CN1110074C - 半导体器件的制造方法 - Google Patents
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Abstract
通过向半导体衬底上照射粒子束生成半导体晶体的晶体缺陷的半导体器件的制造方法：在进行上述粒子束的照射之前，通过例如在10分钟以内升温到550～850℃的快速加热，在该温度下进行例如1秒～60分钟之间的热处理。即使由于电子束等粒子束的照射会生成晶体缺陷，从而缩短载流子的寿命而使开关速度达到高速化，电流放大倍数等电学特性也不会降低，故可得到满足开关速度和电学特性两方面要求的半导体器件。
Description
本发明涉及一种既是通过照射电子束等的粒子束来缩短寿命从而使开关特性提高的半导体器件，又是一种在具有高速开关特性的同时能很好地维持电流放大倍数等的电学特性的半导体器件的制造方法。
为了在具有pn结的半导体器件中得到高速的开关响应特性，已知通过扩散金或铂等的重金属或照射电子束、X射线、质子等的粒子束来降低载流子的寿命的方法。
从很早以前开始就研究了向半导体层中扩散金或铂等的重金属的方法，但由于扩散量的控制和均匀化较为困难，故存在晶体管中电流放大倍数与存储时间的相关性(hFE-tstg)不太好的问题。此外，需要注意防止用于后处理的处理装置等的装置污染，故在工艺方面的管理也很困难。
此外，照射粒子束的方法是通过照射具有高能量的粒子束，使该粒子束在半导体层内的晶体中产生缺陷而形成深能级，由此使载流子的寿命降低。由于这些晶体缺陷可用比较低的温度的热处理，使载流子的寿命恢复到原来的状态而失效，故在半导体器件的制造工序中存在着必须在后半部分进行处理的限制。
即使在利用照射上述的电子束等的粒子束通过降低寿命来减少存储时间(开关时间的高速化)的方法中，也存在电流放大倍数与存储时间的相关性(hFE-tstg)不太好的问题。即，如降低载流子的寿命从而使开关时间toff变快的话，则收集层的掺杂浓度增加，造成电流放大倍数hFE等电学特性降低。
本发明的目的在于提供一种半导体器件的制造方法，该方法能解决这些问题，能得到改善开关时间与电流放大倍数的关系、具有高速开关特性、同时电流放大倍数等的电学特性优良的半导体器件。
本发明者为了得到满足改善高速的开关特性和高的电流放大倍数等电学特性两方面的要求的半导体器件，反复进行了专心致志的研究，其结果是发现通过在照射电子束等的粒子束之前对半导体衬底施行快速加热热处理，可得到既维持高电流放大倍数等的电气方面的良好特性，又具有高速开关特性的半导体器件。
本发明的半导体器件的制造方法是通过对半导体衬底照射粒子束使之生成半导体晶体的晶体缺陷的半导体器件的制造方法，其特征是在进行上述粒子束的照射之前进行快速加热热处理。
在这里所谓的快速加热热处理是指温度的上升速度很快的加热，例如在约10分钟以内经过加热从常温上升到850℃，除了红外线灯、放电灯、激光束等的光灯、高频辐射的加热装置等之外，也可以是利用热容量小的加热炉等的加热。但是，光灯或高频辐射的加热处理装置由于其热容量特别小故是较为理想的。
如采用本发明，由于在照射电子束等的粒子束之前进行快速加热热处理，故通过该热处理，以因为扩散工序等的热处理工序而已进入到半导体层中的氧为基础将形成SiO4(SiOn(n＞2))等核簇。进行快速加热热处理的原因是：如在约400～500℃的温度下长时间地放置的话，已进入到半导体层中的氧将变成施主，半导体层中的掺杂浓度将发生变动，故为了避开这一点而使温度快速上升。通过在进行快速加热热处理之后照射电子束等粒子束，核簇部分起到俘获中心或复合中心的作用。
如粒子束照射到上述的核簇上，则既产生晶体缺陷，又不起到掺杂剂的作用。因此，掺杂剂的量不变化，电流放大倍数等的电学特性不会变坏，作为基于因粒子束照射而产生的晶体缺陷的俘获中心或复合中心的作用可缩短载流子的寿命。其结果是既可很好地维持电学特性，又可使开关速度达到高速化。
升温到550～850℃的温度进行上述热处理这种做法，更为理想的是上述快速加热热处理在约10分钟以内升温到约550～850℃，并在该温度的范围内维持1秒～60分钟，其后进行快速的冷却处理这种做法，可防止半导体层中的氧变成施主从而形成SiOn(n＞2)等核簇，由于这些核簇起到俘获中心的作用，故可高效率地生成晶体缺陷。
如在上述快速加热的热处理工序与上述粒子束照射的工序之间设置需要进行退火处理的电极形成工序，则电极用的金属不会因快速加热处理而受到损伤，此外由于是在粒子束的照射之前，故即使应用电极的退火处理也不会修复粒子束的照射所产生的晶格缺陷。
再者，本发明的半导体器件的具体的制造方法的特征在于：
(a)在半导体衬底上形成用于形成器件的pn结；
(b)在上述半导体衬底上利用快速加热的升温进行550～850℃的热处理；
(c)在上述半导体衬底的表面一侧形成了绝缘膜后，在该绝缘膜的上述器件的电极部分上设置接触孔并形成电极；
(d)在进行了用于得到上述电极与半导体层的欧姆接触孔的热处理之后进行粒子束的照射。
通过这样做，并通过使例如上述pn结的形成以半导体衬底为收集区的基区和发射区，并以上述电极为基区电极和发射区电极，就可容易地得到具有高速开关特性且电流放大倍数等电特性优良的晶体管。
图1至图5示出了本发明的半导体器件的制造方法的一个实施例的制造工序，图6是示出了将用本发明的制造方法的快速加热升温到550～850℃时的各工序的寿命的变化(A)与用现有的通常的热处理法升温到550～850℃时的各工序的寿命的变化(B)进行对比的图，图7示出了用本发明的制造方法的一个实施例制造的晶体管的电流放大倍数hFE与存储时间tstg的关系。
其次，一边参照附图一边说明本发明的半导体器件的制造方法的一个实施例。图1示出了作为本发明的半导体器件的制造方法的一个实施例的晶体管的制造工序。
首先，如图1所示，在例如n-型的半导体层1b的背面一侧扩散磷等的n型杂质，形成n+型半导体层1a。将半导体层1a和1b合在一起称为半导体衬底1，半导体衬底1起到晶体管的收集区的作用。然后在半导体衬底1的表面一侧用热氧化法或CVD法形成例如SiO2或SiN等的掩模7，在基区形成部位形成第一窗口部分7a。然后由第一窗口部分7a将硼、镓、铝等杂质掺杂到半导体衬底1中形成p型的基区2。
其次，如图2所示，在半导体衬底1的表面上边再次形成SiO2或SiN等的掩模7，在发射区形成部位形成第二窗口部分8a。然后由第二窗口部分8a将磷、砷、锑等杂质掺杂到半导体衬底1中形成n+型的发射区3。
其次，如图3所示，用快速加热处理装置(快速热退火；RTA)进行加热使之在约10分钟以内，更理想是在约5分钟以内，升温到约550～850℃，在该温度下进行1秒或几秒～约60分钟的热处理。较为理想的是其后，用与快速加热大致相同的时间快速地冷却到常温。此时发射区3的表面也被氧化，在半导体衬底1的整个表面上形成绝缘膜9。作为快速加热处理装置，除了例如红外线灯、放电灯、激光束等的光灯之外，使用高频辐射的加热装置等可在不需要使处理装置本身的温度上升的情况下直接使半导体衬底1的温度上升，可快速地加热并且快速地冷却，因而是比较理想的。但是，如上述那样，只要是能在约10分钟以内，更理想的是在约5分钟以内，从常温上升到约550～850℃的装置就可以，如热容量小的话也可以是通常的加热炉类型的装置。还有，如使用这些装置，在冷却时也可用大致相同的时间冷却到常温。
进行快速加热处理的原因如下。即，如长时间地保持于约400～500℃的温度下的话，在扩散工序时等已进入到半导体层中的氧变成施主，半导体层中的掺杂浓度将发生变动。另一方面，如超过约400～500℃而达到约550～850℃的话，则将由于已进入到半导体层中的氧等而形成SiOn(n＞2)等核簇。当形成这种核簇时，就不存在使已进入到半导体层中的氧变成施主的危险，通过下述的电子束等粒子束的照射，核簇成为载流子的俘获中心或复合中心。因而，一边使之不在400～500℃的温度下长时间放置，一边进行550～850℃的热处理以形成SiOn(n＞2)等核簇是必要的。所以，进行快速加热以使之不在400～500℃的温度下放置。
以往，为了寿命的稳定化，往往在重金属扩散工序之前进行热处理，但用通常的热处理不能得到上述的效果。即，在用通常的加热处理装置进行约550～1000℃的热处理时，例如上升到约800℃需要约40～80分钟，故在约400～500℃下放置的时间约10～20分钟，这种情况称为(B)，用本发明，上升到约800℃需要约2～10分钟(在400～500℃的范围的时间约为1～2分钟)，这种情况称为(A)，图6中示出了(A)与(B)的各工序后寿命变化的对比。在图6中，横轴表示出各工序，P是衬底的状态，Q是例如与形成基区、发射区等的杂质扩散处理工序相对应的热处理工序，R是不与本发明的快速加热那样的杂质扩散相对应的热处理工序，S是粒子束照射工序，纵轴分别表示出寿命(μs)。从图6可清楚地看出，如用通常的热处理方法进行550～850℃的热处理的话，则寿命变大。一般认为这是由于上述的施主化而引起的。另一方面，如采用本发明的快速加热，则寿命不变大，一般认为这是由于在产生施主化之前形成了核簇的缘故。
通过进行上述的快速加热热处理，使半导体层中的氧变成SiOn(n＞2)等核簇而达到稳定化，因此即使因以后的电极形成工序等升温到约450℃，也不会产生氧的施主化等不好的情况。但是，为了增加快速加热的效果，为了减少在约400～500℃下放置的时间，以快速冷却的方式进行冷却也是较为理想的。
在升温到550～850℃之后，在该温度下保持的时间因半导体器件的pn结的深度或杂质浓度的不同而不同，但在跟随温度变化较快的半导体器件中，在约几秒的时间内半导体层中的氧变成SiOn(n＞2)等核簇而达到目的，一般情况下在从2～3分钟至约15分钟的时间内生成核簇。即使时间过于长也不会有什么问题，但如超过60分钟，则会产生很多新的施主，由于使半导体层中的掺杂浓度发生变动，故是不希望的。
如由于快速加热而上升的温度低于550℃的话，不能高效率地生成SiOn(n＞2)等核簇，因而是不希望的。此外，如高于850℃的话，虽然氧施主消失，但产生pn结部分的变动，使电学特性发生变化，因而是不希望的。因此希望设定在550～850℃，更为理想的是设定在550～700℃。
其次，如图4所示，用铝等形成半导体衬底1的表面一侧的电极，即基区电极4、发射区电极5。在半导体衬底1的表面的绝缘膜9上形成接触孔9a、9b，用溅射法或真空蒸发法形成铝等电极用的金属膜，通过图形刻蚀来形成该基区电极4、发射区电极5。此时，为了得到电极与半导体层的欧姆接触，进行热处理是必要的，半导体衬底要在约450℃的温度下停留约10～60分钟，但如以上所述，由于已进入半导体层中的氧已经变成核簇，故可抑制其变成施主的比率，不会对特性造成坏的影响。
其次，如图5所示，从半导体衬底1的表面一侧照射电子束、X射线、质子等的粒子束。例如用约500keV～10MeV的能量，用约1×1013～6×1015/cm2的剂量照射电子束。如采用本发明，由于预先用快速加热处理形成核簇，故以核簇为中心生成晶体缺陷，该缺陷不因电子束等的照射能量或剂量而有什么变化，故可在稳定的电特性下得到高速的开关特性。
还有，虽然是从半导体衬底1的表面一侧进行电子束等粒子束的照射，但也可从表面一侧进行电子束等粒子束的照射。
其次，为了修复在半导体衬底1的表面层中特别容易生成的晶体缺陷，在约200～450℃下进行约10分钟～2小时的退火。其后在半导体衬底1的背面用溅射法或真空蒸发法形成金或钛等金属膜，从而形成收集区电极(图中未画出)。之后用划线等方法切割成芯片，形成晶体管芯片。由于该收集区电极覆盖在整个高杂质浓度的半导体层的表面上而形成，故即使不进行合金化也能得到欧姆接触，所以没有必要进行高温处理。因此，不会引起由粒子束照射产生的晶体缺陷方面的变化。
在上述实施例中，在形成表面一侧电极之前进行快速加热处理，在形成表面一侧电极之后进行电子束等粒子束的照射，这是为了防止因快速加热处理的温度使电极材料变形，也是为了使由于粒子束等的照射而生成的晶体缺陷不会因其后的温度上升而修复。只要不产生这些问题，也可在粒子束的照射工序前进行快速加热热处理。
在图7中与现有(在不进行快速加热的情况下只进行电子束的照射时)的关系图(B)一起示出了上述实施例中晶体管的电流放大倍数hFE对于存储时间tstg(开关时间toff)的关系(A)。从图7可清楚地看出，如采用本发明，与现有技术相比，在得到同样的开关速度的情况下电流放大倍数hFE提高了约20％。
在上述实施例中是晶体管的例子，但同样可将本发明应用于晶体管以外的二极管、闸流管、绝缘栅双极型晶体管(IGBT)、MOSFET等需要高功率和高速开关特性的半导体器件。
如采用本发明，即使通过电子束等的粒子束照射生成晶体缺陷，从而缩短载流子的寿命而使开关速度达到高速化，电流放大倍数等电学特性也不会降低，故可得到满足开关速度和电学特性两方面要求的半导体器件。
如以上所述，本发明的半导体器件的制造方法在制造既需要高速开关特性又需要很好地维持半导体的电特性的二极管、晶体管、闸流管、绝缘栅双极型晶体管(IGBT)、MOSFET等半导体器件时是特别有用的。
Claims (6)
1.一种半导体器件的制造方法，该方法中通过对半导体衬底照射粒子束生成半导体晶体的晶体缺陷且在进行上述粒子束的照射之前的工序中进行了热处理，其特征在于，上述热处理包括：在10分钟以内快速加热到550～850℃；在该升温后的温度范围内维持1秒～60分钟；其后在10分钟以内进行快速冷却。
2.权利要求1中所述的半导体器件的制造方法，其中利用光灯的加热进行上述快速加热。
3.权利要求1中所述的半导体器件的制造方法，其中利用高频辐射的加热进行上述快速加热。
4.权利要求1、2或3中所述的半导体器件的制造方法，其中在上述热处理工序与上述粒子束照射的工序之间设置需要退火处理的电极形成工序。
5.一种半导体器件的制造方法，其特征在于：
(a)在半导体衬底中形成用于形成器件的pn结；
(b)在上述半导体衬底中进行热处理，所述热处理包括：在10分钟以内快速加热到550～850℃；在该升温后的温度范围内维持1秒～60分钟；其后在10分钟以内进行快速冷却；
(c)在上述半导体衬底的表面一侧形成了绝缘膜之后，在该绝缘膜的该器件的电极部分内设置接触孔并形成电极；
(d)在进行用于得到该电极与半导体层的欧姆接触的热处理之后进行粒子束的照射。
6.权利要求5中所述的半导体器件的制造方法，其中用于上述器件的pn结是以半导体衬底为收集区形成基区和发射区的方法形成的，上述电极是基区电极和发射区电极。
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