双极半导体器件及其制造方法
【技术领域】
[0001]本发明的实施例涉及双极半导体器件，特别涉及用于高反向电压的双极功率半导体器件以及用于生产双极半导体器件的相关方法。
【背景技术】
[0002]在汽车、消费和工业应用中的现代装置的许多功能诸如转换电能和驱动电动机或电机依赖半导体器件。绝缘栅双极晶体管(IGBT)将用于控制电流的隔离栅电极与双极晶体管的高电流和低饱和电压能力结合，并且因此已被用于包括但不限于牵引电动机控制的各种应用，并且被用作在电源和功率转换器中的开关，特别被用于中等功率到高功率的应用。
[0003]同时，诸如功率半导体器件的切换损耗和柔度(softness)的动态属性已变得更加重要。进一步，在高的切换速度下的鲁棒性(耐久性)经常希望是高的。甚至进一步，功率半导体的特性阻断曲线的退化经常要被避免。针对用于至少大约3kV的高反向电压(阻断电压)的功率IGBT和关联的续流二极管，η掺杂场停止层可以被提供来减小切换损耗，该η掺杂场停止层被布置成接近P掺杂背侧发射极或阴极区并且具有比邻近的η掺杂漂移或基底层更高的掺杂剂浓度。存在具有场停止层的双极功率半导体器件，该双极功率半导体器件具有高的切换鲁棒性。然而，制造的变化可以产生不太强的IGBT功率器件，在典型地以较低切换速度所实行的系列测试期间检测不到该IGBT功率器件。在操作期间，不太强的IGBT在大于18 V/s或大于19 V/s的高的切换速度下可能引起故障。因此，与在高的切换速度(硬换向)下的双极半导体器件的切换鲁棒性和合适的制造工艺有关的进一步改进是所希望的。
【发明内容】
[0004]根据功率半导体器件的实施例，功率半导体器件包含半导体基体，该半导体基体具有第一表面和与第一表面基本上平行伸延(run)的第二表面。第一金属化被布置在第一表面上。第二金属化被布置在第二表面上。半导体基体包含:η掺杂第一半导体区域，该η掺杂第一半导体区域与第一金属化间隔开并且具有第一最大掺杂浓度；η掺杂第二半导体区域，该η掺杂第二半导体区域具有比第一最大掺杂浓度更高的第二最大掺杂浓度并且邻近该第一半导体区域；和第三半导体区域，该第三半导体区域与第二金属化欧姆接触，被布置在第二金属化与第二半导体区域之间，并且邻近该第二半导体区域。第二半导体区域由包含作为施主的电活性硫族元素杂质的半导体材料制成。至少90 %的电活性硫族元素杂质在半导体材料中形成孤立缺陷。
[0005]根据双极半导体器件的实施例，双极半导体器件包含单晶半导体材料的半导体基体，该半导体基体在第一表面和与第一表面基本上平行伸延的第二表面之间延伸。半导体基体包含:ρη结；η掺杂场停止层，该η掺杂场停止层与第一表面和第二表面间隔开并且包含作为η型掺杂剂的硫族元素杂质；和η掺杂基底层，该η掺杂基底层具有比场停止层更低的最大掺杂浓度并且从场停止层延伸到Pn结。至少90%的所述硫族元素杂质在单晶半导体材料中形成孤立缺陷并且在室温下具有至少大约I S的再充电时间常数。
[0006]根据用于生产双极半导体器件方法的实施例，该方法包含:提供半导体衬底，该半导体衬底具有第一侧面和与第一侧面相反的第二侧面并且包括η型半导体层；注入硫族元素到η型半导体层的第一子层中；在第一温度下执行第一退火工艺至少大约10分钟；注入掺杂剂到接近第二侧面的η型半导体层的第二子层中；以及在不高于第一温度的第二温度下执行第二退火工艺。
[0007]通过阅读下面的详细描述以及通过查看附图，本领域技术人员将认识到附加的特征和优点。
【附图说明】
[0008]附图中的部件不必成比例,而是重点放在本文图示的原理上。
[0009]图1图示经过根据实施例的垂直半导体器件的半导体基体的横截面。
[0010]图2图示经过根据实施例的垂直半导体器件的半导体基体的横截面。
[0011]图3至图5图示在根据实施例的方法的方法步骤期间经过半导体基体的垂直横截面。
[0012]图6图示根据实施例的垂直半导体器件的半导体基体的掺杂轮廓。
[0013]图7图示根据实施例的作为退火温度的函数的掺杂浓度。
[0014]图8Α和图8Β图示根据实施例的垂直半导体器件的切换行为。
[0015]图9图示根据实施例的作为切换功率的函数的切换功率限制的累积频率分布。
【具体实施方式】
[0016]在下面的详细描述中，参考附图，附图形成描述的一部分，并且在附图中通过图解的方式示出其中可以实施本发明的具体实施例。在这点上，方向术语诸如“顶”、“底”、“前”、“后”、“首”、“尾”等是参考所描述的(一个或多个)附图的定向使用的。因为能够将实施例的部件在许多不同定向上定位，方向术语是为了图示目的使用的而绝非加以限制的。在不脱离本发明的范围的情况下，可以利用其他实施例并且可以做出结构或逻辑的改变。所以，下面【具体实施方式】不要以限制的意义进行理解，并且本发明的范围由所附的权利要求书来限定。
[0017]现在对各种实施例进行详细参考，实施例中的一个或多个示例被图示在附图中。每个示例通过解释的方式被提供并且不意味着作为本发明的限制。例如，图示或描述为一个实施例的部分的特征能够被使用在其他实施例上或与其他实施例结合使用以产生又进一步的实施例。旨在本发明包含这样的修改和变化。示例使用具体语言被描述，其不应该被解释为限制所附权利要求书的范围。附图不是成比例的并且仅为了图示的目的。为了清楚起见，在不同的附图中通过相同参考已指定相同元件或制造步骤，如果不是另外声明。
[0018]在该说明书中所使用的术语“水平的”旨在描述与半导体衬底或基体的第一或主表面基本上平行的定向。这能够是例如晶圆或管芯的表面。
[0019]在该说明书中所使用的术语“垂直的”旨在描述定向，该定向基本上布置成与第一表面正交，即与半导体衬底或基体的第一表面的法线方向平行。
[0020]在该说明书中，半导体基体的半导体衬底的第二表面被认为通过下表面或背侧表面所形成，而第一表面被认为通过半导体衬底的上表面、前表面或主表面所形成。在该说明书中所使用的术语“上面”和“下面”因此在考虑该定向的情况下描述一个结构特征到另一个结构特征的相对位置。
[0021]在该说明书中，η掺杂被称为第一导电类型，而P掺杂被称为第二导电类型。可替代地，能够利用相反的掺杂关系形成半导体器件以致第一导电类型能够是P掺杂的并且第二导电类型能够是η掺杂的。而且，一些附图通过接近掺杂类型指示或“+”来图示相对掺杂浓度。例如，“η_”意味着小于“η”掺杂区域的掺杂浓度的掺杂浓度，而“η+”掺杂区域具有比“η”掺杂区域更大的掺杂浓度。然而，除非另外声明，指示相对掺杂浓度不意味着相同的相对掺杂浓度的掺杂区域必须具有相同的绝对掺杂浓度。例如，两个不同的η+掺杂区域能够具有不同的绝对掺杂浓度。例如，这同样适用于η+掺杂和P +掺杂区域。
[0022]在该说明书中所描述的具体实施例关于(而没有被限制到)涉及双极半导体器件诸如IGBT和双极二极管，特别涉及用于高的反向电压的双极功率半导体器件以及它们的制造方法。
[0023]典型地，半导体器件是具有有源区域的功率半导体器件，该有源区域具有用于整流两个功率金属化(阳极和阴极金属化)之间的负载电流的多个二极管单元和/或用于控制两个功率金属化(发射极金属化和集电极金属化)之间的负载电流的多个IGBT。进一步，半导体器件典型地是垂直半导体器件，该垂直半导体器件具有彼此相反布置的两个功率金属化。而且，功率半导体器件可以具有带有至少一个边缘终止结构的外围区域，该一个边缘终止结构在从上面观看时至少部分围绕有源单元的有源区域。
[0024]在该说明书中所使用的术语“功率半导体器件”旨在描述单个芯片上的具有高的电压和/或高的电流切换能力的半导体器件。换言之，功率半导体器件旨在针对高的电流和/或高的电压，该高的电流典型地在一上至几百安培的范围中，该高的电压典型地超过100V、更典型地超过400V、甚至更典型地超过600V并且甚至上至几kV。
[0025]在该说明书中所使用的术语“换向”旨在描述双极半导体器件的电流从正向方向或导通方向(在其中Pn负载结，例如MOSFET或IGBT的基体区域与漂移或基底区域之间的pn结，是正向偏置的)到相反方向或反向方向(在其中pn负载结是反向偏置的)的切换。在该说明书中所使用的术语“硬换向”旨在描述以至少大约19 V/s的器件的反向电压上升的换向，更典型地以至少大约3*109 V/s的速度的换向。
[0026]在本说明书的上下文中，术语“处于欧姆接触”、“处于电阻性电接触”和“处于电阻性电连接”旨在描述至少当没有电压或仅低的测试电压被施加到半导体器件和/或跨过半导体器件时存在半导体器件的相应元件或部分之间的欧姆电流路径。同样地，术语“处于低的欧姆接触、“处于低的电阻性电接触”和“处于低的电阻性电连接”旨在描述至少当没有电压被施加到半导体器件和/或跨过半导体器件时存在半导体器件的相应元件或部分之间的低的电阻性欧姆电流路径。在该说明书内，术语“处于低的欧姆接触”、“处于低的电阻电接触”、“电气耦合”和“处于低的电阻电连接”被同义地使用。在一些实施例中，例如由于将形成电流路径的至少一部分的半导体区域耗尽，半导体器件的相应元件或部分之间的低的电阻性电流路径的电阻率在超过阈值电压时变为高的，该电阻率在低的电压(例如小于一伏或几伏的探测电压)被施加到半导体器件和/或跨过半导体器件时是低的。
[0027]在本说明书的上下文中，术语“金属化”旨在描述具有与电导