[发明专利]用于宽带隙半导体功率器件的原位掺杂的半导体栅电极的系统和方法

说明书

在一个实施例中，一种宽带隙半导体功率器件包括：宽带隙半导体衬底层；设置在所述宽带隙半导体衬底层上的外延半导体层；直接设置在所述外延半导体层的一部分上的栅极介电层；以及直接设置在所述栅极介电层上的栅电极。所述栅电极包括直接设置在所述栅极介电层上的原位掺杂的半导体层；以及直接设置在所述原位掺杂的半导体层上的含金属层。

背景技术

本发明中公开的主题涉及宽带隙半导体器件，例如，碳化硅(SiC)功率器件，包括场控晶体管(例如MOSFET、DMOSFET、UMOSFET、VMOSFET、沟道MOSFET等)、绝缘栅双极晶体管(IGBT)和绝缘基极MOS控制的晶闸管(IBMCT)。

此部分旨在向读者介绍可能与本公开的各种方面相关的技术的各种方面，这些方面在下文中描述及/或主张。相信此论述有助于向读者提供背景信息以促进对本公开的各种方面的更好理解。因此，应理解，应鉴于此来阅读这些陈述，而不是作为对现有技术的认可。

半导体功率器件广泛用在现代电力系统中以将电力从一种形式转换成另一形式供负载消耗。许多半导体功率器件使用各种半导体器件和部件，例如，晶闸管(thyristors)、二极管和各种类型的晶体管(例如，金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)、绝缘栅双极晶体管(IGBT)和其它适当的晶体管)以执行其预期功能。特别是对于高频、高压和/或高电流应用，相比其它半导体器件，宽带隙半导体功率器件(wide bandgapsemiconductor power devices)可提供在高温操作、降低传导和开关损耗以及使芯片尺寸更小等方面的许多优点。

一些宽带隙半导体功率器件可包括溅射或蒸发金属栅电极(gate electrode)。然而，由于金属具有在高温下迁移的倾向，所以金属栅电极可降低宽带隙半导体功率器件的温度能力和可靠性。因此，一些宽带隙半导体功率器件包括多晶硅栅电极。由于栅电极应当具有相对高的导电性(conductivity)，这些多晶硅栅电极通常在形成栅电极之后被掺杂，例如，通过用磷酰氯(POCl₃)处理。然而，这种处理可将不稳定性引入到宽带隙半导体功率器件中。例如，磷酰氯处理通常导致在栅电极的表面掺杂剂原子的积累(accumulation)，包括栅电极的下表面，靠近底层的栅极介电质(gate dielectric)。另外，这种处理可导致磷掺杂剂原子的一部分扩散到栅极介电质本身中。掺杂剂扩散到栅极介电质之中及周围可不利地影响栅极到源极的偏置泄露(bias leakage)和时间相关栅极氧化物击穿(TDDB)，这对宽带隙半导体功率器件的性能和可靠性是重要的。另外，在形成栅极介电质之后对器件进行热退火(thermal annealing)可导致栅极介电质内的体陷阱部位，这可引起器件操作期间不期望的阈值电压漂移。

发明内容

在一个实施例中，一种宽带隙半导体功率器件包括：宽带隙半导体衬底层；设置在所述宽带隙半导体衬底层上的外延半导体层；直接设置在所述外延半导体层的一部分上的栅极介电层；以及直接设置在所述栅极介电层上的栅电极。所述栅电极包括：直接设置在所述栅极介电层上的原位掺杂(in-situ doped)半导体层；以及直接设置在所述原位掺杂半导体层上的含金属层(metal-containing layer)。

在另一实施例中，一种制作宽带隙功率器件的栅电极的方法包括：直接在设置在所述宽带隙功率器件的外延层的表面处的栅极介电层上形成半导体层，同时使用原位掺杂在所述半导体层中设置多个掺杂剂原子。所述方法包括直接在所述半导体层上形成含金属层。所述方法还包括去除所述半导体层和所述含金属层两者的部分以由所述半导体层和所述含金属层的剩余部分形成所述栅电极。所述方法还包括随后对所述栅电极的半导体层进行退火，以激活设置在所述栅电极的半导体层中的多个掺杂剂原子。