[发明专利]集电区碳注入内透明集电极IGBT制造技术

说明书

技术领域：

本发明涉及一种半导体器件制造方法，更具体说是一种采用集电区碳注入的内透明集电极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。

背景技术：

绝缘栅双极晶体管（IGBT）做为电重要的开关器件，兼具双极结型晶体管（BJT）的导通损耗低和金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）开关速度快、工作频率高的优点，广泛应用于电机变频调速、不间断电源、逆变焊机等电路。IGBT最早由不同的研究者于1980年代前后分别提出（参见1982 IEDM Tech.Dig.，pp.246-247,IEEE Transaction onPower Electronics,Vol.PE-2,No.3,PP.194-207），经过三十多年发展，器件结构、性能指标都得到了巨大改善。单就耐压层结构来说，包括穿通型（PT）、非穿通型（NPT）和场终止型（FS）。

PT-IGBT是最早投入生产的一类IGBT，它以数百微米厚的P+单晶为起始材料（衬底），在完成N+缓冲层和N-耐压层外延后，进行复杂的正面结构制造。这类IGBT具有工艺成熟、易控制、成品率高等优点。但这种结构的IGBT，其集电区为重掺杂厚衬底，器件关断过程中如果单纯通过扩散方式抽出过剩载流子，关断速度非常慢。为在导通特性和关断速度之间获得最佳折中，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。全局载流子低寿命易造成导通压降V_CEsat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，不利于大电流器件或多器件并联工作。

NPT-IGBT（参见1989 PESC Record 1，PP.21-25；1996 ISPSD，PP.331-334和PP.164-172）最初是为了制备高压器件（1700V以上）提出的结构，目的是为了规避传统PT工艺需要的高质量厚外延。NPT-IGBT以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，背面经过研磨、腐蚀等方法，减薄到耐压所需的厚度，之后通过离子注入形成P+集电区。这样的集电区很薄，不超过1微米，同时结合掺杂浓度控制，可使流过集电结的电流电子流成分占到70％左右，集电极对少子是透明的。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，从而不必采用专门的载流子寿命控制技术就能实现器件快速关断。而由于漂移区载流子的寿命足够长，因此容易控制通态压降V_CEsat获得正温度系数。正是透明集电区技术的这种重大优点，自NPT-IGBT发明后，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2000 ISPSD PP.355-358），SPT-IGBT等。

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）。

前期内透明集电极IGBT制造采用了高剂量氦注入及后继热退火技术，在IGBT的集电区近集电结附近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了一种制造方法。但由于缓冲层掺杂浓度总是低于衬底掺杂浓度，后继工艺总是使集电结向缓冲层一边推进，载流子寿命控制区距集电结的距离欲低到FS-IGBT的0.5微米以下、且集电区表面浓度在10¹⁷cm^-3的程度，一次外延很难控制，需采用二次外延技术。而两次外延技术势必导致高成本。

发明内容