一种cstbt的制造方法
【专利摘要】本发明涉及半导体技术，具体的说是涉及一种CSTBT的制造方法。本发明的CSTBT的制造方法的基本工艺先是在P+单晶硅片衬底上依次外延生长N型场截止区2、N-漂移区3；形成正面槽栅MOS工艺后，进行背面减薄；然后主要技术方案是通过硅片背面H+的选择性注入、低温退火，激活与氢相关的施主，形成位于Pbody基区底部的N型CS层。最后加以背面金属化等工艺，形成CSTBT的完整结构。本发明的有益效果为，降低了制造工艺难度，减少了制造成本。本发明尤其适用于CSTBT的制造方法。
【专利说明】一种CSTBT的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及半导体技术，具体的说是涉及一种CSTBT的制造方法。
【背景技术】
[0002]IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor,绝缘栅双极晶体管)是一种电压控制的M0S/BJT复合型半导体功率器件。从结构上，IGBT只是将VDMOS的N+衬底调整为P+衬底，但是引入的电导调制效应克服了 VDMOS本身固有的导通电阻与击穿电压的矛盾，从而使IGBT既具有双极型功率晶体管导通压降低、电流容量大的特点，又具有功率MOSFET输入阻抗高、驱动电路简单的优点。正是由于以上优点使其得到广泛应用，例如:新能源技术、以动车、高铁为代表的先进交通运输工具、混合动力汽车、家用电器等领域。在IGBT导通过程中，N-漂移区内存储大量过剩载流子，通态压降低。在关断过程中，由于背部P型集电区的存在，过剩载流子无法快速抽取，只能复合消失，造成电流拖尾，增大关断损耗。N-漂移区内过剩载流子的数量越多，通态压降越低，但是关断损耗相应增大。因此，IGBT在通态压降与关断损耗间存在折衷关系。
[0003]相对于平面栅IGBT，槽栅IGBT由于增大沟道区总面积、消除JFET效应，有效提升了通态压降与关断损耗间的折衷关系。作为现代IGBT的代表之一，由三菱电机公司提出的CSTBT (Carrier Stored Trench-gate Bipolar Transistor,载流子存储槽栅双极晶体管)是在位于两侧槽栅之间的Pbody基区底部引入N型CS层(Carrier Stored layer,载流子存储层)，其浓度高于N-漂移区浓度，形成约0.2V的扩散势，阻止空穴向上流出器件。为了保证电中性，相应数量的电子通过沟道流入N-漂移区，从而增大整体的过剩载流子浓度，降低导通压降。虽然N型CS层的引入会降低击穿电压，但是通过对N型CS层浓度与厚度的参数优化，可以将该缺点最小化，并且有效提升导通压降与关断损耗间的折衷关系。
[0004]与传统槽栅结构IGBT的制作方法相比，CSTBT的工艺方案基本一致，只是在Pbody基区的硼注入与推阱之前，进行N型CS层的磷或者砷注入与推阱。N型CS层位于Pbody基区底部，结深较大。同时磷或者砷注入的投影射程非常有限，例如:磷在160KeV能量下注入的投影射程只有0.2 μ m。因此需要长时间的高温推阱形成N型CS层所需要的结深。所以传统做法提升了工艺难度，增加了工艺成本。
【发明内容】
[0005]本发明所要解决的，就是针对上述CSTBT制造方法存在的问题，提出一种通过新工艺制作N型CS层的CSTBT的制造方法。
[0006]本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是:一种CSTBT的制造方法，其特征在于，包括以下步骤:
[0007]a:采用P+单晶硅片，制备P+衬底I ;
[0008]b:在P+衬底I上外延生长N型场截止区2 ；
[0009]c:在N型场截止区2上外延生长N-漂移区3 ;[0010]d:在N-漂移区3上完成器件正面工艺，包括制造槽栅5M0S区和Pbody基区8 ；
[0011]e:进行硅片背面减薄；
[0012]f:在硅片背面进行H+的选择性注入、低温退火，在Pbody基区8与N-漂移区3之间形成N型CS层15 ；
[0013]g:背面金属化。
[0014]本方案为采用P+单晶硅片为材料进行制造的方法，主要技术手段为在硅片的背面采用H+的选择性注入，形成位于Pbody基区底部的N型CS层。
[0015]一种CSTBT的制造方法，其特征在于，包括以下步骤:
[0016]a:采用N-漂移区3单晶硅片作为衬底材料；
[0017]b:在N-漂移区3上完成器件正面工艺，包括制造槽栅5M0S区和Pbody基区8 ；
[0018]c:进行硅片背面减薄；
[0019]d:在硅片背面通过磷注入与推阱形成N型场截止区2 ；
[0020]e:在硅片背面通过硼注入和低温退火形成P+区；
[0021]f:在硅片背面进行H+的选择性注入、低温退火，在Pbody基区8与N-漂移区3之间形成N型CS层15 ；
[0022]g:背面金属化。
[0023]本方案为采用N-漂移区为制造材料，与采用P+单晶硅片为材料的方案不同之处为要通过在硅片背面通过磷注入与推阱形成N型场截止区2和在硅片背面通过硼注入和低温退火形成P+区，但是主要特征技术手段是相同的，均为在硅片的背面采用H+的选择性注入，形成位于Pbody基区底部的N型CS层。
[0024]具体的，步骤d的具体步骤为:
[0025]dl:在N-漂移区3上生长场氧化层4 ；
[0026]d2:在N-漂移区3上刻蚀有源区；
[0027]d3:通过反应离子刻蚀栅槽5 ；
[0028]d4:在栅槽5周围生长栅氧化层6 ；
[0029]d5:在栅槽5中进行N+多晶硅淀积与刻蚀；
[0030]d6:在N-漂移区3上进行Pbody基区8的硼注入与推阱；
[0031]d7:在Pbody基区8中进行N+源区9的砷注入与推阱；
[0032]d8:在Pbody基区8上进行BPSGlO的淀积与回流、接触孔11的刻蚀；
[0033]d9:在Pbody基区8中进行P+接触区12的硼注入与退火；
[0034]dlO:正面金属化，形成发射极13。
[0035]具体的，步骤d的具体步骤为:
[0036]dl:在N-漂移区3上外延生长Pbody基区8 ；
[0037]d2:在Pbody基区8上生长场氧化层4 ；
[0038]d3:N-漂移区3上刻蚀有源区；
[0039]d4:通过反应离子刻蚀栅槽5 ；
[0040]d5:在栅槽5周围生长栅氧化层6 ；
[0041 ]d6:在栅槽5中进行N+多晶硅淀积与刻蚀；
[0042]d7:在Pbody基区8中进行N+源区9的砷注入与推阱；[0043]d8:在Pbody基区8上进行BPSGlO的淀积与回流、接触孔11的刻蚀；
[0044]d9:在Pbody基区8中进行P+接触区12的硼注入与退火；
[0045]dlO:正面金属化，形成发射极13。
[0046]本发明的有益效果为，降低了制造工艺难度，减少了制造成本。
【专利附图】
【附图说明】
[0047]图1是本发明一种采用P+单晶硅片为材料制造CSTBT的工艺流程示意图；
[0048]图2是本发明另一种采用P+单晶硅片为材料制造CSTBT的工艺流程示意图；
[0049]图3是本发明采用N-漂移区为材料制造CSTBT的工艺流程示意图；
[0050]图4是实施例中P+单晶硅片衬底I的结构示意图；
[0051]图5是实施例中外延生长N型场截止区2的结构示意图；
[0052]图6是实施例中外延生长N_漂移区3的结构示意图；
[0053]图7是实施例中生长场氧化层4的结构示意图；
[0054]图8是实施例中刻蚀有源区的结构示意图；
[0055]图9是实施例中反应离子刻蚀栅槽5的结构示意图；
[0056]图10是实施例中生长栅氧化层6的结构示意图；
[0057]图11是实施例中N+多晶硅淀积与刻蚀的结构示意图；
[0058]图12是实施例中Pbody基区8硼注入与推阱的结构示意图；
[0059]图13是实施例中N+源区9砷注入与推阱的结构示意图；
[0060]图14是实施例中BPSGlO淀积与回流、接触孔11刻蚀的结构示意图；
[0061]图15是实施例中P+接触区12硼注入与推阱的结构示意图；
[0062]图16是实施例中正面金属化、背面减薄的结构示意图；
[0063]图17是实施例中背面H+选择性注入的结构示意图；
[0064]图18是实施例中低温退火的结构示意图；
[0065]图19是实施例中背面金属化，形成完整结构后的器件示意图。
【具体实施方式】
[0066]下面结合附图和实施例，详细描述本发明的技术方案:
[0067]如图1所示，本发明的一种采用P+单晶硅片为材料CSTBT的制造方法，包括以下步骤:
[0068]第一步:采用P+单晶硅片，制备P+衬底I ;
[0069]第二步:在P+衬底I上外延生长N型场截止区2 ；
[0070]第三步:在N型场截止区2上外延生长N-漂移区3 ；
[0071]第四步:在N-漂移区3上生长场氧化层4 ；
[0072]第五步:在N-漂移区3上刻蚀有源区；
[0073]第六步:通过反应离子刻蚀栅槽5 ；
[0074]第七步:在栅槽5周围生长栅氧化层6 ；
[0075]第八步:在栅槽5中进行N+多晶硅淀积与刻蚀；
[0076]第九步:在N-漂移区3上进行Pbody基区8的硼注入与推阱；[0077]第十步:在Pbody基区8中进行N+源区9的砷注入与推阱；[0078]第^^一步:在Pbody基区8上进行BPSGlO的淀积与回流、接触孔11的刻蚀；
[0079]第十二步:在Pbody基区8中进行P+接触区12的硼注入与退火；
[0080]第十三步:正面金属化，形成发射极13 ；
[0081]第十四步:进行硅片背面减薄；
[0082]第十五步:在硅片背面进行H+的选择性注入、低温退火，在Pbody基区8与N-漂移区3之间形成N型CS层15 ；
[0083]第十六步:背面金属化。
[0084]如图2所示，本发明的另一种采用P+单晶硅片为材料CSTBT的制造方法，包括以下步骤:
[0085]第一步:采用P+单晶硅片，制备P+衬底I ;
[0086]第二步:在P+衬底I上外延生长N型场截止区2 ；
[0087]第三步:在N型场截止区2上外延生长N-漂移区3 ；
[0088]第四步:在N-漂移区3上外延生长Pbody基区8 ；
[0089]第五步:在Pbody基区8上生长场氧化层4 ；
[0090]第六步:N-漂移区3上刻蚀有源区；
[0091]第七步:通过反应离子刻蚀栅槽5 ；
[0092]第八步:在栅槽5周围生长栅氧化层6;
[0093]第九步:在栅槽5中进行N+多晶硅淀积与刻蚀；
[0094]第十步:在Pbody基区8中进行N+源区9的砷注入与推阱；
[0095]第^^一步:在Pbody基区8上进行BPSGlO的淀积与回流、接触孔11的刻蚀；
[0096]第十二步:在Pbody基区8中进行P+接触区12的硼注入与退火；
[0097]第十三步:正面金属化,形成发射极13 ;
[0098]第十四步:进行硅片背面减薄；
[0099]第十五步:在硅片背面进行H+的选择性注入、低温退火，在Pbody基区8与N-漂移区3之间形成N型CS层15 ；
[0100]第十六步:背面金属化。
[0101]如图3所示，为本发明采用N-漂移区为材料制造CSTBT的制造方法，包括以下步骤:
[0102]第一步:采用N-漂移区3单晶硅片作为衬底材料；
[0103]第二步:在N-漂移区3上完成器件正面工艺，包括制造槽栅5M0S区和Pbody基区8 ；
[0104]第三步:进行硅片背面减薄；
[0105]第四步:在N-漂移区3上生长场氧化层4 ；
[0106]第五步:在N-漂移区3上刻蚀有源区；
[0107]第六步:通过反应离子刻蚀栅槽5 ；
[0108]第七步:在栅槽5周围生长栅氧化层6;
[0109]第八步:在栅槽5中进行N+多晶硅淀积与刻蚀；
[0110]第九步:在N-漂移区3上进行Pbody基区8的硼注入与推阱；[0111]第十步:在Pbody基区8中进行N+源区9的砷注入与推阱；[0112]第^^一步:在Pbody基区8上进行BPSGlO的淀积与回流、接触孔11的刻蚀；
[0113]第十二步:在Pbody基区8中进行P+接触区12的硼注入与退火；
[0114]第十三步:正面金属化，形成发射极13 ；
[0115]第十四步:在硅片背面通过硼注入和低温退火形成P+区；
[0116]第十五步:在硅片背面进行H+的选择性注入、低温退火，在Pbody基区8与N-漂移区3之间形成N型CS层15 ；
[0117]第十六步:背面金属化。
[0118]本发明的工作原理为:
[0119]本发明的基本工艺方案是在P+单晶硅片衬底上依次外延生长N型场截止区2、N_漂移区3 ;形成正面槽栅MOS工艺后，进行背面减薄。本发明的主要技术方案是通过硅片背面H+的选择性注入、低温退火，激活与氢相关的施主，形成位于Pbody基区底部的N型CS层。最后加以背面金属化等工艺，形成CSTBT的完整结构。
[0120]由于氢的原子半径与质量在化学元素中均是最小的，所以氢离子在硅中的扩散很快，尤其在正面槽栅MOS区工艺高达1000°C的热处理过程中，氢离子将可能全部扩散至表面，浓度分布变得不均匀。同时氢离子易于加速至高能量以及高穿透性，容易形成氢离子的深注入。例如，氢离子在2MeV能量下注入，投影射程Rp为47.69 μ m,对应的纵向离散偏差、横向离散偏差分别为2.04μ m、2.56 μ m。氢离子的高能注入在投影射程范围内产生大量的缺陷以及复合中心，通过低温退火可以有效激活与氢有关的施主(例如:浅能级热施主等)，形成位于Pbody基区底部的N型CS层，并达到所需要的峰值浓度，同时降低复合中心(例如:双空位、氧空位复合物等)的浓度。氢离子的高能注入将在投影射程Rp附近产生一个N型峰值浓度，并且在Rp的左右I~5 μ m处，氢离子注入形成的N型浓度迅速衰减至峰值浓度的1/100~1/10，该低浓度直至硅片背面趋于不变，其对N_漂移区浓度的影响甚微。选择合适的注入能量使H+的投影射程达到Pbody基区底部，合理的注入剂量可以使H+的对应的施主形成的N型CS层起到阻挡空穴的作用。控制低温退火的温度与时间，可以获得所需要的N型CS层对应的厚度。氢离子注入能量在0.5~3.5MeV范围内对应的投影射程RP、纵向离散偏差、横向离散偏差的测试数据如表1:
[0121]表1氢离子注入能量在0.5~3.5MeV范围内对应的投影射程RP、纵向离散偏差、横向离散偏差
[0122]
【权利要求】
1.一种CSTBT的制造方法，其特征在于，包括以下步骤: a:采用P+单晶硅片，制备P+衬底(I)； b:在P+衬底(I)上外延生长N型场截止区(2)； c:在N型场截止区(2)上外延生长N-漂移区(3)； d:在N-漂移区(3)上完成器件正面工艺，包括制造槽栅(5) MOS区和Pbody基区(8)； e:进行硅片背面减薄； f:在硅片背面进行H+的选择性注入、低温退火，在Pbody基区(8)与N-漂移区(3)之间形成N型CS层(15)；g:背面金属化。
2.—种CSTBT 的制造方法，其特征在于，包括以下步骤: a:采用N-漂移区(3)单晶硅片作为衬底材料； b:在N-漂移区(3)上完成器件正面工艺，包括制造槽栅(5) MOS区和Pbody基区(8)； c:进行硅片背面减薄； d:在硅片背面通过磷注入与推阱形成N型场截止区(2)； e:在硅片背面通过硼注入和低温退火形成P+区； f:在硅片背面进行H+的选择性注入、低温退火，在Pbody基区(8)与N-漂移区(3)之间形成N型CS层(15)；g:背面金属化。
3.根据权利要求1或2所述的一种CSTBT的制造方法，其特征在于，步骤d的具体步骤为: dl:在N-漂移区(3)上生长场氧化层(4)； d2:在N-漂移区(3)上刻蚀有源区； d3:通过反应离子刻蚀栅槽(5)； d4:在栅槽(5)周围生长栅氧化层(6)； d5:在栅槽(5)中进行N+多晶硅淀积与刻蚀； d6:在N-漂移区(3)上进行Pbody基区(8)的硼注入与推阱； d7:在Pbody基区(8)中进行N+源区(9)的砷注入与推阱； d8:在Pbody基区(8)上进行BPSG (10)的淀积与回流、接触孔(11)的刻蚀； d9:在Pbody基区(8)中进行P+接触区(12)的硼注入与退火； dlO:正面金属化,形成发射极(13)。
4.根据权利要求1或2所述的一种CSTBT的制造方法，其特征在于，步骤d的具体步骤为: dl:在N-漂移区(3)上外延生长Pbody基区(8)； d2:在Pbody基区(8)上生长场氧化层(4)； d3:N-漂移区(3)上刻蚀有源区； d4:通过反应离子刻蚀栅槽(5)； d5:在栅槽(5)周围生长栅氧化层(6)； d6:在栅槽(5)中进行N+多晶硅淀积与刻蚀； d7:在Pbody基区(8)中进行N+源区(9)的砷注入与推阱；d8:在Pbody基区(8)上进行BPSG (10)的淀积与回流、接触孔(11)的刻蚀；d9:在Pbody基区(8)中进行P+接触区(12)的硼注入与退火；dlO:正面金属化, 形成发射极(13)。
【文档编号】H01L21/331GK103715085SQ201310745619
【公开日】2014年4月9日 申请日期:2013年12月30日 优先权日:2013年12月30日
【发明者】李泽宏, 宋文龙, 邹有彪, 宋洵奕, 吴明进, 张金平, 任敏 申请人:电子科技大学