具有绝缘沟槽栅电极的功率半导体器件和生产功率半导体器件的方法与流程

本公开内容涉及一种具有绝缘沟槽栅电极的功率半导体器件、例如绝缘栅双极晶体管(igbt)、以及一种生产功率半导体器件的方法。

背景技术：

1、文献us 9,825,158 b2和us 2020/0006539al涉及一种具有绝缘沟槽栅电极的绝缘栅双极晶体管。

2、已经发现，热载流子注入栅氧化物是典型沟槽劣化机制，其与沟槽igbt的长期稳定性损失相关联。

3、所注入的电荷载流子可以在硅半导体材料和沟槽氧化物之间的界面处(特别是在沟槽底部处)被捕获。在关断期间，电流主要由在耗尽层的扩展期间被移位的空穴组成。空穴(特别是在硬关断开关事件的过电压阶段期间)通过耗尽层中的高电场朝沟槽底部加速。

技术实现思路

1、要解决的目标是提供一种具有改进的长期稳定性的功率半导体器件并提供一种允许可靠地生产这种器件的方法。

2、本公开的示例性实施例解决了上述缺点，尤其是，例如，根据权利要求1所述的功率半导体器件和根据权利要求15所述的方法。进一步构造和发展是从属权利要求的主题。

3、根据该功率半导体器件的至少一个实施例，该功率半导体器件包括半导体本体，该半导体本体在具有发射极电极的发射极侧和与发射极侧相反的集电极侧之间沿竖直方向上延伸。该功率半导体器件包括第一导电类型的漂移层、与第一导电类型不同的第二导电类型且在漂移层和发射极侧之间延伸的基极层。该功率半导体器件进一步包括第一导电类型的源极区域，该源极区域布置在基极层的背离漂移层的一侧上；以及至少一个第一沟槽，其从发射极侧延伸到漂移层，其中，绝缘沟槽栅电极延伸到第一沟槽中。该功率半导体器件进一步包括至少一个第二沟槽，其从发射极侧延伸到漂移层中，其中，导电层延伸到第二沟槽中，该导电层与基极层和漂移层电绝缘。该至少一个第二沟槽的布置在该至少一个第一沟槽的背离源极区域的一侧上。基极层的布置在至少一个第二沟槽的背离至少一个第一沟槽的一侧上的部分从发射极侧朝集电极侧在竖直方向上与至少一个第二沟槽至少延伸相同深度。

4、与第一沟槽相反，第二沟槽是非电活跃的且也可以被称为伪沟槽。例如，非电活跃意味着在功率半导体器件的导通状态下没有沿着至少一个第二沟槽所形成的导电通道。例如，至少一个第一沟槽布置在源极区域和至少一个第二沟槽之间，使得第二沟槽经由第一沟槽与源极区域分开。已经发现，例如与基极层在第二沟槽的两侧上深度相同的设计相比，基极层的朝集电极侧延伸相当深度的部分有助于显著降低作为活跃沟槽的第一沟槽附近的雪崩强度。

5、如果基极层的部分的掺杂浓度在竖直方向上未突然降低(例如由于掺杂物的植入尾部)，则可以使用该竖直位置确定该部分的深度，其中，第二导电类型的部分的掺杂浓度已经下降到第一导电类型的掺杂物在漂移层中的掺杂浓度。

6、第一导电类型可以是n型并且第二导电类型可以是p型，或者反之亦然。

7、例如，沟槽的底部区域地直接邻接基极层的部分。

8、例如，绝缘沟槽栅电极与半导体本体和导电层中的至少一个电绝缘。例如，该导电层与至少一个第二沟槽不直接电接触。

9、在功率半导体器件的关断期间，电荷载流子、例如p型基极层的情况下的空穴可以经由电荷载流子提取触点而被提取。换言之，电荷载流子提取触点表示等离子体控制特征，其有助于进一步减少第一沟槽附近的雪崩产生。

10、已经发现，在电荷载流子提取触点的存在时，相当数量的注入空穴可能会从作为活跃沟槽的第一沟槽转移出。此外，第二沟槽可以静电屏蔽活跃沟槽，从而用绝缘沟槽栅电极保护第一沟槽。子区域可以被第一沟槽和第二沟槽静电遮蔽，这有利于在关断开关事件中实现可控等离子体提取，而无需对静态损耗折衷太多。因此，可以获得具有减小劣化的鲁棒功率半导体器件，而不会对器件性能产生显著影响。

11、电荷载流子提取可以经由施加至电荷载流子提取触点的电压来控制。施加的电压可以对应于发射极电极的电压或与之不同。

12、根据该功率半导体器件的至少一个实施例，在该功率半导体器件的操作期间，电荷载流子提取触点可与发射极电极分开电气寻址。因此，施加的电压可以独立于发射极电极处的电压。换句话说，电荷载流子提取触点和发射极电极被构造为两个独立的接触元件。例如，施加到电荷载流子提取触点的电压相对于发射极电极是正的或与发射极电极处的电压相同。例如，在操作期间，电荷载流子提取触点处的电压对于不同状态而不同。例如，在导通状态期间的正电压可以防止过度电荷载流子提取。在断开状态或切换到断开状态期间，电荷载流子提取触点处的电压可相对于发射极电极为负的以增强电荷载流子提取。

13、根据该功率半导体器件的至少一个实施例，电荷载流子提取触点电连接至发射极电极。因此，电荷载流子提取触点处的电压对应于发射极电极处的电压。

14、第二沟槽对功率半导体器件的影响可以进一步经由施加在第二沟槽中的导电层的电压来控制。

15、根据该功率半导体器件的至少一个实施例，在该功率半导体器件的操作期间，导电层处于与发射极电极相同的电压或相对于发射极电极的正电压。例如，导电层处于施加至发射极电极的电压或施加于绝缘沟槽栅电极的电压。然而，所施加的电压也可以与绝缘沟槽栅电极处的电压和发射极电极处的电压两者不同。

16、根据该功率半导体器件的至少一个实施例，电荷载流子提取触点被细分为多个部段。例如，这些部段在与至少一个第一沟槽的主延伸方向平行延伸的方向上彼此并排布置。然而，也可以使用没有任何部段的单一电荷载流子触点。

17、例如，发射极侧的由电荷载流子提取触点的部段所覆盖的比例占至少0.1％或至少10％或至少30％和/或至多90％或至多80％，电荷载流子提取触点的部段沿着与至少一个第一沟槽的主延伸方向平行延伸的直线。

18、根据该功率半导体器件的至少一个实施例，当向发射极侧看时，子区域和源极区域在侧向上彼此并排设置。换句话说，在第一沟槽和第二沟槽之间没有源极区域。

19、根据功率半导体器件的至少一个实施例，至少一个第一沟槽和至少一个第二沟槽之间的边缘至边缘距离介于0.5μm和5μm之间(包括0.5μm和5μm)。已经发现，随着第一沟槽和第二沟槽之间的间距增加，由第二沟槽所分担的雪崩产生的百分比降低。因此，将第二沟槽尽可能放置靠近第一沟槽在保护第一沟槽方面是有利的。然而，过小的间距可能会导致更高的关断损失。

20、根据该功率半导体器件的至少一个实施例，至少一个第一沟槽和至少一个第二沟槽在竖直方向上具有相同深度。因此，至少一个第一沟槽和至少一个第二沟槽可以在共同工艺步骤中生产。

21、术语“相同的深度”也包括深度在制造公差范围内的微小差异。然而，如果适当，第一沟槽和第二沟槽的深度也可彼此不同。

22、根据该功率半导体器件的至少一个实施例，第一导电类型的增强层区域地布置在漂移层和基极层之间，其中，增强层比漂移层更重地掺杂。

23、例如，增强层的最大掺杂浓度比漂移层的最大掺杂浓度至少大了50倍因数或100倍因数。

24、增强层可用作电荷载流子屏障，从而减少导通状态损耗。

25、根据该功率半导体器件的至少一个实施例，增强层布置在至少一个第一沟槽和至少一个第二沟槽之间。因此，增强层的一部分也可以存在于子区域中。通过放置在第一沟槽和第二沟槽之间的子区域中的增强层，可以进一步减少经由电荷载流子提取触点的导通状态损耗。然而，第一沟槽和第二沟槽之间的子区域也可以没有增强层。

26、根据该功率半导体器件的至少一个实施例，该部分在至少一个第二沟槽下方朝至少一个第一沟槽延伸。例如，当沿竖直方向看时，第二沟槽与该部分完全重叠。例如，当朝第一沟槽看时，该部分延伸超过第二沟槽，但当沿竖直方向看时，该部分不与电荷载流子提取触点重叠。该部分甚至可以进一步朝第一沟槽延伸。例如，当沿竖直方向看时，子区域与该部分完全重叠。例如，当沿竖直方向看时，第一沟槽与该部分完全重叠或至少区域地重叠。

27、根据该功率半导体器件的至少一个实施例，在该功率半导体器件的横截面视图中，基极层的部分在至少一个第二沟槽的两个部分区域之间沿侧向方向延伸。该两个部分区域可由一个连续的第二沟槽或两个独立的第二沟槽形成。例如，至少一个第二沟槽的部分彼此平行延伸，例如在与至少一个第一沟槽的主延伸方向垂直地延伸的方向上彼此间隔开。

28、根据该功率半导体器件的至少一个实施例，至少一个第二沟槽连续地形成第二沟槽的两个部分区域。然而，第二沟槽的两个部分区域也可以由两个独立的第二沟槽形成。

29、根据功率半导体器件的至少一个实施例，当沿竖直方向看时，至少一个第二沟槽形成包围基极层的部分的闭合环路。基极层的部分可以区域地与闭合环路间隔开。例如，在闭合环路的外部，基极层在任何位置处不与至少一个第二沟槽在竖直方向上至少延伸相同深度。

30、根据该功率半导体器件的至少一个实施例，至少一个第二沟槽的两个部分区域在该功率半导体器件的横截面视图中布置在至少一个第一沟槽的两个部分区域之间。例如，至少一个第一沟槽的部分彼此平行延伸，例如在与至少一个第一沟槽的主延伸方向垂直地延伸的方向上彼此间隔开。例如，至少一个第一沟槽连续地形成第一沟槽的两个部分区域。然而，第二沟槽的两个部分区域也可以由两个独立的第一沟槽形成。例如，至少一个第一沟槽形成包围至少一个第二沟槽的闭合环路，该至少一个第二沟槽例如可以形成为闭合环路。

31、根据该功率半导体器件的至少一个实施例，该功率半导体器件是沟槽igbt。

32、沟槽igbt(绝缘栅双极晶体管)在发射极侧(也称为源极侧)上包括第一导电类型的源极区域(也称为发射极层)和不同于第一导电类型的第二导电类型的基极层(也称为阱层)。呈发射极电极(也叫源极电极)形式的触点接触源极区域和基极层。绝缘沟槽栅电极布置在侧向于源极区域和基极层的发射极侧上。

33、本发明的构思可以应用于不同类型的igbt，如传统冲穿式igbt，非冲穿式igbt(npt-igbt)，反向阻断igbt或反向导电igbt。此外，其还可以应用于具有绝缘沟槽栅电极的其他功率半导体器件。

34、功率半导体器件的半导体本体可以基于硅。然而，也可以使用其他半导体材料，例如宽带隙材料，诸如碳化硅(sic)或氮化镓(gan)。

35、例如，功率半导体器件被构造用于在大电流(例如至少一百安培)和/或至少500v的大电压下操作。

36、此外，还规定了一种生产功率半导体器件的方法。例如，该方法可用于生产本文所述的功率半导体器件。与功率半导体器件有关公开的特征也针对于方法进行公开且反之亦然。

37、根据该方法的至少一个实施例，该方法包括以下步骤：

38、a)提供在竖直方向上在发射极侧和与发射极侧相对的集电极侧之间延伸的半导体本体；

39、b)形成从发射极侧延伸到半导体本体中的至少一个第一沟槽；

40、c)形成从发射极侧延伸到半导体本体中的至少一个第二沟槽；以及

41、d)形成延伸到第二沟槽中的导电层；

42、其中，该功率半导体器件包括位于发射极侧的发射极电极、第一导电类型的漂移层、在漂移层和发射极侧之间延伸的与第一导电类型不同的第二导电类型的基极层，以及布置在基极层的背离漂移层的一侧上的第一导电类型的源极区域。该功率半导体器件进一步包括延伸至第一沟槽中的绝缘沟槽栅电极。该至少一个第一沟槽从发射极侧延伸到漂移层中并且该至少一个第二沟槽从发射极侧延伸到漂移层中，该至少一个第二沟槽设置在该至少一个第一沟槽的背离源极区域的一侧上。导电层与基极层和漂移层电绝缘。基极层的布置在至少一个第二沟槽的背离至少一个第一沟槽的一侧上的一部分从发射极侧朝集电极侧在竖直方向上与至少一个第二沟槽至少延伸相同深度。在至少一个第一沟槽和至少一个第二沟槽之间延伸的功率半导体器件的子区域包括电连接至基极层的电荷载流子提取触点。

43、例如，这些步骤是按照所示顺序进行的。然而，步骤的顺序也可以改变。例如，步骤c)可以在步骤b)之前执行或者与步骤b)一起以共同步骤执行。因此，形成至少一个第二沟槽不一定需要除形成至少一个第一沟槽的步骤之外的单独生产步骤。