包含電荷存儲結構的半導體開關器件的制作方法
【專利說明】
【背景技術】
[0001]功率半導體開關器件是在柵極與源極之間沒有電勢差時傳導負載電流的常開型器件或者在柵極與源極之間沒有電勢差時不傳導負載電流的常關型器件。尤其出于安全原因，常關型開關器件更流行。另一方面，在一些應用(諸如共發共基放大器電路)中，常開型開關半導體器件能夠減少電路的復雜性。
[0002]進一步在功率半導體開關器件的領域中，去飽和循環在將半導體開關器件從開態切換到阻斷狀態之前可以部分地減少電荷載流子等離子體。
[0003]目標是提供具有改進的器件特性的可去飽和(desaturable)半導體開關器件以及常開型半導體開關器件。
【發明內容】
[0004]用獨立權利要求的主題來實現該目標。從屬權利要求限定進一步的實施例。
[0005]依據實施例，半導體開關器件包含第一負載端子，該第一負載端子被電氣連接到晶體管單元的源極區段。源極區段與基體區段形成第一 pn結。第二負載端子被電氣連接到漏極構造，該漏極構造與基體區段形成第二 pn結。包含控制電極和電荷存儲結構的控制結構直接地鄰接基體區段。控制電極控制經過基體區段的負載電流。電荷存儲結構將控制電極與基體區段絕緣，并且含有控制電荷，該控制電荷被適配于在控制電極與第一負載電極之間沒有電勢差時誘發基體區段中的反型溝道。
[0006]依據另一個實施例，半導體開關器件包含晶體管單元，該晶體管單元包含與基體區段形成第一 pn結的源極區段。基體區段與漏極構造形成第二 pn結。輔助的單元包含電荷載流子傳遞區段，該電荷載流子傳遞區段與漏極構造的去飽和部分形成第三pn結。第一控制結構包含控制電極的第一部分，并且在開態中誘發經過基體區段的反型溝道。第二控制結構直接地鄰接漏極構造的去飽和部分。第二控制結構包含控制電極的第二部分和夾在控制電極的第二部分與去飽和部分之間的帶電層。帶電層含有控制電荷，該控制電荷被適配于在開態中誘發去飽和部分中的反型層。
[0007]在閱讀下面詳細的描述時并且在觀看附圖時，本領域技術人員將認識到附加的特征和優勢。
【附圖說明】
[0008]附圖被包含以提供本發明的進一步理解，并且被結合在本說明書中以及構成本說明書的部分。附圖圖解本發明的實施例，并且與描述一起用于解釋本發明的原理。本發明的其它實施例和預期的優勢將容易被領會，因為通過參考下面的詳細描述它們變得更好理解。
[0009]圖1A是用于圖解涉及常開型半導體開關器件的實施例的效應的半導體開關器件的部分的示意橫截面視圖。
[0010]圖1B是用于討論涉及常開型半導體開關器件的實施例的效應的示意IL/VGS特性。
[0011 ] 圖2A是依據與在常開型半導體開關器件的控制電介質中的固定電荷載流子相關的實施例的半導體開關器件的部分的示意橫截面視圖。
[0012]圖2B是依據與在常開型半導體開關器件的電介質電荷捕獲層中捕獲的電荷相關的實施例的半導體開關器件的部分的示意橫截面視圖。
[0013]圖2C是依據與常開型半導體開關器件的導電電荷存儲層相關的實施例的半導體開關器件的部分的示意橫截面視圖。
[0014]圖2D是依據涉及包含編程電極的常開型半導體開關器件的實施例的半導體開關器件的部分的示意橫截面視圖。
[0015]圖3A是依據與具有平面柵極結構的常開型半導體開關器件相關的實施例的半導體開關器件的部分的示意透視圖。
[0016]圖3B是依據與具有溝槽柵極結構的常開型半導體開關器件相關的實施例的半導體開關器件的部分的示意透視圖。
[0017]圖3C是依據與基于FinFET (鰭型場效應晶體管)單元的常開型半導體開關器件相關的實施例的半導體開關器件的部分的示意透視圖。
[0018]圖4A是依據實施例的包含常開型半導體開關器件的電子電路的示意電路圖。
[0019]圖4B是依據與共發共基放大器電路相關的進一步實施例的包含常開型半導體開關器件的電子電路的不意電路圖。
[0020]圖5是繪制作為柵極到源極電壓Vm和浮置柵極上的控制電荷的函數的漏極電流ID的用于討論涉及常開型半導體開關器件的實施例的效應的示意圖。
[0021]圖6是繪制作為充電時間的函數的浮置柵極結構上的電荷的用于討論涉及常開型半導體開關器件以及可去飽和半導體開關器件的實施例的效應的示意圖。
[0022]圖7A是用于圖解涉及可去飽和半導體開關器件的實施例的效應的半導體開關器件的部分的示意橫截面視圖。
[0023]圖7B是用于圖解圖7A的半導體開關器件的操作的模式的示意時間圖。
[0024]圖8A是依據與在可去飽和半導體開關器件的電介質電荷捕獲層中捕獲的電荷相關的實施例的半導體開關器件的部分的示意橫截面視圖。
[0025]圖8B是依據與可去飽和半導體開關器件的導電電荷存儲層相關的實施例的半導體開關器件的部分的示意橫截面視圖。
[0026]圖8C是依據與包含編程電極的可去飽和半導體開關器件相關的實施例的半導體開關器件的部分的示意橫截面視圖。
[0027]圖8D是依據與主溝槽外部的帶電層相關的實施例的半導體開關器件的部分的示意橫截面視圖。
[0028]圖8E是依據與從嵌入的硅納米晶體形成的帶電層相關的實施例的半導體開關器件的部分的示意橫截面視圖。
[0029]圖8F是依據與組合的輔助/晶體管單元相關的實施例的半導體開關器件的部分的示意橫截面視圖。
[0030]圖9A是依據與可去飽和IGBT相關的實施例的半導體開關器件的部分的示意橫截面視圖。
[0031]圖9B是依據與可去飽和IGFET相關的實施例的半導體開關器件的部分的示意橫截面視圖。
[0032]圖10A是依據與具有通過場電極分離的晶體管單元對和輔助單元對的布局相關的實施例的半導體開關器件的部分的示意橫截面視圖。
[0033]圖10B是依據與具有鏡面對稱的輔助單元對和鏡面對稱的晶體管單元對的布局相關的實施例的半導體開關器件的部分的示意橫截面視圖。
[0034]圖10C是依據與具有非對稱控制結構的布局相關的實施例的半導體開關器件的部分的示意橫截面視圖。
[0035]圖11是依據與平面控制結構相關的實施例的半導體開關器件的部分的示意橫截面視圖。
【具體實施方式】
[0036]在下面的詳細描述中參考附圖，附圖形成本文的部分并且在附圖中通過圖示的方式示出了在其中可以實踐本發明的特定實施例。要理解的是，在不脫離本發明的范圍的情況下，可以利用其它實施例并且可以做出結構的或邏輯的改變。例如，對于一個實施例圖解或描述的特征能夠被用在其它實施例上或結合其它實施例來使用以又產生進一步實施例。旨在本發明包含這樣的修改和變化。使用特定語言來描述示例，該示例不應當被解釋為限制所附權利要求的范圍。附圖不是成比例的并且僅用于說明性目的。為了清楚起見，如果沒有另外聲明，則相同的要素已經通過不同附圖中的對應的參考而被指定。
[0037]術語“具有”、“含有”、“包含”、“包括”等等是開放式的，并且術語指示所聲明的結構、要素或特征的存在，但不排除附加要素或特征。冠詞“一”、“一個”和“該”旨在包含復數以及單數，除非上下文另外清楚指示。
[0038]術語“電氣連接”描述電氣連接的元件之間的永久低歐姆連接，例如相關元件之間的直接接觸或者經由金屬和/或高摻雜半導體的低歐姆連接。術語“電氣耦合”包含被適配于信號傳輸的一個或多個介入元件可以被提供在電氣耦合元件(例如，可控制來暫時性提供處于第一狀態的低歐姆連接和處于第二狀態的高歐姆電去耦的元件)之間。
[0039]附圖通過接近摻雜類型“η”或“ρ”指示或“ + ”來圖解相對摻雜濃度。例如，“η-”意味著小于“η”摻雜區的摻雜濃度的摻雜濃度，而“η+”摻雜區具有比“η”摻雜區更高的摻雜濃度。相同的相對摻雜濃度的摻雜區不必具有相同的絕對摻雜濃度。例如，兩個不同的“η”摻雜區可以具有相同或不同的絕對摻雜濃度。
[0040]圖1Α指代半導體開關器件500，該半導體開關器件500包含有源晶體管單元TC，例如IGFET (絕緣柵極場效應晶體管)，諸如M0SFET (金屬氧化物半導體FET)，在通常的含義中包含具有金屬柵極的FET以及具有非金屬柵極的FET。
[0041]半導體開關器件500基于來自以下材料的半導體基體100:單晶半導體材料，諸如硅(Si )、碳化硅(SiC)、鍺(Ge)、硅鍺晶體(SiGe)、氮化鎵(GaN)、砷化鎵(GaAs)或任何其它4?8￥半導體。半導體基體100具有:第一表面101，可以是近似平面的或者可以被由共面表面截面橫跨的平面限定；以及平行于第一表面101的平面的第二表面102。第一表面101的垂線限定垂直方向，并且與垂直方向正交的方向是水平方向。在水平平面中，半導體基體100可以具有帶有在幾個毫米的范圍中的邊沿長度的矩形形狀或可以是帶有幾個厘米的直徑的圓盤形的。
[0042]半導體基體100包含可以直接鄰接第一表面101的第一導電類型的源極區段110。源極區段110與具有第二、互補導電類型的基體區段115形成第一 pn結pnl。第一負載端子L1被電氣連接到源極區段110和基體區段115。基體區段115與漏極構造120形成第二pn結pn2，并且將源極區段110與漏極構造120分離。漏極構造120被電氣連接到第二負載端子L2。
[0043]漏極構造120包含第一導電類型的漂移區段121。漂移區段121中的摻雜劑濃度可以至少在其垂直延伸的部分中隨著增加到第一表面101的距離而逐漸地或逐步地增加或減少。依據其它實施例，漂移區段121中的摻雜劑濃度可以是近似均勻的。漂移區段121中的平均摻雜劑濃度可以在5E12 cm3與5E17 cm 3之間，例如在從5E13 cm 3到5E16 cm 3的范圍中。漏極構造120可以包含兩個導電類型的進一步摻雜區段，例如超級結結構、場停止層、阻擋區段、相反摻雜島和/或重摻雜接觸層，其摻雜劑濃度足夠高以與直接鄰接第二表面102的金屬形成歐姆接觸。
[0044]控制結構400直接鄰接基體區段115。至少一個控制結構400包含控制電極420和電荷存儲結構410。
[0045]控制電極420可以被電氣耦合或連接到半導體器件500的柵極端子G。控制電極420可以包含以下各項或由以下各項組成:重摻雜多晶硅