CN102136435B - 高性能半导体结构的制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及半导体器件制造，公开了一种高性能半导体结构的制造方法。本发明中，在采用抗氧化性材料的中间连接层生成后就进行热处理，此后再生成其余的连接层，从而能够在低成本的前提下生产具有大电流能力和低功耗优良特性的半导体器件。所用的抗氧化性材料可以是钛、钽、镍等。
Description
技术领域
本发明涉及半导体器件制造，特别涉及有多个连接层的半导体结构的制造方法。
背景技术
半导体器件(semiconductor device)是利用半导体材料特殊电特性来完成特定功能的电子器件。通常，这些半导体材料是硅、锗或砷化镓，可用作整流器、振荡器、发光器、放大器、测光器等器材。
绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor，简称“IGBT”)和金属氧化物半导体场效应晶体管(Metal Oxide Semiconductor Field EffectTransistor，简称“MOSFET”)是两种常用的半导体器体，属于垂直型半导体器件。垂直型半导体器件中具有如图1所示的半导体结构。下面对该半导体结构进行介绍：
区域1为核心结构，通常是硅，也可以是其他半导体材料，如锗或锗与硅的化合物等；其中1A为P型或N型掺杂区域，厚度通常为100纳米到10微米，表面掺杂浓度为1015～1020/cm3；1B为低掺杂的漂移区，厚度为1微米到1毫米，掺杂浓度为1012～1017/cm3；1C为表面元胞，可以是金属-氧化物-半导体(Metal-Oxide-Semiconductor，简称“MOS”)或二极管结构。
区域2-5为连接层，作用是将区域1中的材料连接到外部(如焊接底板等)，其成分一般为金属，如铝，铜，钛，钽，镍，铬，铅，银，金等。
区域2的作用是与区域1接触，在后续工艺步骤中与区域1发生反应，形成区域T12。区域T12的作用是作为区域1和区域2的连接层，保证两者紧密连接并有良好的欧姆接触，减小接触电阻。通常区域2为铝、钛等金属薄膜，厚度为10纳米到1微米。
区域5的作用是作为外部(如焊接底板等)与本半导体结构的良好接触层，保证两者能紧密焊接在一起并具有良好导电性和可靠性。通常区域5为铅，银，金等良导体薄膜，厚度为100纳米到1微米。
区域4的作用是将区域5紧密粘结到区域3，保证他们紧密连接并具有良好导电性。通常区域4为镍，铬等难熔金属薄膜，厚度为10纳米到1微米。
区域3的作用是作为区域2与区域4的过渡层，保证两者能紧密连接并具有良好导电性。通常区域3为钛，钽等难熔金属薄膜，厚度为10纳米到1微米。
目前已知，如果T12层为AlSi合金层，且区域1A厚度降至100纳米到500纳米时，能够获得具有透明发射极的IGBT器件或具有良好欧姆接触的MOSFET、二极管器件，从而得到具有大电流能力和低功耗优良特性的半导体器件。
目前得到上述半导体结构的传统工艺流程如图2所示。
在步骤201中，制作区域1中1B和1C。
此后进入步骤202，对步骤201完成后的半导体结构进行P型或N型离子注入。
此后进入步骤203，通过蒸发或溅射方式沉积区域2。
此后进入步骤204，通过蒸发或溅射方式沉积区域3。
此后进入步骤205，通过蒸发或溅射方式沉积区域4。
此后进入步骤206，通过蒸发或溅射方式沉积区域5。
此后进入步骤207，对步骤206的结果进行高温热处理，使区域2与区域1的接触面发生化学反应形成区域T12，同时，区域1A中P型或N型杂质被激活，最终形成所需要的区域1A。
该传统工艺的主要问题在于：在形成所需的区域T12(AlSi合金层)和区域1A(厚度为100纳米到500纳米)的同时会极大地损坏区域4和区域5(在步骤207中区域4和区域5会被氧化，电阻率急剧增大)，导致区域4和区域5电阻明显增大，则整个半导体器件失去了大电流能力，功耗也会急剧增大，无法实现高性能。其主要原因在于，在步骤207的高温环境下，区域4和区域5的金属材料很容易在高温下发生氧化。
目前的一个解决办法是采用新型设备及新工艺。例如，采用特殊设备，保证进行高温热处理步骤时设备中氧含量极低，从而降低区域4和区域5被氧化的程度，在形成所需的区域T12和区域1A的同时不损坏半导体结构的其他区域，进而实现高性能半导体结构。
采用新设备及新工艺的问题在于：制造成本会明显增加，且成品率很低。具体地说：
首先，新设备本身成本很高。将氧含量降至所需的低水平需要添加新硬件并耗费大量能量和化学品，通常设备本身价格在百万美元左右，每次加工所需的额外成本高达数万元人民币，最终导致本半导体结构制作成本至少上升15％。
其次，新设备对应的新工艺波动很大。所需的低氧含量对目前技术水平而言极难精确控制，极易受到扰动而发生波动，导致成品率很低。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高性能半导体结构的制造方法，能够在低成本的前提下得到具有大电流能力和低功耗优良特性的半导体结构。
为解决上述技术问题，本发明的实施方式提供了一种高性能半导体结构的制造方法，包括以下步骤：
以半导体材料生成核心结构；
依次生成将核心结构连接到外部的N个连接层，其中，第1个连接层紧靠核心结构，第N个连接层离核心结构最远，第N个连接层采用抗氧化性的材料，N为正整数；
对核心结构和N个连接层的组合体进行热处理，使核心结构与第1个连接层的接触部分发生反应；
在第N个连接层外，再依次生成M个连接层，其中M为正整数。
本发明实施方式与现有技术相比，主要区别及其效果在于：
对热处理的步骤进行调整，在采用抗氧化性材料的中间连接层生成后就进行热处理，此后再生成其余的连接层，从而能够在低成本的前提下生产具有大电流能力和低功耗优良特性的半导体器件。
进一步地，热处理时的最外层连接层的材料使用钛、钽、镍之一，既可以满足保证相邻层紧密连接和减小接触电阻的要求，又可以有较好的抗氧化效果。
附图说明
图1是现有技术中的半导体结构示意图；
图2是现有技术中得到图1所示半导体结构的传统工艺流程图；
图3是本发明第一实施方式中高性能半导体结构的制造方法流程示意图；
图4是本发明第二实施方式中高性能半导体结构的制造方法流程示意图。
具体实施方式
在以下的叙述中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，本领域的普通技术人员可以理解，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请各权利要求所要求保护的技术方案。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步地详细描述。
本发明第一实施方式涉及一种高性能半导体结构的制造方法，其流程如图1所示。
在步骤301中，以半导体材料生成核心结构。
此后进入步骤302，依次生成将上述核心结构连接到外部的N个连接层，N为正整数。其中，先生成离核心结构最近的第1个连接层，再生成离核心结构次近的第2个连接层，......，一直到生成第N个连接层，第N个连接层采用抗氧化性的材料。
连接层通常由金属实现，常用的有铝，铜，钛，钽，镍，铬，铅，银，金等。
在本发明的一个优选实例中，使用钛、钽、镍之一作为抗氧化性材料生成第N个连接层。热处理时，最外层的连接层的材料使用钛、钽、镍之一，既可以满足保证相邻层紧密连接和良好欧姆接触的要求，又可以有较好的抗氧化效果。
可以理解，在本发明的其它某些实例中，抗氧化材料可以不限于钛、钽、镍，只要具有一定抗氧化性的材料即可。本发明中，抗氧化性定义为该金属经过后续热处理(高温)后，电阻率没有明显上升，不影响导电性能。
此后进入步骤303，对核心结构和N个连接层的组合体进行热处理，使核心结构与第1个连接层的接触部分发生反应。
在本发明的一个优选实例中，热处理的温度范围是400摄氏度至500摄氏度之间，含两端的400摄氏度和500摄氏度。热处理的气体氛围是真空，或者半导体级纯净氮气，或者半导体级纯净氮气+半导体级纯净氢气。
可以理解，在本发明的其它某些实例中，也可以使用低于400摄氏度或高于500摄低度的温度进行热处理，也可以使用其它的气体氛围。
此后进入步骤304，在第N个连接层外，再依次生成M个连接层，M为正整数。即再依次生成第N+1个连接层，第N+2个连接层，......，直到生成第N+M个连接层。
本实施方式中，相对于传统工艺流程，对热处理步骤的实施时间进行了调整，在采用抗氧化性材料的位于中间的连接层生成后就进行热处理，此后再生成其余的连接层，从而能够在低成本的前提下生产具有大电流能力和低功耗优良特性的半导体器件。
本发明各实施方式所提供的制造方法适用于垂直型半导体器件的制造，如IGBT、MOSFET等。当然，其它某些半导体器件也可以使用本发明的技术方案。
本发明第二实施方式涉及一种高性能半导体结构的制造方法。
第二实施方式是在第一实施方式的基础上提出一个适用面较广的具体方案，针对如图1所示的半导体结构。
核心结构(区域1)包括三层，第一层(区域1A)为P型或N型掺杂区域，第二层(区域1B)为漂移区，第三层(区域1C)为表面元胞(可以是MOS或二极管结构)，其中，第二层的掺杂浓度低于第一层，第一层与第1个连接层相邻。
第1个连接层(区域2)为铝或钛的金属薄膜，厚度为10纳米到1微米。
第2个连接层(区域3)为钛或钽的金属薄膜，厚度为10纳米到1微米。
第3个连接层(区域4)为镍或铬的金属薄膜，厚度为10纳米到1微米。
第4个连接层(区域5)为铅或银或金的金属薄膜，厚度为100纳米到1微米。
当然，在本发明的其它某些实施方式中，各连接层的材料或厚度也可以不同于本实施方式。
本实施方式的流程如图4所示。
在步骤401中，在半导体材料上制作核心结构(区域1)的第二层(区域1B)和第三层(区域1C)。
此后进入步骤402，对步骤401所得的半导体结构进行P型或N型离子注入。步骤401和步骤402的目的是以半导体材料生成核心结构。可以理解，在本发明的其它某些实施方式中，核心结构也可以有更多或更少的层次，或以其它的方式制成。
此后进入步骤403，通过真空蒸发或真空溅射方式生成第1个连接层(区域2)。
此后进入步骤404，通过真空蒸发或真空溅射方式生成第2个连接层(区域3)。
此后进入步骤405，对步骤404所得的半导体结构进行热处理，使区域2与区域1的接触面发生化学反应形成区域T12，并激活区域1A中的P型或N型杂质，形成最终需要的区域1A。详情可参见第一实施方式中步骤303的相关说明。
此后进入步骤406，通过真空蒸发或真空溅射方式生成第3个连接层(区域4)。
此后进入步骤407，通过真空蒸发或真空溅射方式生成第4个连接层(区域5)。
本实施方式中，各连接层是通过真空蒸发或真空溅射方式生成的，可以理解，在本发明其它某些实施方式中，连接层也可以使用其它的工艺生成。
发明人通过实验发现，在图1所示半导体结构所需的各金属材料中，只有区域3对应的难熔金属具有一定的抗氧化性。故而提出，只要将步骤207提前至步骤204之后，就能够解决问题。本实施方式中，由于将步骤205和步骤206放到步骤207之后，故避免了对应的区域4和区域5被氧化。但如果把步骤204也移到步骤207之后进行，由于步骤203沉积的金属(区域2)也会在高温热处理中被氧化，故步骤207对区域2也会造成损坏。如果把步骤203至步骤206都移到步骤207之后，由于高温热处理时区域2尚未沉积，故无法形成区域T12。
步骤204沉积的金属种类和结构是本实施方式的关键之一。该金属要同时具有抗氧化性和粘结区域2与区域4的作用，有这种功能的金属有钛(Titanium)，钽(Tantalum)等。
总之，步骤205和步骤206转移到高温热处理之后，不仅避免了结构中其他区域被氧化，而且步骤203和步骤204保留在高温热处理之前能保证形成T12区域，同时区域3的存在也保护了区域2区域不被氧化。
本实施方式中，对传统工艺流程仅做次序上改动即能实现所需特殊结构和优异性能。与传统工艺相比，本实施方式的成本基本不变，即相当于与采用新设备的解决方案相比降低成本至少15％。由于大功率IGBT或MOSFET或二极管半导体结构对于节能减排有重要意义，可以预计未来10年其需求量将急剧增加，本发明能够大大降低IGBT或MOSFET或二极管半导体器件的制造成本，进一步推动此节能产品的推广和应用，带来显著的经济和社会效益。
虽然通过参照本发明的某些优选实施方式，已经对本发明进行了图示和描述，但本领域的普通技术人员应该明白，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。
Claims (7)
1.一种半导体结构的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
以半导体材料生成核心结构；
依次生成将所述核心结构连接到外部的N个连接层，其中，第1个连接层紧靠所述核心结构，第N个连接层离所述核心结构最远，第N个连接层采用抗氧化性的材料，N为正整数；
对所述核心结构和N个连接层的组合体进行热处理，使所述核心结构与第1个连接层的接触部分发生反应；
在第N个连接层外，再依次生成M个连接层，其中M为正整数；
所述N＝2，M＝2；从所述核心结构开始：
第1个连接层为铝或钛的金属薄膜，厚度为10纳米到1微米；
第2个连接层为钛或钽或镍的金属薄膜，厚度为10纳米到1微米；
第3个连接层为镍或铬的金属薄膜，厚度为10纳米到1微米；
第4个连接层为铅或银或金的金属薄膜，厚度为100纳米到1微米。
2.根据权利要求1所述的半导体结构的制造方法，其特征在于，所述热处理的温度范围是高于或等于400摄氏度，低于或等于500摄氏度。
3.根据权利要求2所述的半导体结构的制造方法，其特征在于，所述热处理的气体氛围是以下之一：
真空，或者半导体级纯净氮气，或者半导体级纯净氮气+半导体级纯净氢气。
4.根据权利要求1所述的半导体结构的制造方法，其特征在于，所述核心结构包括三层，第一层为P型或N型掺杂区域，第二层为漂移区，第三层为表面元胞，其中，第二层的掺杂浓度低于第一层，第一层与所述第1个连接层相邻；
所述以半导体材料生成核心结构的步骤包括以下子步骤：
在半导体材料上制作所述核心结构的第二层和第三层；
对所得的半导体结构进行P型或N型离子注入。
5.根据权利要求1所述的半导体结构的制造方法，其特征在于，所述生成N个连接层和生成M个连接层的步骤中，通过真空蒸发或真空溅射方式生成连接层。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的半导体结构的制造方法，其特征在于，所述制造方法可以应用于垂直型半导体器件的制造。
7.根据权利要求6所述的半导体结构的制造方法，其特征在于，所述垂直型半导体器件包括：金属氧化物半导体场效应晶体管、绝缘栅双极型晶体管。
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