專利名稱：半導(dǎo)體基材及其制作方法
背景技術(shù)：
本發(fā)明是關(guān)于半導(dǎo)體基材及其制作方法。具體地說(shuō)，本發(fā)明是關(guān)于半導(dǎo)體元件中使用的半導(dǎo)體基材及其制作方法。
通常，半導(dǎo)體元件上最普通常稱之為二極管或金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)功率管的半導(dǎo)體基材，它是高量摻有諸如砷、銻、磷或硼(通常摻砷)的雜質(zhì)元素，在其頂面形成了低摻雜硅外延層，并且表面經(jīng)鏡面拋光處理的基材，為了制作這類高摻雜基材，在采用Czochralski方法拉制單晶時(shí)，要求對(duì)基片摻入大量雜質(zhì)。然而，在制作高摻雜基材過(guò)程中，在固體溶解度范圍內(nèi)引入盡可能多的雜質(zhì)濃度會(huì)使得拉制單晶很困難，造成產(chǎn)率低。此外，偏析現(xiàn)象也難以使雜質(zhì)在整個(gè)晶體長(zhǎng)度區(qū)段內(nèi)均勻分布，也即難以生長(zhǎng)電阻率均勻的晶體。因此，在拉制單晶時(shí)，摻入大量雜質(zhì)到基材中來(lái)制作高摻雜基材會(huì)增加制作成本。
由此制得的高摻雜基材，在該基材背面仍未覆蓋有高摻雜擴(kuò)散層。因此，在高摻雜基材頂面形成外延層時(shí)，基材內(nèi)部雜質(zhì)會(huì)從背面向外擴(kuò)散，然后直達(dá)基材頂面的外延層表面。為了阻止雜質(zhì)在形成外延層時(shí)從基材內(nèi)部向外擴(kuò)散，就要求在基材背面形成一層鈍化膜(氧化膜或多晶硅膜，這進(jìn)一步又增加了制作成本。
通常制作可控硅用的半導(dǎo)體基材時(shí)，要在半導(dǎo)體基材表面上形成一層雜質(zhì)擴(kuò)散層，然后對(duì)該雜質(zhì)擴(kuò)散層表面進(jìn)行機(jī)械和化學(xué)的鏡面拋光，在其表面除去一定厚度，然后在該經(jīng)鏡面拋光的雜質(zhì)擴(kuò)散層上形成高滲雜外延層。(參見(jiàn)日本特許公開(kāi)59-35421)。
采用此常規(guī)技術(shù)，為了在基材表面形成雜質(zhì)擴(kuò)散層，在該基材兩面形成氧化膜，將磷在140KeV電場(chǎng)作用下穿過(guò)氧化膜注入晶片，注入劑量為7×1014cm-2，所得晶片在溫度1260℃氮?dú)馀c氧氣混合氣中加熱50小時(shí)，使磷擴(kuò)散到晶片內(nèi)。此后，采用二氧化硅粉末對(duì)晶片表面進(jìn)行機(jī)械和化學(xué)鏡面拋光，將磷擴(kuò)散層除去5μm厚度，然后通過(guò)外延生長(zhǎng)技術(shù)在此經(jīng)鏡面拋光的晶片表面上形成N型單晶外延層，其比電阻為0.1Ωcm。
此常規(guī)方法在制作可控硅半導(dǎo)體基材時(shí)，要形成無(wú)缺陷外延層。具體地說(shuō)，此技術(shù)涉及的是在基材上形成擴(kuò)散層，然后對(duì)此擴(kuò)散層表面進(jìn)行機(jī)械和化學(xué)拋光，再在拋光后的擴(kuò)散層上形成無(wú)缺陷外延層。
而且，為了在基材上形成高摻雜擴(kuò)散層，常規(guī)技術(shù)涉及到將摻雜劑離子注入到基材內(nèi)，劑量為7×1014cm-2，然后通過(guò)高溫處理進(jìn)行注入的摻雜劑擴(kuò)散。此后，在基材上形成，比電阻為0.1Ωcm的外延層。采用此法，可以期望基材(里層)的雜質(zhì)濃度和外延層(外層)的雜質(zhì)濃度基本上相等。為了提高擴(kuò)散層雜質(zhì)濃度，僅需離子注入時(shí)間更長(zhǎng)些，劑量更高些即可。然而，這會(huì)降低產(chǎn)率，因而提高制造成本。
發(fā)明概述根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式，提供一種半導(dǎo)體基材，它包括低摻雜基材，基材內(nèi)雜質(zhì)濃度較低；形成在低摻雜基材頂面的高摻雜擴(kuò)散層，其中雜質(zhì)濃度高于低摻雜基材；形成在高摻雜擴(kuò)散層頂面上的外延層，其中雜質(zhì)濃度低于高摻雜擴(kuò)散層。
根據(jù)本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施方式，提供半導(dǎo)體基材的一種制作方法，它包括在低摻雜基材表面上形成高摻雜擴(kuò)散層，該高摻雜擴(kuò)散層中的雜質(zhì)濃度高于低摻雜基材；對(duì)高摻雜擴(kuò)散層表面進(jìn)行鏡面拋光；在高摻雜擴(kuò)散層經(jīng)鏡面拋出的表面上形成外延層，該外延層雜質(zhì)濃度低于高摻雜擴(kuò)散層。
根據(jù)本發(fā)明的又一個(gè)實(shí)施方式，提供半導(dǎo)體基材的一種制作方法，它包括對(duì)雜質(zhì)濃度較低的低摻雜基材進(jìn)行鏡面拋光；在鏡面拋光的低摻雜基材表面上形成高摻雜擴(kuò)散層，該高摻雜擴(kuò)散層中雜質(zhì)濃度高于低摻雜基材；在高摻雜擴(kuò)散層表面上形成外延層，該外延層中雜質(zhì)濃度低于高摻雜擴(kuò)散層。
根據(jù)本發(fā)明又一個(gè)實(shí)施方式，提供半導(dǎo)體基材的一種制作方法，它包括在雜質(zhì)濃度較低的低摻雜基材的頂面與背面上形成高摻雜擴(kuò)散層，該高摻雜擴(kuò)散層中的雜質(zhì)濃度高于低摻雜基材；將低摻雜基材頂面與背面中的一個(gè)面上形成的高摻雜擴(kuò)散層除去；
對(duì)低摻雜基材頂面與背面中的另一個(gè)面上形成的高摻雜擴(kuò)散層進(jìn)行鏡面拋光；在高摻雜擴(kuò)散層經(jīng)鏡面拋光的表面上形成外延層，此外延層的雜質(zhì)濃度低于高摻雜擴(kuò)散層。
根據(jù)本發(fā)明又一個(gè)實(shí)施方式，提供半導(dǎo)體基材的一種制作方法，它包括在雜質(zhì)濃度較低的低摻雜基材頂面與背面上形成高摻雜擴(kuò)散層，該高摻雜擴(kuò)散層中的雜質(zhì)濃度高于低摻雜基材；沿通過(guò)位于厚度方向的中點(diǎn)的面將基材切割成分割基材；對(duì)分割的基材的切割面進(jìn)行平整處理；對(duì)分割的基材上形成的高摻雜擴(kuò)散層表面進(jìn)行鏡面拋光；在分割的基材上的高摻雜擴(kuò)散層經(jīng)鏡面拋光的表面上形成外延層，該處延層中的雜質(zhì)濃度低于高摻雜擴(kuò)散層。
根據(jù)本發(fā)明又一個(gè)實(shí)施方式，提供一種半導(dǎo)體基材，它包括半導(dǎo)體元件；在低摻雜基材頂面形成的高摻雜擴(kuò)散層，該高摻雜擴(kuò)散層中的雜質(zhì)濃度高于低摻雜基材，該低摻雜基材在半導(dǎo)體元件形成過(guò)程的最后階段被除去；以及在高摻雜擴(kuò)散層頂面形成外延層，該處延層中的雜質(zhì)濃度低于高摻雜擴(kuò)散層，該半導(dǎo)體元件形成于外延層中。
附圖簡(jiǎn)要說(shuō)明

圖1是半導(dǎo)體基材的截面圖；圖2是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方式的半導(dǎo)體基材的截面圖，是在圖1的半導(dǎo)體基材上形成了高摻雜擴(kuò)散層和外延層；圖3是半導(dǎo)體基材的截面圖；圖4是根據(jù)本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施方式的半導(dǎo)體基材的截面圖，是在圖3的半導(dǎo)體基材上形成了高摻雜擴(kuò)散層和外延層；圖5是半導(dǎo)體基材的截面圖，用來(lái)說(shuō)明本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方式中制作方法的一個(gè)步驟；圖6是半導(dǎo)體基材的截面圖，用來(lái)說(shuō)明本發(fā)明這一實(shí)施方式中制作方法的圖5步驟的下一個(gè)步驟；圖7是半導(dǎo)體基材的截面圖，用來(lái)說(shuō)明本發(fā)明這一實(shí)施方式中制作方法的圖6步驟的下一個(gè)步驟；圖8是半導(dǎo)體基材的截面圖，用來(lái)說(shuō)明本發(fā)明這一實(shí)施方式中制作方法的圖7步驟的下一個(gè)步驟；圖9是半導(dǎo)體基材的截面圖，用來(lái)說(shuō)明本發(fā)明這一實(shí)施方式中制作方法的圖8步驟的下一個(gè)步驟；圖10是半導(dǎo)體基材的截面圖，用來(lái)說(shuō)明本發(fā)明這一實(shí)施方式中制作方法的圖9步驟的下一個(gè)步驟；圖11是半導(dǎo)體基材的截面圖，用來(lái)說(shuō)明本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施方式中制作方法的一個(gè)步驟；圖12是半導(dǎo)體基材的截面圖，用來(lái)說(shuō)明本發(fā)明這一實(shí)施方式中制作方法的圖11步驟的下一個(gè)步驟；圖13是半導(dǎo)體基材的截面圖，用來(lái)說(shuō)明本發(fā)明這一實(shí)施方式中制作方法的圖12步驟的下一個(gè)步驟；圖14是半導(dǎo)體基材的截面圖，用來(lái)說(shuō)明本發(fā)明這一實(shí)施方式中制作方法的圖13步驟的下一個(gè)步驟；圖15是半導(dǎo)體基材的截面圖，用來(lái)說(shuō)明本發(fā)明這一實(shí)施方式中制作方法的圖14步驟的下一個(gè)步驟；圖16是半導(dǎo)體基材的截面圖，用來(lái)說(shuō)明本發(fā)明這一實(shí)施方式中制作方法的圖15步驟的下一個(gè)步驟；圖17是半導(dǎo)體基材的截面圖，用來(lái)說(shuō)明本發(fā)明又一個(gè)實(shí)施方式中制作方法的一個(gè)操作步驟；圖18是半導(dǎo)體基材的截面圖，用來(lái)說(shuō)明本發(fā)明這一實(shí)施方式中制作方法的圖17步驟的下一個(gè)步驟；圖19是半導(dǎo)體基材的截面圖，用來(lái)說(shuō)明本發(fā)明這一實(shí)施方式中制作方法的圖18步驟的下一個(gè)步驟；圖20是半導(dǎo)體基材的截面圖，用來(lái)說(shuō)明本發(fā)明這一實(shí)施方式中制作方法的圖19步驟的下一個(gè)步驟；圖21是半導(dǎo)體基材的截面圖，用來(lái)說(shuō)明本發(fā)明這一實(shí)施方式中制作方法的圖20步驟的下一個(gè)步驟；圖22是半導(dǎo)體基材的截面圖，用來(lái)說(shuō)明本發(fā)明這一實(shí)施方式中制作方法的圖21步驟的下一個(gè)步驟；
圖23是半導(dǎo)體基材的截面圖，用來(lái)說(shuō)明本發(fā)明還有一個(gè)實(shí)施方式中制作方法的一個(gè)操作步驟；圖24是半導(dǎo)體基材的截面圖，用來(lái)說(shuō)明本發(fā)明這一實(shí)施方式中制作方法的圖23步驟的下一個(gè)步驟；圖25是半導(dǎo)體基材的截面圖，用來(lái)說(shuō)明本發(fā)明這一實(shí)施方式中制作方法的圖24步驟的下一個(gè)步驟；圖26是半導(dǎo)體基材的截面圖，用來(lái)說(shuō)明本發(fā)明這一實(shí)施方式中制作方法的圖25步驟的下一個(gè)步驟；圖27是半導(dǎo)體基材的截面圖，用來(lái)說(shuō)明本發(fā)明這一實(shí)施方式中制作方法的圖26步驟的下一個(gè)步驟；圖28是半導(dǎo)體基材的截面圖，用來(lái)說(shuō)明本發(fā)明這一實(shí)施方式中制作方法的圖27步驟的下一個(gè)步驟；圖29是半導(dǎo)體基材的截面圖，用來(lái)說(shuō)明本發(fā)明這一實(shí)施方式中制作方法的圖28步驟的下一個(gè)步驟；圖30是半導(dǎo)體元件的截面圖，用來(lái)說(shuō)明采用圖10所示基材制作該半導(dǎo)體元件方法的一個(gè)步驟；圖31是半導(dǎo)體元件的截截面圖，用來(lái)說(shuō)明制作方法的圖30步驟的下一個(gè)步驟。
圖32是半導(dǎo)體元件的截面圖，用來(lái)說(shuō)明采用圖16所示基材制作該半導(dǎo)體元件方法的一個(gè)步驟；圖33是半導(dǎo)體元件的截面圖，用來(lái)說(shuō)明制作方法的圖32步驟的下一個(gè)步驟；圖34是半導(dǎo)體基材的截面圖，用來(lái)說(shuō)明采用圖22所示基材制作該半導(dǎo)體元件方法的一個(gè)步驟；圖35是半導(dǎo)體元件的截面圖，用來(lái)說(shuō)明制作方法的圖34步驟下一個(gè)步驟。
圖36是半導(dǎo)體元件的截面圖，用來(lái)說(shuō)明采用圖29所示基材制作半導(dǎo)體元件方法的一個(gè)步驟；圖37是半導(dǎo)體元件的截面圖，用來(lái)說(shuō)明制作方法的圖36步驟下一步驟。
發(fā)明詳述圖1和圖3是一個(gè)半導(dǎo)體基材的截面圖。該半導(dǎo)體基材為低摻雜半導(dǎo)體基材(半導(dǎo)體晶片)，其雜質(zhì)濃度較低，是從單晶圓錠上切片而成。此切片隨后再在其上面形成雜質(zhì)擴(kuò)散層和外延層等。
低摻雜基材100通常在采用Czochralski法拉制單晶時(shí)摻以N型或P型雜質(zhì)。圖1和圖3中N或P表示半導(dǎo)體的導(dǎo)電類型。其它附圖情況也一樣。符號(hào)“+”表示雜質(zhì)濃度高。N型導(dǎo)電體雜質(zhì)包括磷、銻和砷；而P型導(dǎo)電體雜質(zhì)包括硼。
與那些低摻雜基材100相同導(dǎo)電類型的雜質(zhì)通過(guò)擴(kuò)散技術(shù)以高濃度擴(kuò)散進(jìn)入基材，形成高摻雜擴(kuò)散層1，其中高摻雜擴(kuò)散層2形成在分別與圖1和圖3相對(duì)應(yīng)的圖2和圖4中所示的基材100上面。圖2和圖4中符號(hào)“+”表示雜質(zhì)濃度高。其它附圖情況也一樣。要求高摻雜擴(kuò)散層2的厚度小于低摻雜基材100。還要求在進(jìn)行擴(kuò)散操作時(shí)，基材上留有非擴(kuò)散層1，其上有高摻雜擴(kuò)散層2。
其次，在基材1的高摻雜擴(kuò)散層2上形成外延層3，該外延層中雜質(zhì)濃度低于高摻雜擴(kuò)散層2。
如圖2所示，外延層3可以是與低摻雜基材和高摻雜擴(kuò)散層相同的導(dǎo)電類型，或如圖4所示，也可以是與低摻雜基材和高摻雜擴(kuò)散層不同的導(dǎo)電類型。也就是說(shuō)，如圖1和圖2所示，如果低摻雜基材和高摻雜擴(kuò)散層為N型導(dǎo)電的，外延層也可以是N型導(dǎo)電的；并且，當(dāng)?shù)蛽诫s基材和高摻雜擴(kuò)散層為P型導(dǎo)電，外延層也可以是N型導(dǎo)電。也可以如圖3和圖4所示，當(dāng)?shù)蛽诫s基材和高摻雜擴(kuò)散層為N型導(dǎo)電，外延層允許為P型導(dǎo)體雜質(zhì)；并且，當(dāng)?shù)蛽诫s基材和高摻雜擴(kuò)散層為P型導(dǎo)體雜質(zhì)，外延層允許為N型導(dǎo)體雜質(zhì)。功率元件，例如絕緣門(mén)二極管(IGBT)具有如圖4所示的相反導(dǎo)電類型的結(jié)構(gòu)。
低摻雜基材100的雜質(zhì)濃度可以定得很低，基材內(nèi)會(huì)影響外延層3電阻率的雜質(zhì)向外擴(kuò)散就不會(huì)發(fā)生。因此，與常規(guī)高摻雜基材相比，本基材制作成本很低。低摻雜基材100的雜質(zhì)濃度小于外延層3雜質(zhì)濃度的十倍也是可行的。
由于高摻雜擴(kuò)散層2是采用擴(kuò)散技術(shù)形成的，整個(gè)電阻率都能保持均勻一致，不受常規(guī)高摻雜基材制作中拉單晶時(shí)出現(xiàn)偏析的影響。此外，由于形成的高摻雜擴(kuò)散層2決不會(huì)到達(dá)基材1的背面4，因此，雜質(zhì)不會(huì)在外延生長(zhǎng)時(shí)或在制備半導(dǎo)體元件工藝過(guò)程中從背面4遷移到基材1的頂面(外延層表面)。因此在基材背面形成鈍化膜的這一多余步驟可以簡(jiǎn)化。
如果制備半導(dǎo)體元件后，基材1的非摻雜層1’留了下來(lái)，則該元件特性變劣。一般說(shuō)來(lái)，在元件制作工藝中的最后階段是將該層1’磨去；因此這不會(huì)有問(wèn)題。層1’磨去后的基材，如果厚度太薄，在隨后工藝步驟過(guò)程中容易出現(xiàn)碎裂，因此要求它的厚度≥50μm，要求外延層3與高摻雜擴(kuò)散層2的總厚度≥50μm。
根據(jù)本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施方式的半導(dǎo)體基材制作方法中，雜質(zhì)濃度較低的低摻雜基材的頂面或其底面有擴(kuò)散層(本實(shí)施例在頂面)，其雜質(zhì)濃度高于基材。
例如，采用常規(guī)技術(shù)形成高摻雜擴(kuò)散層，例如涉及到將半導(dǎo)體基材置于電爐內(nèi)，在氧、氮和三氯氧磷(POCl3)混合氣體中進(jìn)行熱處理，然后在更高溫度下再進(jìn)行熱處理。接下來(lái)對(duì)形成高摻雜擴(kuò)散層的基材頂面進(jìn)行鏡面拋光。這里所述的鏡面拋光工藝至少包括化學(xué)機(jī)械拋光工藝，使基材的拋光面成為鏡面。如果通過(guò)化學(xué)機(jī)械拋光工藝是必需的話，則必須包括這個(gè)工藝。該化學(xué)機(jī)械拋光工藝包括采用金剛石砂輪進(jìn)行研磨，并用酸等化學(xué)物質(zhì)(例如，硝酸、醋酸和鹽酸)進(jìn)行侵蝕。近幾年，還廣泛使用等離子體侵蝕技術(shù)。如果此技術(shù)作為最后一道工序采用，則也應(yīng)包括在內(nèi)。接下來(lái)，在鏡面拋光的表面上形成雜質(zhì)濃度小于高摻雜擴(kuò)散層的外延層。外延層的形成用常規(guī)技術(shù)完成，例如使用SiHCl3作硅源，氫氣作載氣，PH3作摻雜氣體。在此制作方法中，在形成高摻雜擴(kuò)散層之前先進(jìn)行鏡面拋光。而且，要求基材不形成高摻雜擴(kuò)散層的另一面(本例中是基材的背面)，在形成高摻雜擴(kuò)散層之前先用一層氧化膜等進(jìn)行保護(hù)。此鈍化膜(假設(shè)為氧化膜)的形成，可以是在形成高摻雜擴(kuò)散層之前，在基材頂面和底面上形成氧化膜，然后再采用旋轉(zhuǎn)式侵蝕法將基材頂面(準(zhǔn)備在其上形成外延層的那個(gè)面)的氧化膜侵蝕掉。
在根據(jù)本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施例的半導(dǎo)體基材制作方法中，形成一個(gè)雜質(zhì)濃度較低的低摻雜基材100，其頂面和底面上具有雜質(zhì)濃度比該基材高的擴(kuò)散層。此高摻雜擴(kuò)散層可以采用前述常規(guī)技術(shù)形成。接下來(lái)，將該基材一個(gè)面上的高摻雜擴(kuò)散層(本例中為底層)除去，露裸出非擴(kuò)散層。本例中，要求高摻雜擴(kuò)散層的去除采用的是金剛石砂輪單面磨削法，等離子體或旋轉(zhuǎn)式單面侵蝕法或單面拋光法等。在除去高摻雜擴(kuò)散層的構(gòu)型小，可以采用雙面磨削，雙面侵蝕，鏡面拋光以及它們的組合。接下來(lái)，對(duì)基材保留了高摻雜擴(kuò)散層的頂面進(jìn)行鏡面拋光處理。工序進(jìn)入此步時(shí)，取決于高摻雜擴(kuò)散層表面(在基材頂面上)的情況，可采用金剛石砂輪、等離子體或旋轉(zhuǎn)式侵蝕、拋光以及它們的組合技術(shù)進(jìn)行研磨。在除去構(gòu)成基材背面的非擴(kuò)散層時(shí)，可采用雙面磨削、雙面侵蝕、雙面拋光以及它們的組合技術(shù)。鏡面拋光處理后，采用前述常規(guī)技術(shù)在經(jīng)鏡面拋光的高摻雜擴(kuò)散層上形成摻雜濃度低的外延層。
在根據(jù)本發(fā)明又一個(gè)實(shí)施例的半導(dǎo)體基材制作方法中，形成一個(gè)雜質(zhì)濃度較低的低摻雜基材，其頂面和底面上具有雜質(zhì)濃度比該基片高的擴(kuò)散層。這兩層高摻雜擴(kuò)散層的形成可以用前述的常規(guī)技術(shù)。此后，采用內(nèi)徑鋸或線鋸沿著通過(guò)其厚度方向的中點(diǎn)的面將基材切成兩塊。每一切割面上就露出非擴(kuò)散層。接下來(lái)，對(duì)每一塊切割基材的切割面(暴露在外的非擴(kuò)散層)進(jìn)行平整處理。平整處理最好采用金剛石砂輪單面磨削、等離子體或旋轉(zhuǎn)式單面侵蝕或單面拋光。工序進(jìn)入這一步時(shí)，在保留其中的一層高摻雜擴(kuò)散層時(shí)，可采用雙面磨削、雙面侵蝕、雙面拋光以及它們的組合技術(shù)。接下來(lái)，對(duì)高摻雜擴(kuò)散層的表面(高摻雜擴(kuò)散層側(cè)的基材表面)進(jìn)行鏡面拋光處理。工序進(jìn)入此步時(shí)，取決于高摻雜擴(kuò)散層表面的情況，采用金剛石砂輪、等離子體或旋轉(zhuǎn)式侵蝕、拋光以及它們的組合技術(shù)進(jìn)行研磨。在除去非擴(kuò)散層的構(gòu)型時(shí)，可采用雙面磨削、雙面侵蝕、雙面拋光以及它們的組合技術(shù)。鏡面拋光處理后，采用前述常規(guī)技術(shù)在經(jīng)鏡面拋光的高摻雜擴(kuò)散層上形成摻雜濃度低的外延層。
在前述制作方法中，要擴(kuò)散的雜質(zhì)最好具有高擴(kuò)散速率，建議用的N型雜質(zhì)為磷，P型雜質(zhì)為硼。作為P型雜質(zhì)，鋁的擴(kuò)散系數(shù)比硼大。然而，對(duì)于硅半導(dǎo)體，鋁的固體溶解度極限至少比硼小一個(gè)數(shù)量級(jí)。因此，硼是合適的硅半導(dǎo)體P型擴(kuò)散雜質(zhì)元素?；牟牧喜幌抻诠?，也可以是諸如鍺等元素的其它半導(dǎo)體材料。
實(shí)施例1如圖5所示，制備了一塊N型半導(dǎo)體基材，其直徑為150mm，比電阻為10Ωcm，厚度為625μm，頂面經(jīng)鏡面拋光處理，半導(dǎo)體基材5經(jīng)過(guò)熱處理，在頂面與背面上分別形成了氧化膜61和62。
將此N型半導(dǎo)體基材5的頂面(即拋光面)上的氧化膜61除去，然后將基材5置入電爐內(nèi)，在1200℃保溫。向電爐內(nèi)導(dǎo)入氧、氮和POCl3氣體。熱處理時(shí)間為180分鐘，由此在半導(dǎo)體基材5的頂面上形成沉積擴(kuò)散層7，在該擴(kuò)散層中以高濃度進(jìn)行了擴(kuò)散(見(jiàn)圖6)。
此后，附著在熱處理基材頂面與背面的摻磷玻璃層8用酸侵蝕除去(見(jiàn)圖7)。這個(gè)時(shí)候的沉積擴(kuò)散層7的表面電阻為0.3Ω/。然后，將此半導(dǎo)體基材于1290℃在含痕量氧氣的氬氣氣氛中熱處理300小時(shí)，使沉積擴(kuò)散層7內(nèi)的雜質(zhì)擴(kuò)散到基材更深的部位。結(jié)果，形成高摻雜擴(kuò)散層9(見(jiàn)圖8)。經(jīng)測(cè)量，此高摻雜擴(kuò)散層9的厚度為220μm。
此后，除去半導(dǎo)體基材5背面上的氧化膜62(見(jiàn)圖9)。再后，在頂面(即半導(dǎo)體基材5的高摻雜擴(kuò)散層9)上形成厚度為10μm，比電阻為10Ωcm的N型硅外延層10，。這一步生長(zhǎng)外延層用的是SiHCl3作為硅源，氫氣作為載氣，PH3作為摻雜氣體，溫度為1150℃，外延生長(zhǎng)平均速率為1.5μm/分鐘。在高摻雜擴(kuò)散層9中，比電阻小于2mΩcm區(qū)域的厚度為70μm左右。
實(shí)施例2如圖11所示，制備了一塊N型半導(dǎo)體基材11，其直徑為150mm，比電阻為10Ωcm，厚度為900μm，它的頂面與背面都經(jīng)過(guò)化學(xué)侵蝕處理。
將此N型半導(dǎo)體基材11置入電爐內(nèi)，在1200℃下保溫。向電爐內(nèi)導(dǎo)入氧、氮和POCl3氣體。熱處理時(shí)間為180分鐘，由此，在半導(dǎo)體基材11的頂面和背面形成沉積擴(kuò)散層121和122(見(jiàn)圖12)。
此后，附著在熱處理基材頂面與背面的摻磷玻璃層13用酸侵蝕除去(見(jiàn)圖13)。這個(gè)時(shí)候沉積擴(kuò)散層121和122的表面電阻為0.3Ω/□。然后，將此半導(dǎo)體基材于1290℃在氬氣氣氛中熱處理300小時(shí)，使沉積擴(kuò)散層121和122內(nèi)的雜質(zhì)擴(kuò)散到基材更深的部位。結(jié)果，形成高摻雜擴(kuò)散層141和142(見(jiàn)圖14)。經(jīng)測(cè)量，高摻雜擴(kuò)散層141和142的厚度為223μm。
此后，對(duì)半導(dǎo)體基材表面上形成元件的背面(高摻雜擴(kuò)散層142)和頂面(高摻雜擴(kuò)散層141)，用電沉積金剛石砂輪分別除去厚度300μm和10μm。為了清除此研磨造成的頂面和背面上的破損層，采用化學(xué)侵蝕法將基材兩面都去除5μm厚。然后，對(duì)高摻雜擴(kuò)散層141的表面進(jìn)行鏡面拋光處理(見(jiàn)圖15)。
此后，在經(jīng)鏡面拋光的表面上形成厚度為10μm，比電阻為10Ωcm的N型硅外延層15(見(jiàn)圖16)。這一步外延生長(zhǎng)用的是SiHCl3作硅源，氫氣作載氣，PH3作摻雜氣體，溫度為1150℃，外延生長(zhǎng)平均速率為1.5μm/分鐘。在高摻雜擴(kuò)散層141中，比電阻小于2mΩcm區(qū)域的厚度為50μm左右。
實(shí)施例3如圖17所示，制備了一塊P型半導(dǎo)體基材，其直徑為150mm，比電阻為15Ωcm，厚度為900 μm，它的頂面與背面都經(jīng)過(guò)化學(xué)侵蝕處理。
在此P型半導(dǎo)體基材16的頂面和背面上施加B2O3粉末。然后將基材置入電爐內(nèi)，在1280℃下保溫。向電爐內(nèi)導(dǎo)入氧氣。熱處理時(shí)間為240分鐘，在半導(dǎo)體基材16的頂面和背面形成沉積擴(kuò)散層171和172(見(jiàn)圖18)。
此后，將附著在熱處理基材頂面與背面的摻硼玻璃層18用氫氟酸侵蝕除去(見(jiàn)圖19)。
將此半導(dǎo)體基材于1290℃在氬氣氣氛中熱處理180小時(shí)，使沉積擴(kuò)散層171和172內(nèi)的雜質(zhì)擴(kuò)散到基材更深的部位。結(jié)果，形成高摻雜擴(kuò)散層191和192(見(jiàn)圖20)。經(jīng)測(cè)量，高摻雜擴(kuò)散層191的厚度為230μm。
此后，對(duì)半導(dǎo)體基材表面上形成元件的背面(高摻雜擴(kuò)散層192)和頂面(高摻雜擴(kuò)散層191)，用電沉積金剛石砂輪分別除去厚度300μm和10μm，為了清除此研磨造成的頂面和背面上的破損層，采用化學(xué)侵蝕法將基材兩面都去除5μm厚。然后，對(duì)高摻雜擴(kuò)散層191的表面進(jìn)行鏡面拋光處理(見(jiàn)圖21)。
此后，在經(jīng)鏡面拋光的表面上形成厚度為10μm，比電阻為10Ωcm的P型硅外延層20(見(jiàn)圖22)。這一步外延形成用的是SiHCl3作硅源，氫氣作載氣，PH3作摻雜氣體，溫度為1150℃，外延生長(zhǎng)平均速率為1.5μm/分鐘。在高摻雜擴(kuò)散層191中，比電阻小于2mΩcm區(qū)域的厚度為50μm左右。
實(shí)施例4如圖23所示，制備了一塊N型半導(dǎo)體基材30，其直徑為150mm，比電阻為10Ωcm，厚度為1200μm，它的頂面與背面都經(jīng)過(guò)拋光處理。
然后將此半導(dǎo)體基材30置入溫度為650℃電爐內(nèi)保溫。將溫度上升到1200℃，向電爐內(nèi)導(dǎo)入氧、氮和POCl3氣體。熱處理時(shí)間為180分鐘，在半導(dǎo)體基材30的頂面和背面形成沉積擴(kuò)散層321和322(見(jiàn)圖24)。此后，將附著在熱處理基材頂面與背面的摻磷玻璃層31用酸侵蝕除去。這個(gè)時(shí)候沉積擴(kuò)散層321和322的表面電阻為0.3Ω/□。
將此半導(dǎo)體基材于1290℃在含痕量氧氣的氬氣氣氛中熱處理300小時(shí)，使沉積擴(kuò)散層321和322內(nèi)雜質(zhì)擴(kuò)散到基材更深的部位。結(jié)果，形成高摻雜擴(kuò)散層331和332(見(jiàn)圖25)。經(jīng)測(cè)量，高摻雜擴(kuò)散層331和332的厚度為220μm。
此后，采用內(nèi)徑鋸(并未顯示)沿通過(guò)其厚度方向的中點(diǎn)的平面將基材切成兩塊(見(jiàn)圖26)。
接下來(lái)，對(duì)每一塊切割基材34的不規(guī)則面35(切割面)進(jìn)行平整處理，平整處理最好采用電沉積金剛石砂輪研磨(見(jiàn)圖27)。此后，為了除去由于研磨造成的破損層，采用化學(xué)侵蝕法將基材兩面均去除5μm厚。然后，對(duì)高摻雜擴(kuò)散層331的表面進(jìn)行鏡面拋光處理(見(jiàn)圖28)。
此后，在高摻雜擴(kuò)散層331經(jīng)鏡面拋光的表面上形成厚度為10μm，比電阻為10Ωcm N型硅外延層36(見(jiàn)圖29)。這一步形成外延層用的是SiHCl3作硅源，氫氣作載氣，PH3作摻雜氣體，溫度為1150℃，外延生長(zhǎng)平均速率為1.5μm/分鐘。在高摻雜擴(kuò)散層36中，比電阻小于2mΩcm區(qū)域的厚度為50μm左右。
已對(duì)切割成二塊中的一塊的后續(xù)處理進(jìn)行了圖示與敘述，然而相同敘述也適用于另一塊。
雖然，上述實(shí)施例1和實(shí)施例2中，采用POCl3氣體作為擴(kuò)散源，但也可以代替采用P2O5施加到基材上。在上述實(shí)施例2和實(shí)施例3中，雖然高摻雜擴(kuò)散層形成在經(jīng)化學(xué)侵蝕的半導(dǎo)體基材的頂面與背面上，但它也可以形成在機(jī)械拋光或用砂輪打光的半導(dǎo)體基材的頂面與背面上。
高摻雜擴(kuò)散層的厚度就設(shè)定為保證其能與電極進(jìn)行電阻連接和半導(dǎo)體基材本身足夠的機(jī)械強(qiáng)度。如果高摻雜擴(kuò)散層厚度增加，擴(kuò)散步驟的熱處理時(shí)間需延長(zhǎng)，造成產(chǎn)率下降。要求高摻雜擴(kuò)散層下面有一層5μm厚的非擴(kuò)散層，以抑制來(lái)自擴(kuò)散層的顆粒，或阻止雜質(zhì)從基材背面向頂面遷移。
通常，作為用于低壓功率元件的基材，采用Czochralski法拉制單晶時(shí)摻入諸如砷等雜質(zhì)的高摻雜基材。根據(jù)本發(fā)明各實(shí)施方式，由于使用的基材都是摻磷或硼的低摻雜基材，因此與常規(guī)基材相比，制作成本大大下降。此外，這些各個(gè)實(shí)施方式的一大優(yōu)點(diǎn)是可以獲得用于低壓功率元件的基材(即＜10Ωcm)。當(dāng)然，這些實(shí)施方式也能用來(lái)于制作中壓功率元件的基材(即＞10Ωcm)。
圖10所示的基材，將結(jié)合圖30和圖31來(lái)描述半導(dǎo)體元件的制作方法。圖30和圖31是半導(dǎo)體元件的截面圖。圖10所示的基材用來(lái)說(shuō)明半導(dǎo)體元件制作方法的操作步驟。
如圖30所示，在基材，即其用普通方法形成的N型硅外延層上形成金屬氧化物場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)51。然后，在基材上形成鈍化膜52，將場(chǎng)效應(yīng)晶體管51覆蓋。如圖31所示，在制作元件工藝的最后階段操作中，采用如研磨方法除去N型半導(dǎo)體基材層5。
類似地，圖16所示的基材，將結(jié)合圖33和圖33來(lái)描述半導(dǎo)體元件的制作方法。圖32和圖33是半導(dǎo)體元件的截面圖，圖16所示的基材用來(lái)說(shuō)明半導(dǎo)體元件制作方法的步驟。
如圖32所示，在基材，即其用普通方法形成的N型硅外延層上形成金屬氧化物場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)61。然后，在基材上形成鈍化膜62，將場(chǎng)效應(yīng)晶體管61覆蓋。如圖33所示，在制作元件工藝的最后階段操作中，采用如研磨方法除去N型半導(dǎo)體基材層11。
另外，圖22所示的基材，將結(jié)合圖34和圖35來(lái)描述半導(dǎo)體元件的制作方法。圖34和圖35是半導(dǎo)體元件的截面圖，圖22所示的基材用來(lái)說(shuō)明半導(dǎo)體元件制作方法的操作步驟。
如圖34所示，金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管71形成在基材，即其用普通方法形成的P型硅外延層20上。然后，在基材上形成鈍化膜72，將場(chǎng)效應(yīng)晶體管71覆蓋。如圖35所示，在制作元件工藝的最后階段操作中，采用如研磨方法除去P型半導(dǎo)體基材層16。
而且，圖29所示的基材，將結(jié)合圖36和圖37來(lái)描述半導(dǎo)體元件的制作方法。圖36和圖37是半導(dǎo)體元件的截面圖，圖29所示的基材用來(lái)說(shuō)明半導(dǎo)體元件制作方法的操作步驟。
如圖36所示，金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管81形成在基材，即其用普通方法形成的N型硅外延層36上。然后，在基材上形成鈍化膜82，將場(chǎng)效應(yīng)晶體管81覆蓋。如圖37所示，在制作元件工藝的最后階段操作中，采用如研磨方法除去N型半導(dǎo)體基材層30。
根據(jù)上述實(shí)施方式制作金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管，高摻雜基材部分的系列有功部件，可以降至常規(guī)金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管相應(yīng)部件的70％左右，而且基材的特性大大改善。此外，指出了在外延法工藝或元件制作工藝過(guò)程中，沒(méi)有必要在基材背面形成多余的鈍化膜。從這一觀點(diǎn)出發(fā)，也有可能進(jìn)一步降低制作成本。
本領(lǐng)域的技術(shù)人員顯然可以發(fā)現(xiàn)本發(fā)明的其它優(yōu)點(diǎn)以及各種可能的改進(jìn)。因此，應(yīng)當(dāng)認(rèn)為本發(fā)明并不局限于上述詳細(xì)說(shuō)明和示例性的實(shí)施方式。因此在不偏離本發(fā)明所附專利要求和其等價(jià)內(nèi)容的范圍和精神的條件下，可以做出各種修改。
權(quán)利要求
1.一種半導(dǎo)體基材，所述基材包括低摻雜基材(5，11，16，30)，其雜質(zhì)濃度低；在低摻雜基材(5，11，16，30)頂面形成的高摻雜擴(kuò)散層(9；141，142；191，192；331，332)，其雜質(zhì)濃度高于低摻雜基材(5，11，16，30)；外延層(10，15，20，36)，它形成在高摻雜擴(kuò)散層(9；141，142；191，192；331，332)的頂面上，其雜質(zhì)濃度低于高摻雜擴(kuò)散層(9；141，142；191，192；331，332)。
2.如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體基材，其特征在于，低摻雜基材(5，11，16，30)中的雜質(zhì)為磷或硼。
3.如權(quán)利要求2所述的半導(dǎo)體基材，其特征在于，外延層(10，15，20，36)的電阻≤10Ωcm。
4.如權(quán)利要求2所述的半導(dǎo)體基材，其特征在于，所述低摻雜基材、高摻雜擴(kuò)散層和外延層是為同一導(dǎo)電類型。
5.如權(quán)利要求2所述的半導(dǎo)體基材，其特征在于，所述低摻雜基材、高摻雜擴(kuò)散層是第一導(dǎo)電類型，所述外延層是第二導(dǎo)電類型。
6.一種制作半導(dǎo)體基材的方法，所述方法包括在雜質(zhì)濃度低的低摻雜基材(11，16)上形成高摻雜擴(kuò)散層(141，142；191，192)，該擴(kuò)散層的雜質(zhì)濃度高于低摻雜基材(11，16)；對(duì)高摻雜擴(kuò)散層(141，142；191，192)的表面進(jìn)行鏡面拋光；在高摻雜擴(kuò)散層(141，142；191，192)經(jīng)鏡面拋光的表面上形成外延層(15，20)，此外延層的雜質(zhì)濃度低于高摻雜擴(kuò)散層(141，142；191，192)；
7.一種制作半導(dǎo)體基材的方法，所述方法包括對(duì)雜質(zhì)濃度低的低摻雜基材(5)的表面進(jìn)行鏡面拋光；在低摻雜基材(5)的經(jīng)鏡面拋光的表面上形成高摻雜擴(kuò)散層(9)，此擴(kuò)散層的雜質(zhì)濃度高于低摻雜基材(5)；在高摻雜擴(kuò)散層(9)的表面上形成外延層(10)，此外延層(10)的雜質(zhì)濃度低于高摻雜擴(kuò)散層(9)。
8.一種制作半導(dǎo)體基材的方法，所述方法包括在雜質(zhì)濃度低的低摻雜基材(11，16)的頂面和背面上都形成高摻雜擴(kuò)散層(141，142；191，192)，這此擴(kuò)散層的雜質(zhì)濃度高于低摻雜基材(11，16)；去除低摻雜基材(11，16)的頂面和背面中一個(gè)面上形成的高摻雜擴(kuò)散層(141，142；191，192)；對(duì)在低摻雜基材(11，16)的頂面和背面中另一面上形成的高摻雜擴(kuò)散層(141，142；191，192)表面進(jìn)行鏡面拋光；在高摻雜擴(kuò)散層(141，142；191，192)的經(jīng)鏡面拋光的表面上形成外延層(15，20)，此外延層的雜質(zhì)濃度低于高摻雜擴(kuò)散層(141，142；191，192)。
9.一種制作半導(dǎo)體基材的方法，所述方法包括在雜質(zhì)濃度低的低摻雜基材(30)的頂面和背面上形成高摻雜擴(kuò)散層(331，332)，此擴(kuò)散層的雜質(zhì)濃度高于低摻雜基材(30)；沿通過(guò)厚度方向的中心的一個(gè)面將基材(30)切割成分割的基材(34)；對(duì)分割的各基材(34)的切割面進(jìn)行平整處理；對(duì)分割的各基材(34)上形成的高摻雜擴(kuò)散層(331，332)表面進(jìn)行鏡面拋光；在分割的基材(34)的高摻雜擴(kuò)散層(331，332)經(jīng)鏡面拋光的表面上形成外延層(36)，此外延層的雜質(zhì)濃度低于高摻雜擴(kuò)散層(331，332)。
10.一種半導(dǎo)體基材，所述基材包括在低摻雜基材(5，11，16，30)的頂面上形成的高摻雜擴(kuò)散層(9；141，142；191，192；331，332)，此擴(kuò)散層的雜質(zhì)濃度高于低摻雜基材(5，11，16，30)，低摻雜基材(5，11，16，30)在工藝的最后階段除去；在高摻雜擴(kuò)散層(9；141，142；191，192；331，332)的頂面上形成的外延層(10，15，20，36)，此外延層的雜質(zhì)濃度低于高摻雜擴(kuò)散層(9；141，142；191，192；331，332)，其中在外延層(10，15，20，36)中形成用于形成半導(dǎo)體元件的雜質(zhì)擴(kuò)散層。
11.如權(quán)利要求10所述的半導(dǎo)體基材，其特征在于，所述外延層的比電阻≤10Ωcm。
12.如權(quán)利要求10所述的半導(dǎo)體基材，其特征在于，所述低摻雜基材、高摻雜擴(kuò)散層和外延層是同一導(dǎo)電類型。
13.如權(quán)利要求10所述的半導(dǎo)體基材，其特征在于，所述低摻雜基材、高摻雜擴(kuò)散層是第一導(dǎo)電類型，外延層是第二導(dǎo)電類型。
14.如權(quán)利要求6所述的半導(dǎo)體基材的制作方法，其特征在于，所述方法還包括在外延層(15，20)中形成用于形成半導(dǎo)體元件的雜質(zhì)擴(kuò)散層，以及在形成半導(dǎo)體基材工藝的最后階段除去低摻雜基材(11，16)。
15.如權(quán)利要求7所述的半導(dǎo)體基材的制作方法，其特征在于，所述方法還包括在外延層(10)中形成用于形成半導(dǎo)體元件的雜質(zhì)擴(kuò)散層，以及在形成半導(dǎo)體基材工藝的最后階段除去低摻雜基材(5)。
16.如權(quán)利要求8所述的半導(dǎo)體基材的制作方法，其特征在于，所述方法還包括在外延層(15，20)中形成用于形成半導(dǎo)體元件的雜質(zhì)擴(kuò)散層，以及在形成半導(dǎo)體基材工藝的最后階段除去低摻雜基材(11，16)。
17.如權(quán)利要求9所述的半導(dǎo)體基材的制作方法，其特征在于，所述方法還包括在外延層(36)中形成用于形成半導(dǎo)體元件的雜質(zhì)擴(kuò)散層，以及在形成半導(dǎo)體基材工藝的最后階段除去低摻雜基材(30)。
全文摘要
公開(kāi)了一種半導(dǎo)體基材，它包括雜質(zhì)濃度低的低摻雜基材(5，11，16，30)、形成于該低摻雜基材(5，11，16，30)頂面上的高摻雜擴(kuò)散層(9；1文檔編號(hào)H01L29/02GK1501441SQ20031011636
公開(kāi)日2004年6月2日 申請(qǐng)日期2003年11月18日 優(yōu)先權(quán)日2002年11月18日
發(fā)明者荻野正信, 須藤義勝, 馬場(chǎng)嘉朗, 朗, 勝 申請(qǐng)人:東芝陶瓷股份有限公司, 株式會(huì)社東芝