半導(dǎo)體器件的制作方法
【專利摘要】公開了半導(dǎo)體器件。所述半導(dǎo)體器件的制造方法包括：在半導(dǎo)體襯底的第一表面形成阱區(qū)，半導(dǎo)體襯底和阱區(qū)分別為彼此相反的第一摻雜類型和第二摻雜類型；在阱區(qū)上形成柵介質(zhì)層；在柵介質(zhì)層上形成柵導(dǎo)體層；在阱區(qū)中形成第二摻雜類型的基區(qū)；在基區(qū)中形成第一摻雜類型的發(fā)射區(qū)；在發(fā)射區(qū)上形成發(fā)射電極；進(jìn)行預(yù)處理，在半導(dǎo)體襯底的第二表面附近的區(qū)域形成預(yù)處理區(qū)；在半導(dǎo)體襯底的第二表面形成第一摻雜類型的集電區(qū)；在集電區(qū)上形成集電電極；以及進(jìn)行第一熱處理，第一熱處理激活第一摻雜區(qū)的摻雜劑并且在集電區(qū)附近形成缺陷層。該方法通過引入缺陷層以降低半導(dǎo)體器件制造后期的熱處理溫度和獲得高雜質(zhì)激活。
【專利說明】
半導(dǎo)體器件
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本實(shí)用新型涉及集成電路制造領(lǐng)域，更具體地，涉及半導(dǎo)體器件。
【背景技術(shù)】
[0002]集成電路包括在單個(gè)半導(dǎo)體襯底形成并且由布線互連在一起的多個(gè)半導(dǎo)體器件。在集成電路中，半導(dǎo)體器件可以用作功率開關(guān)或信號處理器件。功率半導(dǎo)體器件亦稱為電力電子器件，包括功率二極管、晶閘管、VDMOS(垂直雙擴(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體)場效應(yīng)晶體管、LDMOS (橫向擴(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體)場效應(yīng)晶體管以及IGBT (絕緣柵雙極型晶體管)等。IGBT是由BJT(雙極型三極管)和FET(場效應(yīng)晶體管)組成的復(fù)合全控型電壓驅(qū)動(dòng)式功率半導(dǎo)體器件。IGBT兼具BJT和FET兩者的優(yōu)點(diǎn)，即高輸入阻抗和低導(dǎo)通壓降的特點(diǎn)，因此具有很好的開關(guān)特性，廣泛地應(yīng)用于具有高壓、強(qiáng)電流等特點(diǎn)的領(lǐng)域中，例如，交流電機(jī)、變頻器、開關(guān)電源、照明電路、牽引傳動(dòng)等領(lǐng)域。
[0003]在制造功率半導(dǎo)體器件的工藝中需要在半導(dǎo)體襯底中注入雜質(zhì)，以及進(jìn)行退火，以激活雜質(zhì)。例如，在制作IGBT時(shí)，在半導(dǎo)體襯底的第一表面形成發(fā)射區(qū)之后，還需要在半導(dǎo)體襯底相對的第二表面形成集電區(qū)。為此，先對半導(dǎo)體襯底進(jìn)行減薄，以達(dá)到預(yù)定厚度，然后從半導(dǎo)體襯底的第二表面注入雜質(zhì)，再進(jìn)行退火以激活雜質(zhì)，使得半導(dǎo)體襯底中的摻雜區(qū)作為集電區(qū)。然而，由于半導(dǎo)體器件中已經(jīng)形成多個(gè)金屬層和摻雜區(qū)，因此，針對集電區(qū)的退火的溫度不能過高，以免已經(jīng)形成的金屬層損壞，或者摻雜區(qū)發(fā)生不希望的擴(kuò)散。另一方面，如果該退火溫度過低，則雜質(zhì)的激活率低，導(dǎo)致IGBT飽和電壓降高以及開關(guān)損耗大。
[0004]因此，期望進(jìn)一步改進(jìn)半導(dǎo)體器件的制造方法，使得后繼的雜質(zhì)激活退火可以在低溫條件下也能實(shí)現(xiàn)高激活率。
【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0005]為解決上述技術(shù)問題，本實(shí)用新型提供一種半導(dǎo)體器件，其中引入缺陷層以降低半導(dǎo)體器件制造后期的熱處理溫度和獲得高雜質(zhì)激活率。
[0006]根據(jù)本實(shí)用新型的一方面，提供一種半導(dǎo)體器件的制造方法，包括:在半導(dǎo)體襯底的第一表面形成阱區(qū)，所述半導(dǎo)體襯底和所述阱區(qū)分別為第一摻雜類型;在所述阱區(qū)上形成柵介質(zhì)層;在所述柵介質(zhì)層上形成柵導(dǎo)體層;在所述阱區(qū)中形成第二摻雜類型的基區(qū)，所述第二摻雜類型與所述第一摻雜類型相反;在所述基區(qū)中形成第一摻雜類型的發(fā)射區(qū)；在所述發(fā)射區(qū)上形成發(fā)射電極;進(jìn)行預(yù)處理，在半導(dǎo)體襯底的第二表面附近的區(qū)域形成預(yù)處理區(qū)；在半導(dǎo)體襯底的第二表面形成第一摻雜類型的集電區(qū)；在所述集電區(qū)上形成集電電極；以及進(jìn)行第一熱處理，所述第一熱處理激活第一摻雜區(qū)的摻雜劑并且在所述集電區(qū)附近形成缺陷層。
[0007]優(yōu)選地，在形成集電區(qū)的步驟和形成集電電極的步驟之間，還包括:進(jìn)行后處理，在半導(dǎo)體襯底位于第一摻雜區(qū)附近的區(qū)域中產(chǎn)生缺陷。
[0008]優(yōu)選地，所述預(yù)處理和所述后處理通過離子注入或輻照產(chǎn)生所述缺陷。
[0009]優(yōu)選地，所述離子注入采用的摻雜劑為選自氫、氦、硫、氧和砸中的至少一種。
[0010]優(yōu)選地，在預(yù)處理中采用的離子注入的注入能量為25KeV?500KeV，注入劑量為lEll/cm2?lE15/cm2。
[0011 ] 優(yōu)選地，在后處理中采用的離子注入的注入能量為200KeV?600KeV，注入劑量為lEll/cm2?lE15/cm2。
[0012]優(yōu)選地，在后處理中進(jìn)行多次離子注入，所述多次離子注入的注入能量遞減，注入劑量相同，從而形成多個(gè)大致等峰值但不同深度的缺陷區(qū)。
[0013]優(yōu)選地，所述第一熱處理的溫度為350°C?420°C之間，時(shí)間為10分鐘至60分鐘之間。
[0014]優(yōu)選地，在形成集電區(qū)的步驟和形成集電電極的步驟之間，還包括第二熱處理，所述第一熱處理和所述第二熱處理共同激活第一摻雜區(qū)的摻雜劑并且在第一摻雜區(qū)附近形成缺陷層。
[0015]優(yōu)選地，所述第一熱處理的溫度為400°C?450°C之間，時(shí)間為0.5小時(shí)至2小時(shí)之間。
[0016]優(yōu)選地，第一摻雜類型為選自P型和N型中的一種，第二摻雜類型為選自P型和N型中的另一種。
[0017]優(yōu)選地，在進(jìn)行預(yù)處理的步驟之前，還包括:進(jìn)行減薄處理，以減小所述半導(dǎo)體襯底的厚度。
[0018]根據(jù)本實(shí)用新型的另一方面，提供一種半導(dǎo)體器件，包括:位于半導(dǎo)體襯底中第一表面附近的阱區(qū)，所述半導(dǎo)體襯底和所述阱區(qū)分別為第一摻雜類型;位于所述阱區(qū)上的柵介質(zhì)層;位于所述柵介質(zhì)層上的柵導(dǎo)體層;位于所述阱區(qū)中的第二摻雜類型的基區(qū)，所述第二摻雜類型與所述第一摻雜類型相反;位于所述基區(qū)中的第一摻雜類型的發(fā)射區(qū)；位于所述發(fā)射區(qū)上的發(fā)射電極;位于所述半導(dǎo)體襯底中第二表面附近的集電區(qū)；缺陷層，所述缺陷層位于所述集電區(qū)附近的區(qū)域中；以及位于所述集電區(qū)上的集電電極。
[0019]優(yōu)選地，所述缺陷層包括選自氫、氦、硫、氧和砸中的至少一種摻雜劑。
[0020]優(yōu)選地，所述缺陷層包括多個(gè)大致等峰值但不同深度的缺陷區(qū)。
[0021 ] 優(yōu)選地，第一摻雜類型為選自P型和N型中的一種，第二摻雜類型為選自P型和N型中的另一種。
[0022]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型在半導(dǎo)體器件集電區(qū)雜質(zhì)注入摻雜之前采用離子注入的預(yù)處理，可以顯著提升半導(dǎo)體器件的集電區(qū)雜質(zhì)的在低溫?zé)崽幚淼募せ盥剩M(jìn)而改善半導(dǎo)體器件的導(dǎo)通壓降，降低其導(dǎo)通損耗;并且，通過該離子輻照處理，可以抑制半導(dǎo)體器件集電區(qū)雜質(zhì)熱處理過程中的擴(kuò)散結(jié)深，特別的，對于集電區(qū)采用P型雜質(zhì)摻雜的半導(dǎo)體器件，能夠有效降該器件的關(guān)斷損耗；
[0023]進(jìn)一步的，采用200KeV以上的能量對保留的預(yù)設(shè)厚度區(qū)域的下表面進(jìn)行至少一次的H+離子注入/輻照處理，兩次以及兩次以上注入/輻照能量不同，形成具有連續(xù)的等峰值分布的缺陷層，所述的缺陷層經(jīng)過一定溫度條件的熱處理后可以在體內(nèi)形成額外的復(fù)合中心，該復(fù)合中心可以起到N型雜質(zhì)補(bǔ)償作用，減少半導(dǎo)體器件的少子壽命，從而達(dá)到進(jìn)一步降低半導(dǎo)體器件的開關(guān)損耗的目的；再者，本實(shí)用新型在對保留的預(yù)設(shè)厚度區(qū)域的下表面進(jìn)行至少一次的H+離子注入/輻照處理之后，直接在半導(dǎo)體襯底保留的預(yù)設(shè)厚度區(qū)域的下表面沉積金屬層，然后再對半導(dǎo)體襯底保留的預(yù)設(shè)厚度區(qū)域以及金屬層進(jìn)行熱處理工藝，無需在H+離子注入/輻照之后進(jìn)行額外的熱處理工藝，減少了工藝步驟，節(jié)約了加工成本。
[0024]熱處理工藝的溫度設(shè)置要求不能夠使得IGBT器件已形成的上表面金屬層發(fā)生損壞，因此該退火熱處理的溫度設(shè)置的比較低，在此溫度下注入雜質(zhì)的激活率不夠理想，導(dǎo)致IGBT器件的飽和電壓降較高。特別的，對于現(xiàn)代IGBT器件產(chǎn)品，為提高IGBT器件的工作頻率，通常會(huì)采用輕摻雜的集電區(qū)雜質(zhì)的設(shè)定，此時(shí)對集電區(qū)雜質(zhì)低溫?zé)崽幚淼募せ盥室筮M(jìn)一步提升。本實(shí)用新型不僅解決了半導(dǎo)體器件集電區(qū)注入雜質(zhì)在低溫?zé)崽幚磉^程中激活率較低的問題，同時(shí)提供了提高半導(dǎo)體器件開關(guān)頻率的工藝方案。
【附圖說明】
[0025]通過以下參照附圖對本實(shí)用新型實(shí)施例的描述，本實(shí)用新型的上述以及其他目的、特征和優(yōu)點(diǎn)將更為清楚，在附圖中:
[0026]圖1至11示出根據(jù)本實(shí)用新型實(shí)施例的半導(dǎo)體器件制造方法不同階段的截面圖；
[0027]圖12示出根據(jù)本實(shí)用新型的實(shí)施例的半導(dǎo)體器件的摻雜濃度分別和缺陷分布；
[0028]圖13示出本實(shí)用新型實(shí)施例和現(xiàn)有技術(shù)的半導(dǎo)體器件制造方法的熱處理溫度與半導(dǎo)體器件的飽和電壓降之間關(guān)系的曲線。
【具體實(shí)施方式】
[0029]以下將參照附圖更詳細(xì)地描述本實(shí)用新型。在各個(gè)附圖中，相同的元件采用類似的附圖標(biāo)記來表示。為了清楚起見，附圖中的各個(gè)部分沒有按比例繪制。此外，可能未示出某些公知的部分。為了簡明起見，可以在一幅圖中描述經(jīng)過數(shù)個(gè)步驟后獲得的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。
[0030]應(yīng)當(dāng)理解，在描述器件的結(jié)構(gòu)時(shí)，當(dāng)將一層、一個(gè)區(qū)域稱為位于另一層、另一個(gè)區(qū)域“上面”或“上方”時(shí)，可以指直接位于另一層、另一個(gè)區(qū)域上面，或者在其與另一層、另一個(gè)區(qū)域之間還包含其它的層或區(qū)域。并且，如果將器件翻轉(zhuǎn)，該一層、一個(gè)區(qū)域?qū)⑽挥诹硪粚?、另一個(gè)區(qū)域“下面”或“下方”。
[0031]如果為了描述直接位于另一層、另一個(gè)區(qū)域上面的情形，本文將采用“A直接在B上面”或“A在B上面并與之鄰接”的表述方式。在本申請中，“A直接位于B中”表示A位于B中，并且A與B鄰接，而非A位于B中形成的摻雜區(qū)中。
[0032]在本申請中，術(shù)語“半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)”指在制造半導(dǎo)體器件的各個(gè)步驟中形成的整個(gè)半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的統(tǒng)稱，包括已經(jīng)形成的所有層或區(qū)域。
[0033]在下文中描述了本實(shí)用新型的許多特定的細(xì)節(jié)，例如器件的結(jié)構(gòu)、材料、尺寸、處理工藝和技術(shù)，以便更清楚地理解本實(shí)用新型。但正如本領(lǐng)域的技術(shù)人員能夠理解的那樣，可以不按照這些特定的細(xì)節(jié)來實(shí)現(xiàn)本實(shí)用新型。
[0034]除非在下文中特別指出，半導(dǎo)體器件的各個(gè)部分可以由本領(lǐng)域的技術(shù)人員公知的材料構(gòu)成。半導(dǎo)體材料例如包括II1-V族半導(dǎo)體，如GaAs、InP、GaN、SiC，以及IV族半導(dǎo)體，如S1、Ge0
[0035]圖1至11示出根據(jù)本實(shí)用新型實(shí)施例的半導(dǎo)體器件制造方法不同階段的截面圖。在該實(shí)施例中，以非穿通型絕緣柵雙極晶體管(NPT-1GBT)作為半導(dǎo)體器件的實(shí)例。
[0036]絕緣柵雙極晶體管(IGBT)是金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFET)與雙極結(jié)型晶體管(BJT)的復(fù)合型功率器件。非穿通型絕緣柵雙極晶體管(NPT-1GBT)采用薄襯底技術(shù)，以離子注入雜質(zhì)從而在襯底中形成發(fā)射區(qū)，以代替高復(fù)雜度和高成本的外延層，從而可以降低生產(chǎn)成本。本實(shí)用新型實(shí)施例涉及NPT-1GBT的制造工藝的進(jìn)一步改進(jìn)。
[0037]在該實(shí)施例中，半導(dǎo)體襯底101例如是〈100〉晶向且為N型摻雜類型的硅晶片。
[0038]例如，采用區(qū)熔法單晶生長技術(shù)可以形成單晶硅襯底，并且可以摻雜成所需的摻雜類型。單晶硅襯底的摻雜濃度可以根據(jù)期望的電阻率選擇，例如，該實(shí)施例中的半導(dǎo)體襯底101摻雜濃度可以為5E14/cm3至5E15/cm3之間，電阻率優(yōu)選在20?80ohm*cm之間。
[0039]接著，通過第一離子注入，在半導(dǎo)體襯底101上形成第一摻雜類型的阱區(qū)112，如圖1所示，其中箭頭表示離子注入的方向。第一摻雜類型與第二摻雜類型相反，分別為選自N型和P型中的一種。在該實(shí)施例中，阱區(qū)112為N型摻雜區(qū)。
[0040]在離子注入前，在半導(dǎo)體襯底101上形成光致抗蝕劑層，通過光刻將光致抗蝕劑層形成包含開口的掩模，然后經(jīng)由掩模進(jìn)行離子注入。該掩模作為離子注入的遮擋掩模，掩模的開口部分圖案與將要形成的阱區(qū)112的圖案相同。在離子注入之后，通過在溶劑中溶解或灰化去除光致抗蝕劑層。
[0041]控制離子注入的能量和摻雜劑的劑量，可以控制摻雜劑在阱區(qū)112中的深度及摻雜濃度分布。優(yōu)選地，阱區(qū)112從半導(dǎo)體襯底101的表面向下延伸達(dá)到深度超過10微米的位置。為此，離子注入的能量約為800keV-1500keV，從而通過高能量注入到達(dá)期望的深度。例如，為了形成N型阱區(qū)112，可以采用磷元素或砷元素作為摻雜劑，注入劑量為5E12/cm2?5E14/cm2。
[0042]接著，在半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的表面上依次形成柵介質(zhì)層114和柵導(dǎo)體層115，如圖2所示。
[0043]柵介質(zhì)層例如是通過熱氧化形成的介質(zhì)層，或者通過已知的沉積工藝工藝形成的介質(zhì)層。柵導(dǎo)體層例如是通過已知的沉積工藝形成的導(dǎo)體層。這些已知的沉積工藝包括物理氣相沉積(PVD)、化學(xué)氣相沉積(CVD)、原子層沉積(ALD)等。在該實(shí)施例中，柵介質(zhì)層例如是通過熱氧化形成的氧化硅層，柵導(dǎo)體層例如是通過濺射形成的摻雜多晶硅層，其中濺射是物理氣相沉積的一種工藝。在該實(shí)施例中，柵介質(zhì)層114例如是厚度80納米至150納米的氧化硅層，柵導(dǎo)體層115例如是厚度500納米至2微米的N型的摻雜多晶硅層。柵導(dǎo)體層115的慘雜電阻率例如為0.5ohm/sqrt至50ohm/sqrt之間。
[0044]接著，根據(jù)半導(dǎo)體器件的元胞單元結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)需要，可以采用附加的掩模，將柵導(dǎo)體層和柵介質(zhì)層圖案化成所需的圖案形狀，如圖3所示。
[0045]接著，通過第二離子注入，在阱區(qū)112中形成第二摻雜類型的基區(qū)111，如圖4所示，其中箭頭表示離子注入的方向。在該實(shí)施例中，基區(qū)111為P型摻雜區(qū)。
[0046]在離子注入期間，可以采用光致抗蝕劑層形成掩模PR1，以限定基區(qū)111的圖案。摻雜劑經(jīng)由掩模的開口進(jìn)入阱區(qū)112中。
[0047]控制離子注入的能量和摻雜劑的為劑量，使得基區(qū)111的底面到達(dá)半導(dǎo)體襯底101中，側(cè)壁由阱區(qū)112圍繞。為此，離子注入的能量約為601(^?1201(^。例如，為了形成？型基區(qū)，可以采用硼元素作為摻雜劑，注入劑量為5E13/cm2?2E15/cm2。
[0048]優(yōu)選地在，在第二離子注入后，進(jìn)行退火，以激活基區(qū)111中的摻雜劑。該退火可以在氮?dú)猸h(huán)境下進(jìn)行，退火溫度在850°(:?1050°(:之間，退火時(shí)間為0.5小時(shí)至2小時(shí)之間。
[0049]接著，通過第三離子注入，在基區(qū)111中形成第一摻雜類型的發(fā)射區(qū)113，如圖5所示，其中箭頭表示離子注入的方向。在該實(shí)施例中，發(fā)射區(qū)113為N型摻雜區(qū)。
[0050]在離子注入期間，如上所述，可以采用光致抗蝕劑層形成掩模PR2，以限定發(fā)射區(qū)113的圖案。摻雜劑經(jīng)由掩模的開口進(jìn)入基區(qū)111中。
[0051 ]控制離子注入的能量和摻雜劑的為劑量，使得發(fā)射區(qū)113的底面和側(cè)壁由基區(qū)111圍繞。優(yōu)選地，發(fā)射區(qū)113從基區(qū)111的表面延伸至基區(qū)111中預(yù)定深度的位置。為此，離子注入的能量約為60KeV?120KeV。例如，為了形成N型發(fā)射區(qū)，可以采用磷元素或砷元素作為摻雜劑，注入劑量為5E13/cm2?2E15/cm2。
[0052]優(yōu)選地在，在第三離子注入后，進(jìn)行退火，以激活發(fā)射區(qū)113中的摻雜劑。該退火可以在氮?dú)猸h(huán)境下進(jìn)行，退火溫度在850°C?1050°C之間，退火時(shí)間為0.5小時(shí)至2小時(shí)之間。
[0053]如圖5所示，柵導(dǎo)體層115和柵介質(zhì)層114堆疊在所述基區(qū)111的周邊部分上方，并且橫向延伸至發(fā)射區(qū)113和半導(dǎo)體襯底101的表面上。如上所述，基區(qū)111的一部分周邊部分用于形成溝道區(qū)，柵導(dǎo)體層115位于溝道區(qū)上方，從而可以控制溝道區(qū)的導(dǎo)通狀態(tài)。
[0054]接著，在半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的表面形成鈍化層116，采用掩模進(jìn)行蝕刻，在鈍化層116中形成暴露發(fā)射區(qū)113表面的開口，如圖6所示。
[0055]在形成上述的鈍化層116時(shí)，可以采用上述已知的沉積方法在半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的表面形成絕緣層。在該實(shí)施例中，鈍化層116例如是通過濺射形成的氮化硅層，或者通過化學(xué)氣相沉積形成的硼磷硅酸鹽玻璃(BPSG)，厚度為600納米至1.5微米之間。
[0056]接著，在鈍化層116上形成發(fā)射電極118，該發(fā)射電極118經(jīng)由鈍化層116中的開口到達(dá)發(fā)射區(qū)113，如圖7所示。
[0057]在半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的表面上，例如通過濺射，沉積導(dǎo)電材料，該導(dǎo)電材料至少可以填充開口。采用掩模進(jìn)行蝕刻，將導(dǎo)電層圖案化為發(fā)射電極118。
[0058]經(jīng)過上述的各個(gè)步驟，在半導(dǎo)體襯底101的第一表面?zhèn)?，形成半?dǎo)體器件的正面結(jié)構(gòu)。應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到，上述正面結(jié)構(gòu)還可以包括在半導(dǎo)體襯底101上形成的分壓環(huán)結(jié)構(gòu)(未示出)等，并且上述正面結(jié)構(gòu)的形成方式也不局限于上述說明，此為本領(lǐng)域技術(shù)人員所熟知的內(nèi)容，本實(shí)用新型并不涉及該部分的改進(jìn)，因而不再贅述。
[0059]接著，在半導(dǎo)體襯底102的第二表面?zhèn)龋M(jìn)行減薄處理，移除部分襯底材料，保留預(yù)設(shè)厚度區(qū)域。在該步驟中，半導(dǎo)體襯底1I的厚度從THl減小至TH2，如圖8所示。
[0060]在減薄處理時(shí)，可以進(jìn)行化學(xué)機(jī)械平面化(CMP)，從半導(dǎo)體襯底101的第二表面去除預(yù)定厚度的半導(dǎo)體材料，該預(yù)定厚度A TH=TH1-TH2。優(yōu)選地，在化學(xué)機(jī)械平面化之后，還可以在半導(dǎo)體襯底101的第二表面進(jìn)行濕法蝕刻，該濕法腐蝕過程可以使減薄后半導(dǎo)體襯底的應(yīng)力得到有效釋放，且可以有效消除半導(dǎo)體襯底表面的機(jī)械損傷層，改善半導(dǎo)體襯底表面粗糙度。
[0061 ]根據(jù)IGBT的性能參數(shù)來確定半導(dǎo)體襯底101減薄后的厚度。以1200V規(guī)格的IGBT器件為例，半導(dǎo)體襯底厚度可以減薄至I1?240μηι之間。
[0062]接著，通過第四離子注入，在半導(dǎo)體襯底101的第二表面附近形成預(yù)處理區(qū)120，如圖9所示，其中箭頭表示離子注入的方向。在該實(shí)施例中，第四離子注入是在形成集電區(qū)之前的預(yù)處理，用于在集電區(qū)附近產(chǎn)生缺陷層。
[0063]控制離子注入的能量和摻雜劑的為劑量，使得預(yù)處理區(qū)120延伸至半導(dǎo)體襯底101的第二表面上方預(yù)定深度的位置。為此，離子注入的能量約為25KeV?500KeV。該預(yù)處理區(qū)120的摻雜劑可以采用離子元素包括氫、氦、硫、氧或砸，注入劑量約為IEl Ι/cm2?lE15/cm2。優(yōu)選地，第三離子注入采用H+離子元素作為摻雜劑，注入能量為400KeV，注入劑量為1E14/
Cm20
[0064]接著，通過第五離子注入，在半導(dǎo)體襯底101的第二表面附近形成第二摻雜類型的集電區(qū)122，如圖10所示，其中箭頭表示離子注入的方向。在該實(shí)施例中，集電區(qū)122為P型摻雜區(qū)，與預(yù)處理區(qū)120鄰接。同時(shí)，半導(dǎo)體襯底101的剩余部分為N型摻雜區(qū)，與基區(qū)111和阱區(qū)112鄰接。
[0065]控制離子注入的能量和摻雜劑的為劑量，使得集電區(qū)122從半導(dǎo)體襯底101的第二表面延伸至內(nèi)部預(yù)定深度的位置。為此，離子注入的能量約為25KeV?lOOKe。該集電區(qū)122的摻雜劑可以采用離子元素硼注入劑量約為5E12/cm2?5E14/cm2。
[0066]優(yōu)選地在，在第五離子注入后，進(jìn)行退火，以激活集電區(qū)122中的摻雜劑。該退火可以在氮?dú)猸h(huán)境下進(jìn)行，退火溫度在400°C?450°C之間，退火時(shí)間為0.5小時(shí)至2小時(shí)之間。應(yīng)當(dāng)注意，在激活摻雜劑進(jìn)行的退火工藝中，退火溫度通常高于800°C，本實(shí)用新型實(shí)施例的方法在集電區(qū)激活退火中采用的退火溫度明顯低于常規(guī)的激活退火溫度。
[0067]如圖10所示，預(yù)處理區(qū)120延伸至半導(dǎo)體襯底101的第二表面上方預(yù)定深度的位置。集電區(qū)122的一部分與先前步驟形成的預(yù)處理區(qū)120重疊，如下文將描述的那樣，預(yù)處理區(qū)120將在集電區(qū)122附近引入缺陷。
[0068]接著，通過上述已知的沉積方法，在集電區(qū)122上形成集電電極124，如圖11所示。在該實(shí)施例中，集電電極例如為Al/Ti/Ni/Ag的金屬疊層。
[0069]接著，在真空或氮?dú)獗Ｗo(hù)氣氛下對所述保留的預(yù)設(shè)厚度區(qū)域以及沉積的金屬層進(jìn)行熱處理。該熱處理在集電區(qū)122附近的預(yù)處理區(qū)120中，即集電區(qū)122的前端(即集電區(qū)122靠近基區(qū)111的區(qū)域)，產(chǎn)生缺陷層121，如圖11所示。
[0070]在熱處理步驟中，熱處理溫度以及時(shí)間不足以使得功率半導(dǎo)體器件的金屬層熔融。在該實(shí)施例中，所述的真空以及氮?dú)獗Ｗo(hù)氣氛下的熱處理溫度為350 0C?420 °C之間，熱處理時(shí)間為10分鐘至60分鐘之間。
[0071]應(yīng)當(dāng)注意，在激活摻雜劑進(jìn)行的退火工藝中，退火溫度通常高于800°C，本實(shí)用新型實(shí)施例的方法在形成集電電極124之后的熱處理溫度明顯低于常規(guī)的激活退火溫度。
[0072]在上述的實(shí)施例中，通過預(yù)處理區(qū)120在集電區(qū)122附近產(chǎn)生缺陷分布。預(yù)處理可以顯著提升功率半導(dǎo)體器件的集電區(qū)雜質(zhì)在低溫條件下的激活率，進(jìn)而改善功率半導(dǎo)體器件的導(dǎo)通壓降，降低其導(dǎo)通損耗。在預(yù)處理的離子注入中，通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，其中采用氫(H+)的效果尤為顯著。以600V IGBT產(chǎn)品為例，該產(chǎn)品分別采用一次H+注入的預(yù)處理以及不同的集電區(qū)雜質(zhì)熱處理溫度進(jìn)行雜質(zhì)激活。
[0073]在優(yōu)選的實(shí)施例中，在形成集電區(qū)122和集電電極124的步驟之間，上述方法還可以執(zhí)行至少一次附加的第六離子注入。在該實(shí)施例中，第六離子注入是在形成集電區(qū)之后的后處理，用于進(jìn)一步改變集電區(qū)122中的缺陷分布。在連續(xù)的多次第六離子注入中，可以連續(xù)改變離子注入的能量，以獲得連續(xù)的等峰值分布的缺陷。為此，第六離子注入的能量約為2001^￥?6001(6￥。摻雜劑可以采用離子元素包括氫、氦、硫、氧或砸，注入劑量約為^11/cm2?lE15/cm2。優(yōu)選地，執(zhí)行三次連續(xù)的第六離子注入，其中采用H+離子元素作為摻雜劑，注入能量分別為600KeV、400KeV和200KeV，注入劑量分別為4E13/cm2，從而形成多個(gè)大致等峰值但不同深度的缺陷區(qū)。
[0074]在該優(yōu)選的實(shí)施例中，通過第四離子注入和第六離子注入在集電區(qū)122中產(chǎn)生期望的缺陷分布。因而，即使在形成集電區(qū)122之后，在較低的溫度下退火，也可以實(shí)現(xiàn)較高的低電區(qū)雜質(zhì)激活率。
[0075]進(jìn)一步地，在替代的實(shí)施例中，可以采用輻照代替第四離子注入和第五離子注入。通過改變輻照能量，以使得在預(yù)定深度位置獲得缺陷峰值，從而獲得與第四離子注入和第六離子注入入相同的效果。
[0076]圖12示出根據(jù)本實(shí)用新型的實(shí)施例的半導(dǎo)體器件的摻雜濃度分別和缺陷分布，在圖中的結(jié)深表示從發(fā)射區(qū)113至集電區(qū)122的距離。在這些實(shí)施例中，采用H+離子作為摻雜劑，以產(chǎn)生缺陷分布。
[0077]如圖12所示，根據(jù)第二實(shí)施例的半導(dǎo)體器件，在形成集電區(qū)之前進(jìn)行預(yù)處理，以及在形成集電區(qū)之后進(jìn)行多次后處理。曲線段11、12分別示出發(fā)射區(qū)113、阱區(qū)112的摻雜濃度分布。曲線段22、23分別示出預(yù)處理區(qū)120的雜質(zhì)濃度分布和集電區(qū)122的雜質(zhì)濃度分布。曲線段21示出在形成集電電極124之后，經(jīng)過一定條件的熱處理后，在半導(dǎo)體器件的集電區(qū)122前方形成了一個(gè)可以精確控制的缺陷層121的缺陷分布。
[0078]由于采用多次后處理來獲得，形成多個(gè)大致等峰值但不同深度的缺陷區(qū)，因此，最終形成的缺陷層具有連續(xù)的等峰值缺陷分布。因此，根據(jù)第二實(shí)施例的半導(dǎo)體器件可以進(jìn)一步提高關(guān)斷時(shí)的空穴與電子的復(fù)合率，降低器件的關(guān)斷時(shí)間預(yù)計(jì)關(guān)斷損耗。
[0079]圖13示出本實(shí)用新型實(shí)施例和現(xiàn)有技術(shù)的半導(dǎo)體器件制造方法的熱處理溫度與半導(dǎo)體器件的飽和電壓降之間關(guān)系的曲線。
[0080]根據(jù)本實(shí)用新型實(shí)施例的半導(dǎo)體器件制造方法采用預(yù)處理引入缺陷層。由于缺陷層的摻雜補(bǔ)償作用，即使在較低熱處理溫度也可以實(shí)現(xiàn)較高的摻雜劑激活率。如圖所示，熱處理溫度從500°C減小至400°C，半導(dǎo)體器件的飽和電壓降仍然保持約為1.72V。
[0081]相對照地，根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的半導(dǎo)體器件制造方法未采用預(yù)處理，在較低熱處理溫度摻雜劑激活率較低。如圖所示，熱處理溫度從500°C減小至400°C，半導(dǎo)體器件的飽和電壓降從1.65V升高至1.84V左右。
[0082]通過上述對比不同工藝條件加工產(chǎn)品的飽和電壓降可以確認(rèn)，采用一次H+注入預(yù)處理的器件，在同樣的熱處理溫度下，其集電區(qū)雜質(zhì)的激活率要高于未采用一次H+注入預(yù)處理的器件。
[0083]本實(shí)用新型在功率半導(dǎo)體器件集電區(qū)雜質(zhì)注入摻雜之前采用離子注入的預(yù)處理，可以顯著提升功率半導(dǎo)體器件的集電區(qū)雜質(zhì)的在低溫退火熱處理的激活率，進(jìn)而改善半導(dǎo)體器件的導(dǎo)通壓降，降低其導(dǎo)通損耗;并且，通過該離子輻照處理，可以抑制功率半導(dǎo)體器件集電區(qū)雜質(zhì)熱處理過程中的擴(kuò)散結(jié)深，特別的，對于集電區(qū)采用P型雜質(zhì)摻雜的功率半導(dǎo)體器件，能夠有效降該器件的關(guān)斷損耗;進(jìn)一步的，采用200KeV以上的能量對保留的預(yù)設(shè)厚度區(qū)域的下表面進(jìn)行至少一次的H+離子注入/輻照處理，兩次以及兩次以上注入/輻照能量不同，形成具有連續(xù)的等峰值分布的缺陷層，所述的缺陷層經(jīng)過一定溫度條件的熱處理后可以在體內(nèi)形成額外的復(fù)合中心，該復(fù)合中心可以起到N型雜質(zhì)補(bǔ)償作用，減少半導(dǎo)體器件的少子壽命，從而達(dá)到進(jìn)一步降低半導(dǎo)體器件的開關(guān)損耗的目的;再者，本實(shí)用新型在對保留的預(yù)設(shè)厚度區(qū)域的下表面進(jìn)行至少一次的H+離子注入/輻照處理之后，直接在半導(dǎo)體襯底保留的預(yù)設(shè)厚度區(qū)域的下表面沉積金屬層，然后再對半導(dǎo)體襯底保留的預(yù)設(shè)厚度區(qū)域以及金屬層進(jìn)行熱處理工藝，無需在H+離子注入/輻照之后進(jìn)行額外的熱處理工藝，減少了工藝步驟，節(jié)約了加工成本。
[0084]在以上的描述中，對于各層的圖案化、蝕刻等技術(shù)細(xì)節(jié)并沒有做出詳細(xì)的說明。但是本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以通過各種技術(shù)手段，來形成所需形狀的層、區(qū)域等。另外，為了形成同一結(jié)構(gòu)，本領(lǐng)域技術(shù)人員還可以設(shè)計(jì)出與以上描述的方法并不完全相同的方法。另外，盡管在以上分別描述了各實(shí)施例，但是這并不意味著各個(gè)實(shí)施例中的措施不能有利地結(jié)合使用。
[0085]應(yīng)當(dāng)說明的是，在本文中，諸如第一和第二等之類的關(guān)系術(shù)語僅僅用來將一個(gè)實(shí)體或者操作與另一個(gè)實(shí)體或操作區(qū)分開來，而不一定要求或者暗示這些實(shí)體或操作之間存在任何這種實(shí)際的關(guān)系或者順序。而且，術(shù)語“包括”、“包含”或者其任何其他變體意在涵蓋非排他性的包含，從而使得包括一系列要素的過程、方法、物品或者設(shè)備不僅包括那些要素，而且還包括沒有明確列出的其他要素，或者是還包括為這種過程、方法、物品或者設(shè)備所固有的要素。在沒有更多限制的情況下，由語句“包括一個(gè)……”限定的要素，并不排除在包括要素的過程、方法、物品或者設(shè)備中還存在另外的相同要素。
[0086]依照本實(shí)用新型的實(shí)施例如上文，這些實(shí)施例并沒有詳盡敘述所有的細(xì)節(jié)，也不限制該實(shí)用新型僅為的具體實(shí)施例。顯然，根據(jù)以上描述，可作很多的修改和變化。本說明書選取并具體描述這些實(shí)施例，是為了更好地解釋本實(shí)用新型的原理和實(shí)際應(yīng)用，從而使所屬技術(shù)領(lǐng)域技術(shù)人員能很好地利用本實(shí)用新型以及在本實(shí)用新型基礎(chǔ)上的修改使用。本實(shí)用新型僅受權(quán)利要求書及其全部范圍和等效物的限制。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種半導(dǎo)體器件，包括: 位于半導(dǎo)體襯底中第一表面附近的阱區(qū)，所述半導(dǎo)體襯底和所述阱區(qū)分別為第一摻雜類型； 位于所述阱區(qū)上的柵介質(zhì)層； 位于所述柵介質(zhì)層上的柵導(dǎo)體層； 位于所述阱區(qū)中的第二摻雜類型的基區(qū)，所述第二摻雜類型與所述第一摻雜類型相反； 位于所述基區(qū)中的第一摻雜類型的發(fā)射區(qū)； 位于所述發(fā)射區(qū)上的發(fā)射電極； 位于所述半導(dǎo)體襯底中第二表面附近的集電區(qū)； 缺陷層，所述缺陷層位于所述集電區(qū)附近的區(qū)域中；以及 位于所述集電區(qū)上的集電電極。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體器件，其中，所述缺陷層包括選自氫、氦、硫、氧和砸中的至少一種摻雜劑。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體器件，其中，所述缺陷層包括多個(gè)大致等峰值但不同深度的缺陷區(qū)。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體器件，第一摻雜類型為選自P型和N型中的一種，第二摻雜類型為選自P型和N型中的另一種。
【文檔編號】H01L21/265GK205508777SQ201620142977
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2016年2月25日
【發(fā)明人】顧悅吉, 王玨, 楊彥濤, 陳琛
【申請人】杭州士蘭集成電路有限公司