[發明專利]穿通型碳化硅絕緣柵雙極型晶體管的制備方法

有效

• 申請號: 201410163736.0
• 申請日: 2014-04-21
• 公開（公告）號: CN103928322A
• 公開（公告）日: 2014-07-16
• 發明（設計）人: 郭輝;翟華星;宋慶文;張藝蒙;張玉明;湯曉燕
• 申請（專利權）人: 西安電子科技大學
• 主分類號: H01L21/331
• 分類號: H01L21/331;H01L21/265
• 代理公司: 陜西電子工業專利中心 61205
• 代理人: 王品華;朱紅星

技術領域

本發明屬于微電子技術領域，涉及半導體器件的制備方法，特別是一種利用襯底充當耐壓層的穿通型SiC?IGBT，可廣泛用于變頻器、逆變器、開關電源、照明電路和電機等領域。

技術背景

碳化硅絕緣柵雙極型晶體管，即SiC?IGBT，是基于碳化硅材料發展起來的新型耐高壓器件。目前電力電子領域應用的固態主流器件是Si?IGBT，其關斷電壓為0.6～6.5kV。經過三十年的發展，Si?IGBT已達到性能和器件結構的極限，而隨著電動汽車、光伏和風能綠色能源、智能電網等新的應用發展，要求電力電子器件性能上新的飛躍。20世紀90年代中期，低微管缺陷密度的SiC寬禁帶半導體材料的突破，使新一代電力電子器件成為可能。寬禁帶的材料結構導致半導體器件低漏電、高工作溫度和抗輻照等性能的改善。寬禁帶半導體SiC具有比Si高一個數量級的臨界擊穿電場，意味著SiC電力電子器件的關斷漂移層能更薄和具有更高的摻雜濃度，導致和Si同等器件相比具有低一個量級的導通電阻；更高的載流子飽和速度導致更高的工作頻率；更高的熱導率將改善熱耗散，使器件可以工作在更高的功率密度。

穿通型IGBT與非穿通型IGBT相比，其差別在于穿通型IGBT在集電區與耐壓層之間制備了一層緩沖層，采用這種方式可以減薄有效耐壓層厚度和基片總厚度，從而減小器件的通態壓降，并且能夠降低集電區的注入系數，以抑制晶閘管效應引起的門鎖效應。

基于溝道極性的不同，穿通型SiC?IGBT有兩種器件：一種是由p溝道MOS結構和寬基區npn晶體管構成的p-IGBT，另一種是由n溝道MOS和寬基區pnp晶體管構成的n-IGBT。理論上互補的SiC?IGBT具有相同的特定導通電阻，可在AC電路中組成互補開關。由于n-IGBT背面的p⁺np晶體管比p-IGBT的n⁺pn有更低的電流增益，所以n-IGBT具有更快的開關速度。通過優化設計場截止層的摻雜濃度厚度和載流子的壽命，可改善p-IGBT的開關性能。由于p-IGBT電流的主體是流經寬基區npn雙極晶體管集電極的電流，因此比n-IGBT具有更高的跨導和更大的飽和電流。

傳統的穿通型SiC?IGBT的工藝步驟如下：首先在襯底硅面上生長緩沖層；接著在緩沖層上生長50～200μm厚的外延耐壓層；接著在耐壓層上繼續外延生長結型場效應晶體管JFET區外延層；接著在JFET外延層上通過離子注入形成阱區、發射區和重摻雜金屬接觸區；然后生長刻蝕柵氧化層、淀積多晶硅；最后淀積、光刻硅面和碳面的金屬層。

這種方法存在以下不足：

1.制備成本高。例如，SiC外延設備價格昂貴，外延過程耗能大等。

2.生長較厚SiC外延層的技術難度大，例如對于生長100μm及以上厚度的外延層，其工藝要求高，在國際上只有像Cree等這樣頂尖的碳化硅器件公司才能做到，因此，技術瓶頸問題限制了大功率SiC?IGBT的普及與應用。

發明內容

本發明目的在于針對上述已有技術的不足，提出一種穿通型碳化硅絕緣柵雙極型晶體管的新型制備方法，以減小制備成本，降低工藝難度。

為實現上述目的，本發明的制備方法包括以下步驟：

(1)選用零微管的P型SiC襯底，其基平面位錯為10⁴/cm^-3，襯底濃度為2×10¹⁴～1×10¹⁵cm^-3，沿該P型SiC襯底的背面切割，使其減薄至100μm；

(2)對切割面依次進行拋光、氧化和去除氧化層，并在P型SiC襯底正面中間區域用氮離子進行兩次N阱離子注入，形成N阱區；

(3)在N阱區中部，使用氮離子進行一次重摻雜N⁺離子注入，注入劑量為8×10¹³～4×10¹⁴cm^-2，注入能量為80～200Kev，形成體接觸區；

(4)在N阱區外側進行P型離子注入，注入濃度2×10¹¹～5×10¹¹cm^-2，注入能量為200～400Kev，注入后產生濃度略高于襯底濃度的結型場效應晶體管JEFT區；

(5)在N阱區內側兩邊用鋁離子進行一次P⁺離子注入，注入劑量6×10¹⁴cm^-2～2×10¹⁵cm^-2，注入能量為90～250Kev，形成發射區；