專利名稱：雙極半導(dǎo)體器件及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及雙極半導(dǎo)體器件及其制造方法，更具體地說，本發(fā)明涉 及適于抑制來自發(fā)射極區(qū)的電子與來自基極區(qū)的空穴之間在半導(dǎo)體表面 上發(fā)生復(fù)合的雙極半導(dǎo)體器件及其制造方法。
背景技術(shù)：
與廣泛用于器件中的硅相比，半導(dǎo)體碳化硅(SiC)具有相當(dāng)大的帶
隙能量，并由此適于高電壓、高功率以及高溫操作。對于將碳化硅應(yīng)用
至功率器件和其它組件存在很高的期望。已經(jīng)積極執(zhí)行研究和開發(fā)的SiC
功率器件的結(jié)構(gòu)可以主要分成兩種類型MOS器件和結(jié)型器件。本發(fā)明
涉及作為結(jié)型器件的雙極晶體管的性能改善。
下面是SiC雙極晶體管的描述的實施例。
已經(jīng)在"HighPower (500V-70A) andHighGain (44-47) 4H-SiC Bipolar Junction Transistors (J. Zhang, et al， Materials Science Forum， Vols. 457-460 (2004) pp. 1149-1152)"中對典型雙極晶體管的實施例進(jìn)行了描 述。在該文章中所描述的雙極晶體管是通過在錯向(misoriented)達(dá)8度 至(0001)的低阻n+型4H-SiC基片的表面上，按如下次序?qū)訅簄—型高 阻區(qū)、p型基極區(qū)以及n+型發(fā)射極區(qū)形成的，該發(fā)射極區(qū)由多個長窄形 區(qū)構(gòu)成。在發(fā)射極區(qū)、基極區(qū)以及集電極區(qū)中形成有多個電極，以形成 至外部的電連接。
圖9示出了在上述引用中公開的雙極晶體管的剖面示意圖。雙極晶 體管100設(shè)置有作為n型低阻層的集電極區(qū)101; n型高阻區(qū)102; p 型基極區(qū)103; n型低阻發(fā)射極區(qū)104;在發(fā)射極區(qū)周圍形成的p型低阻
基極接觸區(qū)105;集電極106;基極107;發(fā)射極108;以及表面保護(hù)膜
109。
圖10是例示雙極晶體管100的典型操作的圖。在圖10中，相同標(biāo) 號表示與圖9中所示的組成部分相同的組成部分。圖10中省略了表面保 護(hù)膜109，因為該膜不直接涉及對所述操作的描述。
在圖9和10所示雙極晶體管100中，主電流由箭頭110所示的從發(fā) 射極區(qū)104流向集電極區(qū)101的電子產(chǎn)生。電子電流的導(dǎo)通/截止?fàn)顟B(tài)受 施加至基極107的電壓信號控制。主電流這時流動的方向是面對從集電 極區(qū)101至發(fā)射極區(qū)104的方向。當(dāng)基極107與發(fā)射極108之間的電壓 為0 V或以下時雙極晶體管100處于截止?fàn)顟B(tài)，而當(dāng)將正電壓施加至基 極107與發(fā)射極108之間時改變成導(dǎo)通狀態(tài)。當(dāng)雙極晶體管100處于導(dǎo) 通狀態(tài)時，形成在基極107與發(fā)射極108之間的pn結(jié)被設(shè)置成具有正向 偏壓，從而基于空穴的電流從基極107流向發(fā)射極108。
優(yōu)選地以較弱的基極電流控制較強(qiáng)的主電流110，以便高效地操作雙 極晶體管100。電流放大因子(=主電流/基極電流)由此成為一必需參數(shù)。 使電流放大因子減小的原因是半導(dǎo)體表面上的由符號"x"示意性示出的 復(fù)合狀態(tài)(由圖10中的標(biāo)號111表示)。在半導(dǎo)體的表面上通常存在由 未結(jié)合的原子、晶體缺陷等造成的大量表面狀態(tài)。
通過對硅表面進(jìn)行熱氧化，例如，可以生成具有不會對器件特性產(chǎn) 生負(fù)面影響的具有低表面狀態(tài)密度的硅/氧化物膜界面。另一方面，例如 利用熱氧化或隨后執(zhí)行的熱處理(POA:后氧化退火)等來充分減小SiC 的表面上的表面狀態(tài)密度在當(dāng)前是不能的。半導(dǎo)體表面的表面狀態(tài)充當(dāng) 復(fù)合狀態(tài)。出于這個原因，當(dāng)主電流110導(dǎo)通時，從發(fā)射極區(qū)104射入 的電子113和基極區(qū)103中的空穴112共存于由基極區(qū)103的表面的表 面狀態(tài)造成的高濃度復(fù)合狀態(tài)lll的區(qū)域中，如圖10示意性所示?？昭?和電子(由箭頭115和116所示)由此主動地復(fù)合，并且因為在不影響 器件的操作情況下反應(yīng)(reactive)基極電流流過，所以結(jié)果是減小了電 流放大因子。
常規(guī)雙極晶體管100中存在的問題在于基極區(qū)103中的空穴和從發(fā) 射極區(qū)104射入的電子經(jīng)由基極區(qū)103的表面的表面狀態(tài)復(fù)合，從而在 將正電壓施加至基極與集電極之間以使器件導(dǎo)通時減小了電流放大因
子。
因此，需要提供可以應(yīng)用至用于控制汽車馬達(dá)的裝置和其它裝置的 高性能雙極半導(dǎo)體器件及其制造方法，在該雙極半導(dǎo)體器件及其制造方 法中可以控制經(jīng)由半導(dǎo)體表面的表面狀態(tài)而產(chǎn)生的空穴和電子的復(fù)合并 且增大了電流放大因子。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了一種雙極半導(dǎo)體器件，該雙極半導(dǎo) 體器件包括集電極區(qū)，該集電極區(qū)包括形成在半導(dǎo)體晶體的一個表面 上的具有第一導(dǎo)電類型的低阻層；布置在所述集電極區(qū)上的具有第一導(dǎo)
電類型的高阻層；布置在具有第一導(dǎo)電類型的所述高阻層上的具有第二 導(dǎo)電類型的基極區(qū)；形成在所述半導(dǎo)體晶體的另一表面上的具有第一導(dǎo) 電類型的低阻發(fā)射極區(qū)；以及連接至所述基極區(qū)并且在所述發(fā)射極區(qū)的
外周的具有第一導(dǎo)電類型的所述高阻層的兩側(cè)布置的具有第二導(dǎo)電類型
的低阻基極接觸區(qū)，并且該雙極半導(dǎo)體器件還具有在所述基極接觸區(qū)
與所述發(fā)射極區(qū)之間的所述半導(dǎo)體晶體的表面附近的具有第二導(dǎo)電類型 的復(fù)合抑制半導(dǎo)體層。
在本發(fā)明中，將第二導(dǎo)電類型的復(fù)合抑制半導(dǎo)體層布置在所述基極 接觸區(qū)與所述發(fā)射極區(qū)之間的所述半導(dǎo)體晶體的所述表面附近。通過設(shè) 置所述復(fù)合抑制半導(dǎo)體層，將具有大量表面狀態(tài)的半導(dǎo)體表面與主要傳 導(dǎo)空穴電流和電子電流的部分分離，從而抑制復(fù)合。由此，可以增大電 流放大因子，降低導(dǎo)通電壓，并且可以利用本發(fā)明的雙極晶體管來增強(qiáng) 功率轉(zhuǎn)換裝置的效率。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種雙極半導(dǎo)體器件，該雙極半導(dǎo)
體器件包括集電極區(qū)，該集電極區(qū)包括形成在半導(dǎo)體晶體的一個表面 上的具有第一導(dǎo)電類型的低阻層；布置在所述集電極區(qū)上的具有第一導(dǎo) 電類型的高阻層；布置在具有第一導(dǎo)電類型的所述高阻層上的具有第二 導(dǎo)電類型的基極區(qū)；形成在所述半導(dǎo)體晶體的另一表面上的具有第一導(dǎo) 電類型的低阻發(fā)射極區(qū)，以及連接至所述基極區(qū)并且在所述發(fā)射極區(qū)的
外周的具有第一導(dǎo)電類型的所述高阻層的兩側(cè)布置的具有第二導(dǎo)電類型 的低阻基極接觸區(qū)；并且該雙極半導(dǎo)體器件還具有在所述基極接觸區(qū) 與所述發(fā)射極區(qū)之間的所述半導(dǎo)體晶體的表面附近的具有第一導(dǎo)電類型 的復(fù)合抑制半導(dǎo)體層。
在本發(fā)明中，將具有所述第一導(dǎo)電類型的復(fù)合抑制半導(dǎo)體層布置在 所述基極接觸區(qū)與所述發(fā)射極區(qū)之間的所述半導(dǎo)體晶體的所述表面的附 近。通過設(shè)置所述復(fù)合抑制半導(dǎo)體層，將具有大量表面狀態(tài)的半導(dǎo)體表 面與主要傳導(dǎo)空穴電流和電子電流的部分分離，從而抑制復(fù)合。由此， 可以增大電流放大因子，降低導(dǎo)通電壓，并且可以利用本發(fā)明的雙極晶 體管來增強(qiáng)功率轉(zhuǎn)換裝置的效率。
上述雙極半導(dǎo)體器件被優(yōu)選地設(shè)置成，使得所述基極接觸區(qū)與所述 發(fā)射極區(qū)之間的所述半導(dǎo)體的所述表面局部地傾斜。
上述雙極半導(dǎo)體器件被優(yōu)選地設(shè)置成，使得所述基極接觸區(qū)與所述 發(fā)射極區(qū)之間的所述半導(dǎo)體的所述表面不是階躍的。
上述雙極半導(dǎo)體器件被優(yōu)選地設(shè)置成，使得所述基極接觸區(qū)與所述 發(fā)射極區(qū)之間的所述半導(dǎo)體晶體的所述表面設(shè)置有復(fù)合抑制膜。通過將 所述復(fù)合抑制半導(dǎo)體層與降低所述半導(dǎo)體的表面上復(fù)合的所述復(fù)合抑制 膜進(jìn)行組合，可以進(jìn)一步改善器件特性。
上述雙極半導(dǎo)體器件被優(yōu)選地設(shè)置成具有作為碳化硅的半導(dǎo)體晶體。
上述雙極半導(dǎo)體器件被優(yōu)選地設(shè)置成，使得所述復(fù)合抑制半導(dǎo)體層 的雜質(zhì)濃度低于所述基極區(qū)的雜質(zhì)濃度。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種雙極半導(dǎo)體器件的制造方法， 所述制造方法包括以下步驟在具有第一導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體基片的一個 表面上形成具有第一導(dǎo)電類型的第一高阻層；在具有第一導(dǎo)電類型的所 述第一高阻層上形成具有第二導(dǎo)電類型的基極區(qū)；在所述基極區(qū)上形成 具有第一導(dǎo)電類型的第二高阻層；在具有第一導(dǎo)電類型的所述第二高阻
層上形成具有第一導(dǎo)電類型的低阻層；通過局部地刻蝕所述低阻層和所 述第二高阻層的一部分形成發(fā)射極區(qū)；在所述第二高阻層的通過所述刻 蝕而露出的表面的附近形成具有第二導(dǎo)電類型的復(fù)合抑制半導(dǎo)體層；形 成連接至所述基極區(qū)的基極接觸區(qū)；將所述基極連接至所述基極接觸區(qū)、
將發(fā)射極連接至所述發(fā)射極區(qū)，以及將集電極連接至所述半導(dǎo)體基片的
另一表面；以及在所述基極和所述發(fā)射極的上方形成上層電極。
根據(jù)本發(fā)明的又一方面，提供了一種雙極半導(dǎo)體器件的制造方法， 所述制造方法包括以下步驟在具有第一導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體基片的一個 表面上形成具有第一導(dǎo)電類型的第一高阻層；在具有第一導(dǎo)電類型的所 述第一高阻層上形成具有第二導(dǎo)電類型的基極區(qū)；在所述基極區(qū)上形成 具有第一導(dǎo)電類型的第二高阻層；在具有第一導(dǎo)電類型的所述第二高阻 層上形成具有第一導(dǎo)電類型的低阻層；通過局部地刻蝕所述低阻層和所 述第二高阻層的一部分形成發(fā)射極區(qū)；在所述第二高阻層的通過刻蝕露 出的表面的附近形成具有第二導(dǎo)電類型的復(fù)合抑制半導(dǎo)體層；形成連接 至所述基極區(qū)的基極接觸區(qū)；在所述基極接觸區(qū)與所述發(fā)射極區(qū)之間的 半導(dǎo)體晶體的所述表面上形成復(fù)合抑制膜；將基極連接至所述基極接觸
區(qū)、將發(fā)射極連接至所述發(fā)射極區(qū)，以及將集電極連接至所述半導(dǎo)體基 片的另一表面；以及在所述基極和所述發(fā)射極的上方形成上層電極。


下面，參照附圖，對本發(fā)明的優(yōu)選實施方式進(jìn)行詳細(xì)說明，其中
圖1是本發(fā)明的第一實施例的雙極半導(dǎo)體器件(使用雙極晶體管作 為實施例)的一部分的剖面圖2是本發(fā)明第一實施例的雙極半導(dǎo)體器件(使用雙極晶體管作為 實施例)的平面圖3是用于描述第一實施例的雙極半導(dǎo)體器件的操作的圖4是示出用于利用本發(fā)明第一實施例的雙極半導(dǎo)體器件的制造方 法來制造雙極晶體管的步驟的流程圖5A到5D是用于利用本發(fā)明第一實施例方式的雙極半導(dǎo)體器件的 制造方法來制造雙極晶體管的每一個步驟的半導(dǎo)體基片的剖面圖6A到6D是用于利用本發(fā)明第一實施例的雙極半導(dǎo)體器件的制造
方法來制造雙極晶體管的每一個步驟的半導(dǎo)體基片的剖面圖； 圖7是本發(fā)明第二實施例的雙極半導(dǎo)體器件的剖面圖； 圖8是本發(fā)明第三實施例的雙極半導(dǎo)體器件的剖面圖； 圖9是常規(guī)雙極晶體管的剖面示意圖；以及 圖IO是描述常規(guī)雙極晶體管的操作的圖。
具體實施例方式
下面，首先參照圖1到3，對第一實施例的雙極半導(dǎo)體器件(雙極晶 體管)進(jìn)行說明。
圖2示出了具有五個發(fā)射極的雙極晶體管的平坦結(jié)構(gòu)的實施例。圖1 是沿圖2的A-A線截取的剖面結(jié)構(gòu)的放大圖。
雙極晶體管10具有包括形成在碳化硅(SiC)晶體的一個表面上 的n型(第一導(dǎo)電類型)低阻層(n+層)的集電極區(qū)11、布置在集電極 區(qū)11上的n型高阻層(rT層)12、布置在n型高阻層12上的p型(第 二導(dǎo)電類型)基極區(qū)13、形成在SiC晶體的另一表面上的n型低阻(n+) 發(fā)射極區(qū)14，以及連接至基極區(qū)13并且在發(fā)射極區(qū)14的外周的n型高 阻層(n—層)15的兩側(cè)布置的p型低阻(p+)基極接觸區(qū)16。
雙極晶體管10在發(fā)射極區(qū)14之間的SiC晶體的表面的附近設(shè)置有 基極接觸區(qū)16和p型復(fù)合抑制半導(dǎo)體層17。
在雙極晶體管10中，還將復(fù)合抑制膜18布置在基極接觸區(qū)16與發(fā) 射極區(qū)14之間的SiC晶體的表面上。雙極晶體管10還設(shè)置有連接至集 電極區(qū)11的集電極19、連接至發(fā)射極區(qū)14的發(fā)射極20，以及連接至基 極接觸區(qū)16的基極21。
圖2還示出了布置在發(fā)射極20和基極21的上方的區(qū)域中的上層電 極22。
而且，在該雙極晶體管10中，復(fù)合抑制半導(dǎo)體層17的雜質(zhì)濃度低 于基極區(qū)13的雜質(zhì)濃度。
接下來，參照圖3對本實施例的雙極晶體管的操作進(jìn)行說明。在圖3 中，相同標(biāo)號表示圖1中所示相同的組成部分。主電流是由該圖中所示的箭頭22和23指示的從發(fā)射極區(qū)14流向集電極區(qū)11的電子產(chǎn)生的電 流。電子電流的流動的導(dǎo)通/截止控制受施加至基極21的電壓信號的控 制。在這種情形下，主電流流動的方向是面對從集電極區(qū)ll至發(fā)射極區(qū) 14的方向。
當(dāng)基極21與發(fā)射極20之間的電壓為0V或以下時，雙極晶體管10 處于截止?fàn)顟B(tài)，而當(dāng)將正電壓施加在基極21與發(fā)射極20之間時，該雙 極晶體管IO變成導(dǎo)通狀態(tài)。當(dāng)雙極晶體管10導(dǎo)通時，形成在基極21與 發(fā)射極20之間的pn結(jié)被設(shè)置成處于正向偏壓下，從而空穴電流從基極 13流向發(fā)射極區(qū)14。
在圖10所示常規(guī)結(jié)構(gòu)中，當(dāng)雙極晶體管100如上所述導(dǎo)通時，基極 區(qū)103中的空穴112和從發(fā)射極區(qū)104射入的電子113共存于由基極區(qū) 103的表面的表面狀態(tài)造成的高濃度復(fù)合狀態(tài)111的區(qū)域中。由此如箭頭 115和116所示空穴和電子主動地復(fù)合，在不會影響器件的操作的情況下 反應(yīng)基極電流流過，從而減小了電流放大因子。
然而，如圖1和3所示，本發(fā)明的實施例的結(jié)構(gòu)設(shè)置有復(fù)合抑制半 導(dǎo)體層17和復(fù)合抑制膜18。因此，所述層使基極區(qū)13的空穴和從發(fā)射 極區(qū)14射入的電子遠(yuǎn)離具有充當(dāng)復(fù)合狀態(tài)的大量表面狀態(tài)(由圖3中的 符號"x"所示，并且由標(biāo)號25指示)的表面，從而抑制復(fù)合。結(jié)果， 減少了進(jìn)行復(fù)合的空穴的數(shù)量，并且增大了電流放大因子。由此，可以 進(jìn)一步改善器件特性。
在本實施例的雙極晶體管10中，因為設(shè)置了上述復(fù)合抑制半導(dǎo)體層 17，所以增大了與這個區(qū)中的電子有關(guān)的電勢。因此，使從發(fā)射極區(qū)14 射入的電子遠(yuǎn)離具有大量表面狀態(tài)的半導(dǎo)體表面。而且，因為復(fù)合抑制 半導(dǎo)體層的雜質(zhì)濃度低于基極區(qū)的雜質(zhì)濃度，所以空穴的濃度較低。結(jié) 果，可以降低表面狀態(tài)下復(fù)合的概率。在雙極晶體管10中，可以通過將 用于降低復(fù)合的復(fù)合抑制膜18設(shè)置在發(fā)射極20與基極21之間的半導(dǎo)體 表面上，并且與復(fù)合抑制半導(dǎo)體層17相結(jié)合地使用該復(fù)合抑制膜來進(jìn)一 步改善器件特性。
接下來，對第一實施例的雙極晶體管10的結(jié)構(gòu)進(jìn)一步進(jìn)行詳細(xì)說明。
將與(0001)平面錯向8度的低阻n型4H-SiC基片用作雙極晶體管 10的半導(dǎo)體晶體基片。在雙極晶體管10中，這個基片是集電極區(qū)11。 基片上的n型高阻層12是用于防止將高電壓施加在發(fā)射極20與集電極 19之間的層。在本實施例中，將厚度設(shè)置成IO pm，而將雜質(zhì)濃度設(shè)置 成lxl016 cm—3，從而防止例如600 V或更高的電壓。將厚度和雜質(zhì)濃度 設(shè)置成，使得當(dāng)在發(fā)射極20與集電極19之間施加有高電壓時n型高阻 層12上的p型基極區(qū)13不會耗盡。例如，可以使用0.5 nm到1.0 |_im的 厚度和大約1 x1017 cm-3到5xl017 cm—3的雜質(zhì)濃度。將具有0.2 pm到0.4 的厚度和lxlO m-s到4xlO m^的雜質(zhì)濃度的低阻n型發(fā)射極區(qū)14經(jīng) 由具有0.2 pm到0.4 pm的厚度和lx1016 cm—3的雜質(zhì)濃度的n型高阻層 15設(shè)置在基極區(qū)13上。發(fā)射極區(qū)14是與圖2所示發(fā)射極20連接并被劃 分成多個窄長形狀的區(qū)。將基極21布置在分離的區(qū)中。發(fā)射極區(qū)14中 的每一個均具有10微米到幾十微米的寬度(如圖1中的符號"LE"所示) 和大約100 ,到1000 jim的長度(如圖2中的符號"LJ所示)。包括 基極21和發(fā)射極20的單位器件的周期(由圖1中的符號"Lu"所示) 大約為20微米到幾十微米。
接下來，參照圖4、 5A到5D以及6A到6D，對第一實施例的雙極 晶體管10的制造方法進(jìn)行說明。
圖4是示出用于制造雙極晶體管的步驟的流程圖。圖5A到5D和圖 6A到6D是示出每一個步驟的結(jié)構(gòu)的剖面圖。
雙極晶體管10的制造方法包括以下步驟形成第一高阻層(步驟 Sll)、形成基極區(qū)(步驟S12)、形成第二高阻層(步驟S13)、形成低阻 層(步驟S14)、形成發(fā)射極區(qū)(步驟S15)、形成復(fù)合抑制半導(dǎo)體層(步 驟S16)、形成基極接觸區(qū)(步驟S17)、形成復(fù)合抑制膜(步驟S18)、 形成電極(步驟S19)，以及形成上層電極(步驟S20)。
用于形成第一高阻層的步驟(步驟Sll)是將n型高阻層31形成在 n型(第一導(dǎo)電類型)SiC半導(dǎo)體基片30上的步驟。在這個步驟中，例 如，如圖5A所示，通過在SiC高濃度n型基片30上使用外延生長，將 按lxl016 cm^的濃度摻雜有氮作為雜質(zhì)的SiC層31生長至10 pm的厚度。
用于形成基極區(qū)的步驟(歩驟S12)是形成p型(第二導(dǎo)電類型)基
極區(qū)32的步驟。在這個步驟中，例如通過使用外延生長將按lxl017cm_3 到lxl019 cm'3的濃度摻雜有鋁作為雜質(zhì)的SiC 32生長至0.1 pm到0.5 pm
的厚度。
用于形成第二高阻層的步驟(步驟S13)是形成n型高阻層33的步 驟。在這個步驟中，例如，通過使用外延生長將由按lxl016 crn^的濃度 摻雜有氮作為雜質(zhì)的SiC構(gòu)成的n型高阻層33生長至0.2 pm到0.5 pm
的厚度。
用于形成低阻層的步驟(步驟S14)是其中形成n型低阻層34的步 驟。在這個步驟中，例如通過在SiC層33上使用外延生長，將由按lxl019 cm'3到5xl019 cm—3的濃度摻雜有氮作為雜質(zhì)達(dá)的SiC構(gòu)成的n型低阻層 34生長至0.2 |iim到0.4 pm的厚度。
用于形成發(fā)射極區(qū)的步驟(步驟S15)是通過局部地刻蝕低阻層34 和n型高阻層33的一部分來形成發(fā)射極區(qū)35的步驟。在這個步驟中， 如圖5B所示，將低阻層34和n型高阻層33的一部分局部地刻蝕，以便 分離發(fā)射極區(qū)。例如，在光刻法步驟中，利用CVD (化學(xué)汽相淀積)二 氧化硅膜作為刻蝕掩模36，并且接著通過RIE (反應(yīng)離子刻蝕)等刻蝕 該CVD 二氧化硅膜來形成光刻膠圖案。此后，利用CVD二氧化硅膜作 為掩?？涛gSiC。可以應(yīng)用其中使用SF6等的RIE等，以便刻蝕SiC?？?蝕深度大約為0.3 (im到0.6 pm。
用于形成復(fù)合抑制半導(dǎo)體層的步驟(步驟S16)是在高阻層33的由 于所述刻蝕而露出的表面的附近形成復(fù)合抑制半導(dǎo)體層的步驟。在這個 步驟中，如圖5C所示，分離發(fā)射極區(qū)35,此后如箭頭38所示注入離子， 以便形成復(fù)合抑制半導(dǎo)體層37。在這種情況下，還可以將刻蝕中使用的 用于分離發(fā)射極區(qū)35的刻蝕掩模36的CVD 二氧化硅膜用作離子注入掩 模，因此不需要新的光刻法步驟。例如，可以將鋁用作離子種，注入能 量為幾十keV (千電子伏特)，并且將注入量確定成，使雜質(zhì)濃度大約為 lxl016Cm1(j lxl017cm—3。作為p型區(qū)的復(fù)合抑制半導(dǎo)體層37不具有諸 如基極區(qū)32的功能，但被設(shè)計成，在表面上降低來自基極區(qū)32的空穴
的濃度，而同時使來自發(fā)射極區(qū)35的電子遠(yuǎn)離所述表面，并由此被設(shè)置
成與基極區(qū)32相比較低的注入量。
用于形成基極接觸區(qū)的步驟(步驟S17)是形成連接至基極區(qū)32的 基極接觸區(qū)39的步驟。在這個步驟中，如圖5D所示，在要形成基極的 區(qū)域中執(zhí)行選擇性離子注入，以便形成連接至基極區(qū)32的基極接觸區(qū)39。 這個步驟增大了半導(dǎo)體表面的雜質(zhì)濃度，以便降低金屬電極與半導(dǎo)體之 間的接觸電阻。可以將CVD 二氧化硅膜用作用于由箭頭40所示的離子 注入的掩模41的材料。將鋁用作離子種。按多級方式以大約300keV的 最大注入能量注入離子，以便獲取大約0.2 pm到0.4 (im的離子注入深度。 確定注入量以使雜質(zhì)濃度大約為lxl018 cm's到lxl019 cm—3。離子注入之 后，通過刻蝕去除掩模41。
接下來，在離子注入后進(jìn)行活化熱處理，以便電激活半導(dǎo)體中的已 注入離子，和消除由于離子注入而生成的晶體缺陷，如圖6A所示。在本 實施例中，針對形成復(fù)合抑制半導(dǎo)體層37的離子注入和針對形成基極接 觸區(qū)39的離子注入同時執(zhí)行活化。例如利用高頻熱處理爐等在大約1700 r到1800'C的高溫下執(zhí)行熱處理達(dá)大約IO分鐘。將氬用作環(huán)境氣體。
用于形成復(fù)合抑制膜的步驟(步驟S18)是在基極接觸區(qū)39與發(fā)射 極區(qū)35之間的半導(dǎo)體晶體的表面上形成復(fù)合抑制膜42的步驟。為了去 除在離子注入和活化熱處理步驟中形成的表面層，在這個步驟中，首先 執(zhí)行熱氧化，接著執(zhí)行犧牲氧化(sacrificial oxidation)以去除由此形成 的氧化膜。用于犧牲氧化的條件包括例如在干燥氧氣下的110(TC達(dá)20小 時。將氫氟酸用于去除氧化膜。在犧牲氧化之后，再次執(zhí)行熱處理，以 形成氧化膜。此后，執(zhí)行另一種熱處理(POA:后氧化退火)，以降低SiC-氧化物膜邊界的雜質(zhì)狀態(tài)。在氫和氮氧化合物(NO、 N20)的環(huán)境下， 在大約80(TC到130(TC的高溫下執(zhí)行POA。在POA之后，形成CVD氧 化物膜、CVD氮化物膜，或另一薄膜42 (復(fù)合抑制膜)(圖6B)。
用于形成電極的步驟(步驟S19)是形成基極、發(fā)射極以及集電極的 步驟。如圖6C所示，在這個步驟中，分別形成連接至發(fā)射極區(qū)35的發(fā) 射極43、連接至基極接觸區(qū)39的基極44，以及連接至集電極區(qū)30的集
電極45。在發(fā)射極43和集電極45中使用的金屬例如是鎳或鈦；而在基 極44中使用的金屬例如是鈦/鋁。各電極都通過汽相淀積、濺射等工藝形 成。通過光刻法和干刻法、濕刻法、剝離(Uft-off)或其他方法來形成圖 案。在電極形成后進(jìn)行熱處理，以降低電極的金屬與發(fā)射極區(qū)35、基極 接觸區(qū)39以及集電極區(qū)30的SiC半導(dǎo)體之間的接觸電阻。該熱處理條 件例如為800'C到100(TC達(dá)大約10分鐘到30分鐘。
用于形成上電極的步驟(步驟S20)是在基極44和發(fā)射極43上形成 上電極的步驟。在這個步驟中，如圖6D所示，形成上電極46，以將分 離的發(fā)射極43呈現(xiàn)為單一電極。將CVD氧化物膜等形成為層間膜47。 而此后，通過光刻法和干刻法將CVD氧化物膜等從發(fā)射極43和基極44 的區(qū)域去除。使發(fā)射極43和基極44露出，接著淀積上電極46。將鋁用 作上電極46的材料。
可以按上述方法制造圖1和2所示的高性能雙極晶體管10。
圖7示出了第二實施例的雙極半導(dǎo)體器件(雙極晶體管)的剖面圖。 雙極晶體管50具有包括形成在碳化硅(SiC)晶體的一個表面上的n 型低阻層(n+層)的集電極區(qū)51、布置在集電極區(qū)51上的n型高阻層(n 一層)52、布置在n型高阻層52上的p型基極區(qū)53、形成在SiC晶體的 另一表面上的n型低阻(n+)發(fā)射極區(qū)54，以及連接至基極區(qū)53并且在 發(fā)射極區(qū)54的外周的n型高阻層(rT層)55的兩側(cè)布置的p型低阻(p + )基極接觸區(qū)56。而且，雙極晶體管50設(shè)置有在基極接觸區(qū)56與發(fā)射 極區(qū)54之間的SiC晶體的表面的附近布置的p型復(fù)合抑制半導(dǎo)體層57。 此外，在基極接觸區(qū)56與發(fā)射極區(qū)54之間的SiC晶體的表面上布置有 復(fù)合抑制膜58。還具有連接至集電極區(qū)51的集電極59、連接至發(fā)射極 區(qū)54的發(fā)射極60，以及連接至基極接觸區(qū)56的基極61 。在雙極晶體管 50中，復(fù)合抑制半導(dǎo)體層57的雜質(zhì)濃度低于基極區(qū)53的雜質(zhì)濃度。
與第一實施例的雙極晶體管10的不同之處在于，基極接觸區(qū)56與 發(fā)射極區(qū)54之間的半導(dǎo)體的表面的一部分傾斜。換句話說，與圖l所示 第一實施例的雙極晶體管10的不同之處在于，當(dāng)通過在如圖4所示的發(fā) 射極區(qū)形成步驟(步驟S15)中進(jìn)行刻蝕來分離發(fā)射極區(qū)54時對刻蝕掩模材料的剖面形狀提供斜度；或者通過執(zhí)行各向同性SiC刻蝕或利用另 一方法對發(fā)射極區(qū)54的刻蝕側(cè)表面54s提供斜度。
通過提供上述結(jié)構(gòu)，因為在離子注入期間將離子注入到發(fā)射極區(qū)54 的側(cè)表面來形成復(fù)合抑制半導(dǎo)體層57，所以在表面上露出的整個高阻層 被p型區(qū)覆蓋。因此，與第一實施例的雙極晶體管10相比，提高了雙極 晶體管50的復(fù)合抑制效果。
圖8示出了第三實施例的雙極半導(dǎo)體器件(雙極晶體管)。雙極晶體 管70具有包括形成在碳化硅(SiC)晶體的一個表面上的n型低阻層 (n+層)的集電極區(qū)71、布置在集電極區(qū)71上的n型高阻層(n—層)72、 布置在n型高阻層72上的p型基極區(qū)73、形成在SiC晶體的另一表面上 的n型低阻(n+)發(fā)射極區(qū)74，以及連接至基極區(qū)73并且在發(fā)射極區(qū) 74的外周的n型高阻層(rT層)75的兩側(cè)布置的p型低阻(p+)基極接 觸區(qū)76。而且，雙極晶體管70設(shè)置有在基極接觸區(qū)76與發(fā)射極區(qū)74之 間的SiC晶體的表面的附近布置的p型復(fù)合抑制半導(dǎo)體層77。此外，在 基極接觸區(qū)76與發(fā)射極區(qū)74之間的SiC晶體的表面上布置有復(fù)合抑制 膜78。還具有連接至集電極區(qū)71的集電極79、連接至發(fā)射極區(qū)74的發(fā) 射極80，以及連接至基極接觸區(qū)76的基極81。在雙極晶體管70中，復(fù) 合抑制半導(dǎo)體層77的雜質(zhì)濃度低于基極區(qū)73的雜質(zhì)濃度。
第三實施例的雙極晶體管70具有如下結(jié)構(gòu)基極接觸區(qū)76與發(fā)射 極區(qū)74之間的半導(dǎo)體的表面不是階躍的。雙極晶體管70是通過刻蝕分 離但通過選擇性離子注入形成發(fā)射極區(qū)74的實施例。在本結(jié)構(gòu)中，因為 沒有使用刻蝕步驟的事實而致使半導(dǎo)體表面沒有因刻蝕而被破壞，所以 可以進(jìn)一步抑制半導(dǎo)體表面附近的電子和空穴的復(fù)合?？梢詫⒘缀偷?作在形成發(fā)射極區(qū)74期間用于離子注入的離子種。發(fā)射極區(qū)74與基極 接觸區(qū)76之間的高阻層75可以保留不變。
如上所述，本發(fā)明提供了一種處于基極接觸區(qū)與發(fā)射極區(qū)之間的半 導(dǎo)體晶體的表面附近的具有第二導(dǎo)電類型的復(fù)合抑制半導(dǎo)體層。只要復(fù)
合抑制半導(dǎo)體層使得具有大量表面狀態(tài)的半導(dǎo)體表面能夠與主要傳導(dǎo)空 穴電流和電子電流的部分分離，就可以抑制復(fù)合。由此，可以增大電流
放大因子，并且可以降低導(dǎo)通電壓。而且，在本發(fā)明中設(shè)置了復(fù)合抑制 膜，以降低半導(dǎo)體表面上的復(fù)合。通過組合復(fù)合抑制膜與復(fù)合抑制半導(dǎo) 體層，可以進(jìn)一步改善器件特性。由此，通過利用本發(fā)明的雙極晶體管， 可以提高功率轉(zhuǎn)換裝置的效率。本實施例中所示層的厚度、離子注入能 量的量以及其它具體數(shù)字僅僅是示例，并且可以在實現(xiàn)本發(fā)明的范圍內(nèi) 進(jìn)行適當(dāng)?shù)男薷摹?br> 上述實施例涉及到多種情況中，其中圖1、 7以及8中所示的復(fù)合抑 制半導(dǎo)體層17、 57以及77是p型層，但這些層也可以是n型層。在這 種情況下，利用與上述實施例相同的原理使空穴遠(yuǎn)離，從而抑制了復(fù)合。 復(fù)合抑制膜18、 58以及78不一定是必要的組件，但通過設(shè)置這種膜可 以進(jìn)一步提高半導(dǎo)體器件中的復(fù)合抑制功能。這些實施例是參照SiC進(jìn) 行描述的，但本發(fā)明還可以應(yīng)用于具有表面復(fù)合問題的其它半導(dǎo)體。
工業(yè)適用性
使用本發(fā)明來實現(xiàn)高性能雙極半導(dǎo)體器件，并且將本發(fā)明用在半導(dǎo) 體器件制造技術(shù)中。
權(quán)利要求
1、一種雙極半導(dǎo)體器件，該雙極半導(dǎo)體器件包括集電極區(qū)，該集電極區(qū)包括形成在半導(dǎo)體晶體的一個表面上的具有第一導(dǎo)電類型的低阻層；布置在所述集電極區(qū)上的具有第一導(dǎo)電類型的高阻層；布置在具有第一導(dǎo)電類型的所述高阻層上的具有第二導(dǎo)電類型的基極區(qū)；形成在所述半導(dǎo)體晶體的另一表面上的具有第一導(dǎo)電類型的低阻發(fā)射極區(qū)；以及連接至所述基極區(qū)并且在所述發(fā)射極區(qū)的外周的具有第一導(dǎo)電類型的所述高阻層的兩側(cè)布置的具有第二導(dǎo)電類型的低阻基極接觸區(qū)，并且所述雙極半導(dǎo)體器件還具有在所述基極接觸區(qū)與所述發(fā)射極區(qū)之間的所述半導(dǎo)體晶體的表面附近的具有第二導(dǎo)電類型的復(fù)合抑制半導(dǎo)體層。
2、 一種雙極半導(dǎo)體器件，該雙極半導(dǎo)體器件包括集電極區(qū)，該集電極區(qū)包括形成在半導(dǎo)體晶體的一個表面上的具有第一導(dǎo)電類型的低阻層，布置在所述集電極區(qū)上的具有第一導(dǎo)電類型的高阻層， 布置在具有第一導(dǎo)電類型的所述高阻層上的具有第二導(dǎo)電類型的基極區(qū)，形成在所述半導(dǎo)體晶體的另一表面上的具有第一導(dǎo)電類型的低阻發(fā) 射極區(qū)，以及連接至所述基極區(qū)并且在所述發(fā)射極區(qū)的外周的具有第一導(dǎo)電類型的所述高阻層的兩側(cè)布置的具有第二導(dǎo)電類型的低阻基極接觸區(qū)，并且所述雙極半導(dǎo)體器件還具有在所述基極接觸區(qū)與所述發(fā)射極區(qū)之間的所述半導(dǎo)體晶體的表面附 近的具有第一導(dǎo)電類型的復(fù)合抑制半導(dǎo)體層。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的雙極半導(dǎo)體器件，其中，所述基極接觸區(qū)與所述發(fā)射極區(qū)之間的所述半導(dǎo)體的所述表面局部地傾斜。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的雙極半導(dǎo)體器件，其中，所述基極接 觸區(qū)與所述發(fā)射極區(qū)之間的所述半導(dǎo)體的所述表面不是階躍的。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的雙極半導(dǎo)體器件，其中，所述基極接 觸區(qū)與所述發(fā)射極區(qū)之間的所述半導(dǎo)體晶體的所述表面設(shè)置有復(fù)合抑制 膜。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的雙極半導(dǎo)體器件，其中，所述半導(dǎo)體 晶體是碳化硅。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的雙極半導(dǎo)體器件，其中，所述復(fù)合抑 制半導(dǎo)體層的雜質(zhì)濃度低于所述基極區(qū)的雜質(zhì)濃度。
8、 一種雙極半導(dǎo)體器件的制造方法，所述制造方法包括以下步驟 在具有第一導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體基片的一個表面上形成具有第一導(dǎo)電類型的第一高阻層；在具有第一導(dǎo)電類型的所述第一高阻層上形成具有第二導(dǎo)電類型的基極區(qū)；在所述基極區(qū)上形成具有第一導(dǎo)電類型的第二高阻層； 在具有第一導(dǎo)電類型的所述第二高阻層上形成具有第一導(dǎo)電類型的低阻層；通過局部地刻蝕所述低阻層和所述第二高阻層的一部分來形成發(fā)射 極區(qū)；在所述第二高阻層的通過所述刻蝕而露出的表面的附近形成具有第 二導(dǎo)電類型的復(fù)合抑制半導(dǎo)體層；形成連接至所述基極區(qū)的基極接觸區(qū)；將基極連接至所述基極接觸區(qū)、將發(fā)射極連接至所述發(fā)射極區(qū)，并 且將集電極連接至所述半導(dǎo)體基片的另一表面；以及 在所述基極和所述發(fā)射極的上方形成上層電極。.
9、 一種雙極半導(dǎo)體器件的制造方法，所述制造方法包括以下步驟 在具有第一導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體基片的一個表面上形成具有第一導(dǎo)電類型的第一高阻層；在具有第一導(dǎo)電類型的所述第一高阻層上形成具有第二導(dǎo)電類型的基極區(qū)；在所述基極區(qū)上形成具有第一導(dǎo)電類型的第二高阻層； 在具有第一導(dǎo)電類型的所述第二高阻層上形成具有第一導(dǎo)電類型的低阻層；通過局部地刻蝕所述低阻層和所述第二高阻層的一部分來形成發(fā)射 極區(qū)；在所述第二高阻層的通過所述刻蝕而露出的表面的附近形成具有第 二導(dǎo)電類型的復(fù)合抑制半導(dǎo)體層；形成連接至所述基極區(qū)的基極接觸區(qū)；在所述基極接觸區(qū)與所述發(fā)射極區(qū)之間的半導(dǎo)體晶體的所述表面上 形成復(fù)合抑制膜；將基極連接至所述基極接觸區(qū)、將發(fā)射極連接至所述發(fā)射極區(qū)，并 且將集電極連接至所述半導(dǎo)體基片的另一表面；以及 在所述基極和所述發(fā)射極的上方形成上層電極。
全文摘要
本發(fā)明提供一種雙極半導(dǎo)體器件及其制造方法。一種半導(dǎo)體晶體包括布置在基極接觸區(qū)(16)與發(fā)射極區(qū)(14)之間的表面的附近的具有第二導(dǎo)電類型的復(fù)合抑制半導(dǎo)體層(17)，并且該復(fù)合抑制半導(dǎo)體層(17)將具有大量表面狀態(tài)的半導(dǎo)體表面與主要傳導(dǎo)空穴電流的部分和電子電流的部分分離。抑制了復(fù)合，從而增大了電流放大因子并降低了導(dǎo)通電壓。
文檔編號H01L29/08GK101199058SQ200680021188
公開日2008年6月11日 申請日期2006年6月9日 優(yōu)先權(quán)日2005年6月13日
發(fā)明者野中賢一 申請人:本田技研工業(yè)株式會社