调整在双极半导体器件中的电荷载流子寿命的制作方法
【技术领域】
[0001] 本公开通常涉及调整电荷载流子寿命，且更具体地涉及调整在双极功率半导体器 件中的少数电荷载流子寿命。
【背景技术】
[0002] 双极功率半导体器件，诸如例如功率二极管、功率IGBT或功率晶闸管包括第一导 电类型(掺杂类型）的第一发射极区、第二导电类型的第二发射极区和第一导电类型的基极 区（常常被称为漂移区)。通常，基极区具有比第一和第二发射极区中的每一个低的掺杂浓 度。
[0003] 可在两个不同的操作状态，即导电状态(导通状态）和阻断状态(断开状态）中操作 双极功率半导体器件。在导电状态中，第一发射极区将第一导电类型的电荷载流子注入到 基极区中，而第二发射极区将第二导电类型的电荷载流子注入到基极区中。通过第一和第 二发射极注入到基极区中的这些电荷载流子在基极区中形成电荷载流子等离子体。
[0004] 当双极功率半导体器件从导电状态切换到阻断状态中时，这些电荷载流子从基极 区移除。出现在从导电状态到阻断状态的过渡阶段中的损耗取决于在半导体器件开始从导 电状态切换到阻断状态之前多少电荷载流子存在于基极区中，而电荷载流子的数量越高， 损耗就越高。基本上，可通过调整电荷载流子寿命、特别是少数电荷载流子寿命来调整电荷 载流子的数量，少数电荷载流子寿命是少数电荷载流子复合所花费的平均时间。少数电荷 载流子寿命越短，即少数电荷载流子复合得越快，在从导电状态切换到阻断状态的时间在 基极区中的电荷载流子的数量就越低。然而，当电荷载流子寿命降低时，导电损耗(其为在 导电状态中出现在双极功率半导体器件中的损耗）增加。
[0005] 当双极功率半导体器件从导电状态切换到阻断状态时，耗尽区在基极区和第二发 射极区之间的pn结处开始在基极区中扩展。通过此，从基极区移除形成电荷载流子等离子 体的电荷载流子；这被称为反向恢复。在反向恢复期间，有在第一和第二发射极区之间流 动的反向恢复电流。这样的反向恢复电流由来自基极区的电荷载流子的移除引起。这个电 流最终下降到零，因为电荷载流子已经被移除或复合。这个反向恢复电流的斜率在它趋向 于零时限定部件的柔和度。斜率越陡，半导体器件的反向恢复行为(切换行为）就越不"柔 和"。然而，柔和的行为是期望的，因为陡斜率可引起在连接到半导体器件的寄生电感中的 电压过冲，和/或可引起在半导体器件被使用的电路中的振荡或振铃。
[0006] 可通过在切换过程即将结束之际耗尽的基极区的那些区中有"电荷载流子库层" 来得到柔和的反向恢复行为，其中这个电荷载流子库层在切换过程即将结束之际馈送反向 恢复电流，以便使反向恢复电流到零的降低柔和。可通过在反向恢复过程即将结束之际耗 尽的基极区的那些区中有高电荷载流子寿命来得到这样的"电荷载流子库层"。
[0007] 因此需要适当地调整在双极半导体器件中的电荷载流子寿命以便有低切换损耗 和柔和的切换行为。
【发明内容】
[0008] -个实施例涉及一种方法。该方法包括经由第一表面将复合中心原子注入半导体 主体中，并使所注入的复合中心原子在第一扩散过程中在半导体主体中扩散。
[0009] 另一实施例涉及半导体器件。半导体器件包括具有第一表面和第二表面的半导体 主体、在第一表面和第二表面之间的区中的复合中心，其中在半导体主体的垂直方向上的 复合中心的轮廓包括从第一和第二表面中的每一个间隔开的最小值和至少一个最大值。在 至少一个最大值和最小值之间的比小于2〇〇。
【附图说明】
[0010] 下面参考附图来解释示例。附图用于说明某些原理，以便只示出理解这些原理所 必需的方面。附图并不按比例。在附图中，相同的参考符号指明相似的特征。
[0011] 图1A-1B示出用于生成在半导体主体中的复合中心以便调整电荷载流子寿命的 方法的一个实施例； 图2示出基于不同的工艺参数得到的在半导体主体中的复合中心的分布的两个实施 例； 图3示出在扩散温度之上在硅（Si)中的铂（Pt)的溶解度限制； 图4示出在图1A-1B中示出的方法的修改； 图5A-5B示出减小在半导体主体的一个表面的区中的复合中心浓度的一个实施例； 图6示出基于参考图5A-5B解释的方法而得到的在半导体主体中的复合中心分布； 图7A-7B示出用于提供在半导体主体的一个表面的区中的掺杂剂原子的方法的一个 实施例； 图8A-8B示出用于提供在半导体主体的一个表面的区中的掺杂剂原子的方法的另一 实施例； 图9示出基于图4B所示的半导体主体的二极管的一个实施例； 图10示出通过不同的过程得到的六个不同的二极管的正向电压； 图11示出二极管的一个实施例的正向电压的温度相关性； 图12示出二极管的另一实施例的正向电压的温度相关性； 图13示出复合中心原子的注入剂量和导致在二极管中的相同数量的复合中心的对应 扩散温度； 图14示出通过不同的工艺序列在半导体中得到的铂浓度； 图15示出在图1A-1B中示出的方法的修改； 图16示出在具有内部区和边缘区的半导体主体中实现的二极管的一个实施例； 图17示出在激光退火工艺中的半导体主体的垂直横截面视图；以及 图18示出通过不同的方法得到的三个掺杂区的掺杂轮廓。
【具体实施方式】
[0012] 在下面的详细描述中，对附图进行参考。附图形成描述的一部分且作为例证示出 本发明可被实践的特定实施例。应理解，本文所述的各种实施例的特征可彼此组合，除非另 外特别提到。
[0013] 图1A和1B示意性示出用于产生在半导体主体100中的复合中心以便调整电荷载 流子寿命的方法的一个实施例。特别是，该方法涉及调整在半导体主体100中的少数电荷 载流子寿命。半导体主体100包括第一表面101和与第一表面101相对的第二表面。图1A 和1B示出在该方法的不同方法步骤期间的半导体主体100的区段的垂直横截面视图。
[0014] 半导体主体100可包括常规半导体材料，例如硅（Si)、碳化硅（SiC)、氮化镓 (GaN)、砷化镓（GaAs)等。虽然图1A和1B只示出一个半导体主体100的一个区段，参考图 1A和1B解释的工艺步骤以及参考下面在本文的其它附图解释的工艺步骤可同时应用于多 个半导体主体，其为半导体晶片的部分。也就是说，这些工艺步骤可应用于包括多个半导体 主体的半导体晶片，其中半导体晶片可在制造过程结束时细分成多个半导体主体(管芯)。 根据另一实施例，一个晶片包括仅仅一个半导体主体(或由仅仅一个半导体主体组成)。
[0015] 半导体主体可包括基本掺杂，例如η型基本掺杂。例如，这个基本掺杂的掺杂浓度 在1Ε12 cm3和5Ε15 cm 3之间，特别是在1Ε13 cm 3和1Ε14 cm 3之间。引起基本掺杂的掺 杂剂原子是例如磷（P)原子。
[0016] 参考图1A，该方法包括经由第一表面101将复合中心原子注入到半导体主体100 中。注入复合中心原子可包括在整个第一表面101注入复合中心。根据参考下面在本文的 图15解释的另一实施例，注入复合中心原子包括覆盖第一表面101的区段的注入掩模的使 用，以便防止复合中心原子注入到这些区段中。根据一个实施例，注入复合中心包括将复合 中心直接注入第一表面101中。根据另一实施例，通过散射层200 (用虚线示出）注入复合 中心原子。散射层可在第一表面101 (如所示)上形成或可远离第一表面101 (未示出）。根 据一个实施例，散射层200包括氧化物，诸如例如氧化硅（Si02)。散射层200的厚度可以在 10纳米（nm)和50纳米（nm)之间。
[0017] 根据一个实施例，复合中心原子包括贵金属原子，诸如例如钼（Pt)原子、金(Au) 原子和钯（Pd)原子中的至少一个。复合中心原子注入到半导体主体100内多深取决于注入 能量。根据一个实施例，在10 keV和200 keV之间，特别是在120 keV和180 keV之间选 择注入能量。在图1A中，用参考符号110标记的虚线示出注入的范围的末端。也就是说， 虚线示出复合中心原子从第一表面101注入到半导体注入100内多深。在范围110的末端 和第一表面101之间的距离取决于注入能量，并在注入能量增加时增加。根据一个实施例， 注入剂量在1E11 cm2和1E14 cm 2之间，特别是在5E11 cm 2和5E13 cm 2之间。
[0018] 参考图1B，该方法还包括使所注入的复合中心原子在半导体主体100中扩散的第 一扩散过程。在这个扩散过程中，复合中心原子在第二表面102的方向上但也在第一表面 101的方向上扩散到范围的末端之外。此外，在扩散过程中，复合中心原子通过占据(单晶） 半导体主体100的空位而合并到替代部位上的晶格内，使得复合中心原子可充当电荷载流 子的复合中心。这进一步在下面被详细解释。
[0019] 在第一扩散过程之后复合中心原子的分布取决于工艺参数，例如注入剂量、扩散 温度和第一扩散过程的持续时间。根据一个实施例，扩散温度在650°c和950°C之间，且第 一扩散过程的持续时间在1小时和2小时之间。扩散温度在第一扩散过程期间可以是基本 上恒定的。根据另一实施例，扩散温度在第一扩散过程期间改变。
[0020] 图2示出在第一扩散过程之后在半导体主体100中的复合中心原子的分布的两个 示例。图2示出在半导体主体100的垂直方向X上复合中心原子的分布。参考图2,复合 中心原子的分布基本上是U形的。也就是说，在第一扩散过程之后，有在第一表面101 (其 对应于在图2中的垂直位置0)处的复合中心原子浓度的第一最大值和在第二表面102 (其 对应于在图2中的垂直位置d)处的复合中心原子的第二最大值，且有远离第一和第二表面 101、102的最小值。在第一表面101处的第一最大值和在第二表面102处的第二最大值中 的复合中心原子可基本上相同。
[0021] 图2示出在半导体主体100中的活性复合中心原子的分布。"活性复合中心原子" 是合并在半导体主体1〇〇的晶格中的那些复合中心原子，使得复合中心原子可充当半导体 主体100中的电荷载流子的复合中心。所注入的复合中心原子中的多少被激活主要取决于 在扩散过程中的温度。这参考两个示例来被解释。在这些示例的每一个中，铂（Pt)原子被 注入到具有500微米（Mm)的厚度的硅（Si)半导体主体内。注入剂量0^在这两个示例中 是5E12 cm2。在这两个示例中，在扩散过程中的扩散参数如下。
[0022] 示例 1 温度：800°C 持续时间：2小时 示例2 温度：900°C 持续时间：2小时 也就是说，这两个示例仅仅在扩散温度上是不同的，而其它参数例如扩散过程的持续 时间和注入剂量是相同的。
[0023] 在第一示例(示例1)中得到的复合中心原子（Pt原子）的分布由在图2中所示的 分布曲线201表示，以及在第二示例(示例2)中得到的复合中心原子的分布由在图2中所 示的分布曲线302表示。在第一示例中，在第一和第二表面10U102的区中的激活的复合 中心原子的最大浓度高于在第二示例中的。在第一示例中的最大浓度NE1是大约1E14 cm 3， 而在第二示例中的最大浓度NE2是大约5E14 cm 3。在第一和第二表面10U102处的复合中 心原子的这些最大浓度在下文中将被称为表面浓度。
[0024] 图2示出在对数标度上的复合中心原子的分布。如可从图2中看到的，在第二示 例（见曲线302)中的激活的复合中心原子的数量显著高于在第一示例（见曲线302)中的。 在第一示例中的较低扩散温度（800°C)下，只有大约13%的所注入的复合中心原子被激活， 而在第二示例中的较高扩散温度（900°C )下，基本上所有（100%)的所注入的复合中心原子 被激活。因此，在参考图1A和1B