垂直功率晶体管的制作方法

1.本发明涉及一种垂直功率晶体管。


背景技术：

2.垂直功率晶体管、尤其是所谓的功率沟槽mos场效应晶体管优选用作汽车、工业、娱乐和家用电子设备中的电子开关。为了提高耐压强度并且降低接通电阻，功率晶体管可以具有场板(feldplatten)。在此，场板分别位于功率晶体管的一个沟槽中，该沟槽远远地伸入到漂移区中。由此有利于阻挡情况下载流子的消除，使得漂移区中的掺杂可显著提高。
3.缺点是，漂移区的掺杂为了漂移区电阻的最小化而不能在不对击穿电压产生负面影响的情况下无限地增加，因为漂移区中的掺杂越高，体二极管处的场强就越高且击穿电压就越低。
4.本发明的任务是克服这些缺点。


技术实现要素：

5.垂直功率晶体管包括正面和背面，其中，正面与背面对置。此外，垂直功率晶体管具有带有第一载流子类型的第一掺杂的漂移区和带有第二载流子类型的第二掺杂的体区(bodygebiet)，其中，体区布置在漂移区上。垂直功率晶体管包括沟槽，所述沟槽基本上垂直地从正面开始延伸到漂移区中。根据本发明，第一区域和第二区域布置在沟槽之间，其中，第一区域居中地布置在沟槽之间并且第二区域布置在第一区域与沟槽之间。换句话说，第二区域横向地在第一区域与沟槽之间延伸。第一区域和第二区域从体区开始基本上垂直地延伸到漂移区中。第一区域具有带有第二载流子类型的第三掺杂，并且第二区域具有带有第一载流子类型的第一掺杂。第二掺杂和第三掺杂不同。换句话说，第二掺杂高于或低于第三掺杂。
6.在此，优点是击穿强度非常高，使得功率晶体管能够在高电压范围内使用。
7.在一个扩展方案中，第三掺杂在第一区域中具有渐进式变化过程(einen graduellen verlauf)，其中，第三掺杂从体区开始在朝向漂移区的方向上减小。
8.在此，有利的是，电场分布被匀质化，使得电场峰值远离体二极管。
9.在另一个构型中，在每一个沟槽内布置有场板。
10.在此，优点是在接通电阻非常低的同时提供非常高的击穿电压。
11.在一个扩展方案中，第一区域具有第一深度，该第一深度相应于沟槽在漂移区中的第二深度。换句话说，第一区域具有与沟槽相同的深度。
12.在此，有利的是，电场峰值远离功率晶体管的有源区域。
13.在另一个构型中，第一载流子类型是n，并且第二载流子类型是p。
14.在一个构型中，第一区域分别具有第一宽度并且第二区域分别具有第二宽度，其中，第一宽度与第二宽度的比例在0.1至10的范围内。
15.在此，优点是，为了优化结构元件设计而存在大数量的自由度。
16.在另一个构型中，第三掺杂的平均值与第一掺杂的平均值的比例在0.1至10的范围内。
17.在此，有利的是，击穿强度保持为高的。
18.另外的优点由对实施例的以下描述或者说由从属权利要求得出。
附图说明
19.下面参照优选实施方式和附图阐释本发明。附图示出：
20.图1来自现有技术的垂直功率晶体管，
21.图2根据本发明的垂直功率晶体管，
22.图3来自现有技术的垂直功率晶体管与根据本发明的垂直功率晶体管的电场分布的比较，以及
23.图4用于制造垂直功率晶体管的方法。
具体实施方式
24.图1示出来自现有技术的示例性地具有四个有源晶体管单元的垂直功率晶体管100。垂直功率晶体管100包括高度n掺杂的半导体衬底101、n掺杂的漂移区102和p掺杂的体区103。垂直功率晶体管100具有沟槽结构或者说延伸到漂移区102中的多个沟槽104。在沟槽的表面上布置有氧化层105。在每一个沟槽104内，分别在下部区域中布置有场板107并且在场板107上方布置有栅电极106。氧化层105在场板107的区域中比在栅电极106的区域中更厚，其中，氧化层105使场板107与栅电极106彼此绝缘。栅电极106彼此导电地连接并且连接到未示出的栅极触点。场板107彼此导电地连接并且连接到源极触点。氧化层105优选包括sio2。不仅栅电极106、而且场板107具有多晶硅，该多晶硅具有高的n掺杂。在体区103上布置有源电极108。在源电极108上布置有介电层109、例如cvd氧化层。在介电层109上布置有金属层110，该金属层与源电极108和体区103电接触。为了更好地接通(ankontaktierung)，金属层109具有接触沟槽，所述接触沟槽与源电极108和体区103形成欧姆接触。金属层110包括例如铝。在半导体衬底101下方布置有金属层，该金属层作为漏电极111起作用。
25.如果在漏极触点与源极触点之间施加电压，则在位于体区103与漂移区102之间的过渡部处的体二极管上并且在mos结构(过渡部场板107、氧化层105和漂移区102)上形成空间电荷区。这个空间电荷区延伸到沟槽结构104下方直至漂移区102中。在此，电场峰值在朝向沟槽底部的方向上移动，尤其是移动至场板107的底部。
26.图2示出根据本发明的垂直功率晶体管200。垂直功率晶体管200包括半导体衬底201，在该半导体衬底上布置有漂移区202。漂移区202具有带有第一载流子类型的第一掺杂。在漂移区202上布置有体区203。体区203具有带有第二载流子类型的第二掺杂。在体区203上布置有源极区208。在半导体衬底201下方布置有金属层，该金属层作为漏极触点或者说漏电极211起作用。垂直功率晶体管200具有正面和背面，其中，正面与背面对置。背面在此是其上布置有漏电极211的那个侧面。从正面开始，沟槽结构或者说多个沟槽204延伸到漂移区202中。在沟槽表面上布置有氧化层205。每个沟槽204具有场板207和栅电极206，其中，栅电极206布置在场板207上方并且借助氧化层205与场板207电绝缘。氧化层205在场板
207的区域中比在栅电极206的区域中更厚。在源极区208上布置有介电层209、例如cvd氧化层。在介电层209上布置有金属层210，该金属层与源极区208和体区203电接触。在沟槽204之间布置有第一区域212和第二区域213。第一区域212在此基本上居中地布置在沟槽204之间。第二区域213横向地布置在第一区域212与沟槽204之间。第一区域212和第二区域213基本上垂直地从体区203开始在朝向漂移区202的方向上延伸或者说延伸到漂移区202中。换句话说，第一区域212和第二区域213直接连接到体区203。第一区域212具有带有第二载流子类型的第三掺杂，并且第二区域213具有带有第一载流子类型的第一掺杂。第二掺杂和第三掺杂不同。换句话说，垂直功率晶体管200具有根据超结原理(super junction prinzip)的补偿结构。在此，交替地将具有第一和第三掺杂的柱横向地布置在外延层或者说漂移区202中的沟槽204之间。它们如同微型超结结构地起作用。由此，在体二极管处的场强减小，使得空间电荷区扩展到沟槽底部下方。因而，电场具有矩形的分布形状(einenverlauf)。
27.第一掺杂具有在1e16 1/cm3与5e17 1/cm3之间的掺杂剂浓度。第二掺杂具有例如为2e17 1/cm3的掺杂剂浓度，并且第三掺杂具有例如为约0.9e171/cm3的掺杂剂浓度。第三掺杂能够在第一区域212内具有渐进式变化过程，例如-1e17 1/μm。第三掺杂与第一掺杂的平均值或者说中值的比例在0.1与10之间。
28.第一区域212具有第一宽度和第一深度。第二区域213具有第二宽度。第一宽度和第二宽度具有在0.1与10之间的比例。这个比例取决于影响垂直功率晶体管200的耐压强度或者说接通电阻的另外的参数的选择。这包括例如沟槽204的深度和在场板207的区域中的氧化物厚度。半导体材料201例如是硅。
29.第一深度从体区203与漂移区202之间的过渡部开始延伸直至沟槽底部的深度。换句话说，第一区域212具有与沟槽结构204相同的深度。
30.在一个实施例中，第一载流子类型是n并且第二载流子类型是p。在另一个实施例中，第一载流子类型是p并且第二载流子类型是n。
31.垂直功率晶体管200能够使用在电动车辆或混合动力车辆的电传动系中，例如dc/dc转换器或逆变器中。它们也能够使用在机动车充电器中或家用器具的逆变器中。
32.图3示出来自现有技术的垂直功率晶体管与根据本发明的垂直功率晶体管的电场分布300的比较。在x轴上示出从体区开始在朝向半导体衬底的方向上漂移区的深度，单位为μm；并且，在y轴上示出电场强度，单位为10^5v/cm。曲线301示出图1的垂直功率晶体管的电场分布，并且，曲线302示出对于在漂移区102和202中的掺杂剂浓度具有相同值的情况根据本发明的垂直功率晶体管的电场分布。
33.图4示出用于制造垂直功率晶体管的方法400。该方法开始于步骤401，在该步骤中提供外延晶片。在接着的步骤402中，借助各向异性等离子体蚀刻产生多个沟槽。在接着的步骤403中，在沟槽内产生厚氧化物。在接着的步骤404中，场板沉积在厚氧化物上。在接着的步骤405中，在场板和沟槽的侧壁上产生薄氧化物。在接着的步骤406中，沟槽至少部分地填充有多晶硅，使得形成栅电极。在接着的步骤407中，体区借助硼离子植入来产生并且第二区域借助磷离子植入来产生。在接着的步骤408中，第一区域借助具有不同植入能量和植入剂量的多次硼离子植入来产生。在接着的步骤409中，结束正面金属化。在接着的步骤410中，结束根据现有技术的背面加工。

技术特征：
1.一种垂直功率晶体管(200)，其具有：
·
正面和背面，其中，所述正面与所述背面对置，
·
漂移区(202)，所述漂移区具有带有第一载流子类型的第一掺杂，
·
体区(203)，所述体区具有带有第二载流子类型的第二掺杂，其中，所述体区(203)布置在所述漂移区(202)上，以及
·
沟槽(204)，所述沟槽基本上垂直地从所述正面开始延伸到所述漂移区(202)中，其特征在于，第一区域(212)和第二区域(213)布置在所述沟槽(204)之间，其中，所述第一区域(212)居中地布置在所述沟槽(204)之间并且所述第二区域(213)布置在所述第一区域(212)与所述沟槽(204)之间，其中，所述第一区域(212)和所述第二区域(213)从所述体区(203)开始基本上垂直地延伸到所述漂移区(202)中，其中，所述第一区域(212)具有带有所述第二载流子类型的第三掺杂并且所述第二区域(213)具有带有所述第一载流子类型的所述第一掺杂，其中，所述第二掺杂和所述第三掺杂不同。2.根据权利要求1所述的垂直功率晶体管(200)，其特征在于，所述第三掺杂在所述第一区域(212)内具有渐进式变化过程，其中，所述第三掺杂从所述体区(203)开始在朝向所述漂移区(202)的方向上减小。3.根据权利要求1或2中任一项所述的垂直功率晶体管(200)，其特征在于，在每一个沟槽(204)内布置有场板(207)。4.根据前述权利要求中任一项所述的垂直功率晶体管(200)，其特征在于，所述第一区域(212)具有第一深度，所述第一深度相应于所述沟槽(204)在所述漂移区(202)中的第二深度。5.根据前述权利要求中任一项所述的垂直功率晶体管(200)，其特征在于，所述第一载流子类型是n，并且所述第二载流子类型是p。6.根据前述权利要求中任一项所述的垂直功率晶体管(200)，其特征在于，所述第一区域(212)分别具有第一宽度并且所述第二区域(213)分别具有第二宽度，其中，所述第一宽度与所述第二宽度的比例在0.1至10的范围内。7.根据前述权利要求中任一项所述的垂直功率晶体管(200)，其特征在于，所述第三掺杂的平均值与所述第一掺杂的平均值的比例在0.1至10的范围内。

技术总结
一种垂直功率晶体管(200)，其具有：正面和背面，其中，所述正面与所述背面对置；漂移区(202)，所述漂移区具有带有第一载流子类型的第一掺杂；体区(203)，所述体区具有带有第二载流子类型的第二掺杂，其中，所述体区(203)布置在所述漂移区(202)上；以及，沟槽(204)，所述沟槽基本上垂直地从所述正面开始延伸到所述漂移区(202)中，其特征在于，第一区域(212)和第二区域(213)布置在所述沟槽(204)之间，其中，所述第一区域(212)居中地布置在所述沟槽(204)之间并且所述第二区域(213)布置在所述第一区域(212)与所述沟槽(204)之间，其中，所述第一区域(212)和所述第二区域(213)从所述体区(203)开始基本上垂直地延伸到所述漂移区(202)中，其中，所述第一区域(212)具有带有所述第二载流子类型的第三掺杂并且所述第二区域(213)具有带有所述第一载流子类型的所述第一掺杂，其中，所述第二掺杂和所述第三掺杂不同。同。同。


技术研发人员：D
受保护的技术使用者：罗伯特
技术研发日：2021.12.02
技术公布日：2023/10/5