半導(dǎo)體器件和具有勢壘區(qū)的絕緣柵雙極型晶體管的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于半導(dǎo)體領(lǐng)域，尤其涉及一種具有勢壘區(qū)的半導(dǎo)體器件和絕緣柵雙極型晶體管。
【背景技術(shù)】
[0002]在半導(dǎo)體器件中，比如半導(dǎo)體二極管和絕緣柵雙極型晶體管(Insulated GateBipolar Translator, IGBT),移動的電荷載流子涌入被正向偏壓的pn結(jié)兩側(cè)的半導(dǎo)體區(qū)中，并且可形成電荷載流子等離子體，該電荷載流子等離子體提供了半導(dǎo)體器件的低正向電阻或者導(dǎo)通狀態(tài)電阻，但當(dāng)pn結(jié)從正向偏置變?yōu)榉聪蚱脮r，其必須在反向恢復(fù)期內(nèi)被移除。反向恢復(fù)過程有助于半導(dǎo)體器件的動態(tài)開關(guān)損耗。去飽和周期(desaturat1ncycle)在將pn結(jié)從正向偏置切換為反向偏置之前部分地移除電荷載流子等離子體，以降低動態(tài)開關(guān)損耗。亟需提供具有提升的開關(guān)特性的半導(dǎo)體器件。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]一個實施例涉及包括勢壘區(qū)的半導(dǎo)體器件，該勢壘區(qū)被夾在漂移區(qū)和電荷載流子轉(zhuǎn)移區(qū)之間。勢壘區(qū)和電荷載流子轉(zhuǎn)移區(qū)形成pn結(jié)。勢壘區(qū)和漂移區(qū)形成單質(zhì)結(jié)(homojunct1n)。在勢魚區(qū)中的平均雜質(zhì)濃度高達漂移區(qū)中的雜質(zhì)濃度的至少10倍?？刂平Y(jié)構(gòu)被布置以在反型狀態(tài)中在漂移區(qū)和勢壘區(qū)中形成反型層。在非反型狀態(tài)中，沒有反型層在漂移區(qū)和勢壘區(qū)中被形成。
[0004]根據(jù)實施例,絕緣柵雙極型晶體管包括晶體管單元和輔助單元。輔助單元包括被夾在漂移區(qū)和電荷載流子轉(zhuǎn)移區(qū)之間的勢壘區(qū)，其中勢壘區(qū)和電荷載流子轉(zhuǎn)移區(qū)形成pn結(jié)，并且勢壘區(qū)和漂移區(qū)形成單質(zhì)結(jié)。在勢壘區(qū)中的雜質(zhì)濃度高達漂移區(qū)中的雜質(zhì)濃度的至少10倍。
[0005]另一個實施例涉及包括控制結(jié)構(gòu)和勢壘區(qū)的半導(dǎo)體二極管。該控制結(jié)構(gòu)從第一表面延伸進入半導(dǎo)體主體中，并且包括控制電極和控制介電層，該控制介電層在位于第一側(cè)的半導(dǎo)體主體和位于與第一側(cè)相對的第二側(cè)的控制介電層之間。勢壘區(qū)被夾在半導(dǎo)體主體中的漂移區(qū)和電荷載流子轉(zhuǎn)移區(qū)之間，其中勢壘區(qū)和電荷載流子轉(zhuǎn)移區(qū)形成pn結(jié)，并且勢壘區(qū)和漂移區(qū)形成單質(zhì)結(jié)。在勢壘區(qū)中的雜質(zhì)濃度高達漂移區(qū)中的雜質(zhì)濃度的至少10倍。
[0006]通過閱讀下文中的【具體實施方式】和通過查看附圖，本領(lǐng)域中的技術(shù)人員將能確認(rèn)其他的特征和優(yōu)點。
【附圖說明】
[0007]附圖被包括以提供對本發(fā)明的進一步理解，并且附圖被包括在本說明書中并構(gòu)成本說明書的一部分?！靖綀D說明】了本發(fā)明的實施例，并且和【具體實施方式】一起用于解釋本發(fā)明的原理。通過參考下面的【具體實施方式】，能更好地理解并將容易領(lǐng)會本發(fā)明的其他的實施例和預(yù)期優(yōu)點。
[0008]圖1是依照涉及可控的輔助單元的實施例的一種半導(dǎo)體器件的部分的示意性剖視圖；
[0009]圖2A是依照實施例的一種具有可控的注入單元(inject1n cell)的半導(dǎo)體二極管的部分的示意性剖視圖；
[0010]圖2B是描述了運行圖2A的半導(dǎo)體二極管的方法的示意性時序圖；
[0011]圖3A是根據(jù)實施例的一種具有可控注入單元的RC-1GBT (反向?qū)↖GBT)的部分的示意性剖視圖，該實施例提供了注入單元和晶體管單元的分開控制；
[0012]圖3B是說明運行圖3A的RC-1GBT的方法的示意性時序圖；
[0013]圖4A是根據(jù)實施例的一種具有可控注入單元的RC-1GBT的部分的示意性剖視圖，該實施例提供了注入單元和晶體管單元的集體控制；
[0014]圖4B是說明運行圖4A的RC-1GBT的方法的示意性時序圖；
[0015]圖4C是依照實施例的一種RC-1GBT的部分的示意性剖視圖，該實施例提供了可控的注入單元以及閑置單元(idle cell)；
[0016]圖4D是根據(jù)實施例的一種RC-1GBT的部分的示意性剖視圖，該實施例提供了集中可控的輔助單元和晶體管單元以及閑置單元；
[0017]圖4E是示出了圖4D的RC-1GBT在不同電壓下在反向?qū)Ｊ街械亩O管特性的示意圖；
[0018]圖4F是示出了圖4D的RC-1GBT在用于勢壘區(qū)的各種注入劑量下在反向?qū)Ｊ街械亩O管特性的示意圖；
[0019]圖5A是根據(jù)另一個實施例的一種非反向?qū)↖GBT (non RC-1GBT)的部分的示意性剖視圖，該實施例提供了去飽和單元和晶體管單元的分開控制；
[0020]圖5B是說明運行圖5A的非反向?qū)↖GBT的方法的示意性時序圖；
[0021]圖6A是根據(jù)另一個實施例的一種非反向?qū)↖GBT的部分的示意性剖視圖，該實施例使用電壓移位器(voltage shifter)提供了去飽和單元和晶體管單元的集體控制；
[0022]圖6B是用于說明運行圖6A的非反向?qū)↖GBT的方法的示意性時序圖；
[0023]圖6C是依照進一步的實施例的一種半導(dǎo)體器件的部分的示意性剖視圖，該實施例涉及具有使用包括固定的負(fù)電荷的控制介電層進行集體控制的去飽和單元和晶體管單元的非反向?qū)↖GBT ；
[0024]圖6D是依照進一步的實施例的一種具有使用包括固定的負(fù)電荷的控制介電層進行集體控制的去飽和單元和晶體管單元的非反向?qū)↖GBT的部分的示意性剖視圖，該實施例涉及交替布置的去飽和單元和晶體管單元；
[0025]圖6E是一種具有被集體控制的去飽和單元和晶體管單元以及低通電路的非反向?qū)↖GBT的部分的示意性剖視圖；
[0026]圖7是依照提供非可控的輔助單元的實施例的一種半導(dǎo)體二極管的部分的示意性剖視圖；
[0027]圖8是依照提供非可控輔助單元的實施例的一種IGBT的部分的剖視圖；
[0028]圖9A是根據(jù)實施例的一種半導(dǎo)體二極管的半導(dǎo)體主體的示意性平面圖，該實施例提供了用于輔助單元的均勻分布的緊密控制結(jié)構(gòu)；
[0029]圖9B是根據(jù)實施例的一種半導(dǎo)體二極管的半導(dǎo)體主體的示意性平面圖，該實施例提供了用于輔助單元的條形形狀的控制結(jié)構(gòu)；
[0030]圖9C是根據(jù)實施例的一種半導(dǎo)體二極管的半導(dǎo)體主體的示意性平面圖，該實施例提供了用于輔助單元的柵格形狀的控制結(jié)構(gòu)；
[0031]圖9D是根據(jù)實施例的一種半導(dǎo)體二極管的半導(dǎo)體主體的示意性平面圖，該實施例提供了用于輔助單元的非均勻分布的緊密控制結(jié)構(gòu)；
[0032]圖1OA是根據(jù)實施例的一種半導(dǎo)體器件的半導(dǎo)體主體的示意性平面圖，該實施例包括非均勻分布緊密控制結(jié)構(gòu)，該緊密控制結(jié)構(gòu)用于晶體管單元的輔助結(jié)構(gòu)和柵極結(jié)構(gòu)；
[0033]圖1OB是根據(jù)實施例的一種半導(dǎo)體器件的半導(dǎo)體主體的示意性平面圖，該實施例包括規(guī)律布置控制結(jié)構(gòu)，該控制結(jié)構(gòu)用于晶體管單元的輔助結(jié)構(gòu)和柵極結(jié)構(gòu)；
[0034]圖1OC是根據(jù)實施例的一種半導(dǎo)體器件的半導(dǎo)體主體的示意性平面圖，該實施例包括在去飽和單元的網(wǎng)格(mesh)中形成的用于輔助單元和晶體管單元的柵格形狀的控制結(jié)構(gòu)；
[0035]圖1OD是根據(jù)實施例的一種半導(dǎo)體器件的半導(dǎo)體主體的示意性平面圖，該實施例包括用于輔助單元的框架型的控制結(jié)構(gòu)以及用于晶體管單元的均勻分布的緊密柵極結(jié)構(gòu)。
【具體實施方式】
[0036]下面的【具體實施方式】參考了附圖，附圖構(gòu)成【具體實施方式】的一部分并且以舉例說明的方式示出了本發(fā)明可以實施的特定的實施例。應(yīng)當(dāng)理解的是，不脫離本發(fā)明的范圍，可以利用其它的實施例并且可以做出結(jié)構(gòu)上或者邏輯上的改變。例如，用于說明或描述一個實施例的特征能夠用在其它實施例上或者與其它實施例結(jié)合，以產(chǎn)出又一個實施例。本發(fā)明旨在包括這些修改和變化。示例使用特定的語言進行描述，不應(yīng)當(dāng)被解釋為對所附權(quán)利要求范圍的限制。附圖不一定是按比例的，并且僅以說明為目的。為清楚起見，在不同的附圖中相同的元件用對應(yīng)的附圖標(biāo)記表明，除非另有說明。
[0037]術(shù)語“具有(having)“包括(containing、including、comprising) ”等是開放式術(shù)語，并且該術(shù)語表明所陳述的結(jié)構(gòu)、元件或特征的存在，但并不排除其它的要素或特征。冠詞“一(a或an)”和“該(the) ”旨在包括復(fù)數(shù)以及單數(shù)，除非上下文另有明確表明。
[0038]術(shù)語“電連接(electrically connected) ”描述電連接的元件之間的永久低電阻連接，例如連接的元件之間的直接接觸或者經(jīng)由金屬和/或高摻雜半導(dǎo)體的低電阻連接。術(shù)語“電耦接(electrically coupled) ”包括可在電耦接的元件之間提供適用于信號傳輸?shù)囊粋€或多個介入元件，例如，可控制為在第一狀態(tài)時臨時提供低電阻連接并且在第二狀態(tài)時臨時提供高電阻的電去耦的元件。
[0039]【附圖說明】了緊接摻雜類型“η”或“ρ”之后的用或“ + ”指示的相對摻雜濃度。例如，“Π-”意思是摻雜濃度低于“Π”摻雜區(qū)的摻雜濃度，同時“Π+”摻雜區(qū)具有比“Π”摻雜區(qū)更高的摻雜濃度高于。具有相同的相對摻雜濃度的摻雜區(qū)不一定具有相同的絕對摻雜濃度。例如，兩個不同的“η ”摻雜部位可具有相同或者不同的絕對摻雜濃度。
[0040]圖1示出了半導(dǎo)體器件500的一部分，半導(dǎo)體器件500可以是半導(dǎo)體二極管或IGBT (例如，RB-1GBT (反向阻斷IGBT)或者RC-1GBT (反向?qū)↖GBT))。半導(dǎo)體器件500的半導(dǎo)體主體100由單晶半導(dǎo)體材料提供，例如，硅(Si)、碳化硅(SiC)、鍺(Ge)、鍺化硅晶體(SiGe)、氮化鎵(GaN)、砷化鎵(GaAs)。
[0041]半導(dǎo)體主體100具有可近似平面的或者可由被共面的表面部分跨越的平面給定的第一表面101，如同平行于第一表面101的大體上為平面的第二表面102。第一表面和第二表面101、102之間的最小距離被選擇以達到半導(dǎo)體器件500指定的電壓阻斷能力。例如，對于指定為阻斷電壓約1200V的IGBT，第一表面和第二表面101、102之間的距離可以是90μπι至ΙΙΟμπι。涉及穿通型IGBT(PT-1GBT)或者具有高阻斷能力的IGBT的其他實施例可提供具有數(shù)百微米(Pm)厚度的半導(dǎo)體主體100。
[0042]在垂直于橫截面的平面中，半導(dǎo)體主體100可以是具有數(shù)毫米范圍內(nèi)的邊沿長度的矩形形狀。第一表面101的法線定義垂直方向，并且正交于該垂直方向的反向是橫向方向。
[0043]半導(dǎo)體主體100包括第一導(dǎo)電類型的漂移區(qū)120、在第一表面101和漂移區(qū)120之間的與第一導(dǎo)電類型相反的第二導(dǎo)電類型的電荷載流子轉(zhuǎn)移區(qū)115以及在漂移區(qū)120和第二表面102之間的基座層(pedestal layer) 130。
[0044]對所示實施例，第一導(dǎo)電類型是η型，并且第二導(dǎo)電類型是ρ型。如下文概述的類似考量適用于具有第一導(dǎo)電類型是P型并且第二導(dǎo)電類型是η型的實施例。
[0045]在漂移區(qū)120中的雜質(zhì)濃度，至少在其垂直延伸的部分中可隨著距第一表面101的距離增加而逐漸地或逐步地增加或者減少。根據(jù)其他實施例，在漂移區(qū)120中的雜質(zhì)濃度可以是大約一致的。漂移區(qū)120中的平均雜質(zhì)濃度可以在Ix 1012(lE12)cm_3和Ix
1015(1E15) CnT3 之間，例如，在 5x 112 (5E12) cnT3 至 5x 113 (5