[發明專利]具有硫族元素摻雜區域的襯底和半導體器件

有效

• 申請號: 201210095967.3
• 申請日: 2012-03-30
• 公開（公告）號: CN102737967A
• 公開（公告）日: 2012-10-17
• 發明（設計）人: 貝恩德·科爾貝森;格哈德·施密特;漢斯-約阿希姆·舒爾茨
• 申請（專利權）人: 英飛凌科技股份有限公司
• 主分類號: H01L21/265
• 分類號: H01L21/265;H01L21/324;H01J29/36;H01L29/772
• 代理公司: 北京康信知識產權代理有限責任公司 11240
• 代理人: 余剛;吳孟秋

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)和相關的恢復二極管、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)以及功率二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一步擴展。

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1·10¹²cm^-2。常規的場終止區的典型穿透深度約為10μm至20μm，在高溫工藝期間，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、砷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10μm至20μm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一步開發期間，還需要改進的動態特性，從而進一步將場終止區的深度增加到(例如)50μm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℃至1000℃之間的適度工藝溫度來實現30μm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。另一方面，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℃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一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10μm至20μm，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40μm至120μm。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和二極管)。在前側已形成單元結構(例如，DMOS單元、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)。另一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。