半导体器件及其制作方法与流程

1.本说明书涉及半导体器件及其制作方法。


背景技术：

2.在各种类型的高功率场景中可能需要半导体器件，诸如在电动车辆或太阳能场景中。此类半导体器件可具有各种类型的操作和/或制造约束。例如，除了提供高功率电平之外，可能要求此类半导体器件提供快速切换、低功率损耗、高等级的可靠性(例如，避免过热)、和成本高效的制造。


技术实现要素：

3.根据一个一般性方面，一种半导体器件可包括背侧触点、与所述背侧触点相邻的衬底、以及形成在所述衬底上并具有随着与所述衬底的距离增大而减小的渐变掺杂分布的外延场阑区。所述半导体器件可包括与所述外延场阑区相邻的外延漂移区、以及形成在所述外延漂移区上的前侧器件。
4.根据另一一般性方面，一种半导体器件可包括背侧触点、和与所述背侧触点相邻并且具有第一导电类型的掺杂的衬底。所述半导体器件可包括形成在所述衬底上并且具有随着与所述衬底的距离增大而减小的第二导电类型的渐变掺杂分布的外延场阑区、与所述外延场阑区相邻并且具有所述第二导电类型的基本上均匀的掺杂分布的外延漂移区、以及形成在所述外延漂移区上的前侧器件。
5.根据另一一般性方面，一种制造半导体器件的方法可包括在衬底上执行至少一个外延生长工艺，以获得在所述衬底上的外延场阑区和在所述外延场阑区上的外延漂移区。所述方法还可包括执行前侧处理以在所述外延漂移区上形成至少一个前侧器件。
6.一个或多个实施方式的细节在附图和以下描述中阐明。其他特征将从说明书和附图中以及从权利要求书中显而易见。
附图说明
7.图1是具有外延场阑区的半导体器件的简化视图。
8.图2是图1的半导体器件的更具体示例性具体实施。
9.图3是例示可在图1和图2的示例中使用的第一示例性掺杂分布的图示。
10.图4是例示可在图1和图2的示例中使用的第二示例性掺杂分布的图示。
11.图5是例示可用于获得图3和图4的示例性掺杂分布的中间掺杂分布的图示。
12.图6是例示用于制造图1和图2的示例性半导体器件的第一示例性制造过程的流程图。
13.图7是例示用于制造图1和图2的示例性半导体器件的第二示例性制造过程的流程图。
14.图8是与常规示例相比例示示例性具体实施的示例性集电极-发射极电压和集电
极电流的示例性图示。
具体实施方式
15.许多高功率半导体器件利用例如被设计为通过阻挡器件的高关断状态电场或以其它方式管理器件的关断状态行为来促进器件的期望击穿电压的漂移区。尽管提供这些和其它优点，但是此类漂移区也表现出许多缺点。
16.例如，漂移区表现出抑制对应器件的所期望导通行为的比导通电阻(r
on-_sp
)。可能通过改变漂移区的物理特性(例如，其大小或掺杂分布)或器件的物理特性(例如，减小器件通道长度)来降低r
on_sp
，但是这样做可能直接导致其它设计困难，诸如总体更大的器件、增大的器件电容、或漂移区的所期望优点(诸如击穿电压控制)的降低。
17.为了便于这些和其它器件约束，一些器件包括场阑层，例如，与漂移区相邻并且远离器件区。此类器件中的场阑层可比轻掺杂的漂移区更重地掺杂，并且可能使器件的关断状态电场在到达场阑层时突然下降。
18.然而，在常规场阑器件中，试图以期望的方式形成此类场阑层是困难的并且是昂贵的。例如，常规场阑层可利用离子注入工艺来被掺杂，离子注入工艺通常是高能量、高成本工艺。
19.为了促进离子注入，可使用薄化晶片。然而，利用薄化晶片加剧制造成本，因为例如，需要更昂贵的晶片处理工具，并且薄化晶片更可能由于制造缺陷而损失，诸如翘曲和断裂。
20.另外，常常利用高能量质子注入来执行离子注入，高能量质子注入如上文所提及是昂贵的工艺，需要专门的装备以及制造设施内专用空间的量。由于半导体制造朝向更大晶片尺寸移动，例如从200mm到300mm，所以需要甚至更大、更高能量的注入机器，使得高能量质子注入变得甚至更昂贵。
21.此外，即使有此类装备可用，此类高能量离子注入也导致不规则的掺杂分布，例如，在所得场阑层内具有掺杂浓度的峰和谷。尽管可能在理论上可能通过退火工艺扩散此类峰和谷，但是此类退火工艺不可供用于在常规制造场景中使用。例如，在常规制造工艺中，如上文所提及，在进行高能量质子注入工艺之前，晶片已被薄化，并且前侧器件处理已经完成。
22.因此，刚刚提到的常规器件的类型的场阑掺杂分布的峰和谷可能降低所提供的场阑层的功效。例如，所得器件的切换速度可能受到负面影响，如下文更详细地例如相对于图8所讨论的。
23.本公开描述了外延场阑区，其可在外延漂移区之前并且结合外延漂移区、并且在前侧器件处理之前形成。也就是说，所描述的具体实施包括此类外延场阑区，并且不需要使用注入的衬底部分或层来提供场阑区。
24.外延场阑区可形成有渐变掺杂分布，这有助于关断状态电场的平滑、迅速和完全阻挡，同时维持快速切换速度。外延场阑区可在晶片薄化之前、并且在前侧器件处理之前形成，使得可结合此类前侧处理执行任何期望或必要的退火过程，并且如果需要的话，获得外延场阑区的掺杂分布的平滑渐变。
25.因此，所得场阑使得能够实现平滑和突然的电场阻挡、以及击穿电压(bv)控制。此
外，所描述的外延场阑区提供改进的切换性能。此外，相关的制造过程可以高效、成本高效的方式执行。
26.另外，仍然可执行质子注入。然而，如下所述，所描述的技术使得能够使用相对低能量、低花费的质子注入技术。所得注入可进一步增强外延场阑层的场阑效应，同时还促进和改进器件的欧姆接触。
27.在图1的示例中，半导体器件100被例示成包括背侧触点102、衬底104(其可以各种方式掺杂，如下文更详细所述)、外延区106、和前侧器件108。如进一步所示，外延区106包括外延场阑区106a和外延漂移区106b。
28.因为图1是许多不同类型的半导体器件的简化表示，所以应当理解，图1所例示的部件可利用各种类型的材料和/或结构来实施，并且不旨在按比例绘制。在图1的更详细或特定的具体实施中，各个层和部件可彼此以各种关系设置，并且可包括图1中未具体例示的各种附加或另选的层或其它部件。
29.因此，图1的半导体器件可代表多种不同类型的半导体器件。例如，图1的器件可代表快速恢复二极管(frd)。在其它示例中，图1的器件可代表各种类型的晶体管。例如，图2例示了场阑绝缘栅双极型晶体管(igbt)的更特定示例。
30.在图1中，外延场阑区106a可设置有渐变掺杂分布，如图3和图4中更详细地示出。例如，外延场阑区106a的掺杂分布可在从前侧器件108朝向衬底104的方向上连续地或线性地增大通过外延场阑区106a的至少一部分。
31.如上所提及并且如下文关于图3至图7更详细地描述，可使用多种技术来获得此类渐变掺杂分布的多个版本。例如，外延场阑区106a可结合对流速、温度和产生渐变掺杂分布所需的其它参数的对应调节而在衬底104上生长。
32.在其它示例中，如关于图5所描述，外延场阑区106a最初可利用多个离散外延/掺杂步骤形成，从而产生多个掺杂峰。然而，在此类具体实施中，随后的退火工艺(诸如可在前侧器件108的前侧处理期间发生)可导致外延场阑区106a内的期望掺杂剂扩散，并且得到外延场阑区106a内的平滑、连续和/或线性掺杂分布。也如本文所述，此类退火被促进，因为外延场阑区106a可在衬底104的薄化之前并且在完成前侧器件108的前侧处理之前形成。
33.图2是图1的半导体器件的更特定示例性具体实施，其中前侧器件108被实施为igbt。图2的示例性实施方案包括集电极触点202和形成在衬底204中的集电极。可利用适当掺杂的浮区(fz)或磁性czochralski(mcz)衬底来提供集电极。
34.图2的示例性实施方案还包括外延区206。外延区206包括外延场阑区206a和外延漂移区206b。外延漂移区206b可形成为n-外延层以实施igbt的漂移区。如上文关于图1所提及，并且如下文例如关于图3进一步详细说明，外延场阑区206a可设置有在朝向衬底204的方向上连续地、线性地或平滑地增大的渐变掺杂分布，通过外延场阑区206a的至少一部分。
35.此外，在图2中，前侧器件208被例示为igbt。举例来说，杂质可选择性地扩散以形成p

基区210，并且n

发射极区212可形成在n-外延漂移区206b的表面区域上的p

基区210中。栅电极216形成在栅极绝缘层218上以提供控制栅极。如图所示，所得控制栅极设置在p

基区210和n

发射极区212的部分上方，并且在n-外延漂移区206b的表面区域上。控制栅极可用于形成通道，所述通道承载用于导通和关断所述器件的控制电流。发射极电极214形成为与p

基区210和n

发射极区212接触。
36.图3例示了可在图1和图2的示例中使用的示例性掺杂分布。在图3中，衬底304代表图1的衬底104或图2的衬底204的示例。类似地，前侧器件308代表图1的前侧器件108或图2的前侧器件208(igbt)的示例。
37.类似地，外延区306代表图1的外延区106或图2的外延区206的更详细的示例。因此，外延场阑区306a代表图1的外延场阑区106a或图2的外延场阑区206a的更详细的示例。外延漂移区306b代表图1的外延漂移区106b或图2的外延漂移区206b的示例。
38.如图所示，外延场阑区306a设置有渐变掺杂分布310，其在该示例中从外延漂移区306b线性地增大到衬底304，或换句话说，在外延漂移区306b的方向上随着与衬底304的距离增大而线性地减小。在各种示例中，渐变掺杂分布310的斜率和最大掺杂浓度可被调节到任何期望值。如图3所示，外延漂移区的掺杂浓度在外延漂移区306b内可为基本上均匀的，并且可等于或小于外延场阑区306a的最低掺杂浓度。
39.图4示出了外延区406包括外延场阑区406a和外延漂移区406b的示例性具体实施。如图所示，外延场阑区406a包括渐变掺杂分布410，类似于图3的渐变掺杂分布310，并且还包括邻近衬底304的质子注入物412。
40.外延场阑区406的所得掺杂浓度可在两步过程中获得，如下文关于图6和图7所示。例如，可使用用于产生图3的渐变掺杂分布310的技术，然后进行附加的质子注入工艺以添加质子注入物412。
41.如上所述，质子注入物412可提供漂移区电场的附加阻挡，同时还改善欧姆接触特性。尽管常规场阑衬底层可包含质子注入物，但是如上所述，此类质子注入物形成在衬底中并且不在外延生长区域内。此外，此类常规质子注入物需要上文提及的更昂贵、更高能量的工艺，而质子注入物412可利用较低成本的较低能量的装备来作为浅注入物实施。
42.图5是例示可用于获得图3和图4的示例性掺杂分布的中间掺杂分布的图示。如上所述，可利用单步外延生长工艺来获得图3的渐变掺杂分布310，其中根据需要调制和调节各个工艺参数(例如，流速或温度)以获得所得渐变掺杂分布310。
43.然而，在其它示例性具体实施中，可实施多步外延生长工艺，其中使用离散的工艺步骤依次形成尖峰掺杂分布508的较小掺杂峰508a、508b、508c。与在单个外延生长工艺期间连续地改变掺杂分布以获得相应的连续渐变掺杂分布的技术相比，此类具体实施可更容易且更成本高效地实施。
44.然后，在前侧器件308的后续前侧处理期间，尖峰掺杂分布508可经历前侧器件308的退火工艺。因此，在也包括外延漂移区506b的外延区506的外延场阑区506a内，尖峰掺杂分布508可扩散成本文所述并且在图3和图4的示例中示出的连续、线性和/或平滑的渐变掺杂分布的类型。
45.在其它示例性具体实施中，前侧器件308的退火工艺可能不将尖峰掺杂分布508完全扩散成线性掺杂分布。在此类示例中，外延场阑区506a的渐变掺杂分布可随着与衬底304的距离增大而阶梯式减小。尽管峰508a、508b、508c的宽度在图5的示例中是相同或类似的，但是在各种示例中，阶梯宽度也可以不同。
46.也就是说，例如，尖峰掺杂分布508可扩散成图3的渐变掺杂分布310。在其它示例性具体实施中，可提供渐变掺杂分布410，然后可随后添加质子注入物412以获得图4的外延场阑区406a。
47.图6是例示用于制造图1和图2的示例性半导体器件的第一示例性制造过程的流程图。在图6的示例中，提供mcz衬底(602)。例如，mcz衬底可以是300mm mcz衬底。如上所述，也可使用fz衬底或其它合适的衬底。
48.然后可在mcz衬底上执行渐变外延生长工艺(604)。例如，如上所述，外延生长处理配方可在正在进行处理时调节，使得所得的渐变掺杂分布随着外延场阑区(例如，图3的外延场阑区306a)在mcz衬底上生长而持续减小。
49.然后可执行前侧处理(606)。例如，可形成图2的器件208或任何合适的器件。此类前侧处理可包括退火步骤，其如上文所提及并且如下文相对于图7更详细地描述可促进掺杂剂在所得外延场阑区中的扩散。
50.然后可执行mcz衬底的背侧磨削(608)。例如，mcz衬底可被薄化到小于100微米，例如到65-75微米。
51.在图6的示例中，可执行浅质子注入物(610)。例如，质子注入物可在例如400kev或更小的能级执行。在其它具体实施中，可使用其他注入物，诸如磷。在一些具体实施中，如上所述，可省略浅质子注入物。
52.可形成背侧结(612)。例如，背侧发射极可由薄化mcz衬底的背侧表面形成。更一般地，可执行任何合适或期望的背侧处理。
53.可执行激光退火(614)。例如，可使用激光退火来完成或优化先前的背侧处理。
54.然后可提供背金属(616)。例如，可提供图1的背侧触点102或图2的集电极触点202。
55.图7是例示用于制造图1和图2的示例性半导体器件的第二示例性制造过程的流程图。如图所示，图7大体上类似于图6的示例，区别在于，在提供mcz衬底(702)之后，可执行多层或多步外延生长工艺(704)，如上文关于图5所示和所述。
56.也就是说，例如，可生成图5的尖峰掺杂分布508。如所描述的，此类尖峰掺杂分布可类似于现有方法中的常规质子注入物分布，但在图7的示例中发生在外延场阑区内(例如，在图5的外延场阑区506a内，并且不作为掺杂衬底层)作为中间步骤。
57.然后，在执行前侧处理(706)时，并且在执行背侧磨削(708)之前，在前侧处理期间发生的退火可用于扩散尖峰掺杂分布508以获得连续、线性和/或平滑渐变分布，诸如图3的渐变曲线310。在其它具体实施中，在前侧处理之后，外延场阑区506a的渐变掺杂分布可随着与衬底的距离增大而阶梯式减小。
58.然后，如果包括的话，则可执行浅质子注入工艺(710)。可形成背侧结(712)，然后进行激光退火(714)。最后，在图7的示例中，可提供合适的背侧金属(716)。
59.图8是与常规示例相比例示示例性具体实施的示例性集电极-发射极电压和集电极电流的示例性图示。在图8中，集电极-发射极(ce)电压vce 802和集电极-发射极(ce)电压vce 804例示在常规器件中提供过冲电压的峰值电压，并且可导致时间窗808内的切换损失。根据本文所述的各种实施方案，vce 810例示降低的峰值电压和在dv/dt控制方面的对应改进和在切换方面的改进。
60.类似地，集电极电流812和814对应于vce 802和804(即，在对应器件内)，而集电极电流816例示根据本文描述的各种实施方案的集电极电流。所描述的实施方案的相对平滑的ic和相应减小的dic/dt也与经改进的切换相关。
61.因此，所描述的技术使得能够实现减小的耗尽区扩展和耗尽区外载体的增强的重组，由此减小在关断期间的vpeak和更好的dv/dt控制。当与现有方法相比时，耗尽区外的此类载体重组还提供更好的dic/dt控制。较低的电压尖峰有助于避免动态雪崩模式或振荡问题，从而导致改进的切换。所描述的方法可应用于所有合适的高电压器件和许多不同的高电压应用，同时消除对高成本质子注入工艺的需要。
62.根据一些一般性方面，一种半导体器件包括背侧触点、和与所述背侧触点相邻的衬底。所述半导体器件包括形成在所述衬底上并且具有随着与所述衬底的距离增大而减小的渐变掺杂分布的外延场阑区、与所述外延场阑区相邻的外延漂移区、以及形成在所述外延漂移区上的前侧器件。
63.在示例性具体实施中，所述外延漂移区可具有基本上均匀的掺杂分布。所述外延漂移区和所述外延场阑区可具有第一导电类型的掺杂，并且所述衬底可具有第二导电类型的掺杂。所述外延场阑区可包括邻近所述衬底的质子注入物。所述前侧器件可包括绝缘栅双极型晶体管(igbt)。所述前侧器件可包括快速恢复二极管(frd)。所述渐变掺杂分布可随着与所述衬底的距离增大而线性地减小。所述渐变掺杂分布可随着与所述衬底的距离增大而阶梯式减小。
64.根据一些一般性方面，一种半导体器件可包括背侧触点、和与所述背侧触点相邻并且具有第一导电类型的掺杂的衬底。所述半导体器件可包括形成在所述衬底上并且具有随着与所述衬底的距离增大而减小的第二导电类型的渐变掺杂分布的外延场阑区。所述半导体器件可包括与所述外延场阑区相邻并且具有所述第二导电类型的基本上均匀的掺杂分布的外延漂移区、以及形成在所述外延漂移区上的前侧器件。
65.在示例性具体实施中，所述外延场阑区可包括邻近所述衬底的质子注入物。所述渐变掺杂分布可随着与所述衬底的距离增大而线性地减小。所述渐变掺杂分布可随着与所述衬底的距离增大而阶梯式减小。
66.根据一些一般性方面，一种制造半导体器件的方法可包括在衬底上执行至少一个外延生长工艺，以获得在所述衬底上的外延场阑区和在所述外延场阑区上的外延漂移区。所述方法可包括执行前侧处理以在所述外延漂移区上形成至少一个前侧器件。
67.在示例性具体实施中，执行所述至少一个外延生长工艺可包括在所述外延场阑区内形成随着与所述衬底的距离增大而线性地减小的渐变掺杂分布。形成所述渐变掺杂分布可包括将所述至少一个外延生长工艺作为单个外延生长工艺执行，其中工艺参数被调节以获得所述渐变掺杂分布。形成所述渐变掺杂分布可包括将所述至少一个外延生长工艺作为多步外延生长工艺执行以获得所述外延场阑区内的掺杂峰、以及在所述前侧处理期间执行扩散所述掺杂峰并由此提供所述渐变掺杂分布的退火工艺。所述外延场阑区和所述外延漂移区可具有第一导电类型的掺杂，并且所述方法可包括执行背侧注入工艺来为所述衬底提供第二导电类型的掺杂。所述外延场阑区和所述外延漂移区可具有第一导电类型的掺杂，并且所述方法还可包括执行背侧注入工艺以在所述外延场阑区的邻近所述衬底的区域中注入所述第一导电类型的掺杂剂。所述背侧注入工艺可包括以大约400kev或更小执行的质子注入。所述方法可包括在所述前侧处理之后执行背侧磨削工艺以使所述衬底薄化。
68.应当理解，在前述描述中，当元件诸如层、区域、衬底或部件被提及为在另一个元件上，连接到另一个元件，电连接到另一个元件，耦接到另一个元件，或电耦接到另一个元
件时，元件可以直接地在另一个元件上，连接到或耦接到另一个元件上，或者可以存在一个或多个中间元件。相反，当元件被提及直接在另一个元件或层上、直接连接到另一个元件或层、或直接耦接到另一个元件或层时，不存在中间元件或层。虽然在整个具体实施方式中可能不会使用术语直接在
…
上、直接连接到
…
、或直接耦接到
…
，但是被示为直接在元件上、直接连接或直接耦接的元件能以此类方式提及。本技术的权利要求书(如果存在的话)可被修订以叙述在说明书中描述或者在附图中示出的示例关系。
69.如在本说明书和权利要求书中所使用的，除非根据上下文明确地指出特定情况，否则单数形式可包括复数形式。除了附图中所示的取向之外，空间相对术语(例如，在
…
上方、在
…
上面、在
…
之上、在
…
下方、在
…
下面、在
…
之下、在
…
之以下等)旨在涵盖装置在使用或操作中的不同取向。在一些具体实施中，在
…
上面和在
…
下面的相对术语可分别包括竖直地在
…
上面和竖直地在
…
下面。在一些具体实施中，术语邻近能包括横向邻近或水平邻近。
70.一些具体实施可使用各种半导体处理和/或封装技术来实现。一些实施方式可使用与半导体衬底相关联的各种类型的半导体处理技术来实现，该半导体衬底包含但不限于，例如硅(si)、砷化镓(gaas)、氮化镓(gan)、碳化硅(sic)等。
71.虽然所描述的具体实施的某些特征已经如本文所述进行了说明，但是本领域技术人员现在将想到许多修改形式、替代形式、变化形式和等同形式。因此，应当理解，所附权利要求书旨在涵盖落入具体实施的范围内的所有此类修改形式和变化形式。应当理解，这些修改形式和变化形式仅仅以举例而非限制的方式呈现，并且可以进行形式和细节上的各种变化。除了相互排斥的组合以外，本文所述的设备和/或方法的任何部分可以任意组合进行组合。本文所述的具体实施可包括所描述的不同具体实施的功能、部件和/或特征的各种组合和/或子组合。
72.虽然所描述的具体实施的某些特征已经如本文所述进行了说明，但是本领域技术人员现在将想到许多修改形式、替代形式、变化形式和等同形式。因此，应当理解，所附权利要求旨在涵盖落在实施方案的范围内的所有此类修改和变化。