專利名稱：半導體二極管以及用于形成半導體二極管的方法
技術領域：
本說明書涉及半導體二極管，具體涉及高電壓半導體二極管及其制造方法。
背景技術：
通常期望二極管具有低損耗，并且還分別具有充足的動態健壯性和對抗宇宙輻射的高健壯性。出于動態的原因，特別地，為了確保低開關損耗和低反向電流峰值，通常需要二極管的陽極發射極的低效率(即，陽極區的低摻雜)來減小電荷載流子充滿鄰接弱摻雜半導體區。在對二極管進行快速換向期間(即，在快速關斷二極管或將二極管從正向電流方向切換到反向電流方向期間)和/或由于宇宙輻射，空穴的高密度電流可以流向陽極區。空穴的正電荷可以至少部分地補償陽極區的摻雜電荷。相應地，空間電荷區可以延伸至陽極區的深處。在空間電荷區達到與陽極區電接觸的陽極金屬化部的情況下，可能發生擊穿，這從而可以導致二極管的毀壞。通常期望高度和/或深度摻雜的陽極區以避免二極管的擊穿。然而，高度和/或深度摻雜的陽極區傾向于增大開關損耗和反向電流峰值。此外，用于減小二極管的開關損耗和反向電流峰值的其他已知手段通常伴隨有不期望的副作用。例如，可以通過使用例如質子、氦或氬的輻照或離子注入來減小陽極區中和/或陽極區之下的半導體材料中的電荷載流子壽命。然而，在這種情況下，觀察到增大的反向電流，這對高電壓二極管來說特別不利。相應地，需要提供一種二極管，其具有分別在快速換向期間的動態屬性與在對抗宇宙輻射期間的健壯性之間的改進的折衷。
發明內容
根據半導體二極管的實施例，所述半導體二極管包括單晶硅半導體本體，所述單晶硅半導體本體包括:第一導電類型的第一半導體區，延伸至半導體本體的第一表面并具有第一最大摻雜濃度；以及第二導電類型的第二半導體區，與所述第一半導體區形成pn結。所述半導體二極管還包括:所述第一導電類型的多晶硅半導體區，具有比所述第一最大摻雜濃度更高的第二最大摻雜濃度并在所述第一表面上鄰接所述第一半導體區；第一金屬化部，布置在所述多晶硅半導體區上并與所述多晶半導體區電接觸；以及邊緣終止結構，被布置為緊接所述第一半導體區。根據半導體二極管的實施例，所述半導體二極管包括:單晶硅半導體本體，具有第一表面、pn結和第一導電類型的第一半導體區，所述第一半導體區具有第一最大摻雜濃度并從所述Pn結延伸至所述第一表面；所述第一導電類型的第一多晶半導體層，具有第三最大摻雜濃度并在所述第一表面上鄰接所述第一半導體區；所述第一導電類型的第二多晶半導體層，鄰接所述第一多晶半導體層并具有比所述第一最大摻雜濃度和所述第三最大摻雜濃度更高的第二最大摻雜濃度；以及第一金屬化部，布置在所述第二多晶半導體層上并與所述第二多晶半導體層電接觸。根據半導體二極管的實施例，所述半導體二極管包括:單晶硅半導體本體，具有第一表面、pn結和第一導電類型的第一半導體區，所述第一半導體區具有第一最大摻雜濃度并從所述Pn結延伸至所述第一表面；所述第一導電類型的多晶硅半導體區，具有比所述第一最大摻雜濃度更高的第二最大摻雜濃度和從約10 nm至約1000 nm的范圍內的粒度；以及第一金屬化部，布置在所述多晶硅半導體區上并通過所述第二多晶半導體區與所述第一半導體區電接觸。根據半導體二極管的實施例，所述半導體二極管包括:單晶硅半導體本體，包括第一表面、第一導電類型的第一半導體區，所述第一半導體區從pn結延伸至所述第一表面并在所述第一表面處具有小于約5*1017 cm-3的第一最大摻雜濃度；所述第一導電類型的多晶硅半導體區，在所述第一表面上鄰接所述第一半導體區并具有比所述第一最大摻雜濃度更高的第二最大摻雜濃度；以及第一金屬化部，布置在所述多晶硅半導體區上并與所述多晶半導體區電接觸。根據用于生產半導體二極管的方法的實施例，所述方法包括:提供單晶硅半導體本體，其包括第一表面和第二導電類型的第二半導體區；在硅半導體本體中形成第一導電類型的第一半導體區，使得所述第一半導體區具有第一最大摻雜濃度，延伸至所述第一表面，并與所述第二半導體區形成pn結；形成所述第一導電類型的多晶硅半導體區，所述多晶硅半導體區具有比所述第一最大摻雜濃度更高的第二最大摻雜濃度，使得所述多晶硅半導體區在所述第一表面上鄰接所述第一半導體區；緊接所述第一半導體區形成邊緣終止結構；以及在多晶半導體區上且與多晶半導體區電接觸地形成第一金屬化部。本領域技術人員在閱讀以下具體實施方式
時以及在查看附圖時將認識到附加特征和優勢。
附圖中的組件不必按比例繪制，而是重點在于示意本發明的原理。此外，在附圖中，相似的參考標記表示對應的部分。在附圖中:
圖1示意了穿過根據實施例的半導體二極管的垂直橫截面；
圖2示意了穿過根據實施例的半導體二極管的垂直橫截面；
圖3示意了穿過根據實施例的半導體二極管的垂直橫截面；
圖4示意了穿過根據實施例的半導體二極管的垂直橫截面；
圖5至9示意了在根據實施例的方法的方法步驟期間穿過半導體器件的垂直橫截面； 圖10至11示意了在根據實施例的方法的方法步驟期間穿過半導體器件的垂直橫截
面；
圖12至14示意了在根據實施例的方法的方法步驟期間穿過半導體器件的垂直橫截面；以及
圖15至17示意了在根據其他實施例的方法的方法步驟期間穿過半導體器件的垂直橫截面。
具體實施例方式在以下具體實施方式
中，參照了附圖，這些附圖形成以下具體實施方式
的一部分，并且其中以示意的方式示出了可實施本發明的具體實施例。在這一點上，參照所描述的(多個)附圖的定向，使用了方向性術語，如“頂”、“底”、“前”、“后”、“首”、“尾”等等。由于實施例的組件可以以多個不同定向而定位，因此方向性術語用于示意的目的而決不進行限制。應當理解，在不脫離本發明的范圍的前提下，可以利用其他實施例并且可以進行結構上或邏輯上的改變。因此，以下具體實施方式
不應視為具有限制意義，并且本發明的范圍由所附權利要求限定。現在將詳細參照各個實施例，這些實施例的一個或多個示例是在附圖中示意的。每個示例是作為說明而提供的，而不意在限制本發明。例如，作為一個實施例的一部分而示意或描述的特征可以用在其他實施例上或與其他實施例結合使用，以產生另一實施例。本發明意在包括這樣的修改和變型。使用不應解釋為限制所附權利要求的范圍的具體語言來描述示例。附圖不是按比例繪制的，并僅為了示意目的。為了清楚，已通過不同附圖中的相同引用來表示相同元件或制造步驟，除非另有聲明。本說明書中使用的術語“水平的”意在描述與半導體襯底或本體的第一或主要水平表面大體上平行的定向。這可以是例如晶片或管芯的表面。本說明書中使用的術語“垂直的”意在描述與第一表面大體上垂直地(B卩，與半導體襯底或本體的第一表面的法線方向平行地)布置的定向。在本說明書中，P摻雜被稱作第一導電類型，而η摻雜被稱作第二導電類型。可替換地，可以利用相反摻雜關系來形成半導體器件，使得第一導電類型可以是η摻雜并且第二導電類型可以是P摻雜。此外，一些附圖通過緊接摻雜類型指示或“ + ”來示意相對摻雜濃度。例如，“η_”意味著比“η”摻雜區的摻雜濃度小的摻雜濃度，而“η+”摻雜區具有比“η”摻雜區更大的摻雜濃度。然而，指示相對摻雜濃度并不意味著相同相對摻雜濃度的摻雜區必須具有相同絕對摻雜濃度，除非另有聲明。例如，兩個不同η+摻雜區可以具有不同的絕對摻雜濃度。例如，同樣適用于η+摻雜和P+摻雜區。本說明書中描述的具體實施例涉及而不限于半導體二極管(特別地，雙極半導體二極管)和用于形成半導體二極管的方法。典型地，半導體二極管是高電壓二極管，具有用于承載和/或整流負載電流的有源區和帶有邊緣終止結構的外圍區。本說明書中使用的術語“高電壓二極管”意在描述具有高電壓和/或高電流切換能力的單個芯片上的半導體二極管。典型地，高電壓二極管具有特別地，高于約400 V，并且優選地，高于約1000 V或者甚至高于1.5 kV的反向電壓的額定值。為了減小整流結(例如，pn結)的邊緣附近的電場的強度，高電壓半導體器件可以在有源區周圍布置的外圍區中包括邊緣終止結構。本說明書中使用的術語“邊緣終止結構”意在描述提供過渡區的結構，在過渡區中，半導體器件的有源區周圍的高電場逐漸改變為該器件的邊緣處的電勢。例如，邊緣終止結構可以通過將電場線分布在終止區上來降低整流結的終止區周圍的場強。在本說明書的上下文中，術語“場板”和“場電極”意在描述以下電極:該電極被布置為緊接pn結，并被配置為通過施加適當電壓來擴大形成pn結的半導體區中的至少一個的耗盡部分。場板可以與半導體區絕緣或與半導體區中的至少一個電接觸。為了將場板操作為邊緣終止結構，還對場板施加對與η型半導體區形成pn結的P型半導體區施加的電壓。P型半導體區可以形成半導體二極管的陽極區，或者可以形成嵌入到η型半導體區中的另一 P型半導體區。例如，可以形成該另一 P型半導體區，作為從頂部看時的島、條帶和封閉的大體上環形的區域。單個半導體二極管可以具有可處于不同電壓的一個或多個場板。在本說明書的上下文中，術語“耗盡”和“完全耗盡”意在描述半導體區包括大體上無自由的電荷載流子。在本說明書的上下文中，術語“金屬化部”意在描述在導電性方面具有金屬或近似金屬屬性的區或層。金屬化部可以與半導體區接觸，以形成半導體器件的電極、焊盤和/或端子。金屬化部可以由諸如Al、T1、W、Cu和Co之類的金屬制成或包括該金屬，但也可以由在導電性方面具有金屬或近似金屬屬性的材料(例如，高度摻雜η型或P型多晶S1、TiN或者諸如TaSi2、TiSi2, PtSi, CoSi2, WSi2等導電硅化物)制成。金屬化部還可以包括不同的導電材料，例如，這些材料的堆疊。圖1示意了穿過半導體二極管100的垂直橫截面。半導體二極管100包括單晶硅半導體本體40,單晶娃半導體本體40具有限定垂直方向en的第一表面101和與第一表面101相對布置的第二表面102。半導體本體40可以是單塊單晶材料。還可能的是，半導體本體40包括塊單晶襯底20和在其上形成的至少一個外延層30。使用(多個)外延層30提供了修整材料的背景摻雜的更多自由度，這是由于可以在一個或多個外延層的沉積期間調整摻雜濃度。P型第一半導體區I延伸至第一表面101，并與η型第二半導體區2形成pn結14。典型地，第一半導體區I是弱摻雜的，并具有第一最大摻雜濃度。典型地，第二半導體區2形成半導體二極管100的弱摻雜漂移區。例如，第二半導體區2可以是P型第一半導體區
I與更高度摻雜的η型半導體區3、4之間的輕摻雜的近似本征半導體區。在圖1所示的示例實施例中，第二半導體區2鄰接具有比第二半導體區2更高的最大摻雜濃度的可選η型第三半導體區3或場截止區3，場截止區3鄰接具有甚至更高最大摻雜濃度的η型第四半導體區4或陰極區4，并且陰極區4鄰接延伸至第二表面102的可選高度摻雜η型襯底5。典型地，可選襯底5和陰極區4的摻雜濃度分別在第二表面102處超過約IO19個原子每cm3。相應地，提供了去往布置在第二表面102上且典型地形成陰極金屬化部的背側金屬化部7的低電阻電流路徑。根據實施例，具有比第一最大摻雜濃度更高的第二最大摻雜濃度的P型多晶硅半導體區IOa在第一表面101上鄰接第一半導體區I。第一金屬化部6布置在多晶半導體區IOa上并與多晶半導體區IOa電接觸。典型地，第一金屬化部6形成陽極金屬化部。可以針對金屬化部6、7選擇已知的接觸材料(例如諸如，Al、AlS1、AlCu、AlSiCu、Cu等)。第二最大摻雜濃度可以大于約IO19個原子每cm3。典型地，多晶硅半導體區IOa的摻雜濃度在與第一金屬化部6的界面處或附近最高，并在與第一半導體區I的界面處最低，例如約IO16至IO18個原子每cm3。典型地，多晶硅半導體區IOa和第一半導體區I形成陽極發射極結構。由于形成有源區(以垂直二極管15限定正向電流方向)的半導體二極管100的中心部分110中的多晶硅半導體區IOa的相對較高摻雜，在垂直二極管15反向偏置時在第二半導體區2和第一半導體區I中形成的空間電荷區保持與第一金屬化部6分隔開。此外，可以對半導體二極管100進行快速換向。二極管100可以甚至承受比傳統二極管更高的反向電壓，在傳統二極管中，當面對局部載流子生成(例如，由宇宙輻射與二極管100的半導體材料的交互導致)時，金屬化部直接接觸單晶陽極區。另一方面，半導體區IOa由具有晶格缺陷的多晶硅制成。因此，與單晶硅相比，電荷載流子壽命縮短。相應地，半導體二極管100的開關損耗和反向電流峰值較低。典型地，多晶硅半導體區IOa的粒度處于從約10 nm至約1000 nm的范圍內，更典型地，處于從約50 nm至約300 nm的范圍內，以確保晶界的足夠高的密度。這意味著:多晶娃半導體區IOa具有大體上由大小處于從約10 nm至約1000 nm的范圍內、更典型地處于從約50 nm至約300 nm的范圍內的硅微晶體構成的粒狀結構。此外，典型地，多晶硅半導體區IOa的結構是柱狀的，即，硅微晶體的大多數晶界大體上與第一表面101正交。根據實施例，多晶硅半導體區10包括作為主要摻雜物的硼。可以在足夠低以確保低粒度的溫度處使用LPCVD (低壓化學氣相沉積)來沉積硼摻雜的多晶硅。典型地，半導體二極管100是具有足夠高阻斷能力的高電壓二極管。相應地，期望整流pn結14承受足夠高的反向電壓。不利的尺寸設計可以在整流pn結達到表面處或附近的點附近或這些點處導致雪崩生成。相應地，可以將阻斷能力減小至遠低于半導體材料的塊擊穿場強值的值。根據實施例，分別緊接第一半導體區I和pn結14提供邊緣終止結構，以確保半導體二極管100的外圍區120中的高阻斷能力。在示例實施例中，邊緣終止結構由布置在第一表面101上和從第一表面110至少部分地延伸至半導體本體40中(例如，至陰極區4中)的垂直溝槽50中的介電區9形成。典型地，每個垂直溝槽50環繞地包圍有源區110。相應地，圖1所示的兩個溝槽50可以與單個環繞的垂直溝槽50的部分相對應。在該實施例中，大體上環形的η型半導體區2ρ、3ρ、4ρ、大體上環形的P型半導體區Ip和大體上環形的P型多晶半導體區IOp布置在外圍區120中。然而，還可以在外圍區120中省略半導體區2ρ、3ρ、4ρ和/或多晶半導體區IOp中的一個或多個。圖2示意了穿過半導體二極管200的垂直橫截面。圖2所示的半導體二極管200與以上參照圖1說明的半導體二極管100類似。然而，圖2所示的半導體二極管200具有不同的邊緣終止結構。為了清楚，在圖2中未示出可選的場截止區。在示例實施例中，提供了兩個邊緣終止結構。多晶硅場板IOb布置在第一表面101上并通過布置在第一表面101上的絕緣區9與半導體本體40分隔開。例如，絕緣區9可以由二氧化硅、氮化硅、氮氧化硅或其堆疊制成。多晶硅半導體區IOa鄰接場板10b。相應地，場板IOb還與第一半導體區I電接觸。此外，提供了由在與浮置場板IOc接觸的第二半導體區2中形成的P型半導體區Ib形成的浮置護環。相應地，浮置場板IOc還與半導體本體40電接觸。浮置場板IOc布置在第一表面101上，并通過絕緣區9與半導體本體40分隔開。絕緣區9可以具有變化的厚度，例如，絕緣區9可以在第一半導體區I和/或浮置P型半導體區Ib附近更厚。場板10b、10c和P型多晶娃半導體區IOa可以由一個層10形成。在其他實施例中，提供了布置在第一表面101上的場板IOb和與浮置護環Ib接觸的浮置場板IOc中的僅一個。根據實施例，布置在第一表面101上的場板IOc的數目大于I。場板IOb和/或場板IOc中的一個或多個還可以連接至由結構化金屬化部提供的附加場板。根據實施例，由P型半導體區Ib和P型多晶硅半導體區IOa形成的浮置護環在指定的接觸區中僅分別與對應的場板IOc和IOb電接觸。例如，可以在場板IOc與P型半導體區Ib之間提供延伸通過絕緣區9的單接觸孔。這些接觸孔可以非均勻地分布在邊緣終止系統上。例如，接觸孔可以僅位于邊緣終止系統的彎曲部分中，或者可以僅位于邊緣終止系統的筆直部分中。根據實施例，浮置P型半導體區Ib未被成形為環繞包圍第一半導體區I的環，但是例如被形成為圓環或橢圓環的分段或者僅位于邊緣終止系統的角落中的島。可替換地，浮置P型半導體區Ib可以僅位于邊緣終止系統的筆直部分中。圖3示意了穿過半導體二極管300的垂直橫截面。圖3所示的半導體二極管300與以上參照圖1說明的半導體二極管100類似。然而，多晶半導體區由圖3中的兩個或更多個多晶半導體層10a、ll形成。此外，針對圖3所示的半導體二極管300提供不同邊緣終止結構。為了清楚，在圖3中未示出可選的場截止區。在圖3所不的不例實施例中，具有第三最大摻雜濃度的P型第一多晶半導體層IOaUOb在第一表面101上鄰接第一半導體區I。P型第二多晶半導體層11鄰接第一多晶半導體層10a、10b。第二多晶半導體層11具有比第一半導體區I的第一最大摻雜濃度以及第三最大摻雜濃度更高的第二最大摻雜濃度。第一金屬化部6布置在第二多晶半導體層11上并與第二多晶半導體層11電接觸。換言之，多晶娃半導體區10a、10b、11具有第一部分10a、10b和布置在第一部分IOaUOb與第一金屬化部6之間的第二部分11。第一部分10a、10b鄰接第一半導體區1，并具有比第二部分11和多晶硅半導體區10a、ll分別的第二最大摻雜濃度低的最大摻雜濃度。在不例實施例中，第一多晶半導體層10a、10b的外部分IOb形成場板。場板IOb布置在第一表面101上，并通過絕緣區9與半導體本體40分隔開，典型地，絕緣區9由二氧化硅、氮氧化硅或氮化硅制成。此外，典型地，鈍化層8布置在第一多晶半導體層10a、10b的外部分IOb上。例如，鈍化層8還可以由二氧化硅、氮化硅或氮氧化硅制成。第一多晶半導體層10a、10b的垂直厚度典型地小于約800 nm，更典型地小于約600 nm,并且甚至更典型地低于400 nm,以便于制造二極管300。例如，第一多晶半導體層IOaUOb的垂直厚度可以僅為約50 nm。第一多晶半導體層10a、10b的相對較低的垂直厚度減少了場板IOb的處理變化。第二多晶半導體層11的垂直厚度可以更大，例如大于I ym或者甚至2 μ mo圖4示意了穿過半導體二極管400的垂直橫截面。圖4所示的半導體二極管400與以上參照圖1說明的半導體二極管100類似。然而，圖4所示的半導體二極管400具有不同的邊緣終止結構。為了清楚，在圖4中未示出可選的場截止區。在圖4所示的示例實施例中，邊緣終止結構包括絕緣溝槽場板IOcL溝槽場板IOd布置在垂直溝槽50中并與多晶半導體區IOa電接觸。還可以將以上參照圖1至4說明的特征進行組合。例如，還可以分別針對參照圖
1、2和4說明的二極管100、200和400提供如參照圖3說明的多晶硅半導體區的雙層或甚
至多層結構。可替換地或附加地，可以提供其他邊緣終止結構。例如，可以在外圍區120中形成VLD結構(橫向摻雜的變化)或JTE結構(結終止延伸)，以在pn結14反向偏置時提高半導體二極管的擊穿電壓。此外，可以給邊緣終止結構提供諸如絕緣體或鈍化層之類的覆蓋結構，以防止漏電電流和閃絡(flashover)或者甚至在濕度和持久阻斷操作中維持阻斷能力。由第一半導體區I和鄰接陽極金屬化部6的多晶硅半導體區10a、ll形成的陽極結構在多晶硅半導體區10a、ll中具有非常低的電荷載流子壽命。此外，第一半導體區I至少在與漂移區2形成的pn結處和/或附近具有低摻雜濃度。在操作期間，第一半導體區I可以在正向電流方向上部分或完全充滿有電荷載流子，而電荷載流子至漂移區2中的注入保持較低。這允許利用低濃度的雜質和/或晶格缺陷來調整漂移區2的電荷載流子壽命。典型地，選擇集成在沿第一表面101的法線方向en的路徑上的第一半導體區I的積分摻雜濃度Q1，使得靜電場在反向偏置期間大體上降至0，低于多晶硅半導體區10a、ll。相應地，在反向偏置期間在漂移區2中的電流生成和反向電流二者均較低。此外，在快速換向期間電場對陽極金屬化部6的動態滲透被鄰接陽極金屬化部6且具有非常低電荷載流子壽命的多晶硅半導體區10a、ll的高度摻雜部分禁止。由于非常低的電荷載流子壽命，被注入到多晶硅半導體區10a、ll中的少數電荷載流子快速復合。根據實施例，二極管100至400的第一半導體區I典型地在第一表面101處具有小于適于高電壓應用的約5*1017 cm_3的第一最大摻雜濃度。根據實施例，第一半導體區I的積分摻雜濃度Ql低于IO13個摻雜原子/cm2或者甚至低于2*1012個摻雜原子/cm2或者甚至低于1.2*1012個摻雜原子/cm2。以下說明涉及用于形成半導體二極管的制造方法的實施例。圖5至9示意了用于生產圖1所示的半導體二極管100的方法。這些圖示出了在特定方法步驟期間或之后穿過半導體二極管100的垂直橫截面。在第一工藝中，提供了具有第一表面101和與第一表面101相對的第二表面102的半導體本體40,例如晶片或襯底40。第一表面101的法線方向en大體上平行于垂直方向。半導體本體40可以是單塊單晶材料。還可能的是，半導體本體40包括塊單晶材料20和在其上形成的至少一個外延層30。在圖5所示的示例實施例中，半導體本體40包括延伸至第二表面102的可選n+型半導體襯底5、布置在半導體襯底5上的η.型第四半導體區4或陰極區4、布置在陰極區4上的可選η型第三半導體區3或場截止區3以及布置在場截止區3上的η_型第二半導體2或漂移區2。參照圖6，在第二半導體區2中形成具有第一最大摻雜濃度且延伸至第一表面101的P.型第一半導體區I。相應地，在半導體本體40中形成大體上水平的pn結14。在要生產的半導體二極管100中，典型地，第一半導體區I分別形成陽極區以及陽極發射極結構的一部分。典型地，形成第一半導體區I包括:通過第一表面101來注入摻雜物，以精確地調整摻雜物(例如，硼)的濃度。參照圖7，在第一半導體區I上形成具有比第一最大摻雜濃度更高的第二最大摻雜濃度的P+型多晶硅半導體區10，并且，該P+型多晶硅半導體區10與第一半導體區I相接觸。典型地，多晶硅半導體區10在上表面處或至少附近具有第二最大摻雜濃度，以提供對要在多晶硅半導體區10上形成的陽極金屬化部的低電阻接觸。典型地，多晶硅半導體區10的摻雜濃度朝向第一半導體區I降低。
根據實施例，多晶硅半導體區10作為硼摻雜多晶硅層而沉積。典型地，在從約600°C至約800°C的溫度范圍內使用LPCVD工藝來無掩模地沉積硼摻雜多晶硅。例如，可以在約680°C的溫度處沉積乙硼烷摻雜(B2H6摻雜)多晶硅。相應地，所形成的硅半導體區10具有低粒度，并因而具有低電荷載流子壽命。還可以通過使用例如LPCVD工藝和后續注入和驅入工藝大體上沉積無摻雜多晶硅來形成多晶硅半導體區10。此外，可以通過沉積和注入的多個循環后跟公共熱驅入工藝來形成多晶硅半導體區10。甚至進一步，可以在公共熱驅入工藝中活化第一半導體區I和多晶硅半導體區10的注入的離子。可替換地，可以通過從多晶硅半導體區10向外擴散摻雜物以及熱活化來形成第一半導體區I。此后，典型地，可以限定有源區110和外圍區120。參照圖8，在外圍區120中緊接有源區110處從第一表面101向半導體本體40中蝕刻垂直溝槽50。相應地，將多晶硅半導體區10劃分為兩個部分:中心部分IOa和一個或多個外圍部分10p。同樣地并且根據溝槽50向半導體本體40中的滲透深度，可以將第一半導體區1、第二半導體區2、第三半導體區3和第四半導體區4分別劃分為中心部分I至4和外圍部分Ip至4p。參照圖9，在垂直溝槽50中形成以及在多晶硅半導體區10、10a、IOp上部分地形成絕緣區9。在所示意的垂直橫截面中，絕緣區9具有典型地與大體上環形的結構相對應的兩個T形部分。相應地，形成鄰接多晶硅半導體區10、10a、10p的邊緣終止結構9。可以通過熱氧化和/或通過沉積例如二氧化硅、氮化硅和/或氮氧化硅后跟有掩模的回蝕來形成絕緣區9。此后，在多晶半導體區IOa上形成第一金屬化部6并與多晶半導體區IOa電接觸，并在半導體襯底5上形成第二金屬化部7并與半導體襯底5電接觸。在圖1中示意了所產生的二極管100。圖10和11示意了用于生產圖2所示的半導體二極管200的方法。這些圖示出了在特定方法步驟期間或之后穿過半導體二極管200的垂直橫截面。與以上參照圖5說明類似，提供了具有可選n+型半導體襯底5、n+型陰極區4、可選η型場截止區3 (未示出)和η_型漂移區2的半導體本體40。此后，典型地，例如通過熱氧化和/或沉積例如二氧化硅、氮化硅和/或氮氧化硅以及通過后續有掩模的蝕刻，在第一表面101上形成絕緣區9，以在第一表面101上暴露半導體本體40的部分。此后，例如通過使用絕緣區9作為掩模的離子注入以及熱退火步驟，可以形成P—型第一半導體區I和一個或多個P—型半導體區lb。相應地，在第一半導體區I與漂移區2之間形成pn結14。僅在有源區110中形成半導體二極管200的第一半導體區
I。此外，在與第一半導體區I的公共工藝中，在外圍區120中形成一個或多個p—型半導體區lb。在圖10中示意了所產生的半導體結構200。此后，與以上參照圖7說明類似地沉積多晶半導體層10，并使用掩模來回蝕多晶半導體層10。在圖11中示意了所產生的半導體結構200。相應地，在公共工藝中形成與典型地形成浮置護環的相應半導體區Ib相接觸的多晶硅半導體區10a、鄰接多晶硅場板IOb和多晶硅場板10c。所示意的成對結構lb、9、10b、10c可以與相應的單個且大體上環形的結構 lb、9、10b、10c 相對應。此后，在多晶半導體區IOa上形成第一金屬化部6并與多晶半導體區IOa電接觸，并在半導體襯底5上形成第二金屬化部7并與半導體襯底5電接觸。在圖2中示意了所產生的二極管200。圖12至14示意了用于生產圖3所示的半導體二極管300的方法。這些圖示出了在特定方法步驟期間或之后穿過半導體二極管300的垂直橫截面。與以上參照圖5說明類似，提供了具有可選n+型半導體襯底5、n+型陰極區4、可選η型場截止區3 (未示出)和η_型漂移區2的半導體本體40。此后，典型地，例如通過熱氧化和/或沉積例如二氧化硅、氮化硅和/或氮氧化硅以及通過后續有掩模的蝕刻，在第一表面101上形成絕緣區9，以在第一表面101上暴露半導體本體40的中心部分。此后，例如通過使用絕緣區9作為掩模的離子注入以及熱退火步驟，可以在漂移區2中形成P—型第一半導體區I。相應地，僅在有源區110中形成第一半導體區I。在圖12中示意了所產生的半導體結構300。此后，典型地以小于約800 nm的厚度，更典型地以小于600 nm的厚度，例如以約50 nm至約400 nm的厚度,沉積第一多晶娃層10。根據實施例，將第一多晶硅層10形成為弱摻雜或大體上無摻雜的多晶硅層，例如，在低于約650°C的溫度處(例如，在約620°C處)使用LPCVD工藝而沉積。此后,在外圍區120中部分地蝕刻第一多晶娃層10。沉積相對較薄的第一多晶娃層10便于在外圍區120中構造薄第一多晶硅層10。相應地，可以精確地限定由第一多晶硅層10的其余部分形成的場板IOb在絕緣區9上的水平延伸，和/或可以減少處理變化。此后，典型地，場板IOb覆蓋有例如二氧化硅、氮化硅或氮氧化硅的另一絕緣層8。可以構造該絕緣層8，例如通過蝕刻穿過掩模。在圖13中示意了所產生的半導體結構300。此后，如圖14所示，在第一多晶硅層10上形成具有比第一多晶硅層10的摻雜濃度更高的摻雜濃度的第二多晶硅層11。典型地，形成第二多晶硅層11包括如以上參照圖7說明的沉積硼摻雜多晶硅以及有掩模的回蝕。此后，在多晶半導體區IOa上形成第一金屬化部6并與多晶半導體區IOa電接觸，并在半導體襯底5上形成第二金屬化部7并與半導體襯底5電接觸。可替換地，對于蝕刻第一金屬化部6和第二多晶硅層11，可以使用相同掩模和/或利用不同蝕刻步驟的蝕刻工藝。在圖3中示意了所產生的二極管300。圖15和17示意了用于生產圖4所示的半導體二極管400的方法。這些圖示出了在特定方法步驟期間或之后穿過半導體二極管400的垂直橫截面。與以上參照圖5和6說明類似，提供了具有可選n+型半導體襯底5、n+型陰極區4、可選η型場截止區3 (未示出)和η—型漂移區2的半導體本體40。此外，在漂移區2中形成第一半導體區1，例如通過注入。此后，在第一表面101上形成掩模17,例如,氮化娃掩模或者包含氮化娃和二氧化娃的一個或多個層的堆疊的掩模。掩模17限定有源區110和外圍區120。在外圍區120中，穿過掩模17從第一表面101向半導體本體40中蝕刻垂直溝槽50。此后，在垂直溝槽50的側壁和底壁上形成絕緣區9，例如通過熱氧化。在圖15中示意了所產生的半導體結構300。此后，移除或打開掩模17，并且與以上參照圖7說明類似，從第一表面101沉積多晶半導體層10并使用掩模來回蝕多晶半導體層10。在圖16中示意了所產生的半導體結構400。相應地，在公共工藝中形成與第一半導體區I相接觸的多晶硅半導體區IOa以及鄰接的多晶硅溝槽場板IOcL所示意的成對結構lp、9、IOd可以與相應的單個且大體上環形的結構lp、9、10d相對應。參照圖17，典型地，例如通過沉積和有掩模的蝕刻，延伸絕緣區9，使得在外圍區120中覆蓋半導體本體40。此后，在多晶半導體區IOa上形成第一金屬化部6并與多晶半導體區IOa電接觸，并在半導體襯底5上形成第二金屬化部7與半導體襯底5電接觸。在圖4中示意了所產生的二極管400。以上參照圖5至17說明的方法可以利用以下事實:與單晶硅相比，摻雜物的擴散在多晶硅中顯著更快，并且，可以通過具有中間注入的多個沉積來形成多晶半導體區10a、
11。相應地，可以容易地優化多晶半導體區10a、ll的垂直摻雜分布圖。典型地，垂直摻雜分布圖在多晶半導體區10a、ll與陽極金屬化部6之間的界面處或緊接該界面處具有最大值，并在多晶半導體區10a、ll與單晶第一半導體區I之間的界面處或緊接該界面處具有最小值。相應地，所形成的陽極發射極結構具有低發射極效率，導致上部分中的低開關損耗和高摻雜濃度，造成與陽極金屬化部6的良好電接觸以及分別對抗在快速換向和宇宙輻射期間的擊穿的高健壯性。此外，可以在公共熱工藝中實現對單晶第一半導體區I和多晶半導體區10a、ll的注入摻雜物的電活化。相應地，該制造可以更有成本效益。例如，甚至對于更厚的多晶半導體區10a、ll，也可以將小于約1000°C或者甚至小于約800°C的溫度處幾秒上至幾十秒的快速熱工藝(RTP退火)用作公共熱工藝。盡管公開了本發明的各個示例實施例，但是對本領域技術人員來說將顯而易見，在不脫離本發明的精神和范圍的前提下，可以進行將實現本發明的一些優勢的各種改變和修改。對本領域合理技術人員來說將顯而易見，可以合適地替代為執行相同功能的其他組件。應當指出，可以將參照具體附圖而說明的特征與其他附圖的特征進行組合，即使在并未顯式提及這一點的那些情況下亦如此。所附權利要求意在覆蓋對本發明概念的這種修改。為了容易描述，使用諸如“之下”、“以下”、“下部”、“之上”、“以上”等空間相對術語，來說明一個元件相對于第二元件的定位。除了與圖中所示的定向不同的定向以外，這些術語還意在涵蓋器件的不同定向。此外，還使用諸如“第一”、“第二”等術語來描述各個元件、區、部分等，并且這些術語也不意在限制。在整個描述中，類似的術語指代類似的元件。這里使用的術語“具有”、“包含”、“包括”、“具備”等是指示所聲明的元件或特征的存在的開放式術語，但不排除附加的元件或特征。冠詞“一”、“一個”和“該”意在包括復數以及單數，除非上下文另有明確指示。在想到上述多種變形和應用的情況下，應當理解，本發明不受以上描述限制，也不受附圖限制。取而代之，本發明僅由隨后的權利要求及其合法等同物限定。
權利要求
1.一種半導體二極管，包括: -單晶硅半導體本體，所述單晶硅半導體本體包括:第一表面；第一導電類型的第一半導體區，延伸至所述第一表面并具有第一最大摻雜濃度；以及第二導電類型的第二半導體區，與所述第一半導體區形成pn結； -第一導電類型的多晶硅半導體區，具有比所述第一最大摻雜濃度更高的第二最大摻雜濃度并在所述第一表面上鄰接所述第一半導體區； -第一金屬化部，布置在多晶半導體區上并與多晶半導體區電接觸；以及 -邊緣終止結構，緊接所述第一半導體區。
2.根據權利要求1所述的半導體二極管，其中，所述邊緣終止結構包括以下至少一項:由多晶硅組成且布置在所述第一表面上的場板；布置在所述半導體本體中且包括絕緣壁的垂直溝槽；由多晶硅組成且布置在所述半導體本體中的溝槽場板；以及由與所述半導體本體直接接觸的多晶硅組成的場板。
3.根據權利要求2所述的半導體二極管，其中，所述多晶硅半導體區鄰接所述場板和所述溝槽場板之一。
4.根據權利要求1所述的半導體二極管，其中，所述多晶硅半導體區包括第一部分和布置在所述第一部分與所述第一金屬化部之間的第二部分，所述第一部分鄰接所述第一半導體區并具有比所述第二最大摻雜濃度低的最大摻雜濃度。
5.根據權利要求1所述的半導體二極管，其中，所述多晶硅半導體區包括硼作為摻雜物。
6.根據權利要求1所述的半導體二極管，其中，所述多晶硅半導體區和所述第一半導體區形成陽極發射極結構。
7.一種半導體二極管，包括: -單晶半導體本體，包括第一表面、Pn結和第一導電類型的第一半導體區，所述第一半導體區具有第一最大摻雜濃度并從所述Pn結延伸至所述第一表面； -第一導電類型的第一多晶半導體層，具有第三最大摻雜濃度并在所述第一表面上鄰接所述第一半導體區； -第一導電類型的第二多晶半導體層，具有比所述第一最大摻雜濃度和所述第三最大摻雜濃度更高的第二最大摻雜濃度；以及 -第一金屬化部，布置在所述第二多晶半導體層上并與所述第二多晶半導體層電接觸。
8.根據權利要求7所述的半導體二極管，其中，所述第一多晶半導體層具有小于約800nm的垂直厚度。
9.根據權利要求7所述的半導體二極管，其中，所述第一多晶半導體層的外部分形成場板。
10.一種半導體二極管，包括: -單晶硅半導體本體，包括第一表面、Pn結和第一導電類型的第一半導體區，所述第一半導體區具有第一最大摻雜濃度并從所述pn結延伸至所述第一表面； -第一導電類型的多晶硅半導體區，具有比所述第一最大摻雜濃度更高的第二最大摻雜濃度和從約10 nm至約1000 nm的范圍內的粒度；以及-第一金屬化部，布置在所述多晶硅半導體區上并通過所述第二多晶半導體區與所述第一半導體區電接觸。
11.根據權利要求10所述的半導體二極管，其中，所述第一半導體區和所述多晶硅半導體區中的至少一個包括硼作為摻雜物。
12.根據權利要求10所述的半導體二極管，其中，所述多晶硅半導體區包括大體上柱狀的粒狀結構。
13.根據權利要求10所述的半導體二極管，還包括緊接所述pn結的邊緣終止結構。
14.一種半導體二極管，包括: -單晶硅半導體本體，包括第一表面、第一導電類型的第一半導體區，所述第一半導體區從pn結延伸至所述第一表面并在所述第一表面處具有小于約5*1017 cm-3的第一最大摻雜濃度； -所述第一導電類型的多晶硅半導體區，在所述第一表面上鄰接所述第一半導體區并具有比所述第一最大摻雜濃度更 高的第二最大摻雜濃度；以及 -第一金屬化部，布置在所述多晶硅半導體區上并與所述多晶半導體區電接觸。
15.根據權利要求14所述的半導體二極管，還包括緊接所述pn結的邊緣終止結構。
16.一種用于生產半導體二極管的方法，包括: -提供單晶硅半導體本體，其包括第一表面和第二導電類型的第二半導體區； -在硅半導體本體中形成第一導電類型的第一半導體區，使得所述第一半導體區具有第一最大摻雜濃度，延伸至所述第一表面，并與所述第二半導體區形成pn結； -形成第一導電類型的多晶硅半導體區，所述多晶硅半導體區具有比所述第一最大摻雜濃度更高的第二最大摻雜濃度，使得所述多晶硅半導體區在所述第一表面上鄰接所述第一半導體區； -緊接所述第一半導體區形成邊緣終止結構；以及 -在多晶半導體區上且與多晶半導體區電接觸地形成第一金屬化部。
17.根據權利要求16所述的方法，其中，形成多晶硅半導體區包括以下至少一項: -在所述第一表面上沉積第一多晶娃層，所述第一多晶娃層具有摻雜濃度并與所述第一半導體區相接觸；以及 -在所述第一多晶硅層上沉積第二多晶硅層，所述第二多晶硅層具有比所述第一多晶硅層的摻雜濃度更高的摻雜濃度。
18.根據權利要求17所述的方法，其中，所述第一多晶硅層是以小于約800nm的厚度沉積的。
19.根據權利要求17所述的方法，其中，沉積第一多晶硅層和沉積第二多晶硅層中的至少一項包括沉積硼摻雜多晶硅。
20.根據權利要求19所述的方法，其中，所述硼摻雜多晶硅是在低于約800°C的溫度處使用LPCVD工藝來沉積的。
21.根據權利要求17所述的方法，其中，沉積第一多晶硅層和沉積第二多晶硅層中的至少一項包括沉積大體上無摻雜的多晶硅以及注入工藝。
22.根據權利要求21所述的方法，其中，所述大體上無摻雜的多晶硅是在低于約650°C的溫度處使用LPCVD工藝來沉積的。
23.根據權利要求16所述的方法，其中，形成邊緣終止結構包括以下至少一項: -限定外圍區； -在所述外圍區中從所述第一表面向所述半導體本體中蝕刻垂直溝槽； -至少在所述垂直溝槽的側壁和底壁處形成絕緣區； -在所述垂直溝槽中形成溝槽場板； -在所述第一表面上形成場板；以及 -與硅半導體本體電接觸地形成場板。
24.根據權利要求23所述的方法，其中，形成多晶硅半導體區以及形成溝槽場板和形成場板中的至少一項包括沉積多晶硅層的公共工藝。
25.根據權利要求16所述的方法，其中，形成第一半導體區包括以下至少一項: -通過所述第一表面來注入摻雜物； -從所述多晶硅半導 體區向外擴散摻雜物；以及 -在公共熱工藝中活化所述多晶硅半導體區的摻雜物和所述第一半導體區的摻雜物。
全文摘要
本發明涉及半導體二極管以及用于形成半導體二極管的方法。提供了一種半導體二極管。所述半導體二極管包括單晶硅半導體本體，所述單晶硅半導體本體包括第一導電類型的第一半導體區，延伸至半導體本體的第一表面并具有第一最大摻雜濃度；以及第二導電類型的第二半導體區，與所述第一半導體區形成pn結。所述半導體二極管還包括所述第一導電類型的多晶硅半導體區，具有比所述第一最大摻雜濃度更高的第二最大摻雜濃度并在所述第一表面上鄰接所述第一半導體區；第一金屬化部，布置在所述多晶硅半導體區上并與所述多晶半導體區電接觸；以及邊緣終止結構，被布置為緊接所述第一半導體區。此外，提供了一種用于生產半導體二極管的方法。
文檔編號H01L29/861GK103208529SQ20131001039
公開日2013年7月17日 申請日期2013年1月11日 優先權日2012年1月11日
發明者A.毛德, H-J.舒爾策, P.森格 申請人:英飛凌科技股份有限公司