專利名稱：半導(dǎo)體元件及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于功率電子學(xué)領(lǐng)域。本發(fā)明涉及一種制造半導(dǎo)體元件的方法，所述元件包括形成在晶片上的一個陰極和一個陽極，其中首先在陰極側(cè)對所述晶片進(jìn)行處理，然后減小晶片上的位于陰極對面?zhèn)鹊暮穸?，并且在下一個步驟中在陰極的對面?zhèn)戎瞥鲫枠O；本發(fā)明還涉及一種半導(dǎo)體元件，它具有一個陰極和一個陽極，其中陽極的旁邊存在一個截止區(qū)，其摻雜密度朝陽極的方向增加。
為了使半導(dǎo)體功率開關(guān)例如IGBT(絕緣柵雙極型晶體管)具有最佳的電特性，必須將半導(dǎo)體元件的激活區(qū)厚度選擇得盡量接近其物理材料極限。
所述厚度例如對導(dǎo)通損失有直接的影響。在擊穿電壓為600至1800伏的情況下，半導(dǎo)體元件的希望厚度為60至250微米。這種極小的厚度對于半導(dǎo)體元件的制造是一個很大的問題，因為要使生產(chǎn)過程中的碎裂情況減到最小，晶片的直徑應(yīng)當(dāng)不小于100毫米，并且其厚度至少為300微米。
迄今為止，該問題是通過所謂外延技術(shù)來解決的。為此，在一個400至600微米厚度的相對較大的基片上生長出一個電激活區(qū)。該基片可保證所產(chǎn)生的半導(dǎo)體元件一方面有必要的強(qiáng)度，另一方面構(gòu)成所述半導(dǎo)體元件的陽極。
一般而言，在基片和電激活區(qū)之間有一個截止層，也稱為緩沖層。該截止層的作用是在阻斷狀態(tài)下制止陽極之前的電場的突變，藉此使陽極遠(yuǎn)離突變電場，因為假如電場到達(dá)了陽極，將會造成半導(dǎo)體元件的損壞。激活區(qū)的生長是一種耗費時間而且復(fù)雜的方法，所以這種外延技術(shù)相對昂貴。此外，這種技術(shù)的缺點是，不可能對基片即陽極進(jìn)行足夠弱的摻雜。然而功率半導(dǎo)體元件的陽極應(yīng)當(dāng)盡可能進(jìn)行弱摻雜，以得到理想的電特性。弱摻雜意味著較高的阻抗，這在基片的厚度相對較厚時，將會導(dǎo)致出現(xiàn)不容忽視的電阻值。
因此，曾公開一種制造半導(dǎo)體元件的最新方法，該方法不再采用外延層。這種方法例如公開在以下文章中Darryl Burns等人的“NPT-IGBT-Optimizing for manufacturability”，IEEE，0-7803-3106-0/1996，109-112頁；Andreas karl的“IGBT Modules Reach New Levels ofEfficiency”，PCIM歐洲版，1/1998卷，8-12頁，以及J.Yamashita等人的“A novel effective switching loss estimation of nonpunchthroughand punchthrough IGBTs”，IEEE，0-7803-3993-2/1997，331-34頁。用該方法制造的半導(dǎo)體元件被稱為NPT(非穿通)元件，與其相對應(yīng)的是，用外延法生產(chǎn)的穿通型半導(dǎo)體元件。
該方法使用沒有外延層的相對較厚的晶片作為原料。典型的厚度為400至600微米。在第一個步驟中對晶片的陰極一側(cè)進(jìn)行處理，即進(jìn)行光刻、離子注入、擴(kuò)散、腐蝕和其他制造半導(dǎo)體元件所需的處理。在第二個步驟中，將晶片的與陰極相對的一側(cè)的厚度減小到所要求的尺寸。其方法通常采用研磨和腐蝕技術(shù)。在第三個步驟中，在該減薄的一側(cè)上制出陽極。
盡管該方法與外延法相比成本很低，但是存在以下若干缺點陽極的擴(kuò)散是相對困難的，因為在該工藝步驟中，晶片已經(jīng)很薄，所以極容易破碎。因此不能對該元件進(jìn)行很強(qiáng)的加熱，因為在第一個工藝步驟中已經(jīng)在陰極一側(cè)覆蓋了金屬層，該層在溫度超過500℃時會熔化。因此，只能實現(xiàn)很少的陽極摻雜。這雖然對半導(dǎo)體元件的電性能產(chǎn)生有利的影響，但作為緩沖層不能得到足夠大的摻雜量，所以半導(dǎo)體元件必須有足夠的厚度，從而在電場達(dá)到陽極之前，在截止模式下產(chǎn)生雪崩擊穿。原則上用該方法制造的半導(dǎo)體元件的厚度大于用外延技術(shù)制造的元件。因此其弱摻雜陽極的優(yōu)點由于上述過厚的激活區(qū)的缺點而至少被抵銷了一部分。
在文獻(xiàn)EP-A-0700095中還公開了一種開關(guān)型閘流晶體管，它適用于高鉗位電壓。該晶體管由一種具有一個陽極和一個陰極的半導(dǎo)體元件組成，其中陽極具有一個透明的發(fā)射極。這種陽極發(fā)射極已經(jīng)公知被用于小功率元件，例如太陽能電池、二極管或晶體管。所述透明的陽極發(fā)射極是指一種具有相對較弱的注入的陽極一側(cè)的發(fā)射極，所以來自陰極的電子流中的很大部分可以分離后再結(jié)合，從而不會出現(xiàn)注入空穴的發(fā)散。這種透明的陽極發(fā)射極預(yù)先淀積了一層截止層，它一方面可以在截止模式下減小電場，另一方面的作用是，影響透明的陽極的注入效率。該截止層或者是通過擴(kuò)散滲入，或者是通過外延方法制造的，其中在第一種情況下的摻雜分布曲線為高斯分布，在第二種情況下為在層厚上均勻連續(xù)的分布。盡管這種半導(dǎo)體元件在工作狀態(tài)下顯示出良好的性能，但是由于存在破碎的危險，所以不能制成任意薄的結(jié)構(gòu)。
因此，本發(fā)明的任務(wù)是制造盡可能薄的且生產(chǎn)成本低的半導(dǎo)體元件。
該任務(wù)已通過一種方法得到解決，該方法的特征在于，在進(jìn)行所述陰極一側(cè)的處理之前制出一個截止區(qū)；此外，該任務(wù)還通過一種半導(dǎo)體元件得到解決，該元件的特征在于，所述截止區(qū)具有朝向陽極的方向截止的摻雜分布曲線。
根據(jù)本發(fā)明的方法將采用外延技術(shù)和采用NPT技術(shù)制造的半導(dǎo)體元件的優(yōu)點結(jié)合在一起，所制造的半導(dǎo)體元件的電學(xué)特性和用兩種已知的方法制造的半導(dǎo)體元件相比，有明顯的提高。
根據(jù)本發(fā)明，在NPT技術(shù)中采用了沒有外延層的方式進(jìn)行處理，其中對原料進(jìn)行陰極一側(cè)的處理之前先制出截止區(qū)。制出截止區(qū)的方法是，在晶片上和要形成陰極的相對的一側(cè)通過摻雜產(chǎn)生截止層，從而得到摻雜分布，其厚度朝向要形成的陽極方向增加，并且具有截止的摻雜分布。陰極一側(cè)的處理完成后，對晶片進(jìn)行足夠的減薄，使得將摻雜分布層消減到只剩下一層低摻雜終端區(qū)，該區(qū)基本上構(gòu)成了所述截止區(qū)。然后可進(jìn)行低摻雜陽極特別是具有透明的陽極發(fā)射極的制造，該陽極可通過相鄰的、最好是鄰接的截止區(qū)可在截止模式下免受電場的影響。
另一個優(yōu)點是，根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體元件6和外延技術(shù)半導(dǎo)體元件相比，在導(dǎo)通狀態(tài)下當(dāng)電壓下降時具有正的溫度系數(shù)。
根據(jù)本發(fā)明的方法可用于生產(chǎn)不同類型的半導(dǎo)體元件，特別是用于制造IGBT(絕緣柵雙極型晶體管)，GTO(雙向可控硅)或普通的閘流管。
其他具有優(yōu)點的實施方案由下述說明給出。
所述方法的特征在于，在步驟b)中減小所述晶片的厚度時，至少保留得到的一部分所述截止區(qū)。
所述方法的特征在于，為在所述晶片上制出所述截止區(qū)，從與所述陰極相對的一側(cè)摻雜，其中選擇其摻雜分布曲線，使得與所述陰極相對的一側(cè)的晶片厚度減小后，至少剩余部分終端區(qū)，所述終端區(qū)至少近似地構(gòu)成截止區(qū)。
所述方法的特征在于，選擇所剩余的所述終端區(qū)的尺寸，使得提高所述半導(dǎo)體元件(HL)截止模式下的電壓時，在電場達(dá)到所述陽極之前，出現(xiàn)擊穿。
所述方法的特征在于，在不低于1200℃的溫度下進(jìn)行所需的擴(kuò)散，以產(chǎn)生所述截止區(qū)。
所述方法的特征在于，制出具有所述陽極一側(cè)的點摻雜的所述截止區(qū)至少為5×1014cm-3，優(yōu)選為1×1015cm-3，并且最大為6×1016cm-3，優(yōu)選為1×1016cm-3。
所述半導(dǎo)體元件的特征在于，所述截止型摻雜分布曲線具有呈高斯分布的邊緣段或互補(bǔ)的誤差函數(shù)分布。
所述半導(dǎo)體元件的特征在于，所述陽極具有透明的陽極發(fā)射極。
所述半導(dǎo)體元件的特征在于，所述陽極上具有p-摻雜原子的覆蓋面積小于2×1014cm-2，優(yōu)選小于1×1013cm-2。
所述半導(dǎo)體元件的特征在于，其厚度為80-180μm。
下面對照附圖所示的一個優(yōu)選的實施例對根據(jù)本發(fā)明的方法和發(fā)明主題進(jìn)行詳細(xì)說明。其中

圖1a-1e示出根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體元件從原料到最終產(chǎn)品的制造過程；圖2示出擴(kuò)散分布曲線圖以及在截止模式下沿圖1b中的A-A’截面以及沿圖1e中的A-B截面的電場的曲線圖。
如圖1a-1e所示，根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體元件是用一個整體的、最好是均勻地n-摻雜的晶片1制成的(圖1a)。晶片1作為其原料形狀是相對較厚的，其厚度尺寸應(yīng)保證在處理晶片1時減小破碎的危險。典型的厚度為400至600微米。
在第一個工藝步驟中，將晶片1從一側(cè)進(jìn)行n+摻雜，其中采用的是公知技術(shù)，例如離子注入以及隨后的擴(kuò)散、覆蓋以及隨后的擴(kuò)散或者氣相擴(kuò)散法。如圖1b中的箭頭所示，摻雜在一側(cè)進(jìn)行。但是，也可在晶片的兩側(cè)摻雜，在這種情況下，隨后在晶片的一側(cè)減薄。在晶片1上形成的擴(kuò)散區(qū)2具有摻雜分布20，它朝著擴(kuò)散源一側(cè)增加(圖2)，而且是從低n摻雜區(qū)向高n+摻雜區(qū)過渡。摻雜分布的形狀取決于制造技術(shù)，通常為高斯曲線形狀或者符合互補(bǔ)的誤差函數(shù)。
摻雜滲入深度相對較大，最好達(dá)到晶片1的一半厚度，但是不能達(dá)到另一側(cè)。摻雜區(qū)在圖1b中用點陣區(qū)表示，其中點陣的密度示意性地表示摻雜密度。所述摻雜分布最好和圖1b所示相反，是連續(xù)變化的。
通過選擇摻雜滲入深度以及摻雜分布曲線20的陡度，可以預(yù)先確定最后得到的半導(dǎo)體元件的厚度，見下面所述。擴(kuò)散通常在相對較高溫度下進(jìn)行，最好高于1200℃。由于較大的滲入深度需要相對較長的擴(kuò)散時間，所以通常要用若干天。
在下一個步驟中是對晶片1的未擴(kuò)散一側(cè)進(jìn)行處理，其中要制出一個具有n+摻雜的陰極3’的陰極結(jié)構(gòu)3，一個陰極金屬層4和一個控制電極7，最好采用公知的工藝進(jìn)行。該工藝相當(dāng)于NPT技術(shù)所述的工藝，在此不再贅述。根據(jù)所制造的半導(dǎo)體元件的類型，該工藝有不同的劃分，而且所產(chǎn)生的激活區(qū)3的結(jié)構(gòu)也有所不同。圖1c所示的是一種經(jīng)過陰極一側(cè)處理的結(jié)果，它只是許多可能性的一個例子。
在下一個步驟中，晶片1在與陰極金屬層4相對的一側(cè)減小其厚度，最好通過研磨和腐蝕的方法，如NPT技術(shù)中所采用的方法那樣進(jìn)行。整個擴(kuò)散區(qū)2最好只剩下低n摻雜終端區(qū)，它至少近似構(gòu)成截止區(qū)21。
在最后一個步驟(圖1e)中，在晶片1的減薄的一側(cè)制出具有透明的陽極發(fā)射極的陽極，其方法是在邊緣區(qū)進(jìn)行相應(yīng)的摻雜。該邊緣區(qū)和所得到的半導(dǎo)體元件的厚度相比更窄。陽極發(fā)射極在所示情況下構(gòu)成了整個陽極，它是p+摻雜的，其中在陽極上用p摻雜原子覆蓋的面積小于2×1014cm-2，優(yōu)選小于1×1013cm-2。根據(jù)半導(dǎo)體元件的類型，陽極具有不同的結(jié)構(gòu)。然后在該側(cè)面上覆蓋第二金屬層，即陽極金屬層6，用于連接接觸引線。最后，最好用高能離子照射陽極5來減小陽極效率，并減小截止層21與陽極5鄰接的部分。
如圖1e所示，所制成的半導(dǎo)體元件HL具有一個陰極結(jié)構(gòu)3，它包括所屬的陰極金屬層4和控制電極7，還包括一個具有所屬陽極金屬層6的陽極5，以及一個與陽極5相鄰的、最好是與其鄰接的截止層21，該層具有朝向陽極5截止的摻雜分布曲線。根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體元件HL具有相對較小的厚度，典型的厚度為80至180微米，其厚度取決于半導(dǎo)體元件的電壓等級。
在圖2中可看出根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體元件HL的基本摻雜的整體分布情況在坐標(biāo)中，從A到A’的距離是晶片1的原始厚度，從A到B的距離是最后制成的半導(dǎo)體元件HL的厚度。該曲線圖一方面顯示出電場，另一方面以對數(shù)形式表示出每cm-3內(nèi)的摻雜原子數(shù)量。
如圖2所示，n-摻雜的原料在第一個工藝步驟中在注入或摻雜面上通過n摻雜或n+摻雜而消失，其厚度朝向摻雜面的方向增加。減小晶片厚度時，剩下的摻雜終端區(qū)，即截止區(qū)21的尺寸要選擇成使得半導(dǎo)體元件在截止模式下出現(xiàn)雪崩擊穿。該擊穿應(yīng)當(dāng)在電場抵達(dá)陽極5之前發(fā)生。為了使發(fā)射極效率最佳化，截止區(qū)的摻雜濃度要適當(dāng)選擇，使得陽極側(cè)的峰值摻雜至少為5×1014cm-3，優(yōu)選為1×1015cm-3，并且最大為6×1016cm-3，優(yōu)選為1×1016cm-3。以上數(shù)據(jù)在本實施例中的發(fā)生位置＝點B-陽極5的厚度，其中點B相當(dāng)于圖1e中的半導(dǎo)體元件成品的厚度。
圖2所示的是在截止模式下的電場情況。
根據(jù)本發(fā)明的方法可用于制造具有透明的陽極和集成截止層的薄型大功率半導(dǎo)體元件。
權(quán)利要求
1.一種制造半導(dǎo)體元件(HL)的方法，所述元件包括處于晶片(1)上的一個陰極(3)和一個陽極(5)，其中，a)先在陰極一側(cè)對所述晶片(1)進(jìn)行處理；b)然后減小所述晶片(1)上的與陰極(3’)相對的一側(cè)的厚度；并且c)在下一個步驟中在所述與陰極相對的一側(cè)制出陽極(5)，其特征在于，在進(jìn)行所述陰極一側(cè)的處理之前制出一個截止區(qū)(21)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，在步驟b)中減小所述晶片(1)的厚度時，至少保留得到的一部分所述截止區(qū)(21)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，為在所述晶片(1)上制出所述截止區(qū)(21)，從與所述陰極(3’)相對的一側(cè)摻雜，其中選擇其摻雜分布曲線(20)，使得與所述陰極相對的一側(cè)的晶片厚度減小后，至少剩余部分終端區(qū)，所述終端區(qū)至少近以地構(gòu)成所述截止區(qū)(21)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，選擇所剩余的所述終端區(qū)的尺寸，使得提高所述半導(dǎo)體元件(HL)截止模式下的電壓時，在電場達(dá)到所述陽極(5)之前，出現(xiàn)擊穿。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，在不低于1200℃的溫度下進(jìn)行所需的擴(kuò)散，以產(chǎn)生所述截止區(qū)(21)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，制出具有所述陽極一側(cè)的點摻雜的所述截止區(qū)(21)至少為5×1014cm-3，優(yōu)選為1×1015cm-3，并且最大為6×1016cm-3，優(yōu)選為1×1016cm-3。
7.一種半導(dǎo)體元件，它具有一個陰極(3’)和一個陽極(5)，其中陽極(5)的旁邊存在一個截止區(qū)(21)，其摻雜密度在朝向陽極(5)的方向增加，其特征在于，所述截止區(qū)(21)具有朝向陽極(5)的方向截止的摻雜分布曲線。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的半導(dǎo)體元件，其特征在于，所述截止型摻雜分布曲線具有呈高斯分布的邊緣段或互補(bǔ)的誤差函數(shù)分布。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的半導(dǎo)體元件，其特征在于，所述陽極(5)具有透明的陽極發(fā)射極。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的半導(dǎo)體元件，其特征在于，所述陽極(5)上具有p-摻雜原子的覆蓋面積小于2×1014cm-2，優(yōu)選小于1×1013cm-2。
11.根據(jù)權(quán)利要求7所述的半導(dǎo)體元件，其特征在于，所述半導(dǎo)體元件的厚度為80-180μm。
全文摘要
一種制造半導(dǎo)體元件(6)的方法,所述元件包括處于相對較厚的原料晶片(1)上的一個陰極(3)和一個陽極(5),作為第一步,先在陽極一側(cè)制出一個截止區(qū)(21)。然后對陰極一側(cè)進(jìn)行處理,減小晶片(1)上的與陰極(3)相對的一側(cè)的厚度,并且在下一個步驟中在該與陰極相對的一側(cè)制出陽極(5)。所得到的半導(dǎo)體元件相對較薄,其制造成本低,而且無需外延層。
文檔編號H01L21/331GK1259763SQ9911599
公開日2000年7月12日 申請日期1999年12月29日 優(yōu)先權(quán)日1998年12月29日
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