[发明专利]用于功率半导体器件的改进的锯齿电场漂移区域结构

说明书

本案是分案申请

原案发明名称：用于功率半导体器件的改进的锯齿电场漂移区域结构；

原案申请号：200810185082.6；

原案申请日：2008年12月25日。

技术领域

本发明涉及半导体功率器件。尤其涉及应用在功率半导体器件中制造可以获得据齿形电场分布的改进的漂移区域的新结构和新方法，例如：绝缘栅极双极晶体管（IGBT），功率MOSFET，发射极开关类晶闸管和功率二极管。

背景技术

由于正向阻断电压和导通压降之间的权衡取舍，配置和制造垂直功率器件的传统技术在进一步改进性能上面临着诸多困难和限制。该性能还进一步受到转换速度和器件的导通状态正向压降之间的权衡取舍的限制，该导通状态正向压降在正向传导的过程中受电导率调制。形成在半导体功率器件的外延层上的漂移区域需要减少掺杂浓度来阻却高电压。然而，低掺杂区域的存在导致了高电阻、正向传导减少、功效降低和发热性的增加。双极器件如IGBT和发射极开关类晶闸管通过在传导过程中的低掺杂漂移区域的高级别少数载流子注入来改进导通压降。然而，该种情况的弊端是转换性能的降低。

改进垂直功率器件的一个主要方面是改进漂移区域的电场分布。典型的垂直功率器件在正向阻却模式中是具有三角形电场分布还是具有梯形的电场分布，是分别取决于其是否具有非击穿设计或者击穿（punch through）设计。然而，这些电场分布需要比必要的漂流区域厚度还厚的漂流区域。理想的矩形电场分布需要的阻性漂流区域的厚度最小。该情况如图5所示，并在稍后的公开中详细描述。

图1（现有技术）是传统的绝缘栅极双极晶体管（IGBT）的横截面示意图。IGBT是一个结合了金属氧化物半导体（MOS）栅极控制和双极电流机构的半导体功率器件。金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）和双极节晶体管（BJT）的功能特性都结合在IGBT中。IGBT的性能特征是为了获得比MOSFET更高的电流密度和比BJT更快的转换特性。基于这些原因，IGBT器件应用于高电压（>10kw） 低频和中频（高至30KHZ）应用中。然而，如图1所示的传统IGBT仍然面临着漂移区域的电场不具有理想的矩形形状的技术限制。因此，漂移区域的厚度需要大于必须的最小厚度从而来承受阻却电压。

因此，有必要为半导体功率器件提供在漂移区域具有改进电场的新的结构。希望应用了新的和改进的漂移区域结构从而能提供改进的漂移区域电场的半导体功率器件能够获得和传统半导体功率器件同样的电压阻却能力，例如，传统的IGBT，在漂移区域的厚度上显著减少了20％。进一步希望提供具有更薄的漂移区域的改进的半导体功率器件来获得改进的正向压降和转换性能，以此拓宽包括但是不局限于IGBT，功率二极管，功率闸流体和功率MOSFET的半导体功率器件的应用。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种新的和改进的器件结构和制造方法，来为半导体功率器件提供一个漂移区域，例如基于传导模式中具有批量硅的IGBT可以获得高电压阻却能力。改进的漂移区域由若干排水平交替排列的P型传导形式和N型传导形式的水平柱薄层构成。选择薄掺杂层的掺杂浓度和厚度来达到相邻的P型层和N型层之间的电荷平衡。另外，在N型层的厚度和掺杂浓度的选择上，要使其可以承受来自于其顶部和底部的P型层的内建电势的击穿。这对于确保该设备的正向传导操作期间的电流是关键的。 

特别的，本发明的一个目的是为半导体功率器件提供一个新的和改进的器件结构和制作方法，例如IGBT，通过应用可以达到电荷平衡的若干排水平交替排列的P型传导形式和N型传导形式的水平柱薄层，可以获得高电压应用，因此在正向阻却的过程中可以实现据齿形的电场分布。该电场使漂移区域获得了最佳的电压阻却能力，并且相对传统的IGBT来讲，需要降低20％的漂移区域厚度。

本发明的另一个目的是为半导体功率器件的漂移区域的漂移层提供交替的P型和N型掺杂层。半导体功率器件的击穿电压不取决于P层和N层的掺杂浓度。因此，只要维持电荷平衡，且N层经受得了来自于临近PN结的内置耗尽宽度的击穿，就可以大大增加掺杂级别。

本发明的另外一个目的是提供一个新的和改进的器件结构和制造方法来提供改进的锯齿形IGBT，该IGBT利用若干排水平交替排列的不同传导类型的水平柱薄层来实现高压应用，利用这些水平柱薄掺杂层所产生的退耦效应来减少栅漏电容。这些薄掺杂层的厚度和掺杂浓度应该能维持电荷平衡，并且N层可以承受来自于临近PN结的内置耗尽宽度的击穿。