专利名称：半导体器件的制作方法
技术领域：
本发明涉及半导体器件，尤其涉及对利用诸如碳化硅(SiC)、 GaN和金刚石之 类的所谓的宽带隙半导体形成的功率半导体器件的改进。
背景技术：
图IO中的示意性框图在概念上示出了电动机控制中使用的倒相器，它在日本 专利特开第2006-073775号中公开，作为包括根据现有技术的功率半导体器件的功 率模块的一个示例。如图10所示，在用于控制电动机31等的半导体元件(功率元件)包含在IC或 模块中的情况下，技术上难以将包含由控制/逻辑系统的低压电源32驱动的低压半 导体电路的控制电路33和以由高压电源34提供的高压HV的大电流工作的功率开 关元件35H、 35L集成在一个芯片中或安装在同一封装中。由此，几乎没有工业IC 和模块被广泛使用。换言之，目前通过Si半导体技术形成的功率IC和模块利用用 于将低压元件与高压元件彼此电隔离的绝缘技术以相当复杂的工艺形成。尤其是在称为智能功率模块(IPM)的半导体器件中，在倒相器中用于控制电动 机31等的功率开关元件(例如，绝缘栅双极晶体管(IGBT)和金属氧化物半导体场效 应晶体管(MOSFET))的高侧功率开关元件35H的栅极驱动电路36应在从接地电位 浮起的高电位状态下工作，并且因此需要浮动的高电位电源37。这是因为在连接到负载的高侧功率开关元件35H和低侧功率开关元件35L之 间的连接部分处的电位总是取决于这些功率开关元件的状态而改变，并且需要参考 变化的电位来提供用于高侧功率开关元件35H的栅电位以控制开关。因此，需要 电平移动技术，其中从控制电路33发出的基于接地电位的信号以高电位浮动状态 传递到栅极驱动电路36。
一般在常规的倒相器中用作驱动Si功率元件的电平移动电路的是如图10所示的利用光电耦合器的方案。在该方案中，LED(发光二极管)39响应于从控制电路 33发送的基于接地电位的信号发光，并且用光照射光电二极管38。然后，根据光 电二极管38中由光照射引起的电位的信号来控制高侧功率开关元件35H的栅极。 以此方式使用光电耦合器允许信号以高电位浮动状态发送到栅极驱动电路36。然而，每一个高侧功率开关元件都需要这种光电耦合器。在图10中的三相输 出驱动电路中，例如，需要至少三个光电耦合器和三个高侧栅极驱动电源。另一方 面，用于低侧功率开关元件35L的栅极驱动电路40是低压电路，并且不需要如高 侧所需的这三个独立的浮动电源。换言之，来自一个低侧电源41的电压由用于倒 相器控制的驱动电路40提供给三个低侧电源开关元件35L。如上所述，如图10所示的倒相器在高侧需要三个功率开关元件35H、三个栅 极驱动电路36、三个浮动电源37和三个电平移动电路(光电二极管38、 LED 39)， 并且需要安装它们的特定容量，从而不利地增加了包含它们的模块的尺寸。鉴于上述图10所示的功率模块中的问题，日本专利特开第2006-073775号提 出一种通过利用宽带隙半导体来形成功率开关元件和光接收元件两者来改进光接 收元件的耐热性，以及通过在同一半导体芯片上形成功率开关元件和光接收元件来 减小芯片面积的方法。然而，在日本专利特开第2006-073775号中提出的方法中，必须使用用于发出 具有小于蓝光的波长的光的LED来驱动光接收元件，这导致模块成本的增加。更具体地，当用于产生驱动功率半导体器件的信号的光接收元件利用宽带隙 半导体衬底来形成时，需要应用具有比蓝光的波长短的波长的光作为用于激发光接 收元件的信号光，以激发宽带隙半导体。可发出具有这一短波长的光的LED—般 利用氮化物半导体来制造并因此很昂贵，导致模块成本的增加。此外，宽带隙半导体元件易于含有很多缺陷，且难以控制用于控制极性的杂 质扩散。因此，同样难以制造具有高灵敏度以及关于诸如暗电流之类的噪声的良好 特性的高性能光接收元件。发明内容鉴于上述现有技术中的问题，本发明的一个目的是以低成本提供包括利用宽 带隙半导体形成的功率开关元件和用于控制它的高性能光接收元件的半导体器件。 根据本发明， 一种半导体器件包括利用硅衬底形成的光电二极管；设置在
硅衬底上并具有比硅的带隙大的带隙的宽带隙半导体层；以及利用宽带隙半导体层 形成的开关元件。开关元件电连接到光电二极管，以便由来自光电二极管的控制信 号来进行导通/断开控制。在该半导体器件中，光电二极管具有阴极侧电极和阳极侧电极，而开关元件 具有第一电极、第二电极和控制电极。光电二极管的阴极侧电极可电连接到开关元 件的第一电极，而光电二极管的阳极侧电极可电连接到开关元件的控制电极。较佳的是包括彼此串联电连接的多个光电二极管以提高可靠控制开关元件的 能力。同样较佳的是还包括利用硅衬底形成的放大电路，以将来自光电二极管的信 号放大并提供给开关元件。可电连接该放大电路，以放大光电二极管的阴极侧电极 和阳极侧电极之间的电压，并将放大的电压施加在开关元件的第一电极和控制电极 之间。宽带隙半导体层可包括GaN层、AlGaN层、InGaN层和InAlGaN层中的至少 一任一层。宽带隙半导体层也可包括SiC层。在光电二极管被宽带隙半导体层覆盖的情况下，连接到接地电极用于屏蔽光 电二极管免受电磁噪声的屏蔽电极较佳地设置在光电二极管的上部区域中的宽带 隙半导体层上。在利用宽带隙半导体层形成的开关元件是FET的情况下，较佳的是FET的栅 电极是肖特基(Schottky)栅并且FET是常闭型。在如上所述的半导体器件的制造方法中，较佳的是在硅衬底上进行杂质扩散 工艺以形成光接收元件，然后在硅衬底上外延生长宽带隙半导体层。较佳地，硅衬 底包括穿透衬底的第一种通槽和第二种通槽。第一种通槽是用于形成穿过硅衬底的 电极的槽，而第二种通槽是用于形成穿过硅衬底的隔离区的槽。同时在两种通槽的 内表面上形成绝缘膜。第一种通槽具有即使在形成绝缘膜后也留有用于形成电极的 空间的宽度，而第二种通槽具有用绝缘膜填充的宽度。当结合附图阅读本发明的以下详细描述时，本发明的上述和其它目的、特征、 方面和优点将变得更加明显。
图1A是示出根据本发明的一个实施例的半导体器件的示意性平面图。 图1B是图1A的半导体器件的示意性横截面图。图1C是示出包含在图1B中的外延AlGaN/GaN层的放大的示意性横截面图。
图2是示出图IB的半导体器件的制造方法的示意性横截面图。 图3是示出图2以后的制造步骤的示意性横截面图。 图4是示出图3以后的制造步骤的示意性横截面图。 图5是示出图4以后的制造步骤的示意性横截面图。 图6是示出图5以后的制造步骤的示意性横截面图。 图7是示出根据本发明的另一个实施例的半导体器件的示意性横截面图。 图8是示出根据本发明的又一个实施例的半导体器件的示意性横截面图。 图9A是示出根据本发明的再一个实施例的半导体器件的示意性横截面图。 图9B是示出在图9A中由虚线围绕的椭圆形区域的放大的示意性平面图。 图10是示出根据现有技术的功率半导体模块的示例的示意性框图。
具体实施方式
(第一实施例)图1A和图1B分别示意性示出根据本发明的第一实施例的半导体器件的平面 图和横截面图，而图1C示出包含在图1B中的外延AlGaN/GaN层的放大的横截面。 注意，在本申请的附图中，长度、宽度、厚度等出于附图的清楚和简明的目的而任 意改变，并且不表示实际的尺寸关系。在附图中，相同的参考标号表示相同的部分 或对应的部分。在图1B的半导体器件中，光接收元件5包括形成于硅衬底1的上表面层中的 p型扩散区3和n型扩散区4。这些扩散区通过绝缘膜6与电极7、 8隔离。另一方面，开关元件9利用外延AlCaN/GaN层2形成并具有源电极10、漏电 极11和栅电极12。该栅电极12由肖特基电极形成，并且开关元件9能够通过内 置电压来进行常闭工作。这里，如图1C所示，外延AlCaN/GaN层2具有层叠在GaN层42上的AlGaN 层43。在这种情况下，在GaN层42和AlGaN层43之间的边界区域中，二维电子 气层44形成于具有窄带隙的GaN层侧上。光接收元件5的p型扩散区3通过阳极电极13和连接电极28电连接到开关 元件9的栅电极12。另一方面，光接收元件5的n型扩散区4通过阴极电极14和 连接电极7电连接到开关元件9的源电极10。当来自用于控制的LED(未示出)的光15通过连接电极28的开口引入到光接收 元件5时，在其中形成光电电动势。将这一光电电动势作为控制信号发送到栅电极
12，以使开关元件9响应于控制信号开关电流。这里，开关元件9是具有肖特基电极12的内置电压的常闭型，因此可将开关 元件9的阈值电压设置成约0.3V。因而，具有这一低阈值电压的开关元件9可由 仅一个光接收元件5来控制。图2至图6以示意性横截面图示出了图1B的半导体器件的示例性制造过程。 首先，如图2所示，通过离子注入或任何其它方法在硅衬底1的上部主表面的表面 层中形成彼此稍微间隔开的p型扩散区3和n型扩散区4。其后，如图3所示，在 硅衬底1的上部主表面上生长外延AlGaN/GaN层2。在外延生长期间硅衬底1的 温度通过加热而升高，以逐渐形成p型扩散区3和n型扩散区4的杂质扩散。在图4中，形成了用于开关元件9的源电极10、漏电极11和栅电极12以及 用于光接收元件5的阳极电极13和阴极电极14。然后，通过用于光接收元件5的 p型扩散区3和n型扩散区4之间的槽24分隔覆盖硅衬底1的AlGaN/GaN外延层 2。在图5中，在硅衬底1中形成具有规定深度的槽25，并在槽25的每一个的内 壁上形成绝缘膜6。这里，如果使槽25的宽度小于绝缘膜6的厚度的两倍，则槽 25被绝缘膜6填充并可用作用于元件隔离的绝缘区。另一方面，如果使槽25的宽 度大于绝缘膜6的厚度的两倍，则在覆盖槽25的内壁的绝缘膜6内留下空间，并 且可在该空间中形成连接电极7。换言之，用于元件隔离的绝缘膜6和用于绝缘连 接电极7的绝缘膜6可通过适当地调节槽25的宽度来在硅衬底1中同时形成。在图6中，抛光硅衬底1的下表面直到暴露连接电极7，并在光接收元件部分 5的底面上形成绝缘膜6。开关元件和光接收元件通过绝缘层6和连接电极7彼此 接合并且彼此不分隔。其后，如图1B所示，在硅衬底1的下表面上形成与连接电 极7接触的电极8。此外，形成覆盖衬底1的上侧的绝缘膜27并在其上形成连接 电极28，从而可实现根据第一实施例的半导体器件。在本发明中，因为开关元件由宽带隙半导体形成，因此它导致较少的电损耗 和较少的热生成。此外，开关元件中生成的热对光接收元件的影响可被最小化，因 为光接收元件和开关元件通过槽25彼此完全隔离。在该实施例中，尽管AlGaN/GaN层2覆盖光接收元件，但它在硅衬底1上外 延生长并允许从红外至红光的波长范围中的光穿过，此外它可用作用于光接收元件 的保护膜。然而，因为设置在光接收元件上的绝缘膜27可用作保护膜，所以如果 需要的话可去除AlGaN/GaN层2。
在这一情况下，可在去除AlGaN/GaN层2之后通过在硅衬底1中扩散杂质来 形成光接收元件。这里，硅衬底1中的杂质扩散的温度可以是约IOOO'C至U5(TC。 GaN层的外延生长可在MOCVD(金属有机化学气相沉积)中在110(TC下进行或在 MBE(分子束外延)中在约900'C下进行。(第二实施例)图7示出根据本发明的第二实施例的半导体器件的示意性横截面。第二实施 例的半导体器件与第一实施例的半导体器件的不同之处在于它包括多个光接收元 件5。更具体地，图7的半导体器件包括两个光接收元件区5。两个光接收元件区5 通过其间的绝缘膜6彼此隔离。隔离的光接收元件区5中的每一个包括一对p型扩 散区3和n型扩散区4。因而，这些光接收元件区5通过连接电极17彼此串联电稱合。因此，在根据第二实施例的半导体器件中，将高压控制信号从两个串联连接 的光接收元件5提供给开关元件9的栅电极12，使得与第一实施例相比开关元件9 的控制的可靠性提高。这里，尽管图7中示出两个光接收元件5，但不必说可串联 连接三个或更多光接收元件。因为在本实施例中光接收元件和开关元件彼此完全电隔离，所以可增加控制 电压。(第三实施例)图8示出根据本发明的第三实施例的半导体器件的示意性横截面。第三实施 例的半导体器件与第一实施例的半导体器件的不同之处仅在于它包括在光接收元 件5和开关元件9之间的信号放大部分21 。更具体地，图8的半导体器件包括形成于硅衬底1中的n型扩散区18、 p型 扩散区19和一对n+型扩散区20，以形成作为信号放大部分21的双极晶体管。电连接双极晶体管21以放大光电二极管5的阴极侧电极14和阳极侧电极13 之间的电压，并将放大的电压施加在开关元件9的源电极IO和栅电极12之间。具 体地，双极晶体管21的一对n+型扩散区20中的一个通过连接电极17连接到光电 二极管5的n型扩散区4，而另一个通过连接电极7连接到开关元件9的源电极10。因此，在根据第三实施例的半导体器件中，来自光接收元件5的控制信号由 双极晶体管21放大，然后提供给开关元件9的栅电极12，从而与第一实施例相比 提高了开关元件9的控制的可靠性。这里，尽管双极晶体管被示为图8中的信号放
大部分21，但它可用任何其它适当的放大电路来替代。此外，如果需要的话，可制造同时包括第二实施例中串联连接的多个光接收元件5和第三实施例中的信号 放大部分21两者的半导体器件。 (第四实施例)图9A示出根据本发明的第四实施例的半导体器件的示意性横截面。图9B是 示意性地示出图9A中由虚线围绕的椭圆区域的放大的平面图。第四实施例的半导 体器件与第一实施例的半导体器件的不同之处仅在于在光电二极管的上部区域中 的宽带隙半导体层2上设置了用于屏蔽光电二极管免受电磁噪声的屏蔽电极23。 将屏蔽电极23连接到接地电极22，开关元件9的源电极10也连接到接地电极22。在第四实施例中，AlGaN/GaN层2允许具有从红外到红光范围的波长的光穿 过，并且二维电子气层形成于GaN层中，使得低电阻的屏蔽电极23的设置可去除 来自半导体器件外部的噪声并实现较高的CMR(共态抑制)。不必说，这种屏蔽电 极可另外地设置在第一至第三实施例的半导体器件中的每一个中。在上述实施例中的每一个中，外延AlGaN/GaN层2可由多层A1N和GaN层， 或单层AlGaN、 GaN、 InGaN和InAlGaN或具有其组合的多层膜来替代。此外， 可形成SiC层来代替外延AlGaN/GaN层2。在该情况下，硅半导体工艺可共同用 于处理硅衬底1和SiC层共享，从而降低半导体器件的制造成本。尽管仅在开关元件单一地形成于硅衬底上的情况下给出以上描述，但不必说 开关元件可单独制造然后通过倒装接合法连接到具有形成于其中的光接收元件的 硅衬底上。如上所述，在根据本发明的半导体器件中，光接收元件利用硅衬底来形成， 使得光接收元件可由发射从红外到红光波长范围的光的LED来驱动。因而，利用 宽带隙半导体形成的开关元件可由光接收元件控制。换言之，对于根据本发明的功 率半导体器件的控制，可使用用于发射相对较长波长的光的廉价的LED，而不是 发射较短波长的光的昂贵的LED，从而可降低功率半导体模块的成本。此外，硅 衬底的使用便于制造高性能光接收元件。此外，允许LED光穿过而不允许电磁噪声穿过的屏蔽层可通过将宽带隙层中 的二维电子气接地来形成，并可通过在宽带隙层下形成硅光电二极管来实现高 CMR光电二极管。尽管详细描述并说明了本发明，但应清楚地理解它仅作为说明和例子，而不 应理解为限制，本发明的精神和范围仅由所附权利要求书中的各项来限制。
权利要求
1. 一种半导体器件，包括 利用硅衬底形成的光电二极管；设置在所述硅衬底上并具有比硅的带隙大的带隙的宽带隙半导体层；以及 利用所述宽带隙半导体层形成的开关元件，其中所述开关元件电连接到所述光电二极管以便由来自所述光电二极管的控制信 号来进行导通/断开控制。
2. 如权利要求1所述的半导体器件，其特征在于 所述光电二极管具有阴极侧电极和阳极侧电极， 所述开关元件具有第一电极、第二电极和控制电极，所述光电二极管的所述阴极侧电极电连接到所述开关元件的所述第一电极，以及所述光电二极管的所述阳极侧电极电连接到所述开关元件的所述控制电极。
3. 如权利要求1所述的半导体器件，其特征在于，还包括串联电连接在所述 光电二极管和所述开关元件之间的一个或多个另外的光电二极管。
4. 如权利要求1所述的半导体器件，其特征在于，还包括利用所述硅衬底形 成、并将来自所述光电二极管的所述控制信号放大并提供给所述开关元件的放大电 路。
5. 如权利要求4所述的半导体器件，其特征在于 所述光电二极管具有阴极侧电极和阳极侧电极， 所述开关元件具有第一电极、第二电极和控制电极，以及电连接所述放大电路以放大所述光电二极管的所述阴极侧电极和所述阳极侧 电极之间的电压，并将放大的电压施加在所述开关元件的所述第一电极和所述控制 电极之间。
6. 如权利要求1所述的半导体器件，其特征在于，所述宽带隙半导体层包括 GaN层、AlGaN层、InGaN层和InAlGaN层中的至少任一层。
7. 如权利要求1所述的半导体器件，其特征在于，所述光电二极管被所述宽 带隙半导体层覆盖。
8. 如权利要求7所述的半导体器件，其特征在于，被安排成围绕所述光电二 极管的外围并电连接到接地电极的屏蔽电极被设置在所述光电二极管的上部区域 中的所述宽带隙半导体层上。
9. 如权利要求1所述的半导体器件，其特征在于，利用所述宽带隙半导体层形成的所述开关元件是FET，所述FET的栅电极是肖特基栅，并且所述FET是常 闭型。
10. —种权利要求1所述的半导体器件的制造方法，其特征在于 在所述硅衬底上进行杂质扩散过程以形成所述光接收元件，以及 其后在所述硅衬底上外延生长所述宽带隙半导体层。
11. 如权利要求IO所述的半导体器件的制造方法，其特征在于所述硅衬底包括穿透所述衬底的第一种通槽和第二种通槽， 所述第一种通槽是用于形成穿过所述硅衬底的电极的槽， 所述第二种通槽是用于形成穿过所述硅衬底的隔离区的槽， 在所述两种通槽的内表面上同时形成绝缘膜， 所述第一种通槽具有即使在形成所述绝缘膜后也留有用于形成电极的空间的 宽度，所述第二种通槽具有用所述绝缘膜填充的宽度。
全文摘要
一种半导体器件包括利用硅衬底形成的光电二极管、形成于硅衬底上并具有比硅的带隙宽的带隙的宽带隙半导体层、以及利用宽带隙半导体层形成的开关元件。开关元件电连接到光电二极管以便由来自光电二极管的控制信号来进行导通/断开控制。
文档编号H01L21/70GK101123263SQ20071014128
公开日2008年2月13日 申请日期2007年8月9日 优先权日2006年8月10日
发明者野崎义明 申请人:夏普株式会社