一種功率半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)及其形成方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明大體上涉及功率半導(dǎo)體，并且確切地說(shuō)涉及柵控p-1-n開(kāi)關(guān)，所述開(kāi)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。
【背景技術(shù)】
[0002]功率半導(dǎo)體器件廣泛用作電機(jī)驅(qū)動(dòng)以及開(kāi)關(guān)電源等功率電子系統(tǒng)中的開(kāi)關(guān)。為獲得高效率的功率電子系統(tǒng)，需要具有低功率損耗的功率半導(dǎo)體器件。在高壓功率電子系統(tǒng)(例如，其中輸入和/或輸出電壓大于200V)中，雙載流子功率半導(dǎo)體器件(也稱(chēng)為雙極功率半導(dǎo)體器件)通常用于實(shí)現(xiàn)此目標(biāo)。在此額定電壓中考慮的雙載流子功率半導(dǎo)體器件是絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)以及金屬氧化物半導(dǎo)體(MOS)柵控閘流晶體管(MCT)。然而，已發(fā)現(xiàn)，當(dāng)縮放到高電壓(例如，600到6000V)中時(shí)，IGBT受高正向壓降以及高關(guān)斷能量的限制。另外，MCT在高阻斷電壓下受低可控電流容量的限制。因此，現(xiàn)有的設(shè)計(jì)用于高壓功率電子系統(tǒng)的雙載流子半導(dǎo)體器件是不適當(dāng)?shù)摹?br>[0003]上述常規(guī)功率半導(dǎo)體器件的缺陷僅意圖提供對(duì)當(dāng)前技術(shù)的一些問(wèn)題的概述，且并不意圖是詳盡的?，F(xiàn)有技術(shù)的其它問(wèn)題以及本文中所描述的一些各種非限制性實(shí)施例的相應(yīng)益處，可以在審閱以下【具體實(shí)施方式】之后變得更加清楚。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明提供具有在柵極電介質(zhì)中的電荷捕獲俘獲材料以及自耗盡通道溝道的柵控p-1-n開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)以及相應(yīng)的制造方法。
[0005]—種功率半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其包括:
[0006]溝槽，所述溝槽被包括三層的柵極電介質(zhì)加襯，所述三層包括內(nèi)層、外層、以及在所述內(nèi)層與所述外層之間形成的中間層；
[0007]柵極電極，所述柵極電極在所述溝槽內(nèi)并且與所述內(nèi)層相鄰而形成；
[0008]第一導(dǎo)電類(lèi)型的輕摻雜溝道，所述輕摻雜溝道位于緊鄰所述溝槽的第一側(cè)面處并且與所述外層相鄰，其中所述輕摻雜溝道摻雜不超過(guò)第一界定摻雜程度；
[0009]所述第一導(dǎo)電類(lèi)型的輕摻雜漂移區(qū)，所述輕摻雜漂移區(qū)位于所述溝槽的第二側(cè)面下方、所述溝道下方、并且與所述外層相鄰，其中所述輕摻雜漂移區(qū)摻雜不超過(guò)第二界定摻雜程度；
[0010]第一導(dǎo)電類(lèi)型的陰極區(qū)，所述陰極區(qū)位于所述溝道上方且與所述溝道相鄰并且與所述外層相鄰；
[0011]第二導(dǎo)電類(lèi)型的重?fù)诫s區(qū)，所述重?fù)诫s區(qū)位于所述陰極區(qū)上方且與所述陰極區(qū)相鄰并且與所述外層相鄰，其中所述重?fù)诫s區(qū)摻雜不小于第三界定摻雜程度；
[0012]所述第一導(dǎo)電類(lèi)型的另一重?fù)诫s區(qū)，所述另一重?fù)诫s區(qū)位于所述陰極區(qū)上方且與所述陰極區(qū)相鄰并且與所述第二導(dǎo)電類(lèi)型的所述重?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；以及
[0013]陰極電極，所述陰極電極短接所述第一導(dǎo)電類(lèi)型的所述另一重?fù)诫s區(qū)與所述第二導(dǎo)電類(lèi)型的所述重?fù)诫s區(qū)，其中所述陰極區(qū)經(jīng)由所述第一導(dǎo)電類(lèi)型的所述另一重?fù)诫s區(qū)連接到所述陰極電極上。
[0014]進(jìn)一步的，所述柵極電介質(zhì)的所述中間層包括電荷俘獲材料。
[0015]更進(jìn)一步的，所述電荷俘獲材料包括氮化硅或硅納米晶體中的至少一者，并且其中負(fù)固定電荷存在于所述電荷俘獲材料中。
[0016]進(jìn)一步的，當(dāng)所述功率半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)處于關(guān)斷狀態(tài)時(shí)，在所述第二導(dǎo)電類(lèi)型的所述重?fù)诫s區(qū)與所述外層之間具有零柵偏壓下的反型層。
[0017]更進(jìn)一步的，基于在所述陰極區(qū)與所述反型層之間產(chǎn)生的內(nèi)建電勢(shì)，當(dāng)所述半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)處于所述關(guān)斷狀態(tài)時(shí)，所述溝道處于自耗盡狀態(tài)。
[0018]更進(jìn)一步的，基于向所述柵極電極施加正電壓，當(dāng)所述功率半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)處于導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，所述反型層被轉(zhuǎn)變成積累層并且所述溝道電荷態(tài)變成中性。
[0019]進(jìn)一步的，所述陰極區(qū)具有比所述溝道更高的摻雜濃度。
[0020]更進(jìn)一步的，所述陰極區(qū)具有在I X 116CnT3與1X10 19cm_3之間的摻雜濃度。
[0021]進(jìn)一步的，所述第一界定摻雜程度以及所述第二界定摻雜程度是在IX 113CnT3與IX 115CnT3之間的摻雜濃度范圍的對(duì)應(yīng)上限，并且所述第三界定摻雜程度以及所述第四界定摻雜程度是在I X 118CnT3與I X 10 21CnT3之間的另一摻雜濃度范圍的對(duì)應(yīng)下限。
[0022]進(jìn)一步的，所述柵極電介質(zhì)的所述外層包括自然氧化硅。
[0023]進(jìn)一步的，所述柵極電介質(zhì)的所述內(nèi)層包括氧化硅或氧化鋁中的至少一者。
[0024]進(jìn)一步的，所述的功率半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其進(jìn)一步包括:
[0025]所述第一導(dǎo)電類(lèi)型的緩沖區(qū)，所述緩沖區(qū)位于與所述輕摻雜漂移區(qū)相鄰處并且在所述輕摻雜漂移區(qū)下方；
[0026]所述第二導(dǎo)電類(lèi)型的重?fù)诫s陽(yáng)極區(qū)，所述重?fù)诫s陽(yáng)極區(qū)位于與所述緩沖區(qū)相鄰處并且在所述緩沖區(qū)下方，其中所述重?fù)诫s陽(yáng)極區(qū)摻雜不小于第五界定摻雜程度；以及
[0027]陽(yáng)極電極，所述陽(yáng)極電極位于與所述陽(yáng)極區(qū)相鄰處并且在所述陽(yáng)極區(qū)下方。
[0028]更進(jìn)一步的，所述的功率半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其進(jìn)一步包括:
[0029]所述第二導(dǎo)電類(lèi)型的重?fù)诫s陽(yáng)極區(qū)，所述重?fù)诫s陽(yáng)極區(qū)位于與所述漂移區(qū)相鄰處并且在所述漂移區(qū)下方，其中所述重?fù)诫s陽(yáng)極區(qū)摻雜不小于第五界定摻雜程度；以及陽(yáng)極電極，所述陽(yáng)極電極與所述陽(yáng)極區(qū)相鄰并且在所述陽(yáng)極區(qū)下方。
[0030]更進(jìn)一步的，所述的第五界定摻雜程度是在IX 118CnT3與IX 10 21CnT3之間的摻雜濃度范圍內(nèi)。
[0031]一種用于形成功率半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的方法，其包括:
[0032]在具有第一導(dǎo)電類(lèi)型的硅襯底晶片的上部區(qū)中形成具有所述第一導(dǎo)電類(lèi)型的陰極區(qū)，其中所述陰極區(qū)具有比所述晶片襯底材料更高的摻雜濃度；
[0033]在所述陰極區(qū)內(nèi)形成溝槽，并且所述溝槽延伸到所述硅晶片襯底中，以建立在所述溝槽的第一側(cè)面上且在所述陰極區(qū)下方的溝道以及在所述溝槽及所述溝道下方的漂移區(qū)；
[0034]在所述溝槽內(nèi)形成包括三層的柵極電介質(zhì)，所述三層包括與所述溝槽的第一表面相鄰的外層、與所述外層的第二表面相鄰的中間層以及與所述內(nèi)層的第三表面相鄰的內(nèi)層；
[0035]在所述溝槽內(nèi)并且與所述柵極電介質(zhì)的所述內(nèi)層相鄰處形成柵極電極；
[0036]在所述陰極區(qū)的上部部分內(nèi)并且與所述柵極電介質(zhì)的所述外層相鄰處形成第二導(dǎo)電類(lèi)型的重?fù)诫s區(qū)；
[0037]在所述陰極區(qū)的所述上部部分內(nèi)并且與所述第二導(dǎo)電類(lèi)型的所述重?fù)诫s區(qū)相鄰而形成所述第一導(dǎo)電類(lèi)型的另一重?fù)诫s區(qū)，其中所述第二導(dǎo)電類(lèi)型的所述重?fù)诫s區(qū)以及所述第一導(dǎo)電類(lèi)型的所述另一重?fù)诫s區(qū)對(duì)應(yīng)地具有比所述陰極區(qū)更高的摻雜濃度；
[0038]形成陰極電極，所述陰極電極短接所述第一導(dǎo)電類(lèi)型的所述另一重?fù)诫s區(qū)與所述第二導(dǎo)電類(lèi)型的所述重?fù)诫s區(qū)；以及
[0039]經(jīng)由所述第一導(dǎo)電類(lèi)型的所述另一重?fù)诫s區(qū)將所述陰極區(qū)連接到所述陰極電極上。
[0040]進(jìn)一步的，所述形成所述第一導(dǎo)電類(lèi)型以及所述第二導(dǎo)電類(lèi)型的所述另一重?fù)诫s區(qū)包括以I X 118CnT3與I X 10 21CnT3之間的濃度進(jìn)行的離子注入，以及退火。
[0041]進(jìn)一步的，所述形成所述第一導(dǎo)電類(lèi)型的所述陰極區(qū)包括以IX 116CnT3與I X 119CnT3之間的濃度進(jìn)行的離子注入，以及退火。
[0042]進(jìn)一步的，所述形成所述溝槽包括蝕刻。
[0043]進(jìn)一步的，所述外層包括氧化物并且所述形成所述柵極電介質(zhì)包括氧化所述溝槽的所述表面以形成所述氧化物。
[0044]進(jìn)一步的，所述中間層包括電荷俘獲材料。
[0045]更進(jìn)一步的，用于形成功率半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)方法，進(jìn)一步包括:
[0046]確定所述功率半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的閾值電壓；以及
[0047]基于所述閾值電壓選擇包含在所述電荷俘獲材料中的固定電荷的量。
[0048]進(jìn)一步的，所述中間層包括氮化硅或硅納米晶體中的至少一者。
[0049]更進(jìn)一步的，所述形成所述柵極電介質(zhì)包括在形成所述外層之后經(jīng)由化學(xué)氣相沉積形成所述中間層。
[0050]更進(jìn)一步的，所述形成所述柵極電介質(zhì)包括在所述內(nèi)層的形成之后經(jīng)由硅離子注入形成所述中間層。
[0051]進(jìn)一步的，所述內(nèi)層包括氧化硅或氧化鋁中的至少一者。
[0052]更進(jìn)一步的，所述形成所述內(nèi)層包括采用原子層沉積。
[0053]進(jìn)一步的，所述形成所述柵極電介質(zhì)包括氧化所述中間層以形成所述內(nèi)層。
[0054]進(jìn)一步的，用于形成功率半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的方法，進(jìn)一步包括:
[0055]將所述功率半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)設(shè)定成關(guān)斷狀態(tài)，所述設(shè)定包括在所述第二導(dǎo)電類(lèi)型的所述重?fù)诫s區(qū)與所述柵極電介質(zhì)的所述外層之間形成具有零柵偏壓下的反型層。
[0056]更進(jìn)一步的，所述將所述功率半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)設(shè)定成所述關(guān)斷狀態(tài)進(jìn)一步包括:
[0057]在所述陰極區(qū)與所述反型層之間產(chǎn)生內(nèi)建電勢(shì)；以及
[0058]建立自耗盡溝道狀態(tài)。
[0059]進(jìn)一步的，所述用于形成功率半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的方法，進(jìn)一步包括將所述半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)從所述關(guān)斷狀態(tài)切換到導(dǎo)通狀態(tài)，所述切換包括:
[0060]向所述柵極電極施加正電壓；
[0061]將所述反型層轉(zhuǎn)變成積累層；以及
[0062]將所述溝道轉(zhuǎn)換至導(dǎo)通狀態(tài)。
[0063]進(jìn)一步的，所述用于形成功率半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的方法，進(jìn)一步包括:
[0064]形成與所述漂移區(qū)相鄰并且在所述漂移區(qū)下方的所述第一導(dǎo)電類(lèi)型的緩沖區(qū)；
[0065]形成與所述緩沖區(qū)相鄰并且在所述緩沖區(qū)下方的所述第二導(dǎo)電類(lèi)型的重?fù)诫s陽(yáng)極區(qū)；以及
[0066]形成與所述陽(yáng)極區(qū)相鄰并且在所述陽(yáng)極區(qū)下方的陽(yáng)極電極。
[0067]進(jìn)一步的，所述用于形成功率半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的方法，進(jìn)一步包括:
[0068]與所述漂移區(qū)相鄰并且在所述漂移區(qū)下方形成所述第二導(dǎo)電類(lèi)型的重?fù)诫s陽(yáng)極區(qū)；以及
[0069]與所述陽(yáng)極區(qū)相鄰并且在所述陽(yáng)極區(qū)下方形成陽(yáng)極電極。
[0070]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:
[0071]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)具有給所述溝槽內(nèi)的所述柵極電極的表面加襯的電荷俘獲材料；
[0072]第一導(dǎo)電類(lèi)型以及第一摻雜濃度的溝道，所述溝道位于緊鄰所述溝槽的第一側(cè)面處并且與所述柵極電介質(zhì)相鄰；
[0073]所述第一導(dǎo)電類(lèi)型以及大于所述第一摻雜濃度的第二摻雜濃度的陰極區(qū)，所述陰極區(qū)位于所述溝道上方且與所述溝道相鄰并且與所述柵極電介質(zhì)相鄰，所述陰極區(qū)包括第二導(dǎo)電類(lèi)型以及大于所述第二摻雜濃度的第三摻雜濃度的第一摻雜區(qū)，所述第一