变缓冲层浓度内透明集电区绝缘栅双极晶体管的制造方法属于晶体管的制造领域。本发明专利技术在器件的集电区附近一定范围内形成一个极低过剩载流子寿命控制区。其技术方案是利用高剂量氦注入及后继退火工艺在器件集电区近集电结附近引入局域纳米空腔层，该纳米空腔不仅可以在硅禁带中心附近引入缺陷能级，大大降低载流子寿命，且具有良好的高温稳定性，这项技术可以在器件制造最初实施，与常规工艺流程有很好的工艺兼容性。该项技术，工艺常规，可控性强，适用范围广，有利于实现低成本和高成品率，且器件性能优良。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种半导体器件制造方法，更具体说是涉及一种硅材料内透明集电区绝缘 栅双极晶体管的制造方法，这种器件的耐压范围是在1200V以下的中、低压范围。适用于 平面栅和沟槽栅器件。
技术介绍
-绝缘栅双极晶体管(IGBT)做为电力电子技术中重要的开关器件，结合了双极结型晶 体管(BJT)和金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)的优点，具有导通损耗低、 开关速度快、工作频率高等综合性能优势，它广泛应用于电机变频调速电路、不间断电源 电路、逆变焊机电路等。IGBT自1980年代专利技术以来(参见1982正DMTech.Dig.，卯.246-247, IEEE Transaction on Power Electronics, Vol. PE-2, No.3, PP.194-207)，器件结构的优化~~ 进而性能指标提高——取得了巨大发展。单就背面结构来说，包括穿通型(PT)、非穿通 型(NPT)和场终止型(FS)。PT-IGBT，以数百微米厚的P+单晶为起始材料(衬底)，之后外延N+缓冲层和N-耐压 层，复杂的正面结构在外延层上制造。PT-IGBT是最早成熟投产的一类IGBT，它具有工艺 成熟、易控制、成品率髙等优点。但这种结构的IGBT，其集电区为重掺杂厚衬底，对少数 载流子电子是非透明。器件导通压降和关断损耗之间的折中，主要通过优化缓冲层结构(掺 杂和厚度)以及全局载流子寿命控制实现。全局载流子低寿命造成导通压降Vc^t具有负温 度系数，热电正反馈效应很容易使电流集中，诱发二次击穿，器件高温稳定性差，不利于 并联工作。在高压IGBT研制过程中，为了规避厚外延带来的高成本，1980代末出现了 NPT-IGBT (参见1989 PESC Record 1， PP.21-25; 1996ISPSD， PP. 331-334禾Q PP. 164-172)。 NPT-IGBT采用N-型单晶为起始材料，正面复杂的结构直接制造在单晶衬底上，正面结构 完成后从衬底背面采用研磨、腐蚀的方法减薄到耐压所需的厚度，之后通过离子注入形成 P+集电区。该集电区很薄，不超过1微米，且掺杂浓度较低，对少子电子是透明的，通过 集电结的电流以电子流为主(约占70%)。器件关断过程中，存储在漂移区的大量过剩电 子能通过透明集电区迅速流出，而空穴本来就可以顺利流向发射极。这样，NPT-IGBT借 助透明集电区技术，不需要载流子寿命控制就能实现快速关断。而由于漂移区载流子的寿 命足够长，因此通态压降VcEsat具有正温度系数。正是透明集电区技术的这种重大优点， 自NPT-IGBT专利技术后，新出现的各种IGBT基本都采用透明集电区技术。例如，FS-IGBT (参见2000ISPSDPP.355-358)。但采用透明集电区技术的各类IGBT结构，对千伏以上IGBT的制造特别适合，而对于制造耐压在1200V及以下的大量应用的IGBT时却遇到一个很大的制造困难因所需耐压对 应的硅片厚度太薄，制造过程中易发生碎片、曲翘等，造成成品率低、成本高。以耐压600V 的FS-IGBT为例，当芯片减薄到70—80微米后还要有多次清洗、离子注入、退火、金属化 淀积、合金等等，如何保持不碎片、不翘曲、缺陷低、成品率高是一个极严峻的问题。这 使这种技术的推广应用遇到困难。为此，本专利申请人提出了具有内透明集电区的绝缘栅 双极晶体管结构(参见中国专利200710063086.2)。高剂量氦注入到硅半导体材料，可以在硅中诱发形成氦泡，后继退火工艺使氦泡蒸发， 形成纳米空腔，这种纳米空腔改变了硅材料局域结构和电特性，在半导体技术中可用于过 剩载流子局域寿命控制(参见1997 IEEE electron devices, PP. 333-335),超浅结硼扩 散(J. Appl. Phys. 101， 2007) ， SiGe衬底应力释放(Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. B 175-177， 2001)等，但这种技术未见用于功率半导体器件的集电区。本专利技术的目的是利 用这项技术，在IGBT的集电区引入一个极低过剩载流子寿命控制区，为实现集电区内透明 提供一种制造方法。这种制造工艺，同样适用于半导体晶闸管和MCT。
技术实现思路
本专利技术针对现有1200V (含)以内的IGBT制造技术都不很理想进行改进，在集电区靠近集电结的位置通过高剂量氦注入及退火形成纳米空腔薄层是本专利技术技术的重点(参见图1之区域2)。纳米空腔本身可以在硅禁带中央附近引入缺陷能级，可以极大降低纳米空腔层及附近区域过剩载流子寿命，这是它可以使集电区内透明的关键。同时纳米空腔层具有良好的高温稳定性，在器件制造的最开始引入，离子注入能量相对较低，常规离子注入机就能满足要求，不需要专门的注入设备，这是本专利技术的另一特点。第三，纳米空腔具有吸除杂质的作用，可以吸除器件有源区不期望的杂质，改善器件性能，而金属杂质的吸附可以进一步增加过剩载流子的复合，改进集电区透明度。 该制造方法首先进行以下步骤a) 在电阻率为0.02-0.005Qcm的单晶硅P+衬底的表面进行氦离子注入，每次氦离子 注入的剂量在lxlOl5-lxl017cm—2，氦注入的能量范围在20keV-1000keV，b) 实施低、高温退火，低、高温退火的气氛为氩气或者真空；低温退火温度在400-900 °C,时间在30-300分钟，高温退火的温度在1000-1150°C，时间10-300分钟；C)外延缓冲层实施外延工艺前先对衬底进行抛蚀，抛蚀厚度为0.1-1微米；缓冲层外延采用变掺杂浓度外延，变掺杂浓度缓冲层第一层为较高掺杂浓度，掺杂范围在l-50xl017cm、厚度0.1-5微米；第二层较轻掺杂，浓度l-10xlOcm—3，厚度1-15微米； 其余工艺按照穿通型IGBT制造所采用的工艺；在器件集电区近集电结附近形成一个具有稳定的纳米空腔缺陷的极低过剩载流子寿 命控制区，称为纳米空腔层；纳米空腔层的厚度为0.2-3微米，纳米空腔层上边界离集电 结的最终距离在0.1-5微米之间，最终集电区表面的掺杂浓度为5xl0cm—3到5xl018cm—3。 本专利技术技术的特点在于形成纳米空腔层的具体制造方法，该制造方法可以使纳米空腔 层的宽度通过氦注入的次数及能量合理搭配进行调整，范围从0.2微米到3微米，纳米空 腔层上边界且距集电结的位置可以从0.1微米到5微米，它通过氦注入的能量、缓冲层浓 度调节等方法实现。具体工艺工艺如下(1) 在电阻率为0.02-0.005 Qcm的低阻P+单晶衬底上进行高剂量氦注入。高剂量 氦注入的目的是在硅单晶局部区域引入高浓度缺陷和氦泡(参见附图2(a)之区域11)，氦 注入的次数为l-5次，例如1次，2次，3次。每次注入的剂量在1><1015-1><1017 11-2范围， 例如3xl0cm气4xl0cn^或5xl0Wcm气每次注入的能量在20keV-1000keV，例如50keV， 100keV， 200keV, 400keV, 600keV等。不同能量、剂量组合注入，决定了高浓度缺陷区 的范围和高浓度缺陷中心距离表面的距离。典型注入为 一次注入，能量20-10本文档来自技高网...
【技术保护点】
变缓冲层浓度内透明集电区绝缘栅双极晶体管的制造方法，其特征在于，该制造方法首先进行以下步骤： ａ）在电阻率为０．０２－０．００５Ωｃｍ的单晶硅Ｐ＋衬底的表面进行氦离子注入，每次氦离子注入的剂量在１×１０↑［１５］－１×１０↑［１７］ｃ ｍ↑［－２］，氦注入的能量范围在２０ｋｅＶ－１０００ｋｅＶ， ｂ）实施低、高温退火，低、高温退火的气氛为氩气或者真空；低温退火温度在４００－９００℃，时间在３０－３００分钟，高温退火的温度在１０００－１１５０℃，时间１０－３００分钟； ｃ）外延缓冲层：实施外延工艺前先对衬底进行抛蚀，抛蚀厚度为０．１－１微米；缓冲层外延采用变掺杂浓度外延，变掺杂浓度缓冲层第一层为较高掺杂浓度，掺杂范围在１－５０×１０↑［１７］ｃｍ↑［－３］，厚度０．１－５微米；第二层较轻掺杂，浓度 １－１０×１０↑［１６］ｃｍ↑［－３］，厚度１－１５微米； 其余工艺按照穿通型ＩＧＢＴ制造所采用的工艺； 在器件集电区近集电结附近形成一个具有稳定的纳米空腔缺陷的极低过剩载流子寿命控制区，称为纳米空腔层；纳米空腔层的厚度为０．２ －３微米，纳米空腔层上边界离集电结的最终距离在０．１－５微米之间，最终集电区表面的掺杂浓度为５×１０↑［１６］ｃｍ↑［－３］到５×１０↑［１８］ｃｍ↑［－３］。...
【技术特征摘要】
1、变缓冲层浓度内透明集电区绝缘栅双极晶体管的制造方法，其特征在于，该制造方法首先进行以下步骤a)在电阻率为0. 02-0.005Ωcm的单晶硅P+衬底的表面进行氦离子注入，每次氦离子注入的剂量在1×1015-1×1017cm-2，氦注入的能量范围在20keV-1000keV，b)实施低、高温退火，低、高温退火的气氛为氩气或者真空；低温退火温度在400-900℃，时间在30-300分钟，高温退火的温度在1000-1150℃，时间10-300分钟；c)外延缓冲层实施外延工艺前先对衬底进行抛蚀，抛蚀厚度为0.1-1微米；缓冲层外延采用变掺杂浓度外延，变掺杂浓度缓冲层第一层为较高掺杂浓度，掺杂范围在1-50×1017cm-3，厚度0.1-5微米；第二层较轻掺杂，浓度1-10×1016cm-3，厚度1-15微米；其余工艺按照穿通型IGBT制造所采用的工艺；在器件集电区近集电结附近形成一个具有稳定的纳米空腔缺陷的极低过剩载流子寿命控制区，称为纳米空腔层；纳米空腔层的厚度为0.2-3微米，纳米空腔层上边界离集电结的最终距离在0.1-5微米之间，最终集电区表面的掺杂浓度为5×1016cm-3到5×1018cm-3。2、 根据...
【专利技术属性】
技术研发人员：亢宝位，胡冬青，吴郁，单建安，
申请(专利权)人：北京工业大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]
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