專利名稱：半導(dǎo)體器件及生產(chǎn)工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體器件，如二極管、三極管、晶閘管、絕緣柵雙極晶體管(IGBT)、MOS場效應(yīng)管和集成電路，本發(fā)明特別適用于需要提高擊穿電壓的半導(dǎo)體器件。
背景技術(shù)：
通常用于提高半導(dǎo)體器件如三極管的介電擊穿強度的方法如圖4所示。場限制環(huán)(FLR)4位于基區(qū)2之外，這樣，在位于基區(qū)2和集電區(qū)1之間的PN結(jié)下形成的耗盡層11擴展到場限制環(huán)4的外面。
通常的三極管包括集電區(qū)1、基區(qū)2和發(fā)射區(qū)3。集電區(qū)1包括N+半導(dǎo)體襯底1a和通過外延生長形成于襯底上的低摻雜N-層1b。通過適當(dāng)?shù)募夹g(shù)如擴散在集電區(qū)1中形成P型基區(qū)2。發(fā)射區(qū)3通過適當(dāng)?shù)募夹g(shù)如擴散向基區(qū)2中進行N+摻雜而得到。與基區(qū)2為相同導(dǎo)電類型(P型)的場限制環(huán)4位于基區(qū)和集電區(qū)之間的PN結(jié)10的外面。三極管還包括一層通常為SiO2的絕緣膜，器件隔離環(huán)6，集電極電極7，基區(qū)電極8和發(fā)射極電極9，絕緣膜位于半導(dǎo)體1b的表面。
如上所述的平面三極管并不具備理論上所描述的絕緣擊穿強度，這是因為在氧化層或其它絕緣膜5中或在半導(dǎo)體1b和絕緣膜5之間的界面中有電荷和其它雜質(zhì)。為解決這個問題，確保高的擊穿電壓，在制造三極管時選用電阻率高于理論值的基片，或者采用如圖4所示的場限制環(huán)4，這樣，位于基區(qū)和集電區(qū)之間的PN結(jié)10下面的耗盡層11可以擴展到場限制環(huán)4的外面。導(dǎo)電類型與基區(qū)2相同的場限制環(huán)4通常與基區(qū)一起以相似的方式形成。
如圖5所示，通過適當(dāng)?shù)募夹g(shù)如熱氧化，在半導(dǎo)體層1b的表面形成氧化層作為制作發(fā)射區(qū)的掩模，同時，分別在基區(qū)2和場限制環(huán)4上形成氧化層52和54。在氧化過程中，由于基區(qū)2和場限制環(huán)4的摻雜濃度高于N-型半導(dǎo)體層1b，所以氧化層52和54生長迅速。另一方面，N-型半導(dǎo)體層1b不僅摻雜濃度低，而且上面還覆蓋了一層氧化層5，所以氧化層51生長緩慢。隨著氧化層51，52和54的生長，N-型半導(dǎo)體層1b和氧化層5的界面62向N-型半導(dǎo)體層1b內(nèi)推進；然而，如上所述由于生長速率的不同，界面62在氧化層51中較淺，在基區(qū)2和場限制環(huán)4中較深。因此，界面62沿半導(dǎo)體層1b的表面并不連續(xù)。同時，由于半導(dǎo)體層1b和氧化層5中的N型雜質(zhì)以及基區(qū)2、場限制環(huán)4和氧化層52和54中的P型雜質(zhì)將通過界面62進行再分布，直到界面兩側(cè)的化學(xué)勢相等。由于以上這個公知的效應(yīng)，不同氧化層中的雜質(zhì)將要再分布。上述這些現(xiàn)象在形成發(fā)射區(qū)的過程中也將出現(xiàn)。
如果氧化層5和半導(dǎo)體層1b之間的界面不連續(xù)，將會導(dǎo)致電場集中，這是我們所不希望的。如果基區(qū)2和場限制環(huán)4中的雜質(zhì)通過再分布進入到氧化層5中，正電荷和其它少數(shù)載流子將被引入到氧化層5中，這樣在半導(dǎo)體1b的表面將感生出負電荷。因此，器件的介電擊穿強度特性將要變差。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的上述背景下完成，其目的之一是提供一種具有改進的擊穿強度特性的半導(dǎo)體器件。實現(xiàn)該目的可用下述方法消除半導(dǎo)體和其表面絕緣膜之間由于引入場限制環(huán)而帶來的界面的不連續(xù)性，和防止雜質(zhì)從場限制環(huán)再分布擴散到絕緣膜中，場限制環(huán)是用來提高介電擊穿強度的。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種工藝，以制造上述改進的半導(dǎo)體器件。
根據(jù)本發(fā)明的第一個目的的半導(dǎo)體器件包括第一導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體層，在上述半導(dǎo)體層中用來制造器件的第二導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體區(qū)，和用于提高擊穿電壓，位于所述半導(dǎo)體區(qū)外面的第二導(dǎo)電類型的場限制環(huán)，上述場限制環(huán)沒有暴露于上述半導(dǎo)體層的表面。
在優(yōu)選的實施方案中，用以制造器件的第二導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體區(qū)是二極管的基區(qū)，上述場限制環(huán)在上述基區(qū)的外面。這樣結(jié)構(gòu)的三極管具有高擊穿電壓。
根據(jù)本發(fā)明第二個目的的器件制造工藝用來制造一種半導(dǎo)體器件，該器件包括第一導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體層，在上述半導(dǎo)體層中用來制造器件的第二導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體區(qū)，和用于提高擊穿電壓、位于半導(dǎo)體區(qū)外面的第二導(dǎo)電類型的場限制環(huán)。該工藝包括在第一導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體層中形成場限制環(huán)，在第一導(dǎo)電類型的所述半導(dǎo)體層表面上外延生長第一導(dǎo)電類型的外延層，和在所述外延層表面形成第二導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體區(qū)。根據(jù)本發(fā)明第一個目的，在上述半導(dǎo)體器件中，場限制環(huán)位于第二導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體區(qū)的外面，第二導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體區(qū)位于第一導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體層中。場限制環(huán)是掩埋的，因而沒有暴露于半導(dǎo)體層表面。即使通過適合的氧化技術(shù)如熱氧化在半導(dǎo)體層表面形成絕緣膜，也不會由于場限制環(huán)在絕緣膜和半導(dǎo)體層之間的界面上導(dǎo)致不連續(xù)性，同時也避免了場限制環(huán)中的雜質(zhì)由于再擴散進入絕緣膜。因此，場限制環(huán)確保了在集電區(qū)和基區(qū)之間的PN結(jié)下面的耗盡層擴展到場限制環(huán)的外面，并且不會由于場限制環(huán)導(dǎo)致?lián)舸╇妷合陆?，這樣可以制造一種有高的介電擊穿強度的器件。
根據(jù)本發(fā)明第二個目的，在該器件的工藝中，場限制環(huán)從半導(dǎo)體層表面形成，然后，在半導(dǎo)體層的整個表面上形成一層與所述半導(dǎo)體層具有相同摻雜濃度和相同導(dǎo)電類型的外延層。這樣，場限制環(huán)完全被相似的兩層半導(dǎo)體層包圍，第二導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體區(qū)可以從該外延層表面形成。這樣，預(yù)期的半導(dǎo)體器件就制成了，該器件的場限制環(huán)沒有暴露于外延層表面。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明第一個目的的半導(dǎo)體器件包括一層第一導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體層，在上述半導(dǎo)體層中有用來制造器件的第二導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體區(qū)，所述半導(dǎo)體區(qū)周界的外面是第二導(dǎo)電類型的場限制環(huán)，它們掩埋于第一導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體層中，掩埋的場限制環(huán)有效地增加了耗盡層的擴展，從而提高了擊穿電壓，卻不會導(dǎo)致在絕緣膜和半導(dǎo)體層之間的界面上的不連續(xù)性或場限制環(huán)中的雜質(zhì)進入絕緣膜的再擴散。因此，有效穩(wěn)定了界面能級，提高了介電擊穿強度特性。因此，本發(fā)明的半導(dǎo)體器件有高擊穿電壓。
根據(jù)本發(fā)明第二個目的的器件制造工藝提供一種簡單的方法以形成掩埋于半導(dǎo)體層的場限制環(huán)，從而能夠制造一種其場限制環(huán)沒有暴露于半導(dǎo)體層表面的半導(dǎo)體器件。
附圖簡述半導(dǎo)體的半導(dǎo)體器件及其制造工藝如

圖1-3所示。
圖1是根據(jù)本發(fā)明第一個目的的半導(dǎo)體器件的實施例的剖面圖；圖2是半導(dǎo)體器件基區(qū)-集電區(qū)擊穿電壓曲線；圖3是本發(fā)明半導(dǎo)體器件的制造順序；
圖4是一個采用現(xiàn)有技術(shù)制造的三極管的剖面；和圖5是一個采用現(xiàn)有技術(shù)制造的三極管的場限制環(huán)及其周圍區(qū)域的局部剖面圖。
本發(fā)明的最佳實施方案如圖1所示，采用本發(fā)明的半導(dǎo)體器件例如三極管，包括典型的N+半導(dǎo)體襯底1a，在其表面形成有N-半導(dǎo)體層1b，其導(dǎo)電類型與1a相同，但摻雜濃度較低，然后在1b上外延生長與1b具有相同導(dǎo)電類型的外延層1c，這樣，就形成了三極管的集電區(qū)1，集電區(qū)1是具有第一導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體層。第二導(dǎo)電類型的P型雜質(zhì)通過外延層1c的表面摻入形成基區(qū)2，在基區(qū)2中摻入N+雜質(zhì)形成發(fā)射區(qū)3。場限制環(huán)4a和4b位于半導(dǎo)體層1b和外延層1c中，它水平地包圍著基區(qū)2。本發(fā)明的特點是場限制環(huán)4a和4b沒有暴露于外延層1c的表面，而是包圍于半導(dǎo)體層1b和外延層1c中。
外延層1c的表面覆蓋著絕緣膜5，絕緣膜通常由氧化硅構(gòu)成用來作為形成基區(qū)2和發(fā)射區(qū)3的掩模。通常由鋁構(gòu)成的基區(qū)電極8和發(fā)射區(qū)電極9通過在絕緣膜5中形成的接觸孔分別與基區(qū)和發(fā)射區(qū)連接。集電區(qū)電極9位于半導(dǎo)體襯底1a的背面。為了簡明，圖1中省略了器件隔離環(huán)。
在討論的實施例中有兩個場限制環(huán)4a和4b。提供的場限制環(huán)的數(shù)目越多，器件的介電擊穿強度越強，但另一方面，隨著場限制環(huán)數(shù)目的增多，芯片的面積也將隨之增加。即使只有一個場限制環(huán)，擊穿電壓也將有顯著提高，所以，場限制環(huán)的數(shù)目應(yīng)根據(jù)具體的目的來決定。
N+半導(dǎo)體襯底1a和N-半導(dǎo)體層1b可以用任何方法來形成；例如，可以在N+半導(dǎo)體襯底1a上外延生長N-半導(dǎo)體層1b，或者可以在N-半導(dǎo)體襯底的背面注入N型雜質(zhì)以形成N+層來作為半導(dǎo)體襯底1a。N+半導(dǎo)體襯層1a的典型摻雜濃度為1×1018-1×2020/cm3，而N-型半導(dǎo)體層1b和N-型外延層1c的典型摻雜濃度為1×1013-1×1015/cm3。外延層1c的厚度A大約為5-20μm，半導(dǎo)體層1b和外延層1c的總厚度B大約為40-120μm。從外延層1c的表面算起，典型的基區(qū)2的厚度C大約為10-30μm?；鶇^(qū)2的典型摻雜濃度為5×1016-1×1017/cm3，而發(fā)射區(qū)3的典型摻雜濃度為1×1018-1×1020/cm3。場限制環(huán)4a和4b與基區(qū)2的摻雜類型和摻雜濃度相同。每個場限制環(huán)的高度D大約為5-20μm，場限制環(huán)的寬度E大約為15-20μm，場限制環(huán)4a和基區(qū)2的邊界的距離F大約為45-55μm，場限制環(huán)4a和4b之間的間距大約為50-60μm。
因此，根據(jù)本發(fā)明的第一個目的的半導(dǎo)體器件具有如下的結(jié)構(gòu)，即在第一導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體層(即，N-型半導(dǎo)體層1b和外延層1c)上有用來形成半導(dǎo)體器件(三極管)的第二導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體區(qū)(即，P型基區(qū)2)，以及將場限制環(huán)4a和4b放在上述半導(dǎo)體區(qū)的邊界外面，場限制環(huán)4a和4b沒有暴露于外延層1c的表面。在該結(jié)構(gòu)中，位于基區(qū)2的邊界以外的半導(dǎo)體層1b的表面，它是半導(dǎo)體層1b與絕緣膜5的界面，均勻地被外延層1c所覆蓋，不會由于場限制環(huán)4a和4b的存在而導(dǎo)致不連續(xù)性。并且，場限制環(huán)4a和4b中的雜質(zhì)也不會可能再分布進入絕緣膜5，因此，絕緣膜5不會由于這種方式被污染以至使器件的介電擊穿特性下降。
圖2為根據(jù)本發(fā)明所述實施例的三極管基極-集電極擊穿電壓的曲線與現(xiàn)有技術(shù)的三極管的比較，在現(xiàn)有技術(shù)中，場限制環(huán)暴露于半導(dǎo)體層的表面。兩條曲線的數(shù)據(jù)分別以二十個樣品采集。顯然，采用現(xiàn)有技術(shù)的三極管的基極-集電極擊穿電壓大約為1000V，而采用本發(fā)明的三極管的基極-集電極擊穿電壓大約為1300V。
現(xiàn)在，將參照圖3說明制造本發(fā)明所述實施例的三極管的制造工藝。
首先，通過在900-1200下熱氧化，在位于N+半導(dǎo)體襯底1a上的N-半導(dǎo)體層1b的上表面覆蓋SiO2層12，其厚度大約為0.5-1μm，然后在欲形成場限制環(huán)4a和4b的位置，在SiO2層12上開出第一層窗口13(參見圖3a)。窗口13是采用光刻工藝實現(xiàn)，光刻工藝包括涂光刻膠、曝光和刻蝕。
其次，通過SiO2膜12中的窗口13向半導(dǎo)體層1b中摻入諸如磷或砷等的雜質(zhì)以形成掩埋的場限制環(huán)4a和4b(見圖3b)。
然后，去掉SiO2層12，在半導(dǎo)體層1b的表面外延生長N-外延層1c(見圖3c)。
隨后，通過適當(dāng)?shù)募夹g(shù)如熱氧化，在外延層1c的表面形成通常由SiO2構(gòu)成的絕緣膜14，并采用與形成窗口13相同的光刻工藝，在絕緣膜14上形成窗口15。通過擴散向外延層1c參入P型雜質(zhì)以形成基區(qū)2。在摻入雜質(zhì)的同時掩埋的場限制環(huán)4a和4b中的雜質(zhì)擴散到外延層1c中，這樣，部分場限制環(huán)4a和4b將增大進入外延層1c中，但是，其增長的部分很小，所以，場限制環(huán)4a和4b不會暴露于外延層1c的表面。
盡管沒有圖示出，其后續(xù)工藝包括在表面形成第二層絕緣膜，采用如前所述的方法制作圖案，擴散雜質(zhì)形成發(fā)射區(qū)，并形成必要的電極如基區(qū)電極和發(fā)射區(qū)電極，以制作完整的三極管。
如上文所述的工藝，先在半導(dǎo)體層1b中形成場限制環(huán)4a和4b，然后再外延生長外延層1c。這樣就可制成一種半導(dǎo)體器件，它的兩個場限制環(huán)4a和4b完全被半導(dǎo)體層1b和外延層1c所包圍，而沒有暴露于外延層1c的表面。另外，場限制環(huán)4a和4b可與基區(qū)2在不同的步驟中形成，因此場限制環(huán)的摻雜濃度可以控制在所需的任何值，以自由調(diào)節(jié)耗盡層的擴展。
工業(yè)應(yīng)用根據(jù)本發(fā)明第一個目的的半導(dǎo)體器件包括第一導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體層，在上述半導(dǎo)體層中有用于形成半導(dǎo)體器件的第二導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體層，第二導(dǎo)電類型的場限制環(huán)位于半導(dǎo)體區(qū)的周界的外面，所述場限制環(huán)掩埋于上述第一導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體層中。掩埋的場限制環(huán)有效地增加了耗盡層的擴展，從而提高了擊穿電壓而不會導(dǎo)致在絕緣膜和半導(dǎo)體層之間的界面上的不連續(xù)性或場限制環(huán)中的雜質(zhì)進入絕緣膜的再擴散。因此，有效穩(wěn)定了界面能級，提高了介電擊穿強度特性。因此，本發(fā)明的半導(dǎo)體器件有高擊穿電壓。
根據(jù)本發(fā)明第二個目的的器件制造工藝提供了一種簡單的方法以形成掩埋于半導(dǎo)體層的場限制環(huán)，使得可以制造一種其場限制環(huán)沒有暴露于半導(dǎo)體層表面的半導(dǎo)體器件。
權(quán)利要求
1.一種半導(dǎo)體器件，包括第一導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體層；在上述半導(dǎo)體層中用來制造半導(dǎo)體器件的第二導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體區(qū)；和位于所述半導(dǎo)體區(qū)的周界的外面用來提高擊穿電壓的第二導(dǎo)電類型的場限制環(huán)；其中場限制環(huán)沒有從半導(dǎo)體層表面暴露。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的半導(dǎo)體器件，其中，用以制造半導(dǎo)體器件的第二導(dǎo)電類型的所述半導(dǎo)體區(qū)是三極管的基區(qū)，且其中所述場限制環(huán)位于基區(qū)周界的外面。
3.一種制作一種半導(dǎo)體器件的工藝，該半導(dǎo)體器件包括第一導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體層，在上述半導(dǎo)體層中用以制造器件的第二導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體區(qū)，和位于所述半導(dǎo)體區(qū)周界的外面用以提高擊穿電壓的第二導(dǎo)電類型的場限制環(huán)，所述制作工藝包括在上述第一導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體層中形成場限制環(huán)；在上述第一導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體層的表面上形成第一導(dǎo)電類型的外延層；和在所述外延層表面形成第二導(dǎo)電類型的所述半導(dǎo)體區(qū)。
全文摘要
本文提出了一種半導(dǎo)體器件。該器件由于消除了由場限制環(huán)導(dǎo)致的半導(dǎo)體層和絕緣膜之間界面的不連續(xù)性，以及避免了雜質(zhì)由于再擴散而由場限制環(huán)進入絕緣膜中，所以該器件的絕緣擊穿強度特性將有所提高。本文還給出了制造上述半導(dǎo)體器件的工藝方法。在第一導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體層(即N
文檔編號H01L29/78GK1146827SQ96190107
公開日1997年4月2日 申請日期1996年2月19日 優(yōu)先權(quán)日1995年2月20日
發(fā)明者坂本和久 申請人:羅姆股份有限公司