半导体器件以及用于制造半导体器件的方法
【专利说明】半导体器件以及用于制造半导体器件的方法
[0001]本申请是发明名称为“半导体器件以及用于制造半导体器件的方法”、国际申请日为2010年11月2日、申请号为201080049553.6 (国际申请号为PCT/JP2010/069528)的发明专利申请的分案申请。
技术领域
[0002]本发明涉及以高速操作并具有低损耗和软恢复特性的半导体器件(诸如二极管或绝缘栅双极晶体管(IGBT))、以及用于制造该半导体器件的方法。
【背景技术】
[0003]功率半导体器件用于具有高效率和低功耗的功率转换器件(诸如转换器和逆变器)，并且对于控制旋转电机或伺服电机是必不可少的。功率控制器件要求低损耗、低功耗、高速操作、高效率、以及没有环境问题(即，对外界没有不利影响)的特性。为了满足具有低损耗和高效率的功率控制器件的需求，已提出了具有宽缓冲结构的二极管作为用于功率控制器件的经改进类型的二极管。宽缓冲结构是指其中η—漂移层的杂质浓度分布在η -漂移层的中心部分附近具有峰值(局部最大值)且具有包括杂质浓度分布倾斜以朝着阳极和阴极的方向下降的区域的宽缓冲区的结构。
[0004]具有宽缓冲结构的二极管允许降低相关技术的发射极注入效率、以及在高速操作(例如，载流子频率:大于或等于5kHz)中实现软恢复特性和防振荡效果，该实现在使用期限分布控制技术中是难以达到的。
[0005]已提出了使用氢致供体(hydrogen-1nduced donor)的方法作为制造具有宽缓冲结构的二极管的方法。在该方法中，浮区(FZ)体晶片用质子(氢离子，H+)照射以使质子H+到达通过一般的η型掺杂元素(磷或砷)离子注入法难以达到的η -漂移层的深度、由此形成晶格缺陷，并且随后进行热处理。在该方法中，用质子的照射以及热处理使得供体(例如，称为氢致供体或与氢相缔合的供体)通过包括质子H+的缺陷络合物在晶片中的质子H +的射程Rp附近形成(例如，参见以下专利文献I (段落0020和0021)和以下专利文献2 (摘要))。另外，已提出了其中氧被引入晶片且与氢致供体组合、由此形成高浓度宽缓冲区的方法(例如，参见以下专利文献3 (段落0011))。
[0006]一般而言，对于硅(Si)功率半导体，从经济的角度使用比外延晶片便宜的FZ晶片来制造IGBT或二极管。另外，已知用中子束照射硅晶片以使用核嬗变将硅转换成作为稳定同位素的磷(P)、由此在晶片(在下文中称为中子照射晶片)中形成作为杂质的磷的方法在晶片中均匀地分布杂质时是有效的。中子照射晶片(例如，6英寸的晶片)的电阻率变化约为 ±8%。
[0007]作为形成中子照射晶片的方法，已提出了通过用质子H+的照射以及热处理来将质子H+改变成供体、并将浓度大于中子照射之前的晶片的供体注入η基区(η—漂移层)的方法(例如，参见以下专利文献4)。
[0008]引用列表
[0009]专利文献
[0010]专利文献1:日本专利申请特许公开(JP-A)N0.2003-318412[0011 ] 专利文献2:国际公开册N0.W02007/055352
[0012]专利文献3 JP-A N0.2007-266233
[0013]专利文献4 JP-A N0.2008-91853
[0014]发明的公开内容
[0015]本发明要解决的问题
[0016]然而，在根据相关技术的通过离子注入或热扩散来引入混合有原材料气体的杂质元素(气体掺杂)的FZ晶片中，电阻率变化大于中子照射晶片的电阻率变化，并且约为6英寸晶片中的±12%。大的电阻率变化直接影响击穿电压的变化。因此，重新检查击穿电压变化的下降是必要的。在具有非穿通结构的半导体器件的情况下，半导体器件的击穿电SVb(V)可由以下表达式I表示。
[0017][表达式I]
[0018]Vb= W2/(0.29 P 0)
[0019]在表达式I中，W是耗尽层的宽度Um)，而Ptl是硅晶片的电阻率(体电阻率)。在上述表达式I中，例如，在使用气体掺杂的FZ晶片制造的具有非穿通结构的半导体器件中，当电阻率Pc^变化为±12%时，击穿电压Vb的变化也是12%。除了击穿电压以外，开关特性的变化也是12%。当开关特性的变化为大于或等于12%时，保证对该器件的操作可能出现问题。将开关特性的变化减小到小于或等于12%的方法之一将电阻率变化减小到小于12%。例如，如上所述，为了减小电阻率变化，使用其电阻率通过将电阻率变化减小到小于± 12%的中子照射来控制的中子照射晶片是有效的。
[0020]然而，当体电阻率通过中子照射来调节时，需要原子反应堆，而建立和维护原子反应堆需要巨额的成本。因此，一个半导体制造公司拥有原子反应堆在经济上不可行。有必要请求具有原子反应堆的外部机构来调节体电阻率。然而，存在少数外部机构，包括国外机构。对车内或工业功率半导体的需求增加，并且只有外部机构处理功率半导体是困难的。另夕卜，处理成本高。因此，找到能够可靠地减小或解决半导体器件的击穿电压变化或开关特性变化的方法作为除使用中子照射的方法以外的方法是合乎需要的。
[0021]当半导体器件使用气体掺杂的FZ晶片而不使用中子照射晶片来制造时，随着晶片的直径变成大于6英寸，晶片电阻率的变化增大。因此，在技术上难以将电阻率变化减小到小于±12%。另外，当使用切克劳斯基(CZ)晶片来制造半导体器件时，制造最初是均匀的且具有高电阻率的η型晶片是困难的。因此，使用CZ晶片将电阻率变化减小到小于±12%是困难的。因此，提供即使当FZ晶片的电阻率变化大于或等于±12%时对击穿电压变化影响也较小的具有新颖器件结构的半导体器件、以及制造该半导体器件的方法是合乎需要的。
[0022]作为去除击穿电压变化的方法，专利文献3公开了使用离子注入来引入质子且在500°C下进行热处理以使质子扩散到整个η—漂移层、由此控制η—漂移层的杂质浓度的方法。然而，实际上，由于已获取指示在高于或等于550°C的温度下去除与氢相缔合的供体的数据，因此控制宽范围(诸如，整个n_漂移层)内的杂质浓度是困难的。具体而言，控制具有高击穿电压的半导体器件所需的低浓度η—漂移层的杂质浓度是极为困难的。因此，当制造具有高击穿电压的半导体器件时，即使当应用专利文献3中公开的技术时获取减小击穿电压变化的效果也是困难的。
[0023]为了解决上述问题已作出本发明，并且本发明的目的在于，提供能够减小击穿电压的变化和开关特性的变化的半导体器件、以及制造半导体器件的方法。另外，本发明的目的在于，提供能够降低制造成本的半导体器件、以及制造半导体器件的方法。
[0024]用于解决问题的手段
[0025]为了解决上述问题且实现本发明的目的，根据本发明的一方面，提供了一种半导体器件，该半导体器件包括:第一导电型的第一半导体层；设置在第一半导体层的一个主表面上且杂质浓度大于第一半导体层的第二导电型的第二半导体层；设置在第一半导体层的另一主表面上且杂质浓度大于第一半导体层的第一导电型的第三半导体层；以及设置在第一半导体层中且杂质浓度大于第一半导体层、并且杂质浓度分布的局部最大值小于第二半导体层和第三半导体层的杂质浓度的第一导电型的宽缓冲区。宽缓冲区的净掺杂浓度总量大于或等于4.8X 111原子/cm2且小于或等于1.0X 10 12原子/cm2。第一半导体层的电阻率P ο ( Ω cm)相对于额定电压Vtl(V)满足0.12V。彡P 0^Ξ 0.25V0o
[0026]宽缓冲区的净掺杂浓度总量可大于或等于5.2X 111原子/cm 2且小于或等于1.(^1012原子/(^2，而第一半导体层的电阻率Ptl相对于额定电压Vtl (V)可满足0.133V0^ P。彡 0.25ν0。
[0027]多个宽缓冲区可设置在第一半导体层中。
[0028]多个宽缓冲区的宽度之和与第一半导体层的宽度的比率γ、当施加了电平与击穿电压相等的反向偏压时的多个宽缓冲区的电场强度的下降之和与临界电场强度的比率η、以及成为第一半导体层的衬底的供体浓度的测量值与标准值的偏移比α可满足4α (γ/
η)/[(2-α ) (2+α )]<α。
[0029]第一半导体层可以是FZ娃衬底。
[0030]为了解决上述问题且实现本发明的目的，根据本发明的另一方面，提供了一种半导体器件，该半导体器件包括:第一导电型的漂移层；设置在漂移层的一个主表面上且杂质浓度大于漂移层的第二导电型的基极层；设置在漂移层的一个主表面上以与基极层接触且杂质浓度大于基极层的第一导电型的发射极层；与漂移层、基极层、以及发射极层接触的绝缘膜；隔着绝缘膜与漂移层、基极层、以及发射极层相邻的栅电极；设置在漂移层的另一主表面上且杂质浓度大于漂移层的第二导电型的集电极层；以及设置在漂移层中且杂质浓度大于漂移层、并且杂质浓度分布的局部最大值小于基极层和集电极层的杂质浓度的第一导电型的宽缓冲区。宽缓冲区的净掺杂浓度总量大于或等于4.8Χ 111原子/cm 2且小于或等于1.0X1012原子/cm2，而漂移层的电阻率Ptl(Qcm)相对于额定电压Vtl (V)满足0.12V0彡 P 0彡 0.25V0O
[0031]宽缓冲区的净掺杂浓度总量可大于或等于5.2X 111原子/cm 2且小于或等于1.(^1012原子/0112，而漂移层的电阻率Ptl(Qcm)相对于额定电压Vtl (V)可满足0.133V0^ P。彡 0.25V。。
[0032]多个宽缓冲区可设置在漂移层中。
[0033]多个宽缓冲区的宽度之和与漂移层的宽度的比率γ、当施加了电平与击穿电压相等的反向偏压时的多个宽缓冲区的电场强度的下降之和与临界电场强度的比率η、以及成为漂移层的衬底的供体浓度的测量值与标准值的偏移比α可满足4α (γ/η)/[(2-α)
(2+α )]< α。
[0034]根据上述方面的半导体器件还可包括在衬底的一个主表面上与漂移层或宽缓冲区接触、并且在另一主表面上与集电极层接触的第一导电型场阻断层。
[0035]根据上述方面的半导体器件还可包括与衬底的一个主表面侧上的漂移层或宽缓冲区接触、并且在另一主表面上与集电极层接触的第一导电型场阻断层。漂移层、宽缓冲区、以及场阻断层的净掺杂浓度总量可大于或等于1.2Χ 112原子/cm 2且小于或等于2.0 X 112原子/cm 20
[0036]漂移层可以是FZ娃衬底。
[0037]为了解决上述问题且实现本发明的目的，根据本发明的再一方面，提供了一种制造半导体器件的方法，该半导体器件包括:第一导电型的第一半导体层；设置在第一半导体层的一个主表面上且杂质浓度大于第一半导体层的第二导电型的第二半导体层；设置在第一半导体层的另一主表面上且杂质浓度大于第一半导体层的第一导电型的第三半导体层；以及设置在插在第二半导体层和第三半导体层之间的第一半导体层中且杂质浓度大于第一半导体层、并且杂质浓度分布的局部最大值小于第二半导体层和第三半导体层的杂质浓度的第一导电型的宽缓冲区。该方法包括:在第一半导体层的一个主表面上形成第二半导体层的第一形成步骤；以及在到第一半导体层的投影射程内用氢离子照射第一半导体层上的第二半导体层、并且在大于或等于300°C且小于或等于550°C的温度下进行热处理、由此在第一半导体层中形成宽缓冲区的第二形成步骤。在第二形成步骤中，在第一半导体层中形成总净掺杂浓度大于或等于4.8 X 111原子/cm 2且小于或等于1.0X 10 12原子/cm2的宽缓冲区，而第一半导体层的电阻率P ο相对于额定电压Vtl(V)满足0.UVtl彡P 6 0.25V0。
[0038]根据上述方面的制造半导体器件的方法还可包括:在第一形成步骤之前，在高于或等于1000°C的温度下在氧化气氛中进行热处理以将氧引入第一半导体层的引入步骤。
[0039]在引入步骤中，可将浓度大于或等于I X 116原子/cm 3的氧引入第一半导体层。
[0040]为了解决上述问题且实现本发明的目的，根据本发明的又一方面，提供了一种制造半导体器件的方法，该半导体器件包括:第一导电型的第一半导体层；设置在第一半导体层的一个主表面上且杂质浓度大于第一半导体层的第二导电型的第二半导体层；设置在第一半导体层的另一主表面上且杂质浓度大于第一半导体层的第一导电型的第三半导体层；以及设置在第一半导体层中且杂质浓度大于第一半导体层、并且杂质浓度分布的局部最大值小于第二半导体层和第三半导体层的杂质浓度的第一导电型的宽缓冲区。该方法包括在到第一半导体层的比将通过后续步骤形成的第三半导体层的位置深的部分的投影射程内用氢离子照射第一半导体层的另一主表面、并且在大于或等于300°C且小于或等于550°C的温度下进行热处理、由此在第一半导体层中形成宽缓冲区的第二形成步骤。在第二形成步骤中，在第一半导体层中形成总净掺杂浓度大于或等于4.8X 111原子/cm2且小于或等于1.0X1012原子/cm2的宽缓冲区，而第一半导体层的电阻率P挪对于额定电压V0(V)满足 0.12V。彡 P 0.25V0o
[0041]根据上述方面的制造半导体器件的方法还可包括在第一形成步骤之前，在高于或等于