具有包括铁电绝缘体的栅极电介质堆叠的功率半导体器件制造技术

公开了具有包括铁电绝缘体的栅极电介质堆叠的功率半导体器件。一种功率半导体器件，包括半导体衬底和形成在半导体衬底中并且并联电连接以形成功率晶体管的多个晶体管单元。每个晶体管单元包括栅极结构，栅极结构包括栅极电极和将栅极电极与半导体衬底分离开的栅极电介质堆叠。栅极电介质堆叠包括铁电绝缘体和第一电介质绝缘体。第一电介质绝缘体具有比二氧化硅的相对介电常数大的相对介电常数。还描述了用于开关功率晶体管的驱动器设备和操作功率晶体管的对应的方法。作功率晶体管的对应的方法。作功率晶体管的对应的方法。

【技术实现步骤摘要】
具有包括铁电绝缘体的栅极电介质堆叠的功率半导体器件

技术介绍

[0001]诸如功率MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)、IGBT(绝缘栅双极晶体管)等的功率晶体管非常适合于高功率、高电压、高温度和抗辐射应用。对于功率晶体管发展而言的关键限制因素是在短路状况下在开关应用中适配功率器件。功率晶体管对于导致过热的过度的电压和温度是敏感的。经过更长的时段，过热严重地影响器件可靠性和性能，最终造成器件的硬损伤。已经设计出技术来防止功率晶体管在短路状况期间连续工作，所述技术包括用以耗散热的高效方式和在高工作温度下关断器件的智能栅极驱动设计。
[0002]热耗散机制典型地涉及经由热沉的被动措施，由此避免过热。更进一步地，温度传感器可以被嵌入在功率晶体管管芯(芯片)中以检测用于防止高温度工作的工作温度。集成的电流传感器占据显著量的芯片区域，要求针对器件的有源晶体管单元的更高的功率密度。
[0003]与IGBT(绝缘栅双极晶体管)相比SiC(碳化硅)功率MOSFET在短路状况下具有5到10倍高的电流密度。更高的瞬时功率密度和更小的热容造成更快的温度上升和更低的短路耐受时间，对需要具有非常快的响应时间(比对于IGBT而言所需要的小得多)的栅极驱动器的设计施加了巨大压力。可能仅通过栅极驱动检测过电流状况并且在耐受时间结束之内(例如大约3ms)关断MOSFET来确保管芯保护，这提出了艰巨的设计挑战。
[0004]因此，存在针对具有改进的短路/过电流保护的功率晶体管器件的需要。

技术实现思路

[0005]根据功率半导体器件的实施例，功率半导体器件包括：半导体衬底；以及多个晶体管单元，其被形成在半导体衬底中并且并联电连接以形成功率晶体管，其中多个晶体管单元中的每个晶体管单元包括栅极结构，栅极结构包括栅极电极和将栅极电极与半导体衬底分离开的栅极电介质堆叠，其中栅极电介质堆叠包括铁电绝缘体和第一电介质绝缘体，其中第一电介质绝缘体具有比二氧化硅的相对介电常数大的相对介电常数。
[0006]根据操作由并联电连接的多个晶体管单元形成的功率晶体管的方法的实施例，其中多个晶体管单元中的每个晶体管单元包括栅极结构，栅极结构包括耦合到控制端子的栅极电极和栅极电介质堆叠，其中栅极电介质堆叠包括铁电绝缘体，方法包括：通过将开关控制信号施加到控制端子来在正常工作模式中对功率晶体管进行开关，开关控制信号具有最大电压和最小电压；以及通过向控制端子施加第一电压脉冲来将铁电绝缘体设置成所限定的极化状态，第一电压脉冲超过开关控制信号的最大电压。
[0007]根据驱动器设备的实施例，驱动器设备包括：功率半导体器件，其包括并联电连接以形成功率晶体管的多个晶体管单元，其中多个晶体管单元中的每个晶体管单元包括栅极结构，栅极结构包括耦合到控制端子的栅极电极和栅极电介质堆叠，其中栅极电介质堆叠包括铁电绝缘体；以及驱动器控制电路，其被配置为通过向控制端子施加开关控制信号来在正常工作模式中对功率晶体管进行开关，开关控制信号具有最大电压和最小电压，其中驱动器控制电路被进一步配置为通过向控制端子施加第一电压脉冲来将铁电绝缘体设置
成所限定的极化状态，第一电压脉冲超过开关控制信号的最大电压。
[0008]本领域技术人员在阅读以下详细描述并且查看随附附图时将认识到附加的特征和优点。
附图说明
[0009]附图中的要素未必相对于彼此成比例。同样的参考标号指明对应的类似部件。各种所图示的实施例的特征可以被组合，除非它们彼此排斥。在附图中描绘了实施例并且在随后的描述中详述实施例。
[0010]图1图示包括基于铁电的栅极电介质堆叠的半导体器件的实施例的部分横向横截面视图。
[0011]图2图示包括基于铁电的栅极电介质堆叠的半导体器件的另一实施例的部分横向横截面视图。
[0012]图3图示包括基于铁电的栅极电介质堆叠的半导体器件的另一实施例的部分横向横截面视图。
[0013]图4图示包括基于铁电的栅极电介质堆叠的半导体器件的另一实施例的部分横截面视图。
[0014]图5图示包括基于铁电的栅极电介质堆叠的半导体器件的另一实施例的部分横截面视图。
[0015]图6图示包括基于铁电的栅极电介质堆叠的半导体器件的另一实施例的部分横截面视图。
[0016]图7图示作为针对栅极电介质堆叠的铁电绝缘体的所施加的栅极电压的函数的感应铁电极化的特征磁滞回线，包括用于将铁电绝缘体设置成所限定的极化状态的编程/设置处理。
[0017]图8图示被配置为控制一个或多个功率半导体器件的开关并且实现铁电编程/设置处理的驱动器设备的实施例的示意性示图。
[0018]图9至图11图示铁电编程/设置处理的实施例。
具体实施方式
[0019]在此描述的是为半导体器件提供改进的短路/过电流保护的栅极电介质堆叠。包括栅极电介质堆叠的半导体器件的类型可以取决于感兴趣的应用并且可以包括功率半导体器件，其是用作为功率电子电路中的开关或整流器的半导体器件。不管半导体器件的类型如何，形成在半导体衬底中的多个晶体管单元利用了栅极电介质堆叠并且被并联电连接以形成晶体管。
[0020]栅极电介质堆叠包括铁电绝缘体作为朝着改进的短路/过电流保护的关键促成因素。该绝缘体是“铁电的”，因为该绝缘体具有自发电极化，自发电极化可以由于施加外部电场而被反转，这不同于不具有这样的可反转自发电极化的非铁电绝缘体，诸如SiO2和SiN。
[0021]包括在栅极电介质堆叠中的铁电绝缘体呈现自发电极化。这种极化被保持直到被称为居里温度(Tc)或居里点的特征温度。居里温度是如下的温度：在该温度之上铁电绝缘体失去其铁电性质和电极化。因此，铁电绝缘体的铁电极化添加了介电感应电荷，以在居里
温度之下创建导电沟道。在居里温度之上，铁电绝缘体不再极化，从而沟道区中的总的感应电荷减少，并且要求完全以更高的栅极电压来创建沟道，或者以未改变的栅极电压创建沟道，极大地降低沟道导电性，因此有助于限制过电流状况。通过将铁电绝缘体集成到器件的栅极电介质堆叠中，从而器件变得对温度敏感，使得器件在超出器件的最大安全工作温度下自调节漏极电流。
[0022]铁电绝缘体可以被掺杂有掺杂材料，使得铁电绝缘体的居里温度在器件的特定的工作温度范围以上的范围内，其中特定的工作温度范围限定用于器件的最小的和最大的工作温度。在短时间段内，例如由于短路状况，器件温度可能超过最大工作温度。在该温度之上，栅极电介质堆叠的铁电绝缘体失去其极化，这进而引起器件的阈值电压增加。因此，与在特定的工作温度范围内所要求的栅极电压相比，在特定的工作温度范围之外，要求更高的栅极电压来创建导电沟道。
[0023]铁电绝缘体的极化遵循作为栅极电压的函数的良好限定的磁滞曲线。然而，在超温事件平息之后或者在功率晶体管的启动期间，铁电绝缘体的极化状态可能并未处于是良好限定的。可以通过向功率晶体管的控制端子施加超过用于在正常工作期间控制功率晶体管的开关状态(导通/断开)的开关控制信号的最大(准许)电压的电压本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种功率半导体器件，包括：半导体衬底；以及多个晶体管单元，其被形成在半导体衬底中并且并联电连接以形成功率晶体管，其中所述多个晶体管单元中的每个晶体管单元包括栅极结构，栅极结构包括栅极电极和将栅极电极与半导体衬底分离开的栅极电介质堆叠，其中栅极电介质堆叠包括铁电绝缘体和第一电介质绝缘体，其中第一电介质绝缘体具有比二氧化硅的相对介电常数大的相对介电常数。2.根据权利要求1所述的功率半导体器件，其中铁电绝缘体包括从由掺杂的氧化铪和掺杂的氧化铪锆构成的组中选择的材料。3.根据权利要求2所述的功率半导体器件，其中掺杂的氧化铪或掺杂的氧化铪锆的掺杂材料包括从由Al、Si、Gd、Yr、La、Sr和Zr构成的组中选择的一种或多种杂质物质。4.根据权利要求1所述的功率半导体器件，其中第一电介质绝缘体包括从由未掺杂的氧化铪、未掺杂的氧化铪锆、氧化钇和氧化铝构成的组中选择的材料。5.根据权利要求1所述的功率半导体器件，其中铁电绝缘体接触半导体衬底并且将第一电介质绝缘体与半导体衬底分离开。6.根据权利要求1所述的功率半导体器件，其中栅极电介质堆叠进一步包括第二电介质绝缘体，其中第二电介质绝缘体接触半导体衬底并且将铁电绝缘体与半导体衬底分离开，并且其中铁电绝缘体将第二电介质绝缘体与第一电介质绝缘体分离开。7.根据权利要求6所述的功率半导体器件，其中铁电绝缘体包括从由掺杂的氧化铪和掺杂的氧化铪锆构成的组中选择的材料，其中第一电介质绝缘体包括从由未掺杂的氧化铪、未掺杂的氧化铪锆、氧化钇和氧化铝构成的组中选择的材料，并且其中第二电介质绝缘体包括从由未掺杂的氧化铪、未掺杂的氧化铪锆、氧化钇和氧化铝构成的组中选择的材料。8.根据权利要求1所述的功率半导体器件，其中所述多个晶体管单元中的每个晶体管单元的栅极结构是被部署在形成于半导体衬底中的沟槽中的沟槽栅极结构。9.根据权利要求1所述的功率半导体器件，其中功率晶体管具有特定的工作温度范围，并且其中铁电绝缘体具有在高于功率晶体管的特定的工作温度范围的范围中的居里温度。10.一种操作由并联电连接的多个晶体管单元形成的功率晶体管的方法，其中所述多个晶体管单元中的每个晶体管单元包括栅极结构，栅极结构包括耦合到控制端子的栅极电极和栅极电介质堆叠，其中栅极电介质堆叠包括铁电绝缘体，所述方法包括：通过将开关控制信号施加到控制端子来在正常工作模式中对功率晶体管进行开关，开关控制信号具有最大电压和最小电压；以及通过向控制端子施加第一电压脉冲来将铁电绝缘体设置成所限定的极化状态，第一电压脉冲超过开关控制信号的最大电压。11.根据权利要求10所述的方法，其中将第一电压脉冲施加到控制端子包括设置第一电压脉冲的幅度，使得在第一电压脉冲期间铁电绝缘体中的电场至少为0.7*|Ec|，其中Ec是铁电绝缘体的矫顽场。12.根据权利要求10所述的方法，其中第一电压脉冲超过开关控制信号的最大电压至少20%。13.根据权利要求10所述的方法，其中栅极电介质堆叠进一步包括至少一个电介质绝
缘体，并且其中将第一电压脉冲施加到控制端子包括设置第一电压脉冲的幅度，使得在第一电压脉冲期间所述至少一个电介质绝缘体中的电场小于|E
BD
|，其中E
BD
是所述至少一个电介质绝缘体能够承受而不经受电击穿的最大电场。14.根据权利要求13所述的方法，其中第一电压脉冲的幅度被设置成使得在第一电压脉冲期间所述至少一个电介质绝缘体中的电场至多是0.7*|E
BD
|。15.根据权利要求10所述的方法，其中第一电压脉冲的持续时间在100ns到100ms的范围内。16.根据权利要求10所述的方法，其中将铁电绝缘体设置成所限定的极化状态进一步包括：将第二电压脉冲施加到控制端子，其中第二电压脉冲具有与第一电压脉冲相反的极性，其中第二电压脉冲超过开关控制信号的最小电压。17.根据权利要求16所述的方法，其中：功率晶体管为n沟道器件，开关控制信号的最大电压是正的最大电压，第一电压脉冲比开关控制信号的正的最大电压...

【专利技术属性】
技术研发人员：F，
申请(专利权)人：英飞凌科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：