專利名稱：半導體裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及半導體裝置，特別涉及為了改善高耐壓功率器件IGBT (IGBT: Insulated gate bipolar transistor,絕緣柵雙極晶體管)的電特性，
通過背面結(jié)構的淺化和質(zhì)子的照射量的最優(yōu)化，改善低飽和電壓 (Vce(sat))和補償電壓(Eoff)之間的折衷(tradeoff),謀求具有高
耐壓功率器件IGBT的功率半導體裝置的特性的穩(wěn)定性、維持破壞耐量
的半導體裝置的結(jié)構。
背景技術：
作為電氣鐵路用途的逆變器(inverter)控制、變換器(converter) 控制中所使用的功率半導體裝置，例舉IGBT模塊。在電氣鐵路用途的 情況下，主要使用3.3KV、 6.5KV的高耐壓IGBT。
近年來，作為電氣鐵路新的規(guī)格要求是確保-55 °C下的低溫動作。 在現(xiàn)有的規(guī)格中，在-55。C下低飽和電壓(Vce(sat))的特性波形為負 溫度特性。此外，電流電壓特性波形也為負溫度特性。
另一方面，當將很多質(zhì)子照射到n-型半導體襯底上時，缺陷層增加。 缺陷層增加意味著用于復合的核(kernel)增加。結(jié)果，壽命(lifetime) 縮短。并且，產(chǎn)生的少數(shù)載流子或殘留的少數(shù)載流子通過與多數(shù)載流子 復合而消失。該消失之前的平均時間稱為壽命(準確地說是少數(shù)載流子 的壽命)。
壽命示出正溫度特性。因此，當變?yōu)榈蜏貢r，壽命進一步縮短并且 快回(snapback)現(xiàn)象變多。也就是，當將很多質(zhì)子照射到n-型半導體 襯底上時，以壽命的觀點來看，示出與溫度下降相同的現(xiàn)象。
快回現(xiàn)象由注入效率和輸送效率之積決定。若該積小，則快回現(xiàn)象 大。注入效率由半導體襯底背面的pn結(jié)的溫度差決定。輸送效率由壽 命、n-層厚度以及半導體襯底本來的雜質(zhì)濃度等決定。
在n—層厚度厚、半導體襯底本來的雜質(zhì)濃度低的情況下，輸送效率 變小。對于這樣的輸送效率小的高耐壓功率器件IGBT來說，由于背面 的雜質(zhì)的4氐濃度化，更容易產(chǎn)生快回現(xiàn)象。因此，由針對半導體襯底的背面?zhèn)鹊馁|(zhì)子照射量引起的壽命控制(輸送效率的控制)變得重要。
另一方面，溫度上升時壽命變長。這是因為，當溫度高時暫時復合 而消失的少數(shù)載流子由于熱能而再次產(chǎn)生的概率較高，其結(jié)果是，生成 載流子增加。因此，由于殘留載流子增加，示出與壽命變長的效果相同
的現(xiàn)象。在特開2002 -299623號公報中公開了高耐壓功率器件IGBT。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的問題是在現(xiàn)有的高耐壓功率器件IGBT中，需要控 制在主表面上所形成的MOS ( Metal-Oxide-Semiconductor)單元的動作 所需的來自p型集電極區(qū)域的空穴注入量。
因此，本發(fā)明的目的是提供一種具有高耐壓功率器件IGBT的半導 體裝置，具備通過適當?shù)乜刂苼碜詐型集電極區(qū)域的空穴注入量，從而 能夠謀求折衷特性的改善、考慮為無效載流子的影響的破壞耐量的維持 提高的結(jié)構。
此外，提供一種半導體裝置，具備能夠通過將針對半導體襯底背面 側(cè)的質(zhì)子照射量最優(yōu)化，從而防止低飽和電壓(Vce(sat))的偏差，并 且抑制-5 5 °C的低溫下的快回現(xiàn)象的產(chǎn)生的結(jié)構。
在基于本發(fā)明的半導體襯底中，具備在第 一導電型的半導體襯底的 表面?zhèn)仍O置的半導體元件區(qū)域和從所述半導體襯底的背面?zhèn)瘸蛩?半導體襯底的深度方向設置的第二導電型的集電極層以及第一導電型 的緩沖層。并且，所述集電極層在從所述半導體襯底的背面?zhèn)鹊谋砻娴?深度約0.5pm的區(qū)域包含第二導電型雜質(zhì)區(qū)域，并且雜質(zhì)濃度的最大值 是2xl016/cm3,所述緩沖層在從所述半導體襯底的背面?zhèn)鹊谋砻嬖谏疃?約0.5pm至20jiim的區(qū)域包含第一導電型雜質(zhì)，并且雜質(zhì)濃度的最大值 是3xl015/cm3,在從所述半導體襯底的背面?zhèn)鹊谋砻娴缴疃燃s32pm的 區(qū)域具有包含缺陷層的施主化層。
根據(jù)基于本發(fā)明的半導體襯底，組合集電極層以及緩沖層的各自的 濃度和深度、具有缺陷層的凸狀雜質(zhì)濃度分布的供應層，從而能夠得到 改善低飽和電壓Vce (sat)和補償電壓(Eoff)之間的折衷特性的高耐 壓功率器件IGBT。
此外，在3.3KV-Planaer-IGBT中，控制半導體襯底背面的pn結(jié)構 的雜質(zhì)濃度、雜質(zhì)深度以及質(zhì)子的照射量。由此，能夠在-55。C的低溫動
5作中消除低飽和電壓Vce(sat)的快回現(xiàn)象、謀求降低低飽和電壓Vce(sat) 的偏差、開關特性的損失的穩(wěn)定性。
此外，能夠謀求提高IGBT模塊的個別動作中的破壞耐量。這樣， 通過半導體襯底背面的p型集電極層以及n型緩沖層的各自的雜質(zhì)濃度 控制、深度控制以及施主化層的質(zhì)子的照射量的控制，能夠進行從高速 到低速用途的高耐壓功率器件IGBT的產(chǎn)品化。
本發(fā)明的上述以及其他目的、特征、方式以及優(yōu)點，可通過以下與 附圖相關聯(lián)地理解的與本發(fā)明相關的詳細說明來明確。


圖1是示出基于本發(fā)明的實施方式的高耐壓功率器件IGBT的包括 中央部的MOS單元區(qū)域和在周邊區(qū)域設置的保護環(huán)區(qū)域的截面結(jié)構的圖。
圖2是示出高耐壓功率器件IGBT的距背面?zhèn)鹊纳疃?pm)和背面 的雜質(zhì)濃度(離子/cm3)的關系的圖。
圖3是示出高耐壓功率器件IGBT的快回量(V)和質(zhì)子的照射量 (離子/cm2)的關系的圖。
圖4是示出高耐壓功率器件IGBT的距背面?zhèn)鹊纳疃?pm)和p型 集電極濃度(Ns)(離子/cm3)的關系的圖。
圖5是示出基于本發(fā)明的實施方式的快回現(xiàn)象的圖。
圖6是示出基于本發(fā)明的實施方式的低飽和電壓Vce (sat)和補償 電壓(Eoff)的折衷特性的圖。
圖7A、 B至圖24A、 B是示出基于本發(fā)明的實施方式的高耐壓功率 器件IGBT的制造方法的笫一步驟至第十八步驟的截面圖，在各圖中A 表示MOS單元區(qū)域，B表示保護環(huán)區(qū)域。
具體實施例方式
以下，參考附圖對基于本發(fā)明的各實施方式中的半導體裝置的結(jié)構 進行說明。
(實施方式1 )
參考圖1說明本實施方式的高耐壓功率器件IGBT。
在if型半導體襯底100的背面?zhèn)?，設置p型集電極層4以及n+型緩沖層5。在n—型半導體襯底100的表面?zhèn)?，在中央部設置MOS單元區(qū)域 1。在MOS單元區(qū)域1的上方，夾著柵極絕緣膜(圖中省略)設置柵電 極110。
此外，以包圍MOS單元區(qū)域1的方式設置保護環(huán)區(qū)域2。具體地說， 在n-型半導體襯底100的表面，以包圍MOS單元區(qū)域1的方式環(huán)狀地 設置構成保護環(huán)的多個p型阱3。在p型阱3的上方，設置場氧化膜310 以及層間絕緣膜320。
為了維持高耐壓功率器件IGBT的耐壓特性，需要進行n—型半導體 襯底100的厚度和電阻率的最優(yōu)化。在本實施方式中，作為3.3KV的高 耐壓功率器件IGBT，使用n-型半導體襯底100的厚度約320itim 約 380)nm、電阻率約220~約280Qcm的FZ ( ( FZ; Floating Zone:浮動 區(qū))浮動區(qū)方法)晶片。
在n-型半導體襯底100的主表面設置的MOS單元區(qū)域1采用現(xiàn)有 的平面型DMOS ( Double diffused Metal Oxide Semiconductor)結(jié)構。對 于在MOS單元區(qū)域1的周邊設置的保護環(huán)區(qū)域2來說，如上所述，具 有以包圍MOS單元區(qū)域1的芯片的方式環(huán)狀地形成多個的p型阱3、和 由場氧化膜310以及層間絕緣膜320的多層結(jié)構構成的保護膜。對于該 p型阱3來說，具有每一個維持約200V的耐壓的作用。成為越是高耐 壓p型阱3的個數(shù)越增加的結(jié)構。
在本實施方式中，高耐壓功率器件IGBT的背面結(jié)構是重要的。在 現(xiàn)有的IGBT的制造方法中，在主表面的MOS結(jié)構之前形成背面結(jié)構 (卩+/11+/11-結(jié)構)。在形成該背面結(jié)構之后，研磨主表面，去除破碎的層， 形成MOS單元區(qū)域以及保護環(huán)區(qū)域。此外，在現(xiàn)有的IGBT中，p+集電 極層具有高濃度的雜質(zhì)，該雜質(zhì)的擴散深度形成得較深。并且，n+型緩 沖層也具有高濃度的雜質(zhì)。
具體地說，在現(xiàn)有的背面結(jié)構中，p+集電極層的硼(B)的注入量 為約4.0xl015/cm2,注入能量為約50KeV，注入濃度為約5.0pm。此外， 對于n+型緩沖層來說，磷(P)的注入量為約3.3xl014/cm2,注入能量為 約2.80KeV,注入深度為約20jLim,對于質(zhì)子的照射量來說，為約 3xl0"/cm2至5xl0"/cm2。
在本實施方式中，對于背面結(jié)構的n+型緩沖層來說，按照現(xiàn)有技術， 在主表面的MOS結(jié)構之前形成，但是，以p型集電極層在之后的步驟
7中形成得較淺為特征。其制造方法的特征后述。
在本實施方式中，對于背面的p型集電極層4來說，硼(B)的注 入量為約3xl013/cm2,注入能量為約50KeV，注入深度為約0.5|iim。此 外，對于n+型緩沖層來說，磷(P)的注入量為約3xl012/cm2，注入能 量為約120KeV,注入深度為約20)im。
此外，作為壽命控制，照射質(zhì)子。作為最優(yōu)的條件，質(zhì)子的照射量 為約lxl0"/cm2,從背面照射到約32pm的深度位置。由此，能夠沒有 快回現(xiàn)象地謀求低飽和電壓(Vce(sat))和補償電壓(Eoff)之間的折衷 的改善。
在現(xiàn)有的IGBT中，因為不需要低溫下的動作保障，所以，低飽和 電壓Vec (sat)的偏差由快回現(xiàn)象引起未被發(fā)現(xiàn)。因此，在本實施方式 的高耐壓功率器件IGBT中，著眼于低飽和電壓Vec (sat)的偏差原因 引起快回現(xiàn)象，謀求背面結(jié)構和質(zhì)子的照射量的最優(yōu)化，由此，抑制快 回現(xiàn)象的產(chǎn)生，謀求低飽和電壓Vec (sat)和補償電壓(Eoff)之間的 折衷的改善。
如圖1和圖2所示，在本實施方式的高耐壓功率器件IGBT中，對 于p型集電極層4來說，在從n—型半導體襯底100的背面?zhèn)鹊谋砻娴缴?度約0.5pm的區(qū)域(比現(xiàn)有技術薄約十分之一)包含p型雜質(zhì)區(qū)域，并 且是該p型雜質(zhì)濃度的最大值為約2xl0"/ci^的雜質(zhì)濃度分布。此外， 對于n+型緩沖層5來說，在距n—型半導體襯底100的背面?zhèn)鹊谋砻娴纳?度約0.5|tim至20pm的區(qū)域包含n型雜質(zhì)區(qū)域，并且作成該n型雜質(zhì)濃 度的最大值為約3x 1015/cm3的雜質(zhì)濃度分布的背面結(jié)構。
根據(jù)該結(jié)構，在3.3KV的高耐壓規(guī);f各的IGBT中，實現(xiàn)了 HOT漏 電流為約100pA/cm2。將p型集電極層4從現(xiàn)有的約400pm較薄地設置 為約35(^m,從而謀求低飽和電壓Vce(sat)的降低。在將針對rT型半導 體襯底100的空穴的注入量最優(yōu)化后的結(jié)構中，進一步謀求質(zhì)子的照射 量的最優(yōu)化，由此，能夠得到可使低飽和電壓Vce(sat)和補償電壓(Eoff) 的折衷特性穩(wěn)定的高耐壓功率器件IGBT。
圖2示出了距離背面?zhèn)鹊纳疃?nm)和背面的雜質(zhì)濃度(離子/cm3) 的關系。示出圖1所示的本實施方式的高耐壓功率器件IGBT的p型集 電極層4和n+型緩沖層5的最優(yōu)規(guī)格中將質(zhì)子的照射量分為幾個條件的 結(jié)果。No.01-1是質(zhì)子照射量為約5xl0,cn^的情況、No.05-1是質(zhì)子照射量為約2xl0"/cn^的情況、No.07-1是質(zhì)子照射量為約3xl0"/cn^的 情況下的與距離襯底背面的深度相對應的背面的雜質(zhì)濃度分布。
如圖2所示，No.01-1、 No.05-1以及No.07-l所示的雜質(zhì)濃度分布 示出了在距離n-型半導體襯底100的背面的k度為約32|iim (投射范圍 (projected range) (Rp))的附近，缺陷層由于質(zhì)子的照射而進行施 主化并朝向上方的雜質(zhì)濃度分布。對于該No.01-1 、 No.05-1以及No,07-1 所示的雜質(zhì)濃度分布來說，示出了 - 55。C的溫度特性以及低飽和電壓 Vce(sat)特性成為負溫度特性用的上限值的質(zhì)子照射量的分布?？芍?果在No.05-1以下的條件下實施質(zhì)子的照射量，-55。C低溫下不產(chǎn)生快 回現(xiàn)象。
例如，若基于圖2的No.05-1所示的濃度分布，則在將質(zhì)子以約 2xl0"/cm2以下的照射量注入到n-型半導體襯底100的情況下，施主化 層6的濃度成為約7.5xl013/cm3以下。
此外，如圖2所示，將質(zhì)子照射到半導體襯底100的漂移區(qū)域，由 此，形成具有半值寬度為約10pm至約5^im的凸狀的雜質(zhì)濃度分布的缺 陷層。
此外，形成在使質(zhì)子的照射量為約2xl0力cm2、使質(zhì)子的投射范圍 (Rp)為對緩沖層5的深度加上約10pm (Rp=42)im)的深度位置的情 況下，也具有半值寬度為約lOitim的凸狀的雜質(zhì)濃度分布的缺陷層。
由此，能夠提供低飽和電壓Vce(sat)和補償電壓(Eoff)的折衷特 性穩(wěn)定的高耐壓功率器件IGBT。
接下來，在圖3中示出快回量(V)和質(zhì)子的照射量(離子/cm2) 的關系。圖3是-55。C時使快回量定量化的圖表。Y軸(縱軸)示出測 量IGBT的低飽和電壓Vce(sat)時產(chǎn)生的快回波形的后述的圖5所示的I -V特性的Vcc寬度。單位由V表示。X軸(橫軸)表示質(zhì)子的照射量。 單位由"xixioU/cm&示出質(zhì)子的照射量。
根據(jù)此次的實驗結(jié)果，決定將Vcc寬度控制為約2V以下、將質(zhì)子 的照射量控制為直到約2xl0"/cm2。當p型集電極層4的濃度(硼(B) 注入量)為約lxl013/cm2(B規(guī)格)的情況下，質(zhì)子的照射量相當于 lxlOu/cm2，出現(xiàn)快回現(xiàn)象。
在p型集電極層4的濃度(硼(B)注入量)為約5xl0"/cm2(C規(guī) 格)的情況下，質(zhì)子的照射量相當于約5xlO"/cm2，出現(xiàn)快回現(xiàn)象。因此，質(zhì)子的照射量能夠控制在約lxl0"/cm2 約5xlO"/cir^的范圍內(nèi)。在p
型集電極層4的濃度(硼(B)注入量)為約3xlO力cm2 ( A規(guī)格)的情
況下，質(zhì)子的照射量相當于約3xlOn/cm2，出現(xiàn)快回現(xiàn)象。
如上所述，在上述的"C規(guī)格"的情況下，能夠?qū)|(zhì)子的照射量進行
約lxl0H/cm^5xl0"/cn^的較寬的控制。通過控制rT型半導體襯底100
的背面的p型集電極層4的結(jié)構和質(zhì)子的照射量，由此，能夠提供符合
客戶要求的低飽和電壓Vce(sat)和補償電壓(Eoff)的折衷特性穩(wěn)定的 高耐壓功率器件IGB丁。
接下來，圖4示出距離背面的深度(pm)和p型集電極濃度(Ns) (離子/cmS)的關系。在該圖中，示出iT型半導體襯底100的背面的pn 結(jié)構與圖1示出的結(jié)構相同地將Al吸收劑厚度和質(zhì)子的照射量分為幾 個條件并成為相同的特性(耐壓特性等的IGBT特性)的質(zhì)子的控制范圍。
在Al吸收劑厚度為約135)Lim、質(zhì)子的投射范圍(Rp)為約32^m 并且質(zhì)子的照射量為約lxlOn/cm2的情況下、和Al吸收劑厚度為約 115pm、質(zhì)子的投射范圍(Rp)為約52|iim并且質(zhì)子的照射量為約 5xl0，cm2的情況下,得到相同的特性(耐壓特性等的IGBT特性)。 根據(jù)該結(jié)果，設定在-5 5 °C下避免快回現(xiàn)象的控制范圍。
并且，對于施主化層6來說，如圖4所示，包括使質(zhì)子的照射量為 約1 x 101 Vcm2、使質(zhì)子的投射范圍(Rp )為對緩沖層5的深度加上約20pm (Rp=52nm)的深度位置的缺陷層，該缺陷層的施主化濃度為約 3.5><1013/ 113以下，并且成為半導體襯底濃度的約2倍~約3倍。
在圖4中，將包含"No.05-l (質(zhì)子照射量2xl0"/cm2,缺陷層施主 化后的濃度約7xl013/cm3)1n"Rp=52^im時(質(zhì)子照射量約lxl0"/cm2, 缺陷層施主化后的濃度約3.5 x 1013/cm3)"的峰值濃度間的區(qū)域的虛線區(qū) 域，作為維持折衷特性的質(zhì)子的控制范圍。
接下來，圖5示出本實施方式的快回現(xiàn)象。示出在質(zhì)子的照射量為 約7xl0"/cm2、加速電壓為約4.2MeV、 Al吸收劑厚度為約135pm的條 件下，在從-55。C至125。C之間(-55°C、 - 4G)。C、 - 20°C 、 25°C 、 125°C ) 下輸出特性的變化。將Vcc寬度規(guī)定為快回量。
對于質(zhì)子的投射范圍(Rp)來說，相當于在本實施方式中提出的照 射位置。是距離背面約32pm的位置。由于在25。C (常溫)以及125°C
10下沒有觀察到快回現(xiàn)象，所以，察覺不到低飽和電壓Vce的偏差。在本 實施方式中進行最優(yōu)化，使得在-55。C下也不產(chǎn)生快回現(xiàn)象。
接下來，圖6示出本實施方式的低飽和電壓Vce (sat)和補償電壓 (Eoff)的折衷特性。圖6中的+記號(F5 # 23 - 3ref)是背面的p型 集電極層的硼(B)注入量為約3xl013/cm2、 n型緩沖層的磷(P)注入 量為約3x 1012/cm2、不存在質(zhì)子的照射的高耐壓功率器件IGBT產(chǎn)品。
在F5#01-11的高耐壓功率器件IGBT中，質(zhì)子的照射量為約 5xl01Q/cm2,在F5弁03 - 11的高耐壓功率器件IGBT中，質(zhì)子的照射量 為約lxi0"/cm2，在F5存05-11的高耐壓功率器件IGBT中，質(zhì)子的照 射量為約2xl0"/cm2,在F5弁07-11的高耐壓功率器件IGBT中，質(zhì)子 的照射量為約3xl0"/cm2,在F5#09- 11的高耐壓功率器件IGBT中， 質(zhì)子的照射量為約5xlOu/cm2,在F5# 11 - 11的高耐壓功率器件IGBT 中，質(zhì)子的照射量為約7xl0力cm2。將質(zhì)子的照射量分為如上所述的條 件，在圖6中示出低飽和電壓Vce (sat)和補償電壓(Eoff)的折衷特 性的關系。
在圖6中，由圓框包圍的F5#07 - 11 (3xl0力cm2)引起快回現(xiàn)象。 在F5#05- 11 (2xl0力cm2)和F5#07 - 11 (3xlOVcm2)之間存在折 衷特性改變的分歧點。
以上，在本實施方式的高耐壓功率器件IGBT中，如圖l所示，背 面p型集電極層4的表面雜質(zhì)濃度為約2xl016/cm3、雜質(zhì)深度為約 0.5pm, n型緩沖層5的表面雜質(zhì)濃度為約3xl015/cm3、雜質(zhì)深度為約 20pm以下，n-型半導體襯底濃度為約2xl013/cm3。此外，在質(zhì)子的照射 量為約2xl0"/cn^以下、深度為約32ium ( Rp )的位置設置施主化層6。
由此，組合pn的濃度和深度、具有在缺陷層中形成的凸狀雜質(zhì)濃 度分布的施主化層6,從而可以得到改善低飽和電壓Vce (sat)和補償 電壓(Eoff)之間的折衷特性的高耐壓功率器件IGBT。此外，以 3.3KV-Planaer-IGBT的半導體襯底背面的pn結(jié)構的雜質(zhì)濃度和深度、質(zhì) 子的照射量的控制，能夠在-55。C的低溫動作中消除低飽和電壓Vce(sat) 的快回現(xiàn)象、謀求降低低飽和電壓Vce(sat)的偏差、開關特性的損失的 穩(wěn)定化。
(制造方法)
接下來，參考圖7A、圖7B至圖24A、圖24B的截面結(jié)構，說明具備圖1所示的結(jié)構的3.3KV、高耐壓功率器件IGBT (特別是絕緣柵極 型雙極晶體管)的功率半導體元件的制造方法。
背景技術：
的高耐壓功率器件IGBT的制造方法的簡要步驟具備批量 形成、背面n型緩沖擴散步驟、背面p型集電極擴散步驟、p型阱形成 步驟、柵極(1)形成步驟、柵極(2)形成步驟、溝道摻雜步驟、P+型 雜質(zhì)擴散步驟、源極形成步驟、觸點(1 )形成步驟、鋁布線(1 )步驟、 玻璃涂敷步驟、四層蒸鍍(Al/Mo/Ni/Au)步驟、壽命控制步驟(高速型) 以及退火步驟。
另一方面，在本實施方式的高耐壓功率器件IGBT的制造方法中， 在上述背景技術的制造方法中首先以熱擴散方式形成背面的P+型集電 極層/n+型緩沖層，但是，在本實施方式中，從p型阱形成步驟開始，在 玻璃涂敷以后的步驟中采用背面步驟的n型緩沖層形成步驟和p型集電 極層形成步驟。
例如，具備批量形成、背面n型緩沖層擴散步驟(低濃度化)、p 型阱形成步驟、柵極(1)形成步驟、柵極(2)形成步驟、溝道摻雜步 驟、P+型雜質(zhì)擴散步驟、源極步驟、背面p型集電極擴散步驟(薄化、 低濃度化)、觸點(1)形成步驟、鋁布線(1)步驟、玻璃涂敷步驟、 四層蒸鍍(Al/Mo/Ni/Au)步驟以及壽命控制步驟(低壽命控制)。
下面， 一邊示出圖7A、圖7B至圖24A、圖24B的截面結(jié)構， 一邊 說明本實施方式的高耐壓功率器件IGBT的制造方法。
參考圖7A、圖7B,在n—型半導體襯底100中，構筑為了維持高耐 壓功率器件IGBT的耐壓特性所需要的硅厚度(n-層)和電阻率。優(yōu)選 在3.3KV規(guī)格的高耐壓功率器件IGBT的情況下，電阻率為約250 ~約 300Dcm、 rf型半導體襯底100的厚度為約400|tim。作為if型半導體襯底 100,對于高耐壓規(guī)格品來說，采用在兩面附上PBS (poly back seal)、 除去硅中的重金屬污染的制法。3.3KV規(guī)格的高耐壓功率器件IGBT用 的FZ晶片以及6.5KV規(guī)格的高耐壓功率器件IGBT用的FZ晶片中，其 他的制造商也是相同的規(guī)格。n-型半導體襯底100的雜質(zhì)濃度為約 3xl012/cm2。
對n-型半導體襯底100的整個面實施氧化步驟，從背面?zhèn)冗M行磷注 入。由此，從襯底表面到幾十的深度，形成n+型緩沖層5。在本實 施方式中，以磷(P)的注入量為約3xl012/cm2、注入能量為約120KeV、
12注入深度為約20pm形成n+型緩沖層5。
參考圖8A、圖8B,對表面?zhèn)冗M行約lOOiim左右的研磨，得到破碎 層。之后，形成由Si02構成的氧化膜51。之后，在氧化膜51上形成抗 蝕劑膜52,使用照相制版技術選擇性地形成開口部52a。之后，將抗蝕 劑膜52作為刻蝕掩模，選擇性地去除氧化膜51,形成n—型半導體襯底 100露出的開口部51a。
參考圖9A、圖9B,將抗蝕劑膜52以及氧化膜51作為刻蝕掩模， 由開口部51a、52a對保護環(huán)區(qū)域2的n-型半導體襯底100的表面進行硼 的注入。接下來，參考圖IOA、圖IOB，在MOS單元區(qū)域1選擇性地 形成氧化膜51的開口部51b之后，由開口部51a、 52a對rT型半導體襯 底100的表面進行硼的注入。之后，對n-型半導體村底100進行加熱處 理，進行硼的擴散處理。由此，在MOS單元區(qū)域1形成p型擴散區(qū)域 11,并且在保護環(huán)區(qū)域2形成p型阱3。
接下來，參考圖IIA、圖11B,在氧化膜51上堆積抗蝕劑膜53之 后，使用照相制版技術，在MOS單元區(qū)域1以及保護環(huán)區(qū)域2選擇性 地形成開口部53a。之后，進行在開口部53a中露出的氧化膜51的刻蝕。 接下來，參考圖12A、圖12B,去除抗蝕劑膜53之后，對n-型半導體襯 底100的表面實施注入前氧化。
之后，再次在n-型半導體襯底100上堆積抗蝕劑膜54,使用照相制 版技術，在MOS單元區(qū)域1選擇性地形成開口部54a。之后，從開口部 54a向MOS單元區(qū)域1的iT型半導體襯底100的表面的較淺的深度區(qū)域 注入磷。之后，對n-型半導體襯底100實施加熱處理，進行磷的擴散處 理。由此，在MOS單元區(qū)域1形成n型阱12。
接下來，參考圖13A、圖13B，在去除rT型半導體襯底IOO上的氧 化膜之后，在n-型半導體襯底100的表面和背面形成柵極氧化膜55a、 55b。之后，在柵極氧化膜55a、 55b上，堆積約4500埃左右的多晶硅 56a、 56b。接下來，參考圖14A、圖14B,在n—型半導體襯底100上的 表面?zhèn)?，在多晶?6a上堆積抗蝕劑膜57,并且使用照相制版技術，在 MOS單元區(qū)域1以及保護環(huán)區(qū)域2選擇性地形成開口部57a。之后，將 形成有開口部57a的抗蝕劑膜57作為掩才莫，進行多晶硅56a的刻蝕。
接下來，參考圖15A、圖15B,以覆蓋保護環(huán)區(qū)域2的抗蝕劑膜57 的開口部57a的方式堆積抗蝕劑膜58。之后，由MOS單元區(qū)域1的抗
13蝕劑膜57的開口部57a注入硼并進行熱擴散，形成溝道摻雜區(qū)域13。
接下來，參考圖16A、圖16B，在去除抗蝕劑膜58之后，在MOS 單元區(qū)域l形成具有預定的開口部59a的抗蝕劑膜59。之后，將形成有 開口部59a的抗蝕劑膜59作為掩模，注入磷并進行熱擴散，形成P+型 擴散區(qū)域14。
接下來，參考圖17A、圖17B,去除抗蝕劑膜59之后，在MOS單 元區(qū)域1以及保護環(huán)區(qū)域2形成具有預定的開口部60a的抗蝕劑膜60。 之后，將形成有開口部60a的抗蝕劑膜60作為掩才莫，注入砷并進行熱 擴散，形成源極區(qū)域15。
接下來，參考圖18A、圖18B,去除抗蝕劑膜60之后，在n-型半導 體襯底100上的表面?zhèn)?，形成約1pm的PSG ( Phospho Silicate Glass:石粦 玻璃)膜61。此外，在背面?zhèn)?，由灰化?asher)去除氧化膜55b以及 多晶硅56b。之后，使用PBS的吸氣劑退火(getter annealing)技術去 除PBS膜。之后，在充分地進行背面的吸氣之后，較淺地形成P+集電 極層4。
接下來，參考圖19A、圖19B，在MOS單元區(qū)域1以及保護環(huán)區(qū) 域2形成具有預定的開口部61a的抗蝕劑膜61。之后，將形成有開口部 61a的抗蝕劑膜61作為掩模，形成接觸孔CH1、 CH2。并且，在接觸孔 CH1、 CH2的形成中，作為不損傷多晶硅面的方法，采用進行濕法刻蝕 之后實施干法刻蝕的方法。
接下來，參考圖20A、圖20B，在n-型半導體襯底100上的表面?zhèn)龋?通過鋁蒸鍍形成鋁布線層。之后，形成具有預定的開口圖形的抗蝕劑膜 64,并且將該抗蝕劑膜64作為掩模，進行鋁布線層的刻蝕，在MOS單 元區(qū)域1以及保護環(huán)區(qū)域2的所需處形成鋁電極63。
接下來，參考圖21A、圖21B,在去除抗蝕劑膜64之后，在保護環(huán) 區(qū)域2,為了保護鋁電極63,形成玻璃涂敷膜65。接下來，參考圖23A、 圖23B，并且，為了保護該玻璃涂敷膜65,形成聚酰亞胺涂敷膜66。接 下來，參考圖23A、圖23B,在n—型半導體襯底100上的背面?zhèn)?，形?由Al-Mo-Ni-Au的四層結(jié)構構成的背面電才及67 。
接下來，參考圖24A、圖24B,進行壽命控制。具體地說，在n—型 半導體襯底100上的背面?zhèn)?，在質(zhì)子照射量為約2xl()H/cn^以下，在深 度為約32|tim (Rp)處設置施主化層6。并且，對于通過上述步驟形成的高耐壓功率器件IGBT來說，p型集電極層4是從n-型半導體襯底100 的背面?zhèn)鹊谋砻娴缴疃葹榧s0.5|iim的區(qū)域的p型雜質(zhì)濃度最大值為約 2xl0"/cn^的雜質(zhì)濃度分布。此外，對于n+型緩沖層5來說，是在距n— 型半導體襯底100的背面?zhèn)鹊谋砻娴纳疃燃s0.5pm至約20|tim的區(qū)域n 型雜質(zhì)濃度的最大值為約3xlO"/cmS的雜質(zhì)濃度分布。此外，緩沖層5 的最大值濃度變?yōu)閚-型半導體襯底100的濃度的約150倍左右，集電極 層4的最大值濃度變?yōu)榘雽w襯底IOO的濃度的約1000倍左右。
由此，組合pn的濃度和深度、具有缺陷層的凸狀雜質(zhì)濃度分布的 施主化層6,由此，可以得到改善低飽和電壓Vce( sat )和補償電壓(Eoff) 之間的折衷特性的高耐壓功率器件IGBT。此外，以3.3KV-Planaer-IGBT 的半導體襯底背面的pn結(jié)構的雜質(zhì)濃度和深度、質(zhì)子的照射量的控制， 能夠在-55。C的低溫動作中消除低飽和電壓Vce(sat)的快回現(xiàn)象、謀求降 低低飽和電壓Vce(sat)的偏差、快回特性的損失的穩(wěn)定化。
并且，在上述實施方式中，由將背面電極的p+集電極層4的雜質(zhì)濃 度和n+型緩沖層5的雜質(zhì)濃度固定來選擇壽命控制層的方法，使折衷特 性變化，由此，謀求使用用途的擴大，但是，使p+集電極層4的濃度可 變，從而也可以得到同等的折衷特性。
此外，作為特性不被硅素材的不同、工藝上的污染的差影響的管理 方法，確立了在哪個晶片中都能夠共同地展開的吸氣技術，所以，能夠 進行迄今為止不能夠形成的背面結(jié)構的p型集電極濃度和n型緩沖層的 分布管理，所以，能夠謀求空穴的注入量的最優(yōu)化。
追加低壽命控制層，由此，使折衷特性上的選擇增加。能夠以切換 損失的降低、切換特性的關斷損失(切斷損失)(Eoff)和導通電壓(Vce (sat))的折衷(trade-off)特性為目標進行再現(xiàn)。此外，通過謀求空 穴量的最優(yōu)化，從而能夠簡單地謀求耐壓的提高。
雖然詳細地說明并示出了本發(fā)明，但是這僅僅是示例性的，不是限 定性的，應該清楚地理解為本發(fā)明的范圍由所附的技術方案的范圍解 釋。
權利要求
1.一種半導體裝置，其中，具備在第一導電型的半導體襯底的表面?zhèn)仍O置的半導體元件區(qū)域；從所述半導體襯底的背面?zhèn)瘸蛩霭雽w襯底的深度方向設置的第二導電型的集電極層以及第一導電型的緩沖層，所述集電極層在從所述半導體襯底的背面?zhèn)鹊谋砻娴缴疃燃s0.5μm的區(qū)域包含第二導電型雜質(zhì)區(qū)域、并且雜質(zhì)濃度的最大值是約2×1016/cm3，所述緩沖層在距所述半導體襯底的背面?zhèn)鹊谋砻娴纳疃葹榧s0.5μm至約20μm的區(qū)域包含第一導電型雜質(zhì)、并且雜質(zhì)濃度的最大值是約3×1015/cm3，具有在距所述半導體襯底背面?zhèn)鹊谋砻婕s32μm的深度區(qū)域包含缺陷層的施主化層。
2. 根據(jù)權利要求1所述的半導體裝置，其中，所述緩沖層的最大值濃度是所述半導體襯底的濃度的約150倍左右，所述集電極層的最大值濃度是所述半導體村底的濃度的約1000倍 左右。
3. 根據(jù)權利要求1所述的半導體裝置，其中，所述施主化層包括在所述半導體襯底的背面?zhèn)染邆渌鼍彌_層以 及所述集電極層的結(jié)構中，以約2xl0"/cn^以下的照射量向所述半導體 襯底注入質(zhì)子的缺陷層，該施主化層的濃度為約7.5xl0"/cn^以下。
4. 根據(jù)權利要求1所述的半導體裝置，其中，所述施主化層包括在具備所述半導體襯底背面?zhèn)鹊乃鼍彌_層以 及所述集電極層的結(jié)構中，使質(zhì)子的照射量為約2xl0"/cm2、質(zhì)子的投 影范圍Rp為對所述緩沖層的深度加上約10pm即Rp=42pm的深度位置 所形成的具有半值寬度為約1 Ojim的凸狀雜質(zhì)濃度分布的缺陷層。
5. 根據(jù)權利要求1所述的半導體裝置，其中，所述施主化層包括在具備所述半導體襯底的背面?zhèn)鹊乃鼍彌_層 以及所述集電極層的結(jié)構中，使質(zhì)子的照射量為約lxl0力cm2、質(zhì)子的 投影范圍Rp為對所述緩沖層的深度加上約20pm即Rp-52^m的深度位置的缺陷層，所述缺陷層的施主化濃度為約3.5xl0"/cn^以下，并且是所述半導 體襯底濃度的約2倍~約3倍。
6. 根據(jù)權利要求1所述的半導體裝置，其中，所述施主化層包括通過對所述半導體襯底的漂移區(qū)域照射質(zhì)子所 形成的具有半值寬度為約lOpm到約5jim的凸狀雜質(zhì)濃度分布的缺陷 層。
7. 根據(jù)權利要求1所述的半導體裝置，其中，所述集電極層是以第二導電型雜質(zhì)的注入量為約lxlO"/cn^形成的 雜質(zhì)區(qū)域，所述施主化層包括以質(zhì)子的照射量為約1 x 101 Vcm2以下形成的缺陷層。
8. 根據(jù)權利要求1所述的半導體裝置，其中，所述集電極層是以第二導電型雜質(zhì)的注入量為約5xlC^/cn^形成的 雜質(zhì)區(qū)域，所述施主化層包括以質(zhì)子的照射量為約5xlO"/cn^以下形成的缺陷層。
9. 根據(jù)權利要求1所述的半導體裝置，其中，所述施主化層包括通過在質(zhì)子的照射源和所述半導體襯底之間設 置預定厚度的AL吸收劑作為中間材料，從而在距所述半導體襯底的背 面?zhèn)鹊念A定深度位置上形成的具有凸狀雜質(zhì)濃度分布的缺陷層。
全文摘要
本發(fā)明涉及半導體裝置，具有高耐壓功率器件IGBT的半導體裝置中，背面的p集電極層(4)的硼(B)的注入量為約3×10¹³/cm²，注入能量為約50KeV，注入深度為約0.5μm。此外，n⁺型緩沖層(5)的磷(P)的注入量為約3×10¹²/cm²，注入能量為約120KeV，注入深度為約20μm。作為壽命的控制，從半導體襯底(100)的背面?zhèn)日丈滟|(zhì)子。作為最優(yōu)條件，質(zhì)子的照射量為約1×10¹¹/cm²，照射到距背面約32μm的深度位置。由此，沒有快回現(xiàn)象，并且能夠謀求低飽和電壓Vce(sat)和補償電壓(Eoff)之間的折衷特性的改善。
文檔編號H01L29/739GK101494238SQ20081016872
公開日2009年7月29日 申請日期2008年9月26日 優(yōu)先權日2008年1月23日
發(fā)明者久本好明 申請人:三菱電機株式會社