具有硫族元素摻雜區域的襯底和半導體器件的制作方法

專利名稱：具有硫族元素摻雜區域的襯底和半導體器件的制作方法
技術領域：
本發明涉及半導體器件和襯底，尤其是具有硫族元素摻雜區域的襯底和半導體器件。
背景技術：
為了限制諸如IGBT (絕緣柵雙極晶體管)和相關的恢復ニ極管、JFET (結型場效應晶體管)、功率MOSFET(金屬氧化物半導體場效應晶體管)以及功率ニ極管的功率半導體器件中的開關損耗，通常自芯片(die,晶圓)的后側將場終止區(field stop zone)構建至該構造中。相應地，通過表面摻雜來加強容納了阻斷層的低阻抗基極，從而在阻斷電壓增加時抑制電場的進ー步擴展。
為了確保后側發射極(諸如關于IGBT)仍然足夠有效，用于擊穿電荷的電活性場終止區(electrically-active field stop zone)的總量一定不能超過約 I .IO12CnT2tj 常規的場終止區的典型穿透深度約為10 ii m至20 ii m，在高溫エ藝期間，例如通過以約1015cm_3來擴散摻雜物質，諸如通過離子注入法注入磷來產生典型的表面濃度。由于n摻雜高阻抗基材通常用于形成功率半導體器件的場終止區，因此，施主(donor)通常用作摻雜物質。作為用于n摻雜的標準五價元素，諸如磷、神或銻通常用作場終止注入物。但是，這些元素的缺點在于，為了獲得深度為IOiim至20 iim的擴散,必須使用相對較高的熱預算(時間、溫度)。但是，高熱預算并不經濟或與形成在芯片前側的超結 構器件不兼容。在這種結構元件的進ー步開發期間，還需要改進的動態特性，從而進ー步將場終止區的深度増加到(例如)50i!m以上。諸如硫、硒和碲的硫族元素已被用于制造功率半導體器件的場終止區。硫族元素屬于元素周期表的16族，并且具有雙施主效應。硫族元素的擴散常數也高于五價元素，從而已經能夠以約900°C至1000°C之間的適度エ藝溫度來實現30 m的穿透深度。這些類型的場終止區對于高達約600V的阻斷電壓已經足夠了。但是，需要更深穿透的場終止區，從而阻斷例如1200V以上的更高電壓。也廣泛地使用磷摻雜，從而在制造器件之前向半導體襯底(諸如，硅晶片)提供基極n型摻雜。諸如，n摻雜的浮區基材用作起始材料，從而在晶體生長期間調節具體的電阻。作為替換，對于阻抗非常高的起始材料進行中子輻射，從而通過核反應采用所謂的中子嬗變摻雜(NTD)將硅轉換成磷。由于中子的捕獲面較小，因此，NTD在整個Si件的摻雜非常均勻。可大大降低徑向電阻波動，這意味著該材料對于采用高電壓的應用是可用的。但是，浮區材料的應用也有缺點。諸如，浮區材料的應用相對昂貴并且對于可使用的晶片大小也有限制。另ー方面，使用Czochralski材料則非常便宜，這種材料可從坩堝拉伸制得，并且能產生大直徑的晶片用于存儲器或邏輯結構部件。然而，由于硅的高反應性，起始材料的特征在于，較高程度的氧雜質(來自空氣)以及碳(來自坩堝材料)。通過1000°C以上合適的熱處理去除主要以氧沉淀形式發生的、在晶片深層中的這些雜質，其中在通常沒有雜質的ー側形成所謂的剝蝕區(DZ)。該區主要用于制造橫向結構部件。通常，標準CZ材料的DZ深度為10 i! m至20 i! m，并且適于存儲器和邏輯結構部件。但是，如果該材料用于制造具有垂直超結構的功率半導體部件，則必須調節DZ的深度以匹配漂移區的長度。因此，對于400V至1200V的電壓范圍，DZ必須延伸的深度至少為40 y m至120 y m。由于上述關于成本和比例的原因，非常期望這種起始材料何時也用于制造功率半導體器件(諸如，IGBT、JFET、功率MOSFET和ニ極管)。在前側已形成単元結構(例如，DMOS単元、陽極等)之后，將剩余的富含沉淀物的材料從DZ去除，從而自器件的后側執行余下的處理。例如，該余下的處理包括通過足夠低的熱預算在后側導入場終止區或發射極。就這一點來說，具有足夠高的DZ深度的CZ材料通常用于半導體器件。這種材料由 Monsanto Electronic Materials Company (MEMC)以“Magic Denuded Zone(MDZ)的標簽出售，晶片的直徑為6"、8"和12"。通過適當的RTP(快速熱處理)，晶體在空位位置強烈地過飽和，這樣，設置用于通過擴散而去除氧的足夠深的下沉(sink)。另ー種可能是采用磁拉伸CZ材料(MCZ)。在這種情況下，通過磁場減少了在晶體生長過程中同樣被注入的氧，進而防止氧沉淀物的形成。但是，存在的一個問題是由于在功率半導體器件中所采用的 起始材料的摻雜材料的濃度而產生的相對較低容限。在這種情況下，由于用于CZ材料的制造エ藝，特定電阻的徑向變化在百分之幾到10%以上的范圍。這是由摻雜物質的徑向波動(條紋)引起的，而該波動是由于液相中存在電流以及在熔化物中的摻雜物質的熔斷在整個晶片中產生變化所引起的。在Si棒垂直方向上的摻雜變化可能比較嚴重。另ー方面，作為標準，FZ材料通常的規格只允許±15%的變化。當使用只略微摻雜然后采用靶向質子輻射調節的起始材料時，原始數值的變化可以減少。但是，為了保證輻射的完全穿透，對于增加的漂移區需要非常高的能級。

發明內容
根據對未摻雜半導體襯底進行摻雜的方法的實施方式，該方法包括向未摻雜半導體襯底的ー側施加應カ以釋放襯底中的自間隙，向村底的該側注入硫族元素原子并對襯底進行退火處理從而形成含有硫族元素原子的第一半導體區域和沒有硫族元素原子的第ニ半導體區域。第一半導體區域的摻雜濃度高于第二半導體區域的摻雜濃度。根據半導體襯底的實施方式，該襯底包括第一側、與第一側相對的第二側以及在第一側與第二側之間延伸的半導體材料。半導體材料沒有有源器件區域但是具有第一和第ニ區域。第一區域從第一側延伸一定深度至半導體材料并包括硫族元素摻雜劑原子，該硫族元素摻雜劑原子向第一區域提供基區摻雜濃度(base doping concentration)。第二區域從第一區域延伸至第二側，并且沒有基區摻雜。根據制造功率半導體部件的方法的實施方式，該方法包括在鄰近半導體襯底第ー側的、半導體襯底的第一區域中形成半導體器件的有源區域，對與第一側相對的半導體襯底的第二側施加應力，從而在鄰近第二側的半導體襯底的第二區域中釋放自間隙，以及向半導體襯底的第二側注入硫族元素原子。該方法還包括對半導體襯底進行退火處理，使得硫族元素原子內擴散至半導體襯底從而在第二區域中形成場終止區，該第二區域從第二側延伸至半導體襯底。
根據功率半導體部件的實施方式，該部件包括具有第一側、鄰近第一側的第一區域、與第一側相對的第二側以及鄰近第二側的第二區域的半導體襯底，使得第二區域介于第一區域和第二側之間。該部件還包括設置在第一區域中的半導體器件的有源區域以及設置在第二區域中的場終止區。該場終止區包括向場終止區提供摻雜濃度的硫族元素摻雜劑原子。該硫族元素摻雜劑原子從第二側向半導體襯底延伸深度至少50 u m。本領域技術人員在閱讀下面的詳細說明并且觀看附圖后將認識到附加特征和優點。


附圖的元素并不一定依照彼此的相對比例。相同的參考標號表示對應的相同部
分。除非相互排斥，否則多個所示實施方式的特征可以組合。實施方式通過附圖描繪并通過隨后的描述詳細說明。圖I至圖5示出了對襯底進行摻雜的實施方式的不同處理步驟期間未摻雜半導體襯底的透視截面圖。圖6為硒擴散至半導體襯底的擴散分布(diffusion profile)圖。圖7為IGBT恢復ニ極管的硒摻雜劑的擴散分布圖。圖8為半導體部件的垂直深度所表示的電場的強度圖。圖9至圖13為根據實施方式在形成場終止區的不同處理步驟期間功率ニ極管的透視截面圖。圖14示出了根據實施方式具有由硫族元素原子形成的場終止區的IGBT的透視截面圖。圖15示出了根據實施方式具有由硫族元素原子形成的場終止區的功率MOSFET的透視截面圖。
具體實施例方式硫族元素常常在半導體晶格(諸如，Si晶格)中產生簇狀構造。與位于晶格內一處的原子隔離相反，硫族元素對在鄰近具有其自身類型施主條件的注入表面形成較高階的絡合物(comp I ex)。優選地,硫族元素保存在鄰近晶片表面的晶體缺陷上,在該表面上,硫族元素僅在很小程度上呈電活性。因此，在晶體該側的缺陷的深度以及可能由實際離子注入引起的晶格擾動對隨后的擴散傳導(diffusion conduct)具有決定性的影響(擴散到該側或擴散到以這種方式產生的晶格缺陷)。諸如，使用硒作為摻雜物質導致該物質的少量注入劑量在通常(例如)為900°C到1000°C的固化條件下內擴散地電活性。存在自間隙原子(例如，在硅晶片的情況下存在硅自間隙)，硒的擴散機制增強。位于固定晶體位置的硒原子通過自間隙排出至中間晶格，這些原子在該中間晶格中可移動。通過自間隙原子過飽和的晶格越多，由移動性增加所導致硒原子的擴散常數就越大。為了以有限的熱預算盡可能獲得最深的擴散深度，離子注入產生的點缺陷(間隙)可在合適的溫度和時間曲線產生，其具有最高的可能效率(IED =注入增強擴散)，伴隨著例如在SiO2熱氧化或熱解TEOS分解過程中在氧化氣氛中擴散。這樣，晶格通過Si自間隙晶格原子進ー步過飽和。這些自間隙晶格原子增強了注入的硫族元素原子的擴散特性。
硫族元素用作雙施主，并且與五價元素(諸如，P、As或Sb)相比具有較高的擴散常數，從而在諸如900°C和1000°C之間的同樣的處理溫度過程中可實現更深的導入深度(introduction depth)。例如，除了質子福射或作為質子福射的替代，Se注入和擴散可用于IGBT、JFET、功率MOSFET和ニ極管，從而在高電壓段形成后側場終止區。硒間隙地擴散，其中，在由于位于晶格位置上的硒原子通過自間隙被排出至中間晶格(硒原子在中間晶格中移動)使得半導體晶體通過自間隙晶格原子(自間隙)過飽和時，向內的擴散加快。通過(例如)Si原子的晶格的過飽和越強烈，擴散系數就越高。另外，由于提供自間隙(例如，通過熱氧化或擴散具有高表面濃度的磷而存在該自間隙)，Se或其他硫族元素(諸如，S或Te)的擴散深度通過相當的熱預算進ー步増加。同時，在以這種方式生長的氧化物中或含有磷的層的表面區域中，發生強烈的硒(或其他硫族元素)隔離/外擴散。在這種情況下，在向內擴散期間，硒的最大濃度大大降低，這樣，由于擴散深度較大，不能再保證有效場終止所需的劑量。但是，増加用于補償這些損耗的注入劑量在有限的程度內是成功的，原因在于，由于該劑量増加，通過離子注入，Si晶格在該側愈加非晶質(amorphized),并且在這些情況下,硒或其他硫族元素將在受損的晶體區域中形成非活性簇群的趨勢支持并進一歩加劇電活性中心上的損耗。該行為將最佳硫族元素劑量設定為約I OO14CnT2并連同隔離或向外擴散引起少量的電活性劑量成分。然而，可考慮其他的注入劑量。硒具有四個離散能量級，這些能量級與取代集成(substitution integrated)Se原子或Se對的簡單和雙干擾位置相關。在退火后，在900°C以上的溫度，該對中心在DLTS (深能級瞬態譜)光譜中幾乎完全消失，從而在光譜中的傳導帶下在250meV (單電荷中心)和496meV(雙電荷中心)處普遍存在與單個Se干擾位置相關的能量級。尤其是，當在高摻雜磷表面層中采用磷驅動的向內擴散來形成垂直深度具有較寬最大值的弧形擴散面時，產生隔離的反向定向機制。可采用該效應來調節到達盡可能深的、具有對足夠低的能級盡可能平坦的梯度的向內擴散，從而調節高阻抗起始材料的基區摻雜濃度。在一個實施方式中，通過例如來自POCL3或PH3的摻雜源或另ー含有磷的氣體組合的氣相來進行磷的內擴散。這樣可產生表面濃度非常高的磷，因此，通過自間隙可有效地過飽和晶格。在另ー實施方式中，可進行P注入來釋放自間隙。在這種情況下，劑量的數量級在IO15CnT2到1016cm_2。最后，高表面濃度的磷可用于后側發射極的功率ニ極管。在薄化半導體襯底后，還需要在高溫下擴散陽極區域。諸如，可采用RTP或LTA(激光熱退火)步驟來形成陽極區域。在一個實施方式中，在例如通過CMP (化學機械拋光)階段的向內擴散Se后，形成高摻雜表面層，然后在前側(例如，陽極、IGBT單元結構等)完成處理。然后，例如在確定的薄晶片處理后，可進行薄化和后側處理。圖I至圖5示出了在對未摻雜襯底100進行摻雜的實施方式的不同處理步驟期間的未摻雜襯底100。圖I示出了未摻雜半導體襯底100 (諸如，未摻雜Si晶片)，具有前側102、與前側相對的后側104、以及在前側102與后側104之間延伸的半導體材料106。在該階段，半導體襯底100是未摻雜的，因此半導體材料106沒有諸如ニ極管和/或晶體管部件(陽極、陰極、發射極、源極、漏極、陰極、柵極等)的有源器件區域。圖2示出了在注入硫族元素原子108 (諸如，Se、S或Te原子)期間的半導體襯底100。在一個實施方式中，硫族元素原子108是在至少150keV(例如，170KeV)的能量下以至、少6 IO13CnT2 (例如，7 IO13cm-2)的劑量注入的80Se原子。圖3示出了硫族元素原子108注入襯底100的前側102之后的半導體襯底100。硫族元素原子108穿透的深度為も，Cl1主要為注入能量的函數。圖4示出了在襯底100的前側102上形成應カ感應層110之后的半導體襯底100。應カ感應層110向襯底100施加應力，使得自間隙(例如，Si襯底情況下的Si自間隙)在襯底100中釋放。在一個實施方式中，應カ感應層110是在含有PH3的氣氛中(例如)在至少900°C的溫度下長達至少200分鐘所形成的磷玻璃。磷的擴散通過間隙使襯底100過飽和。由于高溶度，相應的高供給磷離子引起晶格應力，該應カ改變空位置(空位)和間隙晶格原子之間的平衡，產生對于硫族元素(諸如，硒)擴散有利的條件。
在一個實施方式中，例如通過POCL3或PH3摻雜源或另ー含有磷的氣體的化合物在氣相中擴散磷。例如，在沉積エ藝期間，氣氛可包括n2、02和ph3。在各個情況下，隨著磷玻璃的生長來基本自動調節磷原子的過度供給。與預先通過離子注入執行的沉積相反，從非耗盡源的擴散導致在隨后可永久供給間隙。盡管通過離子注入，以這種方式生成的產品缺陷開始引起擴散常數的相應增高，但是該常數以一定的時間常數再次降低。另ー方面，針對過飽和晶格的有效間隙，注入的磷的劑量非常高，通常> I IO16Cm'在另ー實施方式中，應カ感應層110是形成在襯底100上的熱氧化層。可在襯底100上形成向襯底100施加應カ的任意其他的材料層，從而釋放襯底100中的自間隙。由于應カ感應層110，一些半導體原子留在晶格點上，其余的原子(自間隙)則沒有。圖4示出了完整Si晶格在〈110〉方向上的一部分以及啞鈴形Si自間隙的分解圖，其中，啞鈴形原子未在完整的晶格點上集中。當然，Si自間隙可以有其他的結構。通過半導體襯底100中存在的自間隙引起硫族元素原子108的加速內擴散。比硫族元素原子單純的固有擴散(即，在沒有自間隙的情況下，硫族元素原子的內擴散)相比，該擴散機制更有效。由于提供基區摻雜濃度的傳統固有擴散(諸如磷的固有擴散)不是基于具有點缺陷的晶格的過飽和，因此需要基本上更高的熱預算(時間、溫度)來實現相同的擴散深度結果。因此，使用本文描述的Se內擴散技術，可利用高電阻率起始材料在低很多的熱預算下實現基區摻雜。圖5示出了退火后的半導體襯底100。優選地，在退火前去除應カ感應層110，但是，如果需要的話，可保持在合適的位置。在通過自間隙加快的情況下，退火處理使硫族元素原子108內擴散至襯底100。在一個實施方式中，在低于1000°C的溫度下退火短于60分鐘。退火后，半導體材料106具有第一區域112和第二區域114。第一區域112從前側102向半導體材料106延伸一定的深度，并且在第一區域112中包括提供基區摻雜濃度的內擴散的硫族元素摻雜劑原子108。第二區域114從第一區域112延伸至襯底100的后側104，并且沒有基區摻雜，因此比第一區域112的電阻高。也就是說，第二區域114保持其固有的特性，即，不具有任何明顯的摻雜劑類型。本文所用的術語“沒有”意思是不具備、未被接觸、缺少或缺乏，或者基本上不具備、未被接觸、缺少或缺乏。因此，第二區域114可能含有ー些硫族元素原子108，但未達到有意義的濃度。在一個實施方式中，在將硫族元素原子108注入襯底100后，形成應カ感應層110，如圖2到圖4所示。在另ー實施方式中，在注入硫族元素原子108前，形成應カ感應層110。根據該實施方式，未摻雜半導體襯底100是未摻雜娃襯底。應カ感應層110形成在未摻雜娃襯底100的ー側,從而施加用于釋放娃襯底100中娃自間隙的應カ。在釋放娃自間隙后，去除應カ感應層110。在去除應カ感應層110后，將硫族元素原子108注入硅襯底100。然后，對硅襯底100進行退火，從而加快硫族元素原子108從頂側102以至少30 i! m的深度d2內擴散至硅襯底100，如圖5所示。可替換地，可在襯底的后側104形成應カ感應層100，進而將硫族元素原子108注入后側104。圖6不出了在不具有以及具有聞表面憐濃度(即，具有和不具有含有憐的應カ感應層)的情況下，在惰性氣氛中通過使用擴展電阻(SR)測量獲得的硒內擴散的擴散分布圖。圖6描繪了相對于注入深度(X軸)的Se摻雜劑濃度(y軸)。曲線“A”表示注入Se并經過PH3沉積處理的樣品，曲線“B”表示注入Se但未經過PH3沉積處理的樣品。在Se注入和退火前，兩個樣品都沒有任何n型基區摻雜濃度，從而消除n基材的作用。使用8°Se以劑量為7 IO13CnT2并且能量為170keV，對兩個樣品執行離子注入。盡管在N2氣氛中，在950°C下擴散持續30分鐘獲得參考樣品(曲線B)，但是對于第二樣品(曲線A)預先使用了(例如)通常在MOS處理期間用于多晶硅摻雜的磷沉積。在磷沉積處理期間，氣氛包括含有N2、02和PH3的混合氣體。在該示例中，磷在930°C下沉積并且穩定時間為70分鐘，從而產生自間隙。然后，在Se注入前，去除產生的磷玻璃。與參考樣品一起執行后續的Se導 入。盡管Se導入條件(劑量和能量)相同，但是對于磷涂覆樣品(曲線A)產生了注入Se的明顯更深的內擴散。這是由于通過PH3沉積生成的磷原子超過IO19CnT3的高表面濃度。由于磷的隔離/吸收劑(getter)效果，朝沉積側的濃度下降。但是，利用導入Se期間存在的自間隙，發生的超深向內擴散的深度約為這里所示實施方式的參考樣品的四倍。該示例性Se擴散分布(例如)適于需要芯片厚度為60 ii m左右的600V功率半導體器件。相反，參考樣品(曲線B)的擴散分布實際上在10分鐘后到達其最終Se擴散深度，原因為在950°C下的特征IED時間常數為該數量級。然后，僅以約兩個數量級的較小固有擴散常數產生進ー步的內擴散，也就是說，內擴散基本停止。擴散時間的延長或者隨后溫度大幅升高都不再明顯改變Se原子的深度分布。通過額外的退火階段，只有注入表面區域中的Se濃度進ー步增加。在例如通過CMP去除高摻雜應力感應層之后，進行標準前側器件處理以及重金屬擴散(如果合適的話)，對自由電荷載流子的使用期限進行長期調節。隨后可進行晶片薄化以及完成后側處理，其可通過典型的薄晶片處理來執行，例如通過質子場終止、后側發射極注入和LTA進行。圖7示出了 IGBT恢復ニ極管的生成的摻雜劑擴散分布圖。在這種情況下，陽極(發射扱)的硼劑量為2.5*1012cm_2，熱預算為1150°C以及200分鐘。場終止區的分布(例如)可以是能量為700keV并且劑量為5 IO14CnT2的質子輻射的結果。如上所述，由于Se為雙施主，因此對摻雜進行調節。SR測量確定的濃度并不對應于空間電荷區中的施主濃度。為了確定這些濃度，必須根據Fermi統計確定Se中心的激發水平。如上所述的兩個能量級，使用針對單電荷施主的250meV以及針對雙電荷施主的496meV的能量級導致熱動カ平衡(其可從屬于SR測量，因為下面的導電系數測量是在沒有形成空間電荷層的情況下進行的)從而對導電帶中電子濃度起不同的作用。反過來，由于較深的高能位置，引起單電荷中心95. I %的激發水平以及雙電荷中心僅0. I %的激發水平。
因此，SR濃度大致對應于整體取代Se原子。當施加阻斷電壓時，有源器件中電子的近Fermi水平遠遠低于平衡值，在有源器件的空間電荷區中，Se中心兩次離子化到幾乎100%。這就是為什么根據SR測量來應用雙濃度，從而計算場強度發展。如圖7所示(曲線B)，已經考慮到了上述情況，并且與(例如)采用磷作為簡單施主的恒定基區摻雜的濃度相比，其中，劑量自身包含在漂移區(曲線A)中。因此，中心摻雜水平在約1.4*1014cm_3的區域中，并因此對應于30 Q cm的開始電阻值，該值對于(例如)600V的恢復ニ極管來說是可接受的。圖8示出了由結構部件的垂直深度表示的電場強度發展。曲線A對應于內擴散注入的Se原子的樣品，曲線B對應于未內擴散Se原子的樣品。關于該摻雜水平的雪崩擊穿場強度約為230kV/cm，阻斷電壓約為930V。由于表面區域中濃度降低，在相同阻斷電壓下，在P+n_轉變以及場終止區通過Se摻雜，場強度的減弱量非常的小。這包括在場終止區釋放P+n-轉變以及nn+_轉變，這至少與關于切換穩健性和軟性朝著貯存的趨勢相關。因此，該實例也示出了，通常，代替恒定基區摻雜級，實現了平坦梯度增加然后再朝著場終止區降 低的基區摻雜，在漂移區的中心區域局部最大，這樣可為垂直優化提供一定的好處。除了對于預先未摻雜的半導體襯底進行摻雜，本文所描述的硫族元素內擴散技術還可用于在功率半導體器件(諸如，功率ニ極管、功率MOSFET、IGBT, JFET等)中形成深的場終止區。圖9至圖13示出了形成具有場終止區202的垂直功率ニ極管200，該場終止區是通過將硫族元素原子內擴散至含有自間隙的半導體材料204而形成的。圖9示出了在半導體材料204(諸如，Si襯底或外延層)中形成ニ極管200的陽極區域206的示意圖。通過傳統エ藝將陽極206形成在半導體材料204的前側208。半導體材料204在陽極206下方的區域形成ニ極管200的基極區域，其在ニ極管200的后側210終止。圖10示出了在注入硫族元素原子212 (諸如，Se、S或Te原子)期間的半導體材料204。硫族元素原子212注入與陽極區域206相対的、半導體材料204的后側210。圖11示出了注入硫族元素原子212之后的半導體材料204。硫族元素原子212將在退火后在ニ極管200的陰極區域中形成場終止區。圖12示出了形成應カ感應層214(諸如，磷玻璃或熱氧化)之后的半導體材料204。應カ感應層214向半導體材料204的后側210施加應力，使得釋放半導體材料204中的自間隙。可替換地，如上所述，應カ感應層214可在注入硫族元素原子212前形成，進而在退火前去除。圖13示出了形成場終止區202之后的ニ極管200。場終止區202具有自半導體材料204的后側210的穿透深度(dFS)，并通過對半導體材料204進行退火而形成。在通過自間隙加速的情況下，退火使硫族元素原子212更深地內擴散至半導體材料204。這樣，該穿透深度大于沒有自間隙的情況下通過注入硫族元素原子實現的穿透深度。穿透深度還是退火時間以及溫度的函數，其由于在形成場終止區202之前形成了器件區域(陽極、陰極)而受到限制。例如，在沒有超過允許的熱預算(時間、溫度)的情況下，穿透深度距半導體材料204的后側210可以為60 m或者更深。可在ニ極管200的相應側208、210形成陽極金屬化216和陰極金屬化218，從而分別形成陽極觸點(A)和陰極觸點(K)。如果沉積PH3從而形成如上所述的應力感應層214，則以適合產生功率的方式自動內擴散高摻雜n發射極區域。因此，無需額外的注入階段來形成根據該實施方式的后側陰極(發射扱)。相反，通過從應力感應層214內擴散磷自動形成陰極，其中應カ感應層用于在半導體材料204中施加應カ從而釋放自間隙。在這種情況下，電活性劑量的量級約為1016cm_3，含有磷的應力感應層214的相應表面濃度至少達到IO19CnT3到102°cm_3范圍內的值。通過來自氣相的先前沉積，由(例如)硅中的磷固體顆粒的溶度限制總濃度。在950°C到1000°C左右的沉積溫度下，該濃度約為1021cm_3。因此，以這種方式導入的磷的總量在IO17cnT2 到 IO18cnT2 的量級。圖14示出了具有后側場終止區302的垂直IGBT 300的實施方式。在半導體材料310 (諸如，Si襯底或外延層)的前側308形成器件300的源極304和柵極區域306。源極區域304包括形成在(p)體區312中的(n+)區域。柵極區域306包括通過柵極介電材料316與周圍的半導體材料絕緣的掩埋柵電極314。源電極318接觸源極區域304以及體312的重摻雜(P+)區域320。源電極318通過介電層322與柵電極314絕緣。在體區312下方為(n)漂移區324，在漂移區324下方為高摻雜(p+)發射極區域326。發射極區域326接觸發射極金屬化328。通過傳統的エ藝步驟形成IGBT300的有源區域和金屬化。在存在自間隙的情況下，通過將硫族元素原子332內擴散至后側330，在IGBT 300 的后側330形成場終止區302。可在形成發射極金屬化328前形成場終止區302。場終止區302的穿透深度(dFS)至少為30iim、至少為50iim或者至少為90iim,例如如圖6所示。這種深的場終止區非常適合阻斷電場600VU200V甚至更高。如上所述，場終止區302的深度還是退火溫度和持續時間的函數。根據本文所述的實施方式可實現至少為30 u m、至少為50 y m或至少為90 y m的相對深的場終止區302，而沒有超過對于保護已形成的器件區域的完整性所需的熱預算(時間、溫度)。如果通過從沉積的PH3形成應カ感應層來產生高摻雜磷區，則可隨后去除高摻雜磷區。這可通過(例如)通常在晶片研磨后進行的旋轉蝕刻エ藝中的蝕刻來執行。圖15示出了具有后側場終止區402的垂直功率MOSFET 400的實施方式。在半導體材料408 (諸如，Si襯底或外延層)的上部形成反向摻雜的源極404和體區406。在體區406下方形成漂移區410。柵極包括柵極導體412，該柵極導體提供了通過柵極絕緣體414與下面的溝道區域絕緣的柵極觸點(G)。絕緣體層416設置在柵極導體412的上方，從而使柵極導體412與提供源極觸點(S)的源極金屬化418絕緣。在功率MOSFET 400的后側422形成重摻雜漏極區域420，并且與漏極金屬化424接觸，從而提供漏極觸點(D)。使用傳統的エ藝步驟形成功率MOSFET 400的有源區域和金屬化。在存在自間隙的情況下，通過將硫族元素原子426內擴散至后側422，在功率MOSFET 400的后側422形成場終止區402。可在形成漏極金屬化424之前形成場終止區402。場終止區402的穿透深度(dFS)至少為30 u m、至少為50 y m或者至少為90 u m,例如如圖6所示并且如上所述。根據本文所述的實施方式，可制造用于其他類型功率半導體器件的場終止區。例如，JFET或半導體閘流管可包括后側場終止區，該后側場終止區是在存在自間隙的情況下通過將硫族元素原子注入到后側，然后在允許的熱預算(時間、溫度)內進行退火而形成。同樣，可通過多次重復本文所述的處理和/或在沉積(例如，PH3)和硫族元素導入步驟期間改變エ藝參數來針對特定場終止分布產生任意期望的場終止區。使用諸如“下面”、“下方”、“低干”、“上方”、“上面”等空間上相対的術語以便于描述來說明一個元件相對于第二元件的位置。除了與附圖中方向不同的方向，這些術語旨在涵蓋器件的不同方向。另外，諸如“第一”、“第二”等術語也用于描述各種元件、區域、部分等，并且并不g在進行限制。在通篇說明書中，相同的術語表示相同的元件。如本文所使用的，“具有”、“含有”、“包括”、“包含”等術語是開放性術語，其表明存在所述的元件或特征，但并不排除其他的元件或特征。冠詞“ー(a)”、“一(an)”、以及“該”旨在包括復數以及単數，除非上下文明確表明相反情況。可以理解的是，本文所描述的多個實施方式的特征可相互組合，除非另外特別注明。盡管本文已經示出并描述了具體實施方式
，但是本領域的技術人員將會意識到，在不脫離本發明范圍的情況下，多種備選和/或等同的實現方式可替代示出及描述的具體實施方式
。該申請g在覆蓋本文所描述的具體實施方式
的任意修改或變化。因此，本發明 只受到權力要求及其等同物的限制。
權利要求
1.一種對未摻雜半導體襯底進行摻雜的方法,包括 在所述未摻雜半導體襯底的一側施加應力，從而釋放所述襯底中的自間隙； 將硫族元素原子注入所述襯底的所述側；以及 對所述襯底進行退火，從而形成含有所述硫族元素原子的第一半導體區域以及沒有所述硫族元素原子的第二半導體區域，所述第一半導體區域的摻雜濃度高于所述第二半導體區域的摻雜濃度。
2.根據權利要求I所述的方法，其中，在所述未摻雜半導體襯底的所述側施加應力包括在所述側形成應力感應層，所述應力感應層使所述襯底中的所述自間隙被釋放。
3.根據權利要求2所述的方法，其中，所述應力感應層含有磷。
4.根據權利要求3所述的方法，其中，在所述側形成所述應力感應層包括在含有PH3 的氣氛中，在至少900°C的溫度下至少200分鐘從而在所述側形成磷玻璃。
5.根據權利要求2所述的方法，其中，在將所述硫族元素原子注入所述襯底的所述側之后，在所述側形成所述應力感應層。
6.根據權利要求2所述的方法，其中，在所述側形成所述應力感應層包括在所述側形成氧化層。
7.根據權利要求I所述的方法，其中，所述未摻雜半導體襯底是未摻雜娃襯底，所述方法還包括 在所述未摻雜娃襯底的一側形成應力感應層，從而施加釋放所述娃襯底中的娃自間隙的應力； 在釋放所述硅自間隙后，去除所述應力感應層； 在去除所述應力感應層后，將所述硫族元素原子注入所述硅襯底的所述側；以及 對所述硅襯底進行退火，從而將所述硫族元素原子從所述側向所述硅襯底內擴散至少30iim的深度。
8.根據權利要求7所述的方法，其中，對所述硅襯底進行退火，使得所述硫族元素原子從所述側向所述硅襯底內擴散至少50 ii m的深度。
9.根據權利要求I所述的方法，其中，所述硫族元素原子以至少為I IO12CnT3的濃度從所述側向所述襯底內擴散至少80 ii m的深度。
10.根據權利要求I所述的方法，其中，將所述硫族元素原子注入所述襯底的所述側包括在至少為150keV的能量下將劑量至少為6 1013cm_2的硒原子注入所述側。
11.根據權利要求I所述的方法，其中，所述退火在低于1000°C的溫度下執行短于60分鐘。
12.—種半導體襯底,包括 第一側； 第二側，與所述第一側相對；以及 半導體材料，在所述第一側與所述第二側之間延伸并且沒有有源器件區域，所述半導體材料具有第一區域和第二區域，所述第一區域從所述第一側延伸一定的深度至所述半導體材料并且包括向所述第一區域提供基區摻雜濃度的硫族元素摻雜劑原子，所述第二區域從所述第一區域延伸至所述第二側并且沒有基區摻雜。
13.根據權利要求12所述的半導體襯底，其中，所述硫族元素摻雜劑原子以至少I IO12Cm-3的濃度從所述第一側向所述半導體材料延伸至少80 ii m的深度。
14.根據權利要求12所述的半導體襯底，其中，在距所述第一側50y m的深度處，所述第一區域的基區摻雜濃度為至少I 1014cm_3。
15.一種制造功率半導體部件的方法，包括 在鄰近半導體襯底的第一側的、所述半導體襯底的第一區域中形成半導體器件的有源區域； 在與所述第一側相對的、所述半導體襯底的第二側施加應力，從而在鄰近所述第二側的所述半導體襯底的第二區域中釋放自間隙； 將硫族元素原子注入所述半導體襯底的所述第二側；以及 對所述半導體襯底進行退火，使得所述硫族元素原子內擴散至所述半導體襯底，從而在從所述第二側延伸至所述半導體襯底的所述第二區域中形成場終止區。
16.根據權利要求15所述的方法，其中，在所述半導體襯底的所述第二側施加應力包括在所述第二側形成應力感應層，所述應力感應層使得所述第二區域中的所述自間隙被釋放。
17.根據權利要求16所述的方法，其中，在所述第二側形成所述應力感應層包括在含有PH3的氣氛中，在至少900°C的溫度下至少200分鐘，在所述第二側形成磷玻璃。
18.根據權利要求16所述的方法，其中，在將所述硫族元素原子注入所述第二側之后，在所述第二側形成所述應力感應層。
19.根據權利要求18所述的方法，其中，所述半導體襯底是硅襯底，所述方法還包括 在所述硅襯底的第二側形成應力感應層，從而施加釋放所述硅襯底的第二側中的硅自間隙的應力； 在釋放所述硅自間隙后，去除所述應力感應層； 在去除所述應力感應層之后，將所述硫族元素原子注入所述硅襯底的所述第二側；以及 對所述硅襯底進行退火，從而所述硫族元素內擴散至所述硅襯底以形成所述場終止區。
20.根據權利要求15所述的方法，其中，所述硫族元素原子以至少I IO12CnT3的濃度從所述第二側向所述襯底內擴散至少80 ii m的深度。
21.根據權利要求15所述的方法，其中，將所述硫族元素原子注入所述襯底的所述第二側包括在為至少150keV的能量下將劑量為至少6 IO13CnT2的硒原子注入所述第二側。
22.根據權利要求15所述的方法，其中，在低于1000°C的溫度下執行所述退火短于60分鐘。
23.—種功率半導體部件，包括 半導體襯底，具有第一側、鄰近所述第一側的第一區域、與所述第一側相對的第二側以及鄰近所述第二側的第二區域，其中，所述第二區域介于所述第一區域和所述第二側之間； 半導體器件的有源區域，位于所述第一區域中；以及 場終止區，位于所述第二區域中，所述場終止區包括向所述場終止區提供摻雜濃度的硫族元素摻雜原子，所述硫族元素摻雜原子從所述第二側向所述半導體襯底延伸至少50iim的深度。
24.根據權利要求23所述的功率半導體部件，其中，所述有源區域包括以下各項中的至少一個晶體管基極區域、晶體管源極區域、晶體管陰極區域、二極管陽極。
25.根據權利要求23所述的功率半導體部件，還包括位于所述第二側的應力感應層。
26.根據權利要求25所述的功率半導體部件，其中，所述應力感應層含有磷。
全文摘要
本發明公開了具有硫族元素摻雜區域的襯底和半導體器件。通過在未摻雜半導體襯底的一側施加應力以釋放襯底中的自間隙以及將硫族元素原子注入襯底的該側從而對未摻雜半導體襯底進行摻雜。對該襯底進行退火，從而形成含有硫族元素原子的第一半導體區域以及沒有硫族元素原子的第二半導體區域。第一半導體區域的摻雜濃度高于第二半導體區域的摻雜濃度。在存在自間隙的情況下，硫族元素原子內擴散至半導體材料還可用于形成功率半導體器件中的場終止區域。
文檔編號H01J29/36GK102737967SQ20121009596
公開日2012年10月17日 申請日期2012年3月30日 優先權日2011年3月30日
發明者格哈德·施密特, 漢斯-約阿希姆·舒爾茨, 貝恩德·科爾貝森 申請人:英飛凌科技股份有限公司