本發(fā)明總體上涉及半導(dǎo)體器件，并且更具體地涉及制造半導(dǎo)體器件的方法與含氧相關(guān)熱施主的半導(dǎo)體器件。

背景技術(shù)：

功率半導(dǎo)體器件通常包括阻擋電壓橫跨其降低的低摻雜漂移區(qū)。通常，漂移區(qū)源自生長(zhǎng)在重?fù)诫s半導(dǎo)體基底上的外延層。外延生長(zhǎng)期間的原位摻雜導(dǎo)致外延層內(nèi)的摻雜劑的高度均勻的分布。由于外延層的生長(zhǎng)速率是大約每分鐘1μm，所以工藝在漂移區(qū)的厚度超過大約200μm并且對(duì)于超過2000V的阻擋電壓而言厚度更大的情況下很昂貴。因此，用于制造具有高的阻擋能力的半導(dǎo)體器件的半導(dǎo)體晶圓通常通過從局部熔融區(qū)生長(zhǎng)的硅錠鋸割而獲得。在懸浮區(qū)熔工藝期間，生長(zhǎng)硅晶體在硅錠的長(zhǎng)度和直徑的相對(duì)高的同質(zhì)性的情況下通常合并摻雜劑原子。

期望改善功率半導(dǎo)體器件的制造。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

這一目的通過獨(dú)立權(quán)利要求的主題來實(shí)現(xiàn)。從屬權(quán)利要求涉及另外的實(shí)施例。

根據(jù)實(shí)施例，一種制造半導(dǎo)體器件的方法包括確定表示半導(dǎo)體晶圓中的非本征摻雜劑和本征氧濃度的信息?；谂c非本征摻雜劑濃度和本征氧濃度有關(guān)的信息以及半導(dǎo)體晶圓中氧相關(guān)熱施主的生成速率或分解速率，確定生成或分解氧相關(guān)熱施主的處理溫度梯度以補(bǔ)償目標(biāo)摻雜劑濃度與非本征摻雜劑濃度之差。

根據(jù)另一實(shí)施例，一種半導(dǎo)體器件包括半導(dǎo)體部分，半導(dǎo)體部分 包括總摻雜劑濃度在從1E12cm^-3到1E17cm^-3的范圍內(nèi)的漂移區(qū)，其中氧相關(guān)熱施主與非本征施主和氧相關(guān)熱施主的總和的比率至少為25％。

本領(lǐng)域技術(shù)人員在閱讀以下詳細(xì)描述并且查看附圖時(shí)將認(rèn)識(shí)到另外的特征和優(yōu)點(diǎn)。

附圖說明

附圖被包括以提供對(duì)本發(fā)明的進(jìn)一步理解并且被合并在本說明書中并且構(gòu)成本說明書的部分。附圖圖示本發(fā)明的實(shí)施例并且結(jié)合描述用于解釋本發(fā)明的原理。本發(fā)明的其他實(shí)施例以及意圖優(yōu)點(diǎn)將很容易理解，因?yàn)樗鼈兺ㄟ^參考以下詳細(xì)描述變得更好理解。

圖1A是用于圖示通過確定與非本征摻雜劑濃度和本征氧濃度有關(guān)的信息并且通過借助于在前饋過程中生成OTD(氧相關(guān)熱施主)補(bǔ)償目標(biāo)摻雜劑濃度與非本征摻雜劑濃度之差來制造半導(dǎo)體的方法的示意性框圖；

圖1B是圖示在加熱時(shí)段為5小時(shí)并且本征氧濃度為4E17cm^-3的情況下作為加熱溫度的函數(shù)的OTD濃度的示意圖；

圖2A是用于圖示根據(jù)實(shí)施例的制造半導(dǎo)體器件的方法的示意性框圖，方法包括直接在非本征摻雜劑濃度和本征氧濃度的測(cè)量之前分解OTD以及直接在形成預(yù)定數(shù)目的OTD之前測(cè)量施主的當(dāng)前總濃度；

圖2B是用于圖示根據(jù)實(shí)施例的制造半導(dǎo)體器件的方法的示意性框圖，方法包括直接在非本征摻雜劑濃度和本征氧濃度的測(cè)量之前以及直接在形成預(yù)定數(shù)目的OTD之前分解OTD；

圖2C是用于圖示根據(jù)實(shí)施例的制造半導(dǎo)體器件的方法的示意性框圖，方法包括在已知的分解速率下分解OTD；

圖2D是用于圖示根據(jù)實(shí)施例的制造半導(dǎo)體器件的方法的示意性框圖，方法包括在已知的分解速率下分解OTD而沒有先前的生成步驟；

圖2E是用于圖示根據(jù)實(shí)施例的制造半導(dǎo)體器件的方法的示意性框圖，方法基于不同時(shí)間點(diǎn)的總摻雜劑濃度的兩個(gè)測(cè)量；

圖3A是根據(jù)實(shí)施例的制造半導(dǎo)體器件的方法的示意性框圖，方法包括ODT的氫輔助擴(kuò)散；

圖3B是圖示豎直氫和氧相關(guān)熱施主梯度的示意圖；

圖4A是根據(jù)實(shí)施例的具有其中OTD表示總摻雜劑濃度的至少25％的漂移區(qū)的功率半導(dǎo)體器件的示意性豎直橫截面視圖；

圖4B是圖示根據(jù)實(shí)施例的圖4A的功率半導(dǎo)體器件的豎直摻雜劑分布的示意圖，其涉及包含摻雜劑原子的場(chǎng)截止區(qū)；

圖4C是根據(jù)實(shí)施例的圖4A的功率半導(dǎo)體器件的豎直摻雜劑分布的示意圖，其基于OTD的氫輔助的分解；

圖5A是表示根據(jù)實(shí)施例的具有表示漂移區(qū)中總摻雜劑濃度的至少25％的OTD的功率半導(dǎo)體二極管的示意性豎直橫截面視圖；

圖5B是根據(jù)另外的實(shí)施例的具有表示漂移區(qū)中總摻雜劑濃度的至少25％的OTD的IGFET(絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管)的示意性豎直橫截面視圖；以及

圖5C是根據(jù)另外的實(shí)施例的具有表示漂移區(qū)中總摻雜劑濃度的至少25％的OTD的IGBT(絕緣柵雙極型晶體管)的示意性豎直橫截面視圖。

具體實(shí)施方式

在以下詳細(xì)描述中，參考形成說明性具體實(shí)施例的部分并且借助于說明性具體實(shí)施例來示出的附圖，這些實(shí)施例中可以實(shí)踐本發(fā)明。應(yīng)當(dāng)理解，可以使用其他實(shí)施例，并且可以在不偏離本發(fā)明的范圍的情況下做出結(jié)構(gòu)和邏輯變化。例如，針對(duì)一個(gè)實(shí)施例說明或描述的特征可以用在其他實(shí)施例上或者結(jié)合其他實(shí)施例使用以產(chǎn)生另外的實(shí)施例。本發(fā)明旨在包括這樣的修改和變型。使用具體的語言來描述示例，這不應(yīng)當(dāng)被理解為限制所附權(quán)利要求的范圍。附圖沒有按比例，而是僅出于說明目的。在不同的附圖中，對(duì)應(yīng)的元素被賦以相同的附 圖標(biāo)記，除非另外指出。

術(shù)語“具有”、“包含”、“包括”、“含有”等是開放式的，這些術(shù)語表示所指出的結(jié)構(gòu)、元素或特征的存在，但是不排除另外的元素或特征。冠詞“一”、“一個(gè)”以及“該”意圖包括多個(gè)和單個(gè)，除非上下文另外清楚地指出。

術(shù)語“電連接”描述電連接的元件之間的永久低歐姆連接，例如連接的元件之間的直接接觸或者經(jīng)由金屬和/或高度摻雜的半導(dǎo)體實(shí)現(xiàn)的低歐姆連接。術(shù)語“電耦合”包括被適配用于信號(hào)傳輸?shù)囊粋€(gè)或多個(gè)中間元件可以被設(shè)置在電耦合的元件之間，例如可控以在第一狀態(tài)下暫時(shí)提供低歐姆連接并且在第二狀態(tài)下提供高歐姆電去耦合的元件。

附圖通過在摻雜類型“n”或“p”旁邊表示“-”或“+”說明相對(duì)摻雜濃度。例如，“n-”表示低于“n”摻雜區(qū)的摻雜濃度的摻雜濃度，而“n+”摻雜區(qū)的摻雜濃度高于“n”摻雜區(qū)。具有相同的相對(duì)摻雜濃度的摻雜區(qū)不一定具有相同的絕對(duì)摻雜濃度。例如，兩個(gè)不同的“n”摻雜區(qū)可以具有相同的或者不同的絕對(duì)摻雜濃度。

圖1示出了在不同的處理階段的半導(dǎo)體晶圓100。半導(dǎo)體晶圓100的材料是晶體半導(dǎo)體材料，例如硅(Si)、碳化硅(SiC)、鍺(Ge)、硅鍺晶體(SiGe)、氮化鎵(GaN)、砷化鎵(GaAs)或者任何其他A_IIIB_V半導(dǎo)體。例如，半導(dǎo)體晶圓100是具有平面正表面101a以及在與正表面101a相對(duì)的背面上的支撐表面102a的單晶硅晶圓。半導(dǎo)體晶圓100可以是在沒有磁場(chǎng)的情況下在切克勞斯基(Czochralski)工藝中通過鋸割從坩堝中的硅熔體提取的晶體硅錠獲得的單晶硅切克勞斯基硅(Cz:Si)。根據(jù)另一實(shí)施例，半導(dǎo)體晶圓是通過在從硅熔體提取硅錠期間施加強(qiáng)的磁場(chǎng)以控制硅熔體中的對(duì)流流動(dòng)而從獲得的磁切克勞斯基硅(mCz:Si)。

半導(dǎo)體晶圓100的形狀、尺寸和材料兼容基于硅的半導(dǎo)體器件的生產(chǎn)線。例如，硅晶圓100可以具有近似柱形形狀，其中硅晶圓100的直徑可以至少是150mm，例如200mm(“8英寸”)、300mm(“12” 英寸)或450mm(“18英寸”)。作為示例，半導(dǎo)體晶圓100的厚度可以在100μm到若干毫米之間，例如在從500μm到2mm的范圍內(nèi)。

正表面101a的法線定義豎直方向。平行于正表面101a的方向是水平方向。

在生產(chǎn)線中，對(duì)半導(dǎo)體晶圓100進(jìn)行處理序列，以在半導(dǎo)體晶圓100中和上形成電子元件。在合適的處理階段，獲取與非本征摻雜劑濃度Dext和本征氧濃度Doi有關(guān)的信息。

非本征摻雜劑濃度Dext是由于施主和受主(例如n型磷(P)和砷(As)原子以及p型硼(B)原子)的總含量而導(dǎo)致的凈摻雜劑濃度，并且可以在從0到1E14cm^-3的范圍內(nèi)，例如在從5E12cm^-3到1E14cm^-3的范圍內(nèi)。本征氧濃度Doi是溶解在硅晶體中的間隙氧的濃度。氧含量足夠高使得能夠形成足夠數(shù)目的OTD(氧相關(guān)熱施主)并且其同時(shí)足夠低以避免氧凝結(jié)物(precipitate)的形成。根據(jù)實(shí)施例，本征氧濃度在從2E17cm^-3到6E17cm^-3的范圍內(nèi)，例如在從3E17cm^-3到5E17cm^-3的范圍內(nèi)。

非本征摻雜劑濃度Dext以及本征氧濃度Doi可以彼此獨(dú)立地直接測(cè)量。例如，半導(dǎo)體晶圓100可以被加熱高至存在于晶圓的初始狀態(tài)的OTD在某個(gè)時(shí)間之后將分解的溫度。在可以重新生成OTD的溫度下在任何另外的過程之前，可以通過紅外光譜學(xué)來測(cè)量本征氧濃度Doi。同時(shí)，非本征摻雜劑濃度Dext可以通過方塊電阻測(cè)量來確定。

非本征摻雜劑濃度Dext和本征氧濃度Doi可以在用于在半導(dǎo)體晶圓100中形成電子元件的過程序列的開始或者在將半導(dǎo)體晶圓100分為多個(gè)相同的半導(dǎo)體裸片(例如通過鋸割或激光切割)之前的任何稍后階段來測(cè)量。由于非本征摻雜劑濃度Dext和本征氧濃度Doi沿著硅錠(例如Cz:Si錠)的縱軸變化很小，所以針對(duì)許多相鄰晶圓，一個(gè)半導(dǎo)體晶圓100中這兩個(gè)參數(shù)的測(cè)量可以足夠具有代表性，并且僅針對(duì)每n個(gè)半導(dǎo)體晶圓100執(zhí)行測(cè)量，其中n為大于1的整數(shù)值，例如大于5或大于9或者大于16。

根據(jù)非本征摻雜劑濃度Dext和本征氧濃度Doi，控制單元490確 定熱處理的處理溫度梯度Tproc(t)，其導(dǎo)致預(yù)定義數(shù)目的OTD使得包括非本征摻雜劑和OTD二者的最終總摻雜劑濃度滿足預(yù)定條件，例如偏離目標(biāo)摻雜劑濃度Dtarg不超過13％，不超過8％或者不超過5％。

處理溫度梯度Tproc(t)可以是由恒定的處理溫度Tproc、施加處理溫度Tproc的處理時(shí)間tproc以及在施加Tproc之前和之后的下降和拖尾溫度斜坡定義的等溫梯度。

控制單元490可以通過考慮已知的OTD生成速率以及與OTD的當(dāng)前含量有關(guān)的信息或者替選地假定沒有任何OTD來確定處理溫度梯度Tproc(t)，例如恒定處理溫度Tproc和施加恒定處理溫度Tproc的處理時(shí)間tproc。根據(jù)另一實(shí)施例，控制單元490通過考慮半導(dǎo)體晶圓100中的OTD分解速率來確定處理溫度梯度Tproc(t)。在硅中形成OTD的有效溫度范圍是從350℃到大約500℃的范圍，例如從400℃到500℃的范圍。

可以在獲取與非本征摻雜劑濃度Dext以及本征氧濃度Doi有關(guān)的信息之后以及在將半導(dǎo)體晶圓100分為多個(gè)相同的半導(dǎo)體裸片之前的任何稍后的處理階段，在加熱腔室470中對(duì)半導(dǎo)體晶圓100進(jìn)行熱處理。根據(jù)實(shí)施例，在第一表面上以及在支撐表面上形成金屬化層之后執(zhí)行熱處理。熱處理可以是專門用于生成期望數(shù)目的OTD的專用熱處理。

根據(jù)其他實(shí)施例，熱處理可以服務(wù)另外的目的，例如用于對(duì)注入損傷退火或者用于形成歐姆金屬接觸。例如，可以將場(chǎng)截止注入的激活與OTD的生成組合。場(chǎng)截止注入的激活溫度可以是大約450℃，其中OTD生成速率比較高并且質(zhì)子的激活僅示出低程度的對(duì)時(shí)間的依賴性，使得熱處理的持續(xù)時(shí)間可以適配于期望的OTD濃度。

如果熱處理基于OTD的生成，則在前的輔助熱處理可以將半導(dǎo)體晶圓100加熱至氧相關(guān)熱施主在某個(gè)時(shí)間之后完全分解的溫度。輔助熱處理可以在超過500℃的溫度下執(zhí)行，例如在1000℃。熱處理的最小持續(xù)時(shí)間是熱處理的溫度的函數(shù)并且針對(duì)大約1000℃的溫度可以是10秒并且針對(duì)大約500℃的溫度可以是至少500分鐘，例如至 少90分鐘或至少30分鐘。然后，在350℃到500℃之間的處理溫度Tproc通過主要熱處理調(diào)節(jié)期望的濃度。根據(jù)實(shí)施例，處理溫度Tproc在從420到480℃的范圍內(nèi)以實(shí)現(xiàn)高的OTD生成速率。

如果熱處理基于定義的分解速率，則在前的輔助熱處理可以將半導(dǎo)體晶圓100加熱至在分解溫度以下的溫度以生成穩(wěn)定的最大OTD濃度。例如，輔助熱處理可以在420℃執(zhí)行并且可以持續(xù)至少5小時(shí)，例如大約10小時(shí)。然后，在高于分解溫度的處理溫度(例如大約480℃)下通過主要熱處理調(diào)節(jié)期望的OTD濃度持續(xù)所確定的處理時(shí)間tproc。不同于示出對(duì)本征氧濃度Doi的強(qiáng)的依賴性的生成速率，分解速率更加獨(dú)立于本征氧濃度Doi，使得能夠更精確地調(diào)節(jié)期望的OTD濃度。

當(dāng)將包含本征氧的硅晶體在420℃到480℃之間的溫度下加熱幾小時(shí)之后，可以觀察施主的形成，其中施主的濃度隨著時(shí)間增加并且在若干小時(shí)之后達(dá)到特征最大值。獲取最大施主濃度的時(shí)間隨著氧濃度的減小而增加。在分解溫度以上(例如在高于500℃的溫度下)的熱處理減小施主的數(shù)目。當(dāng)前模型假定在大約420℃的溫度以上的熱處理開始氧在硅晶體中的凝聚。加熱相繼地從單體氧到二聚氧到三聚氧到包含五個(gè)到八個(gè)和更多氧原子的進(jìn)一步的氧簇而生成氧簇。在各種氧簇之間，存在取決于當(dāng)前溫度的動(dòng)態(tài)平衡。其中一些氧簇是電活性的施主。

在圖1A的方法中，前饋控制通過在目標(biāo)摻雜劑濃度Dtarg與非本征摻雜劑濃度Dext之間的間隙中填充OTD來完成原始背景施主濃度到期望目標(biāo)施主濃度。前饋控制使得能夠在關(guān)于原始非本征摻雜劑濃度的比較高的擴(kuò)展(spread)的情況下使用半導(dǎo)體晶圓100。例如，該方法使得能夠使用Cz:Si或mCz:Si，其針對(duì)用于高阻擋電壓的功率半導(dǎo)體器件的制造沿著軸棒位置呈現(xiàn)非本征摻雜劑濃度的強(qiáng)的梯度，其中功率半導(dǎo)體器件可以在沒有外延的情況下來制造。由于非本征摻雜劑濃度和本征氧濃度沿著硅錠的縱軸變化很小，所以僅針對(duì)由相同硅錠的遠(yuǎn)處部分形成的半導(dǎo)體晶圓100來測(cè)量這兩個(gè)值并且來自硅錠 的中間部分的半導(dǎo)體晶圓的值可以從測(cè)量值進(jìn)行插值。

在圖1B中，梯度602示出了在處理時(shí)間tproc為5小時(shí)并且本征氧濃度Doi為4E17cm^-3的情況下氧相關(guān)熱施主的濃度DOTD與以開爾文計(jì)的加熱溫度的關(guān)系。從梯度602可以推斷，對(duì)于1E13cm^-3的所測(cè)量的非本征摻雜劑濃度，650K的溫度下持續(xù)5小時(shí)的熱處理生成1E13cm^-3的OTD濃度DOTD以獲取2E13cm^-3的總摻雜劑濃度Dtot。圖1B的梯度602以及等時(shí)和/或等溫退火的其他已知的梯度可以形成中央單元490中的估計(jì)過程確定合適的處理溫度梯度Tproc(t)的基礎(chǔ)。

圖2A涉及基于非本征摻雜劑濃度Dext和本征氧濃度Doi的直接測(cè)量的實(shí)施例。

OTD的分解溫度以上(例如500℃以上)的溫度下的第一熱處理在第一加熱腔室410中分解半導(dǎo)體晶圓100中的可能的OTD。因此，第一檢查站420處非本征摻雜劑濃度Dext的以下測(cè)量不受任何OTD的影響。第一檢查站420可以測(cè)量非本征摻雜劑濃度Dext和本征氧濃度Doi。然后，可以在生產(chǎn)線430中執(zhí)行在半導(dǎo)體晶圓100中和上形成電子元件的過程序列。第一或另一第二檢查站420可以測(cè)量當(dāng)前總摻雜劑濃度Dtot1，其中當(dāng)前總摻雜劑濃度Dtot1包括非本征摻雜劑以及在生產(chǎn)線430中執(zhí)行的過程期間形成的OTD。

基于Dext、Doi、Dtot1和OTD的相關(guān)生成速率，控制單元490確定用于生成充足數(shù)目的OTD的處理溫度梯度Tproc(t)以獲取目標(biāo)摻雜劑濃度Dtarg。

第一或另一加熱腔室470向半導(dǎo)體晶圓100施加處理溫度梯度Tproc(t)。在加熱腔室470中的熱處理的結(jié)束時(shí)，半導(dǎo)體晶圓100包含最終總摻雜劑濃度Dtot，其包括非本征摻雜劑和OTD并且與目標(biāo)摻雜劑濃度Dtarg偏離不大于13％，例如不大于8％或不大于5％，例如不大于2％。

圖2B中圖示的方法使用加熱腔室470中的輔助熱處理代替當(dāng)前總摻雜劑濃度Dtot1的測(cè)量以分解在生產(chǎn)線430中形成電子元件期間可能形成的任何OTD。輔助熱處理應(yīng)用在熱施主的分解溫度之上的溫 度，例如在500℃之上的溫度。輔助熱處理的持續(xù)時(shí)間是溫度的函數(shù)。大約500℃的輔助熱處理可以持續(xù)至少300或100分鐘，而1000℃的熱處理可以持續(xù)小于1分鐘并且大于大約10秒。

輔助熱處理可以是專門用于分解OTD的專用熱處理。根據(jù)其他實(shí)施例，熱處理可以服務(wù)另外的目的。例如，用于對(duì)注入損傷退火或者用于形成歐姆金屬接觸的熱處理可以分解到那個(gè)時(shí)間為止可能形成的OTD。根據(jù)實(shí)施例，用于控制基于諸如BSG(硼硅酸鹽玻璃)、PSG(磷硅酸鹽玻璃)或BPSG(硼磷硅酸鹽玻璃)的硅酸鹽玻璃的層間電解質(zhì)的回流的熱處理與輔助熱處理一樣有效并且分解存在于該時(shí)間點(diǎn)的OTD。

雖然前述實(shí)施例依賴于與OTD生成速率有關(guān)的知識(shí)，然而圖2C中圖示的方法依賴于與分解速率有關(guān)的知識(shí)。

低于分解溫度的溫度下在加熱腔室470中的輔助熱處理生成穩(wěn)定的最大OTD濃度。例如，可以在420℃執(zhí)行輔助熱處理并且持續(xù)至少5小時(shí)，例如持續(xù)大約10小時(shí)。在所確定的處理時(shí)間tproc內(nèi)在分解溫度之上的處理溫度(例如至少480℃的處理溫度)下的隨后的主要熱處理調(diào)節(jié)期望的OTD濃度Doi。由于分解速率比生成速率更加獨(dú)立于本征氧濃度Doi，所以可以更準(zhǔn)確地調(diào)節(jié)期望OTD濃度DOTD以及最終總摻雜劑濃度Dtot。

圖2D中的過程不同于圖2C的過程之處在于，取代輔助熱處理，基于硅酸鹽玻璃的層間電解質(zhì)的回流分解之前可能形成的OTD。

圖2E中圖示的方法涉及總摻雜劑濃度的兩個(gè)連續(xù)的測(cè)量Dtot1、Dtot2，其中在兩個(gè)測(cè)量之間，向半導(dǎo)體晶圓100施加在420℃到470℃的明顯的熱預(yù)算。可以例如在半導(dǎo)體晶圓100通過在半導(dǎo)體晶圓100上形成電子元件的生產(chǎn)線的第一部分431之后，或者例如在施加高于分解溫度的溫度的處理之后，在生產(chǎn)線的開始在第一檢查站421處執(zhí)行總摻雜劑濃度的第一測(cè)量Dtot1。可以在半導(dǎo)體晶圓100經(jīng)過第二部分132(其可以是用于在半導(dǎo)體晶圓100上形成電子元件的處理序列的最終部分)之后在第一或第二檢查站422執(zhí)行第二總摻雜劑濃度 的第二測(cè)量Dtot2。

控制單元490接收兩個(gè)測(cè)量結(jié)果Dtot1、Dtot2并且還接收與半導(dǎo)體晶圓100已經(jīng)暴露于在從350℃到500℃或者例如在400℃到480℃之間的溫度的時(shí)間有關(guān)的信息。然后，在生產(chǎn)線432的第二部分期間通過分析OTD濃度與在感興趣的熱范圍中的所施加的熱預(yù)算ΣTB之間的關(guān)聯(lián)，控制單元490具有等同于與非本征摻雜劑濃度Dext和本征氧濃度Doi有關(guān)的信息的可用信息以確定用于生成期望數(shù)目的OTD的溫度梯度Tproc(t)。

圖3A的實(shí)施例在注入腔室440中包括質(zhì)子注入并且可以與圖2A到2E的過程中的任何過程組合。質(zhì)子注入可以在生產(chǎn)線430中的處理開始之前直到結(jié)束的任何階段執(zhí)行。質(zhì)子注入可以是支持OTD的形成的專用過程或者可以服務(wù)另外的目的，例如形成基于HD(氫相關(guān)的施主)的摻雜區(qū)域，諸如場(chǎng)截止區(qū)。質(zhì)子注入可以通過增加OTD生成速率明顯降低處理時(shí)間和成本。

注入的氫原子和本征氧原子可以合作以相互幫助擴(kuò)散到硅晶體中，其中氧原子局部地破壞硅晶格，所生成的晶體晶格缺陷促進(jìn)氫原子的擴(kuò)散，并且與硅原子形成復(fù)合物的氫原子進(jìn)而促進(jìn)氧原子的進(jìn)一步擴(kuò)散。在具有增加的氫含量的層中，氫可以平滑本征氧分布的徑向變化。

圖3B繪制半導(dǎo)體晶圓100中的氫濃度DH和總摻雜劑濃度Dtot與到支撐表面102a的距離d之間的關(guān)系。半導(dǎo)體晶圓100中的第一氫分布611是由于源自氫的非電活性氫的短的氫擴(kuò)散。第一總摻雜劑分布621示出了源自在場(chǎng)截止層178內(nèi)的氫注入的注入深度周圍的氫相關(guān)的施主的峰值621a。第一總摻雜劑分布621還示出了與場(chǎng)截止層178相鄰的漂移層171的第一部分171a中的高平臺(tái)621b(其中氫的存在加速了OTD的形成)以及漂移層171的第二部分171b中的低平臺(tái)621c(其中沒有氫)。第二氫分布612是由于可能源自氫注入的非電活性氫的長(zhǎng)的氫擴(kuò)散。第二總摻雜劑分布622示出了更長(zhǎng)的高平臺(tái)622b，其中氫的存在加速了OTD的形成。

圖4A圖示功率半導(dǎo)體器件500。單晶半導(dǎo)體材料、例如硅形成在正面具有平面第一表面101以及在與正面相對(duì)的背面具有平行于第一表面101的平面第二表面102的半導(dǎo)體部分100z。

第一表面101和第二表面102之間的最小距離取決于功率半導(dǎo)體器件500的電壓阻擋能力。例如，在功率半導(dǎo)體器件500被規(guī)定用于大約1200V的阻擋電壓的情況下，第一表面101和第二表面102之間的距離可以在90μm到200μm范圍內(nèi)。與具有更高阻擋能力的功率半導(dǎo)體器件有關(guān)的其他實(shí)施例可以提供具有高達(dá)幾百μm的厚度的半導(dǎo)體部分100z。

在平行于第一表面101的平面中，半導(dǎo)體部分100z可以具有邊緣長(zhǎng)度在幾個(gè)毫米的范圍內(nèi)的矩形形狀或者直徑為幾厘米的圓形形狀。平行于第一表面101的方向是水平方向，并且垂直于第一表面101的方向?yàn)樨Q直方向。

半導(dǎo)體部分100z包括電連接到第一負(fù)載端子L1的一個(gè)摻雜區(qū)域115或者多個(gè)第一摻雜區(qū)域115。重?fù)诫s接觸層129沿著第二表面102形成，并且電連接至第二負(fù)載端子L2。

輕摻雜的漂移區(qū)121形成具有一個(gè)或多個(gè)第一摻雜區(qū)115的一個(gè)或多個(gè)pn結(jié)pn1。漂移區(qū)121中的有效摻雜劑濃度可以是至少1E12cm^-3和至多1E17cm^-3，通常在1E13cm^-3到4E14cm^-3的范圍內(nèi)。漂移區(qū)121中的摻雜可以對(duì)應(yīng)于半導(dǎo)體部分100z中的初始背景摻雜。漂移區(qū)121中施主的至少25％(例如至少50％)是OTD。漂移區(qū)121中的另外的施主可以是氫相關(guān)的施主或者非本征摻雜劑原子，諸如砷和/或磷原子。

場(chǎng)截止區(qū)128可以分離接觸層129和漂移區(qū)121并且形成具有接觸層129的單極同質(zhì)結(jié)或者pn結(jié)以及具有漂移區(qū)121的單極同質(zhì)結(jié)。場(chǎng)截止區(qū)128可以包含基于輕離子(例如質(zhì)子)和/或非本征摻雜劑原子(諸如磷和砷原子)的注入的HD。

圖4B示出了沿著圖4A的線B-B的豎直注入分布630。

接觸層129可以是n摻雜的或者p摻雜的，或者可以包括兩個(gè)導(dǎo) 電類型的區(qū)域。接觸層129中沿著第二表面102的摻雜濃度足夠高以形成與直接鄰接第二表面102的負(fù)載電極的歐姆接觸。例如，n摻雜接觸層129可以具有在從1E18cm^-3到1E20cm^-3(例如從5E18cm^-3到5E19cm^-3)的范圍內(nèi)的平均凈摻雜劑濃度。接觸層129中的主要摻雜劑可以是非本征摻雜劑原子，諸如硼(B)原子、砷(As)原子或磷(P)原子。

在場(chǎng)截止區(qū)128中，平均凈摻雜劑濃度最多是接觸層129中的最大摻雜濃度的10％。例如，作為示例，場(chǎng)截止區(qū)128中的平均摻雜劑濃度可以在從1E15cm^-3到1E18cm^-3(例如從1E16cm^-3到5E17cm^-3)的范圍內(nèi)。場(chǎng)截止區(qū)128的豎直擴(kuò)展可以在1μm到20μm的范圍內(nèi)，例如在2μm到10μm的范圍內(nèi)。場(chǎng)截止區(qū)128中的主要摻雜劑可以是非本征摻雜劑或HD。

在漂移區(qū)121中，平均凈摻雜劑濃度在從1E12cm^-3到1E17cm^-3(例如從3E12cm^-3到5E15cm^-3或者從1E14cm^-3到5E15cm^-3)的范圍內(nèi)。在漂移區(qū)121中，OTD與總摻雜劑之比是至少25％，例如至少50％。漂移區(qū)121中的另外的摻雜劑可以是非本征摻雜劑或HD。豎直摻雜劑分布630可以示出沿著接觸層129與場(chǎng)截止區(qū)128之間的過渡以及場(chǎng)截止區(qū)128與漂移區(qū)121之間的過渡的臺(tái)階。

圖4C繪制具有源自氫注入的場(chǎng)截止區(qū)128的功率半導(dǎo)體器件中的氫濃度HD和總摻雜劑濃度Dtot與到第二表面102的距離d之間的關(guān)系，并且示出了基于OTD的氫輔助擴(kuò)散的豎直總摻雜劑分布631。例如，如果半導(dǎo)體器件500為半導(dǎo)體開關(guān)器件、諸如PT-IGBT(穿通IGBT)并且關(guān)斷，則阻擋電壓橫跨其下降的耗盡區(qū)逐漸擴(kuò)展，其中擴(kuò)展在圖的右手側(cè)從pn結(jié)pn1開始。

場(chǎng)截止區(qū)128避免了耗盡區(qū)和逐漸擴(kuò)展的耗盡區(qū)中的電場(chǎng)在后側(cè)或者后部發(fā)射極到達(dá)d＝0處的電極。當(dāng)電場(chǎng)擴(kuò)展到后側(cè)的方向中時(shí)，功率半導(dǎo)體器件500可以從接觸層129連續(xù)地供應(yīng)電荷載流子以支持外部電流流動(dòng)。

當(dāng)非本征摻雜劑原子、諸如砷或磷原子在場(chǎng)截止區(qū)128中用作摻 雜劑時(shí)，非本征摻雜劑原子的擴(kuò)散屬性導(dǎo)致平滑的類高斯摻雜分布。由于移動(dòng)的電荷載流子的數(shù)目是高的，其中場(chǎng)截止區(qū)128中的固定的電荷載流子、諸如摻雜劑原子的數(shù)目由于更高的發(fā)射極效率而是低的，反之亦然，所以隨著耗盡區(qū)擴(kuò)展，可用于維持外部電流的自由電荷載流子的數(shù)目穩(wěn)定增加并且這樣的PT-IGBT的柔韌性(snappiness)是低的。然而，從后側(cè)注入的摻雜劑原子的向外擴(kuò)散需要熱預(yù)算，這可能破壞先前在PT-IGBT的正面形成的摻雜區(qū)中的結(jié)構(gòu)和摻雜劑梯度。

替選地，場(chǎng)截止區(qū)128可以通過在正面的處理完成之后生成HD來形成。然而，傳統(tǒng)的來自后側(cè)的輕離子注入示出了漂移區(qū)121的側(cè)部上的陡峭的HD分布過渡，其中這樣的陡峭的過渡傾向于惡化開關(guān)行為。

根據(jù)圖4C的實(shí)施例，氫擴(kuò)散到場(chǎng)截止區(qū)128中以及漂移區(qū)121的鄰接的第一部分121a。氫促進(jìn)了OTD的形成。

圖4C示出了OTD的氫輔助的形成可以產(chǎn)生OTD濃度的更平緩的過渡，使得半導(dǎo)體器件500可以在開關(guān)過程已經(jīng)被觸發(fā)之后的早的時(shí)間點(diǎn)逐漸耗散電場(chǎng)。由于耗盡區(qū)可以以平滑、不太突變的方式逐漸擴(kuò)展，所以O(shè)TD的氫輔助的形成可以在半導(dǎo)體器件500的給定的總厚度下改善半導(dǎo)體器件500的柔韌性。擴(kuò)展的耗盡區(qū)外部的電荷載流子連續(xù)地可用于供應(yīng)由外部電流元件感應(yīng)的電流。

OTD的氫輔助的形成使得能夠組合在后來的處理階段的從后側(cè)的場(chǎng)截止區(qū)128的形成與接觸層129和漂移區(qū)121之間的有效的摻雜劑濃度的逐漸過渡。

圖5A示出了基于圖4A的半導(dǎo)體器件500的具有大于1000mA(例如大于10A或大于100A)的額定正向電流的功率半導(dǎo)體二極管501。第一摻雜區(qū)115與正面的第一負(fù)載電極310形成歐姆接觸。第一負(fù)載電極310形成并且電連接至陽極端子A。重?fù)诫s的接觸層129與背面的第二負(fù)載電極320形成歐姆接觸。第二負(fù)載電極320形成或者電連接至陰極端子K。

圖5B涉及IGFET 502。關(guān)于半導(dǎo)體部分100z、漂移區(qū)121、場(chǎng)截止區(qū)128、接觸層129(其作為漏極有效)和豎直摻雜劑分布的細(xì)節(jié)，參考圖4A到4C以及圖5A的描述。IGFET 502包括晶體管單元TC，其可以是具有n摻雜的源極區(qū)域并且具有形成半導(dǎo)體單元TC的本體區(qū)域的第一摻雜區(qū)域115的IGFET單元。本體區(qū)域分別將源極區(qū)域與漂移區(qū)121分離。源極區(qū)域可以電連接至或耦合至正面的第一負(fù)載電極。第一負(fù)載電極可以形成或者可以電連接至源極端子S。

晶體管單元TC的柵極可以電連接或者耦合至柵極端子G并且可以通過柵極電介質(zhì)電容性耦合至本體區(qū)域。由于向柵極端子G施加的電壓，反型溝道形成在本體區(qū)域中并且提供通過晶體管單元TC的電子流，使得在IGFET 502的導(dǎo)通狀態(tài)下，電子通過晶體管單元TC進(jìn)入漂移區(qū)121。

晶體管單元TC可以是具有布置在半導(dǎo)體部分100z的輪廓外部的橫向柵極結(jié)構(gòu)的平面單元，或者具有從第一表面101延伸到半導(dǎo)體部分100z中的溝槽柵極結(jié)構(gòu)的溝槽單元。例如，晶體管單元TC的源極和本體區(qū)域可以形成在通過溝槽柵極結(jié)構(gòu)分離的半導(dǎo)體臺(tái)面中。

圖5C涉及IGBT 503、例如具有p型接觸層129的PT-IGBT以及電連接至集電極端子C的第二負(fù)載電極320。源極和本體區(qū)域電連接或耦合至發(fā)射極端子E。對(duì)于另外的細(xì)節(jié)，參考圖5A的功率半導(dǎo)體二極管501的描述以及圖5B的IGFET 502的描述。

雖然本文中已經(jīng)說明和描述了具體的實(shí)施例，然而本領(lǐng)域普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以用各種替選和/或等同實(shí)現(xiàn)來代替所示出和描述的具體實(shí)施例構(gòu)造而沒有偏離本發(fā)明的范圍。本申請(qǐng)意圖覆蓋本文中所討論的具體實(shí)施例的任何適配或變化。因此，本發(fā)明旨在僅受權(quán)利要求及其等價(jià)方案的限制。