СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СИЛОВОГО ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ПРИБОРА Российский патент 2014 года по МПК H01L21/336 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к области силовой электроники, а более конкретно к способу изготовления силового полупроводникового прибора, согласно ограничительной части независимого пункта формулы изобретения.

Уровень техники

Существующие биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT) содержат слаболегированный (n-) слой дрейфа и расположенный на коллекторной стороне n буферный слой с более высокой концентрацией примесей, после которого размещен коллекторный слой. На эмиттерной стороне слоя дрейфа, которая расположена напротив коллекторной стороны, размещен р слой базы. Свойства биполярного транзистора с изолированным затвором были улучшены за счет имплантации улучшенного легированного n слоя между р слоем базы и (n-) слоем дрейфа, при этом указанный улучшенный слой разделяет р слой базы и (n-) слой дрейфа за счет чего расширилась область устойчивой работы (SOA) и снизились потери энергии во включенном состоянии. Концентрация носителей вблизи активной ячейки увеличилась, за счет такого улучшенного слоя. В случае полевого МОП-транзистора (металл-оксид-полупроводник) (MOSFET), наличие такого улучшенного слоя ведет к снижению действия полевого транзистора с управляющим р-n переходом (JFET), и также к снижению потерь во включенном состоянии.

Если для биполярного транзистора с изолированным затвором с улучшенным n слоем, как описано выше, р слой базы имеет большую глубину у краев ячейки, по сравнению с центральной областью ячейки, то такая форма pn-перехода переносит пиковое значение поля от периферии ячейки в область непосредственно под контактом электрода эмиттера. Такое положение пикового значения поля значительно расширяет область устойчивой работы при выключении электрического тока как для биполярного транзистора с изолированным затвором, так и для полевого МОП-транзистора, из-за того что дырки, генерируемые полем, могут перемещаться непосредственно к области контакта электрода эмиттера, при этом отсутствует критическая область вблизи областей источников n+, которая могла бы отпирать паразитный тиристор и транзистор для биполярного транзистора с изолированным затвором и полевого МОП-транзистора соответственно.

В документе ЕР 0837508 описан способ изготовления биполярного транзистора с изолированным затвором (IGBT), содержащего такой модулированный профиль р слоя базы. Методом эпитаксии на (р+) подложке формируют сначала n буферный слой, а затем (n-) слой. После чего на (n-) слое по нужному шаблону формируют толстый оксидный слой затвора. Далее сверху (n-) слоя в областях, где отсутствует толстый оксидный слой затвора, формируют тонкий оксидный слой затвора, за которым в качестве электрода затвора следует слой поликристаллического кремния, расположенный на оксидных слоях затвора. Далее в тонком оксидном слое затвора и слое поликристаллического кремния формируют отверстие. Фосфор имплантируют через отверстие в (n-) слое, после чего фосфор диффундирует в (n-) слой, при этом в качестве маски используют отверстие в слое поликристаллического кремния, в результате чего образуется первый n слой. После чего отверстие увеличивают, и фосфор снова имплантируют, и он диффундирует, образуя второй n слой. Глубина первого n слоя больше глубины второго n слоя. Далее, через ту же маску слоя поликристаллического кремния имплантируют бор и, в результате диффузии, происходит формирование р слоя, глубина которого меньше глубины второго n слоя. Таким образом, второй n слой и р слой могут быть выполнены с использованием одной и той же маски, тогда как для изготовления первого n слоя требуется другая маска.

В документе ЕР 0837508 также рассмотрен альтернативный вариант изготовления - первый n слой формируют после второго n слоя, при этом второй n слой изготавливают с помощью маски и имплантации/диффузии, как описано выше. После выполнения второго n слоя, на электроде затвора создают изолирующую пленку и структурируют ее с помощью фоторезиста. Первый n-слой может также быть выполнен до формирования изолирующей пленки. Для выполнения первого n слоя, ионы фосфора с высокой энергией непосредственно имплантируют через отверстие, которое ограничено фоторезистом и которое, следовательно, по размеру меньше отверстия, используемого в качестве маски для второго n слоя. Ионы имплантируют непосредственно на глубину между вторым n слоем и (n-) слоем. Имплантация ионов фосфора с высокой энергией - это сложный процесс для глубин, превышающих 1 мкм, что требуется для IGBT ячейки, и процесс требует точного выравнивания маски для размещения фосфора в середине ячейки.

Документ JP 03-205832 относится к полевым МОП-транзисторам, содержащим высоколегированную n область между легированными n областями истока, но ниже легированной р области базы.

В документе US 2004/0065934 описан полевой МОП-транзистор, в котором р область базы имеет р легирование и окружена другой р областью с большим содержанием легирующей примеси.

Раскрытие изобретения

Целью изобретения является создание способа изготовления силового полупроводникового прибора с низкими потерями энергии во включенном состоянии и большой областью устойчивой работы, причем более легкого для реализации по сравнению с известными способами и не требующего осуществления ряда тонких этапов изготовления.

Эта цель достигается в способе изготовления силового полупроводникового прибора, который соответствует пункту 1 формулы изобретения.

Соответствующий изобретению способ изготовления силового полупроводникового прибора включает в себя этапы, на которых:

- формируют первый оксидный слой на первой основной стороне подложки первого типа проводимости,

- формируют структурированный слой электрода затвора с, по меньшей мере, одним отверстием на первой основной стороне, сверху первого оксидного слоя,

- имплантируют первую легирующую примесь первого типа проводимости в подложку с первой основной стороны, используя структурированный слой электрода затвора в качестве маски,

- обеспечивают диффундирование первой легирующей примеси в подложку,

- имплантируют вторую легирующую примесь второго типа проводимости в подложку с первой основной стороны и

- обеспечивают диффундирование второй легирующей примеси в подложку;

- после диффузии первой легирующей примеси в подложку и до имплантации второй легирующей примеси в подложку, первый оксидный слой частично удаляют, в результате чего получают оксидный слой затвора;

- структурированный слой электрода затвора используют в качестве маски для имплантации второй легирующей примеси.

Достоинство соответствующего изобретению способа изготовления силового полупроводникового прибора, в частности биполярного транзистора с изолированным затвором или полевого МОП-транзистора, заключается в том, что для изготовления слоя базы требуется всего одна маска, которую изготавливают имплантацией и диффузией первой легирующей примеси первого типа проводимости, а улучшенный слой изготавливают имплантацией и диффузией второй легирующей примеси второго типа проводимости. Эти слои выравниваются автоматически благодаря использованию в качестве маски структурированного слоя электрода затвора.

Было обнаружено, что благодаря удалению первого оксидного слоя над отверстиями структурированного слоя электрода затвора после диффузии первой легирующей примеси и до имплантации второй легирующей примеси получается слой базы второго типа проводимости с меньшей глубиной в центральной области, расположенной под областью контакта электрода эмиттера, и с большей глубиной в периферийной области базы второго типа проводимости.

Такое изменение конфигурации слоя базы позволяет полупроводниковому прибору работать с низкими потерями энергии во включенном состоянии и более широкой областью устойчивой работы. Предпочтительно использовать этот способ для изготовления биполярных транзисторов с изолированным затвором и полевых МОП-транзисторов.

Краткое описание чертежей

Объект изобретения поясняется более подробно в следующем тексте со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:

фиг.1 - вид, показывающий силовой полупроводниковый прибор с изолированным затвором, соответствующий изобретению; и

фиг.2-10 - виды, показывающие различные этапы способа изготовления полупроводникового прибора, соответствующего изобретению.

Ссылочные позиции, используемые на чертежах, и их смысловое содержание приведены в списке ссылочных позиций. В общем, для одинаковых или одинаково работающих частей использованы одинаковые ссылочные позиции. Описанные варианты осуществления изобретения приведены в качестве примеров и не ограничивают изобретения.

Варианты осуществления изобретения

На фиг.1 показан силовой полупроводниковый прибор, соответствующий изобретению. IGBT показан со слаболегированным (n-) слоем 12 дрейфа. Слой 12 дрейфа содержит первую основную сторону и вторую основную сторону, противоположную первой стороне. Вторая основная сторона - это коллекторная сторона 121, на которой расположен легированный буферный слой 9 n-типа, причем буферный слой 9 содержит большую концентрацию легирующих примесей, чем слой 12 дрейфа. На буферном слое 9, со стороны, противоположной слою 12 дрейфа, размещен легированный слой коллектора 10 р-типа, на верхней стороне которого расположен электрод 11 коллектора.

На первой основной стороне, которая является эмиттерной стороной 122, расположена легированная область 5 базы р-типа, которая внедрена в легированный улучшенный слой 4 n-типа. В улучшенном слое 4 концентрация легирующих примесей выше по сравнению со слоем 12 дрейфа и улучшенный слой 4 разделяет область 5 базы и слой 12 дрейфа. На эмиттерной стороне 122 расположен оксидный слой 2 затвора, который обычно формируют из двуокиси кремния SiO₂. Оксидный слой 2 затвора содержит отверстие, которое оставляет часть поверхности области 5 базы, незакрытой оксидным слоем 2 затвора. Сверху оксидного слоя 2 затвора расположен слой 3 электрода затвора, обычно выполненный из поликристаллического кремния. Слой 3 электрода затвора содержит отверстие 31 в том же самом месте и, предпочтительно, того же размера, что и оксидный слой 2. Слой 3 электрода затвора и оксидный слой 2 затвора закрыты изоляционным слоем 7. Электрод 8 эмиттера расположен сверху изоляционного слоя и в отверстии 31 оксидного слоя 2 затвора и сверху слоя 3 электрода затвора, закрытого изоляционным слоем 7. В пределах легированной р-типа области 5 базы расположены высоколегированные (n+) области 6 истока, которые контактируют с электродом 8 эмиттера в области отверстия 31 и доходят по поверхности эмиттерной стороны 122 до области, находящейся под слоем 3 электрода затвора.

Как правило, слой 12 дрейфа, область 5 базы, улучшенная область 4 и области 6 истока сформированы на одной общей плоской поверхности.

Область 5 базы в центральной части имеет глубину 53, которая меньше максимальной глубины 54 области 5 базы, находящейся вне ее центральной части, то есть на периферии области 5 базы.

Соответствующий изобретению способ изготовления силового полупроводникового прибора показан на фиг.2-10. Способ включает в себя следующие этапы изготовления. Как показано на фиг.2, способ начинается со слаболегированной (n-) подложки 1, которая содержит коллекторную сторону 121 (не показана) и эмиттерную сторону 122, противоположную коллекторной 121 стороне. Как показано на фиг.3, на эмиттерной стороне 122 формируют первый оксидный слой 22, который полностью покрывает подложку 1. Как показано на фиг.4, сверху первого оксидного слоя 22 формируют электропроводящий слой 32. Электропроводящий слой 32 полностью покрывает первый оксидный слой 22. Согласно фиг.5, в электропроводящем слое 32 методом травления формируют окно 31, в виде сквозного отверстия, в результате чего получают структурированный слой 3 электрода затвора, при этом часть оксидного слоя 22 остается незакрытой.

Первую легирующую примесь с проводимостью n-типа имплантируют в подложку 1 (показано стрелками 42 на фиг.6) с использованием в качестве маски структурированного слоя 3 электрода затвора с его отверстием 31, в результате чего получают первую легированную имплантированную n-типа область 41. Концентрация легирующих примесей в первой имплантированной области 41 выше концентрации легирующих примесей в слое 12 дрейфа. Далее происходит диффузия имплантированных легирующих примесей в подложку 1 (показано стрелками 43 на фиг.7), в результате чего получают улучшенную область 4. В качестве первой легирующей примеси предпочтительно использовать ионы фосфора и/или мышьяка, при этом предпочтительнее использовать ионы фосфора. Первую легирующую примесь предпочтительно имплантировать с энергией 40-150 кэВ и/или с дозой 1·10¹²-1·10¹⁴/см². Первую легирующую примесь вводят в подложку 1 на глубину от 1 мкм до 10 мкм, в частности на глубину от 1 мкм до 8 мкм, и в некоторых случаях от 1 мкм до 6 мкм.

После формирования улучшенного слоя 4, первый оксидный слой 22 частично удаляют из тех областей, где находится отверстие 31 структурированного слоя 3 электрода затвора, что обычно реализуют методом травления (показано пунктирной линией 21 на фиг.8). Затем вторую легирующую примесь с проводимостью р-типа имплантируют в область 5 базы (показано стрелками 55 на фиг.9) с использованием в качестве маски структурированного слоя 3 электрода затвора с отверстием 31, в результате чего получают вторую имплантированную область 51. Затем, вторая имплантированная легирующая примесь диффундирует в область 5 базы (показано стрелками 52 на фиг.10). В качестве второй легирующей примеси предпочтительно использовать ионы бора, алюминия, галлия и/или индия, предпочтительнее - ионы бора. Вторую легирующую примесь предпочтительно имплантировать с энергией от 20 до 120 кэВ и/или с дозой 5·10¹³-3·10¹⁴/см². Вторая легирующая примесь проникает на максимальную глубину 54, составляющую от 0,5 мкм до 9 мкм, в частности от 0,5 мкм до 7 мкм и в некоторых случаях от 0,5 мкм до 5 мкм.

Благодаря такому процессу изготовления вторая легирующая примесь проникает в подложку в центральной области на глубину 53 (см. фиг.1), которая меньше максимальной глубины 54 той части области базы 5, которая находится на периферии, то есть вне центральной области. Как показано на фиг.10, вторая легирующая примесь проникает в подложку 1 не только перпендикулярно поверхности, но и распространяется в стороны, таким образом, уменьшается концентрация второй легирующей примеси в центральной части. При использовании в качестве легирующей примеси бора, имплантированного с низкой энергией, достигается глубина 53 в центральной области 5 базы, равная 1,6 мкм, при этом максимальная глубина 54 вне центральной области составляет 2,4 мкм. Энергия, используемая для имплантации бора, составляет обычно от 40 до 120 кэВ, в некоторых случаях от 70 кэВ до 90 кэВ, в некоторых - около 80 кэВ.

Конечно, также можно изготавливать структурированный слой 3 электрода затвора, по меньшей мере, с двумя отверстиями 31, создавая, таким образом, по меньшей мере, две области 5 базы, каждая из которых окружена улучшенным слоем 4.

Высоколегированные (n+) области 6 истока и слои на коллекторной стороне 121, а именно легированный n-типа буферный слой 9, легированный р-типа коллекторный слой 10 и электрод 11 коллектора могут быть сформированы на любом подходящем этапе и любым подходящим способом.

Возможно использовать изобретение для изготовления полупроводниковых приборов с противоположным типом проводимости для всех слоев, то есть со слаболегированной (р-) подложкой и т.д.

Изобретение разработано для планарных полупроводников, но способ может быть применен и для полупроводников, выполненных по технологии «утопленного» канала. Кроме того, изобретение может также быть использовано для изготовления других типов полупроводниковых приборов, например полевых МОП-транзисторов.

Список ссылочных позиций

1 подложка

2 оксидный слой затвора

21 область

22 первый оксидный слой

3 слой электрода затвора

32 электропроводящий слой

31 отверстие

4 улучшенный слой

41 первая имплантированная область

41' имплантация первой легирующей примеси

42 диффузия первой легирующей примеси 5 область базы

51 вторая имплантированная область

51' имплантация второй легирующей примеси

52 диффузия второй легирующей примеси

53 диффузионная глубина второй легирующей примеси в центральной области

54 максимальная глубина диффузии второй легирующей примеси

6 область истока

7 изоляционный слой

8 электрод эмиттера

9 буферный слой

10 коллекторный слой

11 электрод коллектора

12 слой дрейфа

121 коллекторная сторона

122 эмиттерная сторона

Изобретение относится к области силовой электроники. Для изготовления силового полупроводникового прибора на первой основной стороне подложки (1) первого типа проводимости формируют первый оксидный слой (22). Затем на первой основной стороне сверху первого оксидного слоя (22) формируют структурированный слой (3, 3') электрода затвора, содержащий, по меньшей мере, одно отверстие (31). Первую легирующую примесь первого типа проводимости имплантируют в подложку (1) с первой основной стороны, используя в качестве маски структурированный слой (3, 3') электрода затвора, и обеспечивают диффундирование первой легирующей примеси в подложку (1). Затем вторую легирующую примесь второго типа проводимости имплантируют в подложку (1) с первой основной стороны и обеспечивают диффундирование второй легирующей примеси в подложку (1). После диффузии первой легирующей примеси в подложку (1), но до диффузии второй легирующей примеси в подложку (1), первый оксидный слой (22) частично удаляют и используют структурированный слой (3, 3') электрода затвора в качестве маски для имплантации второй легирующей примеси. Изобретение обеспечивает создание способа изготовления силового полупроводникового прибора с низкими потерями энергии во включенном состоянии и большой областью устойчивой работы, причем более легкого для реализации по сравнению с известными способами. 12 з.п. ф-лы, 10 ил.

1. Способ изготовления силового полупроводникового прибора, включающий следующие этапы:
формирование первого оксидного слоя (22) на первой основной стороне подложки (1) первого типа проводимости,
формирование слоя (3, 3') электрода затвора, по меньшей мере, с одним отверстием (31) на первой основной стороне сверху первого оксидного слоя (22),
имплантирование первой легирующей примеси первого типа проводимости в подложку (1) с первой основной стороны, используя слой (3, 3') электрода затвора в качестве маски,
диффундирование первой легирующей примеси в подложку (1),
имплантирование второй легирующей примеси второго типа проводимости в подложку (1) с первой основной стороны и
диффундирование второй легирующей примеси в подложку (1), отличающийся тем, что после диффузии первой легирующей примеси в подложку (1), но перед имплантацией второй легирующей примеси в подложку (1) первый оксидный слой (22) частично удаляют и используют слой (3, 3') электрода затвора в качестве маски для имплантации второй легирующей примеси.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что первый оксидный слой (22) удаляют в тех областях, где расположено указанное, по меньшей мере, одно отверстие (31) слоя (3, 3') электрода затвора, в результате чего формируется оксидный слой (2) затвора.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве первой легирующей примеси используют ионы фосфора и/или ионы мышьяка.

4. Способ по п.2, отличающийся тем, что в качестве первой легирующей примеси используют ионы фосфора и/или ионы мышьяка.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что первую легирующую примесь имплантируют с энергией от 40 до 150 кэВ и/или с дозой 1·10¹²-1·10¹⁴/см².

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что первую легирующую примесь имплантируют с энергией от 40 до 150 кэВ и/или с дозой 1·10¹²-1·10¹⁴/см².

7. Способ по п.1, отличающийся тем, что первая легирующая примесь диффундирует в подложку (1) на глубину, равную по меньшей мере 1 мкм и максимально до 10 мкм, в частности максимально до 8 мкм и предпочтительно максимально до 6 мкм.

8. Способ по п.3, отличающийся тем, что первая легирующая примесь диффундирует в подложку (1) на глубину, равную по меньшей мере 1 мкм и максимально до 10 мкм, в частности максимально до 8 мкм и предпочтительно максимально до 6 мкм.

9. Способ по п.6, отличающийся тем, что первая легирующая примесь диффундирует в подложку (1) на глубину, равную по меньшей мере 1 мкм и максимально до 10 мкм, в частности максимально до 8 мкм и предпочтительно максимально до 6 мкм.

10. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве второй легирующей примеси используют ионы бора, алюминия, галлия и/или индия.

11. Способ по п.3, отличающийся тем, что в качестве второй легирующей примеси используют ионы бора, алюминия, галлия и/или индия.

12. Способ по п.10, отличающийся тем, что вторую легирующую примесь имплантируют с энергией 20-120 кэВ и/или с дозой 5·10¹³-3·10¹⁴/см².

13. Способ по любому из пп.1-12, отличающийся тем, что вторая легирующая примесь диффундирует в подложку (1) на максимальную глубину (54), составляющую от 0,5 мкм до 9 мкм, в частности от 0,5 мкм до 7 мкм и предпочтительно от 0,5 мкм до 5 мкм.