本公開涉及一種半導體器件以及涉及一種用于制造半導體器件的方法。

背景技術：

1、需要一種改進的半導體器件，例如需要一種能夠在關斷瞬態(tài)期間將電荷載流子(如，空穴)從半導體主體中有效地去除而不損害導通狀態(tài)損耗的半導體器件。此外，還需要一種用于制造這種半導體器件的改進的方法。

技術實現(xiàn)思路

1、本公開的實施例涉及一種改進的半導體器件和用于制造半導體器件的改進的方法。

2、首先，指定半導體器件。

3、根據(jù)實施例，半導體器件包括具有頂側的半導體主體、在頂側上的主電極、以及柵電極。半導體主體包括第一導電類型的漂移層。半導體主體進一步包括垂直布置在漂移層和頂側之間的第二導電類型的第一基區(qū)。此外，半導體主體還包括垂直布置在漂移層和頂側之間的第一導電類型的第二基區(qū)。第二基區(qū)具有比漂移層更大的摻雜濃度并且鄰接漂移層。此外，半導體主體還包括第一導電類型的第一接觸區(qū)。第一接觸區(qū)鄰接第一基區(qū)和頂側。此外，半導體主體還包括第二導電類型的第二接觸區(qū)。第二接觸區(qū)鄰接第二基區(qū)和頂側。主電極與第一接觸區(qū)和第二接觸區(qū)電接觸。在第一橫向方向上，柵電極的至少一部分布置在第一接觸區(qū)和第二接觸區(qū)之間以及第一基區(qū)和第二基區(qū)之間。

4、雙極半導體器件(如igbt)是電子和空穴(holes)均參與傳導過程的器件。電子和空穴兩者的注入導致在漂移層中形成高密度等離子體，這降低了這一層的電阻并因此減小了導通狀態(tài)期間的損耗。然而，在關斷狀態(tài)期間，需要迅速地移除所存儲的等離子體，以便使開關損耗最小化。因此，在這種器件的導通狀態(tài)電壓降(vce-sat)和關斷開關損耗(eoff)之間存在著折衷(trade-off)。

5、在本發(fā)明中，借助于第二基區(qū)和第二接觸區(qū)引入了用于第二類型電荷載流子(如，空穴)的受控提取的互補晶體管?；パa晶體管為僅在主晶體管的關斷時段期間保持有效的第二類型電荷載流子提供附加的提取路徑，其中主晶體管包括第一基區(qū)和第一接觸區(qū)。因此，減小了半導體器件的開關損耗而不損害其導通狀態(tài)。半導體器件的功能不受例如溝槽間距的限制。此外，由于不需要附加的柵極連接，因此密勒電容(cgc)不會受到不利影響。這一概念例如應用于基于mos的雙極器件，諸如igbt、反向?qū)?rc)-igbt、雙向igbt(bigt)、mos控制的二極管，并且可以被轉換為溝槽結構以及平面結構。

6、半導體主體可基于si或sic或gan或任何其他的半導體材料。橫向方向在本文中是指平行于半導體主體的頂側的方向。垂直方向在本文中是指垂直于頂側的方向。

7、主電極可以由金屬形成。柵電極可以包括或由高摻雜的金屬或多晶硅組成。特別地，柵電極通過電隔離材料(如sio2)或任何其它的電介質(zhì)材料或兩種或多種電介質(zhì)材料的組合與半導體主體隔離。因此，半導體器件可以是隔離的柵極器件。特別地，柵電極和主電極彼此電隔離，使得它們可以被設置為不同的電勢以用于操作。

8、漂移層可以在半導體主體的整個橫向延伸上延伸。漂移層為第一導電類型。第一導電類型可以是電子傳導或空穴傳導。第二導電類型不同于第一導電類型，即，是空穴傳導或電子傳導。電子傳導的區(qū)域或?qū)邮莕摻雜的，空穴傳導的區(qū)域或?qū)邮莗摻雜的。例如，漂移層中的摻雜濃度至少為108cm-3并且至多為1015cm-3。

9、第一基區(qū)垂直布置在漂移層和頂側之間，即，在垂直方向上布置在漂移層和頂側之間。例如，第一基區(qū)中的摻雜濃度至少為1015cm-3和/或至多為1018cm-3。第一基區(qū)可以鄰接漂移層和/或頂側，即，可以與漂移層直接接觸和/或可以形成頂側的一部分。

10、第二基區(qū)為與漂移層相同的導電類型，但是具有比漂移層更大的摻雜濃度，例如，第二基區(qū)中的摻雜濃度比漂移層中的摻雜濃度大至少10倍或至少100倍。例如，第二基區(qū)中的摻雜濃度至少為1015cm-3和/或至多為1018cm-3

11、第二基區(qū)鄰接漂移層，即，與漂移層直接接觸。特別地，在漂移層和第二基區(qū)之間沒有垂直布置的第二導電類型的區(qū)域。此外，第二基區(qū)可以鄰接頂側，即，可以形成其一部分。

12、本文中，當比較層或區(qū)域的摻雜濃度時，比較的是這些層或區(qū)域的平均摻雜濃度或最大摻雜濃度。當定義層或區(qū)域中的摻雜濃度的上限和下限時，意味著對應層/區(qū)域中的最大摻雜濃度不超過上限并且對應層/區(qū)域中的最小摻雜濃度沒有降到下限以下。

13、第一接觸區(qū)鄰接第一基區(qū)和頂側，即，與第一基區(qū)直接接觸并形成頂側的一部分。例如，第一接觸區(qū)垂直布置在第一基區(qū)和頂側之間并在垂直方向上鄰接第一基區(qū)。附加地或替代地，第一接觸區(qū)可以在第一橫向方向上鄰接第一基區(qū)。

14、第一接觸區(qū)可以至少部分地嵌入在第一基區(qū)中。特別地，第一接觸區(qū)可以至少部分地被第一基區(qū)橫向包圍。第一接觸區(qū)中的摻雜濃度例如大于第一基區(qū)中的摻雜濃度，例如至少大10倍或至少大100倍。例如，第一接觸區(qū)中的摻雜濃度至少為1017cm-3、或至少為1018cm-3、或至少1019cm-3。

15、第二接觸區(qū)鄰接第二基區(qū)和頂側，即，與第二基區(qū)直接接觸并形成頂側的一部分。例如，第二接觸區(qū)垂直布置在第二基區(qū)和頂側之間并在垂直方向上鄰接第二基區(qū)。附加地或替代地，第二接觸區(qū)可以在第一橫向方向上鄰接第二基區(qū)。

16、第二接觸區(qū)可以至少部分地嵌入在第二基區(qū)中。特別地，第二接觸區(qū)可以至少部分地被第二基區(qū)橫向包圍。第二接觸區(qū)中的摻雜濃度例如大于第二基區(qū)中的摻雜濃度，例如至少大10倍或至少大100倍。例如，第二接觸區(qū)中的摻雜濃度至少為1017cm-3或至少為1018cm-3或至少為1019cm-3。

17、接觸區(qū)也稱為源區(qū)。

18、在垂直方向上測量的第一基區(qū)和第二基區(qū)的厚度可以至少為1微米和/或至多為8微米。在每種情況下，第一接觸區(qū)和第二接觸區(qū)的厚度可以至少為50納米和/或至多為1微米。在每種情況下，第一接觸區(qū)和第二接觸區(qū)在第一橫向方向上的橫向延伸可以至少為50納米和/或至多為5微米。在每種情況下，第一基區(qū)和第二基區(qū)在第一橫向方向上的橫向延伸可以至少為500納米和/或至多為5微米。

19、主電極與第一接觸區(qū)和第二接觸區(qū)電接觸，即，直接電接觸。例如，主電極在頂側處鄰接第一接觸區(qū)和第二接觸區(qū)。例如，主電極不與第二基區(qū)直接電接觸。在主電極和接觸區(qū)之間可以形成歐姆接觸。

20、在第一橫向方向上，柵電極的至少一部分(例如，柵電極的主要部分或整個柵電極)橫向布置在第一接觸區(qū)和第二接觸區(qū)之間以及第一基區(qū)和第二基區(qū)之間。例如，在第一橫向方向上僅有一個柵電極布置在第一接觸區(qū)和第二接觸區(qū)之間以及第一基區(qū)和第二基區(qū)之間。舉例來說，在第一橫向方向上測量的第一接觸區(qū)與第二接觸區(qū)之間的距離至多是在第一橫向方向上的柵電極的橫向延伸的兩倍或1.5倍。例如，第一接觸區(qū)和第二接觸區(qū)之間在第一橫向方向上的距離至多為10微米。

21、根據(jù)另一實施例，半導體器件被配置為通過設置柵電極的電勢而借助于柵電極來反轉第一基區(qū)中的區(qū)(即，反轉這一區(qū)中的導電類型)，并從而使漂移層與第一接觸區(qū)之間的第一類型電荷載流子的電流流動能夠通過這一區(qū)。反相區(qū)面向柵電極，即，是第一基區(qū)中的最靠近柵電極的區(qū)。

22、替代地，借助于柵電極反轉第二基區(qū)中的區(qū)，從而使漂移層與第二接觸區(qū)之間的第二類型電荷載流子的電流流動能夠通過這一區(qū)。此外，反相區(qū)面向柵電極，即，是第二基區(qū)中的最靠近柵電極的區(qū)。

23、因此，漂移層、第一基區(qū)和第一接觸區(qū)形成第一晶體管(主晶體管)的一部分，漂移層、第二基區(qū)和第二接觸區(qū)形成第二晶體管(互補晶體管)的一部分。

24、在第一導電類型為電子傳導的情況下，第一類型電荷載流子為電子。相應地，第二導電類型為空穴傳導，第二類型電荷載流子為空穴。

25、例如，在第一種情況下，當?shù)谝换鶇^(qū)中的區(qū)被反轉時，使得第一類型電荷載流子能夠從主電極流過第一接觸區(qū)、流過第一基區(qū)中的反相區(qū)并流入漂移層。例如，在第二種情況下，當?shù)诙鶇^(qū)中的區(qū)被反轉時，使得第二類型電荷載流子能夠從漂移層流過第二基區(qū)中的反相區(qū)、流過第二接觸區(qū)并流入主電極。

26、根據(jù)另一實施例，半導體器件是平面器件，即，為平面結構，其中柵電極布置在頂側上。例如，在第一橫向方向上，柵電極至少部分地與第一接觸區(qū)和第二接觸區(qū)對齊和/或與第一基區(qū)和第二基區(qū)對齊。由此，柵電極通過電隔離層與接觸區(qū)隔離開。例如，在頂側的俯視圖中，柵電極與第一接觸區(qū)和第二接觸區(qū)以及第一基區(qū)和第二基區(qū)至少部分地重疊。

27、根據(jù)另一實施例，半導體器件為溝槽器件，即為溝槽結構，其中柵電極布置在有源溝槽中。有源溝槽在垂直方向上從頂側延伸到半導體主體中。例如，第一接觸區(qū)和第二接觸區(qū)和/或第一基區(qū)和第二基區(qū)在垂直方向上與柵電極至少部分地對齊。也就是說，在沿第一橫向方向的側視圖中，有源溝槽和其中的柵電極與第一和第二接觸區(qū)和/或第一和第二基區(qū)部分地或完全地重疊。例如，有源溝槽比第一和第二接觸區(qū)和/或比第一和第二基區(qū)更深地延伸到半導體主體中。例如，有源溝槽和柵電極在垂直方向上延伸到半導體主體中至少2微米、或至少4微米、和/或至多10微米。

28、根據(jù)另一實施例，半導體器件包括虛設溝槽，該虛設溝槽被布置為鄰近有源溝槽并在第一橫向方向上與有源溝槽間隔開。

29、其中具有柵電極的溝槽在本文中稱為“有源溝槽”。其中不具有柵電極的溝槽在本文中稱為“虛設(dummy)溝槽”。例如，第二基區(qū)和第二接觸區(qū)在第一橫向方向上布置在有源溝槽和虛設溝槽之間。第二基區(qū)可以在第一橫向方向上鄰接有源溝槽和虛設溝槽。

30、根據(jù)另一實施例，虛設溝槽填充有導電材料，例如，高摻雜多晶硅。導電材料例如通過隔離材料與半導體主體電隔離。例如，虛設溝槽中的導電材料電連接到主電極。

31、半導體器件的溝槽，無論它們是有源溝槽還是虛設溝槽，都可以具有制造公差的限制內(nèi)的相同尺寸。替代地，虛設溝槽可以比有源溝槽更深或更淺。

32、例如，在第一和第二接觸區(qū)之間以及第一和第二基區(qū)之間布置了正好一個有源溝槽。第一接觸區(qū)和第二接觸區(qū)可以在相對于第一橫向方向的不同側上鄰接有源溝槽。同樣地，第一基區(qū)和第二基區(qū)可以在相對于第一橫向方向的不同側上鄰接有源溝槽。

33、根據(jù)另一實施例，第一導電類型的增強區(qū)垂直布置在第一基區(qū)和漂移層之間。例如，增強區(qū)在第一基區(qū)的整個橫向延伸上橫向延伸。因此，增強層在第一基區(qū)的整個橫向延伸上布置在漂移層和第一基區(qū)之間。增強區(qū)可以鄰接第一基區(qū)和/或漂移層。這一增強區(qū)在本文中也稱為“第一增強區(qū)”。

34、根據(jù)另一實施例，增強區(qū)具有比漂移層更大的摻雜濃度。例如，第一增強區(qū)中的摻雜濃度比漂移層中的摻雜濃度大至少10倍或至少100倍。例如，增強區(qū)中的摻雜濃度至少為1015cm-3和/或至多為1019cm-3。在垂直方向上測量的增強區(qū)的厚度例如至少為1微米和/或至多為3微米。

35、增強區(qū)是用于第二類型電荷載流子(例如，空穴)的阻擋區(qū)域。因此，其可以相應地被稱為“空穴阻擋區(qū)域”或“空穴阻擋層”。

36、根據(jù)另一實施例，半導體器件包括第二導電類型的第三基區(qū)。第三基區(qū)布置為在第一橫向方向上鄰近第二基區(qū)，以使得第二基區(qū)在第一橫向方向上布置在第一基區(qū)和第三基區(qū)之間。第二基區(qū)和第三基區(qū)可以通過溝槽(例如，通過正好一個溝槽)在第一橫向方向上彼此間隔開。這一溝槽可以是有源溝槽或虛設溝槽。

37、第三基區(qū)也垂直布置在頂側和漂移層之間。它可以鄰接頂側和/或漂移層。第三基區(qū)中的摻雜濃度可以在與第一基區(qū)中的摻雜濃度相同或不同的范圍內(nèi)。在垂直方向上測量的第三基區(qū)的厚度例如大于第一基區(qū)的厚度，例如大至少1微米。

38、根據(jù)另一實施例，第三基區(qū)從頂側延伸到半導體主體中。例如，第三基區(qū)比有源溝槽或比溝槽更深地延伸到半導體主體中。例如，第三基區(qū)比溝槽至少更深1微米地延伸到半導體主體中。第三基區(qū)是例如所謂的p阱。

39、根據(jù)另一實施例，第一接觸區(qū)和/或第一基區(qū)和柵電極之間的絕緣材料的厚度大于第二接觸區(qū)和/或第二基區(qū)和柵電極之間的絕緣材料的厚度。例如，第一接觸區(qū)/第一基區(qū)和柵電極之間的厚度比第二接觸區(qū)/第二基區(qū)和柵電極之間的厚度大至少1.5倍或至少兩倍。

40、根據(jù)另一實施例，主電極不與第二基區(qū)直接電接觸。這意味著電荷載流子不能直接從主電極流入第二基區(qū)，反之亦然。而是，電荷載流子交換總是必須經(jīng)由第二接觸區(qū)發(fā)生。

41、根據(jù)另一實施例，半導體器件包括另一柵電極。另一柵電極在第一橫向方向上與柵電極間隔開。例如，另一柵電極位于與柵電極相同的電勢上。換句話說，柵電極和另一柵電極可以短路。

42、另外，另一柵電極可以布置在從頂側延伸到半導體主體中的有源溝槽中。

43、根據(jù)另一實施例，第二基區(qū)在第一橫向方向上布置在柵電極與另一柵電極之間。例如，在第一橫向方向上，在柵電極和另一柵電極之間沒有布置另外的柵電極。第二基區(qū)可以在第一橫向方向上鄰接包括柵電極和另一柵電極的兩個有源溝槽。

44、根據(jù)另一實施例，半導體器件被配置為通過設置另一柵電極的電勢而借助于另一柵電極來反轉第二基區(qū)中的區(qū)，所述區(qū)位于第二基區(qū)的一側處，該側與借助于柵電極來反轉第二基區(qū)中的區(qū)的第二基區(qū)的一側相對。因此，另一柵電極在這一相對側處提供電流路徑。這里的“相對”是指第一橫向方向。換句話說，柵電極和另一柵電極反轉第二基區(qū)中的區(qū)，它們布置在相對側處并且它們例如在第一橫向方向上間隔開。

45、換句話說，柵電極和另一柵電極建立了用于傳輸電荷載流子的兩個溝道，例如空穴溝道。

46、根據(jù)另一實施例，第一接觸區(qū)和/或第二接觸區(qū)是在傾斜于第一橫向方向(例如，垂直于第一橫向方向)的第二橫向方向上延伸的細長區(qū)域。這意味著，在每種情況下，第一和/或第二接觸區(qū)的橫向延伸在第二橫向方向上比在第一橫向方向上更大。例如，在每個情況下，在第二橫向方向上的橫向延伸比在第一橫向方向上的大至少兩倍或至少五倍。第一接觸區(qū)和第二接觸區(qū)可以在第一和/或第二橫向方向上在整個橫向延伸上鄰接頂側。

47、同樣地，第一和第二基區(qū)可以是細長的并且在第二橫向方向上延伸。溝槽也可以是細長的并且可以在第二橫向方向上延伸。

48、根據(jù)另一實施例，半導體器件包括鄰接頂側和第一基區(qū)并且與主電極電接觸的多個第一接觸區(qū)。這些第一接觸區(qū)在第二橫向方向上彼此分離且間隔開。例如，每個第一接觸區(qū)在第二橫向方向上具有至少500納米或至少1微米的橫向延伸。在每種情況下，在第二橫向方向上每兩個相鄰的第一接觸區(qū)之間的距離可以至少為500納米或至少為1微米。迄今為止針對一個第一接觸區(qū)所公開的所有特征也針對所有其它的第一接觸區(qū)公開，尤其是涉及摻雜濃度和導電類型。

49、根據(jù)另一實施例，半導體器件包括鄰接頂側和第二基區(qū)并與主電極電接觸的多個第二接觸區(qū)。這些第一接觸區(qū)在第二橫向方向上彼此分離且間隔開。例如，每個第二接觸區(qū)在第二橫向方向上具有至少500納米或至少1微米的橫向延伸。在每種情況下，在第二橫向方向上每兩個相鄰的第二接觸區(qū)之間的距離可以至少為500納米或至少為1微米。迄今為止針對一個第二接觸區(qū)所公開的所有特征也針對所有其它的第二接觸區(qū)公開，尤其是涉及摻雜濃度和導電類型。

50、根據(jù)另一實施例，半導體器件是功率半導體器件。例如，半導體器件被配置為用于處理至少1安培(a)的電流和/或至少100伏特(v)的電壓。半導體器件例如是所謂的垂直半導體器件。

51、根據(jù)另一實施例，半導體器件是垂直器件，即，為垂直結構。然后將陰極和陽極布置在半導體主體的相對側處。

52、根據(jù)另一實施例，半導體器件是雙極半導體器件，在其中在操作期間電子和空穴都對電流有貢獻。

53、根據(jù)另一實施例，半導體器件是絕緣柵雙極晶體管(簡稱igbt)或mos控制的二極管。半導體器件例如是反向?qū)?rc)-igbt或雙向igbt(bigt)。

54、根據(jù)另一實施例，半導體器件包括另一主電極，該另一主電極被施加到與頂側相對的半導體主體的背側上。半導體主體可以包括接觸層(陽極層)和/或在漂移層和另一主電極之間的緩沖層。

55、接下來來說明用于制造半導體器件的方法。該方法尤其適用于制造根據(jù)本文所述的實施例中的任何一個的半導體器件。因此，針對半導體器件所公開的所有特征也針對該方法公開，反之亦然

56、根據(jù)用于制造半導體器件的方法的實施例，該方法包括提供具有頂側和第一導電類型的漂移層的半導體主體的步驟。在進一步的步驟中，制造第一基區(qū)、第二基區(qū)、第一接觸區(qū)和第二接觸區(qū)。第一基區(qū)為第二導電類型，并且被制造為使得第一基區(qū)垂直位于漂移層和頂側之間。第二基區(qū)為第一導電類型，并且被制造為使得第二基區(qū)垂直位于漂移層和頂側之間，其中第二基區(qū)具有比漂移層更大的摻雜濃度并且鄰接漂移層。第一接觸區(qū)為第一導電類型，并且被制造為使得第一接觸區(qū)鄰接第一基區(qū)和頂側。第二接觸區(qū)為第二導電類型，并且被制造為使得第二接觸區(qū)鄰接第二基區(qū)以及頂側。在進一步的步驟中，將主電極施加到頂側上，并且建立主電極與第一接觸區(qū)之間以及主電極與第二接觸區(qū)之間的電接觸。在進一步的步驟中，形成柵電極，使得最后柵電極的至少一部分在第一橫向方向上位于第一接觸區(qū)和第二接觸區(qū)之間以及第一基區(qū)和第二基區(qū)之間。

57、在形成第一和第二基區(qū)以及第一和第二接觸區(qū)之前，漂移層可以到達頂側，例如形成頂側。制造基區(qū)和/或接觸區(qū)可以包括(例如通過頂側)注入摻雜劑。例如，使用掩模來限定應當注入用于不同區(qū)域的摻雜劑的區(qū)域。