高电压竖直功率部件的制作方法

相关申请的交叉引用

本申请要求了在2012年5月30日提交的法国专利申请第12/54987号的优先权权益，以法律允许的最大程度通过引用将其以并入于此。

技术领域

本公开涉及一种能够承受高电压(典型地，大于500V)的竖直功率部件，并且更具体地针对此类部件的外围结构。

背景技术：

图1为竖直功率部件的截面图，图示出以所谓的“平面”技术形成部件的外围以保护部件边缘的方法。

在该示例中示出的部件为包括轻掺杂N-型硅衬底1(N^-)的三端双向可控硅开关元件，其中，其具有10¹⁴至10¹⁵原子/cm³范围的当前掺杂，具有包括在除了部件的外围之外的几乎在整个表面上面延伸的P-型掺杂阱3(P)的其上表面，并且具有包括在部件的整个表面上面延伸的P-型掺杂层5(P)的其下表面。上阱3包含重掺杂N-型区域4(N⁺)，并且下层5包含基本与由区域4占据的面积互补的面积(在俯视图中)中的重掺杂N-型区域6(N⁺)。上阱3进一步包括小的重掺杂N-型区域8(N⁺)。在部件的下表面侧上，传传导极A2覆盖整个部件表面，并且在上表面侧上，传传导极A1覆盖阱3的一部分和区域4，栅极电极G覆盖阱3的一部分和区域8，并且例如由氧化硅制成的绝缘层9覆盖上表面的没有被电极遮盖的部分。不管电极A2与A1之间的偏置，如果提供了栅极控制，部件就变成传导的。传导从电极A2至电极A1经过包括区域5、1、3和4的竖直半导体闸流管，或者从电极A1至电极A2经过包括区域3、1、5和6的竖直半导体闸流管发生。计算衬底1的厚度和掺杂等级，从而使得三端双向可控硅开关元件在断开状态下能够承受高电压，例如，在600伏特至800伏特之间的电压。

三端双向可控硅开关元件被P-型掺杂扩散壁11(P)完全环绕，扩散壁11从衬底的上表面和下表面起形成，并且跨整个衬底厚度延伸。在部件的下表面侧上，层5横向地延伸直至扩散壁11，并且在上表面侧上，阱3在扩散壁11前面停止。壁11特别地具有使衬底1的横向表面绝缘的作用，并且因此避免当部件的下电极A2被焊接至外部器件的接触区时由于焊锡隆起导致的部件的可能的短路。为了避免在部件的边缘处发生击穿，应该在P-型阱3和扩散壁11的界限之间提供距离。在该示例中，重掺杂N-型沟道停止环13(N⁺)被进一步布置在阱3和壁11之间，并环绕阱3。

图1中的结构的缺点与由P-型阱3(发射极)、N-型衬底1(基极)和扩散P-型壁11(集电极)形成的寄生横向双极性晶体管的存在有关。此类寄生横向晶体管在某些使用配置中不利地影响部件的性能。特别地，这一晶体管的存在导致象限Q4中的启动敏感性下降，也就是，当在电极A1与A2之间施加负电压时，以及当通过在栅极G上施加正电流而启动部件时。换言之，这一晶体管的存在导致用于在象限Q4中的启动所必需的栅极电流的强度的增加。此外，寄生横向晶体管的存在导致当在电极A1和A2之间的电压由正值切换至负值时部件由导通状态切换至断开状态的速度降低。

为了降低横向寄生晶体管的影响，已知提供了用金或用铂掺杂衬底，或电子辐射衬底，以降低在PNP晶体管的基极区域的少数载流子的寿命，而因此降低晶体管增益。然而，此类掺杂或此类辐射具有不利地影响部件的传导性能(增加了导通状态的电压降)、降低部件开启敏感性和增加断开状态的泄漏电流的缺点。

技术实现要素：

实施例提供了克服已知外围结构的至少一些缺点的外围高电压竖直功率部件结构。

实施例提供了竖直功率部件，包括：第一传导类型的硅衬底；在衬底的支撑单个电极的下表面侧上的第二传导类型的下层；以及在衬底的支撑传导电极和栅极电极的上表面侧上的第二传导类型的上区域，其中部件外围包括：在下表面侧上，穿入衬底向下至比下层的深度大的深度的多孔硅绝缘环。

根据实施例，下层横向地延伸直至绝缘环。

根据实施例，部件外围进一步包括：在上表面侧上，在衬底中竖直地延伸直至绝缘环的第二传导类型的掺杂环。

根据实施例，上区域为在掺杂环前面横向地停止的阱。

根据实施例，部件外围进一步包括：在上表面侧上，穿入衬底向下至比上区域的深度大的深度的多孔硅绝缘环。

根据实施例，上绝缘环在衬底中竖直地延伸直至下绝缘环。

根据实施例，上绝缘环在下绝缘环前面竖直地停止，第二传导类型的中间环将上绝缘环的下边缘与下绝缘环的上边缘分开。

根据实施例，上区域为横向地延伸直至上绝缘环的层。

根据实施例，上述部件形成三端双向可控硅开关元件，其中，第一传导类型的第一重掺杂区域在上区域的一部分中延伸，第一区域和上区域的一部分与第一传导电极接触；第一传导类型的第二重掺杂区域在上区域的一部分中延伸，第二区域和上区域的一部分与栅极电极接触；并且与第一区域的投影基本互补的第一传导类型的第三重掺杂区域在下层的一部分中延伸，第三区域和下层的一部分与第二传导电极接触。

根据实施例，硅衬底为N型。

附图说明

结合附图，在下面的具体实施例的非限定性的描述中将详细地讨论前述和其它特征和优点。

先前描述的图1为示出已知的高电压功率部件外围结构的示例的截面图。

图2为示出高电压竖直功率部件外围结构的实施例的截面图；以及

图3为示出高电压竖直功率部件外围结构的另一实施例的截面图。

为了清楚起见，在不同的附图中相同的元件已经指定为相同的附图标记，并且如在集成电路的表示中一样，各种附图都不是按照比例的。

具体实施方式

图2为示出高电压竖直功率部件外围结构的优选实施例的截面图。

图2示出三端双向可控硅开关元件，其不同的元件被指定为具有与图1的三端双向可控硅开关元件的对应元件相同的附图标记。图2的部件不同于图1中的部件，区别在于：在其下表面侧上，围绕部件的扩散外围壁(图1的壁11)的下部分已经变成多孔硅绝缘区域。因此，在图2的部件的外围，可以发现：P-型掺杂扩散壁部分21向下穿入衬底1至指定深度，并且在下表面侧上，基本在扩散壁部分21前面，多孔硅环状绝缘区域22向下穿入衬底1至比层5的深度大的深度，并且接合扩散区域21。在示出的示例中，扩散壁部分21和环状绝缘区域22在衬底厚度的中间近似接合。然而，所描述的实施例不限于这一具体的情形。更一般而言，例如，绝缘区域22向下延伸至衬底厚度的四分之一至四分之三之间的范围的深度。必须优选地选择环形绝缘区域22的深度至足够大以在部件的组件中使由于焊锡隆起使电极A2与扩散壁部分21短路的风险最小化。作为示例，绝缘区域22优选向下延伸至至少75μm的深度。

图2的实施例的优点为：由P-型阱3(发射极)、N-型衬底1(基极)和P-型扩散壁部分21(集电极)形成寄生横向晶体管被多孔硅环状区域22所绝缘。换言之，在图2的部件中，横向寄生PNP晶体管的集电极为浮动的，而不是如在图1的结构中的连接至电极A2。由本发明的发明人进行的测试已经示出图2的结构提供了比图1的结构更好的启动敏感性，特别是在象限Q4中。此外，图2的结构提供了比图1的结构显著更高的由导通状态至断开状态的切换速度。得到此类的优点，而无需其必需使用衬底处理以降低少数载流子(例如，金或铂掺杂，或电子辐射)的寿命。因此，图2的结构提供比已知的结构更好的在切换速度、传导性能、启动敏感性和断开状态泄露电流之间的平衡。由本发明的发明人进行的测试已经进一步示出提供的修改没有导致关于图1的结构的部件的断开状态击穿电压的降低。

作为示例，为了形成图2的结构，其是由轻掺杂N-型硅衬底1的晶片开始的，并且形成P-型扩散环形壁，该P-型扩散环形壁跨整个衬底厚度竖直地延伸并且对其中将形成部件的衬底部分进行定界。作为示例，衬底1具有从衬底的前表面至后表面的200μm至300μm的厚度(例如为大约250μm)，以及通过硼原子的扩散形成壁，表面浓度大约为5*10¹⁷原子/cm³至5*10¹⁸原子/cm³(例如大约为10¹⁸原子/cm³)。选择扩散深度至大于或等于衬底深度的一半，使得上扩散区域和下扩散区域在衬底厚度的中间接合。然后，可以形成部件的扩散区域3、5、4、6和8。作为示例，通过硼原子向下扩散至大约20μm至50μm的深度(例如大约35μm)，表面浓度大约为10¹⁸原子/cm³至10¹⁹原子/cm³(例如大约5*10¹⁸原子/cm³)而形成区域3和5。通过磷原子向下扩散至大约5至15μm，(例如大约10μm)，表面浓度大约为5*10¹⁹原子/cm³至3*10²⁰原子/cm³(例如大约10²⁰原子/cm³)而形成区域4、6和8。然后，例如通过电化学溶解法可以形成绝缘多孔硅环状区域22，多孔硅环状区域22实际对应于制成多孔的扩散环状壁的下部分。作为示例，在半导体晶片的下表面和上表面上形成下绝缘保护层和上绝缘保护层，这些层包括在环状扩散壁的下表面和上表面前面的开口。例如，保护层由氮化硅制成。然后，可以将晶片浸渍在两个电极之间的基于氢氟酸的电解质溶液中，使得电流经过电解质溶液和扩散壁在两个电极之间流动。将负电极放置在晶片的下表面侧上，并且将正电极放置在上表面侧上。在负电极侧(下表面)上，发生了导致逐渐使环形壁的重掺杂P-型硅变为多孔硅40的反应。这一反应基本发生在在下保护层中形成的开口前面，并且保持限制在对应于壁的下部分的重掺杂P-型部分。电化学蚀刻的持续时间和在电极之间流动的电流的强度确定环状区域22的多孔度(孔百分比)和深度。区域22的绝缘性能取决于硅的多孔度，其可以通过调整电解参数而选择。作为示例，可以形成具有大约30至70％，且优选大约50至60％的多孔度的区域22。在电化学蚀刻后，可以提供多孔硅22的氧化步骤，其能够提高其绝缘性能。应该注意到优选在形成部件的各种扩散区域(该示例中的区域3、5、4、6和8)之后提供形成多孔硅区域22。实际上，如果在部件的扩散区域之前形成区域22，则与形成扩散区域相关的各种沟槽退火将会有损坏多孔硅的危险。

图3为示出高电压竖直功率部件外围结构的另一实施例的截面图。图3示出三端双向可控硅开关元件，其不同的元件被指定为具有与图1和图2的三端双向可控硅开关元件的对应元件相同的附图标记。

在图3的部件的外围，可以发现：在下表面侧上，下多孔硅环状绝缘区域22穿入衬底向下至比P-型层5的深度大的深度，并且在上表面侧上，基本在区域22前面，上多孔硅环状绝缘区域32穿入衬底向下至比P-型区域3的深度大的深度。在示出的示例中，区域22和32没有接合，并且浮动中间P-型掺杂硅环31将环32的下边缘与环22的上边缘中分开。在备选的实施例中，可以设置环22和32接合以一起形成跨整个衬底厚度延伸的外围多孔硅环状壁。分别在上表面侧和下表面侧上，P-型区域3横向地延伸直至环状绝缘区域32，并且P-型区域5横向地延伸直至环状绝缘区域22。

图3的结构的优点在于：其需要形成比图2的结构更少数量的掩模。实际上，在图3的结构中，上P-型区域3形成了在部件的整个上表面上面延伸的层。因此，与图2的结构的必需为局部的P-型阱3不同，形成其不需要掩模。

另一优点在于，在图3的结构中，在前表面侧上，部件边缘与上钝化层9的界限(分别为电极A1或G的开始)之间的距离e3大于在图2的结构中的部件边缘与上钝化层的界限之间的距离e2。因此，在图3的结构中，部件电极的可用的表面面积远大于在图2的结构中的表面面积；或者，对于给定的电极表面面积值，图3的部件的总表面面积小于图2的部件的总表面面积，这意味着降低其成本。

为了形成图3的结构，例如可以使用关于图2描述的如下方法，该方法包括代替单个步骤的电化学溶解定界部件的重掺杂P-型扩散环状壁的两个分开的步骤。作为示例，提供类似于关于图2描述的电化学溶解步骤的第一电化学溶解步骤以形成图3的结构的下绝缘区域22。然后，通过反转电极偏置可以提供第二电化学溶解步骤以形成结构的上绝缘区域32。

已经描述了具体的实施例。对本领域的技术人员而言，多种变化、修改和改进是显而易见的。

特别地，上述部分已经利用其中部件为三端双向可控硅开关元件的实例的示例描述了竖直功率部件结构。所提供的实施例不限于这一具体示例。本领域的技术人员有能力使所提供的结构适应于其它部件，包括：

N-型硅衬底；

在支撑单个电极的下表面侧上的P-型半导体层；和

在支撑至少一个传导电极和一个栅极电极的上表面侧上的P-型半导体区域。

作为示例，本领域的技术人员有能力使提供的结构适应于其中高电压竖直部件为晶闸管的实例。

此外，图2的实施例不限于其中结构包括P-型阱13与扩散壁部分21之间的沟道停止环13的示出示例。

此外，实施例不限于关于图2和图3描述的制造方法的示例。本领域的技术人员有能力通过其它适合的方法形成所提供的结构。

此类的变化、修改和改进都意图为本公开的一部分，并且意图在本发明的实质和范围内。因此，前面的描述仅为示例的方式，而并非意图限制。本发明仅受限于如在所附的权利要求书中定义范围及其等同替代。