專利名稱：高頻低功耗功率結(jié)型場效應(yīng)晶體管的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體器件，更具體說是涉及一種功率結(jié)型場效應(yīng)晶體管(JFET)。
背景技術(shù)：
功率晶體管在電力電子技術(shù)中一般是以開關(guān)模式工作的，例如開關(guān)電源中。對功率晶體管性能的主要要求是高頻功率損耗小。這需要通態(tài)功耗Pon小和開關(guān)功耗Psw小。前者要求通態(tài)壓降Ron?。缓笳咭箝_關(guān)電荷小，即在開、關(guān)兩狀態(tài)間變化時需要充放電電荷Qg小。上世紀(jì)八十年代前使用的是功率雙極晶體管和晶閘管，它們的Ron很小，但Qg很大。而Psw是正比于工作頻率的，Qg過大使這些器件的工作頻率限于幾千赫以內(nèi)。八十年代以后電力電子技術(shù)使用的工作頻率迅速提高。適應(yīng)這種需要出現(xiàn)了功率金屬-氧化物-場效應(yīng)晶體管(功率MOSFET)，適合于低壓中小功率；在大功率領(lǐng)域出現(xiàn)了絕緣柵雙極晶體管(IGBT)。功率MOSFET在工作時沒有少數(shù)載流子的存儲與抽取，所以它的特點正好與雙極器件相反，Psw很小而Ron很大。為了減小它的Ron，對它的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了不斷的改進(jìn)，經(jīng)歷了垂直雙擴(kuò)散功率MOSFET(VDMOSFET)、V型槽功率MOSFET、U型槽功率MOSFET，到最新的垂直溝槽的溝槽柵功率MOSFET(TrenchMOSFET)。然而，隨著溝槽的精細(xì)與密度增加，柵電容增大，Qg增加開始顯現(xiàn)出了對工作頻率的限制。到目前，TrenchMOSFET已經(jīng)沒有多少挖掘潛力的余地。而緊湊型設(shè)備的發(fā)展(如筆記本電腦)要求功率管進(jìn)一步降低功耗的要求還在有增無已。為此，器件研發(fā)者又重新審視將上世紀(jì)七十年代的溝槽柵結(jié)型場效應(yīng)晶體管(TrenchJFET)用于此用途。這種器件又稱為溝槽柵靜電感應(yīng)晶體管(SIT)或溝槽柵雙極模式靜電感應(yīng)晶體管(BSIT)(U.S.Patent，4070690)。常閉型的溝槽柵JFET在工作時有電導(dǎo)調(diào)制在起作用使Ron不大，盡管有電導(dǎo)調(diào)制對其開關(guān)損耗有不利影響，但是開、關(guān)狀態(tài)間變化時漏柵之間的電壓變化小于MOSFET，針對低壓低功耗優(yōu)化的TrenchJFET的高頻功耗略小于TrenchMOSFET。盡管有這些新技術(shù)的使用，但是仍然不能很好滿足緊湊型設(shè)備發(fā)展的要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是針對現(xiàn)有TrenchJFET的Qg還不夠小這個弱點進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)，可以得到比現(xiàn)有低壓功率半導(dǎo)體器件更低的高頻功率損耗。本發(fā)明是一種高頻低功耗功率結(jié)型場效應(yīng)晶體管，由溝道區(qū)、源區(qū)、漏區(qū)、柵區(qū)和源電極、柵電極、漏電極組成，源區(qū)和漏區(qū)分別位于硅片的第1表面和第2表面，溝道區(qū)位于源區(qū)和漏區(qū)之間，溝道區(qū)為具有第一種導(dǎo)電型號的半導(dǎo)體，電阻率和垂直于表面方向的厚度由所需的漏源間擊穿電壓決定，電阻率可以是均勻的或不均勻的；源區(qū)和漏區(qū)也是具有第一種導(dǎo)電型號的半導(dǎo)體，具有遠(yuǎn)高于溝道區(qū)的摻雜濃度以減小串聯(lián)電阻和接觸電阻；源區(qū)被從第1表面凹下的一定深度的溝槽所包圍，溝槽深度可以為0或不為0，溝槽深度為0時被稱作表面柵結(jié)型場效應(yīng)晶體管或表面柵靜電感應(yīng)晶體管，溝槽深度不為0時被稱作溝槽柵結(jié)型場效應(yīng)晶體管或溝槽柵靜電感應(yīng)晶體管，；柵區(qū)為位于溝槽底部周圍半導(dǎo)體中的、具有第二種導(dǎo)電型號的半導(dǎo)體，相鄰柵區(qū)之間在平行于半導(dǎo)體片表面的方向上的間距根據(jù)需要可大可小，間距大時形成常開型JFET，間距小時形成常閉型JFET；柵區(qū)與溝道區(qū)相接處形成PN結(jié)；源電極、柵電極和漏電極分別位于相應(yīng)各區(qū)的表面上；溝槽中柵電極之上充填絕緣介質(zhì)，一般為二氧化硅；源電極金屬在越過溝槽中充填的絕緣介質(zhì)表面時是連續(xù)不斷開的，其特征在于，在各個柵電極下面的半導(dǎo)體中隱埋有局域絕緣區(qū)。
所述的在各個柵電極下面的半導(dǎo)體中隱埋的局域絕緣區(qū)相互間有一定距離，相鄰的局域絕緣區(qū)在平行于半導(dǎo)體片表面的方向上的距離為0.3至10微米，例如可以為0.3，0.4，1，5，10微米；局域絕緣區(qū)在垂直于半導(dǎo)體片表面的方向上的厚度為0.2至3微米，例如可以為0.2，0.4，1，3，微米；局域絕緣區(qū)在平行于半導(dǎo)體片表面的方向上的寬度為0.5至10微米，例如0.5，0.8，1，3，10微米；局域絕緣區(qū)離開柵電極的距離為0至3微米，例如可以為0，0.05，0.1，0.2，0.5，1，3微米；構(gòu)成局域絕緣區(qū)的材料是氧化硅，或者氮化硅，或者氮氧化硅，或者氮化硅層與氧化硅層的復(fù)合.
本發(fā)明的功率結(jié)型場效應(yīng)晶體管的柵電極下面隱埋了局域絕緣區(qū)替代了相應(yīng)位置的半導(dǎo)體，由于電場分布的改變減小了柵溝之間PN結(jié)的勢壘電容.尤其是局域絕緣區(qū)離開柵電極的距離小于PN結(jié)的深度時，絕緣區(qū)切斷了PN結(jié)，顯著減小了PN結(jié)面積，也使PN結(jié)電容顯著減小.因此本發(fā)明的功率場效應(yīng)晶體管具有較小的Qg和較低的高頻功率損耗Psw.


圖1本發(fā)明的有隱埋局域絕緣區(qū)的結(jié)型場效應(yīng)晶體管示意圖(A)溝槽柵型(溝槽深度不為0)
(B)表面柵型(溝槽深度為0)1-溝道區(qū)2-源區(qū)3-漏區(qū)4-溝槽，槽內(nèi)填充絕緣物質(zhì)5-柵區(qū)6-源電極7-漏電極8-柵電極9-局域絕緣區(qū)10-硅片第一表面11-硅片第二表面圖2本發(fā)明實施例的有隱埋局域絕緣區(qū)的溝槽柵N溝道常閉型硅結(jié)型場效應(yīng)晶體管示意圖1.1-溝道區(qū)1.2-源區(qū)1.3-漏區(qū)1.4-溝槽，槽內(nèi)填充氧化硅1.5-柵區(qū)1.6-源電極1.7-漏電極1.8-柵電極1.9-絕緣材料是氧化硅的局域絕緣區(qū)
a-相鄰P型柵區(qū)在平行于半導(dǎo)體片表面方向上的距離b-源區(qū)在平行于表面方向上的寬度c-包圍源區(qū)的溝槽的寬度d-局域絕緣區(qū)的寬度e-局域絕緣區(qū)的厚度f-局域絕緣區(qū)離開柵電極的距離g-溝道區(qū)的厚度h-包圍源區(qū)的溝槽的深度i-相鄰局域絕緣區(qū)之間的距離圖3本發(fā)明實施例的有隱埋局域絕緣區(qū)的溝槽柵N溝道常開型硅結(jié)型場效應(yīng)晶體管示意圖2.1-溝道區(qū)2.2-源區(qū)2.3-漏區(qū)2.4-溝槽，槽內(nèi)填充氧化硅2.5-柵區(qū)2.6-源電極2.7-漏電極2.8-柵電極2.9-絕緣材料是氧化硅的局域絕緣區(qū)U-源區(qū)在平行于表面方向上的寬度V-相鄰P型柵區(qū)在平行于表面方向上的距離W-包圍源區(qū)的溝槽的寬度
X-局域絕緣區(qū)的厚度Y-局域絕緣區(qū)的寬度Z-局域絕緣區(qū)距硅片表面的距離K-溝道區(qū)的厚度H-源區(qū)厚度I-相鄰局域絕緣區(qū)之間的間距圖4本發(fā)明實施例的有隱埋局域絕緣區(qū)的表面柵N溝道常開型硅結(jié)型場效應(yīng)晶體管示意圖3.1-溝道區(qū)3.2-源區(qū)3.3-漏區(qū)3.4-柵區(qū)3.5-源電極3.6-漏電極3.7-柵電極3.8-絕緣材料是氧化硅層與氮化硅層復(fù)合的局域絕緣區(qū)3.9-局域絕緣區(qū)中的氧化硅層3.10-局域絕緣區(qū)中的氮化硅層L-平行于表面方向上局域絕緣區(qū)的寬度M-相鄰局域絕緣區(qū)之間的間距N-垂直于表面方向上局域絕緣區(qū)的厚度Q-相鄰柵區(qū)之間的間距R-溝道區(qū)的厚度
S-局域絕緣區(qū)與柵電極之間的間距
具體實施例方式實施例1本發(fā)明的實施例1是一種有隱埋局域氧化硅區(qū)的常閉型溝槽柵N溝道硅結(jié)型場效應(yīng)晶體管，附圖2所示的是其剖面一部分，溝道區(qū)1.1是N型硅，摻雜濃度5×1015cm-3；源區(qū)1.2是重?fù)诫sN型硅，厚度0.2微米，摻雜濃度高于1×1019cm-3，重?fù)诫s的目的是減小源區(qū)串聯(lián)電阻和電極接觸電阻，源區(qū)與溝道區(qū)相加的總厚度g為3微米；源區(qū)的平面圖形為長條型；在源區(qū)的周圍有溝槽1.4包圍，溝槽深度h為0.5微米，溝槽寬度c為0.6微米，溝槽間距b為為0.5微米；柵區(qū)1.5為位于溝糟底部周圍的半導(dǎo)體硅中的P型區(qū)，柵區(qū)1.5與溝道區(qū)1.1之間形成PN結(jié)；相鄰的柵區(qū)之間的間距a為0.2微米，這使在柵源之間加零偏壓時PN結(jié)勢壘區(qū)就能把柵區(qū)之間的溝道充分夾斷，因而是常閉型JFET，或稱常截止型JFET；漏區(qū)1.3為重?fù)诫sN型硅，電阻率0.003歐姆厘米，厚度150微米；源電極1.6和柵電極1.8是金屬硅化物鈦硅合金，上覆蓋鋁層；漏電極1.7為鈦鎳銀多層金屬；溝槽1.4內(nèi)柵電極之上充填絕緣物質(zhì)氧化硅；以上都是現(xiàn)有技術(shù)，體現(xiàn)本發(fā)明特征的是柵電極1.8下面硅中有隱埋的局域氧化硅區(qū)1.9，它的寬度d為0.5微米，厚度e為0.2微米，與柵電極的距離f為0.05微米，相鄰局域絕緣區(qū)之間的距離i為0.3微米。這個器件的漏源間擊穿電壓為35V，F(xiàn)OM(＝Rdson.Qg)比無隱埋局域氧化硅的相同尺寸JFET低約1/5，比相應(yīng)的MOSFET低約1/3。實施例中的P型區(qū)與N型區(qū)互換，則形成有隱埋局域絕緣區(qū)的常閉型溝槽柵P溝道硅結(jié)型場效應(yīng)晶體管。本實施例中局域絕緣區(qū)的絕緣材料用氮化硅或氮氧化硅也能得到同樣的效果。
實施例2本發(fā)明的實施例2是一種有隱埋局域氧化硅區(qū)的常開型溝槽柵N溝道硅結(jié)型場效應(yīng)晶體管，附圖3所示的是其剖面一部分，溝道區(qū)2.1是N型硅，摻雜濃度1×1016cm-3；源區(qū)2.2是重?fù)诫sN型硅，厚度H為0.2微米，摻雜濃度高于1×1019cm-3，重?fù)诫s的目的是減小源區(qū)串聯(lián)電阻和電極接觸電阻；源區(qū)的平面圖形為長條型；在源區(qū)的周圍有溝槽2.4包圍，溝槽深度Z為0.5微米，溝槽寬度W為0.6微米，溝槽間距U為1微米；柵區(qū)2.5為位于溝糟底部周圍的半導(dǎo)體硅中的P型區(qū)，柵區(qū)2.5與溝道區(qū)2.1之間形成PN結(jié)；相鄰的柵區(qū)之間的間距V為0.5微米，這使在柵源之間加零偏壓時PN結(jié)勢壘區(qū)不能把柵區(qū)之間的溝道充分夾斷，因而漏源之間有相當(dāng)大的電流，形成常開型JFET，或稱常導(dǎo)通型JFET；漏區(qū)2.3為重?fù)诫sN型硅，電阻率0.003歐姆厘米，厚度150微米；源電極2.6、漏電極2.7和柵電極2.8是金屬電極；以上都是現(xiàn)有技術(shù)。體現(xiàn)本發(fā)明特征的是柵電極2.8下面硅中有隱埋的局域氧化硅區(qū)2.9，它的寬度Y為0.8微米，厚度X為0.35微米，與柵電極的距離為零，相鄰局域絕緣區(qū)之間的間距I為0.8微米。這個器件的漏源間擊穿電壓為30V，1兆赫開關(guān)工作時的功率損耗比無隱埋局域氧化硅的相同尺寸JFET低約1/3，比相應(yīng)的MOSFET低約1/2。本實施例中的P型區(qū)與N型區(qū)互換，則形成有隱埋局域絕緣區(qū)的常開型溝槽柵P溝道硅結(jié)型場效應(yīng)晶體管。本實施例中局域絕緣區(qū)的絕緣材料用氮化硅或氮氧化硅也能得到同樣的效果。
實施例3本發(fā)明的實施例3是一種有隱埋局域絕緣區(qū)的常開型表面柵N溝道硅結(jié)型場效應(yīng)晶體管，附圖4所示的是其剖面一部分，溝道區(qū)3.1是N型硅，摻雜濃度1×1014cm-3；厚度R為40微米；源區(qū)3.2是重?fù)诫sN型硅，厚度為0.5微米，摻雜濃度高于1×1019cm-3，重?fù)诫s的目的是減小源區(qū)串聯(lián)電阻和電極接觸電阻，源區(qū)的平面圖形為長條型；柵區(qū)3.4為P型硅區(qū)，柵區(qū)3.4與溝道區(qū)3.1之間形成PN結(jié)；相鄰的柵區(qū)之間的間距Q為10微米，這使在柵源之間加零偏壓時PN結(jié)勢壘區(qū)不能把柵區(qū)之間的溝道充分夾斷，因而漏源之間有相當(dāng)大的電流，形成常開型JFET，或稱常導(dǎo)通型JFET；漏區(qū)3.3為重?fù)诫sN型硅，電阻率0.003歐姆厘米，厚度150微米；源電極3.5、漏電極3.6和柵電極3.7是金屬電極；以上都是現(xiàn)有技術(shù)。體現(xiàn)本發(fā)明特征的是柵電極3.7下面硅中有隱埋的局域絕緣區(qū)3.8，它的寬度L為10微米，厚度N為3微米，與柵電極的距離S為3微米。這個器件的漏源間擊穿電壓為600V，功率損耗比無隱埋局域氧化硅的相同尺寸JFET低約1/4。本實施例中的P型區(qū)與N型區(qū)互換，則形成P溝道器件；局域絕緣區(qū)的絕緣材料使用氧化硅或氮氧化硅可以得到同樣的效果.
權(quán)利要求
1.一種高頻低功耗功率結(jié)型場效應(yīng)晶體管，由溝道區(qū)、源區(qū)、漏區(qū)、柵區(qū)和源電極、柵電極、漏電極組成，源區(qū)和漏區(qū)分別位于硅片的第1表面和第2表面，溝道區(qū)位于源區(qū)和漏區(qū)之間，源區(qū)被從第1表面凹下的一定深度的溝槽所包圍，溝道區(qū)及具有高于溝道區(qū)摻雜濃度的源區(qū)和漏區(qū)為具有第一種導(dǎo)電型號的半導(dǎo)體；柵區(qū)為位于溝槽底部周圍半導(dǎo)體中的、具有第二種導(dǎo)電型號的半導(dǎo)體；柵區(qū)與溝道區(qū)相接處形成PN結(jié)；源電極、柵電極和漏電極分別位于相應(yīng)各區(qū)的表面上，其特征在于，在各個柵電極下面的半導(dǎo)體中隱埋有局域絕緣區(qū)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高頻低功耗功率結(jié)型場效應(yīng)晶體管，其特征在于，在各個柵電極下面的半導(dǎo)體中隱埋的局域絕緣區(qū)相互間有一定距離，相鄰的局域絕緣區(qū)在平行于半導(dǎo)體片表面的方向上的距離為0.3至10微米；局域絕緣區(qū)在垂直于半導(dǎo)體片表面的方向上的厚度為0.2至3微米，局域絕緣區(qū)在平行于半導(dǎo)體片表面的方向上的寬度為0.5至10微米；局域絕緣區(qū)離開柵電極的距離為0至3微米。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的高頻低功耗功率結(jié)型場效應(yīng)晶體管，其特征在于，局域絕緣區(qū)的絕緣材料是氧化硅，或氮化硅、或氮氧化硅、或氧化硅層與氮化硅層的復(fù)合。
全文摘要
一種高頻低功耗功率結(jié)型場效應(yīng)晶體管，是由溝道區(qū)、源區(qū)、漏區(qū)、柵區(qū)和源電極、柵電極、漏電極組成，特征在于，在各個柵電極下面的半導(dǎo)體中隱埋有相互有一定間距的局域絕緣區(qū)，絕緣區(qū)的絕緣材料可以是氧化硅，氮化硅或其他絕緣材料。本發(fā)明的結(jié)型場效應(yīng)晶體管，可以是溝槽柵型的或平面柵型的，可以是常開型的或常閉型的。由于局域絕緣區(qū)改變了電場分布，特別是局域絕緣區(qū)與柵區(qū)部分重疊切除了一部分柵溝間PN結(jié)的面積，因而減小了柵溝PN結(jié)電容，減小了開關(guān)損耗。可以比溝槽柵MOSFET和無隱埋局域絕緣區(qū)的溝槽柵JFET具有更低的高頻功率損耗，更適合于需要高頻低功耗的應(yīng)用領(lǐng)域。
文檔編號H01L29/808GK1812132SQ20051013211
公開日2006年8月2日 申請日期2005年12月16日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月16日
發(fā)明者亢寶位, 吳郁, 田波, 單建安 申請人:北京工業(yè)大學(xué)