超結(jié)半導(dǎo)體器件及制造方法
【專利摘要】一種用于制造超結(jié)半導(dǎo)體器件的方法，包括在n摻雜半導(dǎo)體主體中形成溝槽，并形成加襯溝槽的底側(cè)和側(cè)壁的第一p摻雜半導(dǎo)體層。該方法還包括通過電化學(xué)蝕刻去除第一p摻雜半導(dǎo)體層在溝槽的底側(cè)和側(cè)壁的一部分，并且填充該溝槽。
【專利說明】超結(jié)半導(dǎo)體器件及制造方法

【背景技術(shù)】
[0001]諸如超結(jié)(SJ)半導(dǎo)體器件的半導(dǎo)體器件，例如SJ絕緣柵場效應(yīng)晶體管(SJIGFET)，是基于半導(dǎo)體主體中的η-和P-摻雜區(qū)域的相互空間電荷補償，這允許低特定于區(qū)域的導(dǎo)通狀態(tài)電阻RmX A和諸如源極和漏極的負(fù)載終端之間的高擊穿電壓Vbr之間的改進(jìn)的折衷。在SJ半導(dǎo)體器件中，諸如雪崩產(chǎn)生、電感性負(fù)載的開關(guān)或宇宙輻射的操作條件期間的魯棒性，取決于電場分布和制造公差。
[0002]因此，需要改進(jìn)超結(jié)半導(dǎo)體器件關(guān)于器件穩(wěn)定性的制造方法，并提供一種具有改進(jìn)的器件魯棒性的超結(jié)半導(dǎo)體器件。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]根據(jù)一個實施例，一種用于制造超結(jié)半導(dǎo)體器件的方法包括在第一導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體主體中形成溝槽。該方法還包括形成不同于第一導(dǎo)電類型的第二導(dǎo)電類型的加襯(lining)溝槽側(cè)壁和底側(cè)的第一半導(dǎo)體層，它。該方法還包括通過電化學(xué)蝕刻去除第一半導(dǎo)體層在溝槽側(cè)壁和底側(cè)的一部分，并且填充溝槽。
[0004]根據(jù)另一個實施例，超結(jié)半導(dǎo)體器件包括超結(jié)結(jié)構(gòu)，其包括具有相對側(cè)壁的第二導(dǎo)電類型的第一U形半導(dǎo)體層以及底側(cè)。第一U形半導(dǎo)體層的每一個相對側(cè)壁鄰接互補的第一導(dǎo)電類型的補償區(qū)域。第一U形半導(dǎo)體層的底側(cè)鄰接第一導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體主體部分。超結(jié)半導(dǎo)體器件還包括填充材料，其填充第一U形半導(dǎo)體層的內(nèi)部區(qū)域。
[0005]根據(jù)另一個實施例，超結(jié)半導(dǎo)體器件包括超結(jié)結(jié)構(gòu)，其包括第二導(dǎo)電類型的第一 U形半導(dǎo)體層。該超結(jié)半導(dǎo)體器件還包括填充材料，其填充第一U形半導(dǎo)體層的內(nèi)部區(qū)域。超結(jié)半導(dǎo)體器件還包括互補的第一導(dǎo)電類型的補償區(qū)域。至少第一導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體區(qū)域和第二導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體區(qū)域的一對被設(shè)置在第一U形半導(dǎo)體層和補償區(qū)域之間。
[0006]閱讀以下詳細(xì)說明書和查看附圖之后，本領(lǐng)域的技術(shù)人員將認(rèn)識到額外的特征和優(yōu)點。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0007]所包括的附圖用于提供對本發(fā)明的進(jìn)一步理解，并被并入且構(gòu)成本說明書的一部分。附圖示出了本發(fā)明的實施例，并與說明書一起用來解釋本發(fā)明的原理。本發(fā)明的其它實施例和預(yù)期優(yōu)點將會是明顯的，它們通過參考以下詳細(xì)說明書變得更好理解。
[0008]圖1是半導(dǎo)體主體部分的示意性橫截面圖，用于展示根據(jù)一個實施例的制造半導(dǎo)體器件的方法。
[0009]圖2示出了圖1的半導(dǎo)體主體部分在η摻雜半導(dǎo)體主體中形成溝槽之后的實施例。
[0010]圖3示出了圖2的半導(dǎo)體主體部分在形成加襯溝槽底側(cè)和側(cè)壁的P摻雜半導(dǎo)體層之后的實施例。
[0011]圖4示出了圖3的半導(dǎo)體主體部分在通過電化學(xué)蝕刻去除第一半導(dǎo)體層在溝槽的底側(cè)和側(cè)壁處的P摻雜半導(dǎo)體層的一部分的實施例。
[0012]圖5示出了圖4的半導(dǎo)體主體部分在填充溝槽之后的示意性橫截面圖的實施例。
[0013]圖6示出了超結(jié)半導(dǎo)體器件的一個實施例，其包括具有U形半導(dǎo)體補償層的超結(jié)結(jié)構(gòu)。
[0014]圖7是半導(dǎo)體主體部分的示意性橫截面圖，用于展示從圖3所示的半導(dǎo)體主體的頂側(cè)和從溝槽底側(cè)去除P摻雜半導(dǎo)體層之后的超結(jié)半導(dǎo)體器件的制造方法的另一實施例。
[0015]圖8示出了圖7的半導(dǎo)體主體部分在加襯溝槽底側(cè)和側(cè)壁之后以及利用第二 η摻雜半導(dǎo)體層來加襯半導(dǎo)體主體部分的頂側(cè)的實施例。
[0016]圖9示出了圖8的半導(dǎo)體主體部分在形成加襯溝槽的底側(cè)和側(cè)壁的第三P摻雜半導(dǎo)體層之后的實施例。
[0017]圖10示出了圖9的半導(dǎo)體主體部分在通過電化學(xué)蝕刻去除溝槽的底側(cè)和側(cè)壁處的第三P摻雜半導(dǎo)體層的一部分的實施例。
[0018]圖11示出了圖10的半導(dǎo)體主體部分在填充溝槽之后的實施例。
[0019]圖12示出了超結(jié)半導(dǎo)體器件的一個實施例，其包括具有U形半導(dǎo)體補償層和具有不同寬度的隔開的漂移區(qū)的超結(jié)結(jié)構(gòu)。
[0020]圖13示出了超結(jié)半導(dǎo)體器件的一個實施例，其包括具有U形半導(dǎo)體補償層和兩種類型的漂移區(qū)的超結(jié)結(jié)構(gòu)，其中兩種類型的漂移區(qū)中所形成的柵極溝槽的數(shù)量不同。
[0021]圖14示出了超結(jié)半導(dǎo)體器件的一個實施例，其包括具有U形半導(dǎo)體補償層、具有不同寬度的隔開的漂移區(qū)以及等間距隔開的柵極溝槽的超結(jié)結(jié)構(gòu)。
[0022]圖15是半導(dǎo)體主體部分的示意性橫截面圖，用于展示在形成加襯圖2所示的半導(dǎo)體主體部分的底側(cè)和側(cè)壁的第一 P摻雜子層之后的超結(jié)半導(dǎo)體器件的制造方法的另一實施例。
[0023]圖16是圖15的半導(dǎo)體主體部分在第一 P摻雜子層上形成第二 P摻雜子層之后的示意性橫截面圖。

【具體實施方式】
[0024]在以下詳細(xì)說明書中，參考附圖，這些附圖形成了說明書的一部分，其中作為說明示出了可以實施本發(fā)明的具體實施例。應(yīng)該理解，可以使用其他實施例并且可以進(jìn)行結(jié)構(gòu)或邏輯上的改變，而不偏離本發(fā)明的范圍。例如，一個實施例中所說明或描述的特征可用于或與其它實施例結(jié)合以產(chǎn)生又一個實施例。本發(fā)明意圖包括這些修改和變化。使用特定語言描述了這些示例，但不應(yīng)該被理解為限制所附的權(quán)利要求的范圍。附圖不是成比例的，僅僅是為了說明的目的。為了清楚起見，如果沒有另外說明的話，相同的元件在不同附圖中被標(biāo)以對應(yīng)的標(biāo)號。
[0025]術(shù)語“具有”、“含有”、“包括”、“包含”等是開放性的，這些術(shù)語表示存在所述的結(jié)構(gòu)、元件或特征，但不排額外的元件或特征。冠詞“一”、“一個”和“所述”意圖包括復(fù)數(shù)以及單數(shù)，除非上下文另外清楚地指出。
[0026]術(shù)語“電連接”描述了一種電連接元件之間的永久低歐姆連接，例如相關(guān)元件之間的直接接觸或者通過金屬和/或高摻雜半導(dǎo)體的低歐姆連接。術(shù)語“電耦合”包括適配用于信號傳輸?shù)囊粋€或多個中間元件可以設(shè)置在電耦合元件之間，例如可被控制以臨時提供第一狀態(tài)的低歐姆連接和第二狀態(tài)的高歐姆電解耦的元件。
[0027]附圖中通過在摻雜類型“η”或“p”旁邊指示和“ + ”示出了相對摻雜濃度。例如，“η—”表示摻雜濃度低于所述“η”摻雜區(qū)域的摻雜濃度，而“η+”表示摻雜區(qū)域高于“η”摻雜區(qū)域的摻雜濃度。相同的相對摻雜濃度的摻雜區(qū)域并不一定具有相同的絕對摻雜濃度。例如，兩個不同的“η”摻雜區(qū)域可以具有相同或不同的絕對摻雜濃度。
[0028]圖1至5示出了根據(jù)一個實施例的在超結(jié)半導(dǎo)體器件制造期間處于不同過程階段的半導(dǎo)體主體104的一部分的示意性橫截面圖。
[0029]參照圖1的示意性橫截面圖，提供了半導(dǎo)體主體104作為基底材料，所述半導(dǎo)體主體104包括η+摻雜的半導(dǎo)體襯底140及在其上形成的η摻雜的半導(dǎo)體層142。所述η摻雜的半導(dǎo)體層142可以例如通過外延生長形成，并且可以包括具有不同摻雜濃度的一層或多層。例如，η摻雜的半導(dǎo)體層142可以包括鄰接η.摻雜的半導(dǎo)體襯底140的底座的η摻雜半導(dǎo)體層，并且可以進(jìn)一步包括鄰接該底座層的η摻雜漂移層。
[0030]該η+摻雜的半導(dǎo)體襯底140可以是單晶半導(dǎo)體材料，例如硅(Si)、碳化硅(SiC)、鍺(Ge)、鍺化硅(SiGe)、氮化鎵(GaN)或砷化鎵(GaAs)。半導(dǎo)體主體104的第一和第二側(cè)之間的距離范圍可為例如20 μ m和300 μ m之間。垂直于所述第一和第二側(cè)限定了豎直方向，并且正交于垂直方向的方向是橫向方向。選擇η摻雜半導(dǎo)體層142的厚度d時可以考慮在超結(jié)半導(dǎo)體器件的操作模式中吸收阻斷電壓的體積的目標(biāo)厚度。η摻雜半導(dǎo)體層142中的摻雜劑濃度可以對應(yīng)于超結(jié)半導(dǎo)體器件的η摻雜漂移區(qū)中的目標(biāo)摻雜劑濃度。當(dāng)在例如外延生長過程中設(shè)定摻雜劑濃度時，η摻雜半導(dǎo)體層142中的摻雜劑濃度可以例如由于有限的精度而受制于制造公差。
[0031 ] 根據(jù)其它實施例，半導(dǎo)體主體104可以不包括η+摻雜的半導(dǎo)體襯底140，例如由于半導(dǎo)體主體104從后側(cè)變薄。參照圖2的示意性橫截面圖，溝槽108形成在η摻雜半導(dǎo)體層142內(nèi)部從第一側(cè)106 (例如前側(cè))沿著豎直方向y延伸到半導(dǎo)體主體104的深度d處。溝槽108的底側(cè)和n+摻雜的半導(dǎo)體襯底140之間的η摻雜的半導(dǎo)體層142的一部分可以包括可選的底座層，所述底座層包括與η摻雜的半導(dǎo)體層142的其余臺面部分不同的摻雜水平。
[0032]溝槽108可以通過使用蝕刻掩膜144 (例如在該半導(dǎo)體主體104的第一側(cè)106處的硬質(zhì)掩膜)蝕刻入半導(dǎo)體主體104中。例如，諸如反應(yīng)離子蝕刻(RIE)的各向異性蝕刻可以用于形成溝槽108。在圖2所示的實施例中，溝槽的底側(cè)保留在η摻雜的半導(dǎo)體層142內(nèi)。相鄰溝槽108之間的臺面區(qū)域可以限定漂移區(qū)域。
[0033]參照圖3所示的半導(dǎo)體主體104的示意性橫截面圖，P摻雜的半導(dǎo)體層115形成于半導(dǎo)體主體104的第一側(cè)106處、溝槽108的底側(cè)和側(cè)壁處，例如通過低壓化學(xué)汽相沉積(LPCVD) 0接觸區(qū)域，例如ρ+摻雜區(qū)156可以形成在P摻雜半導(dǎo)體層115的處于臺面區(qū)域的頂側(cè)處的一部分中和溝槽108的底側(cè)中。P+摻雜區(qū)156被示于圖3，但為了清楚起見，在圖4和5中省略。
[0034]參照圖4所示的半導(dǎo)體主體104的示意性橫截面圖，P摻雜的半導(dǎo)體層115被電化學(xué)蝕刻，例如通過使用堿性溶液146進(jìn)行堿性濕法蝕刻。例如，當(dāng)對硅進(jìn)行蝕刻時，堿性溶液146可以包括氫氧化鉀(KOH)或四甲基氫氧化銨(TMAH)。堿性溶液146和η摻雜的半導(dǎo)體主體104之間的電壓V分成η摻雜的半導(dǎo)體層142和堿性溶液146之間的電壓V1和ρ摻雜的半導(dǎo)體層115和η摻雜的半導(dǎo)體主體104之間的電壓V2。
[0035]堿性溶液146與P摻雜的半導(dǎo)體層115之間的結(jié)類似于肖特基勢壘結(jié)。因此，肖特基耗盡區(qū)148聚集于該界面。所述電壓V1可以將由P摻雜的半導(dǎo)體層115和堿性溶液146之間的結(jié)所形成的肖特基二極管短路或前向偏置。在臺面區(qū)域的頂側(cè)處的P摻雜半導(dǎo)體層115的一部分中形成例如P+摻雜區(qū)域的接觸區(qū)域，可以在P摻雜的半導(dǎo)體層115和堿性溶液146之間提供低歐姆的電接觸。
[0036]P摻雜的半導(dǎo)體層115和η摻雜的半導(dǎo)體主體104之間的電壓V2使得這些區(qū)域之間的ρη結(jié)處于阻斷模式，并且建立起包括半導(dǎo)體主體104內(nèi)的第一耗盡層150和P摻雜的半導(dǎo)體層115內(nèi)的第二耗盡層152的空間電荷區(qū)。V2的值可以被選擇為使得溝槽108之間的半導(dǎo)體主體104的體積，即漂移區(qū)，耗盡自由電荷載流子。P摻雜的半導(dǎo)體層115的厚度可以選擇為使得耗盡區(qū)148、152在施加電壓\、V2之后不能相遇。換句話說，電壓V1和V2可以為使得保留不構(gòu)成空間電荷區(qū)的中性體積154。
[0037]參照圖5所不的半導(dǎo)體主體104的不意性橫截面圖，一旦耗盡區(qū)152和148相遇，P摻雜的半導(dǎo)體層115的蝕刻終止。P摻雜的半導(dǎo)體層115的體積包括兩個部分，即，第一個是肖特基耗盡層148，第二個是ρη耗盡層152。溝槽108 —側(cè)處的ρη耗盡層152和相鄰溝槽108之間的η摻雜半導(dǎo)體主體104的臺面區(qū)域的一半之間的電荷補償是精確的。該電荷補償不受器件元件生產(chǎn)過程中的任何制造公差的影響，所述制造公差可能存在于電荷補償取決于半導(dǎo)體主體104中引入的P和η的劑量變化的情況下，例如注入劑量的變化或原位摻雜的變化。
[0038]肖特基耗盡層148的電荷構(gòu)成相對于理想電荷補償?shù)某侩姾桑@是因為在去除堿性溶液146之后肖特基勢壘不會保留。這些超量電荷可以被抵消、保持或部分保持以用于電場調(diào)節(jié)從而改善穩(wěn)定性，或者甚至在后面的過程階段被去除。例如，通過P摻雜半導(dǎo)體層115的相應(yīng)部分的各向同性干法蝕刻或濕法蝕刻，可以部分或完全去除肖特基耗盡層148的電荷。進(jìn)一步例如，通過P摻雜半導(dǎo)體層115的相應(yīng)部分的熱氧化并且繼而通過蝕刻工藝來去除氧化層，也可以去除肖特基耗盡層148的電荷。此外例如，通過用具有不同于P摻雜半導(dǎo)體層115的導(dǎo)電類型的導(dǎo)電類型的外延半導(dǎo)體材料填充溝槽108，可以抵消肖特基耗盡層148的電荷?？梢栽谌コ龎A性溶液146之后并且在填充溝槽108之前，通過上述過程來部分或完全地去除超量電荷。
[0039]不論肖特基耗盡層148是否部分還是完全被去除，P摻雜半導(dǎo)體層115的至少一部分保留在溝槽108的底側(cè)處。因此，P摻雜半導(dǎo)體層115是U形的，而且在溝槽108的底側(cè)處的P摻雜半導(dǎo)體層115允許調(diào)節(jié)在溝槽108的底側(cè)處的電場峰值分布曲線。因此，能夠改善超結(jié)半導(dǎo)體器件的魯棒性。
[0040]參照圖5所示的η摻雜半導(dǎo)體主體104的示意性橫截面圖，溝槽108被填充有材料118。根據(jù)一個實施例，溝槽108被填充有(一種或幾種)固有的和/或輕摻雜的半導(dǎo)體材料。(一種或幾種)輕摻雜的半導(dǎo)體材料的摻雜濃度可以為使得由于電化學(xué)蝕刻對精確電荷補償?shù)挠绊懣梢院雎圆挥嫽虮３衷诳山邮艿姆秶鷥?nèi)。根據(jù)另一實施例，溝槽108被填充有(一種或幾種)電介質(zhì)材料，舉例來說，諸如S12的氧化物和/或諸如Si3N4的氮化物。溝槽還可以填充有(一種或幾種)固有的和/或輕摻雜的半導(dǎo)體材料以及(一種或幾種)電介質(zhì)材料的混合物。此外，空穴109可以存在于填充溝槽108的(一種或幾種)材料118中。例如，在(一種或幾種)填充溝槽108的材料118中空穴的形成可能是由于工藝技術(shù)。
[0041]進(jìn)一步的過程可以跟隨或執(zhí)行于圖1至5所示的過程之前、之間或一起執(zhí)行，以完成超結(jié)半導(dǎo)體器件。這些過程可以包括在半導(dǎo)體主體104中形成摻雜的半導(dǎo)體區(qū)域，例如經(jīng)由η摻雜半導(dǎo)體主體的第一和/或第二側(cè)形成(一個或多個)源極區(qū)、(一個或多個)漏極區(qū)、(一個或多個)主體區(qū)、(一個或多個)接觸區(qū)，形成包括(一個或多個)柵極電極和(一個或多個)柵極介電層、(一個或多個)布線層和布線層、介電層之間的(一個或多個)絕緣層的柵極結(jié)構(gòu)。
[0042]圖6示出超結(jié)半導(dǎo)體器件的示意性橫截面圖的一個實施例。P摻雜主體區(qū)126位于在其間包括U形P摻雜半導(dǎo)體層115和η摻雜半導(dǎo)體主體104的超結(jié)結(jié)構(gòu)之上，并鄰接U形P摻雜半導(dǎo)體層115。P摻雜主體區(qū)126經(jīng)由P+摻雜的主體接觸區(qū)128電耦合到源極觸點127。源極觸點127的側(cè)壁也電耦合到η+摻雜的源極區(qū)129。還可以應(yīng)用不同于接觸槽的其他接觸方案，以用于將主體和源極區(qū)128、129電耦合到源極觸點127。在相對的源極區(qū)129之間，柵極溝槽130延伸穿過P摻雜主體區(qū)126，進(jìn)入η摻雜半導(dǎo)體主體104中。介電結(jié)構(gòu)131將柵極溝槽130的上部中的柵極電極132與P摻雜的主體區(qū)126的環(huán)繞部電隔離，并且進(jìn)一步將柵極溝槽130的下部中的場電極134與η摻雜的半導(dǎo)體主體104的環(huán)繞部電隔離。通過將電壓施加到柵極電極132，沿著溝道區(qū)136的導(dǎo)電性可以由場效應(yīng)進(jìn)行控制。根據(jù)其他實施例，柵極溝槽130可以不包括場電極，或者可以包括多于一個場電極。在沒有場電極位于柵極溝槽130中的情況下，柵極溝槽130可以終止于P摻雜主體區(qū)126的底側(cè)鄰接?xùn)艠O溝槽130的位置的略微往下一點。根據(jù)其他實施例，超結(jié)半導(dǎo)體器件包括第一側(cè)106的平面柵極結(jié)構(gòu)。
[0043]圖6所示的半導(dǎo)體器件是垂直超結(jié)IGFET，其包括第一負(fù)載端和第二負(fù)載端，第一負(fù)載端即包括η摻雜半導(dǎo)體主體104的第一側(cè)106處的源極觸點127的源極端子，第二負(fù)載端即包括η摻雜半導(dǎo)體主體104的與第一側(cè)106相對的第二側(cè)133處的漏極觸點139的漏極端子。
[0044]該超結(jié)半導(dǎo)體器件可以是超結(jié)絕緣柵場效應(yīng)晶體管(SJ IGFET)，例如SJ金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(SJ M0SFET)，或超結(jié)絕緣柵雙極晶體管(SJ IGBT)。根據(jù)一個實施例，半導(dǎo)體器件的阻斷電壓范圍為100V到5000V之間，或在200V到1000V之間。該SJ晶體管可以是垂直SJ晶體管，其包括一個負(fù)載端子和另一負(fù)載端子，一個負(fù)載端子例如是在第一側(cè)的源極端子(例如在半導(dǎo)體主體100的前側(cè))，另一負(fù)載端子例如是在第二側(cè)的漏極端子(例如在半導(dǎo)體主體100的后側(cè))。
[0045]圖6的右部示出了電壓阻斷或電擊穿模式中的電場的垂直分布。該U形P摻雜半導(dǎo)體層115的底側(cè)在電壓阻斷或電擊穿模式中引起尖峰形電場峰值。通過保持肖特基耗盡層148的超量電荷，能夠調(diào)整電場的斜率α。當(dāng)通過保持肖特基耗盡層148的更多的超量電荷而增加超結(jié)結(jié)構(gòu)中的P負(fù)載時，角度α變得更大。通過改善對于正差分電阻的電流/電壓特性，電場峰值可提高器件魯棒性。保持肖特基耗盡層148的超量電荷及形成U形P摻雜半導(dǎo)體層115構(gòu)成用于在電場分布中形成峰值的獨立措施。這些措施可以組合應(yīng)用或單獨應(yīng)用。
[0046]圖7是半導(dǎo)體主體部分的示意性橫截面圖，以用于示出制造超結(jié)半導(dǎo)體器件的方法的另一實施例，在從圖3所示的溝槽108的底側(cè)和從半導(dǎo)體主體104的頂側(cè)去除ρ摻雜半導(dǎo)體層115之后，產(chǎn)生第一 ρ摻雜半導(dǎo)體層115’。去除ρ摻雜半導(dǎo)體層115可以通過使用諸如RIE的適當(dāng)工藝來各向異性蝕刻而進(jìn)行。
[0047]圖8示出了圖7的半導(dǎo)體主體部分104在加襯溝槽108的底側(cè)和側(cè)壁之后以及使用第二 η摻雜半導(dǎo)體層116來加襯半導(dǎo)體主體104的頂側(cè)的示意性橫截面視圖的實施例。第二 η摻雜半導(dǎo)體層116可以通過任何適當(dāng)?shù)墓に囆纬桑缤ㄟ^LPCVD。
[0048]圖9示出了圖8的半導(dǎo)體主體104在形成加襯溝槽108的底側(cè)和側(cè)壁的第三P摻雜半導(dǎo)體層117之后的實施例。第三ρ摻雜半導(dǎo)體層117可以通過任何適當(dāng)?shù)墓に囆纬?，例如通過LPCVD。根據(jù)圖9所示的實施例，相鄰的第一 ρ摻雜層115’之間的半導(dǎo)體主體104的一部分的第一寬度W1大于第二 η摻雜半導(dǎo)體層116的寬度w2。相鄰的第一 ρ摻雜層115’和第二 η摻雜半導(dǎo)體層116之間的半導(dǎo)體主體104的每一個部分構(gòu)成了超結(jié)半導(dǎo)體器件的漂移區(qū)，所述超結(jié)半導(dǎo)體器件是利用包括圖1-5和7-10中所示的過程特征的方法制造的。根據(jù)一個實施例，相鄰的第一 P摻雜層115’之間的半導(dǎo)體主體104的一部分的摻雜濃度N1小于第二 η摻雜半導(dǎo)體層116的摻雜濃度Ν2。摻雜濃度NpN2是在限制的ρη結(jié)之間關(guān)于相鄰的第一 P摻雜層115’和第二 η摻雜半導(dǎo)體層116之間的半導(dǎo)體主體104的每一部分的沿著橫向方向X的平均摻雜濃度。換句話說，摻雜濃度N1是沿著圖9中箭頭標(biāo)記的W1的平均摻雜濃度，而摻雜濃度N2是沿著圖9中箭頭標(biāo)記的W2的平均摻雜濃度。
[0049]參照圖10中所示的半導(dǎo)體主體104的示意性截面圖，第三P摻雜半導(dǎo)體層117被電化學(xué)蝕刻，例如通過使用堿性溶液146的堿性濕法蝕刻。第三ρ摻雜半導(dǎo)體層117的過程類似于參照圖4所描述的ρ摻雜半導(dǎo)體層115的過程。因此，上面關(guān)于ρ摻雜半導(dǎo)體層115過程的信息同樣適用于第三P摻雜半導(dǎo)體層117的過程。
[0050]參照圖11中所示的η摻雜半導(dǎo)體主體104的示意性橫截面圖，溝槽108填充有材料118。類似于關(guān)于圖5所述的溝槽的填充，溝槽108可以填充有(一種或幾種)固有的和/或輕摻雜的半導(dǎo)體材料。(一種或幾種)輕摻雜半導(dǎo)體材料的摻雜濃度可以為使得由于電化學(xué)蝕刻對精確電荷補償?shù)挠绊懣梢院雎圆挥嫽虮３衷诳山邮艿姆秶鷥?nèi)。根據(jù)另一實施例，溝槽108填充有(一種或幾種)電介質(zhì)材料，舉例來說，諸如S12的氧化物，和/或諸如Si3N4的氮化物。溝槽還可以填充有(一種或幾種)固有的和/或輕摻雜半導(dǎo)體材料和(一種或幾種)電介質(zhì)材料的組合物。此外，空穴可以存在于填充溝槽108的(一種或幾種)材料118中。例如，填充溝槽108的(一種或幾種)材料118中空穴的形成可以是由于工藝技術(shù)。
[0051]進(jìn)一步的工藝可以跟隨或執(zhí)行于圖1至3和圖7至11所示的過程之前、之間或一起執(zhí)行，以完成超結(jié)半導(dǎo)體器件。這些工藝可以包括在半導(dǎo)體主體104中形成摻雜的半導(dǎo)體區(qū)域，例如經(jīng)由η摻雜半導(dǎo)體主體的第一和/或第二側(cè)而形成(一個或幾個)源極區(qū)、(一個或幾個)漏極區(qū)、主(一個或幾個)體區(qū)、(一個或幾個)接觸區(qū)，形成包括(一個或幾個)柵極電極和(一個或幾個)柵極介電層、(一個或幾個)布線層、以及布線層、(一個或幾個)介電層之間的(一個或幾個)絕緣層的(一個或幾個)柵極結(jié)構(gòu)。
[0052]圖12示出了由包括參照圖1至3和圖7至11描述的過程特征的過程制造的超結(jié)半導(dǎo)體器件的示意性截面圖的一個實施例。
[0053]圖12中所示的U形第三ρ摻雜半導(dǎo)體層117承擔(dān)了圖6中所示的UBp摻雜半導(dǎo)體層115的角色。然而圖6所示的超結(jié)半導(dǎo)體器件包括橫向于材料118和η摻雜半導(dǎo)體主體104之間的一個層，即U形P摻雜半導(dǎo)體層105，圖12所示的超結(jié)半導(dǎo)體器件包括位于材料118和η摻雜半導(dǎo)體主體104之間的三層，即U形第三ρ摻雜半導(dǎo)體層117、第二 η摻雜半導(dǎo)體層116和第一 ρ摻雜半導(dǎo)體層115’。填充材料118和η摻雜半導(dǎo)體主體104之間的層的序列在P型和η型之間交替。根據(jù)其它實施例，該超結(jié)半導(dǎo)體器件在材料118和η摻雜半導(dǎo)體主體104之間可以包括5、或7、或9、或11層，一般是(η*2)+1層的交替摻雜類型，η是等于或大于O的整數(shù)。
[0054]在包括U形第三ρ摻雜半導(dǎo)體層117、第二 η摻雜半導(dǎo)體層116、第一 ρ摻雜半導(dǎo)體層115’和η摻雜半導(dǎo)體主體104的超結(jié)結(jié)構(gòu)之上，ρ摻雜主體區(qū)126位于并鄰接U形第三P摻雜半導(dǎo)體層117和第一 ρ摻雜半導(dǎo)體層115’。ρ摻雜主體區(qū)126經(jīng)由ρ+摻雜主體接觸區(qū)(參見圖6的主體接觸區(qū)128)電耦合到源極觸點127。源極觸點127的側(cè)壁也電耦合到η+摻雜源極區(qū)129。還可以應(yīng)用不同于接觸槽的其他接觸方案來將主體和源極區(qū)128、129電耦合到源極觸點127。柵極溝槽130延伸穿過ρ摻雜主體區(qū)126，進(jìn)入第二 η摻雜半導(dǎo)體層106，并穿過ρ摻雜主體區(qū)126，進(jìn)入η摻雜半導(dǎo)體主體104中。介電結(jié)構(gòu)131將柵極溝槽130的上部中的柵極電極132與ρ摻雜主體區(qū)126的環(huán)繞部電隔離，并且進(jìn)一步將溝槽130的下部中的場電極134分別與η摻雜半導(dǎo)體主體104的環(huán)繞部、第二 η摻雜半導(dǎo)體區(qū)106的環(huán)繞部電隔離。通過將電壓施加到柵極電極132，沿著溝槽區(qū)136的導(dǎo)電性能夠由場效應(yīng)進(jìn)行控制。根據(jù)其他實施例，柵極溝槽130可以不包括場電極，或者可以包括多于一個場電極。在沒有場電極位于柵極溝槽130中的情況下，柵極溝槽130可以終止于ρ摻雜主體區(qū)126的底側(cè)鄰接?xùn)艠O溝槽130的位置的稍微往下一點。根據(jù)其他實施例，超結(jié)半導(dǎo)體器件包括在第一側(cè)106處的平面柵極結(jié)構(gòu)。
[0055]圖12所示的半導(dǎo)體器件是垂直超結(jié)IGFET，其包括第一負(fù)載端和第二負(fù)載端，第一負(fù)載端即包括在η摻雜半導(dǎo)體主體104的第一側(cè)106處的源極觸點127的源極端子，第二負(fù)載端即包括在η摻雜半導(dǎo)體主體104的與第一側(cè)106相對的第二側(cè)133處的漏極觸點139的漏極端子。
[0056]該超結(jié)半導(dǎo)體器件可以是超結(jié)絕緣柵場效應(yīng)晶體管(SJ IGFET)，例如SJ金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(SJ M0SFET)，或超結(jié)絕緣柵雙極晶體管(SJ IGBT)。根據(jù)一個實施例，半導(dǎo)體器件的阻斷電壓的范圍為100V到5000V之間，或200V到1000V之間。該SJ晶體管可以是垂直SJ晶體管，其包括一個負(fù)載端子和另一負(fù)載端子，一個負(fù)載端子例如是在第一側(cè)(例如半導(dǎo)體主體100的前側(cè))處的源極端子，另一負(fù)載端子例如是在第二側(cè)(例如半導(dǎo)體主體100的后側(cè))處的漏極端子。
[0057]圖12的右部示出了電場的垂直分布。該U形第三ρ摻雜半導(dǎo)體層117的底側(cè)使得在電壓阻斷或電擊穿模式中引起尖峰形的電場峰值。通過保持肖特基耗盡層148的超量電荷，能夠調(diào)整電場的斜率α。當(dāng)通過保持肖特基耗盡層148的更多的超量電荷而增加超結(jié)結(jié)構(gòu)中的P負(fù)載，角度α變得更大。通過改善關(guān)于正差分電阻的電流/電壓特性，電場峰值允許提高器件魯棒性。保持肖特基耗盡層148的超量電荷及形成U形第三ρ摻雜半導(dǎo)體層117構(gòu)成了用于在電場分布曲線中形成峰值的獨立措施。這些措施可以組合應(yīng)用或單獨應(yīng)用。
[0058]圖13示出了超結(jié)半導(dǎo)體器件的一個實施例，其包括具有U形第三ρ摻雜半導(dǎo)體層117和兩種類型的漂移區(qū)的超結(jié)結(jié)構(gòu)。第一類型的漂移區(qū)對應(yīng)于在相鄰的第三P摻雜半導(dǎo)體層117之間的η摻雜半導(dǎo)體主體104的一部分。第一類型的漂移區(qū)在其中包括兩個柵極溝槽130。第二類型的漂移區(qū)對應(yīng)于第二 η摻雜半導(dǎo)體層116。在第三P摻雜半導(dǎo)體層117的相對側(cè)壁部分中的柵極溝槽130位于距離Cl1處。分別終止于第二 η摻雜半導(dǎo)體層116和η摻雜半導(dǎo)體主體104的相鄰柵極溝槽130位于距離d2處。終止于η摻雜半導(dǎo)體主體104的相鄰柵極溝槽130位于距離屯處。在圖13所示的實施例中，距離C^dyd3彼此不同。在圖14所示的超結(jié)半導(dǎo)體器件的實施例中，超前相等間隔的柵極溝槽的距離屯、d2、d3相等。
[0059]圖15是半導(dǎo)體主體部分的示意性橫截面圖，以用于展示在形成加襯圖2所示的半導(dǎo)體主體部分的底側(cè)和側(cè)壁的第一 P摻雜子層115a之后的超結(jié)半導(dǎo)體器件的制造方法的另一實施例。
[0060]圖16是圖15的半導(dǎo)體主體部分在第一 P摻雜子層115a上形成第二 p摻雜子層115b之后的示意性橫截面圖。
[0061]第一 P摻雜子層115a的平均摻雜濃度高于第二 P摻雜子層115b的平均摻雜濃度。根據(jù)一個實施例，第一 P摻雜子層115a的平均摻雜濃度的范圍在5X 115CnT3到5X 117CnT3之間，第二 P摻雜子層115b的平均摻雜濃度的范圍在I X 115CnT3到5X 116CnT3之間。類似于參照圖4所述的實施例的第二 P摻雜子層115b的電化學(xué)蝕刻產(chǎn)生了第一 P摻雜子層115a中的第二耗盡層152，并且產(chǎn)生了第二 P摻雜子層115b中的肖特基耗盡層148。形成具有上述不同平均摻雜濃度的第一和第二 P摻雜子層115a、115b，允許進(jìn)一步改進(jìn)電荷補償?shù)木取?br> [0062]盡管這里示出和描述了特定實施例，但要理解，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員，各種可選的和/或等同的實施方式可以代替所示出和描述的特定實施例，而不背離本發(fā)明的范圍。本申請旨在覆蓋這里討論的特定實施例的任何修改或變化。因此，旨在本發(fā)明僅受限于權(quán)利要求及其等同物。
【權(quán)利要求】
1.一種用于制造超結(jié)半導(dǎo)體器件的方法，所述方法包括: 在第一導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體主體中形成溝槽； 形成不同于所述第一導(dǎo)電類型的第二導(dǎo)電類型的對所述溝槽的底側(cè)和側(cè)壁加襯的第一半導(dǎo)體層； 通過電化學(xué)蝕刻去除所述第一半導(dǎo)體層在所述溝槽的所述底側(cè)和所述側(cè)壁的一部分；以及 填充所述溝槽。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中去除所述第一半導(dǎo)體層的所述一部分包括:通過在與所述第一半導(dǎo)體層接觸和與所述半導(dǎo)體主體接觸的堿性溶液之間施加阻斷電壓，來對所述第一半導(dǎo)體層進(jìn)行堿性濕法蝕刻。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，進(jìn)一步包括:在電化學(xué)蝕刻之前， 通過在所述第一半導(dǎo)體層中弓I入所述第一導(dǎo)電類型的摻雜劑，在所述溝槽外側(cè)的所述第一半導(dǎo)體層中形成所述第一導(dǎo)電類型的高摻雜區(qū)域，所述高摻雜區(qū)域被配置為在電化學(xué)蝕刻期間電耦合所述第一半導(dǎo)體層和堿性溶液。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中形成所述第一半導(dǎo)體層包括:形成所述第二導(dǎo)電類型的第一子層，并且然后形成所述第二導(dǎo)電類型的第二子層，其中所述第一子層的平均摻雜濃度高于所述第二子層的平均摻雜濃度。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中所述第一子層的所述平均摻雜濃度在5X115CnT3和5X 117CnT3之間，并且所述第二子層的所述平均摻雜濃度在I X 115CnT3至5X 116CnT3之間。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，進(jìn)一步包括: 在所述半導(dǎo)體主體的第一側(cè)處形成源極電極和柵極電極；以及 在所述半導(dǎo)體主體的相對于所述第一側(cè)的第二側(cè)處形成漏極電極。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中填充所述溝槽包括:在所述溝槽中形成固有的或輕摻雜的半導(dǎo)體材料和在所述溝槽中形成電介質(zhì)材料中的至少一個。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中填充所述溝槽包括:用包括空穴的材料填充所述溝槽。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中在形成所述溝槽之后和形成所述第一半導(dǎo)體層之前，所述方法還包括: 形成所述第二導(dǎo)電類型的對所述溝槽的所述底側(cè)和所述側(cè)壁加襯的第三半導(dǎo)體層； 從所述溝槽的所述底側(cè)去除所述第三半導(dǎo)體層；以及 形成所述第一導(dǎo)電類型的對所述溝槽的所述底側(cè)和所述側(cè)壁加襯的第四半導(dǎo)體層。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中形成所述第三半導(dǎo)體層、從所述溝槽的所述底側(cè)去除所述第三半導(dǎo)體層、以及形成所述第四半導(dǎo)體層被執(zhí)行多次。
11.一種超結(jié)半導(dǎo)體器件，包括: 超結(jié)結(jié)構(gòu)，所述超結(jié)結(jié)構(gòu)包括具有相對側(cè)壁以及底側(cè)的第二導(dǎo)電類型的第一U形半導(dǎo)體層，其中所述第一 U形半導(dǎo)體層的所述相對側(cè)壁中的每一個側(cè)壁鄰接互補的第一導(dǎo)電類型的補償區(qū)域，并且所述第一 U形半導(dǎo)體層的所述底側(cè)鄰接所述第一導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體主體部分；以及 填充材料，所述填充材料填充所述第一 U形半導(dǎo)體層的內(nèi)部區(qū)域。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的超結(jié)半導(dǎo)體器件，其中所述填充材料是固有的或輕摻雜的半導(dǎo)體材料和電介質(zhì)材料中的至少一種。
13.根據(jù)權(quán)利要求11所述的超結(jié)半導(dǎo)體器件，其中所述填充材料包括空穴。
14.根據(jù)權(quán)利要求11所述的超結(jié)半導(dǎo)體器件，其中所述超結(jié)半導(dǎo)體器件是垂直絕緣柵場效應(yīng)晶體管(IGBT)，所述垂直絕緣柵場效應(yīng)晶體管(IGBT)包括在半導(dǎo)體主體的第一側(cè)處的第一負(fù)載端和控制端，以及在所述半導(dǎo)體主體的與所述第一側(cè)相對的第二側(cè)處的第二負(fù)載端。
15.一種超結(jié)半導(dǎo)體器件，包括: 超結(jié)結(jié)構(gòu)，所述超結(jié)結(jié)構(gòu)包括第二導(dǎo)電類型的第一U形半導(dǎo)體層； 填充材料，所述填充材料填充所述第一 U形半導(dǎo)體層的內(nèi)部區(qū)域；以及 互補的第一導(dǎo)電類型的補償區(qū)域，其中 至少一對的所述第一導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體區(qū)域和所述第二導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體區(qū)域被布置在所述第一 U形半導(dǎo)體層和所述補償區(qū)域之間。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的超結(jié)半導(dǎo)體器件，其中所述補償區(qū)域的寬度大于所述第一導(dǎo)電類型的所述半導(dǎo)體區(qū)域的寬度。
17.根據(jù)權(quán)利要求15所述的超結(jié)半導(dǎo)體器件，其中所述補償區(qū)域的平均摻雜濃度小于所述第一導(dǎo)電類型的所述半導(dǎo)體區(qū)域的平均摻雜濃度。
18.根據(jù)權(quán)利要求15所述的超結(jié)半導(dǎo)體器件，其中所述填充材料是固有的或輕摻雜的半導(dǎo)體材料和電介質(zhì)材料中的至少一種。
19.根據(jù)權(quán)利要求15所述的超結(jié)半導(dǎo)體器件，其中所述填充材料包括空穴。
20.根據(jù)權(quán)利要求15所述的超結(jié)半導(dǎo)體器件，其中所述超結(jié)半導(dǎo)體器件是垂直絕緣柵場效應(yīng)晶體管(IGBT)，所述垂直絕緣柵場效應(yīng)晶體管(IGBT)包括在半導(dǎo)體主體的第一側(cè)處的第一負(fù)載端和控制端、以及在所述半導(dǎo)體主體的與所述第一側(cè)相對的第二側(cè)處的第二負(fù)載端。
【文檔編號】H01L29/06GK104347351SQ201410370295
【公開日】2015年2月11日 申請日期:2014年7月30日 優(yōu)先權(quán)日:2013年7月31日
【發(fā)明者】H·韋伯 申請人:英飛凌科技奧地利有限公司