具有深層電荷平衡結(jié)構(gòu)的雙極半導(dǎo)體器件的制作方法
【專利摘要】公開了具有深層電荷平衡結(jié)構(gòu)的雙極半導(dǎo)體器件的多個(gè)實(shí)施方式。這種器件包括具有第一導(dǎo)電類型的漂移區(qū)，其位于具有第二導(dǎo)電類型的陽極層之上。該器件還包括穿過具有第二導(dǎo)電類型的反轉(zhuǎn)區(qū)延伸到漂移區(qū)內(nèi)并且通過具有第一導(dǎo)電類型的陰極擴(kuò)散區(qū)限定邊界的控制溝槽。另外，該器件包括位于控制溝槽下方的深層子溝槽結(jié)構(gòu)。該深層子溝槽結(jié)構(gòu)包括具有第一導(dǎo)電類型的一個(gè)或多個(gè)第一導(dǎo)電區(qū)和具有第二導(dǎo)電類型的一個(gè)或多個(gè)第二導(dǎo)電區(qū)，該一個(gè)或多個(gè)第一導(dǎo)電區(qū)和該一個(gè)或多個(gè)第二導(dǎo)電區(qū)被配置用于對深層子溝槽結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)質(zhì)電荷平衡。在一個(gè)實(shí)施方式中，該雙極半導(dǎo)體器件是絕緣柵雙極晶體管(IGBT)。
【專利說明】具有深層電荷平衡結(jié)構(gòu)的雙極半導(dǎo)體器件
[0001 ] 本申請要求于2015年3月5日提交的、序列號為N0.62/128，922的題為“SuperJunct1n IGBT with PNN Structure for High Frequency Applicat1ns” 的臨時(shí)申請的權(quán)益和優(yōu)先權(quán)。本臨時(shí)申請中的公開內(nèi)容被以引用方式并入本文。
【背景技術(shù)】
[0002]適合用作功率開關(guān)的雙極半導(dǎo)體器件、比如絕緣柵雙極晶體管(IGBT)例如可在各種應(yīng)用中實(shí)施。例如，IGBT可用作電機(jī)驅(qū)動器逆變器以及直流(DC)到DC的功率轉(zhuǎn)換器中的功率開關(guān)。在這些和其它電力應(yīng)用中，關(guān)斷損耗(Eqff)和通態(tài)壓降(Vqn)典型地是關(guān)鍵的工作參數(shù)，所以非常希望具有一種在快速開關(guān)期間具有低Vqn和基本上最小化的Eqff的IGBT。
[0003]然而，隨著開關(guān)速度的提高，開關(guān)損失、包括Eqff通常代表雙極功率開關(guān)的總功率損失的重要部分。而且，用于在快速開關(guān)期間最小化Eqff的傳統(tǒng)技術(shù)對于雙極電源開關(guān)的通態(tài)特性、比如Vqn來說可能具有不好的結(jié)果。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本申請涉及一種具有深層電荷平衡結(jié)構(gòu)的雙極半導(dǎo)體器件，大致如至少一個(gè)附圖中所示的那樣和/或參看至少一個(gè)附圖所描述的那樣，并且如權(quán)利要求中所闡述的那樣。
【附圖說明】
[0005]圖1A繪示根據(jù)一個(gè)實(shí)施方式的具有深層電荷平衡結(jié)構(gòu)的示例性雙極半導(dǎo)體器件的一部分的剖視圖。
[0006]圖1B繪示根據(jù)另一實(shí)施方式的具有深層電荷平衡結(jié)構(gòu)的示例性雙極半導(dǎo)體器件的一部分的剖視圖。
[0007]圖2A繪示根據(jù)又一實(shí)施方式的具有深層電荷平衡結(jié)構(gòu)的示例性雙極半導(dǎo)體器件的一部分的剖視圖。
[0008]圖2B繪示根據(jù)又一實(shí)施方式的具有深層電荷平衡結(jié)構(gòu)的示例性雙極半導(dǎo)體器件的一部分的剖視圖。
[0009]圖3A繪示根據(jù)再一實(shí)施方式的具有深層電荷平衡結(jié)構(gòu)的示例性雙極半導(dǎo)體器件的一部分的剖視圖。
[0010]圖3B繪示根據(jù)另一個(gè)實(shí)施方式的具有深層電荷平衡結(jié)構(gòu)的示例性雙極半導(dǎo)體器件的一部分的剖視圖。
【具體實(shí)施方式】
[0011]下面的描述包含了與本公開內(nèi)容中的實(shí)施方式有關(guān)的特定信息。本領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員應(yīng)意識到本公開可以以與在這里具體討論不同的方式實(shí)施。本申請中的附圖以及它們的詳細(xì)描述僅僅針對示例性實(shí)施方式。除非以其它方式特別指出，否則各圖中類似或?qū)?yīng)的元件可以用類似或?qū)?yīng)的附圖標(biāo)記表示。而且，本申請中的附圖和圖示一般不按比例，并且不意欲與實(shí)際有關(guān)尺寸對應(yīng)。
[0012]圖1A繪示了根據(jù)一個(gè)實(shí)施方式的具有深層(deep)電荷平衡結(jié)構(gòu)的示例性雙極半導(dǎo)體器件100A的一部分的剖視圖。如圖1A所示，雙極半導(dǎo)體器件100A被實(shí)施為豎直型功率器件，包括位于半導(dǎo)體基板102的底表面104處的P型陽極層110和位于P型陽極層110上方的N型漂移區(qū)114。另外，P型反轉(zhuǎn)區(qū)116位于N型漂移區(qū)114上方。如圖1A中進(jìn)一步示出的，雙極半導(dǎo)體器件100A包括N型緩沖層或場截止層112(下文稱為“緩沖層112”)，以及形成于P型反轉(zhuǎn)區(qū)116中的N型陰極擴(kuò)散區(qū)(dif f us 1n) 128和P型觸點(diǎn)118。
[0013]雙極半導(dǎo)體器件100A還包括從半導(dǎo)體基板102的頂表面106穿過P型反轉(zhuǎn)區(qū)116并且延伸到N型漂移區(qū)114內(nèi)的控制溝槽120。如圖1A中進(jìn)一步示出的，控制溝槽120具有寬度126，且通過N型陰極擴(kuò)散區(qū)128限定邊界，而且包括控制溝槽絕緣部122和控制溝槽電極124。另外，雙極半導(dǎo)體器件100A包括深層子溝槽結(jié)構(gòu)130，深層子溝槽結(jié)構(gòu)130具有寬度132并且位于控制溝槽120下方直至半導(dǎo)體基板102的頂表面106下方深度138處。如圖1A中示出的，深層子溝槽結(jié)構(gòu)130包括一個(gè)或多個(gè)N型區(qū)134和一個(gè)或多個(gè)P型區(qū)136。一個(gè)或多個(gè)N型區(qū)134和一個(gè)或多個(gè)P型區(qū)136被配置用于對深層子溝槽結(jié)構(gòu)130進(jìn)行實(shí)質(zhì)上電荷平衡。
[0014]請注意，操作中，雙極半導(dǎo)體器件100A被配置用于在N型陰極擴(kuò)散區(qū)128下方并且與控制溝槽120緊密相鄰的區(qū)域中生成穿過P型反轉(zhuǎn)區(qū)116的導(dǎo)電通道。因此，當(dāng)雙極半導(dǎo)體器件100A被通電時(shí)，導(dǎo)電通道(在圖1A中沒有示出)被生成為穿過P型反轉(zhuǎn)區(qū)116的N型導(dǎo)電通道，以使得電荷載流子能夠在N型陰極擴(kuò)散區(qū)128和P型陽極層110之間傳遞。
[0015]還應(yīng)注意雖然圖1A中示出的實(shí)施方式繪示出雙極半導(dǎo)體器件100A具有P型陽極層110，N型緩沖層112，N型漂移區(qū)114，P型反轉(zhuǎn)區(qū)116，N型陰極擴(kuò)散區(qū)128，并且繪示為被配置用于生成N型導(dǎo)電通道，但該繪示僅僅是示例性的。在其它實(shí)施方式中，所描述的極性可以顛倒。也就是說，雙極半導(dǎo)體器件100A可具有與P型陽極層110對應(yīng)的N型層，P型緩沖層，P型漂移區(qū)，N型反轉(zhuǎn)區(qū)，與N型陰極擴(kuò)散區(qū)128對應(yīng)的P型擴(kuò)散區(qū)，并且可被配置用于生成與控制溝槽120相鄰的P型導(dǎo)電通道。
[0016]根據(jù)一個(gè)示例性實(shí)施方式，雙極半導(dǎo)體器件100A可采用絕緣柵雙極晶體管(IGBT)的形式。在該實(shí)施方式中，P型陽極層110與P型集電層對應(yīng)，P型反轉(zhuǎn)區(qū)116與P型基部對應(yīng)，并且N型陰極擴(kuò)散區(qū)128與IGBT的N型發(fā)射極擴(kuò)散區(qū)對應(yīng)。而且，當(dāng)雙極半導(dǎo)體器件100A被實(shí)施為IGBT時(shí)，控制溝槽120與IGBT的柵溝槽對應(yīng)，柵溝槽包括分別對應(yīng)于控制溝槽介電質(zhì)122和控制溝槽電極124的柵介電質(zhì)和柵電極。
[0017]例如，半導(dǎo)體基板102可以是硅(Si)基板或硅碳化物(SiC)基板。在一些實(shí)施方式中，半導(dǎo)體基板102可包括形成在半導(dǎo)體基板102的外延硅層中的N型漂移區(qū)114和P型反轉(zhuǎn)區(qū)116。形成這種外延硅層可通過如本領(lǐng)域內(nèi)已知的任何適當(dāng)?shù)姆椒ㄟM(jìn)行，比如化學(xué)汽相淀積(CVD)或分子束外延(MBE)。然而，更一般地，N型漂移區(qū)114和P型反轉(zhuǎn)區(qū)116可被形成于包括在半導(dǎo)體基板102中的任何適當(dāng)?shù)幕净驈?fù)合半導(dǎo)體層中。
[0018]這樣，在其它實(shí)施方式中，N型漂移區(qū)114和P型反轉(zhuǎn)區(qū)116不需要通過外延生長形成，和/或不需要由硅形成。例如，在一個(gè)可選實(shí)施方式中，N型漂移區(qū)114和P型反轉(zhuǎn)區(qū)116可被形成在半導(dǎo)體基板102的浮區(qū)硅層中。在其它實(shí)施方式中，N型漂移區(qū)114和P型反轉(zhuǎn)區(qū)116可被形成于作為半導(dǎo)體基板102的一部分形成的應(yīng)變鍺層或非應(yīng)變鍺層中。而且，在一些實(shí)施方式中，半導(dǎo)體基板102可包括另外的層，比如位于P型陽極層110和N型漂移區(qū)114之間的N型緩沖層112，如圖1A中所示。
[0019]P型反轉(zhuǎn)區(qū)116可通過植入和熱擴(kuò)散形成。例如，硼(B)摻雜劑可被植入半導(dǎo)體基板102中并且進(jìn)行擴(kuò)散以形成P型反轉(zhuǎn)區(qū)116。而且，P型反轉(zhuǎn)區(qū)116的P型觸點(diǎn)118可以是利用用來形成P型反轉(zhuǎn)區(qū)116的相同摻雜劑種類進(jìn)行更加高度摻雜的P型反轉(zhuǎn)區(qū)116的摻雜區(qū)域。
[0020]控制溝槽絕緣部122可利用在本領(lǐng)域內(nèi)通常采用的任何材料和任何技術(shù)形成。例如，控制溝槽絕緣部122可由二氧化硅形成，并且可被沉積或被熱生長以鑲襯控制溝槽120?？刂茰喜垭姌O124也可利用在本領(lǐng)域內(nèi)通常采用的任何材料形成。例如，控制溝槽電極124可由摻雜的多晶硅或金屬形成。
[0021]如圖1A中所示，控制溝槽120通過N型陰極擴(kuò)散區(qū)128限定邊界。N型陰極擴(kuò)散區(qū)128可使用本領(lǐng)域內(nèi)已知的任何傳統(tǒng)技術(shù)選擇性地形成于P型反轉(zhuǎn)區(qū)116中。例如，磷(P)或砷(A)摻雜劑可被植入P型反轉(zhuǎn)區(qū)116中并且進(jìn)行擴(kuò)散以形成N型陰極擴(kuò)散區(qū)128。雖然在圖1A中未明確示出，但N型陰極擴(kuò)散區(qū)128可在相對于由圖1A顯示的截面透視圖的第三維上被電連接到彼此。
[0022]如上所述地，深層子溝槽結(jié)構(gòu)130包括至少一個(gè)N型區(qū)134和至少一個(gè)P型區(qū)136。而且，如圖1A中所示的，在一些實(shí)施方式中，深層子溝槽結(jié)構(gòu)130可包括多個(gè)N型區(qū)134和多個(gè)P型區(qū)136。然而，在所有實(shí)施方式中，深層子溝槽結(jié)構(gòu)130包括的P型區(qū)136都不比N型區(qū)134多。換句話說，雖然N型區(qū)134的數(shù)量可等于或超過P型區(qū)136的數(shù)量，但N型區(qū)134的數(shù)量永遠(yuǎn)不小于P型區(qū)136的數(shù)量。
[0023]在一個(gè)實(shí)施方式中，例如，深層子溝槽結(jié)構(gòu)130可包括被一個(gè)P型區(qū)136鄰接的一個(gè)N型區(qū)134。在另一示例性實(shí)施方式中，深層子溝槽結(jié)構(gòu)130可包括兩個(gè)N型區(qū)134和位于它們之間并且與該兩個(gè)N型區(qū)134鄰接的一個(gè)P型區(qū)136。在又一示例性實(shí)施方式中，深層子溝槽結(jié)構(gòu)130可包括多個(gè)N型區(qū)134和多個(gè)P型區(qū)136，其中每個(gè)P型區(qū)136位于兩個(gè)N型區(qū)134之間。
[0024]深層子溝槽結(jié)構(gòu)130的N型區(qū)134和P型區(qū)136可具有大于N型漂移區(qū)114并且小于N型陰極擴(kuò)散區(qū)128的摻雜濃度。在一個(gè)實(shí)施方式中，N型區(qū)134和P型區(qū)136可具有基本上等于N型緩沖層112的摻雜濃度。例如，N型區(qū)134和P型區(qū)136可具有從約IxlO1Vcm3至約IxlO1Vcm3的摻雜濃度，而N型漂移區(qū)114的摻雜濃度典型地從約&1013/0113至約211014/01130
[0025]根據(jù)圖1A示出的實(shí)施方式，深層子溝槽結(jié)構(gòu)130具有小于或基本上等于控制溝槽120的寬度126的寬度132。而且，根據(jù)本實(shí)施方式，深層子溝槽結(jié)構(gòu)130終止于N型漂移區(qū)114中深度138處，該深度位置在N型緩沖層112上方。換句話說，在一些實(shí)施方式中，深層子溝槽結(jié)構(gòu)130通過N型漂移區(qū)114與N型緩沖層112間隔開。
[0026]參考圖1B，圖1B繪示根據(jù)另一實(shí)施方式的具有深層電荷平衡結(jié)構(gòu)的示例性雙極半導(dǎo)體器件100B的一部分的剖視圖。請注意，在上文中以先前關(guān)于圖1A中示出和說明的附圖標(biāo)記識別的那些特征分別對應(yīng)于在前面討論的那些特征，并且在本申請中可以共享被歸結(jié)為那些特征的任何特性。因此，如圖1A中的雙極半導(dǎo)體器件100A那樣，圖1B中的雙極半導(dǎo)體器件10B可采取IGBT的形式。
[0027]然而，與圖1A示出的、其中深層子溝槽結(jié)構(gòu)130延伸到N型漂移區(qū)114內(nèi)深度138處的實(shí)施方式相比，根據(jù)圖1B中的實(shí)施方式，深層子溝槽結(jié)構(gòu)130延伸到N型緩沖層112。也就是說，根據(jù)圖1B中的實(shí)施方式，深層子溝槽結(jié)構(gòu)130延伸穿過N型漂移區(qū)114以鄰接N型緩沖層112。因此，在其中深層子溝槽結(jié)構(gòu)130鄰接N型緩沖層112并且包括的N型區(qū)134比P型區(qū)136多的實(shí)施方式中，N型區(qū)134被N型漂移區(qū)114鄰接。因此，在其中深層子溝槽結(jié)構(gòu)130鄰接N型緩沖層112并且包括的N型區(qū)134比P型區(qū)136多的一些實(shí)施方式中，深層子溝槽結(jié)構(gòu)130的任一部分都不與N型漂移區(qū)114形成PN結(jié)。
[0028]如上所述，N型區(qū)134和P型區(qū)136被配置用于對深層子溝槽結(jié)構(gòu)130進(jìn)行實(shí)質(zhì)電荷平衡。當(dāng)N型區(qū)134的表面摻雜密度(等于N型區(qū)134的摻雜密度乘以N型區(qū)134的面積、S卩，寬度X深度)基本上等于P型區(qū)136的表面摻雜密度(被進(jìn)行類似的計(jì)算得來)時(shí)，對深層子溝槽結(jié)構(gòu)130的實(shí)質(zhì)電荷平衡得以實(shí)現(xiàn)。在雙極半導(dǎo)體器件100A/100B斷開期間，由于N型區(qū)134和P型區(qū)136的二維快速耗盡，耗盡區(qū)快速地從N型漂移區(qū)114的頂部延伸到N型緩沖層112，這也使得能夠?qū)崿F(xiàn)深層電荷載流子的快速提取(extract1n)。
[0029]因此，雙極半導(dǎo)體器件100A/100B的延遲時(shí)間和斷開時(shí)間可縮短，同時(shí)斷態(tài)下的電壓閉鎖由于存在深層子溝槽結(jié)構(gòu)130而得以促進(jìn)。斷開期間，被電荷平衡過的深層子溝槽結(jié)構(gòu)130幫助從N型漂移區(qū)114除去電荷載流子，這就是電導(dǎo)率調(diào)制，從而顯著提高雙極半導(dǎo)體器件100A/100B的開關(guān)速度和斷開性能。換句話說，被電荷平衡過的深層子溝槽結(jié)構(gòu)130使得雙極半導(dǎo)體器件100A/100B在與傳統(tǒng)的雙極半導(dǎo)體器件、比如傳統(tǒng)的IGBT相比時(shí)可具有更低的斷開損失(Eqff)，更短的延遲時(shí)間(Td)，和更短的斷開時(shí)間(Tf)。而且，上述優(yōu)勢可以在將雙極半導(dǎo)體器件100A/100B的通態(tài)壓降(Vqn)維持在預(yù)期的低水平的情況下得以實(shí)現(xiàn)。
[0030]繼續(xù)參考圖2A，圖2A繪示根據(jù)另一實(shí)施方式的具有深層電荷平衡結(jié)構(gòu)的示例性雙極半導(dǎo)體器件200A的一部分的剖視圖。如圖2A中所示，雙極半導(dǎo)體器件200A被實(shí)施為豎直型功率器件，其包括在半導(dǎo)體基板202的底表面204處的P型陽極層210，和位于P型陽極層210上方的N型漂移區(qū)214。另外，P型反轉(zhuǎn)區(qū)216位于N型漂移區(qū)214之上。如圖2A中進(jìn)一步示出的，雙極半導(dǎo)體器件200A包括N型緩沖層212，以及形成于P型反轉(zhuǎn)區(qū)216中的N型陰極擴(kuò)散區(qū)228和P型觸點(diǎn)218。
[0031 ] 雙極半導(dǎo)體器件200A還包括從半導(dǎo)體基板202的頂表面206穿過P型反轉(zhuǎn)區(qū)216并且延伸到N型漂移區(qū)214內(nèi)的控制溝槽220。如圖2A中進(jìn)一步示出的，控制溝槽220具有寬度226，且通過N型陰極擴(kuò)散區(qū)228限定邊界，而且包括控制溝槽絕緣部222和控制溝槽電極224。另外，雙極半導(dǎo)體器件200A包括深層子溝槽結(jié)構(gòu)230，深層子溝槽結(jié)構(gòu)230具有寬度232并且位于控制溝槽220之下直至半導(dǎo)體基板202的頂表面206下方深度238處。如圖2A中示出的，深層子溝槽結(jié)構(gòu)230包括一個(gè)或多個(gè)N型區(qū)234和一個(gè)或多個(gè)P型區(qū)236。一個(gè)或多個(gè)N型區(qū)234和一個(gè)或多個(gè)P型區(qū)236被配置用于對深層子溝槽結(jié)構(gòu)230進(jìn)行實(shí)質(zhì)電荷平衡。
[0032]雙極半導(dǎo)體器件200A總體上對應(yīng)于圖1A中的雙極半導(dǎo)體器件100A。也就是說，在圖2A中，半導(dǎo)體基板202，P型陽極層210，N型緩沖層212，和N型漂移區(qū)214總體上分別對應(yīng)于圖1A中的半導(dǎo)體基板102，P型陽極層110，N型緩沖層112，和N型漂移區(qū)114，并且可以共享被歸結(jié)為上面那些特征的任何特性。
[0033]另外，在圖2A中，P型反轉(zhuǎn)區(qū)216，P型觸點(diǎn)218，和N型陰極擴(kuò)散區(qū)228總體上分別對應(yīng)于圖1A中的P型反轉(zhuǎn)區(qū)116，P型觸點(diǎn)118，和N型陰極擴(kuò)散區(qū)128，并且可以共享被歸結(jié)為上面那些特征的任何特性。而且，在圖2A中，深度238、和具有寬度226并且包括控制溝槽絕緣部222和控制溝槽電極224的控制溝槽220總體上分別對應(yīng)于圖1A中的深度138、和具有寬度126并且包括控制溝槽絕緣部122和控制溝槽電極124的控制溝槽120，并且可以共享被歸結(jié)為上面那些特征的任何特性。此外，請注意，如圖1A中的雙極半導(dǎo)體器件100A那樣，圖2A中的雙極半導(dǎo)體器件200A可采取IGBT的形式。
[0034]如圖2A中所示，深層子溝槽結(jié)構(gòu)230包括至少一個(gè)N型區(qū)234和至少一個(gè)P型區(qū)236。而且，如2A中進(jìn)一步示出的，在一些實(shí)施方式中，深層子溝槽結(jié)構(gòu)230可包括多個(gè)N型區(qū)234和多個(gè)P型區(qū)236。然而，在所有實(shí)施方式中深層子溝槽結(jié)構(gòu)230包括的P型區(qū)236都不比N型區(qū)234多。換句話說，雖然N型區(qū)234的數(shù)量可等于或超過P型區(qū)236的數(shù)量，但N型區(qū)234的數(shù)量永遠(yuǎn)不小于P型區(qū)236的數(shù)量。
[0035]在一個(gè)實(shí)施方式中，例如，深層子溝槽結(jié)構(gòu)230可包括被一個(gè)P型區(qū)236鄰接的一個(gè)N型區(qū)234。在另一示例性實(shí)施方式中，深層子溝槽結(jié)構(gòu)130可包括兩個(gè)N型區(qū)234和位于它們之間并且鄰接這兩個(gè)N型區(qū)234的一個(gè)P型區(qū)236。在又一示例性實(shí)施方式中，深層子溝槽結(jié)構(gòu)230可包括多個(gè)N型區(qū)234和多個(gè)P型區(qū)236，其中每個(gè)P型區(qū)236位于兩個(gè)N型區(qū)234之間。
[0036]深層子溝槽結(jié)構(gòu)230的N型區(qū)234和P型區(qū)236可具有大于N型漂移區(qū)214的摻雜濃度并且小于N型陰極擴(kuò)散區(qū)228的摻雜濃度的摻雜濃度。在一個(gè)實(shí)施方式中，N型區(qū)234和P型區(qū)236可具有基本上等于N型緩沖層212的摻雜濃度的摻雜濃度。例如，N型區(qū)234和P型區(qū)236可具有從約IxlO1Vcm3至約IxlO1Vcm3的摻雜濃度。
[0037]根據(jù)圖2A中的實(shí)施方式，深層子溝槽結(jié)構(gòu)230具有大于控制溝槽220的寬度226的寬度232。而且，根據(jù)本實(shí)施方式，深層子溝槽結(jié)構(gòu)230終止于N型漂移區(qū)214中深度238處，該深度在N型緩沖層212上方。換句話說，在一些實(shí)施方式中，深層子溝槽結(jié)構(gòu)230通過N型漂移區(qū)214與N型緩沖層212間隔開。另外，如圖2A進(jìn)一步示出的，在一些實(shí)施方式中，深層子溝槽結(jié)構(gòu)230包圍控制溝槽220的一部分以鄰接P型反轉(zhuǎn)區(qū)216。
[0038]參考圖2B，圖2B繪示根據(jù)又一實(shí)施方式的具有深層電荷平衡結(jié)構(gòu)的示例性雙極半導(dǎo)體器件200B的一部分的剖視圖。請注意，在上文中以先前關(guān)于圖2A中示出和說明的附圖標(biāo)記識別的那些特征分別對應(yīng)于在前面討論的那些特征，并且在本申請中可以共享被歸結(jié)為那些特征的任何特性。因此，如圖2A中的雙極半導(dǎo)體器件200A那樣，圖2B中的雙極半導(dǎo)體器件200B可采取IGBT的形式。
[0039]然而，與圖2A示出的、其中深層子溝槽結(jié)構(gòu)230延伸到N型漂移區(qū)214內(nèi)深度238處的實(shí)施方式相比，根據(jù)圖2B中的實(shí)施方式，深層子溝槽結(jié)構(gòu)230延伸到N型緩沖層212。也就是說，根據(jù)圖2B中的實(shí)施方式，深層子溝槽結(jié)構(gòu)230延伸穿過N型漂移區(qū)214以鄰接N型緩沖層212，同時(shí)還鄰接P型反轉(zhuǎn)區(qū)216。因此，在其中深層子溝槽結(jié)構(gòu)230鄰接P型反轉(zhuǎn)區(qū)216和N型緩沖層212并且包括的N型區(qū)234比P型區(qū)236多的實(shí)施方式中，N型區(qū)234被N型漂移區(qū)214鄰接。這樣，在其中深層子溝槽結(jié)構(gòu)230鄰接P型反轉(zhuǎn)區(qū)216和N型緩沖層212并且包括的N型區(qū)234比P型區(qū)236多的一些實(shí)施方式中，深層子溝槽結(jié)構(gòu)230的任一部分都不與N型漂移區(qū)214形成PN結(jié)。
[0040]N型區(qū)234和P型區(qū)236被配置用于對深層子溝槽結(jié)構(gòu)230進(jìn)行實(shí)質(zhì)電荷平衡。當(dāng)N型區(qū)234的表面摻雜密度(等于N型區(qū)234的摻雜密度乘以N型區(qū)234的面積、S卩，寬度X深度)基本上等于P型區(qū)236的表面摻雜密度(被進(jìn)行類似的計(jì)算得來)時(shí)，對深層子溝槽結(jié)構(gòu)230的實(shí)質(zhì)電荷平衡得以實(shí)現(xiàn)。在雙極半導(dǎo)體器件200A/200B斷開期間，由于N型區(qū)234和P型區(qū)236的二維快速耗盡，耗盡區(qū)快速地從N型漂移區(qū)214的頂部延伸到N型緩沖層212，這也使得能夠?qū)崿F(xiàn)深層電荷載流子的快速提取。
[0041]因此，雙極半導(dǎo)體器件200A/200B的延遲時(shí)間和斷開時(shí)間可縮短，同時(shí)斷態(tài)下的電壓閉鎖由于存在深層子溝槽結(jié)構(gòu)230而得以促進(jìn)。斷開期間，被電荷平衡過的深層子溝槽結(jié)構(gòu)230幫助從N型漂移區(qū)214除去電荷載流子，這就是電導(dǎo)率調(diào)制，從而顯著提高雙極半導(dǎo)體器件200A/200B的開關(guān)速度和斷開性能。換句話說，被電荷平衡過的深層子溝槽結(jié)構(gòu)230使得雙極半導(dǎo)體器件200A/200B在與傳統(tǒng)的雙極半導(dǎo)體器件、比如傳統(tǒng)的IGBT相比時(shí)可具有更低的EQFF，更短的Td，和更短的Tf。而且，上述優(yōu)勢可以在將雙極半導(dǎo)體器件200A/200B的Von維持在預(yù)期的低水平的情況下得以實(shí)現(xiàn)。
[0042]繼續(xù)參考圖3A，圖3A繪示根據(jù)再一實(shí)施方式的具有深層電荷平衡結(jié)構(gòu)的示例性雙極半導(dǎo)體器件300A的一部分的剖視圖。如圖3A中所示，雙極半導(dǎo)體器件300A被實(shí)施為豎直型功率器件，其包括在半導(dǎo)體基板302的底表面304處的P型陽極層310，和位于P型陽極層310上方的N型漂移區(qū)314。另外，P型反轉(zhuǎn)區(qū)316位于N型漂移區(qū)314之上。如圖3A中進(jìn)一步示出的，雙極半導(dǎo)體器件300A包括N型緩沖層312，以及形成于P型反轉(zhuǎn)區(qū)316中的N型陰極擴(kuò)散區(qū)328和P型觸點(diǎn)318。而且，雙極半導(dǎo)體器件300A還包括位于N型漂移區(qū)314和P型反轉(zhuǎn)區(qū)316之間的N型增強(qiáng)層340。
[0043]雙極半導(dǎo)體器件300A還包括從半導(dǎo)體基板302的頂表面306穿過P型反轉(zhuǎn)區(qū)316、穿過N型增強(qiáng)層340并且延伸到N型漂移區(qū)314內(nèi)的控制溝槽320。如圖3A中進(jìn)一步示出的，控制溝槽320具有寬度326，且通過N型陰極擴(kuò)散區(qū)328限定邊界，而且包括控制溝槽絕緣部322和控制溝槽電極324。另外，雙極半導(dǎo)體器件300A包括深層子溝槽結(jié)構(gòu)330，深層子溝槽結(jié)構(gòu)330具有寬度332并且位于控制溝槽320之下，直至半導(dǎo)體基板302的頂表面306下方的深度338處。如圖3A中示出的，深層子溝槽結(jié)構(gòu)330包括一個(gè)或多個(gè)N型區(qū)334和一個(gè)或多個(gè)P型區(qū)336。一個(gè)或多個(gè)N型區(qū)334和一個(gè)或多個(gè)P型區(qū)336被配置用于對深層子溝槽結(jié)構(gòu)330進(jìn)行實(shí)質(zhì)電荷平衡。
[0044]在圖3A中，半導(dǎo)體基板302，P型陽極層310，N型緩沖層312，和N型漂移區(qū)314總體上分別對應(yīng)于圖1A中的半導(dǎo)體基板102，P型陽極層110，N型緩沖層112，和N型漂移區(qū)114，并且可以共享被歸結(jié)為上面那些特征的任何特性。另外，在圖3A中，P型反轉(zhuǎn)區(qū)316，P型觸點(diǎn)318，和N型陰極擴(kuò)散區(qū)328總體上分別對應(yīng)于圖1A中的P型反轉(zhuǎn)區(qū)116，P型觸點(diǎn)118，和N型陰極擴(kuò)散區(qū)128，并且可以共享被歸結(jié)為上面那些特征的任何特性。
[0045]在圖3A中，深度338、以及具有寬度326并且包括控制溝槽絕緣部322和控制溝槽電極324的控制溝槽320總體上分別對應(yīng)于圖1A中的深度138、以及具有寬度126并且包括控制溝槽絕緣部122和控制溝槽電極124的控制溝槽120，并且可以共享被歸結(jié)為上面那些特征的任何特性。而且，具有大于控制溝槽320的寬度326的寬度332、并且包括一個(gè)或多個(gè)N型區(qū)334和一個(gè)或多個(gè)P型區(qū)336的深層子溝槽結(jié)構(gòu)330總體上對應(yīng)于圖2A中具有大于控制溝槽220的寬度226的寬度232、并且包括一個(gè)或多個(gè)N型區(qū)234和一個(gè)或多個(gè)P型區(qū)236的深層子溝槽結(jié)構(gòu)230，并且可以共享被歸結(jié)為上面那些特征的任何特性。此外，請注意，在一些實(shí)施方式中，雙極半導(dǎo)體器件300A可采用IGBT的形式。
[0046]根據(jù)圖3A中示出的實(shí)施方式，N型增強(qiáng)層340位于N型漂移區(qū)314和P型反轉(zhuǎn)區(qū)316之間。例如，磷或砷摻雜劑可被植入N型漂移區(qū)314內(nèi)，以生成N型增強(qiáng)層340，N型增強(qiáng)層340具有從約IxlO1Vcm3至約IxlO1Vcm3的摻雜濃度。另外，如在圖3A中進(jìn)一步示出的，在一些實(shí)施方式中，深層子溝槽結(jié)構(gòu)330包圍控制溝槽320的一部分以鄰接N型增強(qiáng)層340。而且，根據(jù)本實(shí)施方式，深層子溝槽結(jié)構(gòu)330終止于N型漂移區(qū)314內(nèi)的深度338處，該深度在N型緩沖層312上方。換句話說，在一些實(shí)施方式中，深層子溝槽結(jié)構(gòu)330鄰接N型增強(qiáng)層340，同時(shí)通過N型漂移區(qū)314與N型緩沖層312間隔開。
[0047]參考圖3B，圖3B繪示出根據(jù)另一實(shí)施方式的具有深層電荷平衡結(jié)構(gòu)的示例性雙極半導(dǎo)體器件300B的一部分的剖視圖。請注意，在上文中以先前關(guān)于圖3A中示出和說明的附圖標(biāo)記識別的那些特征分別對應(yīng)于在前面討論的那些特征，并且在本申請中可以共享被歸結(jié)為那些特征的任何特性。因此，如圖3A中的雙極半導(dǎo)體器件300A那樣，圖3B中的雙極半導(dǎo)體器件300B可采取IGBT的形式。
[0048]然而，與圖3A示出的、其中深層子溝槽結(jié)構(gòu)330延伸到N型漂移區(qū)314內(nèi)的深度338處的實(shí)施方式相比，根據(jù)圖3B中的實(shí)施方式，深層子溝槽結(jié)構(gòu)330延伸到N型緩沖層312。也就是說，根據(jù)圖3B中的實(shí)施方式，深層子溝槽結(jié)構(gòu)330延伸穿過N型漂移區(qū)314以鄰接N型緩沖層312，同時(shí)還鄰接N型增強(qiáng)層340。因此，在其中深層子溝槽結(jié)構(gòu)330鄰接N型增強(qiáng)層340和N型緩沖層312并且包括的N型區(qū)334比P型區(qū)336多的實(shí)施方式中，N型區(qū)334被N型漂移區(qū)314鄰接。這樣，在其中深層子溝槽結(jié)構(gòu)330鄰接N型增強(qiáng)層340和N型緩沖層312并且包括的N型區(qū)334比P型區(qū)336多的一些實(shí)施方式中，深層子溝槽結(jié)構(gòu)330的任一部分都不與N型漂移區(qū)314形成PN結(jié)。
[0049]N型區(qū)334和P型區(qū)336被配置用于對深層子溝槽結(jié)構(gòu)330進(jìn)行實(shí)質(zhì)電荷平衡，如在上面關(guān)于深層子溝槽結(jié)構(gòu)130和230所討論的。這樣，在雙極半導(dǎo)體器件300A/300B斷開期間，由于N型區(qū)334和P型區(qū)336的二維快速耗盡，耗盡區(qū)快速地從N型漂移區(qū)314頂部延伸到N型緩沖層312，這也使得能夠?qū)崿F(xiàn)深層電荷載流子的快速提取。因此，雙極半導(dǎo)體器件300A/300B的延遲時(shí)間和斷開時(shí)間可縮短，同時(shí)斷態(tài)下的電壓閉鎖由于存在深層子溝槽結(jié)構(gòu)330而得以促進(jìn)。斷開期間，被電荷平衡過的深層子溝槽結(jié)構(gòu)330幫助從N型漂移區(qū)314除去電荷載流子，這就是電導(dǎo)率調(diào)制，從而顯著提高雙極半導(dǎo)體器件300A/300B的開關(guān)速度和斷開性會K。
[0050]這樣，本申請公開了具有深層電荷平衡結(jié)構(gòu)的雙極半導(dǎo)體器件的實(shí)施方式。如本申請中公開的，將這種深層電荷平衡結(jié)構(gòu)引入到雙極半導(dǎo)體器件內(nèi)使得這些雙極半導(dǎo)體器件在與傳統(tǒng)的器件、比如傳統(tǒng)的IGBT相比時(shí)能夠具有更低的Eoff，更短的Td，和更短的Tf。而且，這些優(yōu)勢可以在將雙極半導(dǎo)體器件的Von維持在預(yù)期的低水平的情況下得以實(shí)現(xiàn)。
[0051]從上面的描述中，很顯然，在不偏離本申請中描述的思想范圍的情況下，各種技術(shù)可被用于實(shí)施這些思想。而且，雖然這些思想已經(jīng)關(guān)于某些實(shí)施方式進(jìn)行了描述，但本領(lǐng)域內(nèi)的普通技術(shù)人員應(yīng)意識到在不偏離這些思想范圍的情況下可以對形式和細(xì)節(jié)進(jìn)行修改。如此，所描述的實(shí)施方式在所有方面應(yīng)認(rèn)為是說明性的而不是限制性的。還應(yīng)理解本申請不限制于在這里描述的特殊實(shí)施方式，而是在不偏離本公開內(nèi)容的范圍的情況下，也可以進(jìn)行許多重新布置、修改和替換。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種雙極半導(dǎo)體器件，包括: 具有第一導(dǎo)電類型的漂移區(qū)，其位于具有第二導(dǎo)電類型的陽極層之上，所述第二導(dǎo)電類型與所述第一導(dǎo)電類型相反； 控制溝槽，其穿過具有所述第二導(dǎo)電類型的反轉(zhuǎn)區(qū)延伸到所述漂移區(qū)內(nèi)，所述控制溝槽通過具有所述第一導(dǎo)電類型的陰極擴(kuò)散區(qū)限定邊界； 深層子溝槽結(jié)構(gòu)，其位于所述控制溝槽之下，所述深層子溝槽結(jié)構(gòu)包括具有所述第一導(dǎo)電類型的至少一個(gè)第一導(dǎo)電區(qū)和具有所述第二導(dǎo)電類型的至少一個(gè)第二導(dǎo)電區(qū)； 所述至少一個(gè)第一導(dǎo)電區(qū)和所述至少一個(gè)第二導(dǎo)電區(qū)被配置用于對所述深層子溝槽結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)質(zhì)電荷平衡。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙極半導(dǎo)體器件，其中，所述深層子溝槽結(jié)構(gòu)包括兩個(gè)所述第一導(dǎo)電區(qū)和一個(gè)所述第二導(dǎo)電區(qū)，所述第二導(dǎo)電區(qū)位于所述兩個(gè)第一導(dǎo)電區(qū)之間。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙極半導(dǎo)體器件，其中，所述深層子溝槽結(jié)構(gòu)包括第一多個(gè)所述第一導(dǎo)電區(qū)和第二多個(gè)所述第二導(dǎo)電區(qū)，所述第一多個(gè)大于所述第二多個(gè)。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙極半導(dǎo)體器件，其中，所述深層子溝槽結(jié)構(gòu)包括第一多個(gè)所述第一導(dǎo)電區(qū)和第二多個(gè)所述第二導(dǎo)電區(qū)，其中，所述第二導(dǎo)電區(qū)中的每一個(gè)第二導(dǎo)電區(qū)位于所述第一導(dǎo)電區(qū)中的兩個(gè)第一導(dǎo)電區(qū)之間。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙極半導(dǎo)體器件，其中，所述深層子溝槽結(jié)構(gòu)具有小于或基本上等于所述控制溝槽的寬度的寬度。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙極半導(dǎo)體器件，其中，所述深層子溝槽結(jié)構(gòu)具有大于所述控制溝槽的寬度的寬度。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙極半導(dǎo)體器件，其中，所述深層子溝槽結(jié)構(gòu)鄰接所述反轉(zhuǎn)區(qū)。8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙極半導(dǎo)體器件，還包括位于所述漂移區(qū)和所述反轉(zhuǎn)區(qū)之間且具有所述第一導(dǎo)電類型的增強(qiáng)層，其中，所述深層子溝槽結(jié)構(gòu)鄰接所述增強(qiáng)層。9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙極半導(dǎo)體器件，還包括位于所述陽極層和所述漂移區(qū)之間且具有所述第一導(dǎo)電類型的緩沖層，其中，所述子溝槽結(jié)構(gòu)通過所述漂移區(qū)與所述緩沖層間隔開。10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙極半導(dǎo)體器件，還包括位于所述陽極層和所述漂移區(qū)之間且具有所述第一導(dǎo)電類型的緩沖層，其中，所述子溝槽結(jié)構(gòu)鄰接所述緩沖層。11.一種絕緣柵雙極晶體管(IGBT)，包括: 具有第一導(dǎo)電類型的漂移區(qū)，其位于具有第二導(dǎo)電類型的集電極之上，所述第二導(dǎo)電類型與所述第一導(dǎo)電類型相反； 柵溝槽，其穿過具有所述第二導(dǎo)電類型的基部延伸到所述漂移區(qū)內(nèi)，所述柵溝槽通過具有所述第一導(dǎo)電類型的發(fā)射極擴(kuò)散區(qū)限定邊界； 深層子溝槽結(jié)構(gòu)，其包括位于所述柵溝槽之下的具有所述第一導(dǎo)電類型的至少一個(gè)第一導(dǎo)電區(qū)和位于所述柵溝槽之下的具有所述第二導(dǎo)電類型的至少一個(gè)第二導(dǎo)電區(qū)； 所述至少一個(gè)第一導(dǎo)電區(qū)和所述至少一個(gè)第二導(dǎo)電區(qū)被配置用于對所述深層子溝槽結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)質(zhì)電荷平衡。12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的IGBT，其中，所述深層子溝槽結(jié)構(gòu)包括兩個(gè)所述第一導(dǎo)電區(qū)和一個(gè)所述第二導(dǎo)電區(qū)，所述第二導(dǎo)電區(qū)位于所述兩個(gè)第一導(dǎo)電區(qū)之間。13.根據(jù)權(quán)利要求11所述的IGBT，其中，所述深層子溝槽結(jié)構(gòu)包括第一多個(gè)所述第一導(dǎo)電區(qū)和第二多個(gè)所述第二導(dǎo)電區(qū)，所述第一多個(gè)大于所述第二多個(gè)。14.根據(jù)權(quán)利要求11所述的IGBT，其中，所述深層子溝槽結(jié)構(gòu)包括第一多個(gè)所述第一導(dǎo)電區(qū)和第二多個(gè)所述第二導(dǎo)電區(qū)，其中，所述第二導(dǎo)電區(qū)中的每一個(gè)第二導(dǎo)電區(qū)位于所述第一導(dǎo)電區(qū)中的兩個(gè)第一導(dǎo)電區(qū)之間。15.根據(jù)權(quán)利要求11所述的IGBT，其中，所述深層子溝槽結(jié)構(gòu)具有小于或基本上等于所述柵溝槽寬度的寬度。16.根據(jù)權(quán)利要求11所述的IGBT，其中，所述深層子溝槽結(jié)構(gòu)具有大于所述柵溝槽寬度的寬度。17.根據(jù)權(quán)利要求11所述的IGBT，其中，所述深層子溝槽結(jié)構(gòu)鄰接所述基部。18.根據(jù)權(quán)利要求11所述的IGBT，還包括位于所述漂移區(qū)和所述基部之間且具有所述第一導(dǎo)電類型的增強(qiáng)層，其中，所述深層子溝槽結(jié)構(gòu)鄰接所述增強(qiáng)層。19.根據(jù)權(quán)利要求11所述的IGBT，還包括位于所述集電極和所述漂移區(qū)之間且具有所述第一導(dǎo)電類型的緩沖層，其中，所述深層子溝槽結(jié)構(gòu)通過所述漂移區(qū)與所述緩沖層間隔開。20.根據(jù)權(quán)利要求11所述的IGBT，還包括位于所述集電極和所述漂移區(qū)之間且具有所述第一導(dǎo)電類型的緩沖層，其中，所述深層子溝槽結(jié)構(gòu)鄰接所述緩沖層。
【文檔編號】H01L29/739GK105938850SQ201610087225
【公開日】2016年9月14日
【申請日】2016年2月16日
【發(fā)明人】F·烏德雷亞, A·P-S·謝, G·卡穆索, C·吳, Y·唐, R·K·維特拉
【申請人】英飛凌科技美國公司