专利名称：具有减小的且可调的导通电阻的补偿元件的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种具有减小的且可调的导通电阻的补偿元件。该补偿元件可以是直立补偿元件或可选择地是横向补偿元件。这种情况下，该补偿元件优选是一种功率场效应晶体管。
背景技术：
关于补偿元件，众所周知，有非常多的关于形成补偿区域的现有技术。在这方面，作为其它文献的实例和典型代表，尤其参照如下US 6 630 698 B1公开了一种场效应晶体管，其中p-导电柱形式的补偿区域具有可变掺杂，使得p-导电柱在源极附近的区域具有比漏极附近的区域更高的掺杂。这种情况下，这些p-导电柱总是有相同的、恒定的横截面。
在US 6 639 272 B2中，在补偿区域的P-导电柱中的同样可变掺杂可以通过使各个外延层的层厚不同来实现，上述外延层与在其长度上具有基本一致的横截面的p-导电柱相结合。
US 4 754 310 A1，US 5 216 275 A1，US 6 621 122 B2和US 2004/108568 A1给出了由具有恒定的横截面的补偿区域组成的补偿元件的其它例子。
此外，例如从US 6 512 267 B2，US 6 410 958 B1和US 6 433 385 B1中公知采用沟槽技术(trench technology)的补偿元件。在这些文献中，这些补偿区域也在其长度上具有基本恒定的横截面。仅仅在最后被提及的US 6 433 385 B1中描述了一个具有“延长的p-区”(延长的p-导电区)的沟槽晶体管，所述“延长的p-区”被埋入充填氧化物的沟槽之间并且用作补偿区域。这里，沟槽在其下部比在其上部具有更小的横截面，使得补偿区域在漂移区的更深区域比在不太深的区域具有更大的横截面。
US 6 677 643 B2揭示了一种补偿元件，其中补偿区域在源区附近比漏区附近具有更大的间距，由此可以产生以下结构，其中具有较大的横截面的补偿区域在源极电极与漏极电极之间的直立方向上邻接具有较小的横截面的补偿区域。
虽然之前在上面所提及的常规补偿元件都具有直立结构，但US 6 858 884B2描述了一种具有横向结构的补偿元件，这里补偿区域就其横截面而言在源极电极和漏极电极之间的方向上减小。然而，补偿区域在漏极侧直接一直延伸到高掺杂的衬底，使得在所述衬底和补偿区域之间没有“基础层(pedestallayer)”保留。该文献没有论述补偿区域的形式与补偿元件的作为漏源电压函数的电容的曲线(profile)之间的任何关系。
最后，WO 2005/065385 A2揭示了一种场效应晶体管形式的补偿元件，其中浮置p-导电补偿区域位于源极和漏极之间的漂移区中，所述补偿区域的直径随着与源极电极距离的增加而减小。减小直径的目的是产生浮置p-导电区以得到增加的击穿电压。在这种补偿元件的情况下不提供连续的补偿柱。
以上的许多文献通过关于已被关注的补偿元件的广泛的现有技术的例子被引用。然而，必须强调的是，无论如何在这些文献中以及在被研究的其他现有技术中，没有显性地讨论补偿区域形式(也就是说补偿区域的几何形状)与补偿元件的作为漏极和源极之间所存在的电压的函数的电容(也就是说输出电容)的曲线之间的关系。
现在研究表明，特别体现为补偿元件的高电压功率晶体管具有特殊的特性，即其中在给定小漏源电压的情况下输出电容是非常大的，但是当漏源电压增加时很快地减小几个数量级，在具有高输出电容的范围与无输出电容的范围之间的过渡不以任何方式以连续方式实现，而是以阶跃方式实现。
以上输出电容Coss对漏源电压VDS的依赖关系以对数表示方式显示在图1中。所研究的补偿场效应晶体管的输出电容随漏源电压VDS增加而快速下降的各个步骤这里都可以清楚地看出。
对输出电容的该快速下降的物理学背景将在下面被详细地解释。这里应该注意的是反馈电容、即栅极和漏极之间的电容以相似的方式表现，并且由于额外地包含在输出电容中的漏源电容而采取比输出电容更小的值。
图2示意性地示出了n-导电漂移区2内的p-导电补偿区域5，补偿区域5与漂移区2之间的pn结10是柱状形式的。源极接触位于图2的上边缘，而漏极接触被假定处于下边缘。
如果在补偿元件处于接通状态时漏极接触与源极接触间存在10V，则空间电荷区9形成，其中如果所述补偿区域的内部保持在源极电势，但是在漂移区2内围绕补偿区域5的区域由于所述漂移区2的体电阻而缓慢上升到漏极电势，则空间电荷区在柱型补偿区域5周围延伸。空间电荷区9特别地延伸在补偿区域的下漏极侧端，使得尤其这里在漂移区2仅保留所限定的相对窄的区域用于电流流动。
于是，如果多个补偿区域以其径向广度彼此平行地位于源极接触和漏极接触之间并且漏极和源极之间的电压连续增加，则平行的补偿区域的空间电荷区9最终将会聚。在空间电荷区9会聚时，空间电荷区的几何形状和有效厚度大大变化，这可以从电容曲线中的阶跃看出来。因而，输出电容的急剧下降(参见图1)和其阶跃曲线最终是由空间电荷区的会聚导致的，在该情况下应该考虑的是所述空间电荷区在漏极侧、补偿区域的下端彼此接触。当它们接触的时该时刻，漂移路径的整个上部变得对于电容无效，从而显著的阶跃可以被解释。
根据图1的例子的输出电容的陡峭曲线导致陡峭的电压沿，这对于采用这种补偿元件的电路的电磁兼容性(EMC行为)是非常不利的。这尤其适用于输出电容曲线中的大阶跃的范围。
总之，因此可以确定的是作为漏源电压函数的输出电容的较小阶跃曲线对于补偿元件的EMC行为是非常有利的。
发明内容
因此，本发明的目标是详细说明一种补偿元件，其中电容曲线尽可能平滑，以便从而得到有利的EMC行为，并且可以通过尽可能低的导通电阻来表征所述补偿元件。
该目标对于直立结构可以通过具有权利要求1的特征的补偿元件来实现以及对于横向结构通过具有权利要求2的特征的补偿元件来实现。
本发明的有益的改进可以从从属权利要求中得出。
因此，在依照本发明的补偿元件的情况下，一个或多个补偿区域在第一和第二电极之间的方向上、也即尤其是在源极和漏极之间的方向上随着与本体区(body zone)的距离的增加而具有不断减少的横截面，使得一个或多个补偿区域以“V”状方式被设计。换句话说，所谓的补偿柱从而以“V”状方式被配置。
通过一个或多个补偿区域的这种配置实现的是通过会聚空间电荷区来阻止漂移路径的上部区域中的所述“夹断(pinch-off)”或“截止(cut-off)”。因而，尽管电容曲线中的阶跃(参见图1)仍旧存在，不过它们大大不显著，使得当漏源电压上升时电容的下降全面较慢地实现。该更小阶跃的电容曲线对补偿元件的EMC行为产生有利的影响。
“V”状柱结构的另一优点是减小的导通电阻。对于所存在的同样的漏极电压，在根据本发明的元件(参见图4a)的情况下空间电荷区穿入例如n-导电补偿区域显著地要比在常规元件(参见图4b)的情况少。既然所述n型区域的横截面对导通电阻有很大影响，在该情况下有V状p-导电柱的结构具有显著改善的导通电阻。如果补偿元件存在于直立结构中，则重要的是一个或多个补偿区域都以相邻方式被配置、就是说没有浮置区域。因此在根据本发明的直立补偿元件的情况下不存在如可从上述WO 2005/065385 A2推断的这种浮置区域。
相反，如果涉及横向结构的补偿元件，则重要的是漂移区的基础区域附加地保留在漂移区的补偿区域末端与第二区(一般是漏极区)之间。因此，对照于US 6 858 884 B2中所公开的横向半导体元件，在本发明的横向补偿元件的情况下补偿区域不到达漏极区或高掺杂的衬底。
本发明的补偿元件优选地为场效应晶体管。然而，本发明并不限于此，原则上，也可以应用于其他半导体元件，例如IGBT。
在根据本发明的补偿元件的情况下，漂移区优选地是n-导电的，使得补偿区域具有p-导电性，即例如掺杂硼。然而，原则上，也可能存在相对的导电性条件，使得n-导电补偿区域被埋入一个p-导电漂移区。
下面，参考附图对本发明进行详细的说明，其中图1示出在补偿场效应晶体管情况下输出电容对漏源电压的依赖关系，图2示出在具有常规结构的补偿区域周围的空间电荷区的扩展，图3A和3B示出在根据本发明的补偿元件的情况下(图3A)以及在常规补偿元件的情况下(图3B)补偿区域的pn结的曲线，图4A和4B示出在根据本发明的补偿元件的补偿区域的情况下(图4A)以及在常规补偿元件的补偿区域的情况下(图4B)空间电荷区的扩展，图5对照地示出在常规补偿元件情况下以及在根据本发明的补偿元件的情况下作为漏源电压函数的输出电容的曲线，
图6示出根据本发明的直立补偿元件的截面示意图，以及图7A和7B显示了横向补偿元件，图7A合乎透视法地显示了后者，而补偿元件的结构附加地被单独描绘于图7B中用于图示的目的。
具体实施例方式
在图中，同样的附图标记在所有情况下都被用于互相对应的结构部分。图1和图2已经在序论中被介绍过了。
图3A和3B示出在根据本发明的补偿元件的情况下(参见图3A)和在常规补偿元件的情况下(参见图3B)在p-导电补偿区域5与n-导电漂移区2之间的pn结10的曲线，其中为描述本发明，在常规补偿元件的情况下，补偿柱、即补偿区域5在从源极(顶部)到漏极(底部)的方向上甚至有些被加宽，而在根据本发明的补偿元件情况下，在从源极到漏极的方向上补偿区域5的横截面明显变窄。
图4A和4B描述了在根据本发明的补偿元件情况下(参见图4A)和在常规补偿元件的情况下(参见图4B)位于p-导电补偿区域5与n-导电漂移区2之间的pn结10的区域内的空间电荷区9的广度(extent)。可以清楚地看到，在常规补偿元件的情况下(参见图4B)，空间电荷区9最大程度地向“柱”(在该图中也即补偿区域5)的下部区域中的“右侧”延伸，使得一旦相邻补偿区域的两个空间电荷区9“会聚”，漂移区的上面区域的夹断就发生，这又导致作为漏源电压函数的输出电容的曲线的阶跃和突变。可以从图4A推断出，因为这里空间电荷区9在“柱”的下部区域不特别地凸出，所以这种“夹断”在这里不发生。
图5对于常规补偿元件(场效应晶体管)利用实心线(也即根据图1的示意图)并且对于根据本发明的补偿元件利用点划线描述了仿真的电容曲线、即输出电容Coss对漏源电压VDS的依赖关系。可以清楚地看出，在根据本发明的补偿元件的情况下，尽管在电容曲线中仍旧存在阶跃，但是所述阶跃以显著不太明显的方式出现。换句话说，输出电容的“更平滑”下降发生，使得当漏源电压升高时输出电容下降得更慢。这可以归因于以下事实，即在根据本发明的补偿元件情况下，相邻“补偿柱”(参见图4A)的各个空间电荷区从顶部到底部合并在一起，使得同样从顶部到底部实现上面的漂移区的夹断。
在根据本发明的补偿元件情况下，由于上述空间电荷区的广度，在接通状态下，为电子的电流保留的的区域被保持，使得它从顶部到底部具有近似相同的宽度(再次参见图4a)。
这意味着与具有通常的补偿柱的常规补偿元件相比，对于根据本发明的补偿元件而言产生明显增加的导电性和较低的导通电阻，使得例如随着栅极被激活(在栅极处存在10V)，依赖于漏极电压的漏极电流增加了大约7.5％。也就是说，在增加到10V的上升漏极电压的情况下，与常规补偿元件相比，在根据本发明的补偿元件的情况下漏极电流在任何情况下都增加了大约7.5％。
在下面将参照图6更详细地解释根据本发明的以具有源极电极S、漏极电极D和栅极电极G的场效应晶体管形式的直立补偿元件。
n--导电漂移区2例如位于由硅构成的n+-掺杂半导体衬底1上，p-掺杂本体区3被引入到所述漂移区。所述p-掺杂本体区3包含n-重掺杂源极区4，该n-重掺杂源极区4配备有用于源极电极S的源极接触6。至于其他，半导体本体的上主表面7由绝缘层8覆盖，该绝缘层8由二氧化硅和/或氮化硅构成，其中用于栅极电极G的栅极接触11又位于所述绝缘层上。
相对于主表面7的下主表面12配备有用于漏极电极D的漏极接触31。
p-掺杂补偿区域5在漂移区2中在所有情况下都位于本体区3之下并且邻接该本体区3。这样，补偿区域5一般具有V状配置(参见虚线“V”)，也即它们具有一横截面，该横截面随距主表面7距离的增加以及到主表面12距离的减小而减小，如可以在所述区域5的位于源极附近和漏极附近的末端处根据补偿区域5(补偿柱)的横截面的尺寸a和b分别从图6看出来。横截面的这种“减小”可以分别由区域5的位于源极附近和漏极附近的所述末端的所述尺寸a和b清楚地表示。在这种情况下，横截面的面积比b2/a2是如此之小以致它无论如何都比由于掺杂浓度而自动(也在注入开口不改变的情况下)得出的面积比要小，所述掺杂浓度在直立方向上改变(像例如在US 6 630 698 B1中所建议的那样)。面积比b2/a2的优选值至多是0.95以及优选地是0.5到0.8。补偿区域基本上彼此平行。
补偿区域5、本体区3和源极区4可以以常规方式制造，也即例如对于用于形成补偿区域5的各个区域51、52、53、54、55通过各个外延步骤，和对于本体区3或源极区4通过注入和/或扩散。
可选地，n-导电基础区域14另外可以在漂移区2中存在于补偿区域5的下端。如果所述基础区域14不存在，则漂移区2直接邻接半导体衬底1。基础区域14的优选宽度至少为2μm，并且例如在600V元件的情况下，大约10至20μm。
图7A和7B另外示出了场效应晶体管形式的本发明横向补偿元件的典型实施例。在该情况下，图7A是透视图，而图7B仅以平面图的形式示出补偿区域5向漂移区2的埋入。
在这种情况下，在介电衬底1′之上存在n--导电漂移区2、p-导电本体区3、埋入后者的n-导电源极区4、具有用于漏极电极D的漏极接触13的n+-导电接触区域16的n-导电漏极区15、由二氧化硅和/或氮化硅构成的绝缘层8、用于栅极电极G的具有在本体区3和栅极层11之间的栅极氧化物17的栅极层11、以及用于源极电极S的源极接触6。
根据本发明，V状补偿区域5被埋入漂移区2，所述补偿区域像本体区3一样是p-掺杂的，邻接后者并且基本上彼此平行。n-掺杂基础区域14位于补偿区域5的下端，所述n掺杂基础区域至少比n--掺杂漂移区2更高地被掺杂并且具有比漏极区15稍微弱的掺杂浓度。所述基础区域14的宽度d再次至少为2μm，并且优选地在600V元件的情况下，大约10至20μm。在横向补偿元件情况下，存在基础区域14，然而如以上解释的那样，在直立补偿元件的情况下，该基础区域仅仅选择性地被提供。
硅优选地被用作根据本发明的补偿元件的半导体材料。然而，也可能采用其他半导体材料，例如SiC等。如已经被提到的一样，适当的掺杂剂是用于p型导电性的硼和用于n型导电性的磷或砷。例如，铝和类似物可以被用作接触层的材料。
权利要求
1.包括第一导电型的半导体本体(1，2)的直立补偿元件，其中与第一导电型相对的第二导电型的邻接第一电极(G，S)的本体区(3)、和第一导电型的漂移区(2)在至少一个第一电极(G，S)和第二电极(D)之间延伸，所述第一电极被设置在具有第一导电型的第一区域(4)的半导体本体的第一主表面(7)上，所述第二电极以距所述第一电极(G，S)的距离被设置在相对于第一主表面(7)的、具有第二区(1)的半导体本体的第二主表面(12)上，所述漂移区位于本体区(3)和第二区(1)之间并且与第一和第二区(4，1)相比较弱地被掺杂，第二导电型的至少一个补偿区域(5)在漂移区(2)中位于本体区(3)之下，所述补偿区域以柱状形式连续地被配置并且以平行于连接方向的其纵向方向在第一和第二电极之间延伸，其中补偿区域(5)在朝向第二电极的方向上具有锥形横截面。
2.包括半导体本体的横向补偿元件，其中与第一导电型相对的第二导电型的邻接第一电极(G，S))的本体区(3)、和第一导电型的漂移区(2)在用于第一导电型的第一区(14)的至少一个第一电极(G，S)和用于第二区(15，16)的以距第一电极一距离而被设置的第二电极(D)之间延伸，所述漂移区位于本体区(3)和第二区(15，16)之间并且与第一和第二区相比是弱掺杂的，第二导电型的至少一个补偿区域(5)以邻接本体区(3)的方式位于漂移区(2)中，所述补偿区域在朝向第二电极的方向上具有锥形横截面。其中补偿区域(5)仅仅在某一广度上以从第二导电型的区(3)朝向第二区(15，16)的行进方式在漂移区(2)中延伸，使得漂移区(2)的基础区域(14)保留在第二区(15，16)之前并且以邻接所述第二区(15，16)的方式保留在补偿区域(5)的末端和第二区之间。
3.如权利要求1所述的补偿元件，其中补偿区域(5)仅仅在某一广度上以从第二导电型的区(3)朝向第二区(1)行进的方式在漂移区(5)中延伸，使得漂移区(2)的基础区域(14)保留在第二区(1)之前并且以邻接所述第二区(1)的方式保留在补偿区域(5)的末端与第二区域(1)之间。
4.如权利要求2或3所述的补偿元件，其中在第一和第二电极之间的方向上基础区域(14)的厚度至少为2μm。
5.如权利要求4所述的补偿元件，其中基础区域(14)的厚度为10μm到20μm。
6.如权利要求1至5之一所述的补偿元件，其中补偿区域在接近第二电极的其末端处与接近第一电极的其末端处的横截面之间的面积比小于在注入情况下通过具有恒定开口和垂直方向可变掺杂的掩膜所确立的相应的面积比。
7.如权利要求6所述的补偿元件，其中补偿区域在接近第二电极的其末端处与接近第一电极的其末端处的横截面之间的面积比小于0.95。
8.如权利要求7所述的补偿元件，其中补偿区域在接近第二电极的其末端处与接近第一电极的其末端处的横截面之间的面积比在0.50和0.80之间。
9.如权利要求1至8之一所述的补偿元件，其中该补偿元件为功率晶体管。
10.如权利要求1至9之一所述的补偿元件，其中第一导电型为n导电型。
11.如权利要求10所述的补偿元件，其中补偿区域(5)为硼掺杂的。
12.如权利要求1至11之一所述的补偿元件，其中多个补偿区域(5)在第一电极和第二电极之间基本上彼此平行。
13.包括第一导电型的半导体本体(1，2)的直立补偿元件，其中第一导电型的漂移区(2)在第二导电型的本体区(3)之下延伸，该第二导电型与第一导电型相对，第二导电型的至少一个具有锥形横截面的补偿区域(5)在漂移区(2)中位于本体区(3)之下。
14.如权利要求1或13所述的补偿元件，锥形横截面由包络线(V)定义，该包络线(V)限定补偿区域的各个区(51，52，53，…)的边缘。
全文摘要
本发明涉及一种补偿元件，其中漂移区(2)内的补偿区域(5)以V状形式被配置，以便从而实现空间电荷区(9)从补偿区域(5)的上端到下端的会聚。因而使阶跃电容曲线平滑。
文档编号H01L29/78GK101022125SQ200710087979
公开日2007年8月22日 申请日期2007年1月16日 优先权日2006年1月16日
发明者A·威尔默罗思, H·卡佩尔斯 申请人:英飞凌科技奥地利股份公司