一種mos柵控晶閘管的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及半導(dǎo)體技術(shù)，具體的說是涉及一種MOS柵控晶閘管的制造方法。本發(fā)明的方法的主要步驟為：制備襯底；進(jìn)行正面P型雜質(zhì)離子注入，在N型漂移區(qū)上層形成P型摻雜層，所述P型摻雜層的濃度為不均勻的；在N型漂移區(qū)上層進(jìn)行柵氧熱生長(zhǎng)，柵氧層上進(jìn)行多晶硅柵淀積；進(jìn)行正面N型雜質(zhì)離子注入，在P型摻雜層上層形成N型摻雜層，所述N型摻雜層的濃度為不均勻的；在N型摻雜層上層制作P+陰極接觸區(qū)；在P型襯底背面制作陽(yáng)極區(qū)。本發(fā)明的有益效果為，在不損害器件耐壓及正向?qū)芰η闆r下，能提高器件的dV/dt抗性能力，并且本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)方式能與現(xiàn)有工藝相兼容。本發(fā)明尤其適用于MOS柵控晶閘管的制造。
【專利說明】—種MOS柵控晶閘管的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及半導(dǎo)體技術(shù)，具體的說是涉及一種MOS柵控晶閘管的制造方法。
【背景技術(shù)】
[0002]MCT全名為MOS控制晶閘管，是V.A.K.Temple在1982年提出的結(jié)構(gòu)，其同時(shí)具備了 MOSFET驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)單與晶閘管電流導(dǎo)通能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。基本上來(lái)說MCT是一個(gè)帶有兩個(gè)固有MOSFET的晶閘管。一個(gè)MOSFET負(fù)責(zé)器件開啟，另一個(gè)負(fù)責(zé)關(guān)斷。根據(jù)開啟溝道的種類可以將MCT分為N-MCT與P-MCT，他們都具有極低的導(dǎo)通損耗與大電流容量，而N-MCT相比P-MCT具有更好的動(dòng)態(tài)特性。在早期的應(yīng)用中，研究者將其應(yīng)用在功率整流相關(guān)領(lǐng)域，但是其三個(gè)主要缺點(diǎn)限制了其作為功率開關(guān)整流的應(yīng)用，一是無(wú)電流飽和能力，二是關(guān)斷能力較弱，三是正向耐壓時(shí)，需在柵極加負(fù)壓。
[0003]由于MCT缺乏電流飽和能力，研究者開始將MCT應(yīng)用在脈沖功率領(lǐng)域，其di/dt性能、脈沖幅度等指標(biāo)優(yōu)越。在電容性脈沖功率源應(yīng)用中，MCT在電源向電容兩端充電時(shí)要承受電容兩端的高電壓，為了提高充電速度，電壓上升率dV/dt —般較高，更高的dV/dt也就意味著更快的充電速度。對(duì)于MOS控制雙極型開關(guān)器件，普遍存在一種由于兩端電壓迅速上升而產(chǎn)生較大的寄生電容充放電位移電流現(xiàn)象，此位移電流能導(dǎo)致器件誤開啟的可能，導(dǎo)致MCT開關(guān)無(wú)法達(dá)到所需的電位，使電容在充電完成之前提前放電。器件所能承受的dV/dt值越高，代表該器件具有更強(qiáng)的dV/dt抗性，應(yīng)用在脈沖放電領(lǐng)域中可以實(shí)現(xiàn)更短充電時(shí)間與穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)更高的脈沖重復(fù)頻率，低的dV/dt抗性能力意味著在高dV/dt情形下，器件由于兩端電壓迅速上升而導(dǎo)致誤開啟的可能性增大，尤其當(dāng)MCT應(yīng)用在脈沖放電中，特別是重復(fù)性脈沖快速操作中，器件會(huì)面臨正向電壓的快速上升，即高dV/dt值，器件的誤開啟可能性很大。一種常規(guī)N-MCT制造方法如圖1所示，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。包括以下步驟:襯底2的制備，P阱3 —次離子注入退火，柵氧6熱生長(zhǎng)、多晶硅柵7淀積，N阱4 一次離子注入退火，P+陰極接觸區(qū)5 —次離子注入退火，翻轉(zhuǎn)硅片到背面進(jìn)行陽(yáng)極區(qū)I 一次離子注入退火。然而此制造方法存在著這樣的問題:P阱3 —次離子注入退火過程中若注入劑量過低容易造成dV/dt抗性能力不足，過高時(shí)則會(huì)使得正向耐壓時(shí)發(fā)生雪崩擊穿，即器件耐壓與dV/dt抗性能力存在著矛盾關(guān)系。N阱4 一次離子注入退火過程中若注入劑量過低會(huì)造成電流導(dǎo)通能力的下降，造成脈沖放電時(shí)的di/dt降低,過高則會(huì)造成dV/dt抗性能力不足，即器件電流導(dǎo)通能力與dV/dt抗性能力存在著矛盾關(guān)系。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明所要解決的，就是針對(duì)傳統(tǒng)MCT制造方法中存在耐壓及正向?qū)芰εcdV/dt抗性能力存在的矛盾關(guān)系，在傳統(tǒng)工藝的基礎(chǔ)上，提出了解決該矛盾的具有高dV/dt抗性的MCT制造方法。
[0005]本發(fā)明解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:一種MOS柵控晶閘管的制造方法，其特征在于，包括以下步驟:[0006]a.制備襯底，具體為在P型襯底上層外延生長(zhǎng)N型漂移區(qū)；
[0007]b.進(jìn)行正面P型雜質(zhì)離子注入，在N型漂移區(qū)上層形成P型摻雜層，所述P型摻雜層的濃度為不均勻的，具體為靠近MOS柵控晶閘管器件的柵極溝道區(qū)一側(cè)的濃度低于另一側(cè)的濃度；
[0008]c.在N型漂移區(qū)上層進(jìn)行柵氧熱生長(zhǎng)，柵氧層上進(jìn)行多晶硅柵淀積；
[0009]d.進(jìn)行正面N型雜質(zhì)離子注入，在P型摻雜層上層形成N型摻雜層，所述N型摻雜層的濃度為不均勻的，具體為靠近MOS柵控晶閘管器件的柵極溝道區(qū)一側(cè)的濃度低于另一側(cè)的濃度；
[0010]e.在N型摻雜層上層制作P+陰極接觸區(qū)；
[0011]f.在P型襯底背面制作陽(yáng)極區(qū)。
[0012]本發(fā)明的總的技術(shù)方案，是在正面P型雜質(zhì)離子注入退火時(shí)，制造一層橫向變摻雜層的P型摻雜層，使得在P阱3中，靠近源極歐姆接觸處一端摻雜濃度相對(duì)較高，保證器件的dV/dt抗性能力，靠近柵溝道處一端的摻雜濃度相對(duì)較低保證正向耐壓時(shí)不發(fā)生雪崩擊穿。正面N型雜質(zhì)離子注入退火時(shí)，制造一層橫向變摻雜層的N型摻雜層，使得在N阱4中，靠近源極歐姆接觸處一端摻雜濃度相對(duì)較高，保證器件的正向電流導(dǎo)通能力，靠近柵溝道處摻雜濃度相對(duì)較低，保證器件的dV/dt抗性能力。從而解決傳統(tǒng)MCT中耐壓及正向?qū)芰εcdV/dt抗性能力的矛盾關(guān)系
[0013]具體的，步驟b中所述在N型漂移區(qū)上層形成P型摻雜層的具體方法為:
[0014]采用明暗相間的掩膜板進(jìn)行離子注入退火工藝形成濃度不均勻的P型摻雜層，所述明暗相間的掩膜板為靠近MOS柵控晶閘管器件的柵極溝道區(qū)一側(cè)的透明區(qū)少于另一側(cè)的透明區(qū)。
[0015]具體的，步驟b中所述在N型漂移區(qū)上層形成P型摻雜層的具體方法為:
[0016]采用多張掩膜板多次離子注入退火形成濃度不均勻的P型摻雜層。
[0017]具體的，所述P型摻雜層在注入窗口內(nèi)表面摻雜濃度可優(yōu)選從4X IO17CnT3變化到1.5 X IO17Cm 3O
[0018]具體的，步驟d中所述在P型摻雜層形成N型摻雜層的具體方法為:
[0019]采用明暗相間的掩膜板進(jìn)行離子注入退火工藝形成濃度不均勻的N型摻雜層，所述明暗相間的掩膜板為靠近MOS柵控晶閘管器件的柵極溝道區(qū)一側(cè)的透明區(qū)少于另一側(cè)的透明區(qū)。
[0020]具體的，步驟d中所述在P型摻雜層形成N型摻雜層的具體方法為:
[0021]采用多張掩膜板多次離子注入退火形成濃度不均勻的N型摻雜層。
[0022]具體的，所述N型摻雜層在注入窗口內(nèi)表面摻雜濃度可優(yōu)選從I X IO19cnT3變化到
1.5 X IO18Cm 3O
[0023]本發(fā)明的有益效果為，在不損害器件耐壓及正向?qū)芰η闆r下，能提高器件的dV/dt抗性能力，并且本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)方式能與現(xiàn)有工藝相兼容。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0024]圖1是常規(guī)MCT制造方法流程圖；
[0025]圖2是MCT結(jié)構(gòu)剖面示意圖；[0026]圖3為本發(fā)明提供的一種具有高dV/dt抗性的MCT制造方法流程圖；
[0027]圖4為橫向變摻雜的P阱3形成過程示意圖；
[0028]圖5為橫向變摻雜的N阱4形成過程示意圖；
[0029]圖6為本發(fā)明具有高dV/dt抗性的MCT與常規(guī)MCT表面摻雜濃度對(duì)比圖；
[0030]圖7為測(cè)量脈沖放電參數(shù)的電路圖；
[0031]圖8為本發(fā)明具有高dV/dt抗性的MCT與常規(guī)MCT在dV/dt值為75kV/ μ s與90kV/ μ s時(shí)的陽(yáng)極電壓變化曲線；
[0032]圖9為本發(fā)明具有高dV/dt抗性的MCT與常規(guī)MCT在dV/dt值為75kV/ μ s與90kV/ μ S時(shí)的陽(yáng)極電流變化曲線；
[0033]圖10是dV/dt抗性與柵電壓之間的關(guān)系示意圖；
[0034]圖11是不同電容值下兩種MCT的di/dt特性對(duì)比圖。
【具體實(shí)施方式】
[0035]下面結(jié)合附圖，詳細(xì)描述本發(fā)明的技術(shù)方案
[0036]本發(fā)明提出了一種具有高dV/dt抗性的MCT制造方法，能解決傳統(tǒng)MCT制造方法中耐壓及正向?qū)芰εcdV/dt抗性能力的矛盾關(guān)系。主要方法為:在正面P型雜質(zhì)離子注入退火制備P阱3時(shí)，利用一張明暗相間的掩膜板一次離子注入或多張掩膜板多次離子注入，制造一層橫向變摻雜層的P型摻雜層，使得在靠近源極歐姆接觸處一端摻雜濃度相對(duì)較高，保證器件的dV/dt抗性能力，靠近柵溝道處一端的摻雜濃度相對(duì)較低保證正向耐壓時(shí)不發(fā)生雪崩擊穿。在正面N型雜質(zhì)離子注入退火制備N阱4時(shí)，利用一張明暗相間的掩膜板一次離子注入或多張掩膜板多次離子注入制造一層橫向變摻雜層的N型摻雜層，使得靠近源極歐姆接觸處一端摻雜濃度相對(duì)較高，保證器件的正向電流導(dǎo)通能力，靠近柵溝道處N阱摻雜濃度相對(duì)較低，保證器件的dV/dt抗性能力。
[0037]如圖3所示，本發(fā)明的主要制造流程包括:
[0038]a.制備襯底，具體為在P型襯底上層外延生長(zhǎng)N型漂移區(qū)；
[0039]b.進(jìn)行正面P型雜質(zhì)離子注入，在N型漂移區(qū)上層形成P型摻雜層，所述P型摻雜層的濃度為不均勻的，具體為靠近MOS柵控晶閘管器件的柵極溝道區(qū)一側(cè)的濃度低于另一側(cè)的濃度；
[0040]c.在N型漂移區(qū)上層進(jìn)行柵氧熱生長(zhǎng)，柵氧層上進(jìn)行多晶硅柵淀積；
[0041]d.進(jìn)行正面N型雜質(zhì)離子注入，在P型摻雜層上層形成N型摻雜層，所述N型摻雜層的濃度為不均勻的，具體為靠近MOS柵控晶閘管器件的柵極溝道區(qū)一側(cè)的濃度低于另一側(cè)的濃度；
[0042]e.在N型摻雜層上層制作P+陰極接觸區(qū)；
[0043]d.在P型襯底背面制作陽(yáng)極區(qū)。
[0044]如圖4所示，步驟b中所述在N型漂移區(qū)上層形成P型摻雜層的具體方法為:
[0045]采用明暗相間的掩膜板進(jìn)行離子注入退火工藝形成濃度不均勻的P型摻雜層，所述明暗相間的掩膜板為靠近MOS柵控晶閘管器件的柵極溝道區(qū)一側(cè)的透明區(qū)少于另一側(cè)的透明區(qū)。
[0046]如圖5所示，步驟d中所述在P型摻雜層形成N型摻雜層的具體方法為:[0047]采用明暗相間的掩膜板進(jìn)行離子注入退火工藝形成濃度不均勻的N型摻雜層，所述明暗相間的掩膜板為靠近MOS柵控晶閘管器件的柵極溝道區(qū)一側(cè)的透明區(qū)少于另一側(cè)的透明區(qū)。
[0048]在實(shí)施過程中，可根據(jù)實(shí)際情況，在基本結(jié)構(gòu)不變的前提下，進(jìn)行一系列的變通互換。例如，采用外延制造工藝，自對(duì)準(zhǔn)工藝，正面、背面交叉進(jìn)行制造步驟。
[0049]借助MEDICI與tsuprem4仿真軟件，對(duì)比了本發(fā)明的高dV/dt抗性的MCT與常規(guī)MCT各參數(shù)性能，進(jìn)一步說明本發(fā)明優(yōu)勢(shì)，兩種器件正向耐壓都為1400V。圖6給出了兩種MCT器件的表面濃度分布，可以看到，本發(fā)明的高dV/dt抗性的MCT在靠近源端處P型雜質(zhì)表面濃度相比常規(guī)MCT更高，而在柵端關(guān)斷溝道處N型雜質(zhì)表面濃度相比常規(guī)MCT更低。圖7給出了用于測(cè)量脈沖放電參數(shù)的電路圖，在此電路基礎(chǔ)上，對(duì)比了兩種器件的dV/dt與di/dt能力。圖8與圖9給出了在柵壓為-15V時(shí)的仿真結(jié)果，圖8中的電壓曲線說明了本發(fā)明的高dV/dt抗性的MCT可以在dV/dt值為75kV/ μ s時(shí)僅需0.06 μ s就可以達(dá)到1000V的耐壓，而此時(shí)常規(guī)MCT的電壓則會(huì)在經(jīng)歷一個(gè)500V左右的峰值后迅速下降至零。當(dāng)dV/dt值為90kV/y s時(shí)，器件兩端電壓上升更快，本發(fā)明的高dV/dt抗性的MCT達(dá)到最終耐壓的時(shí)間也會(huì)降低，而常規(guī)MCT會(huì)在更早的時(shí)刻發(fā)生誤觸發(fā)開啟。圖9給出了電流隨時(shí)間變化的曲線。本發(fā)明的高dV/dt抗性MCT能夠更快的將充電過程中產(chǎn)生的位移電流引入陰極，因此電流在經(jīng)歷一個(gè)脈沖后逐漸下降為零，器件進(jìn)入阻斷狀態(tài)。常規(guī)MCT由于此時(shí)無(wú)法保持關(guān)斷，電流迅速上升，發(fā)生不可控的誤觸發(fā)，電流達(dá)到300A左右，而本發(fā)明的高dV/dt抗性MCT僅表現(xiàn)出小于50mA的峰值電流。以上這些結(jié)果表明了本發(fā)明的高dV/dt抗性MCT可以在更聞的dV/dt值下仍保持關(guān)斷，具有更聞的dV/dt抗性。
[0050]進(jìn)一步對(duì)不同柵壓VG下，本發(fā)明的高dV/dt抗性的MCT與常規(guī)MCT的dV/dt抗性進(jìn)行比對(duì)，結(jié)果如圖10所示。從圖中明顯地可以看出，本發(fā)明的高dV/dt抗性的MCT在柵壓小于-5V后即可以出現(xiàn)dV/dt抗性，常規(guī)MCT需要在柵壓小于-13V后才可出現(xiàn)dV/dt抗性。這就表明了本發(fā)明的高dV/dt抗性的MCT相比常規(guī)MCT而言dV/dt抗性改善了近8V。為了進(jìn)一步說明本發(fā)明在改善dV/dt能力的同時(shí)，沒有犧牲正向?qū)щ娔芰?，?duì)比了能體現(xiàn)脈沖功率應(yīng)用中正向?qū)щ娔芰Φ膁i/dt值大小。如圖11所示，對(duì)于從0.2μ F到20μ F的多個(gè)不同電容值，可以看出本發(fā)明高dV/dt抗性的MCT與常規(guī)MCT的di/dt能力基本保持一致。
[0051]綜上，本發(fā)明的有益成果主要包括:
[0052]在正面P雜質(zhì)離子注入退火制備P阱3時(shí)，利用一張明暗相間的掩膜板一次離子注入或多張掩膜板多次離子注入，制造一層橫向變摻雜層的P型摻雜層，使得在靠近源極歐姆接觸處一端摻雜濃度相對(duì)較高，保證器件的dV/dt抗性能力，靠近柵溝道處一端的摻雜濃度相對(duì)較低保證正向耐壓時(shí)不發(fā)生雪崩擊穿。在正面N型雜質(zhì)離子注入退火制備N阱4時(shí)，利用一張明暗相間的掩膜板一次離子注入或多張掩膜板多次離子注入制造一層橫向變摻雜層的N型摻雜層，使得在靠近源極歐姆接觸處一端摻雜濃度相對(duì)較高，保證器件的正向電流導(dǎo)通能力，靠近柵溝道處摻雜濃度相對(duì)較低，保證器件的dV/dt抗性能力。從而解決傳統(tǒng)MCT制造方法中存在的耐壓及正向?qū)芰εcdV/dt抗性能力存在的矛盾關(guān)系，且能與現(xiàn)有工藝相兼容。
[0053]在具體實(shí)施的過程中，在保證基本結(jié)構(gòu)不變的前提下，可依據(jù)實(shí)際工藝過程，進(jìn)行一系列的制造步驟變通互換。當(dāng)所述半導(dǎo)體襯底為P型，且各步驟中摻雜類型P型與N型互換時(shí)，所述MOS柵控晶閘管為P溝道MOS柵控晶閘管器件。半導(dǎo)體襯底除了硅外，還可采用碳化硅、砷化鎵、氮化鎵或者鍺硅復(fù)合材料。
【權(quán)利要求】
1.一種MOS柵控晶閘管的制造方法，其特征在于，包括以下步驟: a.制備襯底，具體為在P型襯底上層外延生長(zhǎng)N型漂移區(qū)； b.進(jìn)行正面P型雜質(zhì)離子注入，在N型漂移區(qū)上層形成P型摻雜層，所述P型摻雜層的濃度為不均勻的，具體為P型摻雜層靠近MOS柵控晶閘管柵極溝道區(qū)一側(cè)的濃度低于另一側(cè)的濃度； c.在N型漂移區(qū)上層進(jìn)行柵氧熱生長(zhǎng)，柵氧層上進(jìn)行多晶硅柵淀積； d.進(jìn)行正面N型雜質(zhì)離子注入，在P型摻雜層上層形成N型摻雜層，所述N型摻雜層的濃度為不均勻的，具體為N型摻雜層靠近MOS柵控晶閘管柵極溝道區(qū)一側(cè)的濃度低于另一側(cè)的濃度； e.在N型摻雜層上層制作P+陰極接觸區(qū)； f.在P型襯底背面制作陽(yáng)極區(qū)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種MOS柵控晶閘管的制造方法，其特征在于，步驟b中所述在N型漂移區(qū)上層形成P型摻雜層的具體方法為: 采用明暗相間的掩膜板進(jìn)行離子注入退火工藝形成濃度不均勻的P型摻雜層，所述明暗相間的掩膜板為靠近MOS柵控晶閘管柵極溝道區(qū)一側(cè)的透明區(qū)少于另一側(cè)的透明區(qū)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種MOS柵控晶閘管的制造方法，其特征在于，步驟b中所述在N型漂移區(qū)上層形成P型摻雜層的具體方法為: 采用多張掩膜板多次離子注入退火形成濃度不均勻的P型摻雜層。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種MOS柵控晶閘管的制造方法，其特征在于，步驟d中所述在P型摻雜層形成N型摻雜層的具體方法為: 采用明暗相間的掩膜板進(jìn)行離子注入退火工藝形成濃度不均勻的N型摻雜層，所述明暗相間的掩膜板為靠近MOS柵控晶閘管柵極溝道區(qū)一側(cè)的透明區(qū)少于另一側(cè)的透明區(qū)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種MOS柵控晶閘管的制造方法，其特征在于，步驟d中所述在P型摻雜層形成N型摻雜層的具體方法為: 采用多張掩膜板多次離子注入退火形成濃度不均勻的N型摻雜層。
【文檔編號(hào)】H01L21/332GK103972086SQ201410226744
【公開日】2014年8月6日 申請(qǐng)日期:2014年5月26日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月26日
【發(fā)明者】陳萬(wàn)軍, 肖琨, 程武, 楊騁, 王珣陽(yáng), 孫瑞澤, 張波 申請(qǐng)人:電子科技大學(xué)