摻雜區(qū)位于所述陰極區(qū)的上部區(qū)域中并且與所述柵極電介質(zhì)相鄰；以及所述第一導(dǎo)電類型以及大于所述第二摻雜濃度的第四摻雜濃度的第二摻雜區(qū)，所述第二摻雜區(qū)位于所述陰極區(qū)的上部區(qū)域中并且與所述第一摻雜區(qū)相鄰；以及
[0074]陰極電極，所述陰極電極短接所述第一摻雜區(qū)與所述第二摻雜區(qū)，其中所述陰極區(qū)通過所述第二摻雜區(qū)連接到所述陰極電極上，所述方法包括:
[0075]將所述功率半導(dǎo)體器件設(shè)定成關(guān)斷狀態(tài)以阻斷對所述器件的電壓提供，所述設(shè)定包含:
[0076]基于包含在所述電荷俘獲材料中的固定電荷的量，在所述柵極電極與所述第一摻雜區(qū)之間的所述柵極電介質(zhì)的表面處形成具有零柵偏壓的反型層；
[0077]在所述陰極區(qū)與所述反型層之間產(chǎn)生內(nèi)建電勢；以及
[0078]在所述溝道中建立完全耗盡狀態(tài)。
[0079]進(jìn)一步的，所述控制功率半導(dǎo)體器件導(dǎo)通和關(guān)斷的方法的方法，進(jìn)一步包括:
[0080]將所述半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)從所述關(guān)斷狀態(tài)切換到導(dǎo)通狀態(tài)以向所述器件提供電壓，所述切換包括:
[0081]向所述柵極電極施加電壓；
[0082]將所述反型層轉(zhuǎn)變成積累層；
[0083]將所述溝道轉(zhuǎn)換至導(dǎo)通狀態(tài)；以及
[0084]通過所述溝道產(chǎn)生電流。
[0085]進(jìn)一步的，所述將所述半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)從所述關(guān)斷狀態(tài)切換到所述導(dǎo)通狀態(tài)進(jìn)一步包括:
[0086]在所述陰極區(qū)與所述溝道之間的結(jié)處產(chǎn)生另一內(nèi)建電勢；以及
[0087]基于所述另一內(nèi)建電勢阻斷空穴遠(yuǎn)離所述結(jié)漂移。
【附圖說明】
[0088]參考以下圖式描述本發(fā)明的非限制性且非詳盡的實(shí)施例，其中除非另外規(guī)定，否則相同的參考標(biāo)號在各視圖中始終指代相同的零件。
[0089]圖1呈現(xiàn)了常規(guī)IGBT器件的現(xiàn)有技術(shù)結(jié)構(gòu)的截面視圖。
[0090]圖2呈現(xiàn)了常規(guī)IGBT器件的另一現(xiàn)有技術(shù)結(jié)構(gòu)的截面視圖。
[0091]圖3呈現(xiàn)了根據(jù)本文中所描述的方面以及實(shí)施例的形成常關(guān)型柵控p-1-n開關(guān)的實(shí)例功率半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的截面視圖，所述柵控p-1-n開關(guān)具有在電介質(zhì)中的電荷俘獲層以及自耗盡溝道。
[0092]圖4呈現(xiàn)了根據(jù)本文中所描述的方面以及實(shí)施例的形成常關(guān)型柵控p-1-n開關(guān)的實(shí)例功率半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的一部分的放大視圖，所述柵控p-1-n開關(guān)具有在電介質(zhì)中的電荷俘獲層以及自耗盡溝道。
[0093]圖5呈現(xiàn)了根據(jù)本文中所描述的方面以及實(shí)施例的功率半導(dǎo)體器件的形成的截面視圖。
[0094]圖6呈現(xiàn)了根據(jù)本文中所描述的方面以及實(shí)施例的功率半導(dǎo)體器件的形成的截面視圖。
[0095]圖7呈現(xiàn)了根據(jù)本文中所描述的方面以及實(shí)施例的功率半導(dǎo)體器件的形成的截面視圖。
[0096]圖8呈現(xiàn)了根據(jù)本文中所描述的方面以及實(shí)施例的功率半導(dǎo)體器件的形成的截面視圖。
[0097]圖9呈現(xiàn)了根據(jù)本文中所描述的方面以及實(shí)施例的功率半導(dǎo)體器件的形成的截面視圖。
[0098]圖10呈現(xiàn)了根據(jù)本文中所描述的方面以及實(shí)施例的功率半導(dǎo)體器件的形成的截面視圖。
[0099]圖11呈現(xiàn)了根據(jù)本文中所描述的方面以及實(shí)施例的功率半導(dǎo)體器件的形成的截面視圖。
[0100]圖12呈現(xiàn)了根據(jù)本文中所描述的方面以及實(shí)施例的功率半導(dǎo)體器件的形成的截面視圖。
[0101]圖13呈現(xiàn)了根據(jù)本文中所描述的方面以及實(shí)施例的功率半導(dǎo)體器件的形成的截面視圖。
[0102]圖14呈現(xiàn)了根據(jù)本文中所描述的方面以及實(shí)施例的形成常關(guān)型柵控p-1-n開關(guān)的實(shí)例功率半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的另一截面視圖，所述柵控p-1-n開關(guān)具有在電介質(zhì)中的電荷俘獲層以及自耗盡溝道。
[0103]圖15呈現(xiàn)了根據(jù)本文中所描述的方面以及實(shí)施例的形成常關(guān)型柵控p-1-n開關(guān)的另一實(shí)例功率半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的截面視圖，所述柵控P-1-n開關(guān)具有在電介質(zhì)中的電荷俘獲層以及自耗盡溝道。
[0104]圖16提供了根據(jù)本文中所描述的方面以及實(shí)施例的用于制造形成常關(guān)型柵控P-1-n開關(guān)的功率半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的實(shí)例過程的流程圖，所述柵控p-1-n開關(guān)具有在電介質(zhì)中的電荷俘獲層以及自耗盡溝道。
[0105]圖17提供了根據(jù)本文中所描述的方面以及實(shí)施例的用于將具有在電介質(zhì)中的電荷俘獲層以及自耗盡溝道的功率半導(dǎo)體用作常關(guān)型柵控P-1-n開關(guān)的實(shí)例過程的流程圖。
[0106]圖18提供了根據(jù)本文中所描述的方面以及實(shí)施例的用于將具有在電介質(zhì)中的電荷俘獲層以及自耗盡溝道的功率半導(dǎo)體用作常關(guān)型柵控P-1-n開關(guān)的另一實(shí)例過程的流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0107]參考圖式描述本發(fā)明的各種方面或特征，其中相同的參考標(biāo)號始終用于指代相同的元件。在本說明書中，闡述了許多具體細(xì)節(jié)以便提供對本發(fā)明的透徹理解。然而，應(yīng)理解，可以在沒有這些具體細(xì)節(jié)的情況下，或者利用其它方法、組件、材料等實(shí)踐本發(fā)明的特定方面。在其它情況下，以框圖形式示出眾所周知的結(jié)構(gòu)以及器件以便于描述本發(fā)明。
[0108]作為介紹，本文中所揭示的標(biāo)的物涉及由于低正向壓降以及低關(guān)斷能量而具有低功率損耗的功率半導(dǎo)體器件。為了實(shí)現(xiàn)此目的以及其它目的，本發(fā)明提供了常關(guān)型溝槽柵控P-1-n開關(guān)，所述柵控p-1-n開關(guān)具有在柵極電介質(zhì)中的電荷俘獲材料以及自耗盡溝道。本發(fā)明的功率半導(dǎo)體可以用作各種電子系統(tǒng)以及器件中的開關(guān)，并且特別地適合于例如電機(jī)驅(qū)動以及開關(guān)電源等高壓功率(例如，其中輸入和/或輸出電壓大于200V)電子系統(tǒng)。
[0109]在一個方面中，提供一種功率半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，所述功率半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)包括:溝槽，所述溝槽利用包括三層的柵極電介質(zhì)加襯，所述三層包括內(nèi)層、外層、以及在內(nèi)層與外層之間形成的中間層；以及柵極電極，所述柵極電極在溝槽內(nèi)并且與內(nèi)層相鄰而形成。所述結(jié)構(gòu)進(jìn)一步包含:第一導(dǎo)電類型的輕摻雜溝道，所述輕摻雜溝道位于緊鄰溝槽的第一側(cè)面處并且與外層相鄰，其中所述輕摻雜溝道摻雜不超過第一界定摻雜程度；以及第一導(dǎo)電類型的輕摻雜漂移區(qū)，所述輕摻雜漂移區(qū)位于溝槽的第二側(cè)面下方、溝道下方并且與外層相鄰，其中所述輕摻雜漂移區(qū)摻雜不超過第二界定摻雜程度。所述結(jié)構(gòu)進(jìn)一步包含:第一導(dǎo)電類型的陰極區(qū)，所述陰極區(qū)位于溝道上方且與溝道相鄰并且與外層相鄰；第二導(dǎo)電類型的重?fù)诫s區(qū)，所述重?fù)诫s區(qū)位于陰極區(qū)上方且與陰極區(qū)相鄰并且與外層相鄰，其中所述重?fù)诫s區(qū)摻雜不小于第三界定摻雜程度；以及第一導(dǎo)電類型的另一重?fù)诫s區(qū)，所述另一重?fù)诫s區(qū)位于陰極區(qū)上方且與陰極區(qū)相鄰并且與第二導(dǎo)電類型的重?fù)诫s區(qū)相鄰，其中所述另一重?fù)诫s區(qū)摻雜不小于第四界定摻雜程度。短接第一導(dǎo)電類型的另一重?fù)诫s區(qū)與第二導(dǎo)電類型的重?fù)诫s區(qū)的陰極電極，其中陰極區(qū)經(jīng)由第一導(dǎo)電類型的另一重?fù)诫s區(qū)連接到所述陰極電極上。
[0110]在另一方面中，提供一種用于形成功率半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的方法，所述方法包含在具有第一導(dǎo)電類型的硅晶片襯底的上部區(qū)形成具有第一導(dǎo)電類型的陰極區(qū)，其中所述陰極區(qū)具有比晶片襯底材料更高的摻雜濃度。所述方法進(jìn)一步包含在陰極區(qū)內(nèi)形成溝槽，并且所述溝槽延伸到硅晶片襯底中，以建立在溝槽的第一側(cè)面上且在陰極區(qū)下方的溝道以及在溝槽及溝道下方的漂移區(qū)；在溝槽內(nèi)形成包括三層的柵極電介質(zhì)，所述三層包括與溝槽的第一表面相鄰的外層、與外層的第二表面相鄰的中間層以及與內(nèi)層的第三表面相鄰的內(nèi)層；以及在溝槽內(nèi)并且與柵極電介質(zhì)的內(nèi)層相鄰而形成柵極電極。所述方法進(jìn)一步包含在陰極區(qū)的上部部分內(nèi)并且與柵極電介質(zhì)的外層相鄰而形成第二導(dǎo)電類型的重?fù)诫s區(qū)；以及在陰極區(qū)的上部部分內(nèi)并且與第二導(dǎo)電類型的重?fù)诫s區(qū)相鄰而形成第一導(dǎo)電類型的另一重?fù)诫s區(qū)，其中第二導(dǎo)電類型的重?fù)诫s區(qū)以及第一導(dǎo)電類型的另一重?fù)诫s區(qū)對應(yīng)地具有比陰極區(qū)更高的摻雜濃度。所述方法進(jìn)一步包含形成陰極電極，所述陰極電極短接第一導(dǎo)電類型的另一重?fù)诫s區(qū)以及第二導(dǎo)電類型的重?fù)诫s區(qū)；以及經(jīng)由第一導(dǎo)電類型的另一重?fù)诫s區(qū)將陰極區(qū)連接到陰極電極上。
[0111]在又一方面中，揭示一種控制功率半導(dǎo)體器件導(dǎo)通和關(guān)斷的方法。所述功率半導(dǎo)體器件包括:柵極電極，所述柵極電極在溝槽內(nèi)形成并且具有柵極電介質(zhì)，所述柵極電介質(zhì)具有給溝槽內(nèi)的柵極電極的表面加襯的電荷俘獲材料；第一導(dǎo)電類型以及第一摻雜濃度的溝道，所述溝道位于緊鄰溝槽的第一側(cè)面處并且與柵極電介質(zhì)相鄰。所述功率半導(dǎo)體器件進(jìn)一步包含:第一導(dǎo)電類型以及大于第一摻雜濃度的第二摻雜濃度的陰極區(qū)，所述陰極區(qū)位于溝道上方且與溝道相鄰并且與柵極電介質(zhì)相鄰，所述陰極區(qū)包括第二導(dǎo)電類型以及大于第二摻雜濃度的第三摻雜濃度的第一摻雜區(qū)，所述第一摻雜區(qū)位于陰極區(qū)的上部區(qū)域中并且與柵極電介質(zhì)相鄰；以及第一導(dǎo)電類型以及大于第二摻雜濃度的第四摻雜濃度的第二摻雜區(qū)，所述第二摻雜區(qū)位于陰極區(qū)的上部區(qū)域中并且與第一摻雜區(qū)相鄰。所述功率半導(dǎo)體器件進(jìn)一步包含陰極電極，所述陰極電極短接第一摻雜區(qū)以及第二摻雜區(qū)，其中所述陰極區(qū)通過第二摻雜區(qū)連接到陰極電極上，所述方法包括。
[0112]本發(fā)明的方法包含將功率半導(dǎo)體器件設(shè)定成關(guān)斷狀態(tài)以阻斷對器件的電壓提供，所述設(shè)定包括:基于包含在電荷俘獲材料中的固定電荷的量，在柵極電極與第一摻雜區(qū)之間的柵極電介質(zhì)的表面處形成具有零柵偏壓的反型層；在陰極區(qū)與反型層之間產(chǎn)生內(nèi)建電勢；以及在溝道中建立完全耗盡狀態(tài)。
[0113]現(xiàn)將參考圖式描述本發(fā)明的功率半導(dǎo)體器件。盡管本發(fā)明的功率半導(dǎo)體器件圖示為n溝道功率半導(dǎo)體器件，但應(yīng)注意本發(fā)明同樣適用于P溝道功率半導(dǎo)體器件。
[0114]首先參考圖1，所呈現(xiàn)的是常規(guī)IGBT器件100的截面視圖以及在導(dǎo)通狀態(tài)下所述器件的等離子體分布。器件100是MOS控制PNP雙極結(jié)型晶體管。器件100包括在η緩沖區(qū)115以及P+集電極區(qū)116上形成的輕摻雜(在I X 10 13CnT3與I X 10 15CnT3之間)η _漂移區(qū)114。η緩沖115區(qū)的激活用量在IXlO11Cm-2與I X 10 13cm_2之間，并且ρ +集電極區(qū)116的激活用量在I X 112CnT2與I X 10 14CnT2之間。集電極/陽極電極122位于ρ +集電極區(qū)116下方。器件100進(jìn)一步包含位于η_漂移區(qū)114上方的柵極介電層134以及在柵極介電質(zhì)上方的柵極電極121。柵極介電質(zhì)134是通常為氧化硅的單一絕緣體層。
[0115]器件100進(jìn)一步包含通常通過離子注入以及退火形成的ρ基113。常見IGBT的ρ基113的典型的峰值摻雜濃度在I X 116CnT3與I X 10 18CnT3之間。ρ基113包含重?fù)诫s(在I X 118CnT3與 I X 10 21CnT3之間)ρ +區(qū) 111 以及重?fù)诫s(在 I X 10 18CnT3與 I X 10 21CnT3之間)η+源極區(qū)112。ρ基113通過重?fù)诫sρ +區(qū)111連接到發(fā)射電極/源極電極120上。
[0116]器件100的