專利名稱：用于穿通非外延型絕緣柵雙極型晶體管的緩沖區(qū)的氫注入的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)，并且具體涉及在漂浮區(qū)(非外延)硅內(nèi)制造穿通型IGBT的新型結(jié)構(gòu)和方法。
背景技術(shù)：
當(dāng)前，IGBT通常被制造為“穿通”器件，其中在外延沉積硅晶片的頂部形成D-MOS型結(jié)構(gòu)。在相同濃度類型的高濃度緩沖層的頂部形成外延沉積層，該高濃度緩沖層又是形成在相反濃度型的基襯上，并且當(dāng)作少數(shù)載流子注入源。在這種“穿通”器件中，在反偏壓下穿過硅的電場從硅的上表面到達(dá)緩沖層，該緩沖層當(dāng)作耗盡層“停止”。
穿通型IGBT中的N+緩沖層在器件的操作中起重要的作用。這樣，N+層的厚度和濃度將大大影響器件的開關(guān)和擊穿電壓特性。如上所述，當(dāng)器件是在反偏壓時，緩沖層當(dāng)作耗盡層停止，并且N+緩沖層還具有低壽命并且控制形成IGBT的等效雙極型晶體管之一的注入效率。當(dāng)使用N+緩沖時，可以使用較薄的N-外延層，用較高的電阻率達(dá)到特定的擊穿要求。一般地，并且利用給定的技術(shù)，穿通型IGBT將比“非穿通型”IGBT器件具有較低的前向電壓降Vceon和較好的開關(guān)換位。
用于穿通型器件的晶片比較厚，并且通過現(xiàn)有的晶片注入機和用于大批量生產(chǎn)的其它晶片制造設(shè)備能夠容易地處理而沒有額外的破損。然而，具有外延形成的層的晶片(“外延晶片”)是昂貴的。于是，制造穿通IGBT的傳統(tǒng)方法使用外延晶片，該外延晶片通常通過首先在摻雜硼的基襯上生長N+層，接著在N+層的頂部進(jìn)行N-硅的外延沉積而形成?？梢匀菀椎卣{(diào)整N-和N+層的厚度和電阻率，以最優(yōu)化低電壓的IGBT性能，但是調(diào)整或控制高電壓(例如超過約600伏)器件需要的較厚和較高電阻率N-外延硅的過程更困難。
有可能直接在漂浮區(qū)(非外延)材料上形成“非穿通”IGBT器件以減少成本。這類器件在由Darryl Burns等所著的題為“NPT-IGBT-Optimizing for Manufacturability(用于制造的非外延型絕緣柵雙極型晶體管最優(yōu)化)”的IEEE出版物0-7803-3106-0/96中被描述。這些器件在薄度達(dá)到取決于最終器件的期望擊穿電壓和速度的值的漂浮區(qū)晶片的頂部中采用D-MOS連接模式，然后被提供一集電極，該集電極是一相對輕摻雜的淺聯(lián)結(jié)，該淺聯(lián)結(jié)是一相對低效的注入器，稱為“弱”或“透明”集電極(術(shù)語集電極和陽極經(jīng)常交換)。該技術(shù)產(chǎn)生高速器件，不需要重金屬或E束縮短壽命。
非穿通器件沒有緩沖層，并且穿過硅的電場不達(dá)到弱集電極。于是，這些器件使用便宜的漂浮區(qū)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電壓確定，范圍能夠從600伏器件的約80微米到在1700伏擊穿的器件的約250微米。一般地，擊穿電壓越低，晶片必須越薄。這些超薄晶片在制造過程的處理期間經(jīng)受過擊穿，使得晶片的處理必須保持到最小。今天用于大批量生產(chǎn)的大部分生產(chǎn)設(shè)備不做昂貴的改進(jìn)就不能處理這些晶片。
能夠以不貴的漂浮區(qū)材料制造穿通IGBT也是已知的。這樣，當(dāng)在弱陽極的前面通過將較好受控梯度的高濃度緩沖區(qū)注入到晶片的底表面，N+緩沖層能夠被加到漂浮區(qū)器件。通過在漂浮區(qū)晶片中創(chuàng)建穿通IGBT，人們能夠獲得非穿通IGBT的低晶片成本和穿通IGBT的較好的Vceon和開關(guān)折衷的好處。在漂浮區(qū)材料中創(chuàng)建N+緩沖層的傳統(tǒng)方法是通過將晶片變薄到精確的厚度；將N型摻雜劑諸如磷或砷注入硅的底表面(變薄之后)；接著高溫退火(大于約600℃)激活摻雜劑。然后在底表面上形成淺P區(qū)。然而，這種方案有幾個問題。
1.漂浮區(qū)晶片很薄(60到150微米厚)并且在注入和退火步驟期間易受破損。
2.當(dāng)磷或砷用于緩沖層N+摻雜劑時，需要600Kev到2MeV的注入能量達(dá)到希望的注入深度。這種高能量注入機很昂貴，并且在晶片制造設(shè)備中占據(jù)大的空間。
3.為了減少晶片破損，可以在進(jìn)行前側(cè)金屬處理和圖案處理之后，在后側(cè)金屬沉積之前形成N+緩沖層。然而，因為前側(cè)金屬已經(jīng)適當(dāng)處理，N+注入的退火將被限制到低于350℃到425℃的頂端鈍化層的沉積溫度以下的溫度。因此，只有注入摻雜劑的很小部分將被退火，并且退火的度數(shù)在很小的溫度范圍內(nèi)變化很大。
發(fā)明的簡單概述按照本發(fā)明，通過新穎的方法在漂浮區(qū)非外延材料上形成穿通IGBT，其中緩沖層和集電極涉及晶片的后表面。通過在100KeV到500KeV的能量范圍內(nèi)以1E12/cm2到1E16/cm2的用量用氫原子注入，形成晶片的薄N+緩沖層之后，接著通過使用例如硼原子注入淺(約0.1微米到0.5微米)P型區(qū)形成弱陽極。然后在300到400℃將晶片退火30到60分鐘，以激活氫注入，而不損壞器件的頂表面上的結(jié)構(gòu)(金屬和鈍化)。然后接著在后側(cè)進(jìn)行例如Al/Ti/NiV/Ag的后接觸的沉積。
注意，通過在后側(cè)金屬沉積之前，在真空下以濺射工具加熱晶片，退火處理可以組合到后側(cè)金屬沉積處理中。
在注入損傷被退火完之后，注入氫當(dāng)作N+摻雜劑是已知的。典型的退火溫度是在250℃到400℃的范圍，最好在350℃和400℃之間。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)注入氫的激活相當(dāng)穩(wěn)定，并且對溫度的變化不敏感。
按照本發(fā)明的另一個特征，在具有弱陽極的漂浮區(qū)IGBT中N+緩沖層的濃度梯度得到精確控制，這是通過用至少一次氫注入將其形成為一個較好控制用量的相鄰弱集電極。這種注入可以是在1E12原子/cm2到1E16原子/cm2和在100KeV到500KeV的能量下的氫注入。
漸淺和漸高總用量的多次氫注入也能用來形成一個很好控制的最大用量相鄰弱集電極。這將更精確地定義穿通非外延晶片器件的擊穿電壓、速度和Vce特性。
在執(zhí)行本發(fā)明的上述多注入特性中，能夠使用任何希望數(shù)目的連續(xù)注入。通常，三次連續(xù)注入分別在1E13/cm2；1E14/cm2和1E15/cm2、分別在200KeV、150KeV和100KeV的能量下能夠制成氫薄晶片的底部。也可以使用其它N型摻雜劑。例如，分別在1E14/cm2在600KeV然后在450KeV能夠進(jìn)行連續(xù)磷注入，盡管它們顯示在對退火條件的較大敏感。
在完成新穎的氫注入之后，注入被退火，并且在集電極接觸的沉積之前執(zhí)行P集電極注入。集電極接觸包括鋁、鈦、鎳、釩和銀的連續(xù)層。
盡管針對IGBT描述了本發(fā)明的方法，本發(fā)明也能夠用在其它器件諸如功率MOSFET的制造中。這樣，本發(fā)明通過在5到100KeV的范圍和1E15原子/cm2到1E16原子/cm2的用量下將氫注入N-晶片的后側(cè)，能夠用來在晶片的后側(cè)提供改善的電阻接觸。然后該晶片在300到400℃將晶片退火30到60分鐘，接著在晶片的N+注入后側(cè)濺射Ti/NiV/Ag層的接觸。
附圖簡述

圖1是典型的現(xiàn)有技術(shù)穿通IGBT中幾個單元的橫斷面圖。
圖2是具有超薄晶片的典型現(xiàn)有技術(shù)非穿通IGBT的幾個單元的橫斷面圖。
圖3示出圖2器件的摻雜剖視圖。
圖4是在超薄晶片中形成、和具有緩沖層定義穿通型器件的IGBT的幾個單元的橫斷面圖。
圖5示出了圖4器件的摻雜剖視圖。
圖6示出按照本發(fā)明優(yōu)選實施例圖4和5的緩沖層的摻雜剖視圖。
優(yōu)選實施例詳述首先參照圖1，示出了形成于包含多個同時形成的相同印模的晶片中IGBT印模的一小部分。術(shù)語印模和晶片在此經(jīng)常交換使用。器件和其制造的方法是已知的，并且美國專利No.5,661,314和5,795,793描述了典型的器件和制造方法。一般地，在具有傳統(tǒng)漂浮區(qū)材料P+體11的單晶硅晶片10中形成該器件，該漂浮區(qū)材料P+體11其上具有N+外延沉積層12和形成結(jié)的另一N-外延沉積層13。傳統(tǒng)的D-MOS結(jié)圖案形成于外延層13的頂表面，并且由每個含有一環(huán)狀源15的多個間隔P型基或通道區(qū)14組成。注意，任何拓?fù)淇捎糜诨?5包括條紋、溝道等。
然后傳導(dǎo)多晶硅柵極晶格16疊加于傳統(tǒng)的柵極氧化物以及源區(qū)域14的表面之間的可逆通道區(qū)之上。然后發(fā)射極電極17形成于晶片10的頂表面之上，并且與柵晶格16絕緣但接觸基和源區(qū)14和15。集電極18接觸區(qū)11的底部。
如前所述，N+緩沖層12具有一厚度和濃度以獲得器件的希望的開關(guān)和擊穿特性。N+緩沖12控制雙極型晶體管11/12/13的注入效率。具有P+基襯11的晶片的厚度允許沒有晶片破損危險的制造。然而，外延晶片10是昂貴的。
為了避免具有外延沉積層的晶片的較高成本，已知可以在不昂貴的漂浮區(qū)材料的表面中形成圖1的DMOS圖案，如圖2所示。在圖2的器件中，在相對厚的N-漂浮區(qū)(FZ)晶片20中形成DMOS頂部圖案和頂部金屬和鈍化，可以無破損地處理。然后打磨底表面，并且蝕刻以減少體厚度27到與希望的擊穿電壓有關(guān)的一個值。然后形成弱P-集電極區(qū)21，并且由集電極18覆蓋，該集電極18包括鋁層23、依次由鈦層24、鎳釩層25和銀層26覆蓋?？梢允褂闷渌饘佟＞?0的體27是N-漂浮區(qū)硅，并且在其頂表面上它接收圖1的D-MOS結(jié)圖案。
P-弱陽極21可以被注入或可以是無晶形硅層。這些器件在下列申請中得到描述2000年5月5日提交的美國序列號09/566,219的共同未決的申請IR-1426(IGBT WITH AMORPHOUS SILICONTRANSPARENT COLLECTOR(具有無晶形硅透明集電極的絕緣柵雙極型晶體管)-Richard Francis)；2000年5月5日提交的美國序列號09/565,148 IR-1673(DIODE WITH WEAK ANODE(具有弱陽極的二極管)-Richard Francis，Chiu Ng and Fabrizio Rue Redda)；2000年5月5日提交的美國序列號09/565,928 IR-1706(ANNEAL-FREE PROCESSFOR FORMING WEAK COLLECTOR(用于形成弱集電極的無退火處理)-Richard Francis，Chiu Ng)；和2000年5月5日提交的美國序列號09/565,973 IR-1707(PROCESS FOR FORMING SPACED ACTIVATEDWEAK COLLECTORS ON THIN IGBT SEMICONDUCTORWAFERS(用于在薄絕緣柵雙極型晶體管半導(dǎo)體晶片上形成間隔活性弱集電極的過程)-Richard Francis，Chiu Ng)。
圖2的器件工作在非穿通的操作模式。即，穿過硅的電場在達(dá)到晶片或印模的底部之前變?yōu)榱?。圖3示出了圖2器件的濃度剖面。在該圖案上疊上正偏壓下的穿過晶片的電場?；鶖U散14的P型濃度在其與N-體27的結(jié)處減少(通常對于600伏的器件25歐姆厘米)，并且P-弱陽極很淺，例如0.1到0.5微米。體27的厚度大大依賴于擊穿電壓。這樣，體27對于60伏的器件約80微米，而對于1700伏擊穿電壓約250微米。穿過器件的電場以點劃線示出，并且在到達(dá)集電極22之前減少到零。這樣，場不穿通。
如圖4所示，通過增加緩沖區(qū)N+注入30能夠使得圖2和3的器件作為穿通器件(象圖1的器件)使用。與圖3的那些部件類似的圖4中的部件具有相同的標(biāo)識號。圖5中示出了圖4的器件的濃度剖面。穿過體27的電場達(dá)到強導(dǎo)電緩沖30，并且因此在逆偏壓下穿通晶片。
形成N+緩沖30的傳統(tǒng)方法是通過在變薄操作之后將磷或砷原子注入晶片的后面，接著激活退火以激活摻雜劑。這些注入需要600KeV到2MeV的注入能量，以達(dá)到希望的N+區(qū)深度。這需要昂貴的高能量注入機，和易碎晶片的附加處理。此外，退火溫度必須保持在頂表面鈍化層的沉積溫度(350℃-425℃)以下。然而，磷或砷的優(yōu)選退火溫度是在約700℃以上。由于必須使用較低溫度，僅有N+注入摻雜劑30的一小部分將被退火，并且退火量將隨著小的溫度變化而大大改變。
按照本發(fā)明的一個特征，通過用較低注入能量和減少的激活溫度能夠執(zhí)行的氫注入形成圖4的N+區(qū)30，所述減少的激活溫度是低于將損壞在器件的頂端的鈍化的溫度。
然后，氫離子能夠用100到500KeV范圍的能量以1E12/cm2到1E16/cm2范圍的用量被注入。使用170KeV的能量在氫離子的5E13/cm2到5E14/cm2的特定用量下已經(jīng)獲得了好的結(jié)果。
然后，晶片在合成氣體中在300℃到400℃退火30到60分鐘，接著進(jìn)行P-離子注入，或接著由PECVD或濺射沉積的P摻雜磷硅層。通過下列金屬的濺射接著形成一接觸，順序為純鋁(1000)；鈦(1000)；鎳釩(7％V)(4000)；銀(6000)。在鋁沉積之前進(jìn)行的鈍化處理去掉了晶片表面的任何殘留的濕氣，并且保證了鋁和硅的良好接觸。
使用擴散晶片也能形成穿通IGBT。即，在晶片的完全變薄之前，圖5的N+緩沖30可以被擴散，因為在擴散處理期間完全變薄的晶片不能沒有破損地被處理。在擴散之后，晶片的后側(cè)從400到500微米變薄(并且然后被腐蝕用于應(yīng)力消除)到小于約150微米(對于1700伏器件)并且對于較低的電壓器件更小(對于600伏器件60微米)。然后在底表面上形成淺P區(qū)，接著進(jìn)行后側(cè)金屬化。N+緩沖的厚度和濃度梯度強烈地確定前向電壓降Vce和器件速度。此外，P區(qū)必須在準(zhǔn)確的濃度電平與N+梯度曲線交叉，其設(shè)定了器件的Vce和速度。利用當(dāng)前的設(shè)備，該交叉將使目標(biāo)厚度變化+-5微米。該變化太大以至不能精確控制器件的Vce和速度。然而，利用當(dāng)前設(shè)備控制晶片厚度到較高的精度，即使不能說不可能，也是很困難的。因此，使用用于圖4和5的上述處理得到的器件的Vce和速度是易變的并且不能被控制。
使用氫注入進(jìn)變薄晶片的底部的上述新穎的處理給出在晶片的底表面的N+緩沖30的良好的濃度控制。
圖6示出從本發(fā)明的第二實施例獲得的摻雜劑濃度，第二實施例產(chǎn)生一個器件，其中圖4中的N+緩沖層的梯度能夠用較大的精度得到控制使得其與P-層21和晶片的底部交叉處的緩沖層濃度能夠很精確地得到控制。于是，圖6中的緩沖層50由漸減深度但是增加濃度的最好是氫的多個順序注入51，52和53形成，以形成N+緩沖區(qū)50(圖4中的區(qū)30)。
優(yōu)選地，注入51，52和53分別是在1E13/cm2；1E14/cm2；1E15/cm2，在200KeV、150Kev和100KeV下的氫注入。
注意，可以使用其它種類的注入，例如兩個順序的磷注入，分別在1E14/cm2和在450KeV和600KeV。
盡管已經(jīng)針對IGBT的制造描述了本發(fā)明，本發(fā)明也能用來給任何器件諸如MOSFET的硅表面提供電阻接觸。于是，為了在垂直傳導(dǎo)MOSFET的后側(cè)提供電阻接觸，以5到100KeV的能量范圍和1E14/cm2到1E16/cm2的用量，將氫離子注入到晶片的后側(cè)或溝道側(cè)。然后晶片在300℃到400℃(保護頂表面的完整)被退火30到60分鐘，接著進(jìn)行后接觸的濺射，例如Ti/NiV/Ag。在后側(cè)高摻雜的N+硅使得能夠?qū)饘儆幸粋€良好的接觸。
盡管已經(jīng)針對本發(fā)明特定的實施例描述了本發(fā)明，但對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說很多其它變形和修改和其它應(yīng)用將是顯然的。因此，最好本發(fā)明不是由此處特定的公開而是由所附權(quán)利要求限定。
權(quán)利要求
1.一種在N型導(dǎo)電性的漂浮區(qū)硅晶片中制造穿通IGBT的方法；所述方法包括步驟在所述晶片的頂表面上形成多個結(jié)并且將所述結(jié)金屬化，以確定至少所述IGBT的一部分；從所述晶片的底表面去除材料以將所述晶片的厚度減少到一個給定值；將氫注入所述晶片的底表面以使N+緩沖層達(dá)到所述底表面的給定的深度和濃度；和在所述N+緩沖層的底部形成P-型集電極區(qū)；在所述P-型集電極區(qū)的頂部形成后側(cè)接觸；和在所述注入之后的一定時間通過將所述晶片溫度升高到小于損壞所述IGBT的頂端結(jié)構(gòu)的溫度，對所述氫注入退火。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述氫注入具有在約100KeV到約500KeV范圍的注入能量的約1E12/cm2到約1E16/cm2的用量，并且在約300℃到約400℃的溫度將晶片退火約30到約60分鐘。
5.如權(quán)利要求1到4任何一項所述的方法，其中所述后側(cè)金屬是順序分層的Al/Ti/NiV/Ag金屬。
6.如權(quán)利要求5所述的方法，其中，在所述P-集電極區(qū)和所述后側(cè)接觸的形成之前，將所述氫注入退火。
7.如權(quán)利要求5所述的方法，其中，在所述后側(cè)接觸形成期間將所述氫注入退火。
8.如權(quán)利要求7所述的方法，其中，所述P-型集電極區(qū)是由P型無定形硅形成的。
9.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，以漸減用量和漸增能量的多個分離的順序步驟，注入所述氫。
10.如權(quán)利要求9所述的方法，其中，所述用量從約1E13/cm2減少到1E15/cm2，而所述能量從100KeV增加到200KeV。
11.一種IGBT，包括具有小于約250微米厚度的漂浮區(qū)硅的N型晶片；在所述薄晶片的頂表面上形成的DMOS結(jié)圖案和金屬鍍層；相鄰于所述晶片的底表面形成并且由注入氫確定的N+緩沖區(qū)；在所述N+緩沖區(qū)上形成并且延伸到所述晶片的底部的P型弱陽極；和連接到并且穿過所述弱陽極的后側(cè)金屬接觸。
12.制造與硅半導(dǎo)體晶片的N型底表面接觸的方法，所述硅半導(dǎo)體晶片具有在其頂表面上的頂側(cè)結(jié)構(gòu)；所述方法包括步驟將氫離子注入所述N型底表面，以增加其N型濃度，并且將一后側(cè)金屬接觸加到所述注入表面區(qū)；和在所述注入步驟之后的一定時間，將所述晶片的溫度升高到小于損壞所述頂端結(jié)構(gòu)的溫度的一定溫度。
13.如權(quán)利要求12所述的方法，其中，在所述后側(cè)接觸形成之前將所述氫注入退火。
14.如權(quán)利要求12所述的方法，其中，在所述后側(cè)接觸形成期間將所述氫注入退火。
15.如權(quán)利要求12到14任一項所述的方法，其中，所述氫注入具有在約5KeV到約100KeV范圍的注入能量的約1E14/cm2到約1E16/cm2的用量，并且在約300℃到約400℃的溫度退火約30到約60分鐘。
16.如權(quán)利要求15所述的方法，其中，所述后側(cè)金屬是鈦、鎳釩和銀的順序分層接觸。
17.如權(quán)利要求15所述的方法，其中，所述氫以漸減用量和漸增能量的多個分離的順序步驟，注入所述氫。
18.如權(quán)利要求17所述的方法，其中，所述用量從約1E14/cm2減少到1E16/cm2，而所述能量從5KeV增加到100KeV。
全文摘要
使用氫注入在晶片的底部形成N
文檔編號H01L29/10GK1439172SQ01811704
公開日2003年8月27日 申請日期2001年4月25日 優(yōu)先權(quán)日2000年5月5日
發(fā)明者R·弗朗西斯, C·吳 申請人:國際整流器公司