专利名称：一种硅化物全自对准槽栅绝缘栅双极晶体管设计及制备工艺的制作方法
一、所属领域本发明属于半导体绝缘栅场效应器件的器件结构、版图设计和制造以及超大规模集成电路工艺研究领域，进一步涉及一种采用硅化物全自对准制备槽栅绝缘栅双极晶体管(IGBT)的设计及制备工艺。
本发明在设计中，利用MOS器件衬底接地同时实现IGBT多重沟道短路的结构，这种结构能有效地消除IGBT器件的闩锁效应。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是硅化物全自对准槽栅绝缘栅双极晶体管(IGBT)的设计及制备工艺，其特征在于包括以下步骤1)选取n型单晶硅作为基底材料；2)在n型单晶硅的正面通过两次材料改性分别形成p型硅和n+型硅；3)将n+型硅的多个局部再作一次材料改性成为p+型硅；p+型硅在横向为等距排列的长条形图形，在纵向p+型硅与p型硅连通；4)在n型硅的表面LPCVD淀积氧化层；5)正面刻槽，槽在横向也是等距排列的长条形图形，并与p+型硅正交；其制备工艺只用两次光刻完成绝缘栅双极晶体管(IGBT)的器件制造，且两次光刻之间没有套刻关系；按以下步骤进行①.在n型单晶硅上通过两次离子注入形成p型硅层和n+硅层，分别对应于IGBT的衬底和源，这两次离子注入都是在硅片上直接注入，不用光刻图形；②.第一张光刻版是在前面两次离子注入硅材料的基础上，光刻p+区，有选择地注入p+硅层，该p+硅层与第一次注入的p硅层连通，最终实现IGBT器件的衬底接地；该p+硅层还有一个重要作用就是当与p+硅层图形垂直的槽栅形成以后，在所有p+硅层和P硅层连通的地方形成IGBT沟道多重短路结构；③.利用LPCVD淀积氧化层作为多晶硅栅极反刻的硬掩膜，实现多晶硅栅极的无光刻刻蚀；第二版就是光刻槽栅图形，该图形与第一次光刻图形互为垂直，但不存在套刻以及图形大小之间的关系；④.利用VLSI等离子各向异性刻蚀技术在硅片表面台阶处形成残余sio2侧墙称为氧化侧墙；在氧化侧墙形成的同时，硅和多晶硅上的氧化层也被完全去除干净，从而可直接作为下一步的接触孔使用；⑤.利用VLSI的硅化物技术，借助上一步的氧化侧墙自动形成栅、源连接；硅化物的形成机理是在前述氧化侧墙形成以后，在硅片表面大面积淀积金属钛Ti，在N2气氛中的热解反应，凡是有硅和多晶硅的地方形成C49 TiSi2高阻硅化物层，而Ti与氧化侧墙不发生反应；⑥.用化学湿法选择刻蚀去掉未反应的金属Ti；对高阻硅化物层进行高温退火即转变成C54 TiSi2的低阻硅化物金属连接层，电阻率约为14μΩcm～18μΩcm。
本发明具先进性、可实施性及实用性于一体，全套工艺除了P+版和槽栅版两张版以外，其余所有光刻都被省去，消除了所有套刻关系，从而使IGBT元包尺寸极大的减小，增大了单位面积的元包密度和沟道宽度，降低了器件的导通电阻。可以看出，由于氧化侧墙的原因，自动形成了栅、源连接层12。
本发明的材料改性是按照半导体的导电原理，1)经过高温扩散或离子注入等方式掺入一定类型的杂质后，电阻率明显减小，成为可导电材料；根据掺入硅材料中的杂质不同，硅的导电类型也不同，当掺入硼等三价元素后，硅是空穴导电，称为P型硅，当掺入磷等五价元素后，硅是电子导电，称为n型硅；2)对硅片进行两次大面积的材料改性，采用槽栅结构，在IGBT器件制备过程中，把n型硅表面约1.5-2.0μm的表层注入杂质硼变成P型硅，再把表面约0.5-1.0μm的表层注入杂质砷变成n型硅；3)两次改变硅表面薄层的导电类型，都不用进行光刻。
由于本发明提出了一种槽栅IGBT的新结构，只用两张且无套刻的光刻版完成了IGBT器件的制造，整个制造工艺全部实现自对准，减少了器件制造过程中人为因素的影响，极大地优化了IGBT的制造工艺，同时把元包尺寸缩至2μm以下，这对增大IGBT单芯片电流容量、提高成品率降低成本至关重要。
具体实施例方式参见
图1、图2，依本发明的技术方案，本发明的硅化物全自对准槽栅绝缘栅双极晶体管(IGBT)的设计及制备工艺，包括以下步骤1)选n型硅1作为基底材料；2)在n型硅1的正面通过两次材料改性分别形成p型硅2和n+型硅3，p型硅2和n+型硅3在横向为整个基底材料的表面6，在纵向参见图1的截面图(d-d’)。
3)将n+型硅3的多个局部再作一次材料改性成为p+型硅4，p+型硅4在横向为等距排列的长条形图形，在纵向p+型硅4与p型硅2连通，参见图1的截面图(c-c’)。
4)在n型硅1的表面LPCVD淀积氧化层7。
5)正面刻槽5，槽5在横向也是等距排列的长条形图形，并与p+型硅4正交，在纵向看截面图(a-a’)或(b-b’)。
其工艺过程是1.在n型单晶硅1上通过两次离子注入形成p型层2和n+层3，分别对应于IGBT的衬底区和源极区，这两次离子注入都是在硅片上直接进行，不用光刻图形。基底材料的表面6是完成上述两次离子注入后硅圆片的顶视图，其剖面图结构如图1的(d-d’)截面图所示；2.第一张光刻版是在前面两次离子注入硅圆片的基础上，光刻p+区4，有选择地注入p+层。该p+层与第一次注入的p层2(IGBT器件的衬底)连通，即实现IGBT器件的衬底接地，p+型硅4还有一个重要作用就是当与p+图形垂直的槽栅5形成以后，凡是有p+型硅4连通的沟道区13形成所谓的IGBT多重沟道短路结构。这种利用MOS器件衬底接地同时实现IGBT多重沟道短路的结构，这种结构能有效地消除IGBT器件的闩锁效应。
3.利用LPCVD淀积氧化层7作为多晶硅栅极反刻的硬掩膜，实现多晶硅栅极的无光刻刻蚀；4.第二张光刻版就是光刻槽栅图形5，该图形与第一次光刻图形4互为垂直，但不存在套刻以及图形大小之间的关系。
5.利用VLSI等离子各向异性刻蚀技术在硅片表面有槽栅图形的区域刻槽15。
6.栅氧化层生长，干法生长氧化层(sio2)8(参见图2a中，栅氧化层是指位于刻槽区侧面，多晶硅与硅之间的薄层，厚度约100nm，图中仅用一条线表示，为避免混淆附一圆圈指明)。
7.利用LPCVD淀积多晶硅并自对准反刻至硬掩膜氧化层(sio2)终止，所有槽区即留下了最终的IGBT多晶硅栅极9。
8.去除硬掩膜氧化层(sio2)(图2b)，LPCVD淀积氧化层(sio2)，利用VLSI等离子各向异性刻蚀技术蚀刻氧化层至硅表面，这时在所有多晶硅与硅的台阶处形成残留sio2侧墙称为氧化侧墙(图2c)。
9.利用VLSI的硅化物形成工艺，在硅片表面大面积均匀淀积金属Ti(钛)11。在N2气氛中，钛与硅将发生热解反应，而Ti与氧化物不发生热解反应。用化学湿法选择刻蚀技术去掉氧化侧墙表面的金属Ti，可以看出，由于氧化侧墙的原因，自动形成了栅、源连接层12。
权利要求
1.一种硅化物全自对准槽栅绝缘栅双极晶体管(IGBT)的设计及制备工艺，其特征在于包括以下步骤1)选取n型单晶硅作为基底材料；2)在n型单晶硅的正面通过两次材料改性分别形成p型硅和n+型硅；3)将n+型硅的多个局部再作一次材料改性成为p+型硅；p+型硅在横向为等距排列的长条形图形，在纵向p+型硅与p型硅连通；4)在n型硅的表面LPCVD淀积氧化层；5)正面刻槽，槽在横向也是等距排列的长条形图形，并与p+型硅正交；其制备工艺只用两次光刻完成绝缘栅双极晶体管(IGBT)的器件制造，且两次光刻之间没有套刻关系；按以下步骤进行①.在n型单晶硅上通过两次离子注入形成p型硅层和n+硅层，分别对应于IGBT的衬底和源，这两次离子注入都是在硅片上直接注入，不用光刻图形；②.第一张光刻版是在前面两次离子注入硅材料的基础上，光刻p+区，有选择地注入p+硅层，该p+硅层与第一次注入的p硅层连通，最终实现IGBT器件的衬底接地；该p+硅层还有一个重要作用就是当与p+硅层图形垂直的槽栅形成以后，在所有p+硅层和P硅层连通的地方形成IGBT沟道多重短路结构；③.利用LPCVD淀积氧化层作为多晶硅栅极反刻的硬掩膜，实现多晶硅栅极的无光刻刻蚀；第二版就是光刻槽栅图形，该图形与第一次光刻图形互为垂直，但不存在套刻以及图形大小之间的关系；④.利用VLSI等离子各向异性刻蚀技术在硅片表面台阶处形成残余sio2侧墙称为氧化侧墙；在氧化侧墙形成的同时，硅和多晶硅上的氧化层也被完全去除干净，从而可直接作为下一步的接触孔使用；⑤.利用VLSI的硅化物技术，借助上一步的氧化侧墙自动形成栅、源连接；硅化物的形成机理是在前述氧化侧墙形成以后，在硅片表面大面积淀积金属钛Ti，在N2气氛中的热解反应，凡是有硅和多晶硅的地方形成C49 TiSi2高阻硅化物层，而Ti与氧化侧墙不发生反应；⑥.用化学湿法选择刻蚀去掉未反应的金属Ti；对高阻硅化物层进行高温退火即转变成C54 TiSi2的低阻硅化物金属连接层，电阻率约为14μΩcm～18μΩcm。
2.根据权利要求1所述的硅化物全自对准槽栅绝缘栅双极晶体管的设计和制备工艺，其特征在于，所述材料改性的方法是1)经过高温扩散或离子注入等方式掺入一定类型的杂质后，电阻率明显减小，成为可导电材料；根据掺入硅材料中的杂质不同，硅的导电类型也不同，当掺入硼等三价元素后，硅是空穴导电，称为P型硅，当掺入磷等五价元素后，硅是电子导电，称为n型硅；2)对硅片进行两次大面积的材料改性，采用槽栅结构，在IGBT器件制备过程中，把n型硅表面约1.5-2.0μm的表层注入杂质硼变成P型硅，再把表面约0.5-1.0μm的表层注入杂质砷变成n型硅；3)两次改变硅表面薄层的导电类型，都不用进行光刻。
全文摘要
本发明公开了一种全自对准的槽栅绝缘栅双极晶体管(IGBT)设计和制造工艺，全套工艺除了P
文档编号H01L21/02GK1400640SQ0211467
公开日2003年3月5日 申请日期2002年7月15日 优先权日2002年7月15日
发明者袁寿财, 朱长纯 申请人:西安交通大学