[发明专利]具有充电平衡设计的功率半导体器件

说明书

本公开的实施例涉及具有充电平衡设计的功率半导体器件。形成具有竖直间隔开的第一表面和第二表面的半导体本体。形成从半导体本体的第一表面向第二表面竖直延伸的栅极沟槽。在栅极沟槽中形成栅极电极和栅极电介质。栅极电介质将栅极电极与相邻的半导体材料电绝缘。形成从栅极沟槽的底部向半导体本体的第二表面竖直延伸的掺杂超结区域。掺杂超结区域包括从第一半导体层的第一表面竖直延伸并且彼此直接邻接的第一掺杂柱区、第二掺杂柱区和第三掺杂柱区。第二柱区在横向方向上居于第一柱区与第三柱区中间并且具有与第一和第三柱区相反的传导类型。

技术领域

本申请涉及功率半导体器件，并且更具体地涉及增强功率半导 体器件的电性能的漂移区域结构。

背景技术

功率半导体器件(特别是诸如金属氧化物半导体场效应晶体管 (MOSFET)或绝缘栅双极型晶体管(IGBT)等场效应控制的开关 器件)已经被用于各种应用，包括但不限于用作电源和功率变换器、 电动车、空调甚至立体声系统中的开关。特别是关于能够开关大电流和/或在较高电压下工作的功率器件，通常需要低导通状态电阻 Ron、高击穿电压U_bd和/或高鲁棒性。功率MOSFET通常包括漏极 区域、与漏极区域邻接的漂移区域、和源极区域，每个区域具有第 一传导类型，功率MOSFET还包括布置在漂移区域与源极区域之间 的第二传导类型的本体区域。功率IGBT具有与功率MOSFET相似 的结构，除了第一传导类型的漏极区域被第二传导类型的集电极区 域替代，从而形成具有压控开关的双极结型晶体管，以提供BJT的 基极电流。

功率开关应用中特别关注的一个问题是宇宙射线辐射。宇宙射 线辐射是指从外部环境到器件的操作区域中的不期望的粒子轰击。 虽然在空间环境中更为普遍，但宇宙射线辐射可能发生在陆地环境 中。由宇宙射线辐射引起的粒子轰击可以引起冲击电离的链式反应， 这导致不必要的电流成丝(current filamentation)并且可能导致不可 逆的器件故障。使用高电场梯度进行操作的器件(如电源开关器件) 最容易受到宇宙射线辐射的破坏。因此，很多功率半导体开关应用 需要器件抵抗宇宙射线辐射。减轻功率器件内关键位置的高电场实 现了能够抵御诸如宇宙射线辐射等恶劣工况的稳健的器件性能。

用于修改功率开关器件的电场分布和峰值强度以提高宇宙射线 鲁棒性的技术包括(i)增加晶片/漂移区域厚度；(ii)引入更厚的 分级/扩散基材轮廓；(iii)减少n型漂移区/本征层掺杂浓度；(iv) 优化场停止(缓冲)层轮廓以减小器件背面的峰值电场；(V)在表面处使用较深的p型结以使高电场远离电极；和(VI)增厚栅极沟 槽氧化物以减轻沟槽底部和漂移区域的顶面的电场强度。然而，这 些方法通常导致更差的电气性能折衷，例如较差的二极管反向恢复 软度和较高的导通状态损耗以及因此较差的V_ce,sat(集电极-发射极饱和电压)和E_off(关断损耗)。

发明内容

公开了一种形成竖直沟槽栅极晶体管的方法。根据一个实施例， 形成具有竖直间隔开的第一表面和第二表面的半导体本体。形成从 半导体本体的第一表面向第二表面竖直延伸的栅极沟槽。形成布置 在栅极沟槽中的栅极电极，并且形成布置在栅极沟槽中的栅极电介 质。栅极电介质将栅极电极与相邻的半导体材料电绝缘。形成从栅 极沟槽的底部向半导体本体的第二表面竖直延伸的掺杂超结区域。 掺杂超结区域包括从第一半导体层的第一表面竖直延伸并且彼此直 接邻接的第一掺杂柱区、第二掺杂柱区和第三掺杂柱区。第二柱区 在横向方向上居于第一柱区与第三柱区中间并且具有与第一和第三 柱区相反的传导类型。