一種用于功率MOSFET器件的變摻雜半導體材料片及其制造
方法
技術領域
背景技術
[0002] 在高摻雜襯底材料片上生長低摻雜
外延層形成的半導體材料片是制作功率MOSFET和智能高壓功率集成
電路的
基礎。高摻雜襯底一方面作為承載功率MOSFET和智能高壓功率集成電路的載體，另一方面可以降低功率MOSFET的導通
電阻和抑制智能高壓功率集成電路存在的寄生效應(特別是閉
鎖效應)。為了最大限度地降低成本，常規(guī)制作功率MOSFET和智能高壓功率集成電路的半導體材料片直接在高摻雜襯底材料片上通過
外延生長低摻雜外延層形成，外延層的雜質(zhì)分布呈現(xiàn)均勻分布，如圖1所示。在抗
輻射功率MOSFET器件領域，采用圖1所示雜質(zhì)分布的半導體材料片制作的功率MOSFET器件，存在抗單粒子燒毀能
力弱，且
雪崩擊穿
能量低的不足。
[0003] 為了提高功率MOSFET器件的抗單粒子燒毀能力，對半導體材料片的外延層進行緩變摻雜是一種切實有效的措施，該方法可以有效降低由功率MOSFET的源區(qū)(發(fā)射區(qū))、body區(qū)(基區(qū))和外延層(集電區(qū))形成寄生
三極管的集電區(qū)電阻，提高寄生三極管的二次擊穿點，達到提高功率MOSFET抗單粒子燒毀的目的。
[0004] 常規(guī)制作半導體材料片的緩變摻雜外延層的方法是通過控制襯底與外延層間的過渡區(qū)寬度和在生長外延層的過程中調(diào)節(jié)氣體流量的方法來實現(xiàn)。
[0005] 采用控制襯底與外延層間過渡區(qū)寬度的方法難于形成5μm以上的過渡區(qū)，在200V以上的高壓MOSFET器件中效果不明顯；采用生長外延層過程中調(diào)節(jié)氣體流量的方法會因為氣體流量的多次微小改變而使得氣體流量難于精確控制。
[0006] 綜上所述，目前外延層變摻雜半導體材料片的制備方法存在應用范圍窄和外延工藝難于控制的技術問題。
發(fā)明內(nèi)容
[0007] 本發(fā)明的目的是解決
現(xiàn)有技術中，外延層變摻雜半導體材料片的制備方法存在的問題。
[0008] 為實現(xiàn)本發(fā)明目的而采用的技術方案是這樣的，一種用于功率MOSFET器件的變摻雜半導體材料片，其特征在于：包括第一導電類型高摻雜襯底、第一導電類型低摻雜第一外延層、第一導電類型中摻雜層和第一導電類型低摻雜第二外延層。
[0009] 所述第一導電類型低摻雜第一外延層
覆蓋于第一導電類型高摻雜襯底之上。
[0010] 所述第一導電類型低摻雜第二外延層覆蓋于第一導電類型低摻雜第一外延層之上。
[0011] 所述第一導電類型中摻雜層位于第一導電類型低摻雜第二外延層與第一導電類型低摻雜第一外延層之間。
[0012] 所述第一導電類型中摻雜層部分嵌入第一導電類型低摻雜第一外延層與第一導電類型低摻雜第二外延層內(nèi)。
[0013] 一種用于功率MOSFET器件的變摻雜半導體材料片的制造方法，其特征在于，包括以下步驟：
[0014] 1)將第一導電類型低摻雜第一外延層覆蓋于第一導電類型高摻雜襯底之上。
[0015] 2)在第一導電類型低摻雜第一外延層的上表面1μm深度范圍內(nèi)摻雜雜質(zhì)，形成第一導電類型中摻雜層。
[0016] 3)使用低溫爐管
退火激活摻雜的雜質(zhì)。
[0017] 4)將第一導電類型低摻雜第二外延層覆蓋于第一導電類型低摻雜第一外延層之上。
[0018] 進一步，所述第一導電類型低摻雜第一外延層的厚度為傳統(tǒng)功率MOSFET器件外延層厚度的1/3。
[0019] 所述第一導電類型低摻雜第一外延層是從第一導電類型高摻雜襯底上表面到第一導電類型低摻雜第一外延層上表面的緩變摻雜。
[0020] 進一步，所述第一導電類型低摻雜第二外延層的厚度為傳統(tǒng)功率MOSFET器件外延層厚度的2/3。
[0021] 所述第一導電類型低摻雜第二外延層是從第一導電類型低摻雜第一外延層上表面到第一導電類型低摻雜第二外延層上表面的緩變摻雜。
[0022] 進一步，所述第一導電類型高摻雜襯底材料包括但不局限于
硅(Si)、
碳化硅(SiC)或氮化鎵(GaN)。
[0023] 進一步，所述步驟1)中形成第一導電類型低摻雜第一外延層的方式包括常壓外延生長。所述常壓外延的
溫度為1180℃±10℃。
[0024] 所述步驟4)中形成第一導電類型低摻雜第二外延層的方式包括常壓外延生長。所述常壓外延的溫度為1180℃±10℃。
[0025] 進一步，所述步驟2)中形成第一導電類型中摻雜層的方式包括中能量
離子注入雜質(zhì)。
[0026] 所述中能量離子注入的注入能量為60-80KeV。
[0027] 所述中能量離子注入雜質(zhì)形成第一導電類型中摻雜層的濃度高于第一導電類型低摻雜第一外延層和第一導電類型低摻雜第二外延層雜質(zhì)的濃度1-2個量級。
[0028] 進一步，所述步驟3)中激活摻雜的雜質(zhì)的方式包括低溫爐管退火。
[0029] 所述低溫爐管退火的溫度為850℃-950℃。所述低溫爐管退火的氣氛為先干
氧后氮氣。所述低溫爐管退火的時間為干氧20±5分鐘、氮氣30±5分鐘。
[0030] 進一步，所述步驟1)、步驟2)、步驟4)之前還包括常規(guī)半導體材料片清洗。所述半導體材料片清洗所用清洗液中含
氫氟酸，所述清洗過程中包括去除半導體材料片
正面氧化層的步驟。
[0031] 本發(fā)明的技術效果是毋庸置疑的，本發(fā)明具有以下優(yōu)點：
[0032] 1)如圖2所示，本發(fā)明中的用于功率MOSFET的變摻雜半導體材料片，第一導電類型低摻雜第一外延層、第一導電類型中摻雜層、第一導電類型低摻雜第二外延層可以采用常規(guī)半導體工藝形成。
[0033] 2)由于第一導電類型中摻雜層介于第一導電類型低摻雜第一外延層和第一導電類型低摻雜第二外延層之間，且第一導電類型中摻雜層的摻雜濃度高于第一導電類型低摻雜第一外延層和第一導電類型低摻雜第二外延層的摻雜濃度1-2個量級，在常壓外延生長第一導電類型低摻雜第二外延層和功率MOSFET的body推結過程中，會造成第一導電類型中摻雜層中的雜質(zhì)向第一導電類型低摻雜第一外延層和第一導電類型低摻雜第二外延層擴散，使得整個外延層的雜質(zhì)濃度由第一導電類型高摻雜襯底的上表面到第一導電類型低摻雜第二外延層的上表面呈現(xiàn)緩變分布，降低了寄生三極管集電區(qū)電阻，提高了功率MOSFET抗單粒子燒毀的能力，且使用該材料制作的功率MOSFET常態(tài)參數(shù)基本保持不變，可用于60V以上功率MOSFET的制造領域。
[0034] 3)本發(fā)明具有應用范圍寬、工藝實現(xiàn)簡單、工藝重復性好的優(yōu)點。
附圖說明
[0035] 圖1為普通半導體材料片的剖面結構及雜質(zhì)分布示意圖；
[0036] 圖2為本發(fā)明半導體材料片的剖面結構及雜質(zhì)分布示意圖；
[0037] 圖3為第一導電類型高摻雜襯底剖面結構及雜質(zhì)分布示意圖；
[0038] 圖4為完成第一導電類型低摻雜第一外延層后的半導體材料剖面結構及雜質(zhì)分布示意圖；
[0039] 圖5為完成第一導電類型中摻雜層注入摻雜后的半導體材料剖面結構及雜質(zhì)分布示意圖；
[0040] 圖6為完成第一導電類型中摻雜層注入摻雜激活后的半導體材料剖面結構及雜質(zhì)分布示意圖；
[0041] 圖7為完成第一導電類型低摻雜第二外延層后的半導體材料剖面結構及雜質(zhì)分布示意圖。
[0042] 圖中：第一導電類型高摻雜襯底100、第一導電類型低摻雜第一外延層101、第一導電類型中摻雜層102、第一導電類型低摻雜第一外延層103。
具體實施方式
[0043] 下面結合
實施例對本發(fā)明作進一步說明，但不應該理解為本發(fā)明上述主題范圍僅限于下述實施例。在不脫離本發(fā)明上述技術思想的情況下，根據(jù)本領域普通技術知識和慣用手段，做出各種替換和變更，均應包括在本發(fā)明的保護范圍內(nèi)。
[0044] 實施例1：
[0045] 如圖7所示，一種用于功率MOSFET器件的變摻雜半導體材料片，其特征在于，包括第一導電類型高摻雜襯底100、第一導電類型低摻雜第一外延層101、第一導電類型中摻雜層102和第一導電類型低摻雜第二外延層103。
[0046] 所述第一導電類型低摻雜第一外延層101覆蓋于第一導電類型高摻雜襯底100之上。
[0047] 所述第一導電類型低摻雜第二外延層103覆蓋于第一導電類型低摻雜第一外延層101之上。
[0048] 所述第一導電類型中摻雜層102位于第一導電類型低摻雜第二外延層103與第一導電類型低摻雜第一外延層101之間。
[0049] 所述第一導電類型中摻雜層102部分嵌入第一導電類型低摻雜第一外延層101與第一導電類型低摻雜第二外延層103內(nèi)。
[0050] 所述第一導電類型低摻雜第一外延層101的厚度為傳統(tǒng)功率MOSFET器件外延層厚度的1/3。
[0051] 所述第一導電類型低摻雜第一外延層101是從第一導電類型高摻雜襯底100上表面到第一導電類型低摻雜第一外延層101上表面的緩變摻雜。
[0052] 所述第一導電類型低摻雜第二外延層103的厚度為傳統(tǒng)功率MOSFET器件外延層厚度的2/3。
[0053] 所述第一導電類型低摻雜第二外延層103是從第一導電類型低摻雜第一外延層101上表面到第一導電類型低摻雜第二外延層103上表面的緩變摻雜。
[0054] 所述第一導電類型高摻雜襯底100材料包括但不局限于硅Si、碳化硅SiC、氮化鎵GaN。
[0055] 實施例2：
[0056] 一種用于功率MOSFET器件的變摻雜半導體材料片的制造方法，其特征在于，包括以下步驟：
[0057] 1)將第一導電類型低摻雜第一外延層101覆蓋于第一導電類型高摻雜襯底100之上。
[0058] 形成所述第一導電類型低摻雜第一外延層101的方式包括常壓外延生長。所述常壓外延的溫度為1180℃±10℃。
[0059] 2)在第一導電類型低摻雜第一外延層101的上表面1μm深度范圍內(nèi)摻雜雜質(zhì)，形成第一導電類型中摻雜層102。
[0060] 形成所述第一導電類型中摻雜層102的方式包括中能量離子注入雜質(zhì)。
[0061] 所述中能量離子注入的注入能量為60-80KeV。
[0062] 所述中能量離子注入雜質(zhì)形成第一導電類型中摻雜層102的濃度高于第一導電類型低摻雜第一外延層101和第一導電類型低摻雜第二外延層103雜質(zhì)的濃度1-2個量級。
[0063] 3)使用低溫爐管退火激活摻雜的雜質(zhì)。
[0064] 所述步驟3中激活摻雜的雜質(zhì)的方式包括低溫爐管退火。
[0065] 所述低溫爐管退火的溫度為850℃-950℃。所述低溫爐管退火的氣氛為先干氧后氮氣。
[0066] 所述低溫爐管退火的時間為干氧20±5分鐘、氮氣30±5分鐘。
[0067] 4)將第一導電類型低摻雜第二外延層103覆蓋于第一導電類型低摻雜第一外延層101之上。
[0068] 形成所述第一導電類型低摻雜第二外延層103的方式包括常壓外延生長。所述常壓外延的溫度為1180℃±10℃。
[0069] 所述步驟1)、步驟2)、步驟4)之前還包括常規(guī)半導體材料片清洗。所述半導體材料片清洗所用清洗液中含氫氟酸，所述清洗過程中包括去除半導體材料片正面氧化層的步驟。
[0070] 實施例3：
[0071] 第一導電類型為N型。
[0072] 如圖7所示，一種用于功率MOSFET的變摻雜半導體材料片，其特征在于：其特征在于：包括N型高摻雜襯底100、N型低摻雜第一外延層101、N型中摻雜層102、N型低摻雜第二外延層103。
[0073] 所述N型低摻雜第一外延層101覆蓋于N型高摻雜襯底100之上。
[0074] 所述N型低摻雜第二外延層103覆蓋于N型低摻雜第一外延層101之上。
[0075] 所述N型中摻雜層102位于N型低摻雜第二外延層103與N型低摻雜第一外延層101之間。所述N型中摻雜層102部分嵌入N型低摻雜第一外延層101與N型低摻雜第二外延層103內(nèi)。
[0076] 所述N型低摻雜第一外延層101的厚度為傳統(tǒng)功率MOSFET器件外延層厚度的1/3；所述N型低摻雜第一外延層101是從N型高摻雜襯底100上表面到N型低摻雜第一外延層101上表面的緩變摻雜。
[0077] 所述N型低摻雜第二外延層103的厚度為傳統(tǒng)功率MOSFET器件外延層厚度的2/3；所述N型低摻雜第二外延層103是從N型低摻雜第一外延層101上表面到N型低摻雜第二外延層103上表面的緩變摻雜。
[0078] 所述N型高摻雜襯底100材料包括但不局限于硅(Si)、碳化硅(SiC)、氮化鎵(GaN)。
[0079] 實施例4：
[0080] 選取第一導電類型為N型；
[0081] 如圖3-圖7所示，本實施例2中的用于功率MOSFET的變摻雜半導體材料片的制造方法，其特征在于，包括以下主要步驟：
[0082] 1)將N型低摻雜第一外延層101覆蓋于N型高摻雜襯底100之上；
[0083] 所述步驟1)中形成N型低摻雜第一外延層101優(yōu)選常壓外延生長的方式；所述常壓外延的溫度為1180℃±10℃。
[0084] 2)在N型低摻雜第一外延層101的上表面1μm深度范圍內(nèi)摻雜N型雜質(zhì)，形成N型中摻雜層102；
[0085] 所述步驟2)中形成N型中摻雜層102優(yōu)選中能量離子注入N型雜質(zhì)的方式；所述中能量離子注入的注入能量為60-80KeV；所述中能量離子注入N型雜質(zhì)形成N型中摻雜層102的濃度高于N型低摻雜第一外延層101和N型低摻雜第二外延層103雜質(zhì)的濃度1-2個量級。
[0086] 3)使用低溫爐管退火激活摻雜的N型雜質(zhì)；
[0087] 所述步驟3)中激活摻雜的N型雜質(zhì)優(yōu)選低溫爐管退火的方式；所述低溫爐管退火的溫度為850℃-950℃；所述低溫爐管退火的氣氛為先干氧后氮氣；所述低溫爐管退火的時間為干氧20±5分鐘、氮氣30±5分鐘。
[0088] 4)將N型低摻雜第二外延層103覆蓋于N型低摻雜第一外延層101之上。
[0089] 所述步驟4)中形成N型低摻雜第二外延層103優(yōu)選常壓外延生長的方式；所述常壓外延的溫度為1180℃±10℃。
[0090] 所述步驟1)、步驟2)、步驟4)之前還包括常規(guī)半導體材料片清洗。所述半導體材料片清洗所用清洗液中含氫氟酸，所述清洗過程中包括去除半導體材料片正面氧化層的步驟。
[0091] 按照本實施例所述的制造方法制作得到的一種用于功率MOSFET的N型變摻雜半導體材料片，具有以下優(yōu)點：
[0092] 1)其中N型低摻雜第一外延層101、N型中摻雜層102、N型低摻雜第二外延層103可以采用常規(guī)半導體工藝形成。
[0093] 2)由于N型中摻雜層102介于N型低摻雜第一外延層101和N型低摻雜第二外延層103之間，且N型中摻雜層102的摻雜濃度高于N型低摻雜第一外延層101和N型低摻雜第二外延層103的摻雜濃度1-2個量級，在常壓外延生長N型低摻雜第二外延層103和功率MOSFET的body推結過程中，會造成N型中摻雜層102中的雜質(zhì)向N型低摻雜第一外延層101和N型低摻雜第二外延層103擴散；
[0094] 使得整個外延層的雜質(zhì)濃度由N型高摻雜襯底100的上表面到N型低摻雜第二外延層103的上表面呈現(xiàn)緩變分布，降低了寄生三極管集電區(qū)電阻，提高了功率MOSFET抗單粒子燒毀的能力，且使用該材料制作的功率MOSFET常態(tài)參數(shù)基本保持不變，可用于60V以上功率MOSFET的制造領域。
[0095] 3)本發(fā)明具有應用范圍寬、工藝實現(xiàn)簡單、工藝重復性好的優(yōu)點。
