一种高度电荷平衡超结器件的制作方法

xiaoxiao2020-8-1  9

一种高度电荷平衡超结器件的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种高度电荷平衡超结器件的制作方法,属于半导体器件的制备方法,制备超结器件,将超结器件的一端与测试设备相连,测试设备检测超结器件中p柱区的电荷量和n柱区中的电荷量,根据超结器件中p柱区的电荷量和n柱区中的电荷量的变化差,通过半导体嬗变掺杂方法将一定量的施主或受主杂质引入超结器件,使超结器件中的p柱区的电荷量和n柱区中的电荷量相等。本发明通过半导体嬗变掺杂方法将一定量的施主或受主杂质引入超结器件后,由于在半导体材料中产生了缺陷,故载流子的寿命会大大下降,加快了器件的工作速度。也就是在辐照掺杂的同时进行了寿命控制。
【专利说明】一种高度电荷平衡超结器件的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明属于半导体器件的制备方法,特别涉及一种高度电荷平衡超结器件的制作方法。
【背景技术】
[0002]超结:(Super Junction)超结理论的精髓在于电荷平衡原理,或者说电荷互补原理。是将传统的低掺杂耐压结构用交替排列的Pn结构代替。器件在关断状态由于其交替排列的Pn区域相互耗尽而导致的电荷平衡,使得电场强度在穿越超结时基本保持不变,从而提高了器件的耐压。当器件正向导通时,由于超结结构的掺杂浓度远大于传统的漂移区结构的掺杂深度,从而使器件的正向导通压降大大下降。电荷平衡是指电荷平衡是指P柱区和η柱区中的电荷量相等(Qp=Qn)P柱区中的电荷量Qp=NaWp,η柱区中的电荷量Qn=NdWn。电荷平衡也可描述为:NaWp=NdWn。其中Na和Nd是P柱区和η柱区的掺杂浓度,Wp和Wn是P柱区和η柱区的宽度。相对于电荷平衡而言,电荷不平衡也可描述为:NaWp ^ NdWn。为了便于说明,我们分为两种情况:①当NaWp>NdWn时受主多于施主;②当NaWp〈NdWn时施主多于受主。
[0003]超结IGBT (SJ-1GBT):绝缘栅型双极晶体管的首字母简称,一种压控型功率器件,作为高压开关被普遍应用。超结IGBT就是将超结理念引入到IGBT中,用超结结构代替传统的n-drift区,这样可以在不降低器件耐压等级的情况下,降低器件的动静态损耗。
[0004]超结VDMOS (Coolmos):将超结结构应用到传统的VDMOS中,即构成了超结VDM0S。这种概念的独到之处在于不折损器件电压阻塞能力的情况下η-漂移区的掺杂浓度可以提高一个数量级,彼此耗尽的ρ η区域内将产生横向的内建电场,同时还存在着源自漏源压降的纵向电场,电子和空穴在这两个方向电场的联合驱使下沿着各自的路径流向电极。
[0005]半导体嬗变惨杂(nuclear transmutation doping of semiconductor):用一定能量的中子、带电粒子或Y射线等照射材料,通过选择的核反应在基体中生成原来不存在的新元素,达到半导体材料的掺杂目的。目前,只有中子嬗变掺杂(NDT)得到了实际应用。此方法的原理是K.拉克一霍罗维茨于1951年提出的。1974年成功地用核反应堆热中子对区熔硅进行核嬗变掺杂,首次生产了商品的中子嬗变掺杂硅。目前中子掺杂硅单晶已成为工业产品,产量逐年增加。
[0006]超结器件实现的难点一方面是在于其结构难以在工艺上实现。另一方面是但在实际的制造工艺中很难实现真正的电荷平衡。然而电荷不平衡对超结结构的影响非常大。下图为电荷不平衡对于器件的击穿电压的影响。如图1所示,可以看到,即使不平衡度在5%,对于器件的性能退化已经非常严重。
[0007]目前,超结结构的半导体器件由于其优越的性能发展很快,但超结器件工艺实现比较困难,目前主要应用于低压的功率器件中。传统的超结制造工艺为离子注入或刻槽填充。其中离子注入工艺主要包括了高能离子注入和多次外延多次注入两种方案;刻槽填充工艺主要包括了深反应离子刻蚀和多次外延多次刻槽再填充两种方案。以上的种种方案一方面工艺非常复杂,从而提高了制造成本。另一方面是掺杂剂量的控制很困难,要制造出电荷平衡的超结器件非常困难,从而没有完全发挥出超结器件的性能优势。

【发明内容】

[0008]本发明所要解决的技术问题是提供一种高度电荷平衡超结器件的制作方法,解决了现有技术中的超结器件的电荷不平衡的问题。
[0009]为解决上述技术问题,本发明提供了一种高度电荷平衡超结器件的制作方法,通过半导体嬗变掺杂方法,控制嬗变掺杂的辐照剂量,将施主或受主杂质引入所述超结器件,使所述超结器件中的P柱区的电荷量和η柱区中的电荷量相等。
[0010]进一步地,所述控制嬗变掺杂的辐照剂量的方法为:
[0011]把制备的超结器件的一端与测试设备相连,所述测试设备根据所述超结器件的特性变化判断所述超结器件中P柱区的电荷量和η柱区中的电荷量,
[0012]进一步地,所述引入超结器件的方法为:
[0013]通过中子辐射嬗变掺杂或者光致嬗变对所述超结器件所在的半导体进行辐照。
[0014]进一步地,所述引入超结器件的方法为:
[0015]对所述超结器件的P柱区引入、对所述超结器件的η柱区引入或者对所述超结器件中的P柱区和η柱区部分或全部区域引入。
[0016]进一步地,对所述超结器件所在的半导体进行辐照的方法包括通过掩膜的方式或者直写的方式。
[0017]进一步地,所述使超结器件中的P柱区的电荷量和η柱区中的电荷量相等的方法为:
[0018]在对所述超结器件进行半导体嬗变掺杂时,实时调整所述超结器件中P柱区的电荷量和η柱区中的电荷量。
[0019]进一步地,所述使超结器件中的P柱区的电荷量和η柱区中的电荷量相等的方法还包括:
[0020]先将所述超结器件进行封装,然后将封装后的管子整体半导体嬗变掺杂掺杂,再调整所述超结器件中P柱区的电荷量和η柱区中的电荷量。
[0021]进一步地,所述使超结器件中的P柱区的电荷量和η柱区中的电荷量相等的方法还包括:
[0022]根据所述超结器件中P柱区的电荷量和η柱区中的电荷量,通过半导体嬗变掺杂方法将一定量的施主或受主杂质掺杂引入所述超结器件,待所述超结器件冷却后,再次检测所述超结器件中P柱区的电荷量和η柱区中的电荷量,根据所述超结器件中P柱区的电荷量和η柱区中的电荷量,再次通过半导体嬗变掺杂方法将一定量的施主掺杂或受主杂质掺杂引入所述超结器件,直至使所述超结器件中的P柱区的电荷量和N柱区中的电荷量相
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[0023]进一步地,所述超结器件为超结二极管、超结VDMOS或超结IGBT中的任一一种。
[0024]本发明提供的一种高度电荷平衡超结器件的制作方法,通过半导体嬗变掺杂方法将一定量的施主掺杂引入超结器件后,由于在半导体材料中产生了缺陷,故载流子的寿命会大大下降,加快了器件的工作速度。也就是在辐照掺杂的同时进行了寿命控制。【专利附图】

【附图说明】
[0025]图1为现有技术提供的一种超结器件结构示意图;
[0026]图2为本发明实施例提供的一种局部引入超结器件的方法示意图;
[0027]图3为本发明实施例提供的另一种局部引入超结器件的方法示意图;
图4为本发明实施例4提供的另一种局部引入超结器件的方法示意图;
图5为本发明实施例5提供的另一种横向局部引入超结器件的方法示意图。
【具体实施方式】
[0028]本发明实施例提供的一种高度电荷平衡超结器件的制作方法,按传统方法制备超结器件(参见图1),通过半导体嬗变掺杂方法,控制嬗变掺杂的辐照剂量,将施主或受主杂质引入超结器件,使超结器件中的P柱区的电荷量和η柱区中的电荷量相等。
[0029]其中,控制嬗变掺杂的辐照剂量的方法可以为:
[0030]把制备的超结器件的一端与测试设备相连,测试设备根据超结器件的特性变化判断超结器件中P柱区的电荷量和η柱区中的电荷量,
[0031]参见图1,对于传统超结器件而言,可为分三部分。分别为正面结构,中间部分,背面结构。中间部分为第一导电类型与第二导电类型相间分布的超结结构主要作为器件的耐压层,在耐压区与集电区之间可以引入一层高浓度的第二导电类型作为电场阻止层,。正面结构与背面结沟与传统的IGBT相似。正面结构是先有第一导电类型的基区715,内部含有第二导电类型的发射区713。在基区和发射区边缘部分上面有一个绝缘体712,内部包含着栅极711。当栅极711加上电位后可引起栅极711的基区部分反型,从而可使发射区的载流子注入到漂移区。另有发射极金属714同时与发射区713及P-基区715相连。器件背面结构是由第一导电类型的集电区719组成,其中,集电区719上依次为缓冲层718,在缓冲层718上分别由η柱区716和ρ柱区717间隔分布。
[0032]根据电荷平衡理论,P柱区和η柱区中的电荷量相等可以表示为Qp=Qn,Qp表示为P柱区717中的电荷量,其中,Qp=NaWp, Qn表示η柱区716中的电荷量,其中,Qn=NdWn。电荷平衡也可描述为:NaWp=NdWn。其中Na和Nd分别表示电荷量平衡时的P柱区717和η柱区716的掺杂浓度,Wp和Wn是P柱区717和η柱区716的宽度,Na’和Nd’分别表示电荷量不平衡时的P柱区717和η柱区716的掺杂浓度。
[0033]电荷不平衡:相对于电荷平衡而目,电荷不平衡也可描述为:NaWp古NdWn。为了便于说明,我们分为两种情况:①当Na’ Wp>Nd’ Wn时表示受主多于施主;②当Na’ Wp〈Nd’ Wn时施主多于受主。
[0034]实施例1:
[0035]先通过传统的制造工艺制造电平欠平衡的超结结构,将超结器件的一端与测试设备相连,该测试设备检测该超结器件中P柱区的电荷量和η柱区中的电荷量, [0036]其中,Na’ Wp>Nd’ Wn,说明ρ柱区717的电荷量大于η柱区716的电荷量,将需要掺杂的硅片、芯片或是封装好的器件放入核反应堆,进行整体的中子辐照嬗变掺杂掺杂。引入浓度为Nntd的施主杂质。这样,在ρ柱区由于杂质补偿,有效浓度减小,在η柱区杂质浓度增加,只要精确控制中子的剂量,就可以达到平衡(Na’ -Nntd)Wp= (Nd^ +NNTD)Wn。核反应堆辐照的中子没有固定的方向,在整个器件内部都成形成了均匀的嬗变掺杂叠加到原有的掺杂分布里。也可用有固定方向的中子源进行整体辐照,可以同时辐照,也可以扫描辐照,可以从任何方向进行辐照。
[0037]实施例2:
[0038]参见图2,先通过传统的制造工艺制造电平欠平衡的超结结构,将超结器件的一端与测试设备相连,该测试设备检测该超结器件中P柱区的电荷量和η柱区中的电荷量,其中,Na’Wp>Nd’Wn,说明ρ柱区717的电荷量大于η柱区716的电荷量,可以利用中子束720对掩膜进行局部的嬗变掺杂,辐射区域为722,只在η柱区716引入浓度为Nntd的嬗变掺杂。辐照吸收材料制作的掩膜721的边界与第一导电类型区域717的边界对应。这样辐照的区域为第二导电类型区域716全部。通过精确控制辐照的剂量从而达到电荷平衡,也就是Na’ Wp= (Nd’ +Nntd) Wn。 [0039]实施例3:
[0040]参见图3,先通过传统的制造工艺制造电平欠平衡的超结结构,将超结器件的一端与测试设备相连,该测试设备检测该超结器件中P柱区717的电荷量和η柱区716中的电荷量,其中,Na’Wp>Nd’Wn,说明ρ柱区717的电荷量大于η柱区716中的电荷量,可以用中子辐射嬗变掺杂进行局部的嬗变掺杂,通过掩膜的方式在N柱区716的某一部分(宽度为Wn^ ,可以在η柱区的任何位置)引入浓度为Nntd的嬗变掺杂。其中,辐照吸收材料制作的掩膜721的覆盖区域包括第一导电类型区域717的全部以及第二导电类型区域716的边缘部分。这样辐照的区域为第二导电类型区域716—部分,其辐射区域为722,720为中子束,通过精确控制辐照的剂量从而达到电荷平衡,也就是说Na’ Wp=NDj Wn+NNTDWn’。
[0041]实施例4:
[0042]参见图4,先通过传统的制造工艺制造电平欠平衡的超结结构,将超结器件的一端与测试设备相连,该测试设备检测该超结器件中P柱区的电荷量和η柱区中的电荷量,其中,Na’Wp>Nd’Wn,说明ρ柱区的电荷量大于η柱区中的电荷量,可以用中子辐射嬗变掺杂进行局部的嬗变掺杂,比如通过掩膜的方式或是直写的方式只在η柱区716和ρ柱区717的某一部分(在η柱区716的掺杂总宽度为Wn’,在ρ柱区的掺杂总宽度为Wn”,可以通过单侧的偏离或是两侧的扩展等多种方法实现以上所述的掺杂布局)引入浓度为Nntd的嬗变掺杂。其中,辐照吸收材料制作的掩膜721的覆盖区域包括第一导电类型区域717的一部分以及第二导电类型区域716的边缘的一部分。这样辐照的区域为第一导电区域的一部分和第二导电类型区域716 —部分,720为中子束,722为辐射区域。通过精确控制辐照的剂量从而达到电荷平衡,也就是Na’ Wp-NNTDWn” =ND’ Wn+NNTDWn’。
[0043]实施例5:
[0044]参见图5,先通过传统的制造工艺制造电平欠平衡的超结结构,将超结器件的一端与测试设备相连,该测试设备检测该超结器件中P柱区的电荷量和η柱区中的电荷量,其中,NA’ Wp>ND’ Wn,也就是说,ρ柱区的电荷量大于η柱区中的电荷量,可以用中子辐射嬗变掺杂进行横向的局部的嬗变掺杂,比如通过掩膜的方式或是直写的方式只在超结结构层的全部或某一部分引入浓度为Nntd的嬗变掺杂。可以在ρ柱区717和η柱区716中都引入杂质,也可以只在η柱区716的全部或部分引入杂质,还可以在ρ柱区717的部分与η柱区716的部分或全部引入杂质。其中,辐照吸收材料制作的掩膜721的覆盖区域包括器件的正面部分和背面部分,720为中子束,722为辐射区域。这样辐照的区域为中间的超结部分。通过精确控制辐照的剂量从而达到电荷平衡。
[0045]以上五个具体的实例是本发明思想的具体体现。它们共同的思想为:对于Na’Wp>Nd’Wn的超结结构,也就是说,针对于ρ柱区的电荷量大于η柱区中的电荷量的超结结构,可以引入掺杂总量为Qn=Na’ Wp-NdJ Wn的施主掺杂。这些掺杂可以均匀地引入到整个半导体中,也可以只引入到超结结构部分。可以在P柱区与η柱区中都引入,也可以只在η柱区的全部或部分引入,还可以在ρ柱区的部分与η柱区的全部或部分引入。一般情况下在P柱区中引入施主掺杂的话会发生掺杂的补偿效应,从而对器件的性能有所减低。
[0046]同理:对于Na’Wp〈Nd’Wn的超结结构,我们可以引入掺杂总量为Qp=Nd’ Wn-Na’ Wp的受主掺杂。可以经过高能光子嬗变可以形成P型的杂质。这些掺杂可以均匀地引入到整个半导体中,也可以只引入到超结结构部分。可以在P柱区与η柱区中都引入,也可以只在P柱区的全部或部分引入,还可以在η柱区的部分与ρ柱区的全部或部分引入。一般情况下在η柱区中引入施主掺杂的话会发生掺杂的补偿效应,从而对器件的性能有所减低。
[0047]对于其它材料的半导体也可以通过这种思想到制作高度电荷平衡的超结器件。先得到电荷不平衡的超结结构,然后通过中子嬗变或是光致嬗变在半导体中通过各种方式全部或部分引入特定剂量的杂质,从而形成高度电荷平衡的超结器件。
[0048]辐射剂量的控制可以通过反馈控制,边辐照边检测器件参数的变化,通过参数的变化规律综合判断出所需的辐照剂量。可以在晶圆出通过探针引出引线接入到测试设备去检测部分样品芯片的参数,实时检测超结器件中P柱区的电荷量和N柱区中的电荷量,同时,根据超结器件中P柱区的电荷量和η柱区中的电荷量的变化差,通过半导体嬗变掺杂方法将一定量的施主掺杂引入所述超结器件。
[0049]另外,也可以先将所述超结器件进行封装,将封装后的管子整体掺杂,根据管子的P柱区的电荷量和η柱区中的电荷量的变化差,通过半导体嬗变掺杂方法将一定量的施主掺杂引入超结器件,通过检测少数样品管的参数事确实最优的辐照剂量。
[0050]对于某些核反应,可能半衰期比较长,可以根据超结器件中P柱区的电荷量和η柱区中的电荷量的变化差,通过半导体嬗变掺杂方法将一定量的施主掺杂引入超结器件,待超结器件冷却后,再次检测超结器件中P柱区的电荷量和η柱区中的电荷量,然后再根据超结器件中P柱区的电荷量和η柱区中的电荷量的变化差,通过半导体嬗变掺杂方法将一定量的施主掺杂引入超结器件,使超结器件中的P柱区的电荷量和η柱区中的电荷量相等。这样情况下需要在辐照 冷却后再进行器件参数测量,宜通过多次辐照,逐渐逼近平衡状态。
[0051]在掺杂调节过程中,如果由于控制不当造成实际的掺杂剂量多于需要的掺杂剂量,从而又使超结的电荷向另一个方向偏离。这时可以通过另一种辐照,嬗变掺杂形成相反类型的掺杂,对多余的掺杂进行补偿,从而使其再次达到电荷平衡状态。
[0052]经过本发明的方法后,由于在半导体材料中产生了缺陷,故载流子的寿命会大大下降,加快了器件的工作速度。也就是在辐照掺杂的同时进行了寿命控制。
[0053]本发明不局限于某一种特定的器件或特定的材料。实际上所有的超结器件和所有的材料都可以用本发明的方法制造出精确的电荷平衡结构。超结器件为超结二极管、超结
VDMOS或超结IGBT中的任--种。最初的电荷不平衡结构可以是人为提前控制好的,比如
通过控制制造出Na’Wp>Nd’Wn (或是Na’Wp〈Nd’Wn)结构。也可以是本来计划要形成电荷平衡的结构,但由于工艺的精度或不稳定性,最终导致Na’Wp ^ Nd’Wn,至于Na’Wp>Nd’Wn (或是Na’Wp〈Nd’Wn)都无所谓,或者还不知道施主总量和受主总量哪个更多。无论是怎么得到的电荷不平衡结构,本发明都可以通过各种嬗变掺杂使其恢复电荷平衡。后期的嬗变掺杂可能是在形成不平衡结构的任何阶段实现,可以对硅片掺杂,也可以对已经封装好的芯片进行掺杂,还可能在其它阶段。由于嬗变掺杂的辐照粒子的穿透性非常强,故从制作出器件后到封装的任何阶段进行辐照掺杂。
[0054]最后所应说明的是,以上【具体实施方式】仅用以说明本发明的技术方案而非限制,尽管参照实例对本发明进行了详细说明,本领域的普通技术人员应当理解,可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换,而不脱离本发明技术方案的精神和范围,其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
【权利要求】
1.一种高度电荷平衡超结器件的制作方法,其特征在于,通过半导体嬗变掺杂方法,控制嬗变掺杂的辐照剂量,将施主或受主杂质引入所述超结器件,使所述超结器件中的P柱区的电荷量和η柱区中的电荷量相等。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述控制嬗变掺杂的辐照剂量的方法为:把制备的超结器件的一端与测试设备相连,所述测试设备根据所述超结器件的特性变化判断所述超结器件中P柱区的电荷量和η柱区中的电荷量,
3.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述引入超结器件的方法为: 通过中子辐射嬗变掺杂或者光致嬗变对所述超结器件所在的半导体进行辐照。
4.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述引入超结器件的方法为: 对所述超结器件的P柱区引入、对所述超结器件的η柱区引入或者对所述超结器件中的P柱区和η柱区部分或全部区域引入。
5.根据权利要求3述的方法,其特征在于,对所述超结器件所在的半导体进行辐照的方法包括通过掩膜的方式或者直写的方式。
6.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述使超结器件中的P柱区的电荷量和η柱区中的电荷量相等的方法为: 在对所述超结器件进行半导体嬗变掺杂时,实时调整所述超结器件中P柱区的电荷量和η柱区中的电荷量。
7.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述使超结器件中的P柱区的电荷量和η柱区中的电荷量相等的方法还包括: 先将所述超结器件进行封装,然后将封装后的管子整体半导体嬗变掺杂掺杂,再调整所述超结器件中P柱区的电荷量和η柱区中的电荷量。
8.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述使超结器件中的P柱区的电荷量和η柱区中的电荷量相等的方法还包括: 根据所述超结器件中P柱区的电荷量和η柱区中的电荷量,通过半导体嬗变掺杂方法将一定量的施主或受主杂质掺杂引入所述超结器件,待所述超结器件冷却后,再次检测所述超结器件中P柱区的电荷量和η柱区中的电荷量,根据所述超结器件中P柱区的电荷量和η柱区中的电荷量,再次通过半导体嬗变掺杂方法将一定量的施主掺杂或受主杂质掺杂引入所述超结器件,直至使所述超结器件中的P柱区的电荷量和η柱区中的电荷量相等。
9.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述超结器件为超结二极管、超结VDMOS或超结IGBT中的任 种。
【文档编号】H01L21/261GK103681262SQ201210345433
【公开日】2014年3月26日 申请日期:2012年9月17日 优先权日:2012年9月17日
【发明者】张文亮, 朱阳军, 王波, 褚为利, 谈景飞, 陈宏
申请人:中国科学院微电子研究所

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