μm，所述第二外延层22的材质与第一外延层21的材质相同，且所述第二外延层22为第二导电类型；
52.在所述第二外延层22表面的选定区域覆设掩膜，并对未被掩膜覆盖的第二外延层22进行刻蚀，从而在所述第二外延层22内形成多个深槽，且控制所述深槽的槽底部延伸至第一外延层21的顶部表面截止；所述第二外延层22和第一外延层21为漂移区2，所述漂移区为第二导电类型；
53.3)在所述深槽内填充沉积硅形成硅柱，且使所述硅柱的顶部表面与漂移区的表面齐平，从而形成超级结区3，所述超级结区3为第一掺杂类型；
54.4)采用外延生长等工艺在所述漂移区的表面形成第三外延层4，所述第三外延层4与所述漂移区叠层设置，所述第三外延层4的材质与第二外延层22、第一外延层21的材质相同，且所述第三外延层4为第二导电类型；
55.5)在所述第三外延层4的表面覆设掩膜，并对未被覆盖的第三外延层4进行刻蚀，从而在所述第三外延层4形成多个栅槽；
56.6)在栅槽的内壁和第三外延层4的表面形成氧化硅层，之后除去第三外延层4表面的氧化硅层，以余留在栅槽内壁的氧化硅层作为栅氧化层5，在所述栅槽内填充硅而形成栅极6，所述栅极6的顶部与所述第三外延层4的顶部表面齐平；
57.7)采用离子注入和/或热扩散的方式将所述第三外延层4靠近顶部表面的顶部区域转化形成阱区7，且控制所述阱区7的厚度小于所述栅槽的深度，其中，所述阱区7为第一导电类型；
58.8)采用离子注入和/或热扩散的方式将所述阱区7靠近栅槽的部分转化形成发射极8，且使所述发射极8环绕所述栅槽设置，其中，所述发射极8为第二导电类型；
59.9)采用cvd沉积等方式在所述阱区7的顶部表面形成介质层9，且使所述介质层9完全覆盖所述栅极6以及部分的发射极8；
60.10)采用cvd沉积等方式在所述阱区7的顶部表面形成发射极金属10，且使所述发射极金属10与发射极8电连接；
61.11)对所述硅衬底第二表面进行减薄处理，并采用离子注入和/或热扩散的方式将所述硅衬底靠近第二表面的部分转化形成集电极11，所述集电极11为第一导电类型；
62.12)采用cvd沉积等方式在所述集电极11表面形成集电极金属12，且使所述集电极金属12与所述集电极11电连接；在本实施例中，所述第一导电类型为p型，第二导电类型为n型。
63.实施例3
64.一种超级结绝缘栅双极型晶体管的制作方法，包括如下步骤：
65.1)提供硅衬底，所述硅衬底包括集电区1，采用外延生长等工艺在硅衬底1的第一表面上形成第一外延层21，所述第一外延层的厚度为6μm，并对所述第一外延层21进行电子辐照，以在所述第一外延层21内形成复合中心，从而加快载流子复合；
66.在本实施例中，所述硅衬底为第一导电类型，所述第一外延层21为第二导电类型；
67.在本实施例中，所述电子辐照的剂量为100kgy，所述电子辐照所采用的电子束流强度为10mev；
68.2)采用外延生长等工艺在所述第一外延层21上形成第二外延层22，所述第二外延层22与所述第一外延层21叠层设置，所述第二外延层22的厚度为44μm，所述第二外延层22的材质与第一外延层21的材质相同，且所述第二外延层22为第二导电类型；
69.在所述第二外延层22表面的选定区域覆设掩膜，并对未被掩膜覆盖的第二外延层22进行刻蚀，从而在所述第二外延层22内形成多个深槽，且控制所述深槽的槽底部延伸至第一外延层21的顶部表面截止；所述第二外延层22和第一外延层21为漂移区2，所述漂移区为第二导电类型；
70.3)在所述深槽内填充沉积硅形成硅柱，且使所述硅柱的顶部表面与漂移区的表面齐平，从而形成超级结区3，所述超级结区3为第一掺杂类型；
71.4)采用外延生长等工艺在所述漂移区的表面形成第三外延层4，所述第三外延层4与所述漂移区叠层设置，所述第三外延层4的材质与第二外延层22、第一外延层21的材质相同，且所述第三外延层4为第二导电类型；
72.5)在所述第三外延层4的表面覆设掩膜，并对未被覆盖的第三外延层4进行刻蚀，从而在所述第三外延层4形成多个栅槽；
73.6)在栅槽的内壁和第三外延层4的表面形成氧化硅层，之后除去第三外延层4表面的氧化硅层，以余留在栅槽内壁的氧化硅层作为栅氧化层5，在所述栅槽内填充硅而形成栅极6，所述栅极6的顶部与所述第三外延层4的顶部表面齐平；
74.7)采用离子注入和/或热扩散的方式将所述第三外延层4靠近顶部表面的顶部区域转化形成阱区7，且控制所述阱区7的厚度小于所述栅槽的深度，其中，所述阱区7为第一导电类型；
75.8)采用离子注入和/或热扩散的方式将所述阱区7靠近栅槽的部分转化形成发射极8，且使所述发射极8环绕所述栅槽设置，其中，所述发射极8为第二导电类型；
76.9)采用cvd沉积等方式在所述阱区7的顶部表面形成介质层9，且使所述介质层9完全覆盖所述栅极6以及部分的发射极8；
77.10)采用cvd沉积等方式在所述阱区7的顶部表面形成发射极金属10，且使所述发射极金属10与发射极8电连接；
78.11)对所述硅衬底第二表面进行减薄处理，并采用离子注入和/或热扩散的方式将所述硅衬底靠近第二表面的部分转化形成集电极11，所述集电极11为第一导电类型；
79.12)采用cvd沉积等方式在所述集电极11表面形成集电极金属12，且使所述集电极金属12与所述集电极11电连接；在本实施例中，所述第一导电类型为p型，第二导电类型为n型。
80.对比例1
81.一种超级结绝缘栅双极型晶体管的制作方法，包括如下步骤：
82.1)提供硅衬底，所述硅衬底包括集电区1，采用外延生长等工艺在硅衬底的第一表面上形成第一层外延层，所述第一层外延层为漂移区2，在所述第一层外延层表面的选定区域覆设掩膜，并对未被掩膜覆盖的第一层外延层进行刻蚀，从而在所述第一层外延层内形成多个深槽，且控制所述深槽的深度小于第一层外延层的厚度，其中，所述硅衬底为第一导电类型，所述漂移区为第二导电类型；
83.2)在所述深槽内填充沉积硅形成硅柱，且使所述硅柱的顶部表面与漂移区的表面齐平，从而形成超级结区3，所述超级结区3为第一掺杂类型；
84.3)采用外延生长等工艺在所述漂移区的表面形成第三外延层4，所述第三外延层4与所述漂移区叠层设置，所述第三外延层4的材质与第一层外延层的材质相同，且所述第三外延层4为第二导电类型；
85.4)在所述第三外延层4的表面覆设掩膜，并对未被覆盖的第三外延层4进行刻蚀，从而在所述第三外延层4形成多个栅槽；
86.5)在栅槽的内壁和第三外延层4的表面形成氧化硅层，之后除去第三外延层4表面的氧化硅层，以余留在栅槽内壁的氧化硅层作为栅氧化层5，在所述栅槽内填充硅而形成栅极6，所述栅极6的顶部与所述第三外延层4的顶部表面齐平；
87.6)采用离子注入和/或热扩散的方式将所述第三外延层4靠近顶部表面的顶部区域转化形成阱区7，且控制所述阱区7的厚度小于所述栅槽的深度，其中，所述阱区7为第一导电类型；
88.7)采用离子注入和/或热扩散的方式将所述阱区7靠近栅槽的部分转化形成发射极8，且使所述发射极8环绕所述栅槽设置，其中，所述发射极8为第二导电类型；
89.8)采用cvd沉积等方式在所述阱区7的顶部表面形成介质层9，且使所述介质层9完全覆盖所述栅极6以及部分的发射极8；
90.9)采用cvd沉积等方式在所述阱区7的顶部表面形成发射极金属10，且使所述发射极金属10与发射极8电连接；
91.10)对所述硅衬底第二表面进行减薄处理，并采用离子注入和/或热扩散的方式将所述硅衬底靠近第二表面的部分转化形成集电极11，所述集电极11为第一导电类型；
92.11)采用cvd沉积等方式在所述集电极11表面形成集电极金属12，且使所述集电极金属12与所述集电极11电连接，从而形成超级结绝缘栅双极型晶体管，所述超级结绝缘栅双极型晶体管的结构如图1所示；
93.12)对制作形成的超级结绝缘栅双极型晶体管进行电子辐照，所述电子辐照的剂量为50kgy，所述电子辐照所采用的电子束流强度为3.5mev-10mev。
94.分别对实施例1-3、对比例1中制作获得的超级结绝缘栅双极型晶体管进行仿真测试，测试结果显示，实施例1-3中超级结绝缘栅双极型晶体管的关断损耗较较之对比例1中的关断损耗和未采用电子辐照的超级结绝缘栅双极型晶体管结构相比降低了30％，但是对比例1中超级结绝缘栅双极型晶体管的阈值电压与未采用电子辐照的超级结绝缘栅双极型晶体管结构相比下降了20％，而实施例1-3中超级结绝缘栅双极型晶体管的阈值电压与未采用电子辐照的超级结绝缘栅双极型晶体管结构相比保持不变。
95.本发明实施例提供的一种超级结绝缘栅双极型晶体管的制作方法，首先生长一层外延层然后进行电子辐照，以在该区域引入复合中心，从而加快载流子复合，进而解决超级结器件在关断时的电流拖尾问题，减小了器件的关断损耗，同时不会影响栅氧的质量与器件的阈值电压。
96.应当理解，上述实施例仅为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种超级结绝缘栅双极型晶体管的制作方法，其特征在于，包括：在衬底的第一表面形成第一外延层，并对所述第一外延层进行电子辐照，以在所述第一外延层内形成复合中心；在所述第一外延层上形成第二外延层，在所述第二外延层内制作形成超级结区，所述第一外延和第二外延层为漂移区；在所述漂移区上形成第三外延层，并在所述第三外延层内形成阱区、发射极和栅极。2.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于：所述电子辐照的剂量为50-100kgy。3.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于：所述电子辐照所采用的电子束流强度为3.5mev-10mev。4.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于：所述第一外延层的厚度为4-6um。5.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，具体包括：在所述第二外延层表面加工形成多个深槽，且控制所述深槽的底部延伸至第一外延层的顶部表面截止，之后在所述深槽内形成所述的超级结区。6.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，具体包括：在所述第三外延层的表面加工形成多个栅槽，在所述栅槽内壁形成栅氧化层，之后在所述栅槽内制作形成栅极。7.根据权利要求1或6所述的制作方法，其特征在于，具体包括：将所述第三外延层的顶部区域转化成阱区，将所述阱区的顶部区域的部分转化成多个发射极，且使每一发射极环绕所述栅极设置。8.根据权利要求7所述的制作方法，其特征在于，具体包括：在所述阱区的顶部表面设置多个介质层，且使每一介质层将一个栅极完全掩盖，之后在所述阱区的顶部表面设置发射极金属，且使所述发射极金属与发射极电连接。9.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，具体包括：将所述衬底靠近第二表面的部分转化形成集电极，在所述集电极表面设置集电极金属，且使所述集电极金属与所述集电极电连接，其中，所述第二表面和第一表面背对设置。

技术总结
本发明公开了一种超级结绝缘栅双极型晶体管的制作方法，包括：在衬底的第一表面形成第一外延层，并对所述第一外延层进行电子辐照，以在所述第一外延层内形成复合中心；在所述第一外延层上形成第二外延层，在所述第二外延层内制作形成超级结区，所述第一外延和第二外延层为漂移区，在所述漂移区上形成第三外延层，并在所述第三外延层内形成阱区、发射极和栅极。本发明实施例提供的制作方法，解决了超级结器件在关断时的电流拖尾问题，减小了器件的关断损耗，同时不会影响栅氧的质量与器件的阈值电压。阈值电压。阈值电压。


技术研发人员：刘倩 祁金伟
受保护的技术使用者：苏州华太电子技术股份有限公司
技术研发日：2022.07.06
技术公布日：2023/8/1