專利名稱：碳化硅場(chǎng)控雙極型開關(guān)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及場(chǎng)控器件領(lǐng)域，特別是這種制作在碳化硅上的器件。
隨著對(duì)速度更高、功率更大的電路的需求的增長(zhǎng)，對(duì)開關(guān)速度更快、電流承載能力更大和反向偏置擊穿電壓更高的器件的需求也在持續(xù)增長(zhǎng)。一些應(yīng)用，例如控制電機(jī)和發(fā)電機(jī)用的功率模塊、照明控制用的電子鎮(zhèn)流器、工業(yè)機(jī)器人、顯示驅(qū)動(dòng)器、自動(dòng)點(diǎn)火和自動(dòng)控制，將得益于功率更高、速度更快的開關(guān)。不幸的是，已有的由高速功率MOSFET、IGBT或MOS控制的晶閘管不能用于制備反向偏置擊穿電壓非常高、低漏電流、低正向?qū)ㄗ杩购透唛_關(guān)速度的器件。已經(jīng)嘗試著將場(chǎng)控晶閘管用作高功率器件，但是這些器件受到開關(guān)速度的限制。需要進(jìn)一步開發(fā)具有高開關(guān)速度的高功率、大電流器件。
場(chǎng)控雙極型開關(guān)是三端器件，其中P-i-N整流器結(jié)構(gòu)具有控制陰極端和陽(yáng)極端之間的電流的柵極結(jié)構(gòu)。因?yàn)檫@些器件可以在漂移區(qū)注入高濃度的少數(shù)載流子的條件下工作，所以場(chǎng)控晶閘管可以在電流密度非常高、正向電壓降很低的條件下工作。不幸的是，由于注入高濃度的少數(shù)載流子，場(chǎng)控晶閘管無(wú)法在高頻下工作。實(shí)際上，存儲(chǔ)在漂移區(qū)中的少數(shù)載流子將現(xiàn)有器件的開關(guān)速度限制在1MHz以下。實(shí)際上，已有場(chǎng)控晶閘管的典型強(qiáng)制柵極關(guān)斷時(shí)間在1至20微秒之間，這取決于所設(shè)計(jì)的器件擊穿電壓和柵極技術(shù)。參見Baliga，B.J.，Modern Power Devices，1987，pp.196-260。
最近授予Metzler等人的美國(guó)專利5,387,805描述了一種場(chǎng)控晶閘管，其中由陽(yáng)極到陰極的電流通路通過(guò)鄰近溝道層中的孔隙的溝道區(qū)。器件利用環(huán)繞孔隙的p-型區(qū)夾斷電流。然而，該器件的電流密度限制在400A/cm2以下，其電壓截止增益為150，柵極電壓限制在2至10伏特。由此，該器件能夠獲得的最大理論陽(yáng)極電壓為1500伏特。Metzler等人還描述了與場(chǎng)控器件有關(guān)的各種其它專利。然而，如Metzler等人描述的，這些專利描述的器件均不具有本發(fā)明器件的特性。
例如，授予Baliga的美國(guó)專利4,937,644描述了非對(duì)稱場(chǎng)控晶閘管。Baliga的專利描述了一種器件，該器件具有高于60的DC截止增益，并宣稱改善了開關(guān)速度，但沒有給出關(guān)于器件開關(guān)速度的數(shù)據(jù)。該器件的正向截止電壓高達(dá)約2000伏特。
因此，對(duì)開發(fā)具有高擊穿電壓、低導(dǎo)通阻抗、高電流能力和高開關(guān)速度的高性能場(chǎng)控器件還存在一定的需求。
鑒于上述情況，本發(fā)明的一個(gè)目的是提供電流密度能力比已有器件更高的場(chǎng)控器件。本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供擊穿電壓比已有器件更高的場(chǎng)控器件。本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供開關(guān)速度較已有場(chǎng)控器件有一定提高的場(chǎng)控器件。
鑒于上述目的，本發(fā)明場(chǎng)控雙極型開關(guān)的一個(gè)實(shí)施方案包括具有上表面和下表面的第一導(dǎo)電類型的單晶碳化硅體材料襯底。第二導(dǎo)電類型碳化硅的第一外延層制作在襯底的上表面上。第二導(dǎo)電類型碳化硅的第二外延層制作在碳化硅的第一外延層上。多個(gè)第三導(dǎo)電類型碳化硅區(qū)域制作在第二外延層中，并在第二外延層中形成柵極柵格。第二導(dǎo)電類型碳化硅的第三外延層制作在第二外延層上，第二導(dǎo)電類型碳化硅的第四外延層制作在第三外延層上。第四外延層的摻雜濃度高于第一、第二和第三外延層。第一歐姆接觸制作在第四外延層上，第二歐姆接觸制作在襯底的下表面上。歐姆柵極接觸連接到柵極柵格，以便在向歐姆柵極接觸施加偏壓時(shí)夾斷第一歐姆接觸和第二歐姆接觸之間的電流。
在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方案中，第二外延層的載流子濃度低于第一外延層。在又另一個(gè)實(shí)施方案中，第三外延層和第一外延層具有基本相同的載流子濃度。在又另一個(gè)實(shí)施方案中，第三外延層和第二外延層具有基本相同的載流子濃度。
在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方案中，場(chǎng)控晶閘管還包括制作在襯底的上表面上、且淀積在襯底和第一外延層之間的第四導(dǎo)電類型的第五外延層，其中第一外延層制作在第五外延層上。
在本發(fā)明場(chǎng)控雙極型開關(guān)的具體實(shí)施方案中，第一導(dǎo)電類型和第三導(dǎo)電類型是p-型導(dǎo)電，第二導(dǎo)電類型是n-型導(dǎo)電。在該實(shí)施方案中，第一歐姆接觸是陰極接觸，第二歐姆接觸是陽(yáng)極接觸。
在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方案中，第一導(dǎo)電類型和第三導(dǎo)電類型是n-型導(dǎo)電，第二導(dǎo)電類型是p-型導(dǎo)電。在該實(shí)施方案中，第一歐姆接觸是陽(yáng)極接觸，第二歐姆接觸是陰極接觸。
在包含隧穿二極管的本發(fā)明實(shí)施方案中，第一和第二導(dǎo)電類型是n-型導(dǎo)電，第三和第四導(dǎo)電類型是p-型導(dǎo)電。在該器件中，第一歐姆接觸是陰極接觸，第二歐姆接觸是陽(yáng)極接觸。
在本發(fā)明的再一方面，襯底和第一、第二、第三和第四外延層構(gòu)成具有界定了晶閘管邊緣的側(cè)壁的臺(tái)面。臺(tái)面的側(cè)壁向下延伸到襯底。
在具有下陷(sinker)陽(yáng)極接觸的本發(fā)明實(shí)施方案中，第一導(dǎo)電類型碳化硅區(qū)域制作在臺(tái)面基部的襯底中。然后，電連接到第二歐姆接觸的歐姆接觸制作在第一導(dǎo)電類型碳化硅區(qū)域。
在本發(fā)明的另一個(gè)臺(tái)面實(shí)施方案中，第一、第二、第三、第四和第五外延層構(gòu)成臺(tái)面。臺(tái)面的側(cè)壁界定了晶閘管的邊緣。臺(tái)面的側(cè)壁穿過(guò)第一、第二、第三和第四外延層向下擴(kuò)展并進(jìn)入第五外延層。任選地，電連接到第二歐姆接觸的歐姆接觸制作在臺(tái)面?zhèn)缺诨康牡谖逋庋訉由稀?br> 本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方案還包括制作在臺(tái)面?zhèn)缺谏系慕^緣層，以鈍化側(cè)壁。另外的實(shí)施方案還可以由4H多聚型(polytype)碳化硅制作。
在本發(fā)明雙極型開關(guān)的又另一個(gè)實(shí)施方案中，多個(gè)槽制作在第三和第四外延層中，制作在第二外延層中的多個(gè)第三導(dǎo)電類型碳化硅區(qū)域位于多個(gè)槽的底部。然后，歐姆柵極接觸制作在形成于槽內(nèi)的第三導(dǎo)電類型碳化硅上。由此，當(dāng)向歐姆柵極接觸施加偏置電壓時(shí)，可以?shī)A斷第一歐姆接觸和第二歐姆接觸之間的電流。
在本發(fā)明的又一實(shí)施方案中，柵極柵格包括多個(gè)互連的叉指型極指。任選地，歐姆柵極接觸包括多個(gè)制作在柵極柵格的叉指型極指上的叉指型極指，使得歐姆柵極接觸的極指基本上平行于柵極柵格的極指。這樣，第一歐姆接觸包括多個(gè)制作在第四外延層上、并且散布在歐姆柵極接觸的極指之間的叉指型極指。
在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方案中，高電壓、高電流場(chǎng)控雙極型開關(guān)包括具有上表面和下表面的第一導(dǎo)電類型的單晶碳化硅體材料襯底。第二導(dǎo)電類型碳化硅的第一外延層制作在襯底的上表面上。多個(gè)第三導(dǎo)電類型碳化硅區(qū)域制作在第一外延層中，并在第一外延層中形成柵極柵格。第二導(dǎo)電類型碳化硅的第二外延層制作在碳化硅外延層上。第二導(dǎo)電類型碳化硅的第三外延層制作在第二外延層上，第三外延層的載流子濃度高于第一外延層。第一歐姆接觸制作在第三外延層上，第二歐姆接觸制作在襯底的下表面上。連接到柵極柵格的歐姆柵極接觸允許在向歐姆柵極接觸施加偏置電壓時(shí)夾斷第一歐姆接觸和第二歐姆接觸之間的電流。
本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方案提供了場(chǎng)控雙極型開關(guān)，其中第二外延層和第一外延層的載流子濃度近似相等。
在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方案中，提供了第四導(dǎo)電類型的第四外延層。第四外延層制作在襯底的上表面、并淀積在襯底和第一外延層之間。因此，第一外延層制作在第四外延層上。
在本發(fā)明的具體實(shí)施方案中，第一導(dǎo)電類型和第三導(dǎo)電類型是p-型導(dǎo)電，第二導(dǎo)電類型是n-型導(dǎo)電。在這種情況下，第一歐姆接觸是陰極接觸，第二歐姆接觸是陽(yáng)極接觸。在本發(fā)明的又一實(shí)施方案中，第一導(dǎo)電類型和第三導(dǎo)電類型是n-型導(dǎo)電，第二導(dǎo)電類型是p-型導(dǎo)電。在這種情況下，第一歐姆接觸是陽(yáng)極接觸，第二歐姆接觸是陰極接觸。在本發(fā)明的又一實(shí)施方案中，第一和第二導(dǎo)電類型是n-型導(dǎo)電，第三和第四導(dǎo)電類型是p-型導(dǎo)電。在這種情況下，第一歐姆接觸是陰極接觸，第二歐姆接觸是陽(yáng)極接觸。
在本發(fā)明的再一方面，襯底和第一、第二、和第三外延層構(gòu)成具有界定了晶閘管邊緣的側(cè)壁的臺(tái)面。臺(tái)面的側(cè)壁向下延伸到襯底。在具有臺(tái)面的本發(fā)明的再一方面，第一導(dǎo)電類型碳化硅區(qū)域制作在臺(tái)面基部的襯底中。電連接到第二歐姆接觸的歐姆接觸制作在第一導(dǎo)電類型碳化硅區(qū)域上，以為器件提供下陷(sinker)接觸。
在具有任選的第四外延層的本發(fā)明實(shí)施方案中，第一、第二、第三和第四外延層形成具有界定了晶閘管邊緣的側(cè)壁的臺(tái)面。臺(tái)面的側(cè)壁向下穿過(guò)第一、第二和第三外延層，延伸到或進(jìn)入第四外延層。在這種器件的又一方案中，電連接到第二歐姆接觸的歐姆接觸制作在臺(tái)面?zhèn)缺诨康牡谒耐庋訉由?，以為器件提供下?sinker)接觸。
在具有臺(tái)面的器件中，又一實(shí)施方案包括制作在臺(tái)面?zhèn)缺谏系慕^緣層，以鈍化側(cè)壁。
本發(fā)明的又一實(shí)施方案還包括多個(gè)制作在第二和第三外延層中的槽。多個(gè)第三導(dǎo)電類型碳化硅區(qū)域制作在多個(gè)槽底部的第一外延層中。然后，歐姆柵極接觸包括制作在形成于槽內(nèi)的第三導(dǎo)電類型碳化硅上的歐姆柵極接觸。
在又一實(shí)施方案中，柵極柵格包括多個(gè)連接的叉指型極指。在又一實(shí)施方案中，歐姆柵極接觸包括多個(gè)制作在柵極柵格的叉指型極指上的叉指型極指，使得歐姆柵極接觸的極指基本上平行于柵極柵格的極指。在這種情況下，第一歐姆接觸包括多個(gè)制作在第三外延層上、且散布在歐姆柵極接觸的各極指之間的叉指型極指。
本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方案包括高電壓、高電流場(chǎng)控雙極型開關(guān)，該開關(guān)包括具有上表面和下表面的第一導(dǎo)電類型的單晶碳化硅體材料襯底。第二導(dǎo)電類型碳化硅的第一外延層制作在襯底的上表面上。第二導(dǎo)電類型碳化硅的第二外延層制作在第一外延層上。第二外延層的載流子濃度高于第一外延層。多個(gè)槽穿過(guò)第二外延層，進(jìn)入第一外延層。多個(gè)第三導(dǎo)電類型碳化硅區(qū)域制作在多個(gè)槽底部的第一外延層中，在第一外延層中形成柵極柵格。第一歐姆接觸制作在第二外延層中，第二歐姆接觸制作在襯底的下表面上。歐姆柵極接觸制作在槽中的第三導(dǎo)電類型碳化硅區(qū)域中，以便在向歐姆柵極接觸施加偏置電壓時(shí)夾斷第一歐姆接觸和第二歐姆接觸之間的電流。
本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方案包括制作在襯底的上表面、且淀積在襯底和第一外延層之間的第四導(dǎo)電類型碳化硅的第三外延層。第一外延層制作在第三外延層上。
在本發(fā)明的又一實(shí)施方案中，第一和第三導(dǎo)電類型是p-型導(dǎo)電，第二導(dǎo)電類型是n-型導(dǎo)電。第一歐姆接觸是陰極接觸，第二歐姆接觸是陽(yáng)極接觸。或者，第一和第三導(dǎo)電類型是n-型導(dǎo)電，第二導(dǎo)電類型是p-型導(dǎo)電。第一歐姆接觸是陽(yáng)極接觸，第二歐姆接觸是陰極接觸。在另一隧穿二極管實(shí)施方案中，第一和第二導(dǎo)電類型是n-型導(dǎo)電，第三和第四導(dǎo)電類型是p-型導(dǎo)電。第一歐姆接觸是陰極接觸，第二歐姆接觸是陽(yáng)極接觸。
在本發(fā)明的臺(tái)面實(shí)施方案中，襯底和第一、第二外延層形成具有界定了晶體管邊緣的側(cè)壁的臺(tái)面。臺(tái)面的側(cè)壁向下延伸到襯底。在臺(tái)面器件的另一方案，絕緣層制作在臺(tái)面的側(cè)壁上，以鈍化側(cè)壁。
在本發(fā)明的又一方案，柵極柵格包括多個(gè)連接的叉指型極指。在本發(fā)明的其它叉指型結(jié)構(gòu)中，歐姆柵極接觸包括多個(gè)制作在柵極柵格的叉指型極指上的叉指型極指，使得歐姆柵極接觸的極指基本上平行于柵極柵格的極指。第一歐姆接觸包括多個(gè)制作在第二外延層上、且散布在歐姆柵極接觸的各極指之間的叉指型極指。
考慮到下面關(guān)于本發(fā)明的詳細(xì)描述，并結(jié)合附圖，將更加清楚地理解本發(fā)明的上述和其它目的、優(yōu)點(diǎn)和特點(diǎn)，以及實(shí)現(xiàn)它們的方式，其中附圖示例了優(yōu)選的和示例性的實(shí)施方案，

圖1A是具有掩埋柵極柵格的本發(fā)明實(shí)施方案的剖面圖；圖1B是具有掩埋柵極柵格和任選的碳化硅外延層的本發(fā)明實(shí)施方案的剖面圖；圖2A是具有形成在槽中的柵極柵格的本發(fā)明第二實(shí)施方案的剖面圖；圖2B是具有形成在槽中的柵極柵格和任選的碳化硅外延層的本發(fā)明實(shí)施方案的剖面圖；圖3是具有陽(yáng)極下陷(sinker)接觸和掩埋柵極柵格的本發(fā)明第三實(shí)施方案的剖面圖；圖4是具有陽(yáng)極下陷(sinker)接觸和形成在槽中的柵極柵格的本發(fā)明第四實(shí)施方案的剖面圖；圖5是具有掩埋柵極柵格和隧穿二極管的本發(fā)明第五實(shí)施方案的剖面圖；圖6是具有隧穿二極管和形成在槽中的柵極柵格的本發(fā)明第六實(shí)施方案的剖面圖；圖7是具有形成在槽中的柵極柵格的本發(fā)明第七實(shí)施方案的剖面圖；圖8是具有形成在槽中的柵極柵格的本發(fā)明第八實(shí)施方案的剖面圖；圖9是具有掩埋柵極柵格的本發(fā)明實(shí)施方案的平面圖；圖10是具有形成在槽中的柵極的本發(fā)明另一實(shí)施方案的平面圖。
下面，將參照示出本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施方案的附圖詳細(xì)描述本發(fā)明。然而，本發(fā)明可以以多種不同的形式體現(xiàn)出來(lái)，而不應(yīng)當(dāng)理解為受限于在此給出的實(shí)施方案；恰恰相反，提供這些實(shí)施方案是為了使公開更加徹底和完備，以便將本發(fā)明的范圍完全傳遞給本領(lǐng)域的技術(shù)人員。相同的數(shù)字表示相同的元件。
圖1A示出高電壓、高電流場(chǎng)控雙極型開關(guān)的本發(fā)明第一實(shí)施方案。如圖1A所示，具有上表面和下表面的第一導(dǎo)電類型的單晶碳化硅體材料襯底10具有制作在襯底10的上表面上的第二導(dǎo)電類型的碳化硅第一外延層20。制作在第二外延層22中的是多個(gè)在第二外延層22中形成柵極柵格30的第三導(dǎo)電類型碳化硅區(qū)域。第二導(dǎo)電類型碳化硅的第三外延層24制作在第二外延層22上。圖1A還示出，第二導(dǎo)電類型碳化硅的第四外延層26制作在第三外延層24上。第四外延層26的載流子濃度高于第一外延層20、第二外延層22或第三外延層24。
第一歐姆接觸42制作在第四外延層上，可以是陰極接觸或陽(yáng)極接觸，這取決于襯底和外延層的導(dǎo)電類型。第二歐姆接觸40制作在襯底10的下表面上，也可以是陰極或陽(yáng)極。歐姆柵極接觸制作在第三維(dimension)中，并在圖9中以柵極接觸46示出。歐姆柵極接觸46與多個(gè)形成在第二外延層22中的區(qū)域30接觸，以便在向歐姆柵極接觸46施加偏置電壓時(shí)夾斷第一歐姆接觸42和第二歐姆接觸40之間電流。
如圖1A所示，外延結(jié)構(gòu)任選地形成具有界定了雙極型開關(guān)邊緣的側(cè)壁37的臺(tái)面36。側(cè)壁37優(yōu)選地穿過(guò)每個(gè)外延層，延伸到襯底10。任選地，絕緣層38制作在臺(tái)面的側(cè)壁上，以鈍化側(cè)壁，并且可以延伸到臺(tái)面上表面上的暴露出來(lái)的碳化硅區(qū)域，例如第一歐姆接觸42，以及襯底10上的臺(tái)面基部。
圖1B示出掩埋柵極場(chǎng)控晶閘管的本發(fā)明另一實(shí)施方案。圖1B示出第四導(dǎo)電類型的任選第五外延層12。第五外延層12制作在襯底10的上表面上，且淀積在襯底10和第一外延層20之間。因此，第一外延層20制作在第五外延層12上。
圖1B還示出任選地制作成具有界定了雙極型開關(guān)邊緣的側(cè)壁37的臺(tái)面36的外延結(jié)構(gòu)。側(cè)壁37優(yōu)選地穿過(guò)每個(gè)外延層，延伸到襯底10?；蛘撸_(tái)面36的側(cè)壁37穿過(guò)第一、第二、第三和第四外延層20、22、24和26，延伸到或進(jìn)入第五外延層12。絕緣層38制作在臺(tái)面的側(cè)壁上，以鈍化側(cè)壁，還可以延伸到臺(tái)面的上表面、第一歐姆接觸42和第五外延層12上的臺(tái)面基部。
圖1A的雙極型開關(guān)可以利用p-型導(dǎo)電襯底或n-型導(dǎo)電襯底制作。在襯底10由p-型導(dǎo)電碳化硅制作的實(shí)例中，第一導(dǎo)電類型和第三導(dǎo)電類型是p-型碳化硅。第二導(dǎo)電類型碳化硅是n-型碳化硅。在這種實(shí)例中，第一外延層20、第二外延層22、第三外延層24和第四外延層26是n-型導(dǎo)電碳化硅，襯底10和形成掩埋柵極的柵極柵格30區(qū)域是p-型導(dǎo)電碳化硅。在這種p-n場(chǎng)控雙極型開關(guān)中，第二歐姆接觸40是陽(yáng)極接觸，第一歐姆接觸42是陰極接觸。
在該實(shí)施方案中，形成場(chǎng)控雙極型開關(guān)的掩埋柵極的柵極柵格30和襯底10優(yōu)選地由p+型導(dǎo)電碳化硅形成。如這里使用的，“n+”或“p+”表示載流子濃度高于同一層或其它外延層或襯底中的相鄰或其它區(qū)域的區(qū)域。第一外延層20優(yōu)選地由n-碳化硅形成，第四外延層26優(yōu)選地由n+碳化硅形成。第二外延層22可以由載流子濃度遠(yuǎn)低于第一外延層20的輕摻雜或n-碳化硅形成。因此，多個(gè)形成掩埋柵極的柵極柵格30區(qū)域優(yōu)選地制作在載流子濃度最低的外延層中。第三外延層24的載流子濃度基本上與第一外延層20相同，或者基本上與第二外延層22相同。
對(duì)于圖1B的器件，第四導(dǎo)電類型的任選第五外延層12可以是p-型導(dǎo)電碳化硅，例如重?fù)诫sp+碳化硅。或者，隧穿二極管結(jié)構(gòu)可以利用圖1B的器件，使第一導(dǎo)電類型為n型導(dǎo)電碳化硅例如n+碳化硅來(lái)實(shí)現(xiàn)。在該器件中，襯底10和第五外延層12形成隧穿二極管。本發(fā)明的該實(shí)施方案示于圖5。
上述器件的互補(bǔ)器件也可以用n-型襯底形成。對(duì)于互補(bǔ)器件，第一導(dǎo)電類型和第三導(dǎo)電類型是n-型碳化硅。第二導(dǎo)電類型碳化硅是p-型碳化硅。因此，在互補(bǔ)器件中，第一外延層20、第二外延層22、第三外延層24和第四外延層26是p-型導(dǎo)電碳化硅，襯底10和多個(gè)形成掩埋柵極的柵極柵格30區(qū)域是n-型導(dǎo)電碳化硅。在該互補(bǔ)器件中，第二歐姆接觸40是陰極接觸，第一歐姆接觸42是陽(yáng)極接觸。
在該互補(bǔ)實(shí)施方案中，多個(gè)形成場(chǎng)控雙極型開關(guān)的掩埋柵極的柵極柵格30區(qū)域和襯底10優(yōu)選地由n+型導(dǎo)電碳化硅形成。第一外延層20優(yōu)選地由p-碳化硅形成，第四外延層26優(yōu)選地由p+碳化硅形成。第二外延層22可以由輕摻雜或p-碳化硅形成，但優(yōu)選的載流子濃度低于第一外延層20。因此，多個(gè)形成掩埋柵極的柵極柵格30區(qū)域優(yōu)選地制作在載流子濃度最低的外延層中。第三外延層24的載流子濃度基本上與第一外延層20相同，或基本上與第二外延層22相同。
對(duì)于圖1B的互補(bǔ)器件，第四導(dǎo)電類型的任選第五外延層12是n-型導(dǎo)電碳化硅，例如重?fù)诫sn+碳化硅。
圖2A示出高電壓、高電流場(chǎng)控雙極型開關(guān)的本發(fā)明又一實(shí)施方案。如圖2A所示，具有上表面和下表面的第一導(dǎo)電類型的單晶碳化硅體材料襯底50具有制作在襯底50的上表面上的第二導(dǎo)電類型碳化硅的第一外延層60。第二導(dǎo)電類型碳化硅的第二外延層62制作在第一外延層60上。第二導(dǎo)電類型碳化硅的第三外延層64制作在第二外延層62上。如圖2A所示，第二導(dǎo)電類型碳化硅的第四外延層66制作在第三外延層64上。第四外延層66的載流子濃度高于第一外延層60、第二外延層62或第三外延層64。多個(gè)槽74制作在第三和第四外延層64和66中。多個(gè)在第二外延層62中形成柵極柵格70的第三導(dǎo)電類型碳化硅區(qū)域制作在多個(gè)槽74的底部。
如圖2A所示，第一歐姆接觸82制作在第四外延層上，可以是陰極接觸或陽(yáng)極接觸。第二歐姆接觸80制作在襯底50的下表面上，也可以是陽(yáng)極或陽(yáng)極。歐姆柵極接觸形成柵極接觸84。歐姆柵極接觸84制作在多個(gè)形成于槽74底部的柵極柵格70區(qū)域上。歐姆柵極接觸84與形成在第二外延層62中的多個(gè)柵極柵格70區(qū)域接觸，以便在向歐姆柵極接觸84施加偏置電壓時(shí)夾斷第一歐姆接觸82和第二歐姆接觸80之間的電流。
如圖2A所示，外延結(jié)構(gòu)任選地形成具有界定了雙極型開關(guān)邊緣的側(cè)壁77的臺(tái)面76。側(cè)壁77優(yōu)選地穿過(guò)每個(gè)外延層，延伸到襯底50。任選地，絕緣層78制作在臺(tái)面的側(cè)壁上，以鈍化側(cè)壁，還可以延伸到臺(tái)面上表面的碳化硅暴露區(qū)域，例如第一歐姆接觸82，以及臺(tái)面基部的襯底50上的碳化硅暴露表面。
圖2B示出掩埋柵極場(chǎng)控雙極型開關(guān)的本發(fā)明又一實(shí)施方案。圖2B示出第四導(dǎo)電類型的任選第五外延層52。第五外延層52制作在襯底50的上表面上，并淀積在襯底50和第一外延層60之間。因此，第一外延層60制作在第五外延層52上。
圖2B還示出任選地形成具有界定了雙極型開關(guān)邊緣的側(cè)壁77的臺(tái)面76的外延結(jié)構(gòu)。側(cè)壁77優(yōu)選地穿過(guò)每個(gè)外延層，延伸到襯底50?；蛘?，臺(tái)面76的側(cè)壁77穿過(guò)第一、第二、第三和第四外延層60、62、64和66，延伸到或進(jìn)入第五外延層52。絕緣層78制作在臺(tái)面的側(cè)壁上，以鈍化側(cè)壁，還可以延伸到臺(tái)面的上表面和臺(tái)面的基部。
圖2A的雙極型開關(guān)可以利用p-型導(dǎo)電襯底或n-型導(dǎo)電襯底形成。在襯底50由p-型導(dǎo)電碳化硅形成的實(shí)例中，第一導(dǎo)電類型和第三導(dǎo)電類型是p-型碳化硅。第二導(dǎo)電類型碳化硅是n-型碳化硅。在該實(shí)例中，第一外延層60、第二外延層62、第三外延層64和第四外延層66是n-型導(dǎo)電碳化硅，襯底50和多個(gè)形成掩埋柵極的區(qū)域70是p-型導(dǎo)電碳化硅。在這種p-n場(chǎng)控雙極型開關(guān)中，第二歐姆接觸80是陽(yáng)極接觸，第一歐姆接觸82是陰極接觸。
在這種p-型襯底實(shí)施方案中，多個(gè)形成場(chǎng)控雙極型開關(guān)的掩埋柵極的柵極柵格70區(qū)域和襯底50優(yōu)選地由p+碳化硅形成。第一外延層60優(yōu)選地由n-碳化硅形成，第四外延層66優(yōu)選地由n+碳化硅形成。第二外延層62由輕摻雜或n-碳化硅形成，但優(yōu)選地其載流子濃度遠(yuǎn)低于第一外延層60。因此，多個(gè)形成掩埋柵極的區(qū)域70優(yōu)選地制作在載流子濃度最低的外延層中。第三外延層64的載流子濃度基本上與第一外延層60相同，或基本上與第二外延層62相同。
對(duì)于圖2B的器件，第四導(dǎo)電類型的任選第五外延層52是p-型導(dǎo)電碳化硅，例如重?fù)诫sp+碳化硅。或者，隧穿二極管結(jié)構(gòu)可以利用圖2B的器件，使第一導(dǎo)電類型為n-導(dǎo)電碳化硅例如n+碳化硅來(lái)實(shí)現(xiàn)。由此，襯底50和第五外延層52形成隧穿二極管。本發(fā)明的該實(shí)施方案示于圖6。
互補(bǔ)器件也可以制作在n-型襯底上。對(duì)于互補(bǔ)器件，第一導(dǎo)電類型和第三導(dǎo)電類型是n-型碳化硅。第二導(dǎo)電類型是p型碳化硅。因此，在互補(bǔ)器件中，第一外延層60、第二外延層62、第三外延層64和第四外延層66是p-型導(dǎo)電碳化硅，襯底50和多個(gè)形成掩埋柵極的區(qū)域70是n-型導(dǎo)電碳化硅。在該互補(bǔ)器件中，第二歐姆接觸80是陰極接觸，第一歐姆接觸82是陽(yáng)極接觸。
在圖2A的器件互補(bǔ)實(shí)施方案中，多個(gè)形成場(chǎng)控雙極型開關(guān)的掩埋柵極的區(qū)域70和襯底50優(yōu)選地由n+型導(dǎo)電碳化硅形成。第一外延層60優(yōu)選地由p-碳化硅形成，第四外延層66優(yōu)選地由p+碳化硅形成。第二外延層62可以由輕摻雜或p-碳化硅形成，但優(yōu)選的載流子濃度遠(yuǎn)低于第一外延層60。因此，多個(gè)形成掩埋柵極的區(qū)域70優(yōu)選地制作在載流子濃度最低的外延層中。第三外延層64的載流子濃度基本上與第一外延層60相同，或者基本上與第二外延層62相同。
對(duì)于圖2B的互補(bǔ)器件，第四導(dǎo)電類型的任選第五外延層52是n-型導(dǎo)電碳化硅，例如重?fù)诫sn+碳化硅。
圖3示出具有下陷(sinker)接觸的本發(fā)明附加實(shí)施方案。如圖3所示，圖1A的器件具有制作在臺(tái)面36基部的襯底10中的第一導(dǎo)電類型碳化硅區(qū)域11。制作在第一導(dǎo)電類型碳化硅區(qū)域11上的是電連接到第二歐姆接觸40的歐姆接觸48。圖3的器件可以利用針對(duì)圖1A的器件描述的各種導(dǎo)電類型組合中的一種制作。區(qū)域11由與襯底10相同的導(dǎo)電類型制作，并且載流子濃度很高。因此，例如采用p-型襯底，區(qū)域11將是p+碳化硅，若采用n-型導(dǎo)電襯底，區(qū)域11則是n+碳化硅。
下陷(sinker)接觸還用具有圖1B的任選第五外延層12的器件制作。在這種情況下，臺(tái)面按照上述方式形成，并延伸到或進(jìn)入第五外延層12，但沒有延伸進(jìn)入襯底10。歐姆接觸制作在臺(tái)面36側(cè)壁37基部的第五外延層12上。
圖4示出具有下陷(sinker)接觸的本發(fā)明附加實(shí)施方案。如圖4所示，圖2A的器件具有制作在臺(tái)面76基部的襯底51中的第一導(dǎo)電類型碳化硅區(qū)域51。制作在第一導(dǎo)電類型碳化硅區(qū)域51的是電連接到第二歐姆接觸80的歐姆接觸88。圖4的器件可以利用針對(duì)圖2A的器件描述的各種導(dǎo)電類型組合中的一種制作。區(qū)域51由與襯底50相同的導(dǎo)電類型制作，并且載流子濃度很高。因此，例如采用p-型襯底，區(qū)域51將是p+碳化硅，若采用n-型導(dǎo)電襯底，區(qū)域51則是n+碳化硅。
下陷(sinker)接觸還用具有圖2B的任選第五外延層52的器件制作。在這種情況下，臺(tái)面按照上述方式形成，并延伸到或進(jìn)入第五外延層52，但沒有延伸進(jìn)入襯底50。歐姆接觸制作在臺(tái)面76側(cè)壁77基部的第五外延層52上。
圖7示出本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方案。如圖7所示，與圖2A的器件一樣，具有上表面和下表面的第一導(dǎo)電類型的單晶碳化硅體材料襯底具有制作在襯底150的上表面上的第二導(dǎo)電類型碳化硅的第一外延層164。如圖7所示，第二導(dǎo)電類型碳化硅的第二外延層166制作在第一外延層164上。第二外延層166的載流子濃度高于第一外延層164。多個(gè)槽174制作在第一和第二外延層164和166中。多個(gè)在第一外延層164中形成柵極柵格170的第三導(dǎo)電類型碳化硅區(qū)域制作在多個(gè)槽174的底部。
如圖7所示，第一歐姆接觸182制作在第二外延層166上，且可以是陰極接觸或陽(yáng)極接觸。第二歐姆接觸180制作在襯底150的下表面上，也可以是陰極或陽(yáng)極。歐姆接觸形成柵極接觸184。歐姆柵極接觸184制作在多個(gè)形成在槽174底部的柵極柵格170區(qū)域上。歐姆柵極接觸184與形成在第一外延層164中的多個(gè)柵極柵格170區(qū)域接觸，以便在向歐姆柵極接觸184施加偏置電壓時(shí)夾斷第一歐姆接觸182和第二歐姆接觸180之間的電流。
如圖7所示，外延結(jié)構(gòu)任選地形成具有界定了雙極型開關(guān)邊緣的側(cè)壁177的臺(tái)面176。側(cè)壁177優(yōu)選地穿過(guò)每個(gè)外延層，延伸進(jìn)入襯底150。任選地，絕緣層178制作在臺(tái)面?zhèn)缺谏?，以鈍化側(cè)壁，可以延伸到臺(tái)面上表面上的碳化硅暴露區(qū)域，例如第一歐姆接觸182，以及臺(tái)面基部的襯底150上的碳化硅暴露區(qū)域。
圖8示出場(chǎng)控雙極型開關(guān)的本發(fā)明另一實(shí)施方案。圖8示出第四導(dǎo)電類型的任選第三外延層152。第三外延層152制作在襯底150的上表面上，且淀積在襯底150和第一外延層164之間。因此，第一外延層164制作在第三外延層152上。
圖8還示出任選地形成具有界定了晶閘管邊緣的側(cè)壁177的臺(tái)面176的外延結(jié)構(gòu)。側(cè)壁177優(yōu)選地穿過(guò)每個(gè)外延層，延伸進(jìn)入襯底150?；蛘?，臺(tái)面176的側(cè)壁177穿過(guò)第一和第二外延層164和166，延伸到或進(jìn)入第三外延層152。絕緣層178制作在臺(tái)面的側(cè)壁上，以鈍化側(cè)壁，還可以延伸到臺(tái)面上表面上的碳化硅暴露區(qū)域，例如第一歐姆接觸182，以及臺(tái)面基部的第三外延層152上的碳化硅暴露區(qū)域。
圖7的雙極型開關(guān)可以利用p-型導(dǎo)電襯底或利用n-型導(dǎo)電襯底。在襯底150由p-型導(dǎo)電碳化硅形成的實(shí)例中，第一導(dǎo)電類型和第三導(dǎo)電類型是p-型碳化硅。第二導(dǎo)電類型碳化硅是n-碳化硅。在這種實(shí)例中，第一外延層164和第二外延層166是n-型導(dǎo)電碳化硅，多個(gè)形成掩埋柵極的區(qū)域170是p-型導(dǎo)電碳化硅。在這種p-n場(chǎng)控晶閘管中，第二歐姆接觸180是陽(yáng)極接觸，第一歐姆接觸182是陰極接觸。
在該實(shí)施方案中，多個(gè)形成場(chǎng)控雙極型開關(guān)的掩埋柵極的柵極柵格170區(qū)域和襯底150優(yōu)選地由p+型導(dǎo)電碳化硅形成。第一外延層164優(yōu)選地由n-碳化硅形成，第二外延層166優(yōu)選地由n+碳化硅形成。
對(duì)于圖8的器件，第四導(dǎo)電類型的任選第三外延層152是p-型導(dǎo)電碳化硅，例如重?fù)诫sp+碳化硅?；蛘?，隧穿二極管結(jié)構(gòu)可以利用圖8的器件，通過(guò)使第一導(dǎo)電類型為n-型導(dǎo)電碳化硅，例如n+碳化硅來(lái)實(shí)現(xiàn)。在這種器件中，襯底150和第三外延層152形成隧穿二極管。
互補(bǔ)器件還可以制作在n-型襯底上。對(duì)于互補(bǔ)器件，第一導(dǎo)電類型和第三導(dǎo)電類型是n-型碳化硅。第二導(dǎo)電類型碳化硅是p-型碳化硅。由此，在互補(bǔ)器件中，第一外延層164和第二外延層166是p-型導(dǎo)電碳化硅，襯底150和多個(gè)形成掩埋柵極的區(qū)域170是n-型導(dǎo)電碳化硅。在這種互補(bǔ)器件中，第二歐姆接觸180是陰極接觸，第一歐姆接觸182是陽(yáng)極接觸。
在圖8器件的互補(bǔ)實(shí)施方案中，多個(gè)形成參考雙極型開關(guān)的掩埋柵極的區(qū)域170和襯底150優(yōu)選地由n+型導(dǎo)電碳化硅形成。第一外延層164優(yōu)選地由p-碳化硅形成，第二外延層166優(yōu)選地由p+碳化硅形成。對(duì)于圖8的互補(bǔ)器件，第四導(dǎo)電類型的任選第三外延層152是n-型導(dǎo)電碳化硅，例如n+碳化硅。
圖1A、1B、3和5的器件的平面圖示于圖9。如圖9所示，本發(fā)明的雙極型開關(guān)形成具有側(cè)壁37的臺(tái)面36。由圖9中的虛線示出的掩埋柵極柵格30垂直于柵極接觸46延伸，柵極接觸與柵極柵格30互連在一起，形成多個(gè)連接的平行極指。多個(gè)柵極接觸46極指制作在向下延伸到掩埋柵極柵格30的上表面以便接觸掩埋柵極柵格30的槽中。圖9示出的還有制作在柵極接觸46上以便于互連本發(fā)明器件的接觸盤47。圖9還示出也形成多個(gè)極指的第一歐姆接觸42。第一歐姆接觸42的極指與柵極接觸46的極指相互叉指。接觸盤43還制作在第一歐姆接觸42上，以便與圖9的器件互連。對(duì)于圖3的器件，制作在臺(tái)面36基部的接觸46(圖9未示出)環(huán)繞圖9所示的臺(tái)面36形成。
圖2A、2B、4、6、7和8的器件的平面圖示于圖10。在圖10中，標(biāo)號(hào)為76的元件對(duì)應(yīng)于先前標(biāo)號(hào)為76和176的元件，標(biāo)號(hào)為77的元件對(duì)應(yīng)于先前標(biāo)號(hào)為77和177的元件，標(biāo)號(hào)為82的元件對(duì)應(yīng)于先前標(biāo)號(hào)為82和182的元件，標(biāo)號(hào)為84的元件對(duì)應(yīng)于先前標(biāo)號(hào)為84和184的元件。如圖10所示，本發(fā)明的雙極型開關(guān)形成具有側(cè)壁77、177的臺(tái)面76、176。柵極柵格70、170平行于柵極接觸84、184延伸，柵極接觸與柵極柵格70、170互連，形成多個(gè)連接的平行極指。多個(gè)柵極接觸84、184極指制作在槽74、174中，并與柵極柵格70、170接觸。圖10還示出制作在柵極接觸84、184上，以便于互連本發(fā)明器件的接觸盤85。
圖10還示出形成多個(gè)極指的第一歐姆接觸82、182。第一歐姆接觸82、182的極指與柵極接觸84、184的極指相互叉指。在這種情況下，歐姆柵極接觸84、184包括多個(gè)制作在柵極柵格70、170的叉指型極指上的叉指型極指，這樣歐姆柵極接觸84、184的極指基本上平行于柵極柵格的極指。第一歐姆接觸82、182包括多個(gè)制作在最上外延層上的叉指型極指，并散布在歐姆柵極接觸84、184的各極指之間。接觸盤83還可以制作在第一歐姆接觸82、182上，以便于互連圖10的器件。對(duì)于圖4的器件，制作在臺(tái)面76基部的接觸86(圖10未示出)環(huán)繞圖10所示的臺(tái)面76形成。
在上述的每個(gè)實(shí)施方案中，襯底和外延層都由從6H、4H、15R或3C碳化硅構(gòu)成的材料組中選出的碳化硅形成，然而4H碳化硅對(duì)于上述每個(gè)器件是優(yōu)選的。用于與n-型外延層或襯底接觸的優(yōu)選金屬是鎳(Ni)。鉑或鎳適于形成與p-型外延層或襯底的歐姆接觸。鋁線接觸也可以用于形成本發(fā)明的歐姆接觸。盡管已經(jīng)描述這些特定的金屬，但是仍可以使用本領(lǐng)域的技術(shù)人員熟知的能夠與碳化硅形成歐姆接觸的任何其它金屬。
現(xiàn)在描述參照?qǐng)D1A至圖10描述的器件的制備過(guò)程。在制備具有p+襯底10的圖1A器件的過(guò)程中，厚n-層20利用外延生長(zhǎng)工藝，例如其內(nèi)容在此引用作為參考的美國(guó)專利4,912,064所描述的工藝生長(zhǎng)在p+襯底10上。陽(yáng)極接觸40通過(guò)與p+襯底形成歐姆接觸制作在襯底10的底部。第二n-外延層22外延生長(zhǎng)在第一n-外延層20上。第二外延層的載流子濃度低于第一外延層，或者在其形成第一外延層20的一部分的情況下，其載流子濃度與第一外延層20相同。在任一種情況下，深p+注入柵極柵格利用其內(nèi)容在此引用作為參考的美國(guó)專利5,087,576所描述的方法制作在第二外延層22中。在第二外延層22中生成p+柵極柵格30之后，第三n-外延層24外延生長(zhǎng)在第二外延層22上。第三外延層24的載流子濃度可以與第一外延層20或者與第二外延層22相同，且可以利用上述外延工藝生成。在生長(zhǎng)完第三外延層24之后，第四外延層26利用上述外延生長(zhǎng)方法生長(zhǎng)在第三外延層24上。第四外延層26是有利于形成良好的頂陰極歐姆接觸的重?fù)诫sn+外延層。
在生長(zhǎng)完所有的外延層之后，柵極接觸利用反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)，穿過(guò)第三和第四外延層24和26，刻蝕到p+柵極柵格30來(lái)形成。對(duì)于圖1A的掩埋柵極柵格器件，柵極柵格30通過(guò)刻蝕多個(gè)與柵極柵格方向垂直的槽，然后在這些槽的底部形成歐姆接觸而形成接觸的。這些槽可以利用其內(nèi)容在此引用作為參考的美國(guó)專利4,981,551所描述的反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)形成。在器件刻蝕到暴露出柵極柵格部分之后，為陰極和柵極柵格形成歐姆接觸，其中柵極柵格接觸制作在刻蝕工藝生成的槽的底部，陰極接觸42制作在第四外延層26上。
刻蝕環(huán)繞器件的區(qū)域形成臺(tái)面。臺(tái)面優(yōu)選地延伸過(guò)器件的耗盡區(qū)，以便限制器件中流向臺(tái)面的電流，減小器件電容。如果器件的耗盡區(qū)延伸到臺(tái)面平面的下面，那么耗盡區(qū)將延伸到臺(tái)面外部的區(qū)域，導(dǎo)致更大的電容。臺(tái)面優(yōu)選地利用環(huán)繞上述器件的反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)形成，然而本領(lǐng)域技術(shù)人員熟知的其它制備方法也可以用于形成臺(tái)面。在形成臺(tái)面之后，二氧化硅的絕緣層78制作在器件的暴露表面上，包括臺(tái)面的側(cè)壁，以鈍化器件。盡管SiO2是優(yōu)選的絕緣材料，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員熟知的其它絕緣材料也可以使用。
圖1B的器件通過(guò)執(zhí)行上述步驟生成，只是多出在形成第一外延層20之前在襯底10上形成p+碳化硅外延層12的步驟。圖3的器件通過(guò)生成圖1A的器件，然后在生成絕緣層之前在臺(tái)面基部形成p+碳化硅11區(qū)域形成。然后歐姆接觸48制作在這些區(qū)域上，生成下陷(sinker)陽(yáng)極。此外，圖1B的器件還可以進(jìn)行修改，以便通過(guò)只刻蝕臺(tái)面到p+層12，然后在臺(tái)面基部形成歐姆接觸來(lái)形成下陷(sinker)陽(yáng)極。參照?qǐng)D1A、1B和3描述的這些器件的互補(bǔ)器件可以利用上述方法生成，只是將p+碳化硅替換為n+碳化硅，將n-碳化硅替換為p-碳化硅，將n+碳化硅替換為p+碳化硅。
在制備具有p+襯底50的圖2A器件的過(guò)程中，厚n-層60利用外延生長(zhǎng)工藝，例如其內(nèi)容在此引用作為參考的美國(guó)專利4,912,064所描述的工藝生長(zhǎng)在p+襯底50上。陽(yáng)極接觸80通過(guò)與p+襯底形成歐姆接觸制作在襯底50的底部。第二n-外延層62制作在第一n-外延層60上。第二外延層62的載流子濃度低于第一外延層60，或者在其形成第一外延層60的一部分的情況下，其載流子濃度與第一外延層60相同。第三n-外延層64外延生長(zhǎng)在第二外延層62上。第三外延層64的載流子濃度可以與第一外延層60或者與第二外延層62相同，且可以利用上述外延工藝生成。在生長(zhǎng)完第三外延層64之后，第四外延層66利用上述外延生長(zhǎng)方法生長(zhǎng)在第三外延層64上。第四外延層66是有利于形成良好的頂陰極歐姆接觸的重?fù)诫sn+外延層。
在生長(zhǎng)完所有的外延層之后，穿過(guò)第三外延層66和第四外延層64刻蝕出槽。這些槽可以利用美國(guó)專利4,981,551描述的反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)形成。在形成槽之后，p+柵極區(qū)域利用美國(guó)專利5,087,576描述的離子注入方法制作在槽基部的第二外延層62中。如本領(lǐng)域技術(shù)人員所知道的，離子注入可以任選地在生長(zhǎng)第三外延層60之前進(jìn)行。在這種情況下，槽必需與注入?yún)^(qū)域?qū)?zhǔn)，以便槽與注入?yún)^(qū)域重合，使得槽的底部對(duì)應(yīng)于注入?yún)^(qū)域。在器件刻蝕完，柵極柵格70生成之后，為陰極和柵極接觸形成歐姆接觸，其中柵極接觸制作在離子注入槽的底部，陰極接觸82制作在第四外延層66上。
刻蝕整個(gè)器件形成臺(tái)面。臺(tái)面優(yōu)選地延伸過(guò)器件的耗盡區(qū)，以便限制器件中流向臺(tái)面的電流，減小器件電容。如果器件的耗盡區(qū)延伸到臺(tái)面平面的下面，那么耗盡區(qū)將延伸到臺(tái)面外部的區(qū)域，導(dǎo)致更大的電容。臺(tái)面優(yōu)選地通過(guò)反應(yīng)離子刻蝕上述器件形成，然而本領(lǐng)域技術(shù)人員熟知的其它制備方法也可以用于形成臺(tái)面。在形成臺(tái)面之后，二氧化硅的絕緣層78制作在器件的暴露表面上，包括臺(tái)面的側(cè)壁，以鈍化器件。盡管SiO2是優(yōu)選的絕緣材料，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員熟知的其它絕緣材料也可以使用。
圖2B的器件通過(guò)執(zhí)行上述步驟生成，只是多出在形成第一外延層60之前在襯底50上形成p+碳化硅外延層52的步驟。圖4的器件通過(guò)生成圖1A的器件，然后在生成絕緣層之前在臺(tái)面基部形成p+碳化硅51區(qū)域形成。然后歐姆接觸88制作在這些區(qū)域上，生成下陷(sinker)陽(yáng)極。此外，圖2B的器件還可以進(jìn)行修改，以便通過(guò)只刻蝕臺(tái)面到p+層52，然后在臺(tái)面基部形成歐姆接觸來(lái)形成下陷(sinker)陽(yáng)極。參照?qǐng)D2A、2B和4描述的這些器件的互補(bǔ)器件可以利用上述方法生成，只是將p+碳化硅替換為n+碳化硅，將n-碳化硅替換為p-碳化硅，將n+碳化硅替換為p+碳化硅。
圖5和6的隧穿二極管器件分別利用參照?qǐng)D1B和2B描述的技術(shù)制備，然而，對(duì)于隧穿二極管器件，襯底10和50是n+碳化硅。其余的制備工藝分別與各自的器件相同。
在第一、第二和第三外延層的載流子濃度相同的情況下，這些層形成單個(gè)外延層，生成圖7和8的器件。圖7和8的器件利用與生成圖2A、2B、4和6的器件相同的技術(shù)生成，然而，只是利用上述方法生長(zhǎng)單個(gè)n-外延層164，而不是三個(gè)外延層。槽174刻蝕到預(yù)定深度，進(jìn)入第一外延層164和通過(guò)在上述槽的底部進(jìn)行離子注入形成的p+區(qū)域。歐姆接觸、臺(tái)面和絕緣層的形成如圖2A、2B、4和6所述的那樣進(jìn)行。此外，如本領(lǐng)域技術(shù)人員所知道的，對(duì)于圖1A至6的器件中的任意兩個(gè)相鄰?fù)庋訉泳哂邢嗤瑢?dǎo)電類型和載流子濃度的情況，這些層將形成為單個(gè)外延層，除非這樣會(huì)妨礙柵極柵格的注入。
在工作時(shí)，本發(fā)明器件通常是導(dǎo)通的，允許電流由器件的陽(yáng)極流向陰極。當(dāng)向柵極柵格施加偏置電壓時(shí)，將生成夾斷柵極柵格的各單元之間的電流導(dǎo)通的反向偏置pn結(jié)。在關(guān)斷期間，柵極電流抽取位于柵極柵格的各單元之間的導(dǎo)通溝道中的電子空穴等離子體，使器件承受陽(yáng)極/陰極電壓。此外，本發(fā)明的器件還通過(guò)向輕摻雜漂移區(qū)注入少數(shù)載流子給出非常高的導(dǎo)通電流密度。這些器件在導(dǎo)通狀態(tài)允許開關(guān)高于500A/cm2的電流密度。這些器件還具有低導(dǎo)通阻抗。
對(duì)于n-漂移區(qū)器件，為了使器件工作在正向截止模式，將足夠高的負(fù)電壓施加到柵極，以便在柵極柵格的各單元之間n-區(qū)域中形成阻止電流的勢(shì)壘。柵極上的負(fù)電壓越高，截止陽(yáng)極的電壓就越高，除非到達(dá)器件的最大截止電壓。這種最大截止電壓或者由柵極擊穿電壓、或者由第一外延層(20、60)的性質(zhì)決定。當(dāng)柵極電壓相對(duì)于陰極由正切換到負(fù)時(shí)，溝道區(qū)中的載流子必需在器件開始承受電壓之前通過(guò)柵極吸出。在電荷吸出過(guò)程中，恒定的柵極電流在稱作存儲(chǔ)時(shí)間的間隔內(nèi)流過(guò)。一旦除去存儲(chǔ)在溝道中的電荷，就形成了允許器件承受電壓的勢(shì)壘。此后，存儲(chǔ)在漂移區(qū)中的電荷通過(guò)載流子復(fù)合衰弱。這在稱作下降時(shí)間的間隔內(nèi)導(dǎo)致陽(yáng)極電流下降。存儲(chǔ)時(shí)間和下降時(shí)間均能影響場(chǎng)控器件的開關(guān)特性，并且限制了器件的開關(guān)速度。
如前所述，p+柵極柵格或n+柵極柵格的形成是通過(guò)向輕摻雜截止層進(jìn)行離子注入實(shí)現(xiàn)的。對(duì)于圖1A、1B、3和5的掩埋柵極實(shí)施方案，另一個(gè)輕摻雜外延層必需生長(zhǎng)在注入?yún)^(qū)上，該層應(yīng)當(dāng)足夠厚，以便承受在柵極pn結(jié)反向偏置時(shí)形成的反向偏置耗盡區(qū)。該輕摻雜層的厚度由期望的最大柵極電壓確定。它必需足夠厚，以便承受柵極-頂側(cè)電極(或者是陽(yáng)極，或者是陰極，取決于器件的極性)電壓，該電壓高于器件額定最大電壓除以下述的電壓截止增益。
第一外延層在離子注入之后的結(jié)晶質(zhì)量必需足夠好，以便承受施加到柵極以?shī)A斷器件的反向偏置電壓。對(duì)于場(chǎng)控器件，該偏置電壓可以高達(dá)50V，但更加典型的電壓值在10至20V之間。夾斷柵極柵格之間的區(qū)域的柵極電壓由下式確定VG=Vbi-qND(S/2)22ϵs]]>其中q是電子電荷，ND是第二外延層的摻雜濃度，S是柵極柵格的各單元之間的間隙，εs是SiC的介電常數(shù)，Vbi是柵極pn結(jié)的內(nèi)建電勢(shì)。Vbi由下式給出Vbi=kTqlnNANDni2]]>其中k是玻爾茲曼常數(shù)，T是開爾文溫度，ND是n-區(qū)濃度，NA是p-區(qū)濃度，ni是SiC的本征濃度。因此，VG可以通過(guò)選擇柵極柵格的各單元之間的間距和漂移區(qū)的摻雜濃度來(lái)控制。
器件的正向截止電壓增益可以由下式近似Gain≈LWdS2]]>其中L是柵極柵格注入?yún)^(qū)的厚度，Wd是在指向陽(yáng)極的方向上柵極pn結(jié)的耗盡寬度，S是柵極柵格的各注入?yún)^(qū)之間的間隙。在小偏置電壓時(shí)，正向?qū)↖-V關(guān)系可以用下式近似IA=4AqDanixneqVAK2kT]]>其中IA是陽(yáng)極電流，A是陽(yáng)極面積，Da是雙極性擴(kuò)散系數(shù)，ni是SiC的本征濃度，VAK是陽(yáng)極-陰極電壓，xn是漂移區(qū)厚度。
對(duì)于柵極偏置電壓較大的正向偏置，將發(fā)生夾斷，并形成阻止電子由陰極向陽(yáng)極輸運(yùn)的電子勢(shì)壘。該勢(shì)壘限制了電子的供應(yīng)，是總電流的一個(gè)控制因素。勢(shì)壘高度φB不僅受柵極電壓的控制，還可以通過(guò)增大VAK而降低。φB對(duì)VAK的依賴關(guān)系稱為靜電感應(yīng)，并且決定于器件柵極結(jié)構(gòu)的尺寸。在這種情況下，陽(yáng)極電流可以由下式近似IA=I0eq(ηVG+θVAK)kT]]>其中I0是飽和電流，η和θ對(duì)于給定的器件結(jié)構(gòu)是常數(shù)，并表明VG和VAK對(duì)勢(shì)壘高度的控制。
在上述器件之間進(jìn)行選擇時(shí)，具有掩埋柵極結(jié)構(gòu)的上述器件利用傳統(tǒng)制備技術(shù)可以更加有效地使用陰極/陽(yáng)極區(qū)域，更加有效地進(jìn)行電流的柵極控制，這導(dǎo)致更低的導(dǎo)通阻抗和更高的正向截止電壓增益。對(duì)于上述具有制作在槽底部的柵極柵格的器件，它具有更低的柵極柵格阻抗，這在關(guān)斷過(guò)程中導(dǎo)致更小的柵極去偏置效應(yīng)。
柵極-陰極金屬化或柵極-陽(yáng)極金屬化的布局對(duì)于確定場(chǎng)控器件的導(dǎo)通電壓降、開關(guān)速度和截止增益起重要作用。這種金屬化布局應(yīng)確保電流均勻地流過(guò)器件的整個(gè)管芯。這導(dǎo)致更低的導(dǎo)通阻抗、更快的開關(guān)速度和較高的截止增益。盡管本發(fā)明可以使用多種布局方案，但是漸開線形狀的柵極結(jié)構(gòu)是優(yōu)選的。然而，也可以使用的簡(jiǎn)單矩形布局方案示于圖9和10。
根據(jù)上述討論，本發(fā)明的器件典型地具有厚度從大約10μm到大約300μm的總體輕摻雜區(qū)域(層20或?qū)?0)。層的厚度決定于所需的擊穿電壓。構(gòu)成本發(fā)明器件的柵極柵格的注入?yún)^(qū)或槽之間的間隙應(yīng)當(dāng)盡可能地小，典型間距在大約0.5μm至大約5μm之間。掩埋柵極柵格的單元寬度或形成在槽中的注入?yún)^(qū)的寬度從單元0.5μm至大約5μm。這些區(qū)域形成在載流子濃度更低的外延層的不同深度上。柵極柵格的適宜深度由大約5μm至外延層厚度。包含柵極柵格的注入?yún)^(qū)的厚度或深度(L)應(yīng)當(dāng)盡可能地厚，適宜的厚度為大約500至大約5μm。在其上制作第一歐姆接觸的高載流子濃度外延層的適宜厚度由大約500至大約5μm。
對(duì)于p+或n+導(dǎo)電類型區(qū)域和外延層的摻雜，這些區(qū)域應(yīng)當(dāng)在不產(chǎn)生過(guò)多制備缺陷的條件下盡可能多地?fù)诫s。對(duì)于這些區(qū)域和外延層，高于大約1×1018的載流子濃度是適當(dāng)?shù)?，然而，載流子濃度高于大約1×1018是優(yōu)選的。適于產(chǎn)生p-型區(qū)域的摻雜劑包括鋁、硼或鎵。適于產(chǎn)生n-型區(qū)域的摻雜劑包括氮和磷。鋁是p+區(qū)域的優(yōu)選摻雜劑，利用上述的高溫離子注入技術(shù)、并且利用1000℃至1500℃之間的溫度在p+區(qū)域中注入鋁是優(yōu)選的。高達(dá)大約3×1017cm-3的載流子濃度對(duì)于n-或p-外延層是適宜的，然而，載流子濃度大約為3×1016或更低是優(yōu)選的。對(duì)于多個(gè)n-或p-外延層，從大約1×1013到大約5×1016的載流子濃度對(duì)于位于柵極柵格下面的第一外延層是適宜的。從大約1×1013到大約1×1016的載流子濃度對(duì)于在其中制作柵極柵格的第二外延層是適宜的。從大約5×1017到大約5×1019的載流子濃度對(duì)于位于柵極柵格上面的第三外延層是適宜的。如上所述，三個(gè)外延層之間的相對(duì)載流子濃度可以變化，然而，第一外延層的優(yōu)選載流子濃度為1×1015，第二外延層的優(yōu)選載流子濃度為1×1014，第三外延層的優(yōu)選載流子濃度為5×1015。因此，柵極柵格優(yōu)選地制作在載流子濃度最低的外延層中。
根據(jù)本發(fā)明器件的上述特性，與其它場(chǎng)控器件由其額定電壓決定的2至100微秒的開關(guān)時(shí)間相比，這種器件的開關(guān)時(shí)間在50至500納秒之間。本發(fā)明器件還具有高達(dá)10000V的正向擊穿電壓和相同幅度的反向擊穿電壓。本發(fā)明器件應(yīng)當(dāng)提供的截止增益為50或更高。因此，利用低到40V的柵極電壓就可以獲得2000V的截止電壓。這種器件還應(yīng)當(dāng)能夠承受500A/cm2或更高的電流密度。最后，這些器件應(yīng)當(dāng)能夠工作的溫度高于400℃。
在附圖和說(shuō)明書中，已經(jīng)公開了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案，盡管使用了具體的術(shù)語(yǔ)，它們只是以一般的、描述性的含義使用的，而不是進(jìn)行限制，本發(fā)明的范圍陳述于下面的權(quán)利要求。
權(quán)利要求
1.高電壓、高電流場(chǎng)控雙極型開關(guān)，包括具有上表面和下表面的第一導(dǎo)電類型的單晶碳化硅體材料襯底；位于襯底上表面上的第二導(dǎo)電類型碳化硅的第一外延層；制作在碳化硅第一外延層上的第二導(dǎo)電類型碳化硅的第二外延層；多個(gè)制作在第二外延層中以便在第二外延層中形成柵極柵格的第三導(dǎo)電類型碳化硅區(qū)域；制作在第二外延層上的第二導(dǎo)電類型碳化硅的第三外延層；制作在第三外延層上的第二導(dǎo)電類型碳化硅的第四外延層，第四外延層的載流子濃度高于第一外延層、第二外延層和第三外延層；位于第四外延層上的第一歐姆接觸；制作在襯底下表面上的第二歐姆接觸；與柵極柵格相連、以便在向歐姆柵極接觸施加偏置電壓時(shí)夾斷第一歐姆接觸和第二歐姆接觸之間的電流的歐姆柵極接觸。
2.權(quán)利要求1的高電壓、高電流場(chǎng)控雙極型開關(guān)，還包括多個(gè)制作在第三和第四外延層中的槽，其中多個(gè)制作在第二外延層中的第三導(dǎo)電類型碳化硅區(qū)域位于多個(gè)槽的底部；和其中歐姆柵極接觸包括制作在形成于槽中的第三導(dǎo)電類型碳化硅上的歐姆柵極接觸。
3.前述任一權(quán)利要求的場(chǎng)控雙極型開關(guān)，其中第二外延層的載流子濃度低于第一外延層。
4.前述任一權(quán)利要求的場(chǎng)控雙極型開關(guān)，其中第三外延層和第一外延層的載流子濃度基本相同。
5.前述任一權(quán)利要求的場(chǎng)控雙極型開關(guān)，其中第三外延層和第二外延層的載流子濃度基本相同。
6.前述任一權(quán)利要求的高電壓、高電流場(chǎng)控雙極型開關(guān)，器件還包括第四導(dǎo)電類型的第五外延層，其中第五外延層制作在襯底的上表面上，且淀積在襯底和第一外延層之間，第一外延層制作在第五外延層上。
7.前述任一權(quán)利要求的場(chǎng)控雙極型開關(guān)，其中第一導(dǎo)電類型和第三導(dǎo)電類型是p-型導(dǎo)電，第二導(dǎo)電類型是n-型導(dǎo)電，第一歐姆接觸是陰極接觸，第二歐姆接觸是陽(yáng)極接觸。
8.權(quán)利要求1至6的場(chǎng)控雙極型開關(guān)，其中第一導(dǎo)電類型和第三導(dǎo)電類型是n-型導(dǎo)電，第二導(dǎo)電類型是p-型導(dǎo)電，第一歐姆接觸是陽(yáng)極接觸，第二歐姆接觸是陰極接觸。
9.權(quán)利要求1至6的場(chǎng)控雙極型開關(guān)，其中第一導(dǎo)電類型是n-型導(dǎo)電，第二導(dǎo)電類型是n-型導(dǎo)電，第三導(dǎo)電類型是p-型導(dǎo)電，第四導(dǎo)電類型是p-型導(dǎo)電，第一歐姆接觸是陰極接觸，第二歐姆接觸是陽(yáng)極接觸。
10.前述任一權(quán)利要求的場(chǎng)控雙極型開關(guān)，其中襯底和第一、第二、第三和第四外延層形成具有界定了雙極型開關(guān)邊緣的側(cè)壁的臺(tái)面，臺(tái)面的側(cè)壁向下延伸進(jìn)入襯底。
11.前述任一權(quán)利要求的場(chǎng)控雙極型開關(guān)，還包括制作在臺(tái)面基部的襯底中的第一導(dǎo)電類型碳化硅區(qū)域；和電連接到制作在第二導(dǎo)電類型碳化硅區(qū)域中的第二歐姆接觸的歐姆接觸。
12.權(quán)利要求6的場(chǎng)控雙極型開關(guān)，其中第一、第二、第三、第四和第五外延層形成具有界定了器件邊緣的側(cè)壁的臺(tái)面，臺(tái)面的側(cè)壁向下穿過(guò)第一、第二、第三和第四外延層，延伸進(jìn)入第五外延層。
13.權(quán)利要求12的場(chǎng)控雙極型開關(guān)，還包括電連接到制作在臺(tái)面?zhèn)缺诨康牡谖逋庋訉又械牡诙W姆接觸的歐姆接觸。
14.前述任一權(quán)利要求的場(chǎng)控雙極型開關(guān)，還包括制作在臺(tái)面?zhèn)缺谏系慕^緣層，以鈍化側(cè)壁。
15.前述任一權(quán)利要求的場(chǎng)控雙極型開關(guān)，其中碳化硅包括4H碳化硅。
16.前述任一權(quán)利要求的場(chǎng)控雙極型開關(guān)，其中柵極柵格包括多個(gè)連接的叉指型極指。
17.權(quán)利要求16的場(chǎng)控雙極型開關(guān)，其中歐姆柵極接觸包括多個(gè)制作在柵極柵格的叉指型極指上的叉指型極指，使得歐姆柵極接觸的極指基本上平行于柵極柵格的極指；和其中第一歐姆接觸包括多個(gè)制作在第四外延層上、且散布在歐姆柵極接觸的各極指之間的叉指型極指。
18.高電壓、高電流場(chǎng)控雙極型開關(guān)，包括具有上表面和下表面的第一導(dǎo)電類型的單晶碳化硅體材料襯底；位于襯底上表面上的第二導(dǎo)電類型碳化硅的第一外延層；多個(gè)制作在第一外延層中以便在第一外延層中形成柵極柵格的第三導(dǎo)電類型碳化硅區(qū)域；制作在碳化硅第一外延層上的第二導(dǎo)電類型碳化硅的第二外延層；制作在第二外延層上的第二導(dǎo)電類型碳化硅的第三外延層，第三外延層的載流子濃度高于第一外延層和第二外延層；位于第三外延層上的第一歐姆接觸；制作在襯底下表面上的第二歐姆接觸；與柵極柵格相連、以便在向歐姆柵極接觸施加偏置電壓時(shí)夾斷第一歐姆接觸和第二歐姆接觸之間的電流的歐姆柵極接觸。
19.權(quán)利要求18的場(chǎng)控雙極型開關(guān)，其中第二外延層和第一外延層的載流子濃度基本相同。
20.權(quán)利要求18或19的場(chǎng)控雙極型開關(guān)，器件還包括第四導(dǎo)電類型的第四外延層，其中第四外延層制作在襯底的上表面上，且淀積在襯底和第一外延層之間，第一外延層制作在第四外延層上。
21.權(quán)利要求18至20中任一個(gè)的高電壓、高電流場(chǎng)控雙極型開關(guān)，還包括多個(gè)制作在第二和第三外延層中的槽，其中多個(gè)制作在第一外延層中的第三導(dǎo)電類型碳化硅區(qū)域位于多個(gè)槽的底部，其中歐姆接觸包括制作在形成于槽中的第三導(dǎo)電類型碳化硅上、以便在向歐姆柵極接觸施加偏置電壓時(shí)夾斷第一歐姆接觸和第二歐姆接觸之間的電流的歐姆柵極接觸。
22.權(quán)利要求18至21中任一個(gè)的場(chǎng)控雙極型開關(guān)，第一外延層的載流子濃度低于第二外延層。
23.權(quán)利要求18至22的高電壓、高電流場(chǎng)控雙極型開關(guān)，器件還包括第四導(dǎo)電類型的第四外延層，其中第四外延層制作在襯底的上表面上，且淀積在襯底和第一外延層之間，第一外延層制作在第四外延層上。
24.權(quán)利要求18至23中任一個(gè)的場(chǎng)控雙極型開關(guān)，其中第一導(dǎo)電類型和第三導(dǎo)電類型是p-型導(dǎo)電，第二導(dǎo)電類型是n-型導(dǎo)電，第一歐姆接觸是陰極接觸，第二歐姆接觸是陽(yáng)極接觸。
25.權(quán)利要求18至23中任一個(gè)的場(chǎng)控雙極型開關(guān)，其中第一導(dǎo)電類型和第三導(dǎo)電類型是n-型導(dǎo)電，第二導(dǎo)電類型是p-型導(dǎo)電，第一歐姆接觸是陽(yáng)極接觸，第二歐姆接觸是陰極接觸。
26.權(quán)利要求18至23中任一個(gè)的場(chǎng)控雙極型開關(guān)，其中第一導(dǎo)電類型是n-型導(dǎo)電，第二導(dǎo)電類型是n-型導(dǎo)電，第三導(dǎo)電類型是p-型導(dǎo)電，第四導(dǎo)電類型是p-型導(dǎo)電，第一歐姆接觸是陰極接觸，第二歐姆接觸是陽(yáng)極接觸。
27.權(quán)利要求18至26中任一個(gè)的場(chǎng)控雙極型開關(guān)，其中襯底和第一、第二和第三外延層形成具有界定了晶體管邊緣的側(cè)壁的臺(tái)面，臺(tái)面的側(cè)壁向下延伸進(jìn)入襯底。
28.權(quán)利要求18至27中任一個(gè)的場(chǎng)控雙極型開關(guān)，還包括制作在臺(tái)面基部的襯底中的第一導(dǎo)電類型碳化硅區(qū)域；和電連接到制作在第二導(dǎo)電類型碳化硅區(qū)域上的第二歐姆接觸的歐姆接觸。
29.權(quán)利要求18至28中任一個(gè)的場(chǎng)控雙極型開關(guān)，其中第一、第二、第三和第四外延層形成具有界定了雙極型開關(guān)邊緣的側(cè)壁的臺(tái)面，臺(tái)面的側(cè)壁向下穿過(guò)第一、第二、和第三外延層，延伸進(jìn)入第四外延層。
30.權(quán)利要求29的場(chǎng)控雙極型開關(guān)，還包括電連接到制作在臺(tái)面?zhèn)缺诨康牡谒耐庋訉由系牡诙W姆接觸的歐姆接觸。
31.權(quán)利要求29至30之一的場(chǎng)控雙極型開關(guān)，還包括制作在臺(tái)面?zhèn)缺谏系慕^緣層，以鈍化側(cè)壁。
32.權(quán)利要求18至31中任一個(gè)的場(chǎng)控雙極型開關(guān)，其中柵極柵格包括多個(gè)連接的叉指型極指。
33.權(quán)利要求32的場(chǎng)控雙極型開關(guān)，其中歐姆柵極接觸包括多個(gè)制作在柵極柵格的叉指型極指上的叉指型極指，使得歐姆柵極接觸的極指基本上平行于柵極柵格的極指；和其中第一歐姆接觸包括多個(gè)制作在第三外延層上，且散布在歐姆柵極接觸的各極指之間的叉指型極指。
全文摘要
場(chǎng)控雙極性開關(guān)具有帶有上表面和下表面的第一導(dǎo)電類型的單晶碳化硅體材料襯底。第二導(dǎo)電類型碳化硅的第二外延層制作在襯底的上表面上。第二導(dǎo)電類型碳化硅的第—外延層制作在碳化硅的第二外延層上。多個(gè)第三導(dǎo)電類型碳化硅區(qū)域制作在第二外延層中以便在第二外延層中形成柵極柵格。第二導(dǎo)電類型碳化硅的第三外延層制作在第二外延層上,第二導(dǎo)電類型碳化硅的第四外延層制作在第三外延層上。第四外延層的載流子濃度高于第一、第二和第三外延層。第一歐姆接觸制作在第四外延層上,第二歐姆接觸制作在襯底的下表面上。歐姆柵極接觸連接到柵極柵格,以便在向歐姆柵極接觸施加偏置電壓時(shí)夾斷第一歐姆接觸和第二歐姆接觸之間的電流。
文檔編號(hào)H01L29/24GK1254442SQ98804658
公開日2000年5月24日 申請(qǐng)日期1998年3月20日 優(yōu)先權(quán)日1997年4月30日
發(fā)明者R·辛格, J·W·帕爾穆爾 申請(qǐng)人:克里研究公司