包含电荷存储结构的半导体开关器件的制作方法
【专利说明】
【背景技术】
[0001]功率半导体开关器件是在栅极与源极之间没有电势差时传导负载电流的常开型器件或者在栅极与源极之间没有电势差时不传导负载电流的常关型器件。尤其出于安全原因，常关型开关器件更流行。另一方面，在一些应用(诸如共发共基放大器电路)中，常开型开关半导体器件能够减少电路的复杂性。
[0002]进一步在功率半导体开关器件的领域中，去饱和循环在将半导体开关器件从开态切换到阻断状态之前可以部分地减少电荷载流子等离子体。
[0003]目标是提供具有改进的器件特性的可去饱和(desaturable)半导体开关器件以及常开型半导体开关器件。
【发明内容】
[0004]用独立权利要求的主题来实现该目标。从属权利要求限定进一步的实施例。
[0005]依据实施例，半导体开关器件包含第一负载端子，该第一负载端子被电气连接到晶体管单元的源极区段。源极区段与基体区段形成第一 pn结。第二负载端子被电气连接到漏极构造，该漏极构造与基体区段形成第二 pn结。包含控制电极和电荷存储结构的控制结构直接地邻接基体区段。控制电极控制经过基体区段的负载电流。电荷存储结构将控制电极与基体区段绝缘，并且含有控制电荷，该控制电荷被适配于在控制电极与第一负载电极之间没有电势差时诱发基体区段中的反型沟道。
[0006]依据另一个实施例，半导体开关器件包含晶体管单元，该晶体管单元包含与基体区段形成第一 pn结的源极区段。基体区段与漏极构造形成第二 pn结。辅助的单元包含电荷载流子传递区段，该电荷载流子传递区段与漏极构造的去饱和部分形成第三pn结。第一控制结构包含控制电极的第一部分，并且在开态中诱发经过基体区段的反型沟道。第二控制结构直接地邻接漏极构造的去饱和部分。第二控制结构包含控制电极的第二部分和夹在控制电极的第二部分与去饱和部分之间的带电层。带电层含有控制电荷，该控制电荷被适配于在开态中诱发去饱和部分中的反型层。
[0007]在阅读下面详细的描述时并且在观看附图时，本领域技术人员将认识到附加的特征和优势。
【附图说明】
[0008]附图被包含以提供本发明的进一步理解，并且被结合在本说明书中以及构成本说明书的部分。附图图解本发明的实施例，并且与描述一起用于解释本发明的原理。本发明的其它实施例和预期的优势将容易被领会，因为通过参考下面的详细描述它们变得更好理解。
[0009]图1A是用于图解涉及常开型半导体开关器件的实施例的效应的半导体开关器件的部分的示意横截面视图。
[0010]图1B是用于讨论涉及常开型半导体开关器件的实施例的效应的示意IL/VGS特性。
[0011 ] 图2A是依据与在常开型半导体开关器件的控制电介质中的固定电荷载流子相关的实施例的半导体开关器件的部分的示意横截面视图。
[0012]图2B是依据与在常开型半导体开关器件的电介质电荷捕获层中捕获的电荷相关的实施例的半导体开关器件的部分的示意横截面视图。
[0013]图2C是依据与常开型半导体开关器件的导电电荷存储层相关的实施例的半导体开关器件的部分的示意横截面视图。
[0014]图2D是依据涉及包含编程电极的常开型半导体开关器件的实施例的半导体开关器件的部分的示意横截面视图。
[0015]图3A是依据与具有平面栅极结构的常开型半导体开关器件相关的实施例的半导体开关器件的部分的示意透视图。
[0016]图3B是依据与具有沟槽栅极结构的常开型半导体开关器件相关的实施例的半导体开关器件的部分的示意透视图。
[0017]图3C是依据与基于FinFET (鳍型场效应晶体管)单元的常开型半导体开关器件相关的实施例的半导体开关器件的部分的示意透视图。
[0018]图4A是依据实施例的包含常开型半导体开关器件的电子电路的示意电路图。
[0019]图4B是依据与共发共基放大器电路相关的进一步实施例的包含常开型半导体开关器件的电子电路的不意电路图。
[0020]图5是绘制作为栅极到源极电压Vm和浮置栅极上的控制电荷的函数的漏极电流ID的用于讨论涉及常开型半导体开关器件的实施例的效应的示意图。
[0021]图6是绘制作为充电时间的函数的浮置栅极结构上的电荷的用于讨论涉及常开型半导体开关器件以及可去饱和半导体开关器件的实施例的效应的示意图。
[0022]图7A是用于图解涉及可去饱和半导体开关器件的实施例的效应的半导体开关器件的部分的示意横截面视图。
[0023]图7B是用于图解图7A的半导体开关器件的操作的模式的示意时间图。
[0024]图8A是依据与在可去饱和半导体开关器件的电介质电荷捕获层中捕获的电荷相关的实施例的半导体开关器件的部分的示意横截面视图。
[0025]图8B是依据与可去饱和半导体开关器件的导电电荷存储层相关的实施例的半导体开关器件的部分的示意横截面视图。
[0026]图8C是依据与包含编程电极的可去饱和半导体开关器件相关的实施例的半导体开关器件的部分的示意横截面视图。
[0027]图8D是依据与主沟槽外部的带电层相关的实施例的半导体开关器件的部分的示意横截面视图。
[0028]图8E是依据与从嵌入的硅纳米晶体形成的带电层相关的实施例的半导体开关器件的部分的示意横截面视图。
[0029]图8F是依据与组合的辅助/晶体管单元相关的实施例的半导体开关器件的部分的示意横截面视图。
[0030]图9A是依据与可去饱和IGBT相关的实施例的半导体开关器件的部分的示意横截面视图。
[0031]图9B是依据与可去饱和IGFET相关的实施例的半导体开关器件的部分的示意横截面视图。
[0032]图10A是依据与具有通过场电极分离的晶体管单元对和辅助单元对的布局相关的实施例的半导体开关器件的部分的示意横截面视图。
[0033]图10B是依据与具有镜面对称的辅助单元对和镜面对称的晶体管单元对的布局相关的实施例的半导体开关器件的部分的示意横截面视图。
[0034]图10C是依据与具有非对称控制结构的布局相关的实施例的半导体开关器件的部分的示意横截面视图。
[0035]图11是依据与平面控制结构相关的实施例的半导体开关器件的部分的示意横截面视图。
【具体实施方式】
[0036]在下面的详细描述中参考附图，附图形成本文的部分并且在附图中通过图示的方式示出了在其中可以实践本发明的特定实施例。要理解的是，在不脱离本发明的范围的情况下，可以利用其它实施例并且可以做出结构的或逻辑的改变。例如，对于一个实施例图解或描述的特征能够被用在其它实施例上或结合其它实施例来使用以又产生进一步实施例。旨在本发明包含这样的修改和变化。使用特定语言来描述示例，该示例不应当被解释为限制所附权利要求的范围。附图不是成比例的并且仅用于说明性目的。为了清楚起见，如果没有另外声明，则相同的要素已经通过不同附图中的对应的参考而被指定。
[0037]术语“具有”、“含有”、“包含”、“包括”等等是开放式的，并且术语指示所声明的结构、要素或特征的存在，但不排除附加要素或特征。冠词“一”、“一个”和“该”旨在包含复数以及单数，除非上下文另外清楚指示。
[0038]术语“电气连接”描述电气连接的元件之间的永久低欧姆连接，例如相关元件之间的直接接触或者经由金属和/或高掺杂半导体的低欧姆连接。术语“电气耦合”包含被适配于信号传输的一个或多个介入元件可以被提供在电气耦合元件(例如，可控制来暂时性提供处于第一状态的低欧姆连接和处于第二状态的高欧姆电去耦的元件)之间。
[0039]附图通过接近掺杂类型“η”或“ρ”指示或“ + ”来图解相对掺杂浓度。例如，“η-”意味着小于“η”掺杂区的掺杂浓度的掺杂浓度，而“η+”掺杂区具有比“η”掺杂区更高的掺杂浓度。相同的相对掺杂浓度的掺杂区不必具有相同的绝对掺杂浓度。例如，两个不同的“η”掺杂区可以具有相同或不同的绝对掺杂浓度。
[0040]图1Α指代半导体开关器件500，该半导体开关器件500包含有源晶体管单元TC，例如IGFET (绝缘栅极场效应晶体管)，诸如M0SFET (金属氧化物半导体FET)，在通常的含义中包含具有金属栅极的FET以及具有非金属栅极的FET。
[0041]半导体开关器件500基于来自以下材料的半导体基体100:单晶半导体材料，诸如硅(Si )、碳化硅(SiC)、锗(Ge)、硅锗晶体(SiGe)、氮化镓(GaN)、砷化镓(GaAs)或任何其它4?8￥半导体。半导体基体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横跨的平面限定；以及平行于第一表面101的平面的第二表面102。第一表面101的垂线限定垂直方向，并且与垂直方向正交的方向是水平方向。在水平平面中，半导体基体100可以具有带有在几个毫米的范围中的边沿长度的矩形形状或可以是带有几个厘米的直径的圆盘形的。
[0042]半导体基体100包含可以直接邻接第一表面101的第一导电类型的源极区段110。源极区段110与具有第二、互补导电类型的基体区段115形成第一 pn结pnl。第一负载端子L1被电气连接到源极区段110和基体区段115。基体区段115与漏极构造120形成第二pn结pn2，并且将源极区段110与漏极构造120分离。漏极构造120被电气连接到第二负载端子L2。
[0043]漏极构造120包含第一导电类型的漂移区段121。漂移区段121中的掺杂剂浓度可以至少在其垂直延伸的部分中随着增加到第一表面101的距离而逐渐地或逐步地增加或减少。依据其它实施例，漂移区段121中的掺杂剂浓度可以是近似均匀的。漂移区段121中的平均掺杂剂浓度可以在5E12 cm3与5E17 cm 3之间，例如在从5E13 cm 3到5E16 cm 3的范围中。漏极构造120可以包含两个导电类型的进一步掺杂区段，例如超级结结构、场停止层、阻挡区段、相反掺杂岛和/或重掺杂接触层，其掺杂剂浓度足够高以与直接邻接第二表面102的金属形成欧姆接触。
[0044]控制结构400直接邻接基体区段115。至少一个控制结构400包含控制电极420和电荷存储结构410。
[0045]控制电极420可以被电气耦合或连接到半导体器件500的栅极端子G。控制电极420可以包含以下各项或由以下各项组成:重掺杂多晶硅