CN1043039A - 载流子寿命的轴向调节方法 - Google Patents

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Abstract

在具有半导体晶体衬底(1)的半导体器件中轴向调节载流子寿命的方法包括下列步骤：(a)将杂质原子扩散入半导体衬底，这些杂质原子应具有如下特性，即它们(I)在晶格格点上易于复合，而在晶格间隙上不易于复合，而且(II)它们的扩散是间隙式的，即按空位机制而不是按替位式机制进行的；(b)用高能粒子照射半导体衬底，在一定的深度内获得所要求的晶格缺陷浓度分布；(c)已扩散杂质原子的热处理。

Description

本发明涉及一种在半导体单晶衬底上制造的半导体器件中轴向调节载流子寿命的方法。
功率半导体器件一方面应具有尽可能短的开关时间（即由导通状态至截止状态的过渡时间），另一方面应具有尽可能小的开关损耗（即在导通状态下其电压降比较小）。这两个彼此矛盾的要求可以通过有目的的调节载流子寿命而加以优化。为此，目前主要采用两种不同的方法。
一种方法是控制杂质原子的扩散（多数情况下采用过渡金属，诸如Au，Pt等）。其间，杂质原子的复合类型是可以选择的，而所要求的浓度分布却主要是由杂质原子在半导体晶体中的扩散状况决定的。
另一种方法是用高能粒子（电子、质子、氦等）的照射。在这种情况下，浓度分布可以比较自由地进行选择，然而，其间所产生的复合中心则是通过照射决定的。
本发明的任务是提供一种在半导体单晶衬底上制造的半导体器件中对载流子的寿命进行轴向调节的方法。采用这种方法不仅复合中心、而且其浓度分布均能比较自由的确定。
根据本发明的解决方法包含如下几个步骤：
a）将杂质原子扩散到半导体衬底上，这些杂质原子应具有如下特性，即（Ⅰ）它们在晶格格点上易于复合，而在晶格间隙中不易复合，并且（Ⅱ）它们的扩散是间隙式的，即按空拉机制而不是按替位式机制进行。
b）采用高能粒子（6）照射半导体衬底，旨在某一予定深层处获得所要求的晶格缺陷浓度分布。
c）已扩散杂质原子的热处理。
可优先选用Cu原子、Ag原子或Pd原子作为杂质原子，选用He+、He++、质子或中子进行照射。
根据本发明的这一方法，半导体衬底材料可选取硅材料;把杂质原子扩散到衬底中去，可先在衬底上形成杂质的沉积层，然后进行再分布扩散，在一予定深度形成所要求的杂质浓度;沉积层的形成可采用离子注入方式;沉积层也可以通过杂质原子在衬底表面上的沉积而形成，并在再分布扩散后除去残留沉积层;热处理可以与金属化烧结同时进行;金属化可在杂质原子扩散后和用高能粒子照射之前进行，其中，在照射之后进行半导体器件钝化的同时进行杂质原子的热处理;也可以在杂质原子扩散后和高能粒子照射之前进行钝化，其中，在照射之后，在200-400℃之间进行退火热处理。
下面拟藉助于几个实例和示意图对本发明进一步加以阐述：
附图1a至1f示出了本发明提供的方法的主要步骤。
为了更好的理解本发明，首先需要讨论几个基本的原理。
本发明方法的先决条件在于杂质原子应具有如下的复合和扩散特性：
1.在晶格格点上易于复合
2.在晶格间隙上不易于复合
3.扩散是间隙式的，即按空位机制（分解扩散）而不是替位式机制进行。
在某一确定的半导体晶体中，一个特定的杂质原子应具有哪些特性可以根据能量关系而加以推断。
例如，在硅晶体中具有这种特性的杂质原子有Cu原子、Ag原子或Pd原子。与Cu相比，Ag的优点在于其形成络合物的倾向比较小。
Ag具有与Au相似的特性，即在硅晶体的替位位置（晶格格点）上起着有效复合中心的作用。然而，与Au扩散相反，Ag扩散（在载流子寿命轴向调节时）不是按替位式机制进行，而是间隙式的，即按空位机制进行。
进入间隙的Ag原子对复合相关分布没有贡献。与此相反，通过空位机制（分解机制即按空位扩散：Ag（间隙）+Vac（空位）→Ag（替位））将形成Ag的复合中心，就是说，与复合相关的Ag（替位式Ag）的浓度分布将与空位的浓度分布相关。
用重粒子（质子、中子、氦等）照射可以在半导体器件的任何部位上产生空位和双空位。就是说，可以给出一定浓度的分布。
现在，如果依次实施如下过程步骤：
1.Ag的预淀积和扩散
2.用高能粒子照射
3.分解过程的热处理
那么，在通过照射产生的缺陷区域内将进行Ag（间隙）+Vac（空位）→Ag（替位）过程，由于在硅中Ag的扩散性能要比Si（间隙）+Vac（空位）→Si（替位）过程（即扩散的本征晶格间隙原子占据着一个空位）优先进行，所以通过照射产生的空位分布将转变为替位式Ag的浓度分布。
考虑到复合过程，替位式Ag的效能要比单独通过照射而产生的空位约高10倍。
下面拟藉助于附图1a至1f阐述一下本发明优选的实施方案。在这些示意图中，相同的或相应的部位采用相同数学符号标出。
初始状态是一块经过扩散和氧化工艺过程（温度高于500℃左右）的硅半导体衬底，（图1a），就是说，为制造一个或多个PN结从而实现特定开关特性所需要的所有扩散过程均已完成。如果在本发明方法的各个步骤之后半导体衬底严重过热的话，则杂质将不复存在，从而寿命调节亦随之消除。
作为第一步应作上一个杂质原子的沉积层（图1b），例如，在半导体衬底1的表面2上作一个Ag层3。这可以用人们熟知的方法如蒸发、溅射、化学气相淀积以及用电镀工艺来实现。离子注入也可以得到沉积层，即将杂质原子注入到硅社底表面附近区域。
作为第二步，将进行再分布扩散过程（图1c），其间，沉积层决定了间隙式Ag的浓度，从而也就决定了在以后步骤中可以达到的替位式Ag的最大浓度。为此，应考虑到如何在不同的半导体器件（二极管、晶闸管等）的给定的深度上获得所需的杂质浓度。
作为第三步，在再分布扩散过程之后，应将层3的残存部分去掉（图1d）。从而在半导体衬底1上形成一个有间隙式杂质原子的区域4（在采用Ag情况下）。
作为第四步，用高能粒子6、最好选用H+、He+、He++或中子照射硅衬底1（图1e）。照射之后应在预定深层内获得所要求的晶格缺陷浓度分布。就是说，在含有杂质原子的区域4内形成一个高空位密度区5。照射强度应与杂质原子浓度相互适应，就是说应提供足够的空位。
这种照射半导体衬底的方法是人们熟知的，这里就不再对这一过程详加阐述了。
最后，对间隙式杂质原子进行热处理（图1f）。这一过程可以用不同的方式贯穿在半导体器件的整个制造过程中。
第一种方式是热处理与金属化烧结同时进行，就是说，先照射，然后再金属化。
第二种方式是在去掉沉积层之后进行金属化，再用高能粒子6照射。在照射之后进行半导体器件的钝化，与此同时进行杂质原子的热处理。
第三种方式是在去掉沉积层后进行半导体器件的钝化，用高能粒子在6照射。在照射之后，在200℃至400℃之间退火而进行热处理。
与第一种方式相比，第二和第三种方式优点在于可以避免在金属化之前损伤被照射过的表面。在较高照射强度下可能产生的表面损伤对金属化的质量有不良影响。
在前两种方式中，热处理与金属化烧结以及钝化同时进行，而在第三种方式中必需增加退火过程。
根据本发明方法，载流子寿命调节并不限于某种半导体器件。它既可以应用在简单的二极管结构中，也可以应用在复杂的晶闸管结构中。
同样，本发明也适用于Ⅲ-Ⅴ族或Ⅱ-Ⅵ族的半导体器件。
总之，可以说，本发明确定的方法对于多种类型的半导体器件来说，在开关特性的优化方面，特别是在正向压降和开关时间之间进行优化时可以获得应用。
很明显，按照上述描述，可对本发明做一些修改和变动，因此，应当理解，在本发明所附权利要求范围内，不采用在此描述的方式也可实现本发明。

Claims (10)

1、在具有半导体晶体衬底的半导体器件中轴向调节载流子寿命的方法，其特征在于如下几个步骤：
a)将杂质原子扩散到半导体衬底中，这些杂质原子应具有如下特性，即它们(Ⅰ)在晶格格点上易于复合而在晶格间隙上不易于复合，而且它们(Ⅱ)的扩散是间隙式的，即按空位机制而不是按替位式机制进行。
b)用高能粒子(6)照射半导体衬底，而在一予定深度获得所要求的晶格缺陷浓度分布。
c)已扩散杂质的热处理。
2、根据权利要求1所述方法，其特征在于：所述半导体衬底为硅衬底。
3、根据权利要求1的方法，其特征在于：为了将杂质原子扩散到半导体衬底
a）应在半导体衬底表面上作上沉积层
b）应进行再分布扩散，旨在一予定浓度获得所要求的杂质原子浓度。
4、根据权利要求3的方法，其特征在于：沉积层是通过离子注入产生的。
5、根据权利要求3的方法，其特征在于：为了向半导体衬底扩散杂质原子
a）通过杂质原子在半导体衬底表面上的沉积而形成沉积层
b）在再分布扩散之后将沉积层的残存部分去掉。
6、根据权利要求1的方法，其特征在于：热处理是与金属化烧结同时进行的。
7、根据权利要求1的方法，其特征在于：在杂质原子扩散之后进行金属化，再用高能粒子（6）照射并且在照射之后进行半导体器件的钝化，与此同时，还要进行杂质原子的热处理。
8、根据权利要求1的方法，其特征在于：在杂质原子扩散后进行钝化再用高能粒子（6）照射，并且在照射之后，在200℃和400℃之间退火而进行热处理。
9、根据权利要求2的方法，其特征在于：采用Cu原子，Ag原子或Pd原子作为杂质原子。
10、根据权利要求1的方法，其特征在于：利用He+、He++、质子或中子进行照射。
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