用于穿通非外延型绝缘栅双极型晶体管的缓冲区的氢注入制造技术

使用氢注入在晶片的底部形成Ｎ＃＋［＋］缓冲层（３０），在薄（小于２５０微米厚）漂浮区硅晶片（２０）中形成ＩＧＢＴ。在晶片的底部形成弱阳极（２０）。单次氢注入或渐浅深度和增加用量的多个氢注入能够用来在扩散漂浮区晶片中形成注入。该过程还可以用来在硅中形成Ｎ＃＋［＋］接触区，以允许用于任何类型器件的对硅的好的电阻接触。（*该技术在2021年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及绝缘栅双极型晶体管(IGBT)，并且具体涉及在漂浮区(非外延)硅内制造穿通型IGBT的新型结构和方法。
技术介绍
当前，IGBT通常被制造为“穿通”器件，其中在外延沉积硅晶片的顶部形成D-MOS型结构。在相同浓度类型的高浓度缓冲层的顶部形成外延沉积层，该高浓度缓冲层又是形成在相反浓度型的基衬上，并且当作少数载流子注入源。在这种“穿通”器件中，在反偏压下穿过硅的电场从硅的上表面到达缓冲层，该缓冲层当作耗尽层“停止”。穿通型IGBT中的N+缓冲层在器件的操作中起重要的作用。这样，N+层的厚度和浓度将大大影响器件的开关和击穿电压特性。如上所述，当器件是在反偏压时，缓冲层当作耗尽层停止，并且N+缓冲层还具有低寿命并且控制形成IGBT的等效双极型晶体管之一的注入效率。当使用N+缓冲时，可以使用较薄的N-外延层，用较高的电阻率达到特定的击穿要求。一般地，并且利用给定的技术，穿通型IGBT将比“非穿通型”IGBT器件具有较低的前向电压降Vceon和较好的开关换位。用于穿通型器件的晶片比较厚，并且通过现有的晶片注入机和用于大批量生产的其它晶片制造设备能够容易地处理而没有额外的破损。然而，具有外延形成的层的晶片(“外延晶片”)是昂贵的。于是，制造穿通IGBT的传统方法使用外延晶片，该外延晶片通常通过首先在掺杂硼的基衬上生长N+层，接着在N+层的顶部进行N-硅的外延沉积而形成。可以容易地调整N-和N+层的厚度和电阻率，以最优化低电压的IGBT性能，但是调整或控制高电压(例如超过约600伏)器件需要的较厚和较高电阻率N-外延硅的过程更困难。有可能直接在漂浮区(非外延)材料上形成“非穿通”IGBT器件以减少成本。这类器件在由Darryl Burns等所著的题为“NPT-IGBT-Optimizing for Manufacturability(用于制造的非外延型绝缘栅双极型晶体管最优化)”的IEEE出版物0-7803-3106-0/96中被描述。这些器件在薄度达到取决于最终器件的期望击穿电压和速度的值的漂浮区晶片的顶部中采用D-MOS连接模式，然后被提供一集电极，该集电极是一相对轻掺杂的浅联结，该浅联结是一相对低效的注入器，称为“弱”或“透明”集电极(术语集电极和阳极经常交换)。该技术产生高速器件，不需要重金属或E束缩短寿命。非穿通器件没有缓冲层，并且穿过硅的电场不达到弱集电极。于是，这些器件使用便宜的漂浮区材料，但是不工作在穿通方式。非穿通IGBT晶片的厚度由器件截止电压确定，范围能够从600伏器件的约80微米到在1700伏击穿的器件的约250微米。一般地，击穿电压越低，晶片必须越薄。这些超薄晶片在制造过程的处理期间经受过击穿，使得晶片的处理必须保持到最小。今天用于大批量生产的大部分生产设备不做昂贵的改进就不能处理这些晶片。能够以不贵的漂浮区材料制造穿通IGBT也是已知的。这样，当在弱阳极的前面通过将较好受控梯度的高浓度缓冲区注入到晶片的底表面，N+缓冲层能够被加到漂浮区器件。通过在漂浮区晶片中创建穿通IGBT，人们能够获得非穿通IGBT的低晶片成本和穿通IGBT的较好的Vceon和开关折衷的好处。在漂浮区材料中创建N+缓冲层的传统方法是通过将晶片变薄到精确的厚度；将N型掺杂剂诸如磷或砷注入硅的底表面(变薄之后)；接着高温退火(大于约600℃)激活掺杂剂。然后在底表面上形成浅P区。然而，这种方案有几个问题。1.漂浮区晶片很薄(60到150微米厚)并且在注入和退火步骤期间易受破损。2.当磷或砷用于缓冲层N+掺杂剂时，需要600Kev到2MeV的注入能量达到希望的注入深度。这种高能量注入机很昂贵，并且在晶片制造设备中占据大的空间。3.为了减少晶片破损，可以在进行前侧金属处理和图案处理之后，在后侧金属沉积之前形成N+缓冲层。然而，因为前侧金属已经适当处理，N+注入的退火将被限制到低于350℃到425℃的顶端钝化层的沉积温度以下的温度。因此，只有注入掺杂剂的很小部分将被退火，并且退火的度数在很小的温度范围内变化很大。专利技术的简单概述按照本专利技术，通过新颖的方法在漂浮区非外延材料上形成穿通IGBT，其中缓冲层和集电极涉及晶片的后表面。通过在100KeV到500KeV的能量范围内以1E12/cm2到1E16/cm2的用量用氢原子注入，形成晶片的薄N+缓冲层之后，接着通过使用例如硼原子注入浅(约0.1微米到0.5微米)P型区形成弱阳极。然后在300到400℃将晶片退火30到60分钟，以激活氢注入，而不损坏器件的顶表面上的结构(金属和钝化)。然后接着在后侧进行例如Al/Ti/NiV/Ag的后接触的沉积。注意，通过在后侧金属沉积之前，在真空下以溅射工具加热晶片，退火处理可以组合到后侧金属沉积处理中。在注入损伤被退火完之后，注入氢当作N+掺杂剂是已知的。典型的退火温度是在250℃到400℃的范围，最好在350℃和400℃之间。已经发现注入氢的激活相当稳定，并且对温度的变化不敏感。按照本专利技术的另一个特征，在具有弱阳极的漂浮区IGBT中N+缓冲层的浓度梯度得到精确控制，这是通过用至少一次氢注入将其形成为一个较好控制用量的相邻弱集电极。这种注入可以是在1E12原子/cm2到1E16原子/cm2和在100KeV到500KeV的能量下的氢注入。渐浅和渐高总用量的多次氢注入也能用来形成一个很好控制的最大用量相邻弱集电极。这将更精确地定义穿通非外延晶片器件的击穿电压、速度和Vce特性。在执行本专利技术的上述多注入特性中，能够使用任何希望数目的连续注入。通常，三次连续注入分别在1E13/cm2；1E14/cm2和1E15/cm2、分别在200KeV、150KeV和100KeV的能量下能够制成氢薄晶片的底部。也可以使用其它N型掺杂剂。例如，分别在1E14/cm2在600KeV然后在450KeV能够进行连续磷注入，尽管它们显示在对退火条件的较大敏感。在完成新颖的氢注入之后，注入被退火，并且在集电极接触的沉积之前执行P集电极注入。集电极接触包括铝、钛、镍、钒和银的连续层。尽管针对IGBT描述了本专利技术的方法，本专利技术也能够用在其它器件诸如功率MOSFET的制造中。这样，本专利技术通过在5到100KeV的范围和1E15原子/cm2到1E16原子/cm2的用量下将氢注入N-晶片的后侧，能够用来在晶片的后侧提供改善的电阻接触。然后该晶片在300到400℃将晶片退火30到60分钟，接着在晶片的N+注入后侧溅射Ti/NiV/Ag层的接触。附图简述附图说明图1是典型的现有技术穿通IGBT中几个单元的横断面图。图2是具有超薄晶片的典型现有技术非穿通IGBT的几个单元的横断面图。图3示出图2器件的掺杂剖视图。图4是在超薄晶片中形成、和具有缓冲层定义穿通型器件的IGBT的几个单元的横断面图。图5示出了图4器件的掺杂剖视图。图6示出按照本专利技术优选实施例图4和5的缓冲层的掺杂剖视图。优选实施例详述首先参照图1，示出了形成于包含多个同时形成的相同印模的晶片中IGBT印模的一小部分。术语印模和晶片在此经常交换使用。器件和其制造的方法是已知的，并且美国专利No.5,661,314和5,795,793描述了典型的器件和制造方法。一般地，在具有传统漂浮区材料P+体11的单晶硅晶片1本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种在Ｎ型导电性的漂浮区硅晶片中制造穿通ＩＧＢＴ的方法；所述方法包括步骤：在所述晶片的顶表面上形成多个结并且将所述结金属化，以确定至少所述ＩＧＢＴ的一部分；从所述晶片的底表面去除材料以将所述晶片的厚度减少到一个给定值；将氢注入所述晶片的底表面以使Ｎ↑［＋］缓冲层达到所述底表面的给定的深度和浓度；和在所述Ｎ↑［＋］缓冲层的底部形成Ｐ↑［－］型集电极区；在所述Ｐ↑［－］型集电极区的顶部形成后侧接触；和在所述注入之后的一定时间通过将所述晶片温度升高到小于损坏所述ＩＧＢＴ的顶端结构的温度，对所述氢注入退火。

【技术特征摘要】
US 2000-5-5 09/565,9221.一种在N型导电性的漂浮区硅晶片中制造穿通IGBT的方法；所述方法包括步骤在所述晶片的顶表面上形成多个结并且将所述结金属化，以确定至少所述IGBT的一部分；从所述晶片的底表面去除材料以将所述晶片的厚度减少到一个给定值；将氢注入所述晶片的底表面以使N+缓冲层达到所述底表面的给定的深度和浓度；和在所述N+缓冲层的底部形成P-型集电极区；在所述P-型集电极区的顶部形成后侧接触；和在所述注入之后的一定时间通过将所述晶片温度升高到小于损坏所述IGBT的顶端结构的温度，对所述氢注入退火。2.如权利要求1所述的方法，其中，所述氢注入具有在约100KeV到约500KeV范围的注入能量的约1E12/cm2到约1E16/cm2的用量，并且在约300℃到约400℃的温度将晶片退火约30到约60分钟。5.如权利要求1到4任何一项所述的方法，其中所述后侧金属是顺序分层的Al/Ti/NiV/Ag金属。6.如权利要求5所述的方法，其中，在所述P-集电极区和所述后侧接触的形成之前，将所述氢注入退火。7.如权利要求5所述的方法，其中，在所述后侧接触形成期间将所述氢注入退火。8.如权利要求7所述的方法，其中，所述P-型集电极区是由P型无定形硅形成的。9.如权利要求1所述的方法，其中，以渐减用量和渐增能量的多个分离的顺序步骤，注入所述氢。10.如权利要求9所述的方法，其中，所述用量从约1E13/cm2减少到1E15/cm...

【专利技术属性】
技术研发人员：R弗朗西斯，C吴，
申请(专利权)人：国际整流器公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]