专利名称：带空气间隙结构的半导体功率器件及其制造方法
技术领域：
本发明涉及半导体集成电路领域，特别是涉及一种半导体功率器件及其制造方法。
背景技术：
半导体功率器件是电力电子领域的重要元器件，是实现强电和弱电之间接口的桥梁，在开关电源、变频、显示、节能降耗以及生态与环境保护等方面均有广阔的应用前景。通常，半导体功率器件是一种三端子器件，通过施加于控制端子上的控制信号，控制另两个端子处于电压阻断(器件截止)或电流导通(器件导通)状态。半导体功率器件在控制信号关断时的关断时间，影响到整个系统的效率和电力损耗。半导体功率器件的关断时间，可以通过减少器件电子漂移区的通道面积来减少。例如，名称为“Power semiconductor device”的美国专利申请(US7244969B2)披露了一种功率半导体器件，通过直接在功率器件电子漂移区的两侧(器件的外侧)作切除，改进半导体功率器件的结构，减少器件电子漂移区的通道面积，如图1所示。该技术方案虽能有效减少器件电子漂移区的通道面积，但由于其切除动作需要在整个半导体器件做完后才能进行，而切除动作属于机械动作，因此容易造成器件的硬损伤。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种带空气间隙结构的半导体功率器件，它在控制信号关断时的电力损耗和关断时间较少。为解决上述技术问题，本发明的带空气间隙结构的半导体功率器件，其电子漂移区内具有空气间隙结构。本发明要解决的另一技术问题是提供上述半导体功率器件的制造方法。为解决上述技术问题，本发明的带空气间隙结构的半导体功率器件的制造方法，其空气间隙结构的制作步骤包括:I)在硅片的电子漂移区上方涂布光刻胶；2)曝光，打开光刻图形；3)在电子漂移区内进行深沟槽的刻蚀，刻蚀完成后去除光刻胶；4)在电子漂移区上方生长外延，直到把所述深沟槽堵住，同时形成空气间隙；5)把所述外延的表面磨平，完成空气间隙结构的制作。本发明通过在半导体功率器件宽深的电子漂移(扩散)区，制作空气间隙，减少了半导体功率器件电子漂移区的通道面积，从而降低了器件在电力关断时的反向电流，减少了器件的电力损耗和关断时间，有效提高了半导体功率器件的工作效率。
图1是现有的半导体功率器件的一种改进结构的示意图。
图2是本发明实施例的IGBT器件的空气间隙结构的制作方法流程示意图。图3是本发明实施例的IGBT器件的改进结构示意图。图4是本发明实施例的IGBT器件与传统IGBT器件在电力关断时的反向电流和关断时间对比示意图。图中附图标记说明如下:1:电子漂移区2:栅极区3:阴极区4:阳极区5:防护圈Ia:垂直面Ib:切角面
具体实施例方式为对本发明的技术内容、特点与功效有更具体的了解，现结合图示的实施方式详述如下:本实施例以IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor,绝缘栅双极型晶体管)器件为例，通过在传统IGBT器件的宽深的电子漂移(扩散)区，制作两个空气间隙结构，来改进IGBT器件的结构，减少IGBT器件电子漂移区的通道面积。空气间隙结构的制作方法如下:I)在硅片的电子漂移区上方涂布光刻胶，如图2(a)所示。2)曝光，打开光刻图形，如图2(b)所示。3)在电子漂移区内进行深沟槽(de印trench)的刻蚀，刻蚀完成后去除光刻胶，如图2(c)所示。深沟槽的深度可以尽可能深，但应与硅片底部保持一定的安全距离。深沟槽的底部距离P型区为0.5 5 μ m，本实施例中为2 μ m左右。深沟槽的形状除图2(c)所示的形状外，还可根据不同的光刻图形，做成圆形、方形、正多边形、环型或者其他不规则形状等多种形状。深沟槽的数目不宜过多，即深沟槽的横向面积不能做得过大(深沟槽所占面积应为器件总面积的1/10 1/3，在1/4左右时较佳)，否则会直接导致功率器件通道不足，在高压控制导通或关断时，器件容易被击穿而失去工作能力。4)在电子漂移区上方生长外延(EPI)，直到把步骤3)刻蚀出的深沟槽堵住，同时形成空气间隙，如图2(d)所示。空气间隙形成后，还需要再多生长一些外延，以利于后续磨平步骤的进行。空气间隙的排放顺序以轴对称排放为主(以器件电子漂移区的中心纵轴为对称轴)，也可以根据实际情况安排图形。5)把步骤4)生长的外延表面磨平，完成空气间隙结构的制作。需要注意的是，空气间隙上方应与磨平后的外延表面之间保持一定的距离，如图2(e)所示，以保证硅片后续制程中的沟槽与空气间隙结构上方具有一定的距离。
按照上述方法改进后的IGBT器件结构如图3所示。从图中可见，加入空气间隙结构后，硅片基底基本保持不变，因此对后续的制程几乎没有影响。上述改进后的IGBT器件与改进前的传统半导体功率器件相比，在电力关断时的反向电流和关断时间明显减少，如图4所示(图中，实线代表本实施例改进后的IGBT器件，虚线代表改进前的IGBT器件)，可见，本发明能有效减少半导体功率器件在关断时的电力损耗和关断时间。除IGBT器件外，其他半导体功率器件，如功率M0SFET，也可以应用本发明来改进结构，减少电子漂移区的通道面积，以达到减少器件在电力关断时的电力损耗和关断时间的目的。
权利要求
1.一种带空气间隙结构的半导体功率器件，其特征在于，所述半导体功率器件的电子漂移区内具有空气间隙结构。
2.根据权利要求1所述的半导体功率器件，其特征在于，所述空气间隙呈轴对称排放。
3.根据权利要求1所述的半导体功率器件，其特征在于，所述空气间隙下方与所述半导体功率器件的P型区的距离为0.5 5 μ m。
4.根据权利要求1所述的半导体功率器件，其特征在于，所述空气间隙的面积为所述半导体功率器件总面积的1/10 1/3。
5.一种带空气间隙结构的半导体功率器件的制造方法，其特征在于，所述空气间隙结构的制作，包括以下步骤: 1)在硅片的电子漂移区上方涂布光刻胶； 2)曝光，打开光刻图形； 3)在电子漂移区内进行深沟槽的刻蚀，刻蚀完成后去除光刻胶； 4)在电子漂移区上方生长外延，直到把所述深沟槽堵住，同时形成空气间隙； 5)把所述外延的表面磨平，完成空气间隙结构的制作。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述光刻图形的形状为圆形、方形、正多边形、环型或者不规则形状。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述深沟槽呈轴对称排放。
8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述深沟槽的底部与所述半导体功率器件的P型区的距离为0.5 5 μ m。
9.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述深沟槽的面积为所述半导体功率器件总面积的1/10 1/3。
全文摘要
本发明公开了一种带空气间隙结构的半导体功率器件，该半导体功率器件的电子漂移区内具有空气间隙结构。本发明还公开了上述半导体功率器件的制造方法。本发明通过在半导体功率器件宽深的电子漂移(扩散)区，制作空气间隙，减少了电子漂移区的通道面积，从而降低了器件在电力关断时的反向电流和关断时间，有效提高了半导体功率器件的工作效率。
文档编号H01L29/06GK103077958SQ20111032794
公开日2013年5月1日 申请日期2011年10月25日 优先权日2011年10月25日
发明者李伟峰 申请人:上海华虹Nec电子有限公司