專利名稱：適于形成半導(dǎo)體結(jié)型二極管器件的半導(dǎo)體晶片及其形成方法
適于形成半導(dǎo)體結(jié)型二極管器件的半導(dǎo)體晶片及其形成方法 技術(shù)領(lǐng)域[OOOl]本發(fā)明涉及半導(dǎo)體制造。更具體地說，本發(fā)明涉及接近外延 (EPI)性質(zhì)晶片的制造。技術(shù)背景
外延(EPI)性質(zhì)晶片(下文中稱作"EPI晶片")在本領(lǐng) 域中是眾所周知的。術(shù)語"外延"被定義為在單晶襯底上生長的單晶 半導(dǎo)體膜。外延層具有與襯底材料相同的晶體學(xué)特性。在化學(xué)氣相沉 積("CVD")反應(yīng)器中當(dāng)硅原子沉積到裸硅晶片上時，生成了單晶 外延結(jié)構(gòu)。當(dāng)精確地控制化學(xué)反應(yīng)物和精確地設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)時，沉積 的原子以充足的能量到達晶片表面上以在晶片表面到處運動并且使其 自身定向到晶片原子的晶體排列。
典型的EPI晶片包括提供非常低的電阻(通常低于約0.001歐姆/平方)的重?fù)诫s的硅襯底以及在該襯底上外延生長的約1到3微米的EPI層。圖1示出能夠在其上形成半導(dǎo)體結(jié)型二極管器件的EPI晶片100的橫截面圖。EPI晶片包括硅襯底102和EPI層104。這種器件能夠在瞬變到達并且潛在地?fù)p壞集成電路或類似結(jié)構(gòu)之前用于抑制 在電源等中高電壓的瞬變。
使用諸如圖1所示的EPI晶片來形成半導(dǎo)體結(jié)型二極管器件 所產(chǎn)生的一個優(yōu)勢在于它的反向擊穿電壓VB主要由EPI層104的摻雜 劑濃度來控制，而器件的正向電壓降由EPI晶片的總串聯(lián)電阻來確定。 EPI晶片的總串聯(lián)電阻又主要由襯底102的電阻來確定。由于EPI晶片 的襯底102通常具有低電阻，所以一般能夠令人滿意地保持低的器件 正向電壓降。另一方面，如果采用非EPI晶片，則因為難以提供具有相對低的總串聯(lián)電阻的非EPI晶片，所以正向電壓一般會較大。
雖然EPI晶片呈現(xiàn)上述優(yōu)勢，但是EPI晶片的成本非常高。 傳統(tǒng)的EPI晶片會達到每片約$50.00或更高。此外，雖然目前已經(jīng)提 出了幾種以較低成本獲得EPI晶片的方法，但是提出的方法通常在某 些方面受到限制。例如，花費較少的方法僅能夠提供厚度小于1微米 的EPI層。具有厚度小于1微米的EPI層使得在這些層上可以制作的 器件(例如二極管，晶體管)由于這些晶體管具有相對大的結(jié)電容而 在性能上受到限制。大的結(jié)電容的產(chǎn)生主要是因為EPI層很薄使得結(jié) 電容在重?fù)诫s的襯底中延伸。
因此，期望提供一種相對便宜的半導(dǎo)體晶片，能夠使用這種 晶片替代EPI晶片來形成具有可以在寬的值范圍內(nèi)定制的正向電壓降 和反向擊穿電壓的半導(dǎo)體器件。發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明，提供一種制作半導(dǎo)體晶片的方法，所述半導(dǎo)體 晶片用于制作具有目標(biāo)正向電壓降和目標(biāo)反向擊穿電壓的半導(dǎo)體結(jié)型 二極管器件。所述方法首先用第一傳導(dǎo)類型的第一摻雜劑通過背表面 來摻雜第一傳導(dǎo)類型的半導(dǎo)體襯底，所述第一傳導(dǎo)類型的第一摻雜劑 的量足以形成具有目標(biāo)正向電壓降的半導(dǎo)體結(jié)型二極管器件。接下來， 用第一傳導(dǎo)類型的第二摻雜劑通過前表面來摻雜襯底，所述第一傳導(dǎo) 類型的第二摻雜劑的量足以形成使得其具有目標(biāo)反向擊穿電壓的半導(dǎo) 體結(jié)型二極管器件。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，摻雜步驟中的至少一個包括注入第 一摻雜劑和擴散第一摻雜劑。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，半導(dǎo)體襯底是非EPI襯底。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，半導(dǎo)體襯底是Si襯底。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，非EPI襯底具有的電阻率大于約 20歐姆/平方。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，通過背表面摻雜襯底的步驟形成第 一擴散層，所述第一擴散層的厚度大于由通過前表面摻雜襯底的步驟 所形成的第二擴散層的厚度。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，第一擴散層的厚度在約200 — 250 微米之間。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，第二擴散層具有的厚度小于約50 微米。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，通過前表面和背表面摻雜襯底的步 驟分別形成第一擴散層和第二擴散層，其中，第二擴散層具有的最大 傳導(dǎo)率大于第一擴散層的最大傳導(dǎo)率。


圖1示出能夠在其上形成半導(dǎo)體結(jié)型二極管器件的EPI晶片 的橫截面圖。[OOH]圖2示出可以在此描述晶片上形成的半導(dǎo)體結(jié)型二極管器 件的一個示例。
圖3示出可以用于本發(fā)明以制作諸如圖2所示半導(dǎo)體結(jié)型器件的初始晶片的一個示例。
圖4示出在通過晶片背面注入和擴散之后的摻雜劑濃度分布。
圖5示出在通過晶片前面和背面均執(zhí)行注入和擴散工藝之 后的晶片的摻雜劑濃度分布。
具體實施方式
下面參考附圖來更全面的描述本發(fā)明，其中示出本發(fā)明的優(yōu) 選實施例。但是本發(fā)明可以以許多不同的形式來實現(xiàn)，并且不將本發(fā) 明理解為限于在此所闡述的實施例；而是，提供該實施例，使得該公 開全面和完整，并且向本領(lǐng)域技術(shù)人員傳達本發(fā)明的范圍。
本發(fā)明的發(fā)明人認(rèn)識到半導(dǎo)體結(jié)型二極管器件的正向電壓 降在不使用相對昂貴的EPI晶片的情況下得到改善(即減小)。下面 將更詳細(xì)地描述，使用經(jīng)歷兩次擴散工藝的、不昂貴的、拋光的非EPI 晶 片，來代替EPI晶片。
圖2示出可以在此所描述的晶片中形成的半導(dǎo)體結(jié)型二極 管器件(例如，齊納二極管，晶閘管)的一個示例。器件20包括金屬 接觸7和9，具有陰極的上基極區(qū)2或由短路點6分隔開的發(fā)射極區(qū)4。 上基極區(qū)2是P+型傳導(dǎo)性，而發(fā)射極區(qū)4是N++型傳導(dǎo)性。短路點6 與上基極區(qū)2 —樣是P+型傳導(dǎo)性。發(fā)射極區(qū)4和短路點6耦合到金屬 接觸7。通過在N-型傳導(dǎo)性的襯底1中進行注入和擴散來形成上基極2 和發(fā)射極區(qū)4。下基極或陽極區(qū)5形成在襯底1的下表面上，并且與金 屬接觸9接觸。下基極區(qū)具有P+型傳導(dǎo)性。
P型摻雜劑(例如，硼)將正電荷加入到半導(dǎo)體材料，而N 型摻雜劑(例如，磷)將負(fù)電荷加入到半導(dǎo)體材料中?？勺顑?yōu)地，P++ 或N++型濃度大致包括"1019至"1021個原子/ 113的范圍內(nèi)，以及P十 和N+濃度大致包括"1015至lxlO^原子/cmS的范圍內(nèi)。摻雜劑濃度 的P-到P(或N-到N)范圍大致包括lxlO"至lxlO"原子/cr^的范圍。 區(qū)域中的濃度根據(jù)檢測區(qū)域的深度而變化。因而，僅僅以近似的范圍 來提供這些濃度。
圖3示出可以用于本發(fā)明的以制作諸如圖2所示的半導(dǎo)體結(jié)型器件的初始晶片200的一個示例。初始晶片200是商用的高電阻(例 如，大于20歐姆/平方)的非EPI硅晶片。根據(jù)要制作的所要得到的器 件，初始晶片可以是n型或p型。通常拋光晶片的前面202，以有利于 隨后制作結(jié)型器件。為了減小晶片200的總電阻使得能夠減小正向電壓降，釆用 注入和擴散工藝以將摻雜劑驅(qū)入到晶片200的背面204中。被釆用的 摻雜劑具有與初始晶片200的傳導(dǎo)性相同的傳導(dǎo)性。即，在擴散工藝 中，如果初始晶片200最初是n型，則采用n型摻雜劑，并且如果采 用p型初始晶片200,則采用p型摻雜劑。為了盡可能遠地將摻雜劑驅(qū) 入到晶片200的背面204中，可以在高擴散溫度下采用相對長的擴散 工藝。盡管如此，實際地說，如果通常釆用的摻雜劑擴散工藝被使用， 則驅(qū)入深度一般落在約200到250微米之間，以提供低電阻率區(qū)208 (區(qū)域II)。因而，如果初始晶片200最初為約為250微米厚且驅(qū)入深 度為200微米，則將保持具有約50微米的厚度的高電阻率區(qū)206 (區(qū) 域I)。因此，晶片200的總厚度由摻雜劑通過晶片200的背面204的 擴散深度來限制。當(dāng)然，如果采用能夠驅(qū)入更大量的摻雜劑的其他注 入和/或擴散技術(shù)，則可以采用更厚的晶片。在執(zhí)行上述注入和擴散工藝之后，晶片202具有在厚的p+ 層208上形成的薄的p層206 (或者，可替選地為n/n+層206和208)。 所得到的摻雜劑濃度分布示出在圖4中。更厚的高濃度層208允許要 形成的結(jié)型器件具有相對低的正向電壓降。然而，由于下面的原因， 薄的較低濃度層206，通常僅適合具有相對高的擊穿電壓(例如，大于 約600V)的結(jié)型器件，而不適合具有較低的擊穿電壓(例如，小于約 600V的電壓)的結(jié)型器件，在所述較低濃度層206中能夠形成圖1A 器件的上基極2和發(fā)射極區(qū)4。擊穿電壓和摻雜劑濃度之間的關(guān)系可以通過考慮具有寬度 WO的簡單PN結(jié)來確定。不受任何特定理論或模型約束的情況下，提出下面的分析以有助于理解本發(fā)明。例如《Solid State Electronics Devices》第5版(B. Streeman等著，Pearson教育公司出版，2004)中 第五章中討論的內(nèi)容，寬度為Wo的pn結(jié)上的接觸電勢Vo可以表示為
其中^是結(jié)上的電場。某個臨界電場&下產(chǎn)生的擊穿電壓Va因而可以表示為
其中Wa表示器件擊穿時的耗盡寬度，并且Wb〉Wo。如《Solid State Electronics Devices》中的公式(5-22)所示， 結(jié)的平衡寬度Wo可以表示為
因此<formula>formula see original document page 10</formula>
這里慫和A^分別表示受主離子和施主離子的摻雜濃度。因此，Vn可以表示為
在其中一邊是更重?fù)诫s(例如，P+N) 乂》義的單邊突變 結(jié)的情況下，那么VB可以用下面的公式來很好的近似
，gc在本發(fā)明中pn結(jié)由薄的輕摻雜的層206和更重?fù)诫s的較厚 層208來限定。因此，Nd代表層208中的施主離子的摻雜濃度，因此 其可以被稱為晶片的體濃度。如在前公式所指出的，由于層206具有相對低的摻雜劑濃 度，所以得到的結(jié)型器件的擊穿電壓相對大。為了生產(chǎn)具有較低擊穿 電壓的結(jié)型器件，因此應(yīng)該增加層206的摻雜劑濃度。這可以通過晶 片200的前面202進行的第二離子注入和擴散工藝來完成。通過晶片 200的前面202引入的摻雜劑具有與初始晶片200相同的傳導(dǎo)性。在通 過對晶片200的前面和背面執(zhí)行注入和擴散工藝之后的晶片200的摻 雜劑濃度分布示出在圖5中。在第二離子注入和擴散工藝被執(zhí)行后， 層206的較高摻雜劑濃度允許形成的結(jié)型器件具有較低的反向擊穿電 壓。通過上述方式控制層206的精確摻雜劑濃度，所得到的器件 的反向擊穿電壓可以按照需要來定制。此外，以上述方式，通過控制 初始晶片200的總摻雜劑濃度分布(即通過控制層208以及層206的 總慘雜劑濃度)，可以定制反向擊穿電壓，同時也可以得到低的正向 電壓降。制作具有一些期望的目標(biāo)反向擊穿電壓和正向電壓降的器件 所需的特定摻雜劑濃度分布可以通過本領(lǐng)域技術(shù)人員熟知的、諸如仿 真等的技術(shù)來確定。同樣，合適的摻雜劑、慘雜劑濃度和摻雜參數(shù)(例 如，注入能量、擴散時間和溫度)對本領(lǐng)域技術(shù)人員來說都是公知的。示例半導(dǎo)體結(jié)型二極管器件分別形成在拋光的晶片上、本發(fā)明的晶片(經(jīng)歷了上述摻雜工藝的拋光晶片)以及Epi晶片上。所有晶片具有相類似的反向電壓性能(VR 88V)。三個晶片都是200)Lim厚并具有n型傳導(dǎo)性。拋光的晶片具有0.45歐姆/平方的電阻率。氧化硼被沉積在它的表面上并進行卯0分鐘的驅(qū)入。本發(fā)明的晶片首先釆用具有電阻率為20歐姆/平方的初始襯底。氧化磷被沉積在它的背面上并進行6000分鐘的驅(qū)入。以5.0X10"的劑量將磷注入到拋光的前表面上并進行4500分鐘的驅(qū)入。最后，氧化硼被沉積在它的表面上并進行900分鐘的驅(qū)入。EPI晶片開始是150|um厚、電阻率為0.005歐姆/平方的N+型襯底。通過在其表面上沉積氧化硼并進行900分鐘的驅(qū)入，在襯底上形成50nm、 3.0X 1014ea/ccEPI層。在這三個晶片上形成的所有器件的反向電壓性能是相似的，并且反向電壓為80伏左右。但是Epi晶片和本發(fā)明的晶片的正向電壓降比拋光的晶片好得多。具體地，在4.0X10"A m的恒定電流密度下，EPI晶片具有1.28V的VF，本發(fā)明的晶片具有1.395V的VF，而拋光的晶片具有2.985V的VF。仿真結(jié)果表明，在高電流密度下，在本發(fā)明的晶片上形成的器件甚至可以具有更好的正向電壓性能。
權(quán)利要求
1. 一種制作半導(dǎo)體晶片的方法，所述半導(dǎo)體晶片用于具有目標(biāo)正向電壓降和目標(biāo)反向擊穿電壓的半導(dǎo)體結(jié)型二極管器件，所述方法包括提供第一傳導(dǎo)類型的半導(dǎo)體襯底，所述襯底具有前表面和背表面；用所述第一傳導(dǎo)類型的第一摻雜劑通過所述背表面來摻雜所述襯底，所述第一摻雜劑的量足以形成具有目標(biāo)正向電壓降的半導(dǎo)體結(jié)型二極管器件；以及用所述第一傳導(dǎo)類型的第二摻雜劑通過所述前表面來摻雜所述襯底，所述第二摻雜劑的量足以形成具有目標(biāo)反向擊穿電壓的半導(dǎo)體結(jié)型二極管器件。
2. 如權(quán)利要求l所述的方法，其中，所述摻雜步驟中的至少一個包括注入所述第一摻雜劑以及擴散 所述第一摻雜劑。
3. 如權(quán)利要求l所述的方法，其中，所述半導(dǎo)體襯底是非EPI襯底。
4. 如權(quán)利要求3所述的方法，其中，所述半導(dǎo)體襯底是Si襯底。
5. 如權(quán)利要求2所述的方法，其中，所述非EPI襯底具有大于約 20歐姆/平方的電阻率。
6. 如權(quán)利要求l所述的方法，其中，通過所述背表面摻雜所述襯 底的步驟形成第一擴散層，所述第一擴散層的厚度大于由通過所述前 表面摻雜所述襯底的步驟所形成的第二擴散層的厚度。
7. 如權(quán)利要求6所述的方法，其中，所述第一擴散層的厚度在約200-250微米之間。
8. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述襯底具有在約200-250 微米之間的厚度。
9. 如權(quán)利要求6所述的方法，其中，所述襯底具有在約200-250 微米之間的厚度。
10. 如權(quán)利要求9所述的方法，其中，所述第二擴散層具有小于 約50微米的厚度。
11. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中，通過前表面和背表面摻雜 所述襯底的步驟分別形成第一擴散層和第二擴散層，其中所述第二擴 散層具有大于所述第一擴散層的最大傳導(dǎo)率的最大傳導(dǎo)率。
12. —種半導(dǎo)體晶片，包括具有前表面和背表面的第一傳導(dǎo)類型的半導(dǎo)體襯底； 所述第一傳導(dǎo)類型的第一擴散層，所述第一擴散層形成在所述襯 底中并且具有帶有第一摻雜劑分布的摻雜劑濃度，所述第一摻雜劑分 布為常數(shù)或者隨著通過所述襯底背表面的深度的增加而減?。凰龅谝粋鲗?dǎo)類型的第二擴散層，所述第二擴散層形成在所述襯 底中并且具有帶有第二摻雜劑分布的摻雜劑濃度，所述第二摻雜劑分 布為常數(shù)或者隨著通過所述襯底前表面的深度的增加而減小。
13. 如權(quán)利要求12所述的半導(dǎo)體晶片，其中，所述半導(dǎo)體襯底是 非EPI襯底。
14. 如權(quán)利要求13所述的半導(dǎo)體晶片，其中，所述半導(dǎo)體襯底是 Si襯底。
15. 如權(quán)利要求13所述的半導(dǎo)體晶片，其中，所述非EPI襯底具 有大于約20歐姆/平方的電阻率。
16. 如權(quán)利要求12所述的半導(dǎo)體晶片，其中，所述第一擴散層的 厚度大于所述第二擴散層的厚度。
17. 如權(quán)利要求16所述的半導(dǎo)體晶片，其中，所述第一擴散層的 厚度在約200-250微米之間。
18. 如權(quán)利要求12所述的半導(dǎo)體晶片，其中，所述半導(dǎo)體襯底具 有在約200-250微米之間的厚度。
19. 如權(quán)利要求17所述的半導(dǎo)體晶片，其中，所述第二擴散層具 有小于約50微米的厚度。
20. 如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體晶片，其中，所述第二擴散層具 有大于所述第一擴散層的最大傳導(dǎo)率的最大傳導(dǎo)率。
全文摘要
本發(fā)明提供一種制作半導(dǎo)體晶片的方法，所述半導(dǎo)體晶片用于制作具有目標(biāo)正向電壓降和目標(biāo)反向擊穿電壓的半導(dǎo)體結(jié)型二極管器件。所述方法首先用第一傳導(dǎo)類型的第一摻雜劑通過背表面摻雜第一傳導(dǎo)類型的半導(dǎo)體襯底，所述第一傳導(dǎo)類型的第一摻雜劑的量足以形成具有目標(biāo)正向電壓降的半導(dǎo)體結(jié)型二極管器件。接下來，用第一傳導(dǎo)類型的第二摻雜劑通過前表面來摻雜襯底，所述第一傳導(dǎo)類型的第二摻雜劑的量足以形成使得其具有目標(biāo)反向擊穿電壓的半導(dǎo)體結(jié)型二極管器件。
文檔編號H01L21/8222GK101536177SQ200780039598
公開日2009年9月16日 申請日期2007年8月10日 優(yōu)先權(quán)日2006年10月24日
發(fā)明者鄺普如, 高隆慶 申請人:威世通用半導(dǎo)體公司