[发明专利]N沟道碳化硅绝缘栅双极型晶体管的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于微电子技术领域，涉及半导体器件的制备方法，特别是一种利用衬底充当耐压层的穿通型SiC IGBT，可广泛用于变频器、逆变器、开关电源、照明电路和电机等领域。

技术背景

碳化硅绝缘栅双极型晶体管，即SiC IGBT，是基于碳化硅材料发展起来的新型耐高压器件。目前电力电子领域应用的固态主流器件是Si IGBT，其关断电压为0.6～6.5kV。经过三十年的发展，Si IGBT已达到性能和器件结构的极限，而随着电动汽车、光伏和风能绿色能源、智能电网等新的应用发展，要求电力电子器件性能上新的飞跃。20世纪90年代中期，低微管缺陷密度的SiC宽禁带半导体材料的突破，使新一代电力电子器件成为可能。宽禁带的材料结构导致半导体器件低漏电、高工作温度和抗辐照等性能的改善。宽禁带半导体SiC具有比Si高一个数量级的临界击穿电场，意味着SiC电力电子器件的关断漂移层能更薄和具有更高的掺杂浓度，导致和Si同等器件相比具有低一个量级的导通电阻；更高的载流子饱和速度导致更高的工作频率；更高的热导率将改善热耗散，使器件可以工作在更高的功率密度。

绝缘栅双极型晶体管IGBT器件由于其简单的栅驱动和较大的电流开关能力，在Si电力电子领域获得较大的成功。而SiC MOS器件已推出高击穿电压和低界面态密度的器件，为SiC IGBT的开发铺平了道路。基于沟道极性的不同，SiC IGBT有两种器件：一种是由p沟道MOS结构和宽基区npn晶体管构成的p-IGBT，另一种是由n沟道MOS和宽基区pnp晶体管构成的n-IGBT。由于n-IGBT背面的p⁺np晶体管比p-IGBT的n⁺pn有更低的电流增益，所以n-IGBT具有更快的开关速度，而且n-IGBT在阻断电压等性能上都要强于p-IGBT。

传统的N沟道SiC IGBT的工艺步骤是：首先在充当集电极的P型衬底硅面上生长50～200μm厚的N型外延耐压层；然后在耐压层上继续外延生长浓度较耐压层略高的同类型缓冲层；接着在缓冲层上通过离子注入形成P阱区、发射区和重掺杂金属接触区；然后生长刻蚀栅氧化层、淀积多晶硅；最后淀积、光刻金属层。这种方法存在以下不足：

1.充当集电极的P型衬底缺陷多，导通电阻大。

2.制备成本高。例如，SiC外延设备价格昂贵，外延过程耗能大等。

3.生长较厚外延层的技术难度大。对于生长100μm及以上厚度的外延层，其工艺要求高，在国际上只有像Cree等这样顶尖的碳化硅器件公司才能做到，因此，技术瓶颈问题限制了大功率N沟道SiC IGBT的普及与应用。

发明内容

本发明目的在于针对上述已有技术的不足，提出一种N沟道碳化硅绝缘栅双极型晶体管的制备方法，以减小导通电阻和制备成本，避免工艺难度。

为实现上述目的，本发明的制备方法包括以下步骤：

（1）选用零微管的N型SiC衬底，其基平面位错为10⁴/cm^-3，衬底浓度2×10¹⁴～5×10¹⁴cm^-3，在该N型SiC衬底正面生长一层厚度为0.8～1.4μm，氮离子掺杂浓度为2×10¹⁵～7×10¹⁵cm^-3的N型外延层；

（2）在上述N型外延层中间区域进行P阱离子注入，注入杂质为氮离子，掺杂浓度为4×10¹⁷cm^-3；

（3）在P阱区中部进行剂量为1×10¹⁴～5×10¹⁴cm^-2、能量为100～200Kev的重掺杂P⁺离子注入，形成体接触区；

（4）在P阱区内侧两边用氮离子进行剂量2×10¹⁴～1×10¹⁵cm^-2、能量为80～200Kev的发射极N⁺离子注入，形成发射极区；

（5）在N型SiC衬底背面进行剂量为8×10¹³～4×10¹⁴cm^-2、能量为250～450Kev的集电极P⁺注入，形成集电极区；

（6）将上述N型SiC衬底置于1650～1750℃下，进行8～14分钟的高温退火，激活所有注入杂质；