功率半导体元件及其制造方法技术

本申请涉及一种功率半导体元件及其制造方法，该功率半导体元件包括：具有第一电性的外延层、第一阱区、第二阱区、浮置掺杂区、第一掺杂区、第二掺杂区和栅极结构。第一阱区和第二阱区具有第二电性，分别由外延层的表面延伸进入该外延层，且第一阱区和第二阱区彼此分离。浮置掺杂区具有第二电性，位于外延层中，第一阱区和第二阱区之间，且与第一阱区和第二阱区分离。第一掺杂区和第二掺杂区具有第一电性，分别由外延层的表面延伸进入第一阱和第二阱区之中。栅极结构位于外延层上，邻接第一掺杂区和第二掺杂区，且与浮置掺杂区至少部分重叠。叠。叠。

【技术实现步骤摘要】
功率半导体元件及其制造方法


[0001]本申请涉及一种功率电子元件及其制造方法，特别是一种功率半导体元件及其制造方法。

技术介绍

[0002]日常生活中，各行各业所使用的家电用品和机械设备都具有供应其运转的电力系统，而在电力的传输和使用过程中必须使用功率电子元件进行功率转换，以控制电力系统中瞬间加压的电流稳定度。
[0003]功率半导体元件由于具备较高的输入阻抗、较低的驱动功率、较低的导通电阻值、较快的切换速度、较低的切换损耗及较宽的安全操作区间(Safe of Operation Area，SOA)，且适合与集成电路制程整合形成功率集成电路，因此常被应用于消费电子产品(例如，MP3播放器、数码相机、笔记本电脑、智能手机等便携式电子产品)的功率传换系统中。
[0004]功率半导体元件，例如功率金属氧化物-半导体晶体管元件(Power Metal-Oxide-Semiconductor Transistor)，以根据电流流通路径来加以分类，可区分为平面式结构和垂直式结构。由于平面式结构在承受高电压与高电流的操作环境时，需要较宽的通道来容纳较多的电流以降低导通电阻(on-resistance)，会相对地占据较多的集成电路面积。而垂直式结构因为通道宽度为外延层的厚度，可通过增加外延层的厚度来增加单位集成电路面积的可导通电流。随着集成电路的微缩化，目前已成为功率金属氧化物-半导体晶体管元件的主流。
[0005]典型的垂直式结构功率金属氧化物-半导体晶体管元件(例如，n型通道的垂直式双扩散(vertical double-diffused)功率金属氧化物-半导体晶体管元件)包括基材(漏极)、位于基材上方的n型外延层、两个位于n型外延层中且彼此分离的p型阱区，两个分别由n型外延层的上表面向下延伸进入两个p型阱区的两个n型源极掺杂区，以及位于n型外延层上且邻接n型源极掺杂区的栅极结构。
[0006]由于垂直式结构的功率金属氧化物-半导体晶体管元件的漏极和源极之间存在一个寄生的接面场效晶体管(Junction gate Field-Effect Transistor，JFET)。当进行顺向操作而对漏极施予正电压时，顺向偏压使大量的空穴穿过p型阱区和n型外延层之间的PN接面注入n型外延层。当进行反向操作而对漏极施予反向偏压时，由于电子不再由源极射入，累积在PN接面的少数载子(空穴)，需要先与相反电荷(电子)复合(recombination)，方能使元件关闭。因此电流不会立即降至零值，而需要一段反向恢复时间(reverse recovery)才能进行功率转换，造成垂直式结构的功率金属氧化物-半导体晶体管元件在高频操作环境的限制。
[0007]因此，有需要提供一种先进的功率半导体元件及其制造方法，来解决现有技术所面临的问题。

技术实现思路

[0008]本说明书的一实施例，是公开一种功率半导体元件，此功率半导体元件包括：具有第一电性的外延层、第一阱区、第二阱区、浮置(floating)掺杂区、第一掺杂区、第二掺杂区和栅极结构。第一阱区和第二阱区具有第二电性，分别由外延层的表面延伸进入该外延层，且第一阱区和第二阱区彼此分离。浮置掺杂区具有第二电性，位于外延层中，第一阱区和第二阱区之间，且与第一阱区和第二阱区分离。第一掺杂区和第二掺杂区具有第一电性，分别由外延层的表面延伸进入第一阱和第二阱区之中。栅极结构位于外延层上，邻接第一掺杂区和第二掺杂区，且与浮置掺杂区至少部分重叠。
[0009]本说明书的另一实施例，是公开一种功率半导体元件，此功率半导体元件包括：具有第一电性的外延层、第一阱区、第二阱区、浮置掺杂区和金属电极。第一阱区和第二阱区具有第二电性，分别由外延层的表面延伸进入该外延层，且第一阱区和第二阱区彼此分离。浮置掺杂区具有第二电性，位于外延层中，第一阱区和第二阱区之间，且与第一阱区和第二阱区分离。金属电极位于外延层上，与第一阱区和第二阱区分别形成一个成金属-半导体接面。
[0010]本说明书的又一实施例，是公开一种功率半导体元件的制作方法，此功率半导体元件的制作方法包括下述步骤：首先提供一个具有第一电性的外延层；并于外延层中形成一个具有第二电性的浮置掺杂区。之后，于外延层上形成一个栅极结构，并与浮置掺杂区至少部分重叠。于外延层中形成彼此分离且具有第二电性的第一阱区和第二阱区，由外延层的表面延伸进入外延层，使浮置掺杂区位于第一阱区和第二阱区之间，且与第一阱区和第二阱区分离。再形成具有第一电性的第一掺杂区和第二掺杂区，分别由外延层的表面延伸进入第一阱区和第二阱区，并且邻接栅极结构。
[0011]根据上述实施例，本说明书是提供一种功率半导体元件及其制造方法，是在具有第一电性的外延层中形成至少一个具有垂直通道和NPN寄生双极性接面的晶体管单元或金属-半导体接面二极管单元。并在外延层中配置具有第二电性的浮置掺杂区来改变晶体管/二极管单元中的垂直电场分布。当晶体管单元/二极管进行反向操作时，能促进电子自漏极注入漏极和源极之间存的寄生PN接面，使电子与累积在PN接面的少数载子复合。可在不改变额定的操作电压的情况下，缩短关闭场效晶体管单元所需要的反向恢复时间，利于功率半导体元件的高频操作。
附图说明
[0012]为让本专利技术的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例作详细说明如下。但必须注意的是，这些特定的实施案例与实施方式，并非用以限定本专利技术。本专利技术仍可采用其他特征、元件、方法及参数来加以实施。优选实施例的提出，仅是用以例示本专利技术的技术特征，并非用以限定本专利技术的权利要求。
[0013]图1A至图1F是根据本说明书的一实施例所示出的制作功率半导体元件的一系列制程结构剖面示意图；
[0014]图2是根据本说明书的另一实施例所示出的功率半导体元件结构剖面示意图；
[0015]图3A至图3F是根据本说明书的多个实施例所分别示出具有不同结构的浮置掺杂区的功率半导体元的结构剖面示意图；
[0016]图4A至图4D是根据本说明书的又一实施例所示出的制作功率半导体元件的部分制程结构剖面示意图；
[0017]图5A至图5E是根据本说明书的再一实施例所示出的制作功率半导体元件的部分制程结构剖面示意图；
[0018]图6是根据本说明书的又另一实施例所示出的功率半导体元件的结构剖面示意图；
[0019]图7A至图7D是根据本说明书的又另一实施例所示出的功率半导体元件的结构剖面示意图；
[0020]图8是根据本说明书的又再一实施例所示出的功率半导体元件的结构剖面示意图；以及
[0021]图9是针对图4D所提供的功率半导体元件以及现有的超接面金属氧化物-半导体晶体管单元进行反向恢复测试所得到的反向截止电流与反向截止时间的关系曲线图。
具体实施方式
[0022]本说明书是提供一种功率半导体元件及其制作方法，可在不改变额定的操作电压的情况下，可有效缩短元件切换操作时的反向电流与功率耗损，且有助于在元件因切换而关闭时提高元件的临界电压。本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种功率半导体元件，包括：一外延层，具有一第一电性；一第一阱区，具有一第二电性，由该外延层的一表面延伸进入该外延层；一第二阱区，具有该第二电性，由该表面延伸进入该外延层，并与该第一阱区分离；一浮置掺杂区，具有该第二电性，位于该外延层中，该第一阱区和该第二阱区之间，且与该第一阱区和该第二阱区分离；一第一掺杂区，具有该第一电性，由该表面延伸进入该第一阱区；一第二掺杂区，具有该第一电性，由该表面延伸进入该第二阱区；以及一栅极结构，位于该外延层上，邻接该第一掺杂区和该第二掺杂区，且与该浮置掺杂区至少部分重叠。2.如权利要求1所述的功率半导体元件，还包括:一第三掺杂区，具有该第二电性，位于该外延层中，并与该第一阱区连接；以及一第四掺杂区，具有该第二电性，位于该外延层中，并与该第二阱区连接，使该浮置掺杂区位于该第三掺杂区和该第四掺杂区之间。3.如权利要求1所述的功率半导体元件，其中，该浮置掺杂区具有与该栅极结构分离的一第一离子植布区域和一第二离子植布区域，且该第一离子植布区域和该第二离子植布区域彼此分离。4.如权利要求1所述的功率半导体元件，其中，该浮置掺杂区具有该与该栅极结构接触的一第一离子植布区域，以及分别与该栅极结构以及该第一离子植布区域分离的一第二离子植布区域。5.如权利要求1所述的功率半导体元件，其中，该栅极结构包括:一闸介电层，位于该表面上，并邻接该第一掺杂区和该第二掺杂区；以及一闸电极，位于该闸介电层上，通过该闸介电层与该外延层电性隔离。6.如权利要求1所述的功率半导体元件，其中，该栅极结构包括:一闸介电层，位于一沟槽之中，并邻接该第一掺杂区和该第二掺杂区，其中该沟槽是由该表面延伸进入该外延层中；以及一闸电极，位于该沟槽之中，通过该闸介电层与该外延层电性隔离。7.如权利要求6所述的功率半导体元件，其中，该栅极结构还包括:一分离栅极，位于该沟槽的底部，并通过该闸介电层与该外延层电性隔离；以及一介电隔离层，...

【专利技术属性】
技术研发人员：李序恒，陈美玲，张立鸣，
申请(专利权)人：创亿半导体股份有限公司，
类型：发明
国别省市：