一种高介电常数栅介质‑金属栅极的IGBT的制作方法

本实用新型涉及一种高介电常数栅介质-金属栅极的IGBT，属于半导体IGBT器件新型材料结构的技术应用。

背景技术：

目前IGBT（绝缘栅双极型晶体管）半导体器件的栅极通常采用传统的SiO₂栅氧化层介质和多晶硅栅极的材料和结构，存在栅极漏电流大、杂质扩散、及多晶硅耗尽效应等缺点，影响IGBT器件的工作性能。采用高介电常数的材料作为器件的栅介质，因介质的物理厚度增加，可以限制栅与沟道间的隧穿效应的影响，减少漏电流和杂质扩散，从而降低IGBT器件的功耗，提高器件的开关速度，增加器件的可靠性。采用金属栅极和高介电常数栅介质相结合，可以消除多晶硅耗尽效应和费米能级钉扎效应，提升IGBT器件的整体性能。

技术实现要素：

本实用新型设计的高介电常数栅介质-金属栅极的IGBT，采用铪硅氧氮化物(HfSiON)作为器件栅极介质；在栅极介质和外延层之间引入一层薄的SiON界面层；在栅极介质上沉积TaN作为器件的栅极。

传统的IGBT栅极结构由栅极氧化物介质和多晶硅栅极构成。本实用新型设计的高介电常数栅介质-金属栅极的IGBT相比传统的IGBT栅极结构优点如下：

铪硅氧氮化物(HfSiON)栅极介质的介电常数k=15，相比传统的SiO₂栅介质(K=3.9)，可以有效增加栅介质层的物理厚度，进而减小栅介质层的直接隧穿效应，降低栅泄漏电流。铪硅氧氮化物(HfSiON)栅极介质有很好的热稳定性，可以避免高温下与其它界面发生反应形成低k材料。HfSiON栅极介质在1000^oC的高温下仍能保持非晶态，可以防止因结晶造成杂质和栅漏电流沿着晶粒间界移动，而导致泄漏电流增大的现象。HfSiON栅极介质具有大的带隙和高的势垒高度，可以有效降低栅隧穿电流。HfSiON栅极介质缺陷态和固定电荷密度低，迁移率高。

在HfSiON栅极介质和Si外延层之间的引入SiON界面层，可以改善HfSiON栅极介质与Si外延层的界面特性，降低二者之间的界面态密度，提高载流子的迁移率。SiON界面层比SiO₂具有更高的介电常数。

TaN金属栅极可以消除多晶硅耗尽效应和费米能级钉扎效应，降低栅极内电阻，提高栅控能力。TaN金属栅极具有较好的热力学和化学稳定性，界面特性好，与高介电常数栅介质结合具有良好的电学特性。

附图说明

图1本实用新型设计的高介电常数栅介质-金属栅极的IGBT的元胞结构图

图中1发射极，2HfSiON栅极介质，3TaN金属栅极，4SiON界面层，5P+阱，6N-外延层，7N+缓冲层，8P+衬底，9集电极 。

具体实施方式

本实用新型设计的高介电常数栅介质-金属栅极的IGBT的栅极结构如图1所示，其栅极结构由 HfSiON栅极介质2、TaN金属栅极3、SiON界面层4构成。

本实用新型设计的IGBT器件，其栅极结构的具体制作方法为：

第一步，在PECVD（等离子增强化学气相沉积）设备的腔体内沉积一层薄的SiON界面层4。在腔体内通入制程气体SiH₄、N₂O和NH₃，沉积温度控制在350^oC。气体分子在真空、射频的环境下解离成等离子体扩散至晶圆表面，发生反应沉积一层SiON薄膜，反应原理为SiH₄ + N₂O + NH₃→SiON + H₂↑+ N₂↑。

第二步，在MOCVD（金属有机物化学气相沉积）设备的腔体内沉积高介电常数栅介质HfSiON层。先在腔体内通入制程气体Hf[N[CH₃]₂]₄、SiH[N[CH₃]₂]₃和NH₃，沉积温度为600^oC，沉积一层HfSiN薄膜；然后在O₂（600^oC，1000 mTorr）的气氛中氧化形成HfSiON。

第三步，在MOCVD（金属有机物化学气相沉积）设备的腔体内制作TaN金属栅极。以Ta(NCMe₃)(NEtMe)₃作为前躯体，N₂为载气，沉积温度为600^oC，腔体气压为1000mTorr，沉积TaN制作金属栅极。然后在NH₃的气氛中900^oC高温退火，以降低TaN金属栅极2的电阻率。

由上述可知，本实用新型设计的高介电常数栅介质-金属栅极的IGBT，具有开关功耗低、开关速度快、控制能力强、可靠性高等优点，使IGBT半导体器件的整体性能得到了提升。