一种功率半导体的制作方法

本发明涉及电力电子技术领域，具体地说，涉及一种功率半导体。

背景技术：

功率半导体是电力电子技术及其应用装置的基础，是推动电力电子变换器发展的主要源泉。功率半导体处于现代电力电子变换器的心脏地位，它对装置的可靠性、成本和性能起着十分重要的作用。其中，普通晶闸管、门极关断晶闸管和绝缘栅双极型晶体管(igbt)先后称为功率半导体器件的发展平台。

(平面型)栅控型功率半导体器件(例如igbt)的栅氧化层的的厚度对于栅电容的大小有着直接的影响，这也进而影响了整个功率半导体器件的阈值电压及开关特性。为了降低栅电容，现有技术通常是采用增加栅氧化层厚度的方式来实现。而如果同时考虑到阈值电压，那么就要求栅氧化层的厚度需要最优折中。然而，现有的功率半导体器件所采用的栅氧化层厚度的最优折中方式使得栅氧化层的表面不平整并且容易造成栅氧化层表面形貌不连续。

技术实现要素：

为解决上述问题，本发明提供了一种功率半导体，其包括：

衬底；

形成在所述衬底中的第一导电区域，所述第一导电区域中形成有具有第一导电类型的源极区；

形成在所述衬底一表面的栅氧化层，所述栅氧化层与所述源极区接触，其中，所述栅氧化层具有多种厚度，并且随着与所述第一导电区域之间距离的增大，所述栅氧化层的厚度呈现逐渐增大的趋势；

形成在所述栅氧化层上的多晶硅层。

根据本发明的一个实施例，所述栅氧化层最厚位置处的厚度是其最薄位置处的厚度的8倍以上。

根据本发明的一个实施例，所述第一导电区域包括：

形成在所述衬底中的增强型载流子层；

形成在所述增强型载流子层中的具有第二导电类型的p-基层；

形成在所述p-基层中的源极区和具有第二导电类型的欧姆接触区，其中，所述欧姆接触区位于所述第一导电区域的中间位置。

根据本发明的一个实施例，所述欧姆接触区的厚度大于所述源极区的厚度。

根据本发明的一个实施例，所述多晶硅层各位置处的厚度相等。

根据本发明的一个实施例，随着与所述第一导电区域的距离的增大，所述栅氧化层的厚度线性增大。

根据本发明的一个实施例，所述栅氧化层包括依次连接的多个层段，其中，

所述多个层段中各个奇数层段为平层段，各个偶数层段为斜层段；或，

所述多个层段中各个奇数层段为斜层段，各个偶数层段为平层段；

其中，所述平层段为各个位置处的厚度保持不变的层段，所述斜层段为厚度线性增大的层段。

根据本发明的一个实施例，所述栅氧化层包括依次连接的多个层段，其中，所述多个层段形成阶梯状结构，其中，距离所述第一导电区域的距离越大，层段的厚度越大。

根据本发明的一个实施例，除去距离所述源极区最远的层段，其余层段的长度之和的二倍大于所述功率半导体的半元胞宽度。

根据本发明的一个实施例，所述功率半导体还包括：

形成在所述衬底另一表面的缓冲层；

形成在所述缓冲层上的集电极区。

根据本发明的一个实施例，所述功率半导体还包括形成在所述集电极区的短路点。

本发明所提供的功率半导体中栅氧化层呈线性变化，因此其能够有效避免现有功率半导体所存在的器件表面高凸及不连续的缺陷。相较于现有的功率半导体，本发明所通过的功率半导体更加平整，其工艺(记号对准、光刻及刻蚀等)难度得到有效降低，这样也就有助于提高功率半导体器件的性能以及芯片封装功能的可靠性。

本发明所提供的功率半导体的栅氧化层可以采用标准的光刻与刻蚀工艺来进行制作，无需针对阶梯栅结构额外开发特定的光刻与刻蚀工艺，因此能够节约工艺开发成本。同时，栅氧化层是采用多次分步光刻与刻蚀形成的比较平缓的结构，因此可以避免进行单次深刻蚀，这也就降低了工艺难度。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图示出了本发明的各方面的各种实施例，并且它们与说明书一起用于解释本发明的原理。本技术领域内的技术人员明白，附图所示的特定实施例仅是实例性的，并且它们无意限制本发明的范围。应该认识到，在某些示例中，被示出的一个元件也可以被设计为多个元件，或者多个元件也可以被设计为一个元件。在某些示例中，被示出为另一元件的内部部件的元件也可以被实现为该另一元件的外部部件，反之亦然。为了更加清楚、详细地本发明的示例性实施例以使本领域技术人员能够对本发明的各方面及其特征的优点理解得更加透彻，现对附图进行介绍，在附图中：

图1是现有的功率半导体的结构示意图；

图2是根据本发明一个实施例的功率半导体半元胞的结构示意图；

图3是根据本发明一个实施例的功率半导体半元胞的结构示意图；

图4是根据本发明一个实施例的功率半导体半元胞的结构示意图；

图5是根据本发明一个实施例的功率半导体半元胞的结构示意图；

图6是根据本发明一个实施例的功率半导体半元胞的结构示意图；

图7是根据本发明一个实施例的功率半导体半元胞的结构示意图；

图8和图9是根据本发明一个实施例的制作如图7所示的功率半导体的流程图。

具体实施方式

以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。

同时，在以下说明中，出于解释的目的而阐述了许多具体细节，以提供对本发明实施例的彻底理解。然而，对本领域的技术人员来说显而易见的是，本发明可以不用这里的具体细节或者所描述的特定方式来实施。

另外，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。

如图1所示，对于现有的平面栅控型功率半导体器件而言，其栅氧化层采用了一个梯形的设计方案，通过在靠近沟道的位置处设置一层薄栅氧化层、在远离沟道的位置处设置一层厚栅氧化层，以实现降低栅电容、优化功率半导体器件开关特性的效果，同时还能够调节阈值电压特性。然而，如何设计薄、厚栅氧化层的比例(包长度、厚度的比例)，会直接影响栅电容的大小，进而影响开关特性与阈值电压特性的最优折中。并且，最为重要的是，现有的栅氧化层的设计方案，对器件表面的形貌影响很大，很容易造成器件表面的高凸以及不连续，从而影响器件表面的平整性。这不仅使得器件的工艺实现难度增大，还会影响器件性能以及芯片封装的可靠性。

针对现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种新的功率半导体，该功率半导体的栅氧化层的厚度平缓变化，这样能够改善功率半导体表面的平整性，降低了栅氧化层的工艺难度，同时还能够提高芯片性能及封装可靠性。

为了更加清楚的阐述本发明所提供的功率半导体的结构以及优点，以下分别结合不同的实施例来对本发明所提供的功率半导体进行进一步的说明，同时，由于本发明所提供的功率半导体的结构是对称的，因此为了方面描述，以下实施例中均以半元胞结构进行说明。

实施例一：

图2示出了本实施例所提供的功率半导体的半元胞的结构示意图。

如图2所示，本实施例所提供的功率半导体优选地包括：衬底201、第一导电区域、栅氧化层202以及多晶硅层203。其中，本实施例中，第一导电区域形成在衬底201中，其包括：具有第一导电类型的增强型载流子层204、具有第二导电类型的p-基层205、具有第一导电类型的源极区206以及具有第二导电类型的欧姆接触区207。本实施例中，衬底201的导电类型为第一导电类型。

本实施例中，增强型载流子层204形成在衬底201中。在制作增强型载流子层204的过程中，首先在衬底201上沉积一层氧化层，该氧化层的厚度优选地不超过0.5μm，随后对所形成的氧化层进行刻蚀，从而制作出增强型载流子层204的注入/掺杂窗口。在得到增强型载流子层204的注入/掺杂窗口后，利用该注入/掺杂窗口向衬底201中进行增强型载流子层的注入/掺杂，随后进行高温推进/扩散，从而形成一个掺杂浓度比衬底201高的增强型载流子层204。本实施例中，增强型载流子层204的掺杂浓度优选地大于1e15/cm³。

在得到增强型载流子层204后，需要在增强型载流子层204中进一步形成p-基层205。本实施例中，由于利用增强型载流子层204的注入/掺杂窗口形成增强型载流子层204的过程中，高温推进工艺使得氧化层的厚度增加了，因此此时需要首先对厚度增加的氧化层进行刻蚀，以形成p-基区的注入/掺杂窗口。

在形成p-基区的注入/掺杂窗口后，即可利用该窗口对增强型载流子层204进行p-基区的注入/掺杂，随后进行高温推进/扩散处理，从而在增强型载流子层204中形成p-基区205。本实施例中，p-基区205的掺杂浓度优选地为e17/cm³量级。

需要指出的是，在本发明的其他实施例中，根据实际需要，增强型载流子层204和/或p-基区205的掺杂浓度还可以为其他合理值，本发明不限于此。

类似地，可以采用同样的方法在p-基区205中分别形成源极区206以及欧姆接触区207，其具体形成过程在此不再赘述。本实施例中，欧姆接触区207的厚度优选地大于源极区206的厚度。

如图2所示，本实施例中，栅氧化层202形成在衬底201上，并且栅氧化层202靠近源极区206的一端与源极区206接触。多晶硅层207形成在栅氧化层202上，其各位置处的厚度优选地保持不变。

为了避免现有的功率半导体因栅氧化层的薄、厚部分的厚度差别过大而造成工艺难度大、工艺均匀性控制差的问题，以及由此引起的功率半导体器件表面高凸以及不连续问题，本实施例所提供的功率半导体的栅氧化层采用了新型的台面栅结构。具体地，如图2所示，栅氧化层202具有多种厚度，并且随着与第一导电区域中线之间的距离的增大，栅氧化层的厚度线性增大。

在如图2所示的功率半导体半元胞结构中，栅氧化层202的起点(即图中的左端点)位于源极区206上方，终点(即图中的右端点)与元胞边缘对齐。本实施例中，栅氧化层202的厚度是由起点到终点线性增加的，栅氧化层在起点位置处的厚度d1优选地为常规厚度(例如0.1μm)，栅氧化层在终点位置处的厚度d2优选地为起点处厚度的10倍以上(例如1μm)。

需要指出的是，在本发明的其他实施例中，根据实际需要，栅氧化层202在起点位置处的厚度还可以为替他合理厚度，同时在终点位置处的厚度也可以为其他大于起点位置处的厚度的值(例如栅氧化层在终点位置处的厚度为起点位置处厚度的8倍以上等)，本发明不限于此。

本实施例中，当得到完成源极区206和欧姆接触区207的制作后，便可以进行栅氧化层202和多晶硅层203的制作。具体地，本实施例中，首先在衬底201以及第一导电区域上形成一厚度为d2的sio2层，随后采用多次光刻及刻蚀的方法，从而使得sio2层的厚度呈线性变化。

在得到该厚度线性变化的sio2层后，在该sio2层上形成一特定厚度的多晶硅层，并进行n型多晶硅掺杂。本实施例中，多晶硅层的厚度优选地小于0.5μm，其掺杂浓度优选地在1e19/cm³以上。当然，在本发明的其他实施例中，根据实际需要，多晶硅层的厚度以及掺杂浓度还可以为其他合理值，本发明不限于此。

完成上述过程后，本实施例中，还对覆盖在欧姆接触区207以及源极区206上的部分sio2层以及多晶硅层进行光刻或刻蚀，从而最终形成如图2所示的功率半导体结构。

需要指出的是，在本发明的其他实施例中，栅氧化层的材料还可以选用其他合理材料，本发明不限于此。同时，还需要指出的是，在本发明的其他实施例中，源极区206以及欧姆接触区207还以在栅氧化层202以及多晶硅层203制作完成后进行制作，由于其具体制作过程本领域技术人员通过上述描述已经可以得知，故在此不再赘述。

本实施例中，功率半导体还包括具有第一导电类型的缓冲层208和具有第二导电类型的集电极区209。其中，缓冲层形208成在衬底201的另一表面，其优选地包括第一缓冲层208a和第二缓冲层208b。需要指出的是在本发明的其他实施例中，缓冲层208既可以仅包含一层结构，也可以包含三层以上结构，本发明不限于此。

集电极区209形成在缓冲层208上，如图2所示，本实施例中，集电极区209中形成有若干具有第一导电类型的短路点210。

本实施例中，在制作缓冲层208、集电极区209以及短路点210的过程中，首先利用高温(例如大于1000℃)扩散或离子注入+低温(例如低于500℃)退火的方式来在衬底201表面形成一个或多个n缓冲层结构，从而得到缓冲层208。随后利用高温扩散或离子注入+激光退火的方式来在缓冲层208表面形成p+集电极区209。最后，同样利用高温扩散或离子注入+激光退火的方式来在p+集电极区209中形成若干n+短路点210。

需要指出的是，在本发明的不同实施例中，对于厚度较厚的功率半导体，其正面工艺与背面工艺(即制作缓冲层、集电极区和短路点的工艺过程)的顺序可以进行调整，即既可以先进行背面工艺再进行正面工艺，也可以先进行正面工艺再进行背面工艺。而对于需要进行减薄的功率半导体，需要先进行正面工艺再进行背面工艺，并且在背面工艺中不能有高温过程。

从上述描述中可以看出，本实施例所提供的功率半导体中栅氧化层呈线性变化，因此其能够有效避免现有功率半导体所存在的器件表面高凸及不连续的缺陷。相较于现有的功率半导体，本实施例所通过的功率半导体更加平整，其工艺(记号对准、光刻及刻蚀等)难度得到有效降低，这样也就有助于提高功率半导体器件的性能以及芯片封装功能的可靠性。

本实施例所提供的功率半导体的栅氧化层可以采用标准的光刻与刻蚀工艺来进行制作，无需针对阶梯栅结构额外开发特定的光刻与刻蚀工艺，因此能够节约工艺开发成本。同时，栅氧化层是采用多次分步光刻与刻蚀形成的比较平缓的结构，因此可以避免进行单次深刻蚀，这也就降低了工艺难度。

实施例二：

图3示出了本实施例所提供的功率半导体半元胞的结构示意图。

对比图2和图3可以看出，本实施例所提供的功率半导体与实施例一所提供的功率半导体仅在栅氧化层以及多晶硅层存在不同，因此，为了描述的方便，同时突出上述不同点，以下仅对本实施例中功率半导体的栅氧化层和多晶硅层进行进一步地说明。

如图3所示，本实施例中，栅氧化层包括两个层段，即第1层段和第2层段。其中，第1层段和第2层段在衬底上的投影长度分别为l1和l2。对于第1层段来说，随着与欧姆接触区中线距离的增大，其厚度保持不变，即厚度一直为d1；而对于第2层段来说，随着与欧姆接触区中线距离的增大，其厚度由d1线性增大至d2。

当然，在本发明的其他实施例中，随着与欧姆接触区中线距离的增大，功率半导体中栅氧化层的厚度也可以先线性增大再保持不变，即形成如图4所示的结构。

需要指出的是，对于图4所示的功率半导体，为了避免大厚度的栅氧化层所占比例过大，其第2层段的长度l2优选地小于功率半导体半元胞长度的一半，以将功率半导体的阈值电压控制在合理范围内。

实施例三：

图5示出了本实施例所提供的功率半导体半元胞的结构示意图。

对比图2和图5可以看出，本实施例所提供的功率半导体与实施例一所提供的功率半导体仅在栅氧化层以及多晶硅层存在不同，因此，为了描述的方便，同时突出上述不同点，以下仅对本实施例中功率半导体的栅氧化层和多晶硅层进行进一步地说明。

如图5所示，本实施例中，栅氧化层包括三个层段，即第1层段、第2层段和第3层段。其中，这三个层段在衬底上的投影长度分别为l1、l2和l3。对于第1层段来说，随着与欧姆接触区中线距离的增大，其厚度保持不变，即厚度保持在d1；对于第2层段来说，随着与欧姆接触区中线距离的增大，其厚度由d1线性增大至d2；对于第3层段来说，随着与欧姆接触区中线距离的增大，其厚度保持不变，即厚度保持在d2。

需要指出的是，在本发明的其他实施例中，栅氧化层所包含的层段数n还可以为其他合理值，本发明不限于此。例如，当栅氧化层包含7个层段时，功率半导体的结构将如图6所示。

同时，需要说明的的是，为了避免大厚度的栅氧化层所占比例过大，其最后一层段(即第n层段)的长度ln优选地小于功率半导体半元胞长度l的一半，以将功率半导体的阈值电压控制在合理范围内。即存在：

l1+l2+...+ln-1＜l/2

需要指出的是，当栅氧化层所包含多个层段时，其既可以是这多个层段中的奇数层段为平层段(即随着与欧姆接触区中线距离的增大，厚度保持不变的层段)，偶数层段为斜层段(即随着与欧姆接触区中线距离的增大，厚度线性增大的层段)，也可以是这多个层段中的奇数层段为斜层段而偶数层段为基层段，本发明不限于此。

此外，对于多个层段中的各个层段来说，其在衬底上的投影长度优选地相等，即存在l1＝l2＝...＝ln，而各个斜层段的斜率也优选地相等。

实施例四：

图7示出了本实施例所提供的功率半导体半元胞的结构示意图。

对比图2和图7可以看出，本实施例所提供的功率半导体与实施例一所提供的功率半导体仅在栅氧化层以及多晶硅层存在不同，因此，为了描述的方便，同时突出上述不同点，以下仅对本实施例中功率半导体的栅氧化层和多晶硅层进行进一步地说明。

如图7所示，本实施例中，栅氧化层包括四个层段，即第1层段、第2层段、第3层段和第4层段。其中，这四个层段均为平层段，其各自在衬底上的投影长度分别为l1、l2、l3和l4，这样便形成了阶梯状的栅氧化层结构。

本实施例中，栅氧化层所包含的多个层段的长度优选地彼此相等，即存在l1＝l2＝l3＝l4。

需要指出的是，在本发明的其他实施例中，栅氧化层所包含的层段的数量还可以为其他合理数量，同时，不同层段的长度也可以不相等，本发明不限于此。同时，为了避免大厚度的栅氧化层所占比例过大，其最后一层段的长度优选地小于功率半导体半元胞长度l的一半，以将功率半导体的阈值电压控制在合理范围内。

为了更加方便地理解本实施例所提供的功率半导体的特性，以下对本实施例所提供的功率半导体的制作过程进行进一步地说明。

图8和图9示出了本实施例中制造如图7所示的功率半导体的流程图。

如图8所示，本实施例中，首先在衬底201上沉积一层氧化层，该氧化层的厚度优选地不超过0.5μm，随后对所形成的氧化层进行刻蚀，从而制作出增强型载流子层204的注入/掺杂窗口。在得到增强型载流子层204的注入/掺杂窗口后，利用该注入/掺杂窗口向衬底201中进行增强型载流子层的注入/掺杂，随后进行高温推进/扩散，从而形成一个掺杂浓度比衬底201高的增强型载流子层204。本实施例中，增强型载流子层204的掺杂浓度优选地大于1e15/cm³。

在得到增强型载流子层204后，需要在增强型载流子层204中进一步形成p-基层205。如图8所示，本实施例中，由于利用增强型载流子层204的注入/掺杂窗口形成增强型载流子层204的过程中，高温推进工艺使得氧化层211的厚度增加了，这样为形成增强型载流子层204而制作的注入/掺杂窗口将被氧化层所覆盖，因此此时需要首先对厚度增加的氧化层进行刻蚀，以形成p-基区的注入/掺杂窗口。

在形成p-基区的注入/掺杂窗口后，即可利用该窗口对增强型载流子层204进行p-基区的注入/掺杂，随后进行高温推进/扩散处理，从而在增强型载流子层204中形成p-基区205。本实施例中，p-基区205的掺杂浓度优选地为e17/cm³量级。

需要指出的是，在本发明的其他实施例中，根据实际需要，增强型载流子层204和/或p-基区205的掺杂浓度还可以为其他合理值，本发明不限于此。

在形成p-基区205后，在衬底201上形成一厚度为d2的sio2层211，并通过多次光刻及刻蚀的方法，制作出如图8所示的阶梯型sio2台面，其中，该sio2台面的最薄处的厚度为d1。本实施例中，d2的取值优选地为d1取值的10倍以上，d1的取值优选地为0.1μm。

在得到该sio2台面后，在该sio2台面上形成一特定厚度的多晶硅层，并进行n型多晶硅掺杂。本实施例中，多晶硅层的厚度优选地小于0.5μm，其掺杂浓度优选地在1e19/cm³以上。当然，在本发明的其他实施例中，根据实际需要，多晶硅层的厚度以及掺杂浓度还可以为其他合理值，本发明不限于此。

根据图9可以看出，在形成多晶硅层后，通过对覆盖在欧姆接触区207以及源极区206上的部分sio2层以及多晶硅层进行光刻或刻蚀，从而了最终需要的栅氧化层202以及多晶硅层203，同时，通过该光刻或刻蚀过程，还能够形成用于制作欧姆接触层和源极区的注入/掺杂窗口。

当得到欧姆接触层和源极区的注入/掺杂窗口后，本实施例中，先后在p-基区205中形成源极区206以及欧姆接触区207，由于源极区206以及欧姆接触区207的具体形成过程与p-基区的形成过程类似，故在此不再赘述。本实施例中，欧姆接触区207的厚度优选地大于源极区206的厚度。

至此便完成了功率半导体的正面工艺。在完成正面工艺后，本实施例所提供的方法将进行功率半导体的背面工艺的制作。具体地，如图9所示，首先利用高温(例如大于1000℃)扩散或离子注入+低温(例如低于500℃)退火的方式来在衬底201的另一表面形成一个或多个n缓冲层结构，从而得到缓冲层208。本实施例中，缓冲层208包括第一缓冲层208a和第二缓冲层208b。随后利用高温扩散或离子注入+激光退火的方式来在缓冲层208表面形成p+集电极区209。最后，同样利用高温扩散或离子注入+激光退火的方式来在p+集电极区209中形成若干n+短路点210。

需要指出的是，在本发明的不同实施例中，对于厚度较厚的功率半导体，其正面工艺与背面工艺(即制作缓冲层、集电极区和短路点的工艺过程)的顺序可以进行调整，即既可以先进行背面工艺再进行正面工艺，也可以先进行正面工艺再进行背面工艺。而对于需要进行减薄的功率半导体，需要先进行正面工艺再进行背面工艺，并且在背面工艺中不能有高温过程。

此外，还需要指出的是，在本发明的其他实施例中，根据实际需要，源极区206以及欧姆接触区207的制作过程还可以提前至制作栅氧化层之前，本发明不限于此。

应该理解的是，本发明所公开的实施例不限于这里所公开的特定结构、处理步骤或材料，而应当延伸到相关领域的普通技术人员所理解的这些特征的等同替代。还应当理解的是，在此使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，而并不意味着限制。

说明书中提到的“一个实施例”或“实施例”意指结合实施例描述的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中。因此，说明书通篇各个地方出现的短语“一个实施例”或“实施例”并不一定均指同一个实施例。

虽然上述示例用于说明本发明在一个或多个应用中的原理，但对于本领域的技术人员来说，在不背离本发明的原理和思想的情况下，明显可以在形式上、用法及实施的细节上作各种修改而不用付出创造性劳动。因此，本发明由所附的权利要求书来限定。