Mos双极器件的制作方法
【技术领域】
[0001 ]本发明涉及一种MOS双极器件，更具体地涉及一种集群绝缘栅双极晶体管(CIGBT)及其制造方法。
【背景技术】
[0002]传统地，低中功率应用中采用了功率金属氧化物场效应晶体管(MOSFET)。然而，已发现绝缘栅双极晶体管(IGBT)在这样的应用中能实现更好的切换性能，因为绝缘栅双极晶体管(IGBT)的通态功率损耗较低且电流密度较高。IGBT的额定功率增加缓慢并且被考虑用来替代中功率应用(诸如，高压直流(HDVC)逆变器系统和牵引驱动控制器)中的晶闸管。
[0003]MOS栅控晶闸管(MGT)器件被认为有前景替代基于晶体管的器件，因为MOS栅控晶闸管(MGT)器件表现出较低的正向电压降和改进的电流密度。国际专利申请N0.WOO I/18876中所描述的CIGBT是一种表现出独特的自夹紧特性的MOS栅控晶闸管器件，该自夹紧特性能够保护阴极单元在所有工作条件下都免受高阳极电压的影响。自夹紧特性还能够实现高栅极偏压的情况下达到电流饱和并且产生较低切换损耗，并且该CIGBT的低通态电压和高电压阻断能力使得其非常适合于替代IGBT。
[0004]本发明的目的在于使用CIGBT技术，提供一种阴极单元结构以及制造该阴极单元结构的方法。
【发明内容】
[0005]根据本发明，提供了一种包括至少一个单元的半导体器件，所述至少一个单元包括:第一导电类型的基极区，在所述基极区中设置有第一导电类型和第二导电类型的至少一个阴极区，所述至少一个阴极区通过导电触点连接在一起;第二导电类型的第一阱区；第一导电类型的第二阱区；第二导电类型的漂移区；第一导电类型的阳极区；以及阳极触点；其中，每个单元都被设置于所述第一阱区内，而所述第一阱区被设置于所述第二阱区内；
[0006]其中，所述器件包括细长的沟槽，所述细长的沟槽与所述第二阱区和所述漂移区纵向相交，并且与所述基极区和所述第一阱区横向相交；
[0007]其中，绝缘膜被设置成基本上覆盖所述沟槽的内表面，并且其中，栅极被设置在所述绝缘膜上以基本上填充所述沟槽;并且
[0008]其中，所述器件被配置成使得在所述器件的运行期间，位于所述基极区与所述第一阱区之间的接合处的耗尽区能够延伸至所述第一阱区和所述第二阱区之间的接合处，从而基本上使所述第一阱区的电势与所述阳极触点的电势的任何增加无关。
[0009]在本发明的第一不例性实施例中，沟槽被配置成与第一讲和第二讲横向相交，在这种情况下，根据需要，沟槽可穿过第二阱区的整个厚度延伸到漂移区内，或者不如此延伸。因此，沟槽可以完全不延伸至第二阱内，然而，如果沟槽确实延伸至第二阱区，则其可以在第二阱内终止或者可以穿过第二阱的整个厚度延伸至漂移区内。这取决于例如所需要的器件特性和加工限制因素。
[0010]同样根据本发明，提供了一种制造上面限定的半导体器件的方法，该方法包括如下步骤:在第二导电类型的半导体层内形成第二阱区，使得其余的半导体层形成漂移区；在第二阱区内形成第一阱区；在第一阱区内形成基极区；以及形成阴极区。该方法还包括形成细长的沟槽，使得该细长的沟槽与第二阱区和漂移区纵向相交，并且与基极区和第一阱区横向相交。
[0011]在本发明的示例性实施例中，该方法还包括如下步骤:在半导体衬底上形成多个根据权利要求1所述的半导体器件，这些器件被设置成一行或基本上平行的多行；以及以基本上平行的列的形式形成多个细长的沟槽，这些细长的沟槽基本上垂直于一行或多行的半导体器件而延伸，使得每个沟槽与至少一个半导体器件的第二阱区和漂移区纵向相交，并且与至少一个半导体器件的基极区和第一阱区横向相交。
[0012]所述沟槽或每个沟槽可以被配置成与相应的半导体器件的第一阱区和第二阱区横向相交，而优选地，所述沟槽或每个沟槽没有延伸穿过第二单元区域的整个厚度。
[0013]该方法还可以包括如下步骤:在所述沟槽或每个沟槽的内表面上形成绝缘层，以及形成栅极，所述栅极被配置成基本上填充相应的沟槽。
[0014]在本发明的一个示例性实施例中，所述一行器件或每行器件中的每个器件可以被配置成可操作的。
[0015]然而，在本发明的可替代示例性实施例中，只有一部分器件可被配置成可操作的，而其余器件指定为虚设单元(dummy cell)。例如，交替行的器件中的每个器件可以被配置成可操作的，而其余行的器件被指定为虚设单元。
[0016]本发明扩展到一种半导体结构，其包括上面限定的多个半导体器件，这些半导体器件被布置成多行基本上平行的器件，并且包括被布置成多行基本上平行的多个沟槽，这些沟槽基本上垂直于多行半导体器件，每个沟槽被配置成与第二阱区和漂移区纵向相交，并且与每行器件中的器件的基极区、第一阱区和第二阱区横向相交;并且其中，绝缘膜被设置成基本上覆盖至少一个沟槽的内表面，在该绝缘膜上形成有栅极以基本上填充所述沟槽或每个所述沟槽。
【附图说明】
[0017]现在将仅通过示例的方式并参照附图来对本发明的示例性实施例进行描述，在附图中:
[0018]图1a是根据本发明的示例性实施例的阴极结构的示意性局部横截面前视图；
[0019]图1b是根据本发明的示例性实施例的包括虚设沟槽的阴极结构的示意性局部横截面侧视图；
[0020]图1c是承载有多个阴极单元的结构的示意性俯视图；
[0021]图2a至图2e是根据本发明的相应的示例性实施例的阴极几何结构的示意性俯视图；
[0022]图2f是承载有多个阴极单元的结构的俯视图，该俯视图示出了可以如何将这些阴极单元建立在单个衬底上；
[0023]图2g是图2a的几何结构的俯视图，为了清晰起见省略了连接沟槽。
[0024]图3a至图3e是示出了根据本发明的示例性实施例的器件的制造方法的各个阶段的横截面示意图；
[0025]图3f是为了示出沟槽的构造，根据本发明的示例性实施例的器件的单个单元的示意性俯视图；
[0026]图4示出了根据本发明的示例性实施例的器件的相对的掺杂曲线；以及
[0027]图5示出了根据本发明的示例性实施例的结构，该结构示出了使用平整的栅极连接集群(cluster)。
【具体实施方式】
[0028]参照附图中的图la，其中，为了示出根据本发明的示例性实施例制成的各单元的内部结构，省略了接触层、阳极区和阳极触点以及阴极区。因此，图1a示出了通常为单晶硅的半导体材料的主体的一部分10。该器件是由N型硅制成的NPT(非贯穿型)器件，通过该N型硅进行扩散以在上表面提供阴极单元的图案。PT(贯穿型)和/或场阑(FS)技术也在本发明的范围内。
[0029]器件结构包括N漂移区24，在该N漂移区24内扩散有P阱20。该器件还包括N阱22，该N阱22在P阱20内扩散，以垂直地且横向地位于P阱内，从而在使用时离开位于主电流路径中的P区20a。区20b提供了被MOSFET栅极140覆盖的沟道。在图1a、图1b和图1 c中，栅极氧化物显示为黑色。
[0030]在N阱22内，设置有由沟槽隔开的集群的阴极单元，并且每个单元在结构上相同，因此，仅对其中之一进行详细描述。因此，每个单元包括扩散至N阱22内的浅(Shallow)P基极32。
[0031]在附图中的图4中，示出了根据本发明示例性实施例的器件的相对掺杂曲线。
[0032]所有的扩散是使用例如多种传统光刻步骤通过上表面来进行。用于实现这些扩散的特定方法对于本发明而言并非关键点，可以使用用于实现扩散区的任何公知的方法，因此，将不再进一步对该方法进行描述。然而，本领域的技术人员应当理解的是，能够使用生长方法形成该结构，该结构涉及诸如外延区的那些选择性的区或其他区，特别的而非排他性地适合于使诸如碳化硅器件的宽带隙的器件。
[0033]现在参照附图中的图lb，并且如先前所陈述的，N阱包括集群的阴极单元，每个单元具有相同的对称结构。这些单元形成在与每个单元的栅极结构相交的单个P基极区32中。基极结构包括沟槽40，该沟槽40由表面26蚀刻，并且从该表面延伸至P阱区20内。在可替代的实施例中，沟槽40可以仅延伸至N阱区内，或者一直穿过P阱的厚度延伸至漏极区20内。多晶硅栅极38位于沟槽内，并且通过栅极氧化物33与相邻的硅材料隔离。
[0034]在本发明的示例性实施例中，在形成了沟槽栅极后，P+区34选择性地扩散至P基极32内，并且N+阴极区36扩散至P+区34内，阴极区与P+基极区34形成非整流接合处。在可替代示例性实施例中，可以在形成沟槽40之前形成P+区34和阴极区36，从而形成沟槽，使得其延伸穿过P+区34和阴极区36，以及P基极区32和N阱22。
[0035]因此，在任何情况下，在邻近表面处，使N+区36形成在基极材料32内。区132a和132b分别提供MOSFET沟道，每个MOSFET沟道具有源极36和位于栅极附近的P阱20的部分122处的漏极。栅极对从阴极/源极触点金属化层(140，图3a)至P阱之间的传导进行控制。在图3b中，阴极触点由延伸至每个源极区36的金属化层提供，并且，应当注意的是，在表面26处，触点对N+区36与P+基极34之间的各PN接合处进行桥接。
[0036]在漂移区24的下表面上形成P+阳极区14，对P+阳极区14形成阳极触点16。
[0037]在某些情况下，为了增大阴极单元的N阱与相邻单元的N阱之间的空间，可能需要在结构内设置所谓的“虚设单元”。这可以通过包括诸如图1b中所述的单元来简单地实现，只不过该虚设单元为浮动状态或接地，从而是不可操作的。在虚设单元中不存在η+区。因此，虚设单元可以与阴极连接，或不与阴极连接。这些虚设单元可以独立地分散在集群内。此外，可操作单元中的一些沟槽40a可以被指定为“虚设沟槽”。这在图1b的布置中，通过简单地省略用于被指定为虚设沟槽的沟槽的阴极触点37，使这些阴极触点37休眠或不可操作的来实现。结构内的虚设单元的数量和可操作单元内的虚设沟槽的数量取决于设计、所使用的制造方法以及所需要的器件特性。然而，已经表明在阴极单元结构中使用虚设单元能够改善导通状态损耗与关闭状态损耗之间的折中。如上所述，虚设单元可以呈浮动状态或接地。虚设单元和虚设沟槽可以一起接地或呈浮动状态。虚设沟槽也可以呈浮动状态。
[0038]可以构想出多种不同可能的沟槽构造以结合上述器件使用。现在参照附图中的图2a、2b、2c、2d和2e，示出了四种不同可能的条状的阴极几何结构。图2a示出了条状设计，其中存在100 %接触，并且沿着轴线没有设置虚设单元使得所有的阴极单元是