專利名稱：半導(dǎo)體器件及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及諸如二極管或IGBT (絕緣柵雙極晶體管)之類的除高速和低耗特性之外還具有軟恢復(fù)特性的半導(dǎo)體器件，以及用于制造半導(dǎo)體器件的方法。
背景技術(shù)：
有600V、1200V或1700V耐壓級(jí)的二極管或IGBT作為功率半導(dǎo)體器件。近來這些器件的特性已有了改進(jìn)。功率半導(dǎo)體器件被用在諸如高效節(jié)能的變換器逆變器系統(tǒng)之類的功率變換系統(tǒng)，并且對(duì)于控制旋轉(zhuǎn)馬達(dá)和伺服馬達(dá)是不可缺少的。
這樣的功率控制器需要低耗，節(jié)能，高速，高效以及環(huán)保、即對(duì)周圍環(huán)境沒有壞影響的特性。對(duì)于這些需求，有一種普遍知曉的方法，即通過在形成半導(dǎo)體基板的正面?zhèn)葏^(qū)域之后通過研磨等減薄常用的半導(dǎo)體基板(例如硅晶片)的背面，然后從研磨表面?zhèn)葓?zhí)行具有預(yù)定濃度的元素的離子注入以及熱處理(例如參見專利文獻(xiàn)I)。
為了降低半導(dǎo)體器件的損耗，有必要改進(jìn)截止損耗和導(dǎo)通損耗(導(dǎo)通電壓)之間的權(quán)衡關(guān)系。具體地，在例如表面柵極結(jié)構(gòu)形成為溝槽柵極結(jié)構(gòu)時(shí)，權(quán)衡關(guān)系被改進(jìn)。在少數(shù)載流子從P +集電極層到N—漂移層的注入被抑制從而降低N—漂移層的載流子濃度時(shí)，權(quán)衡關(guān)系被改進(jìn)。此外，在K漂移層被減薄到耐壓未被降低的程度時(shí)，權(quán)衡關(guān)系被改進(jìn)。
圖19是示出具有根據(jù)相關(guān)技術(shù)形成的場(chǎng)阻斷層的半導(dǎo)體器件的配置及其凈摻雜濃度的視圖。如圖19中的半導(dǎo)體器件的截面400所示，例如N+場(chǎng)阻斷層42和P+集電極層43以此順序在N_漂移層41的主表面?zhèn)壬闲纬伞基極層44在N_漂移層41的另一主表面?zhèn)壬闲纬?。N源極層45在P基極層44的正面層的一部分上形成，以便于遠(yuǎn)離N_漂移層41。柵電極47在穿過N源極層45和P基極層44并且到達(dá)N—漂移層41的溝槽中通過柵絕緣膜46形成。發(fā)射電極48在P基極層44和N源極層45的表面上形成。集電電極49 在P +集電極層43的表面上形成。
如圖19中的距發(fā)射電極的距離對(duì)凈摻雜濃度(log)的特征圖410所示，N+場(chǎng)阻斷層42的凈摻雜濃度在N+場(chǎng)阻斷層42與P+集電極層43之間的界面附近具有峰值，并且高于N_漂移層41的凈摻雜濃度。P +集電極層43和P基極層44的凈摻雜濃度高于N_漂移層41和N+場(chǎng)阻斷層42的凈摻雜濃度。
圖19中所示的半導(dǎo)體器件的大小被例示如下。大小是基于P基極層44與發(fā)射電極48之間的界面，并且除非另外提及，表示為距此界面的距離。距P基極層44與N_漂移層 41之間界面的距離是3 μ m。距P+集電極層43與集電電極49之間的界面的距離是140 μ m。 N+場(chǎng)阻斷層42與P+集電極層43之間的界面距P+集電極層43與集電電極49之間的界面的距離，即P +集電極層43的厚度是O. 5 μ m。N_漂移層41與N+場(chǎng)阻斷層42之間的界面距 P+集電極層43與集電電極49之間的界面的距離是30 μ m。
P基極層44的凈摻雜濃度在P基極層44與發(fā)射電極48之間的界面處為5 X IO16 原子/立方厘米，沿N_漂移層41的方向降低，并且在P基極層44與N_漂移層41之間的界面處取低于5 X IO13原子/立方厘米的值。P+集電極層43的凈摻雜濃度在P+集電極層43 與集電電極49之間的界面處為I X IO18原子/立方厘米，沿N+場(chǎng)阻斷層42的方向降低，并且在P+集電極層43與N+場(chǎng)阻斷層42之間的界面處取低于5X IO13原子/立方厘米的值。 N_漂移層41的凈摻雜濃度是5X IO13原子/立方厘米。N+場(chǎng)阻斷層42的凈摻雜濃度的最大值高于5 X IO13原子/立方厘米。
關(guān)于圖19中所示的半導(dǎo)體器件，已在專利文獻(xiàn)I中公開了一種其中在FZ晶片的背面被研磨之后，例如雜質(zhì)濃度高于N_漂移層41的N+場(chǎng)阻斷層42在P +集電極層43與 N_漂移層41之間通過離子注入和熱激活的方法形成的方法。通過該方法，來自P+集電極層43的少數(shù)載流子的注入被降低，從而導(dǎo)通電壓可在不增大截止損耗的情況下被降低。
更進(jìn)一步地，其中在用作N+場(chǎng)阻斷層的磷以及用作P+集電極層的硼被離子注入到距晶片的背面較深的位置之后，用兩種不同波長(zhǎng)的激光束照射經(jīng)離子注入的表面的方法是眾所周知的。根據(jù)此方法，對(duì)晶片正面的MOS柵極結(jié)構(gòu)和金屬電極沒有影響，以使由離子注入到晶片的背面所引起的損傷可被消除以恢復(fù)結(jié)晶度。在例如具有約SOOnm波長(zhǎng)的GaAs (砷化鎵)半導(dǎo)體激光器被用作兩種不同波長(zhǎng)激光器中的一種的長(zhǎng)波長(zhǎng)激光器時(shí)，距經(jīng)離子注入的表面約3 μ m深度的離子可被有效激活(例如參見專利文獻(xiàn)2)。
還已經(jīng)公開了一種在將磷離子注入到晶片的背面的較深位置之后，通過用一種類型波長(zhǎng)的激光束在不同照射時(shí)間一次或幾次地照射經(jīng)離子注入的表面來激活磷或硼的方法。例如，一種通過控制YAG (釔鋁石榴石)激光器的第三諧波(YAG 3ω激光器355nm波長(zhǎng))或者YAG激光器的第二諧波(YAG2 ω激光器532nm波長(zhǎng))的半最大值全寬來激活距離注入表面約I. 5 μ m深度的磷的方法是眾所周知的(例如參見專利文獻(xiàn)3或4)。
通過用YAG 2 ω激光器照射傾斜的基板來激活注入到距離注入表面約I. 5 μ m深度的磷的方法也是眾所周知的(例如參見專利文獻(xiàn)5)。一種通過用YAG激光器幾次照射來激活注入到距離晶片的背面約I μ m深度的磷的方法更加是眾所周知的(例如參見專利文獻(xiàn)6)。一種通過用GaAs半導(dǎo)體激光器(690-900nm波長(zhǎng))照射來激活注入到距離晶片的背面約I μ m的深度的磷的方法更加是眾所周知的(例如參見專利文獻(xiàn)7)。
也已經(jīng)提出一種通過以高的加速電壓不注入磷而注入諸如氫離子之類的輕的離子并且執(zhí)行熱處理來從氫致供體(hydrogen-induced donor)形成N +場(chǎng)阻斷層的技術(shù)。 例如，一種通過以約IMeV的加速電壓將質(zhì)子注入距離晶片的背面約10 μ m的深度并且在 400°C或更高溫度下在電爐中執(zhí)行兩個(gè)小時(shí)或更長(zhǎng)時(shí)間的熱處理來從供體質(zhì)子形成N+場(chǎng)阻斷層的方法是眾所周知的(例如參見專利文獻(xiàn)8)。一種通過在數(shù)個(gè)階段注入質(zhì)子來加寬 N+場(chǎng)阻斷層的寬度的方法也是眾所周知的(例如參見專利文獻(xiàn)9或10)。
本發(fā)明的申請(qǐng)人已提出一種將質(zhì)子注入含氧的硅基板的方法(例如參見專利文獻(xiàn) 11)。根據(jù)此方法，由注入損傷引起的載流子遷移率的降低可被抑制。此外，濃度上高于僅氫致供體數(shù)倍的供體可因?yàn)榘ㄔ诠杌逯械难鹾蜌涞幕衔锶毕荻鴮?dǎo)致。
圖20示出在用質(zhì)子照射的硅中的質(zhì)子的投影射程Rp、以及其在照射之后的氫分布中的半最大值全寬(FWHM) Δ Rp的SRIM2006的計(jì)算結(jié)果。如圖20所示，發(fā)現(xiàn)投影射程Rp 以及FWHM ARp隨加速電壓增大而增大。
在相對(duì)于N_漂移層的中心靠近P +集電極層的區(qū)域形成N+場(chǎng)阻斷層以使N+場(chǎng)阻斷層不接觸到P+集電極層的另一種方法已在JP-A-2004-19312或JP-A-2002-305305中公開。此結(jié)構(gòu)可通過外延生長(zhǎng)和使用磷或砷的離子注入的組合形成。
執(zhí)行由使用諸如質(zhì)子或氦離子之類的輕離子照射引起的局部壽命控制(壽命抑制劑引入量的控制)的另一種方法已在JP-A-2001-102392或日本專利No. 3413021中公開。 尤其在日本專利No. 3413021中，已公開了使基于磷形成的N+場(chǎng)阻斷層的壽命變得比由壽命控制生成的極短壽命區(qū)域的壽命長(zhǎng)的磷濃度。在用磷離子或質(zhì)子照射之后通過激光退火形成N+場(chǎng)阻斷層的另一種方法已被公開(例如參見專利文獻(xiàn)12和13)。
[專利文獻(xiàn) I] JP-T-2002-520885
[專利文獻(xiàn)2]W0 2007/015388小冊(cè)子
[專利文獻(xiàn) 3] JP-A-2003-59856
[專利文獻(xiàn) 4] JP-A-2002-314084
[專利文獻(xiàn) 5] JP-A-2007-059431
[專利文獻(xiàn) 6] JP-A-2007-123300
[專利文獻(xiàn) 7] JP-A-2OO6-35I659
[專利文獻(xiàn) 8] JP-A-2006_344977
[專利文獻(xiàn)9]美國(guó)專利申請(qǐng)公開No. 2006/0081923
[專利文獻(xiàn) 10] JP-T-2003-533047
[專利文獻(xiàn)11] WO 2007/055352小冊(cè)子
[專利文獻(xiàn)12]日本專利No. 3885598
[專利文獻(xiàn)13]日本專利No. 3684962
在專利文獻(xiàn)I中公開的技術(shù)中，晶片的最終厚度仍然需要薄至約ΙΟΟμπι，尤其在600V或1200V耐壓級(jí)的半導(dǎo)體器件中，從而晶片在處理時(shí)容易斷裂。因此，為了盡可能充分地減少薄態(tài)晶片中的晶片加工步驟的數(shù)目，MOS柵極結(jié)構(gòu)和金屬電極在晶片的背面被研磨之前在晶片的正面形成。在研磨之后的激活工藝中，熱處理必須在不高于電極材料的熔點(diǎn)的低溫(例如在電極材料是鋁時(shí)在不高于450°C的溫度、優(yōu)選在約400°C的溫度)下執(zhí)行，因?yàn)殡姌O已在晶片的正面中形成。因此存在難以充分激活雜質(zhì)的問題。
在專利文獻(xiàn)2到7中公開的技術(shù)中，磷的擴(kuò)展系數(shù)如此之小從而使得磷僅可擴(kuò)展到距離晶片的背面約3μπι的深度，即使在例如1150°C下執(zhí)行I個(gè)小時(shí)的熱處理時(shí)也是如此。此外，因?yàn)殡姌O已經(jīng)在晶片的正面形成，所以注入之后的熱處理的溫度不可被設(shè)置在 1150°C的高溫，并且必須被設(shè)置在不高于電極材料的熔點(diǎn)的低溫。為此，磷不能在硅中擴(kuò)展，以使僅約10%或更少的注入磷可在缺陷位置被鄰近硅的共價(jià)鍵激活。因此，N+場(chǎng)阻斷層可僅在距離晶片的背面約I. 5μπι深的位置形成。
具體地，專利文獻(xiàn)5已經(jīng)描述了在激光進(jìn)入硅基板的穿透深度變得更大時(shí)，因?yàn)槠骷匦缘牧踊怯苫宓恼鎮(zhèn)壬系腗OS柵極結(jié)構(gòu)的溫度升高引起的，所以激光波長(zhǎng)被設(shè)置成短于600nm。在如上所述地使用諸如磷之類的擴(kuò)展過程緩慢的元素時(shí)，存在N +場(chǎng)阻斷層無法通過電爐中的熱處理或激光退火在距離注入表面深的位置處形成的問題。
已發(fā)現(xiàn)在N+場(chǎng)阻斷層的深度為約I. 5μπι時(shí)，存在測(cè)量溝槽柵極型IGBT中器件在截止?fàn)顟B(tài)下的耐壓時(shí)器件被由雪崩電流的流動(dòng)引起的快回(snap back)現(xiàn)象毀壞的問題。具體地，為了使用由Tektronix有限公司制造的波形記錄器CT-370A測(cè)量器件的耐壓，在柵電極電連接到發(fā)射電極的情況下，雪崩電流在施加到集電電極的正電壓達(dá)到器件的耐壓時(shí)流動(dòng)。例如，在1200V級(jí)別器件的情況下，雪崩電流在電壓達(dá)到約1400V時(shí)流動(dòng)。在電流達(dá)到約ΙΟΟμΑ/cm2時(shí)，顯示出負(fù)電阻以快速降低電壓，從而使器件由于電流集中在芯片的一個(gè)地方而被毀壞。然而，在使用外延晶片制造的穿通型IGBT以及使用FZ體晶片制造的非穿通型IGBT中不發(fā)生此現(xiàn)象。
在專利文獻(xiàn)2中公開的技術(shù)中，在距離基板的背面?zhèn)燃s3μπι深度的磷和硼可在 1400°C或更高溫度熔化，而基板正面溫度的升高被抑制在400°C或更低。然而，其中磷可被激活的區(qū)域?yàn)榧s3 μ m,而具有808nm的長(zhǎng)波長(zhǎng)的激光器的穿透長(zhǎng)度為17. 5 μ m。因此，在諸如磷之類的具有相對(duì)較小的擴(kuò)展系數(shù)的原子中，由代替缺陷引起的晶體回復(fù)和供體激活僅可在激光器穿透長(zhǎng)度的約六分之一的區(qū)域中實(shí)現(xiàn)。為此，存在增大穿透長(zhǎng)度的長(zhǎng)波長(zhǎng)激光器的優(yōu)點(diǎn)不能被充分利用的問題。
專利文獻(xiàn)I已公開了一種通過使用諸如硒(Se)或硫(S)之類的其的擴(kuò)展系數(shù)比磷的擴(kuò)展系數(shù)大的原子來形成N+場(chǎng)阻斷層的方法。根據(jù)專利文獻(xiàn)I中公開的技術(shù)，N+場(chǎng)阻斷層可通過擴(kuò)展在距離晶片的背面約15-20 μ m深的位置形成。在N+場(chǎng)阻斷層以此方式在晶片的背面的較深位置處形成時(shí)，不發(fā)生快回現(xiàn)象。然而，為了在距離晶片的背面約15-20 μ m 深的位置形成N+場(chǎng)阻斷層，必須執(zhí)行例如1000°C的熱處理I小時(shí)。因此，N+場(chǎng)阻斷層必須在MOS柵極結(jié)構(gòu)和電極在晶片的正面形成之前形成。因此存在因?yàn)樵诒B(tài)晶片中晶片加工步驟的數(shù)目增大導(dǎo)致晶片破裂的可能性增大的問題。
在專利文獻(xiàn)8、9、12或13中公開的前述技術(shù)中，N+場(chǎng)阻斷層可通過在晶片的正面形成表面結(jié)構(gòu)和電極之后研磨晶片的背面，并且在距離研磨表面較深的位置注入諸如質(zhì)子之類的輕離子以使輕離子用作供體來形成。因此，薄態(tài)晶片中晶片加工步驟的數(shù)目可被減少。然而，在用質(zhì)子照射之后，激活工藝必須在電爐中執(zhí)行2個(gè)小時(shí)或更長(zhǎng)時(shí)間、優(yōu)選2. 5 小時(shí)或更長(zhǎng)時(shí)間。存在產(chǎn)量被降低的問題。此外，諸如質(zhì)子之類的輕離子的注入深度的原因和效果是模糊的。
此外，在專利文獻(xiàn)9中公開的技術(shù)中，存在因質(zhì)子以多個(gè)步驟的形式被注入導(dǎo)致成本的增大由照射次數(shù)的增多引起的問題。雖然有熱處理的溫度不低于400°C的描述，但是在例如溫度達(dá)到500°C或更高時(shí)諸如觸點(diǎn)之類的特性因?yàn)橐言诰嫘纬傻碾姌O被燒焦或氧化而劣化。此外，處理時(shí)間的描述是模糊的。
此外，在專利文獻(xiàn)8或9中公開的技術(shù)中，N+場(chǎng)阻斷層的寬度為約2μπι。原因是水平方向上的半最大值全寬(FWHM)因?yàn)榧铀匐妷菏荌. OMeV而是O. 7 μ m。因此，N+場(chǎng)阻斷層是如此之窄以致N+場(chǎng)阻斷層中電場(chǎng)密度的改變變得陡峭。因此，當(dāng)在截止?fàn)顟B(tài)下耗盡層到達(dá)N+場(chǎng)阻斷層時(shí)，電壓放大率(dV/dt)增大從而引起電磁噪聲。此外，為了使較窄的N + 場(chǎng)阻斷層執(zhí)行其功能，需要至少2X IO15原子/立方厘米的濃度。因此存在產(chǎn)量因?yàn)樽⑷胭|(zhì)子的劑量必須被設(shè)為IXlO15原子/平方厘米或更大而被降低的問題。另一方面，在N+場(chǎng)阻斷層的濃度被降低時(shí)，存在泄漏電流增大的問題。發(fā)明內(nèi)容
為解決相關(guān)技術(shù)的上述問題，本發(fā)明的一個(gè)目的是提供除高速低耗特性之外具有軟恢復(fù)特性并且其中可防止元件被快回現(xiàn)象毀壞的半導(dǎo)體器件，以及制造該半導(dǎo)體器件的方法。本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種其中可避免半導(dǎo)體基板斷裂的制造半導(dǎo)體器件的方法。
I)為解決上述問題并且實(shí)現(xiàn)各個(gè)目的，根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供一種半導(dǎo)體器件，其包括第一導(dǎo)電型的第一半導(dǎo)體層；第一導(dǎo)電型的第二半導(dǎo)體層，其濃度比第一半導(dǎo)體層高并且被設(shè)置成在第一半導(dǎo)體層的第一主表面?zhèn)壬吓c第一半導(dǎo)體層接觸；第一導(dǎo)電型的第三半導(dǎo)體層，其濃度比第二半導(dǎo)體層低并且被設(shè)置成與第二半導(dǎo)體層接觸；第二導(dǎo)電型的第四半導(dǎo)體層，其濃度比第一半導(dǎo)體層高并且被設(shè)置成與第三半導(dǎo)體層接觸；第二導(dǎo)電型的第五半導(dǎo)體層，其濃度比第一半導(dǎo)體層高并且被設(shè)置成在第一半導(dǎo)體層的第二主表面?zhèn)壬吓c第一半導(dǎo)體層接觸；選擇性地設(shè)置在第五半導(dǎo)體層的表面上的第一導(dǎo)電型的第六半導(dǎo)體層；M0S柵極結(jié)構(gòu)，其包括與第五半導(dǎo)體層的置于第一半導(dǎo)體層與第六半導(dǎo)體層之間的一部分接觸的柵極絕緣膜、以及與柵極絕緣膜接觸的柵電極；與第五半導(dǎo)體層的至少一部分接觸的第一電極；以及與第四半導(dǎo)體層的至少一部分接觸的第二電極；其中從第二半導(dǎo)體層的凈摻雜濃度被局部最大化的位置到第三半導(dǎo)體層與第四半導(dǎo)體層之間的界面的距離在大于等于5μπι且小于等于30 μ m的范圍內(nèi)。
2)根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體器件是根據(jù)段落I)的半導(dǎo)體器件，其中MOS柵極結(jié)構(gòu)被形成為使柵極絕緣膜以及與柵極絕緣膜接觸的柵電極被設(shè)置在通過第五和第六半導(dǎo)體層并到達(dá)第一半導(dǎo)體層的溝槽中。
3)根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體器件是根據(jù)段落I)或2)的半導(dǎo)體器件，其中通過將第二半導(dǎo)體層的凈摻雜濃度的最大值乘以第二半導(dǎo)體層的半最大值全寬獲得的值的一半不小于5 X IO11原子/立方厘米，且優(yōu)選不小于6 X IO11原子/立方厘米。
4)根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體器件是根據(jù)段落3)的半導(dǎo)體器件，其中第二半導(dǎo)體層的凈摻雜濃度的最大值不小于I. OX IO15原子/立方厘米；且第二半導(dǎo)體層的半最大值全寬不小于2. 5 μ m,且優(yōu)選不小于3 μ m。
5)根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體器件是根據(jù)段落I)到4)中任一段的半導(dǎo)體器件，其中第二和第三半導(dǎo)體層的每一個(gè)包含作為電激活摻雜劑的氫、氦、鋰和氧的任一種原子。
6)根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體器件是根據(jù)段落I)到5)中任一段的半導(dǎo)體器件，進(jìn)一步包括第七半導(dǎo)體層，其凈摻雜濃度比第三半導(dǎo)體層高并設(shè)置在第三半導(dǎo)體層與第四半導(dǎo)體層之間。
7)根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種半導(dǎo)體器件，其包括第一導(dǎo)電型的第一半導(dǎo)體層；第一導(dǎo)電型的第二半導(dǎo)體層，其濃度比第一半導(dǎo)體層高并且被設(shè)置成在第一半導(dǎo)體層的第一主表面?zhèn)壬吓c第一半導(dǎo)體層接觸；第一導(dǎo)電型的第三半導(dǎo)體層，其濃度比第二半導(dǎo)體層高并且被設(shè)置成與第二半導(dǎo)體層接觸；第二導(dǎo)電型的第四半導(dǎo)體層，其濃度比第一半導(dǎo)體層高并且被設(shè)置成在第一半導(dǎo)體層的第二主表面?zhèn)壬吓c第一半導(dǎo)體層接觸；與第四半導(dǎo)體層的至少一部分接觸的第一電極；以及與第三半導(dǎo)體層的至少一部分接觸的第二電極；其中從第二半導(dǎo)體層的凈摻雜濃度被局部最大化的位置到第二半導(dǎo)體層與第三半導(dǎo)體層之間界面的距離在大于等于5 μ m且小于等于30 μ m的范圍內(nèi)。
8)根據(jù)本發(fā)明的又一方面，提供一種制造如在段落I)到7)中任一段中所定義的半導(dǎo)體器件的方法，其包括以下步驟研磨第一導(dǎo)電型的半導(dǎo)體基板的第一主表面作為第一半導(dǎo)體層(研磨步驟)；將輕離子注入通過研磨步驟暴露的第一半導(dǎo)體層的表面(注入步驟)；使用波長(zhǎng)不同的兩種類型的激光束照射經(jīng)輕離子注入的表面從而電激活所注入的輕離子(照射步驟)；以及通過在用激光束照射的表面上層疊金屬膜來形成第二電極(電極形成步驟)；其中作為兩種類型的激光束中的一種的短波長(zhǎng)激光束進(jìn)入半導(dǎo)體基板的穿透長(zhǎng)度在大于等于O. 3 μ m且小于等于5 μ m范圍內(nèi)；并且作為兩種類型的激光束的另一種的長(zhǎng)波長(zhǎng)激光束進(jìn)入半導(dǎo)體基板的穿透長(zhǎng)度在大于等于5 μ m且小于等于30 μ m的范圍內(nèi)。
9) 一種根據(jù)本發(fā)明制造半導(dǎo)體器件的方法是根據(jù)段落8)制造半導(dǎo)體器件的方法，其中照射步驟使用波長(zhǎng)不同的兩種類型的激光束執(zhí)行同時(shí)照射。
10) 一種根據(jù)本發(fā)明的制造半導(dǎo)體器件的方法是根據(jù)段落8)或9)的制造半導(dǎo)體器件的方法，其中從全固態(tài)激光器、含氮化稼的半導(dǎo)體激光器以及氣體激光器中的任一個(gè)發(fā)射短波長(zhǎng)激光束，全固態(tài)激光器從由YAG 2ω激光器、YV042gj激光器以及YLF 2ω激光器組成的組中選出，氣體激光器從由受激準(zhǔn)分子激光器和氦氖激光器組成的組中選出。
11) 一種根據(jù)本發(fā)明制造半導(dǎo)體器件的方法是根據(jù)段落8)到10)中任一段制造半導(dǎo)體器件的方法，其中從包含鎵作為其結(jié)構(gòu)的一部分的半導(dǎo)體激光器、紅寶石激光器以及從由YAG激光器、YVO4激光器以及YLF激光器組成的組中選出的常頻全固態(tài)激光器中的任一個(gè)發(fā)射具有長(zhǎng)波長(zhǎng)的激光束。
12)—種根據(jù)本發(fā)明制造半導(dǎo)體器件的方法是根據(jù)段落8)到10)中的任一段制造半導(dǎo)體器件的方法，其中從AlxGapxAs激光器和InxGanAs激光器中的任一個(gè)發(fā)射長(zhǎng)波長(zhǎng)激光束，其中X表示化學(xué)劑量組分比(標(biāo)準(zhǔn)化組分比)。
13)—種根據(jù)本發(fā)明制造半導(dǎo)體器件的方法是根據(jù)段落8)到12)中的任一段制造半導(dǎo)體器件的方法，其中輕離子從由質(zhì)子、氦離子、鋰離子以及氧離子組成的組中選出。
14)一種根據(jù)本發(fā)明制造半導(dǎo)體器件的方法是根據(jù)段落8)到12)中的任一段制造半導(dǎo)體器件的方法，其中輕離子是質(zhì)子。
15) 一種根據(jù)本發(fā)明制造半導(dǎo)體器件的方法是根據(jù)段落13)制造半導(dǎo)體器件的方法，其中注入步驟在大于等于200keV且小于等于30MeV范圍內(nèi)的加速電壓下注入輕離子。
16) 一種根據(jù)本發(fā)明制造半導(dǎo)體器件的方法是根據(jù)段落14)制造半導(dǎo)體器件的方法，其中注入步驟在大于等于200keV且小于等于2MeV范圍內(nèi)的加速電壓下注入質(zhì)子。
根據(jù)段落I)到16)中的任一段，從第二半導(dǎo)體層的凈摻雜濃度被局部最大化的位置到第三半導(dǎo)體層與第四半導(dǎo)體層之間的界面的距離是如此之長(zhǎng)，以致于從耗盡層的端部到第三半導(dǎo)體層的距離即使在雪崩電流因?yàn)樵诮刂範(fàn)顟B(tài)下在集電極與發(fā)射極之間施加高電壓而開始流動(dòng)時(shí)也變長(zhǎng)。為此，可避免電流集中在一個(gè)地方。
根據(jù)段落8)到16)中任一段，提供以下步驟在晶片正面中形成MOS柵極結(jié)構(gòu)之后研磨晶片的背面；將輕離子注入晶片的背面；使用不同波長(zhǎng)的兩種類型的激光束同時(shí)照射晶片的背面，以使第二半導(dǎo)體層可在不影響晶片的正面中的MOS柵極結(jié)構(gòu)的情況下在距晶片的背面較深的位置處形成。
在根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體器件及其制造方法中，有這樣的效果除高速低耗特性之外半導(dǎo)體器件還具有軟恢復(fù)特性，并且可避免元件被快回現(xiàn)象毀壞。此外還有可避免半導(dǎo)體基板斷裂的效果。




視圖；
圖I是示出根據(jù)實(shí)施例I的半導(dǎo)體器件的配置及其凈摻雜濃度的視圖 2-1是示出制造根據(jù)實(shí)施例I的半導(dǎo)體器件的工藝的視圖 2-2是示出制造根據(jù)實(shí)施例I的半導(dǎo)體器件的工藝的視圖 2-3是示出制造根據(jù)實(shí)施例I的半導(dǎo)體器件的工藝的視圖 2-4是示出制造根據(jù)實(shí)施例I的半導(dǎo)體器件的工藝的視圖2-5是示出制造根據(jù)實(shí)施例I的半導(dǎo)體器件的工藝以及凈摻雜濃度的分布圖的3是示出在根據(jù)實(shí)施例I的半導(dǎo)體器件中的從N—漂移層的中心到集電電極的各個(gè)部分的大小和凈摻雜濃度的視圖4是示出集電極-發(fā)射極電壓與集電極電流放大率之間的關(guān)系的特征圖5是示出根據(jù)實(shí)施例I的半導(dǎo)體器件的擴(kuò)展阻抗變換為載流子濃度的結(jié)果的曲線圖6是示出質(zhì)子的投影射程以及泄漏電流合格率對(duì)在注入質(zhì)子時(shí)的加速電壓的測(cè)量結(jié)果的曲線圖7-1是示出距晶片表面的深度的溫度對(duì)從激光器照射被阻斷時(shí)的時(shí)間點(diǎn)開始的經(jīng)過時(shí)間的特征圖7-2是示出距晶片表面的深度的溫度對(duì)從激光器照射被阻斷時(shí)的時(shí)間點(diǎn)開始的經(jīng)過時(shí)間的特征圖7-3是示出距晶片表面的深度的溫度對(duì)從激光器照射被阻斷時(shí)的時(shí)間點(diǎn)開始的經(jīng)過時(shí)間的特征圖8是示出在根據(jù)相關(guān)技術(shù)的半導(dǎo)體器件中的泄漏電流對(duì)電爐的退火溫度的測(cè)量結(jié)果的曲線圖9是示出根據(jù)實(shí)施例I的半導(dǎo)體器件以及根據(jù)相關(guān)技術(shù)的半導(dǎo)體器件的擴(kuò)展阻抗值變換成載流子濃度值的結(jié)果的曲線圖10是示出泄漏電流合格率對(duì)通過將凈摻雜濃度的峰值乘以其半最大值全寬獲得的值的曲線圖11是示出氦離子的投影射程以及泄漏電流合格率對(duì)注入氦離子時(shí)的加速電壓的測(cè)量結(jié)果的說明性曲線圖12是示出鋰離子的投影射程以及泄漏電流合格率對(duì)注入鋰離子時(shí)的加速電壓的測(cè)量結(jié)果的說明性曲線圖13是示出氧離子的投影射程以及泄漏電流合格率對(duì)注入氧離子時(shí)的加速電壓的測(cè)量結(jié)果的說明性曲線圖14是示出根據(jù)實(shí)施例3的半導(dǎo)體器件的配置及其凈摻雜濃度的視圖15是示出根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體器件以及根據(jù)相關(guān)技術(shù)的半導(dǎo)體器件的截止波形的曲線圖16是示出無緩沖器電路的示圖17是示出根據(jù)實(shí)施例4的半導(dǎo)體器件的配置及其凈摻雜濃度的視圖18-1是示出根據(jù)本發(fā)明的IGBT和二極管的使用示例的示圖18-2是示出根據(jù)本發(fā)明的IGBT和二極管的使用示例的示圖19是示出具有根據(jù)相關(guān)技術(shù)的場(chǎng)阻斷層的半導(dǎo)體器件的配置及其凈摻雜濃度的視圖；以及
圖20是示出用質(zhì)子照射的硅中質(zhì)子的投影射程Rp、以及其在照射之后的氫分布中的FWHM Δ Rp的SRM2006的計(jì)算結(jié)果的曲線圖。
具體實(shí)施方式
下文將參考附圖詳細(xì)描述關(guān)于半導(dǎo)體器件及其制造方法的本發(fā)明的各優(yōu)選實(shí)施例。順便提一下，在以下各實(shí)施例和所有附圖的描述中，為省略重復(fù)描述，相同的附圖標(biāo)記指示相同的組成部件。
(實(shí)施例1)
圖1是示出根據(jù)實(shí)施例I的半導(dǎo)體器件的配置及其凈摻雜濃度的視圖。如圖I中的半導(dǎo)體器件的截面100所示，例如作為第二半導(dǎo)體層的N+第一緩沖層(N+場(chǎng)阻斷層)2， 作為第三半導(dǎo)體層的N第二緩沖層12以及作為第四半導(dǎo)體層的P+集電極層3以此順序在作為第一半導(dǎo)體層的N_漂移層I的一個(gè)主表面(第一主表面)形成。作為第五半導(dǎo)體層的P 基極層4在漂移層I的另一主表面(第二主表面)形成。作為第六半導(dǎo)體層的N源極層5 在P基極層4的表面層的一部分上形成，以便于遠(yuǎn)離N—漂移層I。柵電極7在穿過N源極層5和P基極層4并且到達(dá)N—漂移層I的溝槽中通過柵絕緣膜6形成。作為第一電極的發(fā)射電極8在P基極層4和N源極層5的表面上形成。作為第二電極的集電電極9在P + 集電極層3的表面上形成。
如圖I中的距發(fā)射電極的距離對(duì)凈摻雜濃度(log)的特征圖110所示，N+第一緩沖層2的凈摻雜濃度在N+第一緩沖層2的中點(diǎn)附近具有高于f漂移層I的凈摻雜濃度的峰值。N第二緩沖層12的凈摻雜濃度高于N—漂移層I的凈摻雜濃度，但低于N+第一緩沖層2的凈摻雜濃度的峰值。N第二緩沖層12的凈摻雜濃度在從N第二緩沖層12與N+第一緩沖層2之間的界面向N第二緩沖層12與P+集電極層3之間的界面的方向上梯度地降低。P +集電極層3和P基極層4的凈摻雜濃度高于N—漂移層1、N+第一緩沖2和N第二緩沖層12的凈摻雜濃度。
在根據(jù)實(shí)施例I的半導(dǎo)體器件使用8mmX8mm的芯片大小、1200V耐壓級(jí)別以及 75A的額度電流制造時(shí)的凈摻雜濃度和大小被示為示例。大小基于P基極層4與發(fā)射電極 8之間的界面，并且除非另有所指，表示為距此界面的距離。
距P基極層4與N_漂移層I之間界面的距離是3 μ m。距P +集電極層3與集電電極9之間的界面的距離是140 μ m。從N第二緩沖層12與P+集電極層3之間的界面到P + 集電極層3與集電電極9之間的界面的距離，即P +集電極層3的厚度是O. 5 μ m。從N+第一緩沖層2的凈摻雜濃度的峰值位置到P+集電極層3與集電電極9之間的界面的距離，即質(zhì)子的投影射程Rp為16 μ m。
P基極層4的凈摻雜濃度在P基極層4與發(fā)射電極8之間的界面處為5X IO16原子/立方厘米，沿N_漂移層I的方向降低，并且在P基極層4與N_漂移層I之間的界面處為低于5 X IO13原子/立方厘米的值。P+集電極層3的凈摻雜濃度在P+集電極層3與集電電極9之間的界面處為I X IO18原子/立方厘米，沿N第二緩沖層12的方向降低，并且在P +集電極層3與N+第二緩沖層12之間的界面處為低于5 X IO13原子/立方厘米的值。 N_漂移層I的凈摻雜濃度是5X IO13原子/立方厘米。N+第一緩沖層2的凈摻雜濃度的最大值是I X IO15原子/立方厘米。雖然在以下描述中原子/cc或原子/cm3將被用作濃度的單位，但是“ cc ”和“ cm3 ”相互等效。
以下將描述制造根據(jù)實(shí)施例I的半導(dǎo)體器件的工藝。具有如圖I所示的大小和凈摻雜濃度的半導(dǎo)體器件(耐壓1200V級(jí)別，額定電流75A)的制造將被描述為示例。圖2-1 到2-5是示出制造工藝的視圖。首先，如圖2-1所示，具有40至80 Qcm (例如55 Qcm)的特定電阻和6英寸直徑的FZ晶片10被制備成半導(dǎo)體基板。然后，P基極層4、N源極層5、 柵極絕緣膜6、柵電極7、絕緣膜11以及發(fā)射電極8通過標(biāo)準(zhǔn)的溝槽柵極型MOS器件形成工藝形成。例如，發(fā)射電極8的材料是鋁(Al)。
然后，如圖2-2所示，F(xiàn)Z晶片10的后表面被研磨或濕法蝕刻以將FZ晶片10的厚度設(shè)置為預(yù)定值。在1200V級(jí)別的情況下，F(xiàn)Z晶片10的厚度在此時(shí)通常為100至160 μ m。 例如，在實(shí)施例I中，F(xiàn)Z晶片10的厚度在此時(shí)是140 μ m。
然后，如圖2-3所示，用質(zhì)子(H+)照射經(jīng)研磨或濕法蝕刻的表面。此時(shí)，加速電壓例如是IMeV，而質(zhì)子的劑量例如是I X IO14原子/平方厘米。此時(shí)，質(zhì)子的投影射程距離離子照射表面是16 μ m。然后，硼離子(B+或BF2)被注入FZ晶片10的背面。此時(shí)，加速電壓例如是50keV，而硼離子的劑量例如是I X IO13原子/平方厘米。
然后，如圖2-4所不，用YAG 2 ω激光器(波長(zhǎng)500nm)和GaAs半導(dǎo)體激光器(波長(zhǎng)808nm)同時(shí)照射經(jīng)離子注入的表面。激光束照射的能量例如針對(duì)YAG 2ω激光器是 200mJ/cm2,而針對(duì)半導(dǎo)體激光器是4000mJ/cm2。
然后，如圖2-5所示，由質(zhì)子照射引起的晶體缺陷被恢復(fù)，以使高濃度區(qū)13在距離子注入表面為質(zhì)子投影射程RpiFWHM Δ Rp的區(qū)域中形成。在該高濃度區(qū)13中，從Rp- Δ Rp 到Rp+ Δ Rp的區(qū)域用作N+第一緩沖層。質(zhì)子通過區(qū)域(從離子注入表面到Rp- Δ Rp的位置) 的凈摻雜濃度變得高于體濃度。質(zhì)子通過區(qū)域用作N第二緩沖層。體濃度是FZ晶片10的凈摻雜濃度。
然后，諸如硼之類的P型雜質(zhì)被電激活以形成P+集電極層3。然后，例如5μπι厚的聚酰亞胺膜被涂敷到P+集電極層3的表面，并被形成圖案以在未示出的邊緣區(qū)域形成鈍化膜。然后，P+集電極層3的表面被接連涂敷鋁、鈦(Ti)、鎳(Ni)以及金(Au)以形成與P + 集電極層3歐姆接觸的集電電極9。因而，半導(dǎo)體器件完成。FZ晶片在P基極層4與高濃度區(qū)13之間的部分用作N—漂移層。圖2-5的特征圖是對(duì)應(yīng)于圖2-5所示的半導(dǎo)體器件的凈摻雜濃度的分布圖。
圖3是示出在根據(jù)實(shí)施例I的半導(dǎo)體器件中的從N—漂移層的中心到集電電極的各個(gè)部分的大小和凈摻雜濃度的曲線圖。如圖3所示，距N+第一緩沖層的凈摻雜濃度的峰值位置的距離被設(shè)置為Χρ，且N第二緩沖層與P +集電極層之間的PN結(jié)作為距離測(cè)量的基準(zhǔn)。在根據(jù)實(shí)施例I的半導(dǎo)體器件中，Xp在大于等于5μπι到小于等于30μπι的范圍內(nèi)。隨后將描述這個(gè)的原因。
圖4是示出集電極-發(fā)射極電壓與集電極電流放大率之間的關(guān)系的特征圖。在雪崩電流因?yàn)榉浅＝咏骷蛪旱碾妷築V在器件的截止?fàn)顟B(tài)下被施加到集電極和發(fā)射極之間而開始流動(dòng)的情況下，集電極電流放大率如圖4所示。
集電極電流放大率Ic/\由以下表達(dá)式(I)給出。
Ic/IL=l/(l-a pNpeff). ·· (I)
其中I。是在電壓BV被施加在集電極和發(fā)射極之間時(shí)的集電極電流，L是在P+集電極層還未形成于FZ晶片的背面的情況下的泄漏電流，且aPNPeff是在施加電壓BV時(shí)的有效放大率。在電壓BV被施加在集電極和發(fā)射極之間時(shí)，耗盡層到達(dá)從N—漂移層到N+第一緩沖層的范圍，以使零空間電荷的中性區(qū)域在N+第一緩沖層被充分縮短。在此情況下的集電極電流放大率是aPNPrff。
有效放大率aPNPrff由以下表達(dá)式(2)給出，并具有小于1.0的值。
a pNpeff= y E a TM. . . (2)
其中Ye是來自發(fā)射極側(cè)的空穴注入效率，aT是漂移層中的傳輸效率，而M是由碰撞電離引起的放大系數(shù)。
當(dāng)正偏壓在IGBT的截止?fàn)顟B(tài)下被施加到集電極時(shí)，耗盡層從發(fā)射極側(cè)擴(kuò)展到漂移層，以使漂移層中的中性區(qū)域?qū)挾入S著所施加的電壓增大而減小。因此，PNP晶體管的有效基極寬度被減小且Ye增大，以使afflP增大。這種根據(jù)所施加電壓改變的a-在本說明書中被稱為“有效放大率”，并與靜態(tài)a _區(qū)別開被表達(dá)為apN/f。
傳輸效率a T由以下表達(dá)式(3)給出。
a T=I/ (cosh (LCNZ/LP)). . . (3)
其中L-是中性區(qū)域的殘余寬度，而Lp是空穴的擴(kuò)張長(zhǎng)度。中性區(qū)域殘余寬度Lcmz 是仍未被耗盡層從漂移層消滅的中性區(qū)域(N—漂移層、N+第一漂移層以及N第二緩沖層)從發(fā)射極側(cè)擴(kuò)展到漂移層的寬度。
由碰撞電離引起的放大系數(shù)M由以下表達(dá)式(4)給出。
M=l/(1-(V/Vpp)6). . . (4)
其中V是所施加的電壓，Vpp是在一個(gè)階梯狀正面與另一個(gè)平行于基板表面的PN 結(jié)表面之間形成的二極管的理想耐壓值。
在圖4中，Lcnz在O. Ιμπι到30μπι之間變化。在圖4中，Vpp是1450V，且Ye是0.3。 如圖4所示，集電極電流放大率在低于Vpp的電壓值下快速增大。此原因眾所周知并省略其描述，但是集電極電流放大率的快速增大是由斷開PNP晶體管的基極的操作引起的。
PNP晶體管的耐壓是在集電極電流放大率快速增大時(shí)的電壓。因此，PNP晶體管的耐壓在Lcnz在O. I μ m到3 μ m的范圍內(nèi)時(shí)約為1334. 4V，但是PNP晶體管的耐壓在Lcnz不小于5 μ m時(shí)增大。當(dāng)Lcnz是30 μ m時(shí)，PNP晶體管的耐壓是1335. 3V。在將O. 3 μ m到3 μ m 范圍的Lcnz與30μπι的Lcmz區(qū)域作對(duì)比時(shí)，PNP晶體管的耐壓以所施加電壓的約O. 1%的較小比率增加。
在此將描述根據(jù)相關(guān)技術(shù)的溝槽柵極結(jié)構(gòu)。在磷被用于在根據(jù)相關(guān)技術(shù)的溝槽柵極結(jié)構(gòu)器件中形成具有I μ m或更小的厚度的場(chǎng)阻斷層的情況下，從耗盡層的一端到P +集電極層的距離在耗盡層到達(dá)場(chǎng)阻斷層時(shí)約為0.3 μ m。為此，有效注入效率接近I。在此情況下，從晶片的背面注入的空穴通過耗盡層并到達(dá)晶片的正面?zhèn)?。在晶片的正面?zhèn)壬希琍基極層與發(fā)射電極接觸。空穴在向P基極層與發(fā)射電極之間的界面移動(dòng)中通過嵌入溝槽中的柵電極的鄰域。
在此情況下，嵌有柵電極的溝槽到達(dá)N—漂移層。在截止?fàn)顟B(tài)下施加高電壓時(shí)，電勢(shì)根據(jù)溝槽的底部形狀彎曲，以使電場(chǎng)強(qiáng)度在溝槽的底部增大。電場(chǎng)強(qiáng)度增大的原因是溝槽底部的曲率高于平面柵極型器件的P阱層的曲率。因此，空穴暫時(shí)集中到溝槽的底部。因?yàn)闇喜鄣撞恐械碾妶?chǎng)強(qiáng)度的進(jìn)一步增大如上所述地由空穴的集中引起，所以雪崩擊穿發(fā)生從而產(chǎn)生電子。電子通過耗盡層向P+集電極層側(cè)流動(dòng)，并到達(dá)P+集電極層。
雪崩擊穿即使在電壓增大極小值時(shí)也引起電流的流動(dòng)。結(jié)果，來自P+集電極層的空穴的注入被加速以建立正反饋狀態(tài)。結(jié)果，集電極電流增大。同時(shí)，耗盡層中的載流子增加，以使電場(chǎng)強(qiáng)度分布改變從而使得不可能在N-漂移層中保持高電壓。
結(jié)果，除電流增大之外，集電極-發(fā)射極電壓減小，從而快回現(xiàn)象發(fā)生。該快回現(xiàn)象是器件因?yàn)殡娏骷性谧畲笳答伒囊粋€(gè)地方而劣化的現(xiàn)象。
溝槽柵極型結(jié)構(gòu)對(duì)于獲得低損耗器件是有效的。另一方面，為了在溝槽柵極型器件中抑制快回現(xiàn)象，有必要在耗盡層已到達(dá)場(chǎng)阻斷層并已不再擴(kuò)展的情況下盡可能地增大從耗盡層的端部到P+集電極層的距離，即中性區(qū)域的距離。
眾所周知，在使用Se或S形成的相關(guān)技術(shù)的場(chǎng)阻斷層中不發(fā)生快回現(xiàn)象，因?yàn)橹行詤^(qū)域的距離約為5 μ m或更大。這是因?yàn)檎答伇怀浞忠种?。然而，已知在通過使用諸如質(zhì)子之類的輕離子照射形成的場(chǎng)阻斷層中，靜態(tài)雪崩電流流過時(shí)耐壓的劣化是由快回現(xiàn)象引起的。
因此,在Lcmz被設(shè)置成不小于5 μ m、且優(yōu)選不小于10 μ m時(shí)，即使在具有通過用質(zhì)子照射形成的場(chǎng)阻斷層的溝槽柵極結(jié)構(gòu)器件中也可避免快回現(xiàn)象。因此，優(yōu)選Xp不小于 5 μ m,因?yàn)閄p必須等于或大于LCNZ。
在制造根據(jù)實(shí)施例的半導(dǎo)體器件的方法中，在例如IMeV的加速電壓下執(zhí)行質(zhì)子照射時(shí)可獲得例如16 μ m的質(zhì)子投影射程Rp。因此，中性區(qū)域可在遠(yuǎn)離PN結(jié)5 μ m或更遠(yuǎn)的位置形成。為此，即使當(dāng)雪崩電流在測(cè)量耐壓時(shí)流動(dòng)之時(shí)也不發(fā)生快回現(xiàn)象，從而使器件的耐壓不劣化。實(shí)際的耐壓根據(jù)諸如已知保護(hù)環(huán)結(jié)構(gòu)、RESURF (縮減的表面電場(chǎng))結(jié)構(gòu)、保護(hù)環(huán)結(jié)構(gòu)與場(chǎng)電極結(jié)構(gòu)的組合結(jié)構(gòu)等之類的結(jié)終端結(jié)構(gòu)而變化。例如，假設(shè)根據(jù)實(shí)施例I 的半導(dǎo)體器件中的結(jié)終端結(jié)構(gòu)由保護(hù)環(huán)結(jié)構(gòu)和場(chǎng)電極結(jié)構(gòu)的組合結(jié)構(gòu)形成。因此，顯示出與接近包括PNP晶體管的平面結(jié)的耐壓值幾乎相等的值。
如上所述制造的樣品以2° 52’的角度被附連到支架并被研磨，以使晶片的一部分被暴露。由固態(tài)測(cè)量有限公司制造的SSM2000被用于測(cè)量樣品的擴(kuò)展阻抗。圖5示出通過測(cè)量獲得的阻抗值變換成載流子濃度的結(jié)果。在圖5中，豎軸示出載流子濃度，而橫軸示出距晶片表面(質(zhì)子照射表面)的距離、即距晶片表面的深度。在圖5中，圓形標(biāo)志(·)指示在同時(shí)應(yīng)用YAG 2ω激光器和半導(dǎo)體激光器時(shí)深度處的載流子濃度，而菱形標(biāo)志( ) 指示在僅應(yīng)用半導(dǎo)體激光器時(shí)深度處的載流子濃度。
如圖5所示，發(fā)現(xiàn)在僅應(yīng)用半導(dǎo)體激光器時(shí)的載流子濃度低于同時(shí)應(yīng)用YAG 2ω 激光器和半導(dǎo)體激光器時(shí)的載流子濃度。此原因是由質(zhì)子照射引起的損傷未被恢復(fù)并且載流子遷移率降低，從而質(zhì)子在僅應(yīng)用半導(dǎo)體激光器時(shí)未被激活。
圖6示出質(zhì)子的投影射程以及泄漏電流合格率對(duì)注入質(zhì)子時(shí)的加速電壓的測(cè)量結(jié)果。在圖6中，左側(cè)豎軸示出質(zhì)子的投影射程，右側(cè)豎軸示出泄漏電流合格率，而橫軸示出加速電壓。質(zhì)子(H+)的劑量是I X IO14原子/平方厘米。在圖6中，粗的實(shí)線指示在同時(shí)應(yīng)用YAG 2ω激光器(波長(zhǎng)532nm，穿透長(zhǎng)度λρ1 :1. 5 μ m)以及作為GaAs半導(dǎo)體激光器的鋁鎵砷(AlGaAs)激光器(波長(zhǎng)808nm、穿透長(zhǎng)度λ p2 :10 μ m)時(shí)的泄漏電流合格率。細(xì)實(shí)線指示在僅應(yīng)用YAG 2 ω激光器時(shí)的泄漏電流合格率。粗虛線指示在僅應(yīng)用AlGaAs激光器時(shí)的泄漏電流合格率。細(xì)的單點(diǎn)劃線指示質(zhì)子的投影射程。
在此測(cè)量中，1200V的電壓被施加到柵電極與發(fā)射電極之間，以使所得產(chǎn)品在泄漏電流的電流密度低于I μ A/cm2時(shí)被判斷為無缺陷，但所得產(chǎn)品在泄漏電流的電流密度不低于ΙμΑ/cm2時(shí)被判斷為有缺陷。泄漏電流合格率是在完成晶片制造工藝之后晶片通過切片被切割成單個(gè)芯片之前無缺陷芯片對(duì)晶片總數(shù)的百分比。
如圖6所不，在同時(shí)應(yīng)用YAG 2 ω激光器和AlGaAs激光器時(shí)，發(fā)現(xiàn)泄漏電流合格率在300keV到1.3MeV的加速電壓下超過95%。另一方面，在僅應(yīng)用YAG 2ω激光器時(shí)，泄漏電流合格率在不高于IOOkeV的加速電壓下約為90%，但泄漏電流合格率在不低于200keV的加速電壓下約為50%。在僅應(yīng)用AlGaAs激光器時(shí)，泄漏電流合格率最大約為 50%。
在顯示出高泄漏電流合格率的加速電壓下質(zhì)子的投影射程是在約3 μ m至30 μ m 的范圍內(nèi)。另一方面，YAG 2ω激光器的穿透長(zhǎng)度λ pi約為1.5 μ m，且AlGaAs激光進(jìn)入硅的穿透長(zhǎng)度約為10 μ m。
因此，在僅應(yīng)用YAG 2ω激光器時(shí)，在比I. 5 μ m深的區(qū)域中不提供質(zhì)子作為供體， 因?yàn)榧sI. 5 μ m的穿透長(zhǎng)度λ Pl是如此之小以致質(zhì)子在比I. 5 μ m深的區(qū)域中不能被激活。 此外，由離子注入引起的許多損傷(缺陷)保留。因?yàn)槿毕莘稚⒂诰校院谋M層到達(dá) P+集電極層從而引起穿通現(xiàn)象。結(jié)果，制造出泄漏電流大的芯片，以使泄漏電流合格率被降低。
在僅應(yīng)用AlGaAs激光器時(shí)，晶片的正面(與激光照射表面相反的面)的溫度增加到約600°C，因?yàn)榇┩搁L(zhǎng)度λ P2為約10 μ m的較大的值。為此，例如在鋁電極在與激光器照射表面相反的表面上形成時(shí)，如果激光器輸出按照原狀未改變則鋁電極被熔化。因此有必要限制激光器輸出，以使鋁電極不被熔化。因此，穿透長(zhǎng)度被縮短從而在比穿透長(zhǎng)度深的區(qū)域中將質(zhì)子提供為供體以及缺陷的恢復(fù)不能實(shí)現(xiàn)。結(jié)果，穿通現(xiàn)象發(fā)生，從而制造出泄漏電流大的芯片導(dǎo)致降低泄漏電流合格率。
將描述為什么應(yīng)用穿透長(zhǎng)度和波長(zhǎng)不同的兩種激光器的原因。圖7-1到7-3是示出距晶片表面(激光照射表面)的距離、即在一深度處的溫度對(duì)從激光照射終止時(shí)的時(shí)間點(diǎn)開始所經(jīng)過時(shí)間的特征曲線圖。圖7-1示出同時(shí)應(yīng)用YAG2co激光器以及AlGaAs激光器的情況。圖7-2示出僅應(yīng)用YAG 2 ω激光器的情況。圖7_3示出僅應(yīng)用AlGaAs激光器的情況。
溫度分布通過差值計(jì)算獲得，以使激光束吸收、固體內(nèi)的熱傳導(dǎo)、來自表面的輻射以及自然對(duì)流熱輻射被包含在內(nèi)。
使用I (X)=IOEXP (-UXx)的激光器透射特性、U=I 1789. 73cm—1的線性吸收系數(shù)、以及38%的硅對(duì)YAG 2 ω激光的反射率來計(jì)算激光束吸收ITOT。因此，針對(duì)激光器輸出激光束吸收 Iout 滿足 IoutX (1-0. 38) =10。
因此,固體內(nèi)的傳導(dǎo)dQ/dt由表達(dá)式(5)給出。
dQ/dt=S · λ · ΔΤ/Δχ··· (5)
其中Q是熱量、S是截面積、以及λ是熱傳導(dǎo)率。
來自表面的福射E由表達(dá)式(6)給出。
E= ε · ο · Τ4· · · (6)
其中ο是波爾茲曼常數(shù)、而ε是輻射性。自然對(duì)流熱輻射用10W/m2K (假設(shè)值) 的自然對(duì)流熱輻射系數(shù)計(jì)算。
激光器退火的效果在短時(shí)間出現(xiàn)的區(qū)域是具有比基板的熔點(diǎn)更高溫度的區(qū)域。例如，當(dāng)基板是硅基板時(shí)，這是具有比硅的熔點(diǎn)_1414°C更高溫度的區(qū)域。在同時(shí)應(yīng)用YAG 2ω激光器和AlGaAs激光器時(shí)，經(jīng)過時(shí)間達(dá)300ns的30 μ m深度處的溫度超過硅的熔點(diǎn) (1414°C)，如圖7-1所示。5(^111深度處的溫度是低于鋁的熔點(diǎn)(660°0的600°C，以使鋁在深度為50 μ m或更深的范圍內(nèi)不熔化。
雖然圖中未示出，但是經(jīng)過時(shí)間為100 μ s或更長(zhǎng)的在50 μ m的深度處的溫度是 400°C或更低。因此，在晶片的正面(與激光器照射表面相反的表面)上形成的鋁電極未熔化。一般而言，在300-400°C的溫度執(zhí)行幾個(gè)小時(shí)的退火時(shí)，可提供質(zhì)子作為供體。在激光退火的情況下，仍然有必要將硅的狀態(tài)變成熔化狀態(tài)或接近熔化狀態(tài)的狀態(tài)，因?yàn)樵跍囟壬咧蠼档蜏囟人璧臅r(shí)間是1μ S的非常短的時(shí)間。根據(jù)本發(fā)明，因?yàn)樵?0 μ m或更小深度處的溫度超過硅的熔點(diǎn)，所以質(zhì)子可通過激光退火提供作為供體。因此，可以理解Xp 優(yōu)選不大于30 μ m。
另一方面，在僅應(yīng)用YAG 2ω激光器時(shí)，在5 μ m或更小深度處的溫度超過硅的熔點(diǎn)，但經(jīng)過時(shí)間為200ns或更長(zhǎng)時(shí)則變成低于硅的熔點(diǎn)，如圖7-2所示。因?yàn)橘|(zhì)子可僅在 5 μ m或更小深度處提供作為供體，所以質(zhì)子不能在投影射程深于5 μ m時(shí)被充分地提供作為供體。在IOOkeV或更低的加速電壓下將質(zhì)子的投影射程設(shè)置為Iym或更小，第一緩沖層用作場(chǎng)阻斷層以使泄漏電流合格率不低于90 %，如圖6所示。然而，在加速電壓變成高于IOOkeV時(shí)，N+第一緩沖層的供體積分濃度無法達(dá)到用于執(zhí)行場(chǎng)阻斷層的功能所需的供體積分濃度(I. 2 X IO12原子/平方厘米或更高)且缺陷分散于晶片中，以使耗盡層在截止?fàn)顟B(tài)下到達(dá)P+集電極層從而引起泄漏電流的增大。為此，泄漏電流合格率如圖6所示地被降低。
在僅應(yīng)用AlGaAs激光器時(shí)，在5 μ m或更小深度處的溫度超過硅的熔點(diǎn)，如圖7_3 所示。即使在Iym深度處的溫度在經(jīng)過時(shí)間是200ns或更長(zhǎng)時(shí)也變成低于硅的熔點(diǎn)。因此，可提供質(zhì)子作為供體的深度僅是I μ m或更小。在此情況下，即使在IOOkeV的加速電壓下也不能提供質(zhì)子作為供體，從而使許多具有不能執(zhí)行場(chǎng)阻斷層功能的N+第一緩沖層的芯片形成。為此，泄漏電流合格率如圖6所示地被降低。
以此方式，通過使用YAG 2ω激光器和AlGaAs激光器同時(shí)照射以使深度處的溫度超過硅的熔點(diǎn)而獲得的深度變得比通過分別使用YAG 2ω激光器和AlGaAs激光器的單獨(dú)照射以使在各個(gè)深度的溫度超過硅的熔點(diǎn)而獲得的深度的總和大?？紤]到這是由這種使用諸如YAG 2ω激光器之類的短波長(zhǎng)激光器的照射產(chǎn)生的熔化狀態(tài)和溫度分布被撞擊 (knocked on)到使用諸如AlGaAs激光器之類的長(zhǎng)波長(zhǎng)激光器照射的更深區(qū)域的非線性增強(qiáng)效應(yīng)的出現(xiàn)(以下稱為“撞擊效應(yīng)”)引起的。短波長(zhǎng)激光器的穿透長(zhǎng)度為約Iy m，且優(yōu)選是O. 3-5 μ m。具體地，諸如YAG 2 ω、YV042 ω或YLF 2 ω之類的波長(zhǎng)為約500nm的固態(tài)脈沖(全固態(tài))激光器是優(yōu)選的，或者可代替地使用諸如受激準(zhǔn)分子激光器或氦-氖(He-Ne) 激光器或氮化稼(GaN)半導(dǎo)體激光器之類的氣體激光器。實(shí)際上，因?yàn)樾枰咻敵龉β剩怨虘B(tài)脈沖激光器相對(duì)于氣體激光器是優(yōu)選的。
長(zhǎng)波長(zhǎng)激光器的穿透長(zhǎng)度為約10 μ m,且優(yōu)選為大于等于5 μ m且小于等于30 μ m。 具體地，諸如AlxGagAs或者InxGagAs之類的具有700_3500nm波長(zhǎng)的半導(dǎo)體激光器是優(yōu)選的。給予半導(dǎo)體激光器的元件的下標(biāo)X指示化學(xué)劑量組分比(標(biāo)準(zhǔn)化組分比)。波長(zhǎng)可在X 值被調(diào)整時(shí)被控制在前述范圍內(nèi)。作為長(zhǎng)波長(zhǎng)激光器，可代替地使用紅寶石激光器。這些激光器可執(zhí)行連續(xù)振蕩。替換地，可代替地使用諸如YAG、YV04或YLF之類的常規(guī)頻率的固態(tài)脈沖激光器。
順便提一下，如果可獲得相同的進(jìn)入硅的穿透長(zhǎng)度，則除上述激光器之外的另一激光器可被用作短波長(zhǎng)激光器或長(zhǎng)波長(zhǎng)激光器。
圖8示出在相關(guān)技術(shù)類型的電爐中退火的1200V級(jí)別半導(dǎo)體器件中的泄漏電流對(duì)退火溫度的測(cè)量結(jié)果作為對(duì)比示例。在圖8中，豎軸示出泄漏電流，且橫軸示出退火溫度。 電爐中的退火與激光器退火的不同之處在于整個(gè)晶片在電爐中通過退火被加熱到幾乎相同的溫度。
在圖8所示的相關(guān)技術(shù)的半導(dǎo)體器件中，提供從磷形成的場(chǎng)阻斷層以防止泄漏電流根據(jù)隨退火溫度而變化的質(zhì)子供體濃度的變化而變化。在電爐中退火所需的時(shí)間例如是 I小時(shí)。
如圖8所示，未經(jīng)熱處理的僅用質(zhì)子照射的器件的泄漏電流約為20 μ A(如圖8的左端所繪)。泄漏電流為何如上所述那么大的原因是耗盡層到達(dá)質(zhì)子投影射程區(qū)域，從而在投影射程區(qū)域中增加由大量缺陷引起的深能級(jí)(距中間能級(jí)(mid-cap)約O. 2eV)的能級(jí)密度并且降低投影射程區(qū)域的壽命(約為10ns)。
另一方面，當(dāng)熱處理的溫度變成高于300°C時(shí)，泄漏電流被快速減小。在400°C或更高溫度時(shí)，泄漏電流會(huì)匯聚到與未經(jīng)質(zhì)子照射的泄漏電流值幾乎相同的IOnA級(jí)別。這示出在400或更高溫度時(shí)，由質(zhì)子照射引入的缺陷幾乎被恢復(fù)以消滅深能級(jí)，從而將壽命提高到與體壽命(50μ s或更長(zhǎng)時(shí)間)相同的值。即壽命在投影射程區(qū)域的溫度達(dá)到約400°C 時(shí)變得足夠長(zhǎng)。
相反，在根據(jù)實(shí)施例I的半導(dǎo)體器件中，如圖7-1所示，距照射表面小于50μπι深度的區(qū)域通過激光器照射被加熱到60(TC或更高溫度，并且硅在距照射表面小于30 μ m深的區(qū)域被熔化。因此，至少在質(zhì)子投影射程區(qū)域中，深能級(jí)被消滅并且壽命被恢復(fù)到體壽命的值。此外，指示供體(淺供體)的淺能級(jí)未被消滅。此原因是不同于電爐中退火，熔化溫度保持時(shí)間非常短(短于10μ S)。從以上描述中明顯可見，由壽命的降低引起的傳導(dǎo)損耗的增加可在根據(jù)實(shí)施例I的半導(dǎo)體器件中被抑制，因?yàn)椴煌谙嚓P(guān)技術(shù)類型的半導(dǎo)體器件淺供體可在不降低壽命的情況下形成。
其次，擴(kuò)展阻抗的值在根據(jù)實(shí)施例I的半導(dǎo)體器件以及在根據(jù)相關(guān)技術(shù)的電爐中被退火的半導(dǎo)體器件中被測(cè)量。在根據(jù)相關(guān)技術(shù)的半導(dǎo)體器件中，在圖2-1到2-3的工藝被執(zhí)行后，即在質(zhì)子照射后，在電爐中退火在350°C執(zhí)行I小時(shí)。圖9示出所測(cè)得的阻抗值變換成載流子濃度的結(jié)果。在圖9中，豎軸示出凈摻雜濃度，而橫軸示出距晶片表面(質(zhì)子照射表面)的距離、即距晶片表面的深度。如圖9所示，本發(fā)明中的載流子濃度的峰值是與相關(guān)技術(shù)的凈摻雜濃度的峰值相等的4. 05 X IO15原子/立方厘米。另一方面，本發(fā)明中的凈摻雜濃度的半最大值全寬是3. 8 μ m,該值為相關(guān)技術(shù)的凈摻雜濃度的半最大值全寬(1.8ym)的約2. 1倍寬。這是由前述的撞擊效應(yīng)引起的。
接著，將描述泄漏電流合格率對(duì)通過將第一緩沖層的凈摻雜濃度的峰值乘以其半最大值全寬獲得的值。圖10是示出泄漏電流合格率對(duì)通過將凈摻雜濃度的峰值乘以半最大值全寬獲得的值的曲線圖。凈摻雜濃度的峰值是圖9中所示的峰值。場(chǎng)阻斷層中電場(chǎng)強(qiáng)度的降低率是由場(chǎng)阻斷層的積分濃度決定的。由離子注入形成的場(chǎng)阻斷層的濃度幾乎符合高斯分布。其中假設(shè)場(chǎng)阻斷層被認(rèn)為是三角形，并且場(chǎng)阻斷層的半最大值全寬和峰值濃度分別被認(rèn)為是三角形的底邊和高度后通過將峰值濃度乘以半最大值全寬并將所得結(jié)果除以2獲得的值被近似為場(chǎng)阻斷層的積分濃度的方法在此被用作更容易和準(zhǔn)確地計(jì)算場(chǎng)阻斷層的積分濃度的方法。此后此值被稱為“F值”。圖10示出基于圖9所示的數(shù)值算得的 F值。如圖10所示，在F值不小于5. OX 1O11原子/平方厘米時(shí)，泄漏電流合格率變成90% 或更高。因此，不小于5. OX 1O11原子/平方厘米的F值是優(yōu)選的，且不小于6Χ 1O11原子 /平方厘米的F值是進(jìn)一步優(yōu)選的。此原因是場(chǎng)阻斷層在F值不小于5Χ 1O11原子/平方厘米時(shí)阻止耗盡層。此外，在載流子濃度的峰值不小于IXIO15原子/立方厘米時(shí)，不小于2.5 μ m的半最大值全寬是優(yōu)選的,并且不小于3 μ m的半最大值全寬是進(jìn)一步優(yōu)選的。此原因是場(chǎng)阻斷層在載流子濃度的峰值在這些范圍內(nèi)時(shí)阻斷耗盡層。
根據(jù)實(shí)施例1，在表面結(jié)構(gòu)在晶片的正面中形成并且晶片的背面被研磨之后，用質(zhì)子照射晶片的背面，然后用兩種不同波長(zhǎng)的激光同時(shí)照射，以使場(chǎng)阻斷層可在不對(duì)在晶片的正面中形成的表面結(jié)構(gòu)產(chǎn)生任何影響的情況下在距晶片的背面較深位置處形成。因此， 即使在雪崩電流基于集電極與發(fā)射極之間的高電壓的施加在器件的截止?fàn)顟B(tài)下開始流動(dòng)時(shí)，從耗盡層的端部到P+集電極層的距離變長(zhǎng)，因?yàn)閺腘+場(chǎng)阻斷層的凈摻雜濃度被局部最大化的位置到第二 N緩沖層與P+集電極層之間的界面的距離是長(zhǎng)的。為此，電流不集中到器件的一個(gè)地方，從而可防止快回現(xiàn)象。因此，器件可防止被快回現(xiàn)象毀壞。
(實(shí)施例2)
以下將描述根據(jù)實(shí)施例2的半導(dǎo)體器件。在根據(jù)實(shí)施例2的半導(dǎo)體器件中，不同于實(shí)施例I通過注入除質(zhì)子之外的其他離子形成N+第一緩沖層。圖11到13是示出在分別注入氦離子(He2+)、鋰離子(Li+)以及氧離子(O+)時(shí)離子的投影射程以及泄漏電流合格率對(duì)加速電壓的測(cè)量結(jié)果的說明性曲線圖。在圖11到13中，左側(cè)豎軸示出離子的投影射程，右側(cè)豎軸示出泄漏電流合格率，而橫軸示出加速電壓。劑量是1 X 1O14原子/平方厘米。
在圖11到13中，粗的實(shí)線表示在同時(shí)應(yīng)用YAG 2ω激光器(波長(zhǎng)532nm，穿透長(zhǎng)度λ pi :1. 5 μ m)以及作為GaAs半導(dǎo)體激光器的鋁鎵砷(AlGaAs)激光器(波長(zhǎng)808nm、穿透長(zhǎng)度λρ2:10μπι)時(shí)的泄漏電流合格率。細(xì)的單點(diǎn)劃線表示離子的投影射程。
如圖11所示，在注入氦離子時(shí)，與如圖6所示的注入質(zhì)子的情況相比，顯示出90% 或更高的泄漏電流合格率的加速電壓的范圍是窄的(約900keV到3MeV)。此原因是因?yàn)樽矒粜?yīng)在圖11中由細(xì)的點(diǎn)劃線表示的氦離子的投影射程比在圖6中由細(xì)的點(diǎn)劃線表示的質(zhì)子的投影射程要窄而幾乎不發(fā)生。
如圖12所示，在注入鋰離子時(shí)，與如圖6所示的注入質(zhì)子的情況相比，顯示出90% 或更高的泄漏電流合格率的加速電壓的范圍是窄的(約1. 2MeV到3MeV)。
如圖13所示，在注入氧離子時(shí)，顯示出90%或更高的泄漏電流合格率的加速電壓的范圍為約7MeV到20MeV。為了將加速電壓增大到IMeV或更高，例如使用串聯(lián)式靜電加速器。為了將加速電壓增大到IOMeV或更高，例如使用圓形加速器(回旋加速器)。
順便提一下，即使在MeV級(jí)別的加速電壓下執(zhí)行注入時(shí)，因?yàn)橥队吧涑滩槐菼 μ m 長(zhǎng)，所以也沒有能夠?qū)⒅T如磷(P)或硒(Se)之類的比氧重的元素注入到投影射程所需深度的現(xiàn)有實(shí)用設(shè)備。
因此可以理解，根據(jù)實(shí)施例2，作為其他元素的氦離子、鋰離子或氧離子相比質(zhì)子優(yōu)選地被注入。如圖6和圖11到13所示，發(fā)現(xiàn)優(yōu)選加速電壓最小是200keV且最大是30MeV， 且用于質(zhì)子注入的優(yōu)選加速電壓最大是2MeV。
(實(shí)施例3)
圖14是示出根據(jù)實(shí)施例3的半導(dǎo)體器件的配置及凈摻雜濃度的視圖。如圖14中的半導(dǎo)體器件的截面200所示，根據(jù)實(shí)施例3的半導(dǎo)體器件包括除圖I所示的實(shí)施例I的半導(dǎo)體器件之外的設(shè)置在N第二緩沖層12與P+集電極層3之間并且濃度高于N第二緩沖層12的N +陰極緩沖層22 (第七半導(dǎo)體層)。其他配置與實(shí)施例I相同，并且為了省略重復(fù)描述相同的附圖標(biāo)記指示相同的部件。
根據(jù)實(shí)施例3的半導(dǎo)體器件的各部件的凈摻雜濃度和大小被例示為示例。順便提一下，只有不同于實(shí)施例I中所例示值的值將被描述。如圖14中的距發(fā)射電極的距離對(duì)凈摻雜濃度(log)的特征如圖210所示，N +陰極緩沖層22的凈摻雜濃度高于N+第一緩沖層 2的凈摻雜濃度。
從N+第一緩沖層2的凈摻雜濃度被局部最大化的位置到P+集電極層3與集電電極9之間的界面的距離，即質(zhì)子的投影射程Rp為18 μ m。N第二緩沖層12與N +陰極緩沖層22之間的界面到P+集電極層3與集電電極9之間的界面的距離，即N +陰極緩沖層22 的厚度是I μ m。從N +陰極緩沖層22與P+集電極層3之間的界面到P+集電極層3與集電電極9之間的界面的距離，即P +集電極層3的厚度是O. 5 μ m。
根據(jù)實(shí)施例3，從發(fā)射極側(cè)擴(kuò)展到漂移層的耗盡層可在耗盡層到達(dá)P+集電極層3 之前被N +陰極緩沖層22更確定地阻斷。因此，可防止緩沖層的不完全形成，以使泄漏電流合格率可被更大地改進(jìn)。
圖15是示出根據(jù)實(shí)施例I到3的半導(dǎo)體器件以及包括根據(jù)相關(guān)技術(shù)的場(chǎng)阻斷層的半導(dǎo)體器件的截止波形的曲線圖。在圖15中，粗的實(shí)線表示根據(jù)實(shí)施例I到3的半導(dǎo)體器件的集電極電流L以及集電極-發(fā)射極電壓V。。細(xì)的虛線表示包括根據(jù)相關(guān)技術(shù)的場(chǎng)阻斷層的半導(dǎo)體器件的集電極電流L以及集電極-發(fā)射極電壓V。(參見圖19)。
在圖15中所示的所有截止波形是圖16中所示的無緩沖器電路220中的波形。無緩沖器電路220是其中根據(jù)本發(fā)明的IGBT被放置在D. U. T.(被測(cè)設(shè)備)中的單相斬波電路。 無緩沖器電路220的主電路的負(fù)載電感Lm是ImH，且主電路的電路雜散電感Ls是200nH。 無緩沖器電路220的柵極電阻是10Ω，且柵極驅(qū)動(dòng)電壓是±15V。
如圖15所示，根據(jù)實(shí)施例I到3的半導(dǎo)體器件在沒有振蕩的情況下顯示光滑的開關(guān)波形。不發(fā)生振蕩的原因是防止所存載流子(stocked carrier)在截止時(shí)間被耗盡。相反，根據(jù)相關(guān)技術(shù)的半導(dǎo)體器件顯示出隨著浪涌電壓中增大50V而振蕩的波形，因?yàn)檩d流子通過耗盡層的擴(kuò)展被掃過從而所存載流子被耗盡。這是與在JP-A-2003-318412中公開的所謂的空間電荷區(qū)的釘扎效應(yīng)相同的現(xiàn)象。
(實(shí)施例4)
圖17是示出根據(jù)實(shí)施例4的半導(dǎo)體器件的配置和凈摻雜濃度的視圖。如圖17中的半導(dǎo)體器件的截面300所示，作為第二半導(dǎo)體層的N +陰極緩沖層32以及作為第三半導(dǎo)體層的N++陰極層33以此順序例如在作為第一半導(dǎo)體層的漂移層31的一個(gè)主表面?zhèn)?第一主表面?zhèn)?形成。作為第四半導(dǎo)體層的P陽(yáng)極層34在漂移層31的另一主表面?zhèn)?第二主表面?zhèn)?形成。作為第一電極的陽(yáng)極電極38在P陽(yáng)極層34的表面形成。作為第二電極的陰極電極39在N + +陰極層33的表面形成。根據(jù)此結(jié)構(gòu)，根據(jù)實(shí)施例4的半導(dǎo)體器件執(zhí)行二極管的功能。
如圖17中的距陽(yáng)極電極的距離對(duì)凈摻雜濃度(log)的特征圖310所示，N +陰極緩沖層32的凈摻雜濃度在N +陰極緩沖層32與N—漂移層31之間的界面附近的位置中具有峰值，并且該峰值高于K漂移層31的凈摻雜濃度。N +陽(yáng)極緩沖層32的凈摻雜濃度朝向N + 陰極緩沖層32與N + +陰極層33之間的界面梯度地降低。N + +陰極層33與P陽(yáng)極層34的凈摻雜濃度高于N—漂移層31和N +陰極緩沖層32的凈摻雜濃度。
以此方式，本發(fā)明應(yīng)用到二極管使反向恢復(fù)操作能在抑制振蕩以及低耗的情況下實(shí)現(xiàn)。在反向恢復(fù)時(shí)，耗盡層以與截止時(shí)間相同的方式從正面?zhèn)葦U(kuò)展，以使載流子被消滅。 在根據(jù)實(shí)施例4的半導(dǎo)體器件中，載流子的突然消滅可被抑制，從而在沒有振蕩的情況下實(shí)現(xiàn)光滑的反向恢復(fù)。
另一方面，在使用本發(fā)明的IGBT等中，可如實(shí)施例I到3中所描述地實(shí)現(xiàn)具有抑制振蕩和低耗的截止。在截止時(shí)，耗盡層從晶片的正面?zhèn)葦U(kuò)展，以使載流子被消滅。然而， 可實(shí)現(xiàn)沒有振蕩的光滑的截止，因?yàn)檩d流子的突然消滅可被抑制。因此，可制造低耗和軟恢復(fù)的二極管以及有能力執(zhí)行沒有振蕩的光滑截止的IGBT。此外，在諸如使用具有這些特性的IGBT模塊的PWM反相器之類的功率變換裝置時(shí)，過電壓毀壞和EMI噪聲發(fā)生可被抑制。
圖18-1和18-2是示出根據(jù)實(shí)施例I到4的IGBT和二極管的應(yīng)用示例的示圖。圖 18-1和18-2中所示的變換器逆變器電路可有效地控制感應(yīng)電動(dòng)機(jī)、伺服電動(dòng)機(jī)等，并且被廣泛地用在工業(yè)、電氣鐵路等。圖18-1示出將二極管應(yīng)用到變換器部分的示例。圖18-2 示出將IGBT應(yīng)用到變換器部分的示例。在各個(gè)示例中，IGBT被應(yīng)用到變換器部分。超高速續(xù)流二極管(FWD)與各個(gè)IGBT并聯(lián)。
在以上描述中，本發(fā)明不限于上述實(shí)施例，并且可被多樣地改變。例如，實(shí)施例中描述的諸如大小、濃度、電壓值、電流值、諸如溫度和時(shí)間之類的處理?xiàng)l件等之類的各種值僅是示例性的，從而本發(fā)明不限于那些值。雖然已在第一導(dǎo)電型是N型且第二導(dǎo)電型是P 型的情況下描述了各個(gè)實(shí)施例，但是本發(fā)明也可在第一導(dǎo)電型是P型且第二導(dǎo)電型是N型的情況下實(shí)施。
此外，本發(fā)明不僅可被應(yīng)用在1200V級(jí)別，也可被應(yīng)用在600V級(jí)別、1700V級(jí)別或高于1700V級(jí)別的耐壓級(jí)別。例如，在1700V級(jí)別的情況下，晶片的特定阻抗是80-200 Qcm 且晶片的最終厚度是120-200 μ m。在3300V級(jí)別的情況下，晶片的特定阻抗是200-500 Ω cm 且晶片的最終厚度是250-400 μ m。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體器件以及制造半導(dǎo)體器件的方法對(duì)功率半導(dǎo)體器件有用，并且尤其適用于具有軟恢復(fù)特性以及高速和低耗特性并且環(huán)保的二極管或IGBT。
權(quán)利要求
1.一種半導(dǎo)體器件，包括 由第一導(dǎo)電型的半導(dǎo)體襯底構(gòu)成的第一半導(dǎo)體層； 第二導(dǎo)電型的第二半導(dǎo)體層，該第二半導(dǎo)體層的濃度比所述第一半導(dǎo)體層高并且在所述第一半導(dǎo)體層的第一主表面?zhèn)龋? 所述第一或第二導(dǎo)電型的第三半導(dǎo)體層，該第三半導(dǎo)體層的濃度比所述第一半導(dǎo)體層高并且在所述第一半導(dǎo)體層的第二主表面?zhèn)龋? 在所述第一半導(dǎo)體層中的至少一個(gè)所述第一導(dǎo)電型的第四半導(dǎo)體層，該第四半導(dǎo)體層的濃度比所述第一半導(dǎo)體層高但比所述第三半導(dǎo)體層低； 其中，所述第四半導(dǎo)體層包括輕致供體，該氫致供體通過從所述第二主表面注入的質(zhì)子照射形成， 所述半導(dǎo)體裝置所具有的所述第四半導(dǎo)體層中，通過使結(jié)晶性從導(dǎo)致載流子遷移率下降的質(zhì)子照射損傷得以恢復(fù)，所述第四半導(dǎo)體層中的距離所述第二主表面為所述質(zhì)子投影射程的位置處的參雜濃度比所述半導(dǎo)體襯底高。
2.如權(quán)利要求I所述的半導(dǎo)體器件，其特征在于，所述質(zhì)子投影射程距離所述第二主表面的范圍在5 ii m至30 ii m。
3.如權(quán)利要求I所述的半導(dǎo)體器件，其特征在于，通過激光退火來恢復(fù)所述載流子遷移率，在激光退火中，激光照射所述第二主表面。
4.如權(quán)利要求3所述的半導(dǎo)體器件，其特征在于，所述半導(dǎo)體襯底中的距離所述第二主表面為所述質(zhì)子投影射程的位置處的載流子壽命與所述半導(dǎo)體襯底體壽命相同。
5.如權(quán)利要求I所述的半導(dǎo)體器件，其特征在于，所述半導(dǎo)體器件是二極管，該二極管包括 所述第二半導(dǎo)體層，該第二半導(dǎo)體層是陽(yáng)極層；以及第三半導(dǎo)體層，該第三半導(dǎo)體層是第一導(dǎo)電型。
6.如權(quán)利要求I所述的半導(dǎo)體器件，其特征在于，所述半導(dǎo)體器件是IGBT，該IGBT包括 所述第二半導(dǎo)體層，該第二半導(dǎo)體層是基極層； 所述第三半導(dǎo)體層，該第三半導(dǎo)體層是第二導(dǎo)電型； MOS柵，該MOS柵在第一主表面上形成。
7.—種制造如權(quán)利要求I至6中任一項(xiàng)所述的半導(dǎo)體器件的方法， 所述方法包括以下步驟 研磨步驟，該研磨步驟研磨所述半導(dǎo)體襯底的第二主表面作為所述第一半導(dǎo)體層； 注入步驟，該注入步驟將輕離子注入到通過所述研磨步驟暴露的所述第一半導(dǎo)體層的表面； 照射步驟，該照射步驟用不同波長(zhǎng)的2種類型的激光束照射用所述輕離子注入的所述表面，從而電激活所述注入的氫離子并由此恢復(fù)因自所述第二主表面的所述質(zhì)子照射的注入損傷而降低的載流子遷移率。
8.—種如權(quán)利要求7所述的制造半導(dǎo)體器件的方法，其特征在于，所述照射步驟使用不同波長(zhǎng)的兩種類型的激光束同時(shí)執(zhí)行照射。
9.一種如權(quán)利要求7所述的制造半導(dǎo)體器件的方法，其特征在于，從全固態(tài)激光器、含氮化稼的半導(dǎo)體激光器以及氣體激光器中的任一個(gè)發(fā)射所述短波長(zhǎng)激光束，所述全固態(tài)激光器從由YAG 2 激光器、YV04 2 激光器以及YLF 2 激光器組成的組中選出，所述氣體激光器從由受激準(zhǔn)分子激光器和氦氖激光器組成的組中選出。
10.一種如權(quán)利要求7所述的制造半導(dǎo)體器件的方法，其特征在于，從包含鎵作為其結(jié)構(gòu)的一部分的半導(dǎo)體激光器、紅寶石激光器以及從由YAG激光器、YV04激光器以及YLF激光器組成的組中選出的常頻全固態(tài)激光器中的任一個(gè)發(fā)射所述長(zhǎng)波長(zhǎng)的激光束。
11.一種如權(quán)利要求7所述的制造半導(dǎo)體器件的方法，其特征在于，從AlxGagAs激光器和InxGa^xAs激光器中的任一個(gè)發(fā)射所述長(zhǎng)波長(zhǎng)激光束,其中X表不化學(xué)劑量組分比。
12.—種如權(quán)利要求7所述的制造半導(dǎo)體器件的方法，其特征在于，所述輕離子從由質(zhì)子、氦離子、鋰離子以及氧離子組成的組中選出。
13.—種如權(quán)利要求7所述的制造半導(dǎo)體器件的方法，其特征在于，所述輕離子是質(zhì)子。
14.一種如權(quán)利要求12所述的制造半導(dǎo)體器件的方法，其特征在于，所述注入步驟在大于等于200keV且小于等于30MeV的范圍內(nèi)的加速電壓下注入所述輕離子。
15.一種如權(quán)利要求13所述的制造半導(dǎo)體器件的方法，其特征在于，所述注入步驟在大于等于200keV且小于等于2MeV的范圍內(nèi)的加速電壓下注入質(zhì)子。
全文摘要
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體器件及其制造方法。本發(fā)明提供一種其中在防止半導(dǎo)體基板斷裂的同時(shí)可防止元件被快回現(xiàn)象毀壞的半導(dǎo)體器件。在MOS柵極結(jié)構(gòu)在FZ晶片的正面形成之后，研磨FZ晶片的背面。然后，用質(zhì)子照射并且用不同波長(zhǎng)的兩種類型的激光束同時(shí)照射經(jīng)研磨的表面，從而形成N＋第一緩沖層2以及N第二緩沖層12。然后，P＋集電極層3以及集電電極9在經(jīng)質(zhì)子照射表面形成。從N＋第一緩沖層2的凈摻雜濃度被局部最大化的位置到P＋集電極層3與N第二緩沖層12之間界面的距離被設(shè)置為在大于等于5μm且小于等于30μm的范圍內(nèi)。
文檔編號(hào)H01L21/331GK102983159SQ20121056758
公開日2013年3月20日 申請(qǐng)日期2009年1月22日 優(yōu)先權(quán)日2008年1月23日
發(fā)明者根本道生, 中澤治雄 申請(qǐng)人:富士電機(jī)株式會(huì)社