碳化硅溝槽晶體管以及用于制造碳化硅溝槽晶體管的方法
【專利摘要】本發(fā)明描述了一種碳化硅溝槽晶體管(1)，其具有第一連接端(2)、豎直地在柵極溝槽(3)與第二連接端(5)之間布置的外延層(4)，其中，在該外延層(4)中設置有水平延伸的補償層(6)，該補償層(6)具有與該外延層(4)的摻雜類型相反的有效摻雜。還提出一種用于制造碳化硅溝槽晶體管(1)的方法，其中，將外延層(4)設置在所述碳化硅溝槽晶體管(1)的第二連接端(5)上；將水平延伸的補償層(6)植入到所述外延層(4)中，該補償層(6)具有與所述外延層(4)的摻雜類型相反的有效摻雜；將第一連接端(2)和柵極溝槽(3)設置在所述補償層(6)上方。
【專利說明】
碳化硅溝槽晶體管以及用于制造碳化硅溝槽晶體管的方法
技術領域
[0001]本發(fā)明涉及一種碳化硅溝槽晶體管以及一種用于制造碳化硅溝槽晶體管的方法。
【背景技術】
[0002]基于硅(Si)的功率半導體在一些應用期間處于其物理極限范圍外。例如復合半導體材料碳化娃(S i C)對此提供彌補。
[0003]在基于碳化娃的組件中，柵極氧化物在導帶(Leitungsband)中原則上具有比由娃制成的可類比的組件更小的能帶偏移，使得在較低的柵極場強時就由于隧道電流出現(xiàn)退化(Degradat1n)。對于碳化硅晶體管、尤其MOSFET(金屬氧化物半導體場效應晶體管)，在柵極氧化物中有意義的場強將處于3MV/cm處。這個極值的遵守尤其在截止運行時是緊要的并且使得尤其在溝槽器件中需要設計措施。
[0004]現(xiàn)有科學與技術是由Rohm在2011年提出的雙溝槽碳化硅器件的概念，該器件在0.7 9m0hm*cm2情況下在600V電壓等級達到導通電阻率Ron的最佳值。
[0005]例如通過引入具有低的P植入(p-1mplantat1n)的雙溝槽能夠降低柵極氧化物上的場強。在此，處于更低的P區(qū)域代表一個JFET(截止層場效應晶體管)，所述JEFT屏蔽真正的溝槽MOSFET結(jié)構。
[0006]也能夠通過在所述柵極氧化物下方引入P摻雜區(qū)域(p-Bubbles:p泡)將柵極氧化物上的場強降低到大約4MV/cm (J.Tan 等人的 High-Voltage Accumu Iat 1n-Layer ,UMOSFETs in 4H_SiC，IEEE ELECTRON DEVICE LETTERS,卷19，N0.12，1998年12月)。
[0007]替代地，可以將上面提到的兩個措施(雙溝槽，p泡)組合(來源4: Shinsuke Harada等人的 “Determinat1n of optimum structure of 4H-SiC trench M0SFET”，2012年第24期會議記錄Internat1nal Symposium on Power Semiconductor Devices and ICs , 253頁及后續(xù)頁)。
[0008]至今已知的用于降低柵極氧化物場強的措施部分地上僅僅有條件地有效或者具有顯著的缺點，例如更高的面積需求、電阻和/或工藝復雜度。尤其所述“雙溝槽”結(jié)構需要巨大的占用面積，因為所需要的溝槽結(jié)構布置在溝槽柵極的旁邊。因此表面電阻率Ron*A升高，并且由于更高的集成密度限制技術進步。除了更高的面積需求之外，由于雙溝槽的JFET效應，電流路徑中的電阻也部分地明顯提高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]根據(jù)本發(fā)明提供一種碳化硅溝槽晶體管，該碳化硅溝槽晶體管具有第一連接端、豎直地在柵極溝槽與第二連接端之間布置的外延層，其中，在該外延層中設置有水平延伸的補償層，該補償層具有與該外延層的摻雜類型相反的有效摻雜。所述補償層實現(xiàn)在不提高面積需求的情況下降低柵極電場強度。這個附加的層在豎直的場分布(Feldprofil)中引起梯級，其中，較低的能級(Niveau)處于本體與補償層之間(接近柵極的區(qū)域)，高的場能級處于所述補償層下方(外延層或漂移區(qū)域)。因此，在所述柵極氧化物的導帶中能夠補償尤其在基于碳化娃(S i C)的組件中的更小的能帶偏移。
[0010]本發(fā)明的核心是一種半導體結(jié)構，該半導體結(jié)構降低所述柵極場強并且豎直地插入碳化硅溝槽結(jié)構中。通過所述豎直的集成能夠顯著更緊密地封裝所述溝槽結(jié)構，并且在漏極與源極之間的表面電阻率Rdson*A相應地下降。其次，通過摻雜和距離的相應選擇能夠調(diào)節(jié)柵極區(qū)域中的場強。通過接近柵極的電場區(qū)域與外延層或漂移區(qū)域的脫耦，可以在接近通道的漂移區(qū)域中使用更高的η摻雜，而對于漂移區(qū)的電壓接收性能沒有本質(zhì)性的缺點。這里有利的是在接近通道的區(qū)域中的歐姆損耗的降低(“current spreading”:電流擴展)。
[0011]所述補償層的摻雜的算術平均值可以相應于相反類型的摻雜。這允許所述補償層的多種多樣的摻雜構型，因為僅需使所述平均值相應于一個確定的摻雜值。因此不規(guī)則的摻雜是可能的。
[0012]在一種特別的實施方式中，設有:所述晶體管是碳化硅溝槽M0SFET，所述第一連接端是源極連接端，所述第二連接端是漏極結(jié)構，所述外延層是漂移區(qū)。尤其在MOSFET中，根據(jù)本發(fā)明的柵極場強的匹配或調(diào)節(jié)是重要的。
[0013]所述補償層可以具有一些通路，這些通路具有所述漂移區(qū)的類型的摻雜。這些通路實現(xiàn)了用于MOSFET的電流通路，使得所述MOSFET的工作方式或工作性能不受限制。所述通路可以具有圓形的或有角的輪廓并且以規(guī)則的或不規(guī)則的距離或樣式布置。
[0014]有利地設有:所述補償層在所述補償層的表面方向上具有交替順序的P摻雜區(qū)域與η摻雜區(qū)域。這種變形方案可以簡單地制造并且實現(xiàn)良好的電流通路以及對所述補償層的摻雜的簡單的計算和制造，尤其是所述摻雜的算術平均值的計算和轉(zhuǎn)換。
[0015]替代地，有利地設有:所述補償層在所述補償層的兩個表面方向上具有交替樣式的P摻雜區(qū)域與η摻雜區(qū)域。這些區(qū)域的這種二維布置與先前提到的一維布置相比還實現(xiàn)對摻雜和電流通路的更精細的調(diào)節(jié)，因此還實現(xiàn)對柵極場強的更精細的調(diào)節(jié)。
[0016]還可能的是:所述晶體管是碳化硅溝槽IGBT(絕緣柵雙極型晶體管)，所述第一連接端是陰極連接端，所述第二連接端是陽極連接端，所述外延層是基區(qū)。這里，所述補償層實現(xiàn)所述柵極氧化物中的場強的下降，這為IGBT開辟了新的應用領域。
[0017]所述補償層可以具有與所述基區(qū)的摻雜類型相反的、低的、均勻的摻雜。這種摻雜能夠簡單地被制造。
[0018]所述補償層到柵極通道的距離優(yōu)選最大是漂移區(qū)厚度的25%。已表明，這個距離范圍實現(xiàn)柵極氧化物中的最優(yōu)場強。
[0019]根據(jù)本發(fā)明的用于制造碳化硅溝槽晶體管的方法原則上包括以下步驟:
[0020]將外延層設置到所述碳化硅溝槽晶體管的第二連接端上；
[0021]將水平延伸的補償層植入到所述外延層中，該補償層具有與所述外延層的摻雜類型相反的有效摻雜；
[0022]將第一連接端和柵極溝槽設置在所述補償層上方。
[0023]根據(jù)本發(fā)明引進所述補償層有利地實現(xiàn)對所述柵極溝槽中的和/或所述外延層中的電場變化過程的控制，使得能夠準確地針對所述晶體管的應用調(diào)節(jié)所述晶體管。
[0024]本發(fā)明的有利的擴展方案在從屬權利要求中說明并且在說明書中描述。
【附圖說明】
[0025]借助附圖和以下描述更詳細地闡述本發(fā)明的實施例。附圖示出:
[0026]圖1示出具有補償層的碳化硅溝槽MOSFET和所屬電場變化過程的示意性截面圖；
[0027]圖2示出所述補償層在表面方向上的一個實施例；
[0028]圖3示出所述補償層在表面方向上的另一個實施例；
[0029]圖4示出所述補償層在另一個表面方向上的另一個實施例；
[0030]圖5示出所述補償層在兩個表面方向上的另一個實施例；
[0031]圖6示出具有補償層的碳化硅溝槽IGBT和所屬的電場變化過程的示意性截面圖。
【具體實施方式】
[0032]圖1以橫截面示出具有源極連接端2和柵極溝槽3的碳化硅溝槽晶體管I。在源極連接端2和柵極溝槽3下方布置有漂移區(qū)4形式的外延層。在漂移區(qū)4下方有漏極連接端或漏極結(jié)構5。
[0033]在布置在柵極3與漏極結(jié)構5之間的漂移區(qū)4中設置有補償層6，該補償層6水平延伸。這里做出的方向說明、例如下方或水平參照在圖中的圖示。如果晶體管I與在圖1中的指向不同，則這些相關概念相應地應重新定義。另一方面，也能夠參照柵極溝槽3更確切地說參照柵極溝槽3的在這里從上向下的主延伸來定義方向參照。因此，補償層6垂直于柵極溝槽3延伸。
[0034]在圖1中示出的碳化硅溝槽晶體管I的示例中，漂移區(qū)4是η摻雜的并且補償層6是有效P摻雜的，即具有與漂移區(qū)4相反的類型或電荷類型。顯然，也可以顛倒地選擇所述摻雜。所述有效摻雜例如可以定義為在補償層6中的摻雜的算術平均值。補償層6在平面內(nèi)、例如X方向和y方向的空間延伸通常被限制到晶體管I的單元(Ze 11 e)或區(qū)域。
[0035]在晶體管I的右邊繪出電場強度E的模關于晶體管I的豎直延伸的曲線圖。以虛線顯示的第一曲線7示出已知的不具有補償層的碳化硅溝槽晶體管的場強變化過程。這里，所述電場強度的最大值處于所述源極區(qū)域與漂移區(qū)4之間的pn結(jié)區(qū)域中，這導致高的柵極場強。反之，第二曲線8示出根據(jù)本發(fā)明的碳化硅溝槽晶體管I的場強變化過程。如所見那樣，補償層6在豎直的場分布中引起梯級，其中，所述電場變化過程的較低的能級處于柵極3與補償層6之間，而高的場能級處于補償層6下方，更確切地說處于補償層6與漂移區(qū)4之間的pn結(jié)的區(qū)域中。
[0036]通過補償層6的有效摻雜的高度、補償層6的豎直布置，也就是說尤其通過補償層6與柵極溝槽3之間的距離和/或補償層6在豎直方向上的厚度，能夠使晶體管I的場強分布針對相應的使用目的來個性化地匹配或調(diào)節(jié)。
[0037]在圖2中示出補償層6的第一實現(xiàn)方式。這里，所述補償層由交替順序的η摻雜區(qū)域6a和P摻雜區(qū)域6b組成。η摻雜區(qū)域6a在此構成用于晶體管I的電流的通路。這些單個的區(qū)域之間的距離或者他們的寬度或長度大于空間電荷區(qū)，并且比漂移區(qū)長度、也就是柵極3與漏極結(jié)構5之間的距離小(理想地小于1/10)。因此得到典型的0.1...5μπι的結(jié)構大小。摻雜區(qū)域6a和6b在帶狀的柵極溝槽3的方向上帶狀地延伸，這里即延伸到葉層(Blattebene)中。
[0038]對于補償層6在晶體管I導通的情況下的導電性，應在這樣的邊界條件下力求盡可能高的摻雜能級:相應于包括制造公差在內(nèi)的豎直場強目標變化過程地遵守有效摻雜或平均摻雜或換言之在η摻雜濃度與P摻雜濃度之間的體積加權的差。
[0039]補償層6的pn結(jié)的構型可以很大程度上自由進行，也就是說針對導通特性或制造可能性進行優(yōu)化。補償層6的周期性、也就是說η摻雜區(qū)域6a和P摻雜區(qū)域6b的交替順序應選擇為小于所述漂移區(qū)或者與所述漂移區(qū)在同一數(shù)量級(典型地1...ΙΟμπι)。
[0040]在圖3中示出具有補償層6的碳化硅溝槽晶體管I，該補償層6具有更大的周期性，也就是說，層6相比于圖2每個單元(Zelle)具有更多的pn結(jié)。在這里示出的條帶型柵極設計中，補償層6也具有平行于柵極定向、即平行于補償層6的表面方向的條帶型設計。在此，補償層6的η區(qū)域6a有利地在通道區(qū)域下面對準。
[0041]在圖4中示出具有補償層6的碳化硅溝槽晶體管I的另一個示例。這里，沿著補償層6的表面方向，補償層6也由交替順序的P摻雜區(qū)域6b和η摻雜區(qū)域6a組成。與圖2和3不同，這里摻雜區(qū)域6a和6b橫向于或垂直于條帶狀柵極3的延伸。摻雜區(qū)域6a和6b也可以布置成另一個角度。
[0042]在圖5中示出一種具有補償層6的碳化硅溝槽晶體管，其中，在補償層6的兩個表面方向上設置有交替樣式的P摻雜區(qū)域6b和η摻雜區(qū)域6a。所述樣式在此是二維的、周期的柵格，這種樣式特別適合于二維MOS設計、例如六邊形的單元結(jié)構。棋盤式設計也是可能的。這里，補償層6的η區(qū)域6a也是有利地在所述通道區(qū)域下對準，至少相對于柵極溝槽3的縱向延伸對準。
[0043]在圖6中示出碳化硅溝槽IGBT10，其具有陰極連接端12和柵極溝槽13。在柵極溝槽13與陰極連接端12下方以外延層形式布置有基區(qū)14。再在基區(qū)14下方設置有陽極連接端
15。在基區(qū)14中設置有水平延伸的補償層16，以便減弱柵極氧化物中的電場強度。如先前那樣，補償層I6具有與基區(qū)14的摻雜類型相反的有效摻雜。在這種情況下，基區(qū)14是η摻雜的，而補償層16是P摻雜的。因為在IGBT中不需要單極的通路電流，所以補償層16可以構造為低摻雜的均勻的層。在圖6右邊示出的場強變化過程相應于在圖1中示出的變化過程。曲線17示出已知的沒有補償層16的IGBT的所述場強的變化過程。在此，所述場強的模在所述柵極氧化物的區(qū)域中最高。曲線18示出通過補償層16優(yōu)化的場強變化過程，其在所述柵極氧化物的區(qū)域中具有明顯較小的場強。
[0044]晶體管10在基區(qū)14下方包括一個可選的η強摻雜的層19，用于限界或阻擋電場。在層19與陽極15之間布置有P摻雜層20。在這個區(qū)域中，補償層16也改變場強的變化過程。因此，場強變化過程通過補償層16繼續(xù)朝著陽極15的方向延伸。
[0045]以上示出的呈碳化硅溝槽晶體管1、10形式的組件在科技上的實施或制造通過兩個外延步驟進行，其中，在向第二連接端(漏極5、陽極15)上施加所述外延層(漂移區(qū)4、基區(qū)14)的第一外延之后，植入或者結(jié)構化地植入補償層6或16。在第二外延步驟中或其他步驟中，隨后制造柵極區(qū)域(本體、源極或陰極)。
【主權項】
1.一種碳化硅溝槽晶體管，其具有第一連接端(2; 12)、豎直地在柵極溝槽(3; 13)與第二連接端(5; 15)之間布置的外延層(4; 14)，其特征在于，在該外延層(4; 14)中設置有水平延伸的補償層(6; 16)，該補償層(6; 16)具有與該外延層(4; 14)的摻雜類型相反的有效摻雜O2.根據(jù)權利要求1所述的碳化硅溝槽晶體管，其中，所述補償層(6;16)的摻雜的算術平均值相當于所述相反類型的摻雜。3.根據(jù)權利要求1或2所述的碳化硅溝槽晶體管，其中，該晶體管(I)是碳化硅溝槽金屬氧化物半導體場效應晶體管，所述第一連接端是源極連接端(2)，所述第二連接端是漏極結(jié)構(5)，所述外延層是漂移區(qū)(4)。4.根據(jù)權利要求3所述的碳化硅溝槽晶體管，其中，所述補償層(6)具有一些通路(6a)，這些通路(6a)具有所述漂移區(qū)的摻雜類型。5.根據(jù)權利要求3或4所述的碳化硅溝槽晶體管，其中，所述補償層(6)在所述補償層(6)的表面方向上具有交替順序的P摻雜區(qū)域(6b)和η摻雜區(qū)域(6a)。6.根據(jù)權利要求3至5中任一項所述的碳化硅溝槽晶體管，其中，所述補償層(6)在所述補償層(6)的兩個表面方向上具有交替樣式的P摻雜區(qū)域(6b)和η摻雜區(qū)域(6a)。7.根據(jù)權利要求1或2所述的碳化硅溝槽晶體管，其中，所述晶體管(10)是碳化硅溝槽絕緣柵雙極型晶體管，所述第一連接端是陰極連接端(12)，所述第二連接端是陽極連接端(15)，所述外延層是基區(qū)(14)。8.根據(jù)權利要求7所述的碳化硅溝槽晶體管，其中，所述補償層(16)具有低的、均勻的、相反類型的摻雜。9.根據(jù)權利要求3或7或8所述的碳化硅溝槽晶體管，其中，所述補償層(16)到柵極溝槽(13)的距離最大為漂移區(qū)厚度(4; 14)的25%。10.—種用于制造碳化硅溝槽晶體管(I;10)的方法，該方法具有以下步驟: 將外延層(4; 14)設置到所述碳化硅溝槽晶體管(I; 10)的第二連接端(5; 15)上； 將水平延伸的補償層(6; 16)植入到所述外延層(4; 14)中，該補償層(6; 16)具有與所述外延層(4; 14)的摻雜類型相反的有效摻雜； 將第一連接端(2; 12)和柵極溝槽(3; 13)設置在所述補償層(6; 16)上方。
【文檔編號】H01L29/66GK105917470SQ201480073301
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2014年11月21日
【發(fā)明人】渠寧, T·雅克, M·格里布, M·蘭巴赫
【申請人】羅伯特·博世有限公司