一种具有有源区结构的半导体器件的制作方法

本发明属于半导体器件，具体涉及一种具有有源区结构的半导体器件。

背景技术：

1、用于执行整流的半导体功率器件，其允许电流在一个方向上自由通过，同时在另一个方向阻断，并且能够承受一定量的电压。这种器件例如快速恢复二极管（frd），它由一个半导体结组成，其中对位导电类型的区域相交。半导体结的物理特性允许电流在一个方向上自由流动，同时能够在另一极性上获得电压。如果需要高耐压能力，则两个相反导电类型的高掺杂区域（称为阳极和阴极）由一个导电类型的低掺杂区域隔开，该低掺杂区域称为漂移区域，可以维持高电场。如果frd被正向偏置并且允许电流流动，则来自高掺杂阳极和阴极的电子和空穴被注入漂移区，用过量电荷载流子淹没低掺杂区。过量电荷载流子的浓度是准中性的，在文献中有时被称为等离子体，等离子体的浓度比漂移区的背景掺杂高几个数量级。以这种方式可以使二极管的电导率非常低，并且可以实现导通期间非常低的电压降值。具有这种工作原理的二极管是一种双极器件，这意味着它利用带正电和带负电的载流子来传导电流。虽然这允许二极管在不过度功耗的情况下传导非常高的电流密度，但一旦器件从传导状态转变为阻断状态，等离子体仍将存在一定时间（恢复时间），从而防止器件在恢复时间内达到阻断状态。基于此，frd的静态（导电）和动态（开关）性能之间出现了权衡。通过增加阳极和/或阴极区域中的杂质浓度，可以将更多的等离子体注入漂移区域，但这会产生更长的恢复时间和开关能量。

2、为了对抗过多的恢复时间和开关能量，文献和专利中披露了几个概念，旨在控制自由电荷载流子的寿命，通常是通过有意将晶格缺陷引入半导体晶体。例如，文章《用于优化高压二极管性能的新型等离子体成型技术》中显示了，在整个半导体中均匀分布以及局部分布损伤的好处。半导体中的均匀损伤通常是通过高能低质量粒子的照射形成的，这些粒子可以很容易地穿透整个半导体衬底的厚度，但有时会与晶格相互作用，使原子错位或破坏化学键。局部晶格损伤可以通过注入h+或he++等轻离子，或扩散某些过渡金属如pt或au来实现。轻离子注入可能成本高昂且过程复杂，特别是因为它在通过金属膜注入时可能会产生放射性同位素；此外，该工艺在注入后必须遵守严格的热预算，因为高温会完全退火轻离子引入的缺陷。过渡金属缺陷不会随着温度的升高而愈合，但金属很容易扩散，如果热预算过高，寿命将再次变得均匀。此外，过渡金属需要在半导体工厂中极其小心地处理，并需要专用工具进行处理，否则所有设备都可能被污染。缺陷的主要电气缺点是在阻断条件下漏电流的增加。文章《场屏蔽阳极（fsa）概念使快速恢复二极管能够在高温下工作》中描述了一种部分抵消漏电流增加的可能方法，其中器件前侧的缺陷位于结后，这大大降低了受损区域的电场，从而降低了漏电流。公开号为us 9,601,639 b2的美国专利文献及其他文章也显示了更先进的概念，在器件的正面和背面对不同导电类型的层进行额外的图案化，需要额外的光刻步骤和处理。虽然这些概念可以提供更多的设计自由度和改善权衡曲线的潜力，但在工艺复杂性、成本和坚固性方面也存在缺点。

3、公开号为us 7,358,127 b2的美国专利文献还认识到塑造缓冲层轮廓的重要性，缓冲层位于器件背面漂移层和与缓冲层导电类型相同的高掺杂区之间，杂质浓度在高掺杂区和漂移区之间，导电类型相同。缓冲层充当场停止层，在阻断状态下快速衰减电场，使场分布更接近矩形的理想情况，从而使具有相同耐压能力的更薄器件成为可能。此外，在某些条件下切换时，二极管可能会引起振荡和峰值电压（突然关断），这在使用二极管的电路中造成了严重的问题。有一些二极管实例使用深缓冲层来实现软开关行为。公开号为us2023/0111002 a1及公开号为us 2023/0197772 a1的美国专利文献描述了通过光离子注入和随后的高温退火形成深缓冲层的方法，该方法治愈了缺陷，并使目标区域掺杂了所需的导电类型。形成深缓冲层的另一种方法是外延生长，其中化学杂质可以直接注入到生长晶体的化学物质中。深扩散通常不适用于低压（<=2000v）器件，因为晶片被研磨到非常薄的厚度，之后热预算也受到严重限制。由于轻离子可能表现为电掺杂或寿命控制，公开号为us10,847,609 b2的美国专利文献披露到，在某些工艺集成中可以实现这两种功能。

技术实现思路

1、本发明解决的技术问题是提供一种具有有源区结构的半导体器件，该半导体器件可在提高器件在较高温度下的性能的同时保持软开关特性；解决了将更高水平的缺陷引入器件阳极侧的昂贵、危险或污染工艺的问题；通过调节第一电子束辐照剂量、氢注入剂量、能量和退火条件，可以几乎任意地调整缺陷浓度分布函数dt(x)的形状，使得半导体器件的缺陷分布是连续、平滑且可调的，提供了更大的设计自由度。

2、为了解决上述问题，本发明的第一方面提供一种具有有源区结构的半导体器件，包括：

3、第一导电类型的漂移区；

4、第二导电类型的阳极区，与所述漂移区相接；

5、第一导电类型的阴极区，与所述漂移区相接，并位于背离所述阳极区的一侧；

6、所述半导体器件中，缺陷浓度朝向所述阴极区一侧逐渐降低，朝向所述阳极区一侧逐渐增加；所述半导体器件中，载流子寿命与缺陷浓度成反比；

7、所述半导体器件的制备方法包括以下步骤：

8、提供第一导电类型的衬底；

9、在所述衬底的正面形成所述阳极区；

10、在所述衬底的背面形成所述阴极区；

11、目标寿命控制步骤；所述目标寿命控制步骤包括：

12、对器件进行第一电子束辐照，所述第一电子束辐照在形成所述阴极区之后或在形成所述阴极区之前进行；所述第一电子束辐照的能量足以完全穿透所述衬底并在所述衬底中引入晶格缺陷；

13、在器件的背面进行第一氢离子注入，所述第一氢离子注入在所述第一电子束辐照之后或在所述第一电子束辐照之前进行；所述第一氢离子注入的剂量为1e10~5e14 cm-2，能量为100kev~5mev；

14、在所述第一电子束辐照、所述第一氢离子注入均完成之后，对器件进行第一退火，第一退火的温度为300~500℃，第一退火的时间为10min~3h；

15、器件的缺陷浓度分布性质可通过所述第一电子束辐照的剂量、所述第一氢离子注入的剂量和能量、所述第一退火的条件进行调节；

16、在器件的背面沉积金属层，所述沉积金属层在完成形成所述阴极区及目标寿命控制步骤之后进行。

17、优选地，所述半导体器件还包括：

18、第一导电类型的缓冲区，位于所述阴极区与漂移区之间；所述缓冲区的掺杂浓度高于所述漂移区的掺杂浓度，且低于所述阴极区的掺杂浓度；

19、所述半导体器件的制备方法还包括：在所述衬底的背面形成所述阴极区之前或之后，在所述阴极区与所述漂移区之间形成缓冲区。

20、优选地，所述半导体器件的制备方法包括依次进行以下步骤：

21、提供第一导电类型的衬底；

22、在所述衬底的正面形成所述阳极区；

23、在所述衬底的背面形成所述阴极区、所述缓冲区；

24、对器件进行第一电子束辐照；所述第一电子束辐照的能量足以完全穿透所述衬底并在所述衬底中引入晶格缺陷；

25、在器件的背面进行第一氢离子注入，所述第一氢离子注入的剂量为1e10~5e14cm-2，能量为100kev~5mev；

26、对器件进行第一退火，第一退火的温度为300~500℃，第一退火的时间为10min~3h；

27、在器件的背面沉积金属层。

28、优选地，所述半导体器件的制备方法包括依次进行以下步骤：

29、提供第一导电类型的衬底；

30、在所述衬底的正面形成所述阳极区；

31、对器件进行第一电子束辐照；所述第一电子束辐照的能量足以完全穿透所述衬底并在所述衬底中引入晶格缺陷；

32、在所述衬底的背面形成所述阴极区、所述缓冲区；

33、在器件的背面进行第一氢离子注入，所述第一氢离子注入的剂量为1e10~5e14cm-2，能量为100kev~5mev；

34、对器件进行第一退火，第一退火的温度为300~500℃，第一退火的时间为10min~3h；

35、在器件的背面沉积金属层。

36、优选地，所述半导体器件的制备方法还包括：在所述第一电子束辐照之后紧接着对器件进行第二退火；第二退火的温度为300~500℃，第二退火的时间为10min~3h。

37、优选地，所述第一导电类型的缓冲区为氢深缓冲区；

38、所述氢深缓冲区的形成方法包括：在对器件进行第一电子束辐照之前依次进行：在器件的背面进行第二氢离子注入和第三退火 ；第三退火的温度为300~500℃，第三退火的时间为10min~3h。

39、优选地，所述第一氢离子注入的能量为100kev~1mev。

40、优选地，所述第一氢离子注入的能量为1mev ~3mev；使初始氢沉积在所述漂移区的中间，半导体器件的缺陷浓度分布在所述漂移区中间最小，朝向阴极区和阳极区增加。

41、优选地，所述第一氢离子注入的能量为3mev ~5mev；使初始氢沉积在靠近阳极区的位置，半导体器件的缺陷浓度分布在靠近阳极区处最小，朝向阴极区增加。

42、优选地，所述半导体器件的制备方法包括依次进行以下步骤：

43、提供第一导电类型的衬底；

44、在所述衬底的正面形成所述阳极区；

45、对所述衬底的背面进行减薄；

46、在所述衬底的背面进行阴极注入；

47、对器件进行背面激光退火；

48、在激光退火之前背面减薄之后，在器件的背面进行第一氢离子注入，所述第一氢离子注入的剂量为1e10~5e14 cm-2，能量为100kev~5mev；

49、对器件进行第一电子束辐照；所述第一电子束辐照的能量足以完全穿透所述衬底并在所述衬底中引入晶格缺陷；

50、对器件进行第一退火，第一退火的温度为300~500℃，第一退火的时间为10min~3h；

51、在器件的背面沉积金属层。

52、优选地，所述半导体器件还包括局部缺陷区，所述局部缺陷区位于所述缓冲区中；

53、所述局部缺陷区的形成方法包括：在器件的背面沉积金属层之前依次进行：轻离子注入和低温退火；所述低温退火的温度为220~280℃；或，在器件的背面沉积金属层之前依次进行：第二电子束辐照和第四退火；第四退火的温度为300~500℃，第四退火的时间为10min~3h。

54、本发明的第二方面提供一种具有有源区结构的半导体器件，所述半导体器件包括：

55、第一导电类型的漂移区；

56、第二导电类型的阳极区，与所述漂移区相接；

57、第一导电类型的阴极区，与所述漂移区相接，并位于背离所述阳极区的一侧；

58、所述半导体器件的制备方法包括依次进行以下步骤：

59、提供第一导电类型的衬底；

60、在所述衬底的正面形成所述阳极区；

61、对所述衬底的背面进行减薄；

62、在器件的背面进行氢离子注入；

63、对器件进行第一退火，第一退火的温度为300~500℃，第一退火的时间为10min~3h；

64、在器件的背面进行阴极注入；

65、对器件进行背面激光退火；

66、对器件进行第一电子束辐照；所述第一电子束辐照的能量足以完全穿透所述衬底并在所述衬底中引入晶格缺陷；

67、对器件进行第二退火，第二退火的温度为300~500℃，第二退火的时间为10min~3h；

68、在器件的背面沉积金属层。

69、优选地，所述半导体器件还包括：

70、第一导电类型的缓冲区，位于所述阴极区与漂移区之间；所述缓冲区的掺杂浓度高于所述漂移区的掺杂浓度，且低于所述阴极区的掺杂浓度；

71、所述半导体器件的制备方法还包括：在器件的背面进行阴极注入之前或之后，还在器件的背面进行缓冲注入。

72、优选地，所述半导体器件还包括局部缺陷区，所述局部缺陷区位于所述缓冲区中；

73、所述局部缺陷区的形成方法包括：在第二退火之后沉积金属层之前，依次进行：在器件背面进行轻离子注入和低温退火，所述轻离子注入的穿透深度小于所述氢离子注入的穿透深度，所述低温退火的温度为220~280℃；或，在第二退火之后沉积金属层之前依次进行：第二电子束辐照和第四退火；第四退火的温度为300~500℃，第四退火的时间为10min~3h。

74、优选地，不进行第一电子束辐照和之后的第二退火步骤。

75、优选地，所述阳极区背离所述漂移区的一侧还连接有图案化的金属层。

76、优选地，所述阴极区背离所述漂移区的一侧还连接有图案化的金属层。

77、本发明的第三方面提供一种具有有源区结构的半导体器件，所述半导体器件包括：

78、第一导电类型的漂移区；

79、第二导电类型的阳极区，与所述漂移区相接；

80、第一导电类型的阴极区，与所述漂移区相接，并位于背离所述阳极区的一侧；

81、第一导电类型的缓冲区，位于所述阴极区与漂移区之间；所述缓冲区的掺杂浓度高于所述漂移区的掺杂浓度，且低于所述阴极区的掺杂浓度；

82、所述半导体器件中，缺陷浓度朝向所述阴极区一侧逐渐降低，朝向所述阳极区一侧逐渐增加；所述半导体器件中，载流子寿命与缺陷浓度成反比；

83、所述半导体器件的制备方法包括依次进行以下步骤：

84、提供第一导电类型的高掺杂晶片；

85、通过在生长室中引入所需浓度的杂质，在所述晶片上外延生长第一导电类型的缓冲区；

86、通过在生长室中引入所需浓度的杂质，在所述晶片上外延生长第一导电类型的漂移区；

87、对器件进行正面处理；

88、对器件进行背面减薄；

89、对器件进行第一电子束辐照，所述第一电子束辐照在背面减薄之前或之后进行；所述第一电子束辐照的能量足以完全穿透所述高掺杂晶片并在所述高掺杂晶片中引入晶格缺陷；

90、在器件的背面进行第一氢离子注入；所述第一氢离子注入的剂量为1e10~5e14cm-2，能量为100kev~5mev；

91、对器件进行第一退火 ，第一退火的温度为300~500℃，第一退火的时间为10min~3h；

92、器件的缺陷浓度分布性质可通过所述第一电子束辐照的剂量、所述第一氢离子注入的剂量和能量、所述第一退火的条件进行调节；

93、在器件的背面沉积金属层。

94、优选地，所述第一氢离子注入的能量为100kev~1mev。

95、优选地，所述第一氢离子注入的能量为1mev ~3mev；使初始氢沉积在所述漂移区的中间，半导体器件的缺陷浓度分布在所述漂移区中间最小，朝向阴极区和阳极区增加。

96、优选地，所述第一氢离子注入的能量为3mev ~5mev；使初始氢沉积在靠近阳极区的位置，半导体器件的缺陷浓度分布在靠近阳极区处最小，朝向阴极区增加。

97、优选地，所述半导体器件还包括局部缺陷区，所述局部缺陷区位于所述缓冲区中；

98、所述局部缺陷区的形成方法包括：在器件的背面沉积金属层之前依次进行：轻离子注入和低温退火；所述低温退火的温度为220~280℃，或，在器件的背面沉积金属层之前依次进行：第二电子束辐照和第四退火；第四退火的温度为300~500℃，第四退火的时间为10min~3h。

99、本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：

100、本发明的具有有源区结构的半导体器件，靠近阳极的缺陷水平可以与阳极剂量一起大大增加，提高器件在较高温度下的性能，与此同时，可保持软开关特性。

101、本发明的具有有源区结构的半导体器件，其结构和工艺解决了将更高水平的缺陷引入器件阳极侧的昂贵、危险或污染工艺的问题，同时还允许缓冲层的深度和剂量的完全设计自由。

102、本发明的具有有源区结构的半导体器件，通过调节第一电子束辐照剂量、氢注入剂量、能量和退火条件，可以几乎任意地调整缺陷浓度分布函数dt(x)的形状，使得半导体器件的缺陷分布是连续、平滑且可调的，提供了更大的设计自由度。