[发明专利]一种IGBT短路集电极结构的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于功率半导体器件，特别涉及一种IGBT短路集电极结构的制备方法。

背景技术

绝缘栅双极晶体管（IGBT）作为功率开关被广泛应用到电力电子系统中。导通压降和关断时间是影响IGBT在工作状态下的关键参数。导通压降越低，则IGBT在导通状态下的功率损耗越小。关断时间越小，则IGBT从导通到关断的切换过程中的功率损耗越低。参见图1，图1右侧给出了导通状态下沿纵向AB剖面的典型的载流子浓度分布，其中电子通过沟道区从N+源极注入到N-基区中，空穴从P+集电极区域注入到N-基区中。在大注入的条件下，电子和空穴的浓度可以认为是相等的。对于常规的穿通或者非穿通的IGBT结构，导通状态下要求在N-基区存储大量的载流子（电子和空穴），从而降低基区的电阻进而使其导通压降降低，在导通状态下，N-型基区存储的载流子主要由沟道注入的电子和背面P+集电极注入的空穴形成，图中以箭头标识。另一方面，在从导通到关断的切换过程中，需要把N-基区存储的载流子完全移除，较小的关断时间需要基区中的载流子浓度较低并且具有较快的移除速度。关断时间对载流子浓度要求和导通压降是相互矛盾的。和常规IGBT结构相比，短路集电极IGBT由于背面部分N型基区和集电极金属直接相连，载流子不受背面PN结势垒的限制，部分载流子直接通过N-基区流入集电极金属，因此具有更快的载流子移除速度。

在IGBT制备工艺中，首先是正面工艺形成正面的PN结、栅电极和发射极图形，然后是背面的研磨和腐蚀。依照器件的结构和应用的电压等级的不同，最终减薄之后的Si衬底厚度也各不相同。对于穿通型IGBT器件，在减薄之后首先是N型离子注入（例如磷离子）并退火形成一层N+缓冲层。然后是P型离子注入（例如硼离子）并退火形成集电极层。对于非穿通型器件则不用形成N+缓冲层，只需形成集电极层。背面杂质激活退火温度受正面金属Al电极能承受的最高温度的限制，一般N+缓冲层和集电极层的最高退火温度小于500℃，如果换成高熔点的金属像Cu或者W，则不存在此问题，但是金属的刻蚀则较难。这种方法背面杂质的激活率较低，一般小于10%。激光退火可以避免此限制并获得高的杂质激活率，然而需要昂贵的设备。

虽然现有技术也公开了一种采用锗/Al作为IGBT集电极的方法，在方法中，在背面研磨和腐蚀后，淀积一层锗薄膜和Al薄膜，然后在300℃到450℃温度下退火使得Al扩散到锗中作为P型杂质。Al在锗中的掺杂浓度的范围为1018–1021/cm3。这种方法可以降低制备的难度，并改善IGBT的开关特性，但是非晶锗的掺杂采用Al扩散的方法，与离子注入相比，扩散形成的杂质分布更加单一，而且也不利于精确控制杂质的总剂量。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种IGBT短路集电极结构的制备方法，解决了现有技术中不能通过低温下激活杂质的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种IGBT短路集电极结构的制备方法，包括如下步骤：

在IGBT结构的正面形成栅极结构和源极结构后，将N-型衬底的背面减薄，并在所述N-型衬底的背面淀积一层掩蔽层；

依次刻蚀部分所述掩蔽层和所述N-型衬底，并在所述N-型衬底的背面形成凹槽；

在所述掩蔽层上和所述凹槽内淀积薄膜层，所述薄膜层的材料为锗，所述锗的厚度大于所述凹槽的深度；

刻蚀掉所述掩蔽层上的所述薄膜层，经平坦后，依次通过离子注入和高温退火，所述高温退火的温度为300℃-500℃；

在所述掩蔽层上刻蚀孔，并淀积金属，然后形成集电极。

进一步地，所述锗的厚度为0.1μm-5μm，所述集电极的掺杂浓度范围为10¹⁴–10²⁰/cm³。

进一步地，所述集电极图形之间的间距小于所述IGBT结构中正面的原胞之间的间距。

进一步地，所述掩蔽层的材料为SiO₂或者Si₃N₄。

进一步地，所述凹槽的深度为0.1μm-5μm。

优选地，所述凹槽的深度为0.2μm-1μm。

进一步地，所述锗为多晶锗或者非晶锗。

进一步地，所述离子注入的离子为硼离子。

进一步地，所述硼离子的能量为20–100KeV，所述硼离子的剂量为10¹²–1016/cm2。

优选地，所述退火的温度为400℃。