专利名称：使用锗/铝形成的绝缘栅双极晶体管的集电极及其制造方法
技术领域：
本发明涉及一种使用锗/铝形成的绝缘栅双极晶体管(IGBT)的集电极及其制造 方法，尤其涉及一种在穿通型和非穿通型的绝缘栅双极晶体管中，使用锗/铝形成的集电 极及相应的制作方法。
背景技术：
在IGBT的制造过程中，需要在硅片的背面形成集电极。而目前，非穿通型和穿通 型的IGBT都采用硅片背面注入的方法来形成集电极，这样的方式需要昂贵的注入机，同时 还需要用于激活注入杂质的热退火设备。例如，在美国专利第7005702号中，介绍了一种非穿通型IGBT的集电极或阳极结构， 该结构是采用区熔单晶硅，在超薄硅片的背面淀积一层P型掺杂的非晶硅，由此形成集电极。例如，在美国专利第6242288号中，介绍了一种非穿通型IGBT的弱集电极(阳极) 的制作方法。该方法采用区熔单晶硅材料，在硅片正面的DM0S结构完成后，将从硅片背部 将硅片的厚度减薄到250i!m以下；随后在硅片背面注入一层浅的P型杂质，然后把硅片放 在真空腔体内加热到400°C约30 40秒，用于去除硅片背面的湿气以及污染物；最后，在 硅片背面溅射一层铝，然后再溅射一层其他金属，以形成背面电极。本方法不需要炉管退 火或激光退火来激活集电极结。由于本方法中，采用铝做P型杂质，其存在两个问题，一是 P-Si/Al的接触电阻会比较大，从而导致IGBT开启时具有较高的电压降；二是由于空穴注 入的效率较高，从而导致IGBT的关断时间增加。综上所述，现有的IGBT的集电极的结构和制造方法，大都需要采用注入机对硅片 背面进行P型掺杂注入，成本高。故需要提出一种新的同时适用于非穿通型和穿通型的 IGBT的集电极的结构和制造方法，可降低制造成本、减化制造步骤，提高生产效率及质量。
发明内容
本发明的目的是提供一种使用锗/铝形成的IGBT的集电极及其制造方法，其同时 适用于非穿通型和穿通型的IGBT，有效降低生产制造的成本，并改善产品的参数性能。为了达到上述目的，本发明提供一种使用锗/铝形成的IGBT的集电极，其形成在 IGBT背面的衬底层上，包含直接形成在该衬底层的背部表面上的锗薄膜层；以及形成在该锗薄膜层上的铝薄膜层。其中，所述的铝薄膜层中的铝扩散至所述的锗薄膜层中，形成作为IGBT集电极的 P型锗薄膜层。所述的P型锗薄膜层形成在N型衬底层的背部表面上。本发明还提供一种使用锗/铝形成的IGBT的集电极的制造方法，其包含以下步 骤
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步骤1、在完成IGBT的硅片正面结构制作后，对位于硅片背部的衬底层进行减薄 和腐蚀；步骤2、在对IGBT的硅片背部衬底层完成减薄和腐蚀后，在硅片背部衬底层的表 面依次先后形成锗薄膜层和铝薄膜层；步骤3、对所形成的锗、铝薄膜层进行退火。所述的步骤2中，可通过以下若干方式来先后形成锗薄膜层和铝薄膜层一是采用蒸发锗/铝的方式，具体包含以下步骤步骤2. 1、首先在硅片背部衬底层的表面蒸发金属锗，形成一锗薄膜层；步骤2. 2、随后在该锗薄膜层表面蒸发金属铝，形成一铝薄膜层。二是采用溅射锗/铝的方式，具体包含以下步骤步骤2. 1、首先在硅片背部衬底层的表面溅射金属锗，形成一锗薄膜层；步骤2. 2、随后在该锗薄膜层表面溅射金属铝，形成一铝薄膜层。三是采用先注入锗再淀积铝的方式，具体包含以下步骤步骤2. 1、首先在硅片背部衬底层的表面注入金属锗，形成一锗薄膜层；步骤2. 2、随后在该锗薄膜层表面淀积金属铝，形成一铝薄膜层。所述的步骤3中，对所形成的锗、铝薄膜层进行退火的步骤包含以下若干方式方式一是采用在真空腔体中对锗、铝薄膜层进行退火；该真空腔体中的退火温度 为室温(25°C ) 400°C，优选为200°C 400°C ；退火时间为30秒 120分钟，优选为10 分钟 60分钟；其中，所述的退火时间取决于Ge薄膜层的厚度和空穴注入效率。方式二是采用在炉管中使用氮氢混合气体，对锗、铝薄膜层进行热退火；该炉管中 的退火温度为300°C 450°C，优选为350°C 450°C;退火时间为10分钟 120分钟，优选 为10分钟 60分钟；其中，所述的退火时间取决于Ge薄膜层的厚度和空穴注入效率。方式三是对锗、铝薄膜层采用激光退火。本发明所述的IGBT的集电极是采用锗/铝形成的。由于锗的禁带宽度比硅的禁 带宽度窄，P-Ge/Al的势垒高度比现有技术中采用的P-Si/Al的势垒高度低，因而P-Ge/Al 的接触电阻比P-Si/Al的接触电阻小，由此可减低IGBT开启时的较高的电压降；另外，由 于锗的禁带宽度比硅的禁带宽度窄，所以本发明使用锗/铝形成集电极的PNP型IGBT的注 入效率会比常规的硅PNP型IGBT要低，因而采用本发明集电极的IGBT的关断时间将缩短； 其次，还可以通过调整锗薄膜层的厚度或者退火功率、温度、时间等因素来控制空穴注入效 率，从而调整IGBT的关断时间。本发明提供的使用锗/铝形成的IGBT的集电极及其制造方法，其同时适用于非穿 通型和穿通型的IGBT，可降低制造成本、减化制造步骤、改善产品的参数性能。
图1 图3所示为本发明方法用于非穿通型IGBT时的各步骤的示意图。图4 图6所示为本发明方法用于穿通型IGBT时的各步骤的示意图。
具体实施例方式以下结合图1 图6，通过优选的具体实施例，详细说明本发明。
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如图1 图3所示，对于非穿通型的IGBT，提供本发明的一个具体实施例。如图2所示，非穿通型IGBT的结构为在N_型硅衬底103 (漂移区)的上部，设置 有导电类型与其相同的高掺杂浓度N+源区，在其相邻处设置有导电类型与其相反的P-沟 道区和高掺杂浓度的P+源极短路区；在硅片的表面覆盖一层绝缘介质膜105，这层绝缘介 质膜即为器件的栅介质；由所述的N+源区和P+源极短路区、位于P-沟道区上方绝缘介质 膜105、以及在N-型硅衬底背面形成的导电性能良好的锗/铝薄膜层相应引出为阴极(发 射极)、栅极、以及阳极(集电极)，从而构成纵向的非穿通型IGBT。其中，本发明所述的使用锗/铝形成的非穿通型IGBT的集电极形成在IGBT背面 的N-衬底层103上，其包含直接形成在该衬底层的背部表面上的锗薄膜层101 ；以及形成在该锗薄膜层上的铝薄膜层102。制造该所述的集电极的具体包括以下步骤步骤1、如图1所示，在完成该非穿通型IGBT的硅片正面结构制作后，对位于硅 片背部的N-衬底层103进行减薄和腐蚀；在本实施例中，将硅片从720 u m的厚度减薄到 50 y m 200 y m这样一个所需的厚度，同时通过腐蚀去除硅片背面的损伤层和磨损层；步骤2、如图2所示，在对IGBT的硅片背部的N_衬底层103完成减薄和腐蚀后， 在硅片背部的N-衬底层103的表面依次先后形成锗薄膜层101和铝薄膜层102 ；具体步骤 为步骤2. 1、首先在硅片背部N-衬底层103的表面蒸发金属锗，形成一锗薄膜层 101 ；步骤2. 2、随后在该锗薄膜层101表面蒸发金属铝，形成一铝薄膜层102 ；该步骤2中，也可以通过溅射先后形成锗、铝薄膜层，或者通过先注入锗再淀积铝 的方式先后形成锗、铝薄膜层；其中，锗薄膜层101的厚度为50A 5000A;铝薄膜层102的厚度为100A 10000A ；步骤3、对所形成的锗、铝薄膜层进行退火；可以采用不同的退火方式，例如方式一是采用在真空腔体中对锗、铝薄膜层进行退火；该真空腔体中的退火温度 为室温(25°C ) 400°C，优选为200°C 400°C ；退火时间为30秒 120分钟，优选为10 分钟 60分钟；本实施例中，可以在250°C或者280°C的温度下在真空腔体中对锗、铝薄膜层进行 退火；而具体的退火时间则取决于Ge薄膜层的厚度和空穴注入效率；方式二是采用在炉管中使用氮氢混合气体，对锗、铝薄膜层进行热退火；该炉管中 的退火温度为300°C 450°C，优选为350°C 450°C;退火时间为10分钟 120分钟，优选 为10分钟 60分钟； 本实施例中，可以在350°C或者380°C的温度下在炉管中使用氮氢混合气体，对 锗、铝薄膜层进行热退火；而具体的退火时间则取决于Ge薄膜层的厚度和空穴注入效率；方式三是对锗、铝薄膜层采用激光退火。最后，如图3所示，在铝薄膜层的表面上依次淀积钛薄膜层、镍薄膜层和银薄膜层。
上述方法中，步骤3所进行的退火工艺驱使A1往Ge薄膜层中扩散，由于A1是III 族元素，从而形成了 P型Ge薄膜层，而这层P型Ge薄膜层就是IGBT的集电极(阳极)。A1 在Ge薄膜层中的扩散浓度越高，空穴的注入效率就越高，IGBT的导通性能就越好，但关断 时间就越长；反之，A1在Ge薄膜层中扩散浓度越低，空穴的注入效率就越低，IGBT导通性 能就越差，但关断时间就越短。通常，A1在Ge薄膜层中的表面浓度范围为1018 1021cm_3。 综上，可见通过调整Ge薄膜层的厚度和退火条件，就可以灵活的对IGBT器件的关断时间和 导通电阻进行折中选择。如图4 图6所示，对于穿通型的IGBT，提供本发明方法的另一个具体实施例，所 述的穿通型IGBT与非穿通型IGBT相比，区别在于穿通型IGBT在硅片背部的N-衬底层103 的底部还设有一 N+缓冲层104。如图5所示，为本发明提供的使用锗/铝形成的穿通型IGBT的集电极，其形成在 IGBT背面的N型衬底层上，包含直接形成在该衬底层的背部表面上的锗薄膜层101 ；以及形成在该锗薄膜层上的铝薄膜层102。制造该所述的集电极的具体包括以下步骤步骤1、如图4所示，在完成该穿通型IGBT的硅片正面结构制作后，对位于硅片 背部的N-衬底层103进行减薄和腐蚀；在本实施例中，将硅片从720 u m的厚度减薄到 50 y m 200 y m这样一个所需的厚度，同时通过腐蚀去除硅片背面的损伤层和磨损层；随 后再采用先注入后退火激活的方式，在硅片背部的N-衬底层103的底部形成一 N+缓冲层 104 ；步骤2、如图5所示，在对IGBT的硅片背部衬底层完成减薄和腐蚀后，在硅片背部 衬底层的表面依次先后形成锗薄膜层和铝薄膜层；具体步骤为步骤2. 1、首先在硅片背部N+缓冲层104的表面蒸发金属锗，形成一锗薄膜层 101 ；步骤2. 2、随后在该锗薄膜层101表面蒸发金属铝，形成一铝薄膜层102 ；该步骤2中，也可以通过溅射先后形成锗、铝薄膜层，或者通过先注入锗再淀积铝 的方式先后形成锗、铝薄膜层；其中，锗薄膜层101的厚度为50A 5000A;铝薄膜层102的厚度为100A 10000A ；步骤3、对所形成的锗、铝薄膜层进行退火；可以采用不同的退火方式，例如方式一是采用在真空腔体中对锗、铝薄膜层进行退火；该真空腔体中的退火温度 为室温(25°C ) 400°C，优选为200°C 400°C ；退火时间为30秒 120分钟，优选为10 分钟 60分钟；本实施例中，可以在250°C或者280°C的温度下在真空腔体中对锗、铝薄膜层进行 退火；而具体的退火时间则取决于Ge薄膜层的厚度和空穴注入效率；方式二是采用在炉管中使用氮氢混合气体，对锗、铝薄膜层进行热退火；该炉管中 的退火温度为300°C 450°C，优选为350°C 450°C;退火时间为10分钟 120分钟，优选 为10分钟 60分钟；本实施例中，可以在350°C或者380°C的温度下在炉管中使用氮氢混合气体，对
6锗、铝薄膜层进行热退火；而具体的退火时间则取决于Ge薄膜层的厚度和空穴注入效率；方式三是对锗、铝薄膜层采用激光退火。如前所述，本实施例中步骤3所述的退火工艺，可驱使A1往Ge薄膜层中扩散，并 形成作为IGBT的集电极(阳极)的P型Ge薄膜层。最后，如图6所示，在铝薄膜层的表面上依次淀积钛薄膜层、镍薄膜层和银薄膜层。本发明所述的IGBT的集电极是采用锗/铝形成的。由于锗的禁带宽度比硅的禁 带宽度窄，P-Ge/Al的势垒高度比现有技术中采用的P-Si/Al的势垒高度低，因而P-Ge/Al 的接触电阻比P-Si/Al的接触电阻小，由此可减低IGBT开启时的较高的电压降；另外，由 于锗的禁带宽度比硅的禁带宽度窄，所以本发明使用锗/铝形成集电极的PNP型IGBT的注 入效率会比常规的硅PNP型IGBT要低，因而采用本发明集电极的IGBT的关断时间将缩短； 其次，还可以通过调整锗薄膜层的厚度或者退火功率、温度、时间等因素来控制空穴注入效 率，从而调整IGBT的关断时间。本发明提供的使用锗/铝形成的IGBT的集电极及其制造方法，其同时适用于非穿 通型和穿通型的IGBT，可降低制造成本、减化制造步骤、改善产品的参数性能。尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的 描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的 多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。
权利要求
一种使用锗/铝形成的IGBT的集电极，其特征在于，该集电极形成在IGBT背面的衬底层上，包含形成在该衬底层的背部表面上的锗薄膜层；以及形成在该锗薄膜层上的铝薄膜层。
2.如权利要求1所述的使用锗/铝形成的IGBT的集电极，其特征在于，所述的铝薄膜 层中的铝扩散至所述的锗薄膜层中，形成作为IGBT集电极的P型锗薄膜层。
3.如权利要求2所述的使用锗/铝形成的IGBT的集电极，其特征在于，所述的P型锗 薄膜层形成在N型衬底层的背部表面上。
4.一种使用锗/铝形成的IGBT的集电极的制造方法，其特征在于，包含以下步骤 步骤1、在完成IGBT的硅片正面结构制作后，对位于硅片背部的衬底层进行减薄和腐蚀；步骤2、在对IGBT的硅片背部衬底层完成减薄和腐蚀后，在硅片背部衬底层的表面依 次先后形成锗薄膜层和铝薄膜层；步骤3、对所形成的锗、铝薄膜层进行退火。
5.如权利要求4所述的制造方法，其特征在于，所述的步骤2中，具体包含以下步骤 步骤2. 1、首先在硅片背部衬底层的表面蒸发金属锗，形成一锗薄膜层；步骤2. 2、随后在该锗薄膜层表面蒸发金属铝，形成一铝薄膜层。
6.如权利要求4所述的制造方法，其特征在于，所述的步骤2中，具体包含以下步骤 步骤2. 1、首先在硅片背部衬底层的表面溅射金属锗，形成一锗薄膜层；步骤2. 2、随后在该锗薄膜层表面溅射金属铝，形成一铝薄膜层。
7.如权利要求4所述的制造方法，其特征在于，所述的步骤2中，具体包含以下步骤 步骤2. 1、首先在硅片背部衬底层的表面注入金属锗，形成一锗薄膜层；步骤2. 2、随后在该锗薄膜层表面淀积金属铝，形成一铝薄膜层。
8.如权利要求4所述的制造方法，其特征在于，所述的步骤3中，在真空腔体中对锗、铝 薄膜层进行退火；该真空腔体中的退火温度为25°C 400°C，退火时间为30秒 120分钟。
9.如权利要求8所述的制造方法，其特征在于，所述的真空腔体中的退火温度为 200°C 400°C，退火时间为10分钟 60分钟。
10.如权利要求4所述的制造方法，其特征在于，所述的步骤3中，在炉管中使用氮氢混 合气体，对锗、铝薄膜层进行热退火；该炉管中的退火温度为300°C 450°C，退火时间为10 分钟 120分钟。
11.如权利要求10所述的制造方法，其特征在于，所述的炉管中的退火温度为350°C 450°C，退火时间为10分钟 60分钟。
12.如权利要求4所述的制造方法，其特征在于，所述的步骤3中，对锗、铝薄膜层进行 激光退火。
全文摘要
本发明提供一种使用锗/铝形成的IGBT的集电极，以及该集电极的制造方法，该集电极形成在IGBT背面的衬底层上，包含依次形成的锗、铝薄膜层；通过对IGBT的硅片背面进行减薄、腐蚀后，分别蒸发锗铝依次形成锗、铝薄膜层，然后进行退火的方法进行制造。本发明同时适用于非穿通型和穿通型的IGBT，可降低制造成本、减化制造步骤、改善产品的参数性能。
文档编号H01L29/417GK101930995SQ20091014638
公开日2010年12月29日 申请日期2009年6月19日 优先权日2009年6月19日
发明者冯涛, 吴瑞生, 段磊, 陈益, 黄平 申请人:万国半导体股份有限公司