半導(dǎo)體器件以及用于制造半導(dǎo)體器件的方法
【專利說明】半導(dǎo)體器件以及用于制造半導(dǎo)體器件的方法
[0001]本申請是發(fā)明名稱為“半導(dǎo)體器件以及用于制造半導(dǎo)體器件的方法”、國際申請日為2010年11月2日、申請?zhí)枮?01080049553.6 (國際申請?zhí)枮镻CT/JP2010/069528)的發(fā)明專利申請的分案申請。
技術(shù)領(lǐng)域
[0002]本發(fā)明涉及以高速操作并具有低損耗和軟恢復(fù)特性的半導(dǎo)體器件(諸如二極管或絕緣柵雙極晶體管(IGBT))、以及用于制造該半導(dǎo)體器件的方法。
【背景技術(shù)】
[0003]功率半導(dǎo)體器件用于具有高效率和低功耗的功率轉(zhuǎn)換器件(諸如轉(zhuǎn)換器和逆變器)，并且對于控制旋轉(zhuǎn)電機或伺服電機是必不可少的。功率控制器件要求低損耗、低功耗、高速操作、高效率、以及沒有環(huán)境問題(即，對外界沒有不利影響)的特性。為了滿足具有低損耗和高效率的功率控制器件的需求，已提出了具有寬緩沖結(jié)構(gòu)的二極管作為用于功率控制器件的經(jīng)改進類型的二極管。寬緩沖結(jié)構(gòu)是指其中η—漂移層的雜質(zhì)濃度分布在η -漂移層的中心部分附近具有峰值(局部最大值)且具有包括雜質(zhì)濃度分布傾斜以朝著陽極和陰極的方向下降的區(qū)域的寬緩沖區(qū)的結(jié)構(gòu)。
[0004]具有寬緩沖結(jié)構(gòu)的二極管允許降低相關(guān)技術(shù)的發(fā)射極注入效率、以及在高速操作(例如，載流子頻率:大于或等于5kHz)中實現(xiàn)軟恢復(fù)特性和防振蕩效果，該實現(xiàn)在使用期限分布控制技術(shù)中是難以達到的。
[0005]已提出了使用氫致供體(hydrogen-1nduced donor)的方法作為制造具有寬緩沖結(jié)構(gòu)的二極管的方法。在該方法中，浮區(qū)(FZ)體晶片用質(zhì)子(氫離子，H+)照射以使質(zhì)子H+到達通過一般的η型摻雜元素(磷或砷)離子注入法難以達到的η -漂移層的深度、由此形成晶格缺陷，并且隨后進行熱處理。在該方法中，用質(zhì)子的照射以及熱處理使得供體(例如，稱為氫致供體或與氫相締合的供體)通過包括質(zhì)子H+的缺陷絡(luò)合物在晶片中的質(zhì)子H +的射程Rp附近形成(例如，參見以下專利文獻I (段落0020和0021)和以下專利文獻2 (摘要))。另外，已提出了其中氧被引入晶片且與氫致供體組合、由此形成高濃度寬緩沖區(qū)的方法(例如，參見以下專利文獻3 (段落0011))。
[0006]一般而言，對于硅(Si)功率半導(dǎo)體，從經(jīng)濟的角度使用比外延晶片便宜的FZ晶片來制造IGBT或二極管。另外，已知用中子束照射硅晶片以使用核嬗變將硅轉(zhuǎn)換成作為穩(wěn)定同位素的磷(P)、由此在晶片(在下文中稱為中子照射晶片)中形成作為雜質(zhì)的磷的方法在晶片中均勻地分布雜質(zhì)時是有效的。中子照射晶片(例如，6英寸的晶片)的電阻率變化約為 ±8%。
[0007]作為形成中子照射晶片的方法，已提出了通過用質(zhì)子H+的照射以及熱處理來將質(zhì)子H+改變成供體、并將濃度大于中子照射之前的晶片的供體注入η基區(qū)(η—漂移層)的方法(例如，參見以下專利文獻4)。
[0008]引用列表
[0009]專利文獻
[0010]專利文獻1:日本專利申請?zhí)卦S公開(JP-A)N0.2003-318412[0011 ] 專利文獻2:國際公開冊N0.W02007/055352
[0012]專利文獻3 JP-A N0.2007-266233
[0013]專利文獻4 JP-A N0.2008-91853
[0014]發(fā)明的公開內(nèi)容
[0015]本發(fā)明要解決的問題
[0016]然而，在根據(jù)相關(guān)技術(shù)的通過離子注入或熱擴散來引入混合有原材料氣體的雜質(zhì)元素(氣體摻雜)的FZ晶片中，電阻率變化大于中子照射晶片的電阻率變化，并且約為6英寸晶片中的±12%。大的電阻率變化直接影響擊穿電壓的變化。因此，重新檢查擊穿電壓變化的下降是必要的。在具有非穿通結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體器件的情況下，半導(dǎo)體器件的擊穿電SVb(V)可由以下表達式I表示。
[0017][表達式I]
[0018]Vb= W2/(0.29 P 0)
[0019]在表達式I中，W是耗盡層的寬度Um)，而Ptl是硅晶片的電阻率(體電阻率)。在上述表達式I中，例如，在使用氣體摻雜的FZ晶片制造的具有非穿通結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體器件中，當(dāng)電阻率Pc^變化為±12%時，擊穿電壓Vb的變化也是12%。除了擊穿電壓以外，開關(guān)特性的變化也是12%。當(dāng)開關(guān)特性的變化為大于或等于12%時，保證對該器件的操作可能出現(xiàn)問題。將開關(guān)特性的變化減小到小于或等于12%的方法之一將電阻率變化減小到小于12%。例如，如上所述，為了減小電阻率變化，使用其電阻率通過將電阻率變化減小到小于± 12%的中子照射來控制的中子照射晶片是有效的。
[0020]然而，當(dāng)體電阻率通過中子照射來調(diào)節(jié)時，需要原子反應(yīng)堆，而建立和維護原子反應(yīng)堆需要巨額的成本。因此，一個半導(dǎo)體制造公司擁有原子反應(yīng)堆在經(jīng)濟上不可行。有必要請求具有原子反應(yīng)堆的外部機構(gòu)來調(diào)節(jié)體電阻率。然而，存在少數(shù)外部機構(gòu)，包括國外機構(gòu)。對車內(nèi)或工業(yè)功率半導(dǎo)體的需求增加，并且只有外部機構(gòu)處理功率半導(dǎo)體是困難的。另夕卜，處理成本高。因此，找到能夠可靠地減小或解決半導(dǎo)體器件的擊穿電壓變化或開關(guān)特性變化的方法作為除使用中子照射的方法以外的方法是合乎需要的。
[0021]當(dāng)半導(dǎo)體器件使用氣體摻雜的FZ晶片而不使用中子照射晶片來制造時，隨著晶片的直徑變成大于6英寸，晶片電阻率的變化增大。因此，在技術(shù)上難以將電阻率變化減小到小于±12%。另外，當(dāng)使用切克勞斯基(CZ)晶片來制造半導(dǎo)體器件時，制造最初是均勻的且具有高電阻率的η型晶片是困難的。因此，使用CZ晶片將電阻率變化減小到小于±12%是困難的。因此，提供即使當(dāng)FZ晶片的電阻率變化大于或等于±12%時對擊穿電壓變化影響也較小的具有新穎器件結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體器件、以及制造該半導(dǎo)體器件的方法是合乎需要的。
[0022]作為去除擊穿電壓變化的方法，專利文獻3公開了使用離子注入來引入質(zhì)子且在500°C下進行熱處理以使質(zhì)子擴散到整個η—漂移層、由此控制η—漂移層的雜質(zhì)濃度的方法。然而，實際上，由于已獲取指示在高于或等于550°C的溫度下去除與氫相締合的供體的數(shù)據(jù)，因此控制寬范圍(諸如，整個n_漂移層)內(nèi)的雜質(zhì)濃度是困難的。具體而言，控制具有高擊穿電壓的半導(dǎo)體器件所需的低濃度η—漂移層的雜質(zhì)濃度是極為困難的。因此，當(dāng)制造具有高擊穿電壓的半導(dǎo)體器件時，即使當(dāng)應(yīng)用專利文獻3中公開的技術(shù)時獲取減小擊穿電壓變化的效果也是困難的。
[0023]為了解決上述問題已作出本發(fā)明，并且本發(fā)明的目的在于，提供能夠減小擊穿電壓的變化和開關(guān)特性的變化的半導(dǎo)體器件、以及制造半導(dǎo)體器件的方法。另外，本發(fā)明的目的在于，提供能夠降低制造成本的半導(dǎo)體器件、以及制造半導(dǎo)體器件的方法。
[0024]用于解決問題的手段
[0025]為了解決上述問題且實現(xiàn)本發(fā)明的目的，根據(jù)本發(fā)明的一方面，提供了一種半導(dǎo)體器件，該半導(dǎo)體器件包括:第一導(dǎo)電型的第一半導(dǎo)體層；設(shè)置在第一半導(dǎo)體層的一個主表面上且雜質(zhì)濃度大于第一半導(dǎo)體層的第二導(dǎo)電型的第二半導(dǎo)體層；設(shè)置在第一半導(dǎo)體層的另一主表面上且雜質(zhì)濃度大于第一半導(dǎo)體層的第一導(dǎo)電型的第三半導(dǎo)體層；以及設(shè)置在第一半導(dǎo)體層中且雜質(zhì)濃度大于第一半導(dǎo)體層、并且雜質(zhì)濃度分布的局部最大值小于第二半導(dǎo)體層和第三半導(dǎo)體層的雜質(zhì)濃度的第一導(dǎo)電型的寬緩沖區(qū)。寬緩沖區(qū)的凈摻雜濃度總量大于或等于4.8X 111原子/cm2且小于或等于1.0X 10 12原子/cm2。第一半導(dǎo)體層的電阻率P ο ( Ω cm)相對于額定電壓Vtl(V)滿足0.12V。彡P(guān) 0^Ξ 0.25V0o
[0026]寬緩沖區(qū)的凈摻雜濃度總量可大于或等于5.2X 111原子/cm 2且小于或等于1.(^1012原子/(^2，而第一半導(dǎo)體層的電阻率Ptl相對于額定電壓Vtl (V)可滿足0.133V0^ P。彡 0.25ν0。
[0027]多個寬緩沖區(qū)可設(shè)置在第一半導(dǎo)體層中。
[0028]多個寬緩沖區(qū)的寬度之和與第一半導(dǎo)體層的寬度的比率γ、當(dāng)施加了電平與擊穿電壓相等的反向偏壓時的多個寬緩沖區(qū)的電場強度的下降之和與臨界電場強度的比率η、以及成為第一半導(dǎo)體層的襯底的供體濃度的測量值與標(biāo)準(zhǔn)值的偏移比α可滿足4α (γ/
η)/[(2-α ) (2+α )]<α。
[0029]第一半導(dǎo)體層可以是FZ娃襯底。
[0030]為了解決上述問題且實現(xiàn)本發(fā)明的目的，根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種半導(dǎo)體器件，該半導(dǎo)體器件包括:第一導(dǎo)電型的漂移層；設(shè)置在漂移層的一個主表面上且雜質(zhì)濃度大于漂移層的第二導(dǎo)電型的基極層；設(shè)置在漂移層的一個主表面上以與基極層接觸且雜質(zhì)濃度大于基極層的第一導(dǎo)電型的發(fā)射極層；與漂移層、基極層、以及發(fā)射極層接觸的絕緣膜；隔著絕緣膜與漂移層、基極層、以及發(fā)射極層相鄰的柵電極；設(shè)置在漂移層的另一主表面上且雜質(zhì)濃度大于漂移層的第二導(dǎo)電型的集電極層；以及設(shè)置在漂移層中且雜質(zhì)濃度大于漂移層、并且雜質(zhì)濃度分布的局部最大值小于基極層和集電極層的雜質(zhì)濃度的第一導(dǎo)電型的寬緩沖區(qū)。寬緩沖區(qū)的凈摻雜濃度總量大于或等于4.8Χ 111原子/cm 2且小于或等于1.0X1012原子/cm2，而漂移層的電阻率Ptl(Qcm)相對于額定電壓Vtl (V)滿足0.12V0彡 P 0彡 0.25V0O
[0031]寬緩沖區(qū)的凈摻雜濃度總量可大于或等于5.2X 111原子/cm 2且小于或等于1.(^1012原子/0112，而漂移層的電阻率Ptl(Qcm)相對于額定電壓Vtl (V)可滿足0.133V0^ P。彡 0.25V。。
[0032]多個寬緩沖區(qū)可設(shè)置在漂移層中。
[0033]多個寬緩沖區(qū)的寬度之和與漂移層的寬度的比率γ、當(dāng)施加了電平與擊穿電壓相等的反向偏壓時的多個寬緩沖區(qū)的電場強度的下降之和與臨界電場強度的比率η、以及成為漂移層的襯底的供體濃度的測量值與標(biāo)準(zhǔn)值的偏移比α可滿足4α (γ/η)/[(2-α)
(2+α )]< α。
[0034]根據(jù)上述方面的半導(dǎo)體器件還可包括在襯底的一個主表面上與漂移層或?qū)捑彌_區(qū)接觸、并且在另一主表面上與集電極層接觸的第一導(dǎo)電型場阻斷層。
[0035]根據(jù)上述方面的半導(dǎo)體器件還可包括與襯底的一個主表面?zhèn)壬系钠茖踊驅(qū)捑彌_區(qū)接觸、并且在另一主表面上與集電極層接觸的第一導(dǎo)電型場阻斷層。漂移層、寬緩沖區(qū)、以及場阻斷層的凈摻雜濃度總量可大于或等于1.2Χ 112原子/cm 2且小于或等于2.0 X 112原子/cm 20
[0036]漂移層可以是FZ娃襯底。
[0037]為了解決上述問題且實現(xiàn)本發(fā)明的目的，根據(jù)本發(fā)明的再一方面，提供了一種制造半導(dǎo)體器件的方法，該半導(dǎo)體器件包括:第一導(dǎo)電型的第一半導(dǎo)體層；設(shè)置在第一半導(dǎo)體層的一個主表面上且雜質(zhì)濃度大于第一半導(dǎo)體層的第二導(dǎo)電型的第二半導(dǎo)體層；設(shè)置在第一半導(dǎo)體層的另一主表面上且雜質(zhì)濃度大于第一半導(dǎo)體層的第一導(dǎo)電型的第三半導(dǎo)體層；以及設(shè)置在插在第二半導(dǎo)體層和第三半導(dǎo)體層之間的第一半導(dǎo)體層中且雜質(zhì)濃度大于第一半導(dǎo)體層、并且雜質(zhì)濃度分布的局部最大值小于第二半導(dǎo)體層和第三半導(dǎo)體層的雜質(zhì)濃度的第一導(dǎo)電型的寬緩沖區(qū)。該方法包括:在第一半導(dǎo)體層的一個主表面上形成第二半導(dǎo)體層的第一形成步驟；以及在到第一半導(dǎo)體層的投影射程內(nèi)用氫離子照射第一半導(dǎo)體層上的第二半導(dǎo)體層、并且在大于或等于300°C且小于或等于550°C的溫度下進行熱處理、由此在第一半導(dǎo)體層中形成寬緩沖區(qū)的第二形成步驟。在第二形成步驟中，在第一半導(dǎo)體層中形成總凈摻雜濃度大于或等于4.8 X 111原子/cm 2且小于或等于1.0X 10 12原子/cm2的寬緩沖區(qū)，而第一半導(dǎo)體層的電阻率P ο相對于額定電壓Vtl(V)滿足0.UVtl彡P(guān) 6 0.25V0。
[0038]根據(jù)上述方面的制造半導(dǎo)體器件的方法還可包括:在第一形成步驟之前，在高于或等于1000°C的溫度下在氧化氣氛中進行熱處理以將氧引入第一半導(dǎo)體層的引入步驟。
[0039]在引入步驟中，可將濃度大于或等于I X 116原子/cm 3的氧引入第一半導(dǎo)體層。
[0040]為了解決上述問題且實現(xiàn)本發(fā)明的目的，根據(jù)本發(fā)明的又一方面，提供了一種制造半導(dǎo)體器件的方法，該半導(dǎo)體器件包括:第一導(dǎo)電型的第一半導(dǎo)體層；設(shè)置在第一半導(dǎo)體層的一個主表面上且雜質(zhì)濃度大于第一半導(dǎo)體層的第二導(dǎo)電型的第二半導(dǎo)體層；設(shè)置在第一半導(dǎo)體層的另一主表面上且雜質(zhì)濃度大于第一半導(dǎo)體層的第一導(dǎo)電型的第三半導(dǎo)體層；以及設(shè)置在第一半導(dǎo)體層中且雜質(zhì)濃度大于第一半導(dǎo)體層、并且雜質(zhì)濃度分布的局部最大值小于第二半導(dǎo)體層和第三半導(dǎo)體層的雜質(zhì)濃度的第一導(dǎo)電型的寬緩沖區(qū)。該方法包括在到第一半導(dǎo)體層的比將通過后續(xù)步驟形成的第三半導(dǎo)體層的位置深的部分的投影射程內(nèi)用氫離子照射第一半導(dǎo)體層的另一主表面、并且在大于或等于300°C且小于或等于550°C的溫度下進行熱處理、由此在第一半導(dǎo)體層中形成寬緩沖區(qū)的第二形成步驟。在第二形成步驟中，在第一半導(dǎo)體層中形成總凈摻雜濃度大于或等于4.8X 111原子/cm2且小于或等于1.0X1012原子/cm2的寬緩沖區(qū)，而第一半導(dǎo)體層的電阻率P挪對于額定電壓V0(V)滿足 0.12V。彡 P 0.25V0o
[0041]根據(jù)上述方面的制造半導(dǎo)體器件的方法還可包括在第一形成步驟之前，在高于或等于