专利名称：适于形成半导体结型二极管器件的半导体晶片及其形成方法
适于形成半导体结型二极管器件的半导体晶片及其形成方法 技术领域[OOOl]本发明涉及半导体制造。更具体地说，本发明涉及接近外延 (EPI)性质晶片的制造。技术背景
外延(EPI)性质晶片(下文中称作"EPI晶片")在本领 域中是众所周知的。术语"外延"被定义为在单晶衬底上生长的单晶 半导体膜。外延层具有与衬底材料相同的晶体学特性。在化学气相沉 积("CVD")反应器中当硅原子沉积到裸硅晶片上时，生成了单晶 外延结构。当精确地控制化学反应物和精确地设置系统参数时，沉积 的原子以充足的能量到达晶片表面上以在晶片表面到处运动并且使其 自身定向到晶片原子的晶体排列。
典型的EPI晶片包括提供非常低的电阻(通常低于约0.001欧姆/平方)的重掺杂的硅衬底以及在该衬底上外延生长的约1到3微米的EPI层。图1示出能够在其上形成半导体结型二极管器件的EPI晶片100的横截面图。EPI晶片包括硅衬底102和EPI层104。这种器件能够在瞬变到达并且潜在地损坏集成电路或类似结构之前用于抑制 在电源等中高电压的瞬变。
使用诸如图1所示的EPI晶片来形成半导体结型二极管器件 所产生的一个优势在于它的反向击穿电压VB主要由EPI层104的掺杂 剂浓度来控制，而器件的正向电压降由EPI晶片的总串联电阻来确定。 EPI晶片的总串联电阻又主要由衬底102的电阻来确定。由于EPI晶片 的衬底102通常具有低电阻，所以一般能够令人满意地保持低的器件 正向电压降。另一方面，如果采用非EPI晶片，则因为难以提供具有相对低的总串联电阻的非EPI晶片，所以正向电压一般会较大。
虽然EPI晶片呈现上述优势，但是EPI晶片的成本非常高。 传统的EPI晶片会达到每片约$50.00或更高。此外，虽然目前已经提 出了几种以较低成本获得EPI晶片的方法，但是提出的方法通常在某 些方面受到限制。例如，花费较少的方法仅能够提供厚度小于1微米 的EPI层。具有厚度小于1微米的EPI层使得在这些层上可以制作的 器件(例如二极管，晶体管)由于这些晶体管具有相对大的结电容而 在性能上受到限制。大的结电容的产生主要是因为EPI层很薄使得结 电容在重掺杂的衬底中延伸。
因此，期望提供一种相对便宜的半导体晶片，能够使用这种 晶片替代EPI晶片来形成具有可以在宽的值范围内定制的正向电压降 和反向击穿电压的半导体器件。发明内容
根据本发明，提供一种制作半导体晶片的方法，所述半导体 晶片用于制作具有目标正向电压降和目标反向击穿电压的半导体结型 二极管器件。所述方法首先用第一传导类型的第一掺杂剂通过背表面 来掺杂第一传导类型的半导体衬底，所述第一传导类型的第一掺杂剂 的量足以形成具有目标正向电压降的半导体结型二极管器件。接下来， 用第一传导类型的第二掺杂剂通过前表面来掺杂衬底，所述第一传导 类型的第二掺杂剂的量足以形成使得其具有目标反向击穿电压的半导 体结型二极管器件。
根据本发明的另一方面，掺杂步骤中的至少一个包括注入第 一掺杂剂和扩散第一掺杂剂。
根据本发明的另一方面，半导体衬底是非EPI衬底。
根据本发明的另一方面，半导体衬底是Si衬底。
根据本发明的另一方面，非EPI衬底具有的电阻率大于约 20欧姆/平方。
根据本发明的另一方面，通过背表面掺杂衬底的步骤形成第 一扩散层，所述第一扩散层的厚度大于由通过前表面掺杂衬底的步骤 所形成的第二扩散层的厚度。
根据本发明的另一方面，第一扩散层的厚度在约200 — 250 微米之间。
根据本发明的另一方面，第二扩散层具有的厚度小于约50 微米。
根据本发明的另一方面，通过前表面和背表面掺杂衬底的步 骤分别形成第一扩散层和第二扩散层，其中，第二扩散层具有的最大 传导率大于第一扩散层的最大传导率。
图1示出能够在其上形成半导体结型二极管器件的EPI晶片 的横截面图。[OOH]图2示出可以在此描述晶片上形成的半导体结型二极管器 件的一个示例。
图3示出可以用于本发明以制作诸如图2所示半导体结型器件的初始晶片的一个示例。
图4示出在通过晶片背面注入和扩散之后的掺杂剂浓度分布。
图5示出在通过晶片前面和背面均执行注入和扩散工艺之 后的晶片的掺杂剂浓度分布。
具体实施方式
下面参考附图来更全面的描述本发明，其中示出本发明的优 选实施例。但是本发明可以以许多不同的形式来实现，并且不将本发 明理解为限于在此所阐述的实施例；而是，提供该实施例，使得该公 开全面和完整，并且向本领域技术人员传达本发明的范围。
本发明的发明人认识到半导体结型二极管器件的正向电压 降在不使用相对昂贵的EPI晶片的情况下得到改善(即减小)。下面 将更详细地描述，使用经历两次扩散工艺的、不昂贵的、抛光的非EPI 晶 片，来代替EPI晶片。
图2示出可以在此所描述的晶片中形成的半导体结型二极 管器件(例如，齐纳二极管，晶闸管)的一个示例。器件20包括金属 接触7和9，具有阴极的上基极区2或由短路点6分隔开的发射极区4。 上基极区2是P+型传导性，而发射极区4是N++型传导性。短路点6 与上基极区2 —样是P+型传导性。发射极区4和短路点6耦合到金属 接触7。通过在N-型传导性的衬底1中进行注入和扩散来形成上基极2 和发射极区4。下基极或阳极区5形成在衬底1的下表面上，并且与金 属接触9接触。下基极区具有P+型传导性。
P型掺杂剂(例如，硼)将正电荷加入到半导体材料，而N 型掺杂剂(例如，磷)将负电荷加入到半导体材料中。可最优地，P++ 或N++型浓度大致包括"1019至"1021个原子/ 113的范围内，以及P十 和N+浓度大致包括"1015至lxlO^原子/cmS的范围内。掺杂剂浓度 的P-到P(或N-到N)范围大致包括lxlO"至lxlO"原子/cr^的范围。 区域中的浓度根据检测区域的深度而变化。因而，仅仅以近似的范围 来提供这些浓度。
图3示出可以用于本发明的以制作诸如图2所示的半导体结型器件的初始晶片200的一个示例。初始晶片200是商用的高电阻(例 如，大于20欧姆/平方)的非EPI硅晶片。根据要制作的所要得到的器 件，初始晶片可以是n型或p型。通常抛光晶片的前面202，以有利于 随后制作结型器件。为了减小晶片200的总电阻使得能够减小正向电压降，釆用 注入和扩散工艺以将掺杂剂驱入到晶片200的背面204中。被釆用的 掺杂剂具有与初始晶片200的传导性相同的传导性。即，在扩散工艺 中，如果初始晶片200最初是n型，则采用n型掺杂剂，并且如果采 用p型初始晶片200,则采用p型掺杂剂。为了尽可能远地将掺杂剂驱 入到晶片200的背面204中，可以在高扩散温度下采用相对长的扩散 工艺。尽管如此，实际地说，如果通常釆用的掺杂剂扩散工艺被使用， 则驱入深度一般落在约200到250微米之间，以提供低电阻率区208 (区域II)。因而，如果初始晶片200最初为约为250微米厚且驱入深 度为200微米，则将保持具有约50微米的厚度的高电阻率区206 (区 域I)。因此，晶片200的总厚度由掺杂剂通过晶片200的背面204的 扩散深度来限制。当然，如果采用能够驱入更大量的掺杂剂的其他注 入和/或扩散技术，则可以采用更厚的晶片。在执行上述注入和扩散工艺之后，晶片202具有在厚的p+ 层208上形成的薄的p层206 (或者，可替选地为n/n+层206和208)。 所得到的掺杂剂浓度分布示出在图4中。更厚的高浓度层208允许要 形成的结型器件具有相对低的正向电压降。然而，由于下面的原因， 薄的较低浓度层206，通常仅适合具有相对高的击穿电压(例如，大于 约600V)的结型器件，而不适合具有较低的击穿电压(例如，小于约 600V的电压)的结型器件，在所述较低浓度层206中能够形成图1A 器件的上基极2和发射极区4。击穿电压和掺杂剂浓度之间的关系可以通过考虑具有宽度 WO的简单PN结来确定。不受任何特定理论或模型约束的情况下，提出下面的分析以有助于理解本发明。例如《Solid State Electronics Devices》第5版(B. Streeman等著，Pearson教育公司出版，2004)中 第五章中讨论的内容，宽度为Wo的pn结上的接触电势Vo可以表示为
其中^是结上的电场。某个临界电场&下产生的击穿电压Va因而可以表示为
其中Wa表示器件击穿时的耗尽宽度，并且Wb〉Wo。如《Solid State Electronics Devices》中的公式(5-22)所示， 结的平衡宽度Wo可以表示为
因此<formula>formula see original document page 10</formula>
这里怂和A^分别表示受主离子和施主离子的掺杂浓度。因此，Vn可以表示为
在其中一边是更重掺杂(例如，P+N) 乂》义的单边突变 结的情况下，那么VB可以用下面的公式来很好的近似
，gc在本发明中pn结由薄的轻掺杂的层206和更重掺杂的较厚 层208来限定。因此，Nd代表层208中的施主离子的掺杂浓度，因此 其可以被称为晶片的体浓度。如在前公式所指出的，由于层206具有相对低的掺杂剂浓 度，所以得到的结型器件的击穿电压相对大。为了生产具有较低击穿 电压的结型器件，因此应该增加层206的掺杂剂浓度。这可以通过晶 片200的前面202进行的第二离子注入和扩散工艺来完成。通过晶片 200的前面202引入的掺杂剂具有与初始晶片200相同的传导性。在通 过对晶片200的前面和背面执行注入和扩散工艺之后的晶片200的掺 杂剂浓度分布示出在图5中。在第二离子注入和扩散工艺被执行后， 层206的较高掺杂剂浓度允许形成的结型器件具有较低的反向击穿电 压。通过上述方式控制层206的精确掺杂剂浓度，所得到的器件 的反向击穿电压可以按照需要来定制。此外，以上述方式，通过控制 初始晶片200的总掺杂剂浓度分布(即通过控制层208以及层206的 总惨杂剂浓度)，可以定制反向击穿电压，同时也可以得到低的正向 电压降。制作具有一些期望的目标反向击穿电压和正向电压降的器件 所需的特定掺杂剂浓度分布可以通过本领域技术人员熟知的、诸如仿 真等的技术来确定。同样，合适的掺杂剂、惨杂剂浓度和掺杂参数(例 如，注入能量、扩散时间和温度)对本领域技术人员来说都是公知的。示例半导体结型二极管器件分别形成在抛光的晶片上、本发明的晶片(经历了上述掺杂工艺的抛光晶片)以及Epi晶片上。所有晶片具有相类似的反向电压性能(VR 88V)。三个晶片都是200)Lim厚并具有n型传导性。抛光的晶片具有0.45欧姆/平方的电阻率。氧化硼被沉积在它的表面上并进行卯0分钟的驱入。本发明的晶片首先釆用具有电阻率为20欧姆/平方的初始衬底。氧化磷被沉积在它的背面上并进行6000分钟的驱入。以5.0X10"的剂量将磷注入到抛光的前表面上并进行4500分钟的驱入。最后，氧化硼被沉积在它的表面上并进行900分钟的驱入。EPI晶片开始是150|um厚、电阻率为0.005欧姆/平方的N+型衬底。通过在其表面上沉积氧化硼并进行900分钟的驱入，在衬底上形成50nm、 3.0X 1014ea/ccEPI层。在这三个晶片上形成的所有器件的反向电压性能是相似的，并且反向电压为80伏左右。但是Epi晶片和本发明的晶片的正向电压降比抛光的晶片好得多。具体地，在4.0X10"A m的恒定电流密度下，EPI晶片具有1.28V的VF，本发明的晶片具有1.395V的VF，而抛光的晶片具有2.985V的VF。仿真结果表明，在高电流密度下，在本发明的晶片上形成的器件甚至可以具有更好的正向电压性能。
权利要求
1. 一种制作半导体晶片的方法，所述半导体晶片用于具有目标正向电压降和目标反向击穿电压的半导体结型二极管器件，所述方法包括提供第一传导类型的半导体衬底，所述衬底具有前表面和背表面；用所述第一传导类型的第一掺杂剂通过所述背表面来掺杂所述衬底，所述第一掺杂剂的量足以形成具有目标正向电压降的半导体结型二极管器件；以及用所述第一传导类型的第二掺杂剂通过所述前表面来掺杂所述衬底，所述第二掺杂剂的量足以形成具有目标反向击穿电压的半导体结型二极管器件。
2. 如权利要求l所述的方法，其中，所述掺杂步骤中的至少一个包括注入所述第一掺杂剂以及扩散 所述第一掺杂剂。
3. 如权利要求l所述的方法，其中，所述半导体衬底是非EPI衬底。
4. 如权利要求3所述的方法，其中，所述半导体衬底是Si衬底。
5. 如权利要求2所述的方法，其中，所述非EPI衬底具有大于约 20欧姆/平方的电阻率。
6. 如权利要求l所述的方法，其中，通过所述背表面掺杂所述衬 底的步骤形成第一扩散层，所述第一扩散层的厚度大于由通过所述前 表面掺杂所述衬底的步骤所形成的第二扩散层的厚度。
7. 如权利要求6所述的方法，其中，所述第一扩散层的厚度在约200-250微米之间。
8. 如权利要求1所述的方法，其中，所述衬底具有在约200-250 微米之间的厚度。
9. 如权利要求6所述的方法，其中，所述衬底具有在约200-250 微米之间的厚度。
10. 如权利要求9所述的方法，其中，所述第二扩散层具有小于 约50微米的厚度。
11. 如权利要求1所述的方法，其中，通过前表面和背表面掺杂 所述衬底的步骤分别形成第一扩散层和第二扩散层，其中所述第二扩 散层具有大于所述第一扩散层的最大传导率的最大传导率。
12. —种半导体晶片，包括具有前表面和背表面的第一传导类型的半导体衬底； 所述第一传导类型的第一扩散层，所述第一扩散层形成在所述衬 底中并且具有带有第一掺杂剂分布的掺杂剂浓度，所述第一掺杂剂分 布为常数或者随着通过所述衬底背表面的深度的增加而减小；所述第一传导类型的第二扩散层，所述第二扩散层形成在所述衬 底中并且具有带有第二掺杂剂分布的掺杂剂浓度，所述第二掺杂剂分 布为常数或者随着通过所述衬底前表面的深度的增加而减小。
13. 如权利要求12所述的半导体晶片，其中，所述半导体衬底是 非EPI衬底。
14. 如权利要求13所述的半导体晶片，其中，所述半导体衬底是 Si衬底。
15. 如权利要求13所述的半导体晶片，其中，所述非EPI衬底具 有大于约20欧姆/平方的电阻率。
16. 如权利要求12所述的半导体晶片，其中，所述第一扩散层的 厚度大于所述第二扩散层的厚度。
17. 如权利要求16所述的半导体晶片，其中，所述第一扩散层的 厚度在约200-250微米之间。
18. 如权利要求12所述的半导体晶片，其中，所述半导体衬底具 有在约200-250微米之间的厚度。
19. 如权利要求17所述的半导体晶片，其中，所述第二扩散层具 有小于约50微米的厚度。
20. 如权利要求1所述的半导体晶片，其中，所述第二扩散层具 有大于所述第一扩散层的最大传导率的最大传导率。
全文摘要
本发明提供一种制作半导体晶片的方法，所述半导体晶片用于制作具有目标正向电压降和目标反向击穿电压的半导体结型二极管器件。所述方法首先用第一传导类型的第一掺杂剂通过背表面掺杂第一传导类型的半导体衬底，所述第一传导类型的第一掺杂剂的量足以形成具有目标正向电压降的半导体结型二极管器件。接下来，用第一传导类型的第二掺杂剂通过前表面来掺杂衬底，所述第一传导类型的第二掺杂剂的量足以形成使得其具有目标反向击穿电压的半导体结型二极管器件。
文档编号H01L21/8222GK101536177SQ200780039598
公开日2009年9月16日 申请日期2007年8月10日 优先权日2006年10月24日
发明者邝普如, 高隆庆 申请人:威世通用半导体公司