双极金属氧化物半导体场效应晶体管器件制造技术

公开了一种半导体器件包括：至少一个单元，该单元包括一个第一种导电型的基区（３２），在其中至少配置了一个第二种导电型的发射区（３６ａ、３６ｂ）；一个第二种导电型的第一个阱区（２２）；一个第一种导电型的第二个阱区（２ａ）；一个第二种导电型的漂移区（２４）；一个第一种导电型的集电区（１４）；一个集电极接点（１６），其中每一个单元放置在第一个阱区（２２）中，而第一个阱区（２２）放置在第二个阱区（２０）中；该器件还包括：第一个栅极（６１），安置在基区（３２）上，以使一个ＭＯＳＦＥＴ沟道可以在发射区（３６ａ、３６ｂ）和第一个阱区（２２）之间形成；该器件还包括：第二个栅极，安置在第二个阱区（２０）之上，以使一个ＭＯＳＦＥＴ沟道可以在第一个阱区（２２）和漂移区（２４）之间形成。（*该技术在2020年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术一般涉及了结合了双极和金属氧化物半导体技术的功率半导体器件系列。这种器件具有广泛的范围。在该系列外的一个极端是功率MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)器件。它们包括由垂直的DMOS(双扩散金属氧化物半导体)工艺制作的DMOS功率MOSFET(DMOS是一种双扩散的MOS(金属氧化物半导体)工艺)。在该工艺中，器件是在单晶硅本体上制作的，使用了在本体的一个表面上形成的大量的源极/栅极单元，而在其反面上用一个共漏极区来覆盖。源极/栅极单元相互并联，并形成了大量的并行丝极以便电流流往该器件的主内部区(公知为漂移区)。双极和MOSFET技术的结合形成了一个双极晶体管结构以提供通过器件的主要负荷载流路径和控制双极晶体管的一个MOS结构。该MOS结构提供了一个耗用很少输入功率的高阻抗输入。因此可以作成与基于MOS技术的外部控制电路相适应的结构。该双极晶体管因器件的不同而不同，从一个基本的三层结构(例如NPN晶体管，在这种三层结构中发射极与器件的MOS部分的源极紧密关联)如具有一个闸流晶体管的四或五层结构(例如，MOS控制的闸流晶体管，在这种四层或五层结构中阴极与MOS结构的源极紧密关联)。众所周知，在单晶硅本体的垂直结构内实现这些不同的双极晶体管/MOS器件，其中在该本体的一个表面上提供发射极/源极或阴极/源极/栅极作为大量的单元，同时在该本体的反面上形成的公用区上提供了集电极或阳极。为了简化术语，该发射极/源极和阴极/源极结构两者一般地称作“阴极/源极”或阴极结构，而该集电极和阳极一般地称作“阳极”。然而，应该注意的是这里所描述的本专利技术的概念可以应用于N型材料被P型材料所取代的器件，反之亦然。在操作中，器件中的阴极/源极/栅极单元组是并联的，可以通过内部器件的金属喷镀来实现。该器件系列的一个共同特性是从阴极结构流向阳极的电流通路位于并通过一个漂移区。在设计此类器件时，在低电阻正向传导通路和高的正向击穿电压容量之间要达到平衡。一种得到广泛应用的功率双极/MOSFET半导体系列的器件，是绝缘栅极双极晶体管(IGBT)，它是由N沟道增强型MOFSET控制的PNP晶体管。该IGBT是一种三端的器件。第二种器件是切换发射极的闸流晶体管(EST)，它有两个集成的MOSFET，它们的栅极连接至一个共同的栅极端子上。它也是一种三端的器件。第三种器件是闸流晶体管类型的四端的器件，除了具有通常用于接通器件的控制栅极外还具有独立的栅极断开结构。MOSFET和双极/MOS器件的阴极单元结构可以在半导体表面的一个平面栅极结构内或利用首先开发的沟栅与功率MOSFET相结合来制造。该阴极结构也可以以平面的或沟槽的形式实现。用于IGBT的阴极结构在“Analysis of Device Structures for NextGeneration IGBT”，Y.Onishi等，Proceedings of 1998 International Symposiumon Power Semiconductor Devices and Ics，p.85中予以了讨论。该论文讨论了在平面栅和沟栅中使用的结构和两者相关的优点和缺点。在该器件中，每对相邻的单元的沟道都形成于一个共同的P阱中。一种绝缘栅控制的闸流晶体管公开发表在“A Filamentation-freeInsulated-Gate Controlled Thyristor and Comparisons to the IGBT”，K.Lilja andW.Fichtner，Proc.ISPSD，p.275，1996.上。该文提出了这样的一种器件(IGCT)，该器件改善了在成丝作用失效方面的可靠性，同时保持了闸流晶体管样的开通状态性质。具有栅极断开结构的四端的MOS栅控的闸流晶体管开关的另一种形式，称作“FiBS”，在“The FiBS，A New High Voltage BiMOSSwitch”，K.Lilja，Proc.ISPSD，1992，p.261和Lilja等人的美国专利USP 5,286,981中公开。一种大型的FiBS将包括大量集成的并行单元。这种器件可采用平面或沟栅技术实现。由M.S.Shekar，J.Korec和B.J.Baliga在“Trench Gate Emitter SwitchedThyristors”，Proc.6thInternational Symposium of Power SemiconductorDevices and Ics，1994，Paper 5.1，189一文中描述了一种MOS栅的发射极切换的闸流晶体管。这种器件是一种三端的器件，它是在一个沟栅单元结构中实现的。在前面的方案中，相邻的单元可以具有形成在一个共同的掺杂区或阱内的相应结构的元件。本专利技术提供了一种包括阴级/栅极元件簇的新型阴极结构。这种簇阴极结构的新类型反过来又可以在阴极的蜂窝状结构形式中用作一个单元。本专利技术可以在下面描述的多种形式中实现。将要描述的器件包括一种MOS-闸流晶体管结构，并且在保持电流均匀分布的理想特性、良好的电流饱和性能、小的器件尺寸(包括紧密组合的单元)和良好的安全操作面积(SOA)的同时得到增强的性能。依据本专利技术，提供的一种半导体器件，该半导体器件包括至少一个单元，该单元包括一个第一导电型的基区，在其中至少安置了一个第二导电型的发射区；一个第二导电型的第一个阱区；一个第一导电型的第二个阱区；一个第二导电型的漂移区；一个第一导电型的集电区；一个集电极接点；其中，每个单元安置在第一个阱区内，而第一个阱区安置在第二个阱区内；该器件还包括第一个栅极，安置在一基区上，以使在一个发射区和第一个阱区之间可以形成一个MOSFET沟道；第二个栅极，安置在第二个阱区上，以使在第一个阱区和漂移区之间可以形成一个MOSFET沟道；其中这样构造该器件，在器件操作过程中，在基区和第一个阱区之间结的耗尽区(depletion region)可以延伸至第一个阱区和第二个阱区之间的结，因此，基本将第一个阱区的电势与集电极接点处的任何增加的电势隔离，因此可以切断该器件，而不必在基区和第二阱区之间形成一MOSFET沟道。保护第一个阱区免受由于基区和第一个阱区之间的结的耗尽区延伸至第一个阱区和第二个阱区之间的结而产生的超量电势的能力在下文中称之为“自箝位”。自箝位在器件的接通状态和关闭状态下都导致了许多有利的特性，下面就这些优点进行更详细地描述。本专利技术的器件的关键特性包括低的正向电压降、良好的SOA、高的击穿电压、可与IGBT相比的切换能力、N-沟道MOS栅极控制、三端器件的提供、与CMOS过程全兼容性，实现集成低电压和高电压器件的单片集成、容易将栅极氧化物厚度缩放至400或更低以达到低驱动功率的要求、和由于降低了漂移区上的栅极的尺寸引起栅极电容降低。应该指出的是，FiBS器件是四端的器件，它要求一个独立的P MOSFET来控制器件的关闭。本专利技术中器件的关闭不需要这样一种MOSFET结构。第一种导电型通常是P、第二种类型是N。但是，也可能生产这样的器件，它的第一种导电型是N，第二种导电型是P。依据本专利技术的器件可以是垂直的或横向的。大多数元件被安置在第一个阱区之内，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种半导体器件，包括： 至少一个单元，包括一个第一导电型的基区，在其中至少配置了一个第二导电型的发射区； 一个第二导电型的第一个阱区； 一个第一导电型的第二个阱区； 一个第二导电型的漂移区； 一个第一导电型的集电区； 一个集电极接点； 其中，每个单元安置在第一个阱区内，而第一个阱区安置在第二个阱区内；该器件还包括： 第一栅极，该第一栅极安置在一个基区的上方，以使在发射区和第一个阱区之间形成一个ＭＯＳＦＥＴ沟道；该器件还包括： 第二栅极，该第二栅极安置在第二个阱区之上，以使在第一个阱区和漂移区之间形成一个ＭＯＳＦＥＴ沟道； 其中这样构造该器件以使在器件工作过程中，在基区和第一个阱区之间的结处的一耗尽区可以延伸至第一个阱区和第二个阱区之间的一结处，因此，基本将第一个阱区的电势与集电极触点处任何电势的增加相隔离，以使该器件可被关闭而不必在基区和第二个阱区之间形成一个ＭＯＳＦＥＴ沟道。

【技术特征摘要】
GB 1999-9-8 9921068.41.一种半导体器件，包括至少一个单元，包括一个第一导电型的基区，在其中至少配置了一个第二导电型的发射区；一个第二导电型的第一个阱区；一个第一导电型的第二个阱区；一个第二导电型的漂移区；一个第一导电型的集电区；一个集电极接点；其中，每个单元安置在第一个阱区内，而第一个阱区安置在第二个阱区内；该器件还包括第一栅极，该第一栅极安置在一个基区的上方，以使在发射区和第一个阱区之间形成一个MOSFET沟道；该器件还包括第二栅极，该第二栅极安置在第二个阱区之上，以使在第一个阱区和漂移区之间形成一个MOSFET沟道；其中这样构造该器件以使在器件工作过程中，在基区和第一个阱区之间的结处的一耗尽区可以延伸至第一个阱区和第二个阱区之间的一结处，因此，基本将第一个阱区的电势与集电极触点处任何电势的增加相隔离，以使该...

【专利技术属性】
技术研发人员：桑卡拉那拉亚男埃卡耐斯麦达塞尔，
申请(专利权)人：德蒙特福特大学，
类型：发明
国别省市：GB[英国]