硅高速半导体开关器件制造方法 技术领域：
本发明涉及一种硅高速半导体开关器件的制造方法，适用于至少含有一个pn结的硅半导体开关器件的制造，例如快恢复二极管，晶闸管，栅极可关断晶闸管(GTO)，绝缘栅双极晶体管(IGBT)和双极开关晶体管的制造。背景技术：
在功率电子装置中，如开关电源、变频器等，使用各种半导体开关器件。对开关器件的重要要求是器件的功率损耗小。这要求器件的开关速度快(以关断过程中的电流恢复时间tr小来标志)以减少开关损耗，反向漏电IR小以减小断态损耗，正向压降Von小以减小通态损耗。此外，对快恢复二极管还要求软度因子S大以减小瞬间过压和电磁污染。开关损耗正比于开关频率，随着功率电子技术中使用的开关频率日益提高，开关损耗越来越大，这就要求进一步提高开关器件的开关速度，即减小tr。减小tr的有效方法是提高器件中复合中心的密度，以降低过剩载流子寿命，从而加速在导通状态时积累于器件中的过剩载流子的复合。这种减小tr的方法称作寿命控制。然而，由于物理上的内在联系，用寿命控制来减小tr的同时会造成不同程度的IR变大、Von变大和S变小的不良后果。用不同地实现寿命控制的方法(称为寿命控制技术)在得到同样的tr减小时所造成的IR、Von和S等其他性能的变劣的程度也不同。半导体开关器件的寿命控制技术一直在改进之中，其努力目标就是在提高开关速度的同时尽可能减小对器件其他性能的影响。现有的寿命控制技术可概括为整体寿命控制技术和局域寿命控制技术两大类。整体寿命控制技术有高温扩散铂或金以及高能粒子(主要是电子和中子)辐照等，其共同点是所产生的复合中心(硅中的铂、金杂质和辐照缺陷)是遍及整体半导体器件各区域的。这些技术是早已成熟而且目前仍在普遍使用的技术，在巴利伽的著作《功率半导体器件》(B.J.Baliga《Power Semiconductor Devices》，PWSPublishing Company，Boston，Mass.，1996)第153-182页和《现代功率器件》(《Modern Power Devices》Wiley，NewYork，1987)第55-59页以及发表于《美国电子与电气工程师协会会刊》卷ED-24第6期第685-688页的论文‘在功率整流器中用金、铂和电子辐照进行寿命控制的比较’(B.J.Baliga，“Comparison of gold，platinum，and electron irradiation for controlling lifetime inpower rectifier”，IEEE Transaction on Electron Devices，vol.ED-24，No.6，pp.685-688)中有综合的描述和分析。上述的整体寿命控制技术的最大共同缺点是减小tr时对IR、Von和S等其他性能影响的程度太大，为兼顾其他性能，开关速度的进一步提高受到限制。为解决这个问题产生了局域寿命控制的概念。局域寿命控制是只在半导体开关器件中对减小tr最有效的很小的局部区域内制造高密度复合中心，而在对减少tr效果不大却对IR、Von和S影响很大的其它区域中不制造复合中心。理论和实验证明，最有利的局域高复合中心区的位置是在电流流动方向上(称为轴向)靠近pn结的地方。现有的实现局域寿命控制的方法(称为局域寿命技术)是质子(即氢离子)或α粒子(即氦离子)的离子注入法。离子注入在射程末端附近产生出在注入束流方向上范围很窄的局部高密度缺陷区，从而形成局域高密度复合中心区。调整注入剂量可控制局域复合中心的密度，调整注入能量可控制局域复合中心的轴向位置，从而可控制半导体开关器件的tr、Von、IR、S以及它们之间的关系。例如，美国专利No.5717244，No.4056408，No.4047976和No.6168981给出的就是用质子或α粒子进行局域寿命控制的方法。但是，现有的用质子或α粒子的离子注入来实现局域寿命控制的方法并不能很好得到局域寿命控制概念所期望的优点，因为这种方法制成的器件的反向阻断性能差，表现在α粒子注入法使反向漏电流增大几个数量级，见莱涅利等人发表于《固体电子学》(Solid-State Electronics)卷42第12期第2295页的论文。质子注入法不仅使IR增大，而且还使器件反向耐压显著降低，见哈兹卓等人发表于《物理研究中的核仪器和方法》(Nuclear Instruments and Method in Physics Research)卷B186第414页的论文。为顾及反向阻断性能不能太差，所使用的注入剂量就不能大，开关速度就不能得到提高。特别是前述的哈兹卓的论文对质子、α粒子注入局域寿命控制技术进行了比较全面的研究，得到的结论是，由于所制成器件反向阻断性能差，并不适于单独用作寿命控制技术来提高开关速度，更好的使用方法是作为辅助技术与电子辐照技术联合使用以提高S。目前质子和α粒子离子注入局域寿命控制技术的工业应用也主要是作为电子辐照技术的辅助手段来提高S，见美国专利No.6261874。总之，现有的整体寿命控制技术(扩铂、扩金、电子辐照等)不能再进一步提高开关速度；局域寿命控制的概念虽然很好，但现有实现局域寿命控制的方法(质子和α粒子的离子注入法)制成器件的反向阻断特性差，也限制了用这种技术来提高器件的开关速度。至今，如何进一步提高开关速度而又不显著影响IR、Von、S等其他器件性能是长期努力解决而现有技术还都不能较好解决的技术难题。发明内容：
本发明目的在于解决以上技术难题，给出一种至少含有一个pn结的硅高速半导体开关器件的制造方法，可以解决现有局域寿命控制技术中存在的器件反向阻断特性差(漏电流增大、击穿电压下降)的问题，更好的发挥出局域寿命控制概念在理论上的优越性，制造出比现有技术性能更好的硅半导体开关器件，表现在开关速度更快和软度因子更大而又具有基本相同的反向阻断性能(IR和Von)；或者具有更低的IR和Von而又具有基本相同的开关速度和软度。
本发明的技术硅高速半导体开关器件的制造方法，其特征在于，它按以下步骤进行制造：(1)常规方法进行器件制造的前部各制造步骤，直至开始制造金属化电极；(2)去除将要制造的金属化电极与硅片接触区的硅表面绝缘膜(通常是二氧化硅)，裸露出硅表面；然后用常规的金属薄膜沉积法，例如常用的溅射法、真空蒸发法、含铂乳液涂敷法，在硅片表面沉积一层铂薄膜；通常铂薄膜厚度在0.001微米以上时所含的铂原子数就就足够用了，铂膜厚度的变化对器件性能没有明显影响，但厚度太薄难以得到均匀连续的膜，影响生产生产成品率，太厚的膜所消耗的铂材料太多，制造成本上升。常用厚度为0.03-1微米，例如0.05、0.1、0.3微米等。可以在硅片两面都沉积铂薄膜，但只在任意一面沉积就够了；(3)在惰性气体保护中进行铂硅合金化，以使硅和铂的接触界面处形成一层铂硅合金层，合金化的温度和时间并不是很严格，一般合金化温度为400℃-600℃，合金化时间为10-200分钟；铂硅合金化常用温度是420℃-550℃，例如435℃、465℃、495℃，铂硅合金化的常用时间为30分钟-90分钟，例如40分钟、65分钟、80分钟；温度与时间的相互匹配是本领域技术人员的常用技术。(4)首先，将硅片放在王水中进行腐蚀以去除未与硅形成合金的表层残留的铂层，留下铂硅合金层；王水对铂硅合金无明显腐蚀作用，当铂层被完全腐蚀干净后腐蚀作用会自动停止，因而不需特别留心控制腐蚀时间；然后，按预定的注入剂量和预定的注入射程从硅片两表面中的任一表面进行轻质量离子的离子注入；离子注入常用的离子是质子或α粒子。究竟用质子还是α离子由器件制造者所具备的设备条件决定，两者的效果没有明显差别；本步骤所说的离子注入的预定注入剂量需预先按器件的结构和所需的开关时间经多次常规实验后确定，剂量越大开关速度越快，但不同用途的器件所需的开关速度不同，对不同结构的器件达到同样开关速度所需的注入剂量也不同，对质子注入剂量的范围为5×1011-9×1015cm-2，对α粒子注入剂量为范围为1×1011-5×1015cm-2。比上述更低的剂量不能得到有实用价值的开关速度，而更高的剂量则可能产生更复杂类型的注入感生缺陷群。对于常用的开关速度常用注入剂量为对质子5×1012-1×1015cm-2，对α粒子5×1011cm-2-1×1015cm-2。本步骤所说的注入射程由高密度复合中心所在的位置与注入表面的距离决定，使射程末端正好位于预定的最大复合中心密度的位置，对提高开关速度较有效的注入射程末端的位置是位于开关器件导通时处于正偏压的pn结的附近，距pn结的距离为3-50微米。如果所制造的开关器件在导通时有多个pn结处于正向偏压，对提高开关速度更有效的射程末端的位置是在器件处于导通状态时向最高电阻率区注入少数载流子的正偏pn结附近，例如，绝缘栅双极晶体管中p型集电区与n型基区间的pn结，晶闸管和栅极可关断晶闸管中p型阳极区与n型基区间的pn结，双极开关晶体管中的集电结等。在上述正偏pn结的两侧区域之中，对提高开关速度最为有效的是注入射程末端的位置位于正偏pn结附近的最高电阻率区一側；(5)将硅片加热到温度650℃-800℃并保温10-200分钟进行铂吸取退火，更常用的退火温度是670℃-750℃，例如，685℃、705℃、725℃，常用的退火时间是20-120分钟，例如30、50、70、90分钟；(6)按常规方法进行金属化电极制造和其后各制造步骤，直至完成器件制造的全过程；(7)最后可在器件制成以后或在封装前，再按常规方法对硅片进行小剂量电子辐照对开关速度进行调整；如果在制造完成后半导体开关器件的开关速度已符合要求，则该步骤不再进行。
与现有技术相比，用本发明的制造方法制出的硅半导体开关器件具有更优的电性能的原因是本发明制造出的器件中控制寿命的复合中心同时具备了现有局域寿命控制技术中复合中心密度空间分布的优化和现有整体寿命控制技术中复合中心能级位置的优化这两个优点，这是现有寿命控制技术所都不具备的。用质子或α粒子的离子注入法的局域寿命控制技术，所产生的注入感生缺陷构成位于射程末端附近高度集中的局域复合中心，调整注入能量可将高密度复合中心区的位置调到最有利的位置，例如，位于最高电阻率区中靠近器件导通时处于正向的pn结的附近，见附图一(a)中的区域3。在器件处于导通状态时，由正向pn结1注入到最高电阻率区2中大量少数载流子，形成区域2中很高浓度的过剩载流子积累，使正向压降Von降到很低的值。在关断时，这些积累于区域2中的大量过剩载流子的消失时间决定了开关速度。在靠近pn结处积累的载流子浓度很高，因此位于pn结附近区域3的高密度局域复合中心可以最有效的加快复合速率，提高开关速度，并且它增加的只是关断开始阶段的复合速率，而不增加关断结束阶段的复合速率，因而还有利于提高二极管的软度因子S。但是，不论位于任何位置的复合中心，对反向漏电流IR的作用都基本相同。所以位于pn结附近区域3的复合中心与远离pn结处的复合中心相比，在保持同样的器件IR的情况下可以得到更高的开关速度和更大的软度因子。以上这些局域寿命控制技术的优点是现有局域寿命控制技术所具有的，不是本发明所特有的。这里强调的是，在本发明制造的器件中，构成高密度复合中心的铂杂质区是由现有技术中质子或α粒子离子注入感生缺陷吸取铂转化而来的，所以作为复合中心的铂杂质的密度的空间分布与现有局域寿命控制技术中的离子注入感生缺陷密度的空间分布是基本相同的，见附图一(b)区域4，因此所制造出的器件的性能应具有现有局域寿命控制技术的一切优点，必然优于现有的整体寿命控制技术，如扩铂、扩金、电子辐照、中子辐照等。而另一方面，本发明制造的半导体开关器件中的复合中心是硅中的铂杂质，其能级位置是Et＝Ec-0.23eV(其中Ec为导带下边缘的能级位置)，而质子、α粒子注入形成的注入感生缺陷的能级位置是Et＝Ec-0.42eV(低剂量注入)或Et＝Ec-0.55eV(高剂量注入)。理论和实验早已证明，例如见前述的巴利伽发表于《美国电子与电气工程师协会会刊》(B.J.Baliga，IEEE Transaction on Electron Devices，vol.ED-24，No.6，pp.685-688)的论文，复合中心离导带下边缘Ec越近在同样开关速度时的IR越小。同时铂杂质作为复合中心的半导体开关器件比金杂质、电子辐照缺陷等作为复合中心的器件在相同开关速度的情况下具有更好的反向阻断特性(更小的IR和更高的击穿电压)是本技术领域技术人员早已公知的事实。电子辐照缺陷具有与低剂量质子和α粒子注入感生缺陷基本相同的能级位置，所以硅中铂杂质为复合中心的器件的反向阻断特性必然优于质子和α粒子注入感生缺陷为复合中心的器件。因此，从复合中心能级位置来看，本发明所制造的以硅中铂杂质为复合中心的开关器件的反向阻断特性必然优于以质子和α粒子注入感生缺陷为复合中心的现有局域寿命控制技术。总之，本发明所包含的寿命控制方法是高度局域集中的铂杂质作为复合中心，它具备了现有局域寿命控制技术的复合中心集中于局部最有利位置的优点，而避免了现有局域寿命控制技术中复合中心能级位置不良造成器件反向阻断特性差的缺点；同时它又具备了现有整体寿命控制技术中用铂杂质作为复合中心所具有的良好能级位置的优点，而避免了现有高温扩铂器件中复合中心在空间上不能集中于最优化的局部区域的缺点。因此，本发明制造出的半导体开关器件比现有技术(包括整体寿命控制技术和局域寿命控制技术)具有更好的性能，例如，根据用途的需要，可以具有更快的开关速度和更大的软度因子而IR、Von基本相同；也可以具有更低的IR和Von而开关速度和二极管的软度因子基本相同。附图说明：图1 本发明制造的半导体开关器件中局域铂杂质区的形成和位置：
1-器件导通状态下具有正向偏压的pn结，
2-器件中电阻率最高的区域，
3-质子或α粒子离子注入后在射程末端形成的局部高密度缺陷区，
4-铂吸取退火后由局部高密度缺陷区转化成的局部高密度铂杂质区；图2 本发明的高速快恢复pin二极管的制造方法示意图：
2-器件中最高电阻率区域，本处为n型基区，
5-具有低电阻率的p型阳极区，
6-具有低电阻率的n型阴极区，
7，8-硅片的上、下表面，
9-铂硅合金层，
10-铂层，
11-质子注入束示意，
12-阳极金属化电极，
13-阴极金属化电极；图3本发明的高速绝缘栅双极晶体管(IGBT)的制造步骤示意图：
2-器件中最高电阻率区域，本处为n型基区，
14-中电阻率的n型缓冲层，
15-低电阻率的p型漏区(也称作集电区，或阳极区)，
16-中电阻率的p型阱区，
17-低电阻率的n型源区，
18-多晶硅栅电极，
19-栅氧化层，
20-电极间绝缘层，
21-发射极(阴极)金属化电极，
22-集电极(阳极)金属化电极。具体实施方式：
本发明技术方案具体步骤中的各温度和时间的选择点，及离子注入剂量的选择点，只要在本发明给出的范围内便可达到本发明所制造的、硅半导体开关器件的效果要求；这些选择点的调整为通常技术人员所掌握的技术。
下面按照本发明的技术方案，例举快恢复pin二极管和高速绝缘栅双极晶体管(IGBT)的制造方法来说明本发明的实施可行性。例1 快恢复pin二极管制造方法：
本发明制造pin快恢复二极管的步骤是，参看附图2：(1)用常规方法制造pin二极管的各个p型掺杂和n型掺杂区，包括pn结1，高电阻率n型基区2，低电阻率p型阳极区5，低电阻n型阴极区6，上表面7和下表面8，见附图2(a)。对于外延型快恢复二极管这里说的常规方法是在低阻n型硅基片上外延高阻n型层，然后从表面向高阻n型层中扩散p型杂质；对双扩散型快恢复二极管这里说的常规方法是在高阻n型基片的两面分别扩散高浓度的n型杂质和p型杂质；(2)去除表面7，8上的二氧化硅，用溅射法在表面7上沉积一层0.1-0.2微米的金属铂；(3)然后将硅片放到控温炉中在465℃保温40分钟后降至室温，这时已在铂与硅的界面处形成一层铂硅合金层9，还留下一层未被合金的铂层10，见附图2(b)；(4)把硅片放到王水中煮，铂层10被腐蚀掉，留下铂硅合金层9，接着从阳极面进行质子注入，注入剂量1×1013-5×1014cm-2，注入能量按注入射程计算决定，使射程末端位于高阻n型基区中距pn结5至10微米处，这时已在射程末端附近形成高密度局部注入感生晶体缺陷区3，在其他区域缺陷密度低得多，见附图2(c)；(5)将硅片加热到680℃-720℃，例如690℃、700℃、710℃，保温30-60分钟，例如40分钟，至此高密度注入感生缺陷区吸取铂转化为基本相同密度分布的铂杂质区，见附图2(d)区域4；(6)用常规方法，例如溅射法，分别在去除氧化层后的硅片两面制造阳极金属化电极12和阴极金属化电极13，见附图2(d)；(7)以常规方法进行钝化，封装，测试(台面型器件在钝化前用常规方法进行台面成形)；(8)以常规方法在封装前或封装后进行电子辐照以调整开关速度到产品要求的指标，如果制造步骤(8)之前测试的开关速度已符合要求，则制造步骤(8)不须进行。例2 高速绝缘栅双极晶体管(IGBT)的制造方法：
本发明制造高速IGBT的步骤是，参看附图3：(1)用常规方法制造IGBT的各p型区、n型区等基本结构，见附图3(a)，它包括低电阻率的p型漏区15，高电阻率n型基区2，中电阻率的n型缓冲层14，pn结1，中电阻率的p型阱区16，低电阻率的n型源区17，多晶硅栅电极18，栅氧化层19等；(2)在去除电极接触区氧化层后，以常规方法(例如溅射法)在源区所在的硅片表面上沉积一层厚约0.1-0.2微米的铂薄膜；(3)将硅片放在加热炉中在温度约465℃保温约40分钟，至此在铂与硅交界面处形成了铂硅合金层9，留下未被合金的铂层10，见附图3(b)；(4)用王水腐蚀掉铂层10，然后从有铂硅合金的这一表面进行质子注入，注入剂量是1×1013-5×1014cm-2，注入能量按注入射程计算，使注入射程末端位于n型基区中距pn结1约30-50微米，至此在器件中n型基区2中缓冲层3的边界附近形成离子注入感生高密度缺陷区3，见附图3(c)；(5)将硅片在710℃保温1小时进行铂吸取退火，退火厚，高密度缺陷区3转变为高密度铂杂质区4。见附图3(d)；(6)用常规方法制造集电极金属化电极22和发射极金属化电极21，在制造电极22时常用多层金属溅射法，制造电极21时常用电子束蒸发法。参见附图3(d)；(7)用常规方法进行以下的钝化、封装等各制造步骤；(8)测试后根据开关速度与要求指标的差别用常规电子辐照法进行开关速度调整，电子辐照也可在步骤(6)之后进行。如果在作完加工步骤(6)之后开关参数已符合要求，则不进行电子辐照。