CN109994470A - 一种半导体功率器件 - Google Patents
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Abstract
本发明属于半导体功率器件技术领域，具体公开了一种半导体功率器件，包括半导体衬底；在所述半导体衬底上形成的MOSFET区，所述MOSFET区包括至少一个MOSFET单元；位于所述半导体衬底中的至少一个集电极区，所述集电极区从所述半导体衬底的顶部引出接集电极；所述集电极区与所述MOSFET单元形成绝缘栅场效应晶体管结构。本发明的一种半导体功率器件能够实现电子和空穴双载流子导电，提高半导体功率器件的输出电流密度。
Description
技术领域
本发明属于半导体功率器件技术领域，特别是涉及一种具有电子和空穴双载流子导电的半导体功率器件。
背景技术
半导体功率器件有平面扩散型MOS晶体管和沟槽型MOS晶体管等类型。沟槽型MOS晶体管因为采用了垂直的电流沟道结构，其面积可以比平面扩散型MOS晶体管小很多，因此其电流密度可以得到很大的提高。现有技术的一种沟槽型MOS晶体管的剖面结构如图1所示，包括位于半导体衬底底部的漏区50，位于半导体衬底顶部的源区53和体区52，位于体区52和漏区50之间的漂移区51，体区52位于源区53和漂移区51之间，位于体区52内且介于源区53和漂移区51之间的电流沟道，以及控制所述电流沟道开启和关断的栅极结构，栅极结构位于凹陷在漂移区51内的栅极沟槽中，栅极结构包括栅介质层54和栅极55。现有技术的半导体功率器件在开启时是在源区53与漏区50之间形成电子(或空穴)载流子电流，这种单一载流子的输出电流密度难以再持续增加。随着半导体集成电路技术的不断发展，如何进一步提高半导体功率器件的输出电流密度，已成为本领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种半导体功率器件，以解决现有技术中如何进一步提高半导体功率器件的输出电流密度的技术问题。
为达到本发明的上述目的，本发明提供了一种半导体功率器件，包括：
半导体衬底；
在所述半导体衬底上形成的MOSFET区，所述MOSFET区包括至少一个MOSFET单元；
位于所述半导体衬底中的至少一个集电极区，所述集电极区从所述半导体衬底的顶部引出接集电极；
所述集电极区与所述MOSFET单元形成绝缘栅场效应晶体管结构。
可选的，所述集电极区环绕包围所述MOSFET区，或者所述集电极区位于所述MOSFET区的一侧或者两侧。
可选的，所述MOSFET单元包括：
位于所述半导体衬底中的第一导电类型的漏区，所述漏区从所述半导体衬底的底部引出接漏极；
位于所述半导体衬底中的第一导电类型的源区和第二导电类型的体区，所述源区和所述体区从所述半导体衬底的顶部引出接源极；
位于所述半导体衬底中的介于所述漏区和所述体区之间的第一导电类型的漂移区；
位于所述体区内且介于所述源区和所述漂移区之间的电流沟道；
以及控制所述电流沟道开启和关断的栅极结构。
可选的，所述集电极区具有第二导电类型，所述集电极区、所述漂移区、所述体区与所述源区之间形成p-n-p-n结构。
可选的，所述集电极与所述漏极电性连接。
可选的，所述半导体衬底内设有栅极沟槽，所述栅极结构设于所述栅极沟槽中，所述栅极结构包括栅介质层和控制栅极。
可选的，所述栅极结构还包括绝缘介质层和屏蔽栅极。
可选的，所述控制栅极设于所述栅极沟槽的上部两侧，所述屏蔽栅极由所述绝缘介质层与所述控制栅极和所述漂移区隔离。
可选的，所述集电极区和所述MOSFET区之间设有分压结构。
可选的，所述分压结构为场板或者为场限环或者为填充有多晶硅的沟槽结构。
本发明提供的一种半导体功率器件，在半导体衬底中形成有MOSFET单元和集电极区，集电极区从半导体衬底的顶部引出接集电极，这样能够方便集电极区的制造；同时，集电极区、漂移区、体区、源区和栅极结构之间形成横向的绝缘栅场效应晶体管(InsulatedGate Bipolar Transistor，IGBT)结构。本发明的一种半导体功率器件在开启时，在MOSFET单元中形成电子(或空穴)载流子电流，在IGBT结构中形成电子载流子和空穴载流子双载流子电流，从而本发明的一种半导体功率器件能够实现电子载流子和空穴载流子双载流子电流，这能够在大幅提高半导体功率器件的输出电流密度。
附图说明
为了更加清楚地说明本发明示例性实施例的技术方案，下面对描述实施例中所需要用到的附图做一简单介绍。显然，所介绍的附图只是本发明所要描述的一部分实施例的附图，而不是全部的附图，对于本领域普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图得到其他的附图。
图1是现有技术的一种沟槽型MOS晶体管的一个实施例的剖面结构示意图；
图2是本发明提供的一种半导体功率器件的第一个实施例的剖面结构示意图；
图3是本发明提供的一种半导体功率器件的第二个实施例的剖面结构示意图；
图4是本发明提供的一种半导体功率器件的第三个实施例的剖面结构示意图；
图5是本发明提供的一种半导体功率器件的第四个实施例的俯视结构示意图；
图6是本发明提供的一种半导体功率器件的输出电流曲线示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下将结合本发明实施例中的附图，通过具体方式，完整地描述本发明的技术方案。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下获得的所有其他实施例，均落入本发明的保护范围之内。
应当理解，本发明所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”等术语并不配出一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。同时，为清楚地说明本发明的具体实施方式，说明书附图中所列示意图，放大了本发明所述的层和区域的厚度，且所列图形大小并不代表实际尺寸；说明书附图是示意性的，不应限定本发明的范围。说明书中所列实施例不应仅限于说明书附图中所示区域的特定形状，而是包括所得到的形状如制备引起的偏差等。
图2是本发明提供的一种半导体功率器件的第一个实施例的剖面结构示意图，为了方便展示和说明，图2中没有展示半导体功率器件芯片中的层间绝缘层结构和接触金属层结构。如图2所示，本发明实施列提供的一种半导体功率器件包括一个半导体衬底100；在半导体衬底100上形成的MOSFET区201，MOSFET区201应至少包括一个MOSFET单元(示例性的框出了一个MOSFET单元301)；以及位于该半导体衬底100中的至少一个集电极区10，集电极区10应位于该半导体衬底100的顶部，从而集电极区10可以方便的从半导体衬底100的顶部引出接集电极，这样可以兼容现有技术的半导体功率器件的制造工艺，便于集电极区10的制造。同时，集电极区10与MOSFET单元形成IGBT结构(示例性的框出了一个IGBT结构302)。本发明的一种半导体功率器件在开启时，在MOSFET单元中形成电子(或空穴)载流子电流，在IGBT结构中形成电子载流子和空穴载流子双载流子电流，从而本发明的一种半导体功率器件能够实现电子载流子和空穴载流子双载流子电流，这能够大幅提高半导体功率器件的输出电流密度。
为了方便展示，图2中仅示例性的示出了一个集电极区10结构。
可选的，从图2所示结构的俯视角度上，集电极区10可以环绕包围MOSFET区201，或者，集电极区10也可以位于MOSFET区201的一侧或者两侧，本发明实施例附图中不再具体展示该俯视结构。
为了提高集电极区10和MOSFET单元的源区23之间的耐压，可以适当拉大集电极区10和MOSFET区201之间的距离，或者可以在集电极区10和MOSFET区201之间加入分压结构，该分压结构可以是场板、场限环、或者是填充有多晶硅的沟槽结构，其中场板、场限环、或者填充有多晶硅的沟槽的具体数量依据产品具体要求来设定。这些分压结构是业内成熟的提高半导体功率器件耐压的常用结构，本发明实施例中不再详细描述和展示。
本发明的一种半导体功率器件中的MOSFET单元包括：位于半导体衬底100中的第一导电类型的漏区20，漏区20从半导体衬底100的底部引出接漏极；位于半导体衬底100中的第一导电类型的源区23和第二导电类型的体区22，源区23和体区22从半导体衬底100的顶部引出接源极；位于半导体衬底100中的介于漏区20和体区22之间的第一导电类型的漂移区21；位于体区22内且介于源区23和漂移区21之间的电流沟道，以及控制所述电流沟道开启和关断的栅极结构，所述栅极结构位于半导体衬底100中或者位于半导体衬底100之上。
电流沟道是半导体功率器件中当对栅极结构施加栅极电压时在半导体表面形成的积累层及反型层，在本发明实施列附图中，半导体功率器件中的电流沟道结构未被示出。
本发明的半导体功率器件中的栅极结构可以为平面型栅极结构，也可以为沟槽型栅极结构，当栅极结构为平面型栅极结构时，栅极结构位于半导体衬底100之上，当栅极结构为沟槽型栅极结构时，栅极结构位于半导体衬底100中。在图2所示的本发明的一种半导体功率器件的实施例中，栅极结构采用沟槽型栅极结构：在半导体衬底100内设有凹陷在半导体衬底内的栅极沟槽，栅极结构设于该栅极沟槽中，其中栅极结构包括栅介质层24和控制栅极25，控制栅极25通过外接栅极电压来控制介于源区23和漂移区21之间的电流沟道的开启和关断。
集电极区10应具有第二导电类型，从而集电极区10、漂移区21、体区22和源区23之间形成p-n-p-n结构，从而该p-n-p-n结构和栅极结构形成横向的IGBT结构。
本发明实施列中所述的第一导电类型为n型，第二导电类型为p型；也可以是第一导电类型为p型，第二导电类型为n型。
图3是本发明提供的一种半导体功率器件的第二个实施例的剖面结构示意图，该实施例中具体展示了图2所示的一种半导体功率器件中的层间绝缘层结构和接触金属层结构。如图3所示，本发明的一种半导体功率器件的集电极区10通过集电极接触金属层42从半导体衬底100的顶部引出接集电极；源区23和体区22通过源极接触金属层41从半导体衬底100的顶部引出接源极，漏区20通过漏极接触金属层43从半导体衬底100的底部引出接漏极。层间绝缘层40用于将各接触金属层之间隔离，层间绝缘层40通常为硅玻璃、硼磷硅玻璃或磷硅玻璃等材料。
图3所示的本发明的一种半导体功率器件的实施例中，在体区22和集电极区10内分别形成有一个接触凹槽，使得接触金属层形成在所述接触凹槽中，用以降低接触电阻。可选的，也可以在集电极区10内和体区22内分别形成有一个高掺杂浓度的接触区用以降低接触电阻，在本发明实施例附图中不再具体展示该接触结构。
本发明的一种半导体功率器件，可以将集电极和漏极电性连接，即将集电极接触金属层42与漏极接触金属层43通过外部连线的方式实现电学上的短接，包括将半导体功率器件设计为由源极、漏极、栅极、集电极构成的四端器件，然后将集电极和漏极在外部电路上实现电学上的短接；或者，将集电极接触金属层42与漏极接触金属层43通过外部连线实现电学上的短接后再进行封装，从而将本发明的半导体功率器件设计为由源极、漏极、栅极构成的三端器件。
本发明的一种半导体功率器件在开启时，在MOSFET单元中形成电子载流子电流101(以N沟道半导体功率器件为例)，在IGBT结构中形成空穴载流子和电子载流子电流102，从而本发明的半导体功率器件能够实现电子载流子和空穴载流子双载流子导电，进而能够提高半导体功率器件的输出电流密度
图4是本发明提供的一种半导体功率器件的第三个实施例的剖面结构示意图，图4所示的本发明的一种半导体功率器件是在图2所示的一种半导体功率器件的基础上，MOSFET单元采用分栅结构的栅极结构的一个实施例。如图4所示，本发明实施列提供的一种半导体功率器件中的形成在栅极沟槽内的栅极结构包括栅介质层34、控制栅极35、绝缘介质层36和屏蔽栅极37。
控制栅极35设于栅极沟槽的上部两侧，屏蔽栅极37由绝缘介质层36与控制栅极35和漂移区21隔离。
控制栅极35通过外接栅极电压来控制位于体区22内且介于源区23和漂移区21之间的电流沟道的开启和关断。
屏蔽栅极37可以与源区23电性连接并接源极电压，从而屏蔽栅极37通过源极电压在漂移区21内形成横向电场，起到降低导通电阻和提高耐压的作用。
图5是本发明提供的一种半导体功率器件的第四个实施例的俯视结构示意图，该实施例附图中示例性的示出了本发明的一种半导体功率器件中的集电极区和MOSFET区之间的分压结构，图5中仅示例性的示出了三个填充有多晶硅的分压沟槽602，分压沟槽602位于栅极沟槽601和集电极区(图5中未示出)之间，集电极区通过集电极接触金属层702接集电极，源极接触金属层701将源区(图5中未示出)和体区(图5中未示出)引出接源极。本发明的一种半导体功率器件中的分压结构还可以是场板或场限环，本发明实施例中不再具体展示。需要说明的是，栅极沟槽601和分压沟槽602作为同样的沟槽结构，可以在同一步制备工艺中形成，图5以相同的填充方式表示了栅极沟槽601和分压沟槽602；同样的，图5以相同的填充方式表示了源极接触金属层701和集电极接触金属层702，这里不再赘述。
图6是本发明提供的一种半导体功率器件的输出电流曲线示意图。如图6所示，将本发明的半导体功率器件的集电极与漏极通过外部连线的方式实现电学上的短接，从而使得集电极和漏极同时接漏极电压，当漏极电压在0.9V左右时，IGBT结构开始工作并往半导体功率器件内部注入空穴，使得半导体功率器件底部的漏极电流明显增大。
以上具体实施方式及实施例是对本发明提出的一种半导体功率器件技术思想的具体支持，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在本技术方案基础上所做的任何等同变化或等效的改动，均仍属于本发明技术方案保护的范围。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。
Claims (10)
1.一种半导体功率器件，其特征在于，包括：
半导体衬底；
在所述半导体衬底上形成的MOSFET区，所述MOSFET区包括至少一个MOSFET单元；
位于所述半导体衬底中的至少一个集电极区，所述集电极区从所述半导体衬底的顶部引出接集电极；
所述集电极区与所述MOSFET单元形成绝缘栅场效应晶体管结构。
2.如权利要求1所述的一种半导体功率器件，其特征在于，所述集电极区环绕包围所述MOSFET区，或者所述集电极区位于所述MOSFET区的一侧或者两侧。
3.如权利要求1所述的一种半导体功率器件，其特征在于，所述MOSFET单元包括：
位于所述半导体衬底中的第一导电类型的漏区，所述漏区从所述半导体衬底的底部引出接漏极；
位于所述半导体衬底中的第一导电类型的源区和第二导电类型的体区，所述源区和所述体区从所述半导体衬底的顶部引出接源极；
位于所述半导体衬底中的介于所述漏区和所述体区之间的第一导电类型的漂移区；
位于所述体区内且介于所述源区和所述漂移区之间的电流沟道；
以及控制所述电流沟道开启和关断的栅极结构。
4.如权利要求3所述的一种半导体功率器件，其特征在于，所述集电极区具有第二导电类型，所述集电极区、所述漂移区、所述体区与所述源区之间形成p-n-p-n结构。
5.如权利要求3所述的一种半导体功率器件，其特征在于，所述集电极与所述漏极电性连接。
6.如权利要求3所述的一种半导体功率器件，其特征在于，所述半导体衬底内设有栅极沟槽，所述栅极结构设于所述栅极沟槽中，所述栅极结构包括栅介质层和控制栅极。
7.如权利要求6所述的一种半导体功率器件，其特征在于，所述栅极结构还包括绝缘介质层和屏蔽栅极。
8.如权利要求7所述的一种半导体功率器件，其特征在于，所述控制栅极设于所述栅极沟槽的上部两侧，所述屏蔽栅极由所述绝缘介质层与所述控制栅极和所述漂移区隔离。
9.如权利要求1所述的一种半导体功率器件，其特征在于，所述集电极区和所述MOSFET区之间设有分压结构。
10.如权利要求9所述的一种半导体功率器件，其特征在于，所述分压结构为场板或者为场限环或者为填充有多晶硅的沟槽结构。
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