本公開涉及半導(dǎo)體，尤其涉及一種半導(dǎo)體器件及其制備方法。
背景技術(shù)：
1、絕緣柵雙極型晶體管（igbt）作為一種兼具mosfet高輸入阻抗和雙極型晶體管低導(dǎo)通壓降優(yōu)點(diǎn)的復(fù)合功率半導(dǎo)體器件，被廣泛應(yīng)用于電力電子系統(tǒng)中，如新能源發(fā)電變流器、電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)模塊、工業(yè)電機(jī)控制器等領(lǐng)域。隨著電力系統(tǒng)對(duì)高效率、高功率密度的需求不斷提升，igbt器件的性能優(yōu)化已成為行業(yè)研究熱點(diǎn)。
2、傳統(tǒng)平面柵結(jié)構(gòu)的igbt通過橫向布局柵極區(qū)形成導(dǎo)電溝道，但由于表面溝道的遷移率限制及柵極區(qū)下方電流路徑的迂回性，其導(dǎo)通電阻與阻斷電壓之間存在顯著折衷關(guān)系。此外，關(guān)斷過程中集電區(qū)-發(fā)射區(qū)間形成的尾電流會(huì)導(dǎo)致較高的關(guān)斷損耗，制約了開關(guān)頻率的提升。
3、為突破上述瓶頸，業(yè)界提出了溝槽柵結(jié)構(gòu)，通過縱向刻蝕溝槽替代平面柵極區(qū)，使得溝道垂直于芯片表面分布。這種垂直導(dǎo)電模式可縮短載流子路徑，降低導(dǎo)通阻抗，同時(shí)提升元胞密度。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、本公開的實(shí)施例提供一種半導(dǎo)體器件及其制備方法，旨在解決溝槽型半導(dǎo)體器件的可靠性問題。
2、為達(dá)到上述目的，本公開的實(shí)施例采用如下技術(shù)方案：
3、一方面，提供一種半導(dǎo)體器件，包括集電區(qū)、漂移區(qū)、發(fā)射區(qū)、柵介質(zhì)層、柵極區(qū)以及第一屏蔽部。漂移區(qū)設(shè)于所述集電區(qū)之上，所述漂移區(qū)遠(yuǎn)離所述集電區(qū)的表面設(shè)有第一凹槽。發(fā)射區(qū)設(shè)于所述漂移區(qū)遠(yuǎn)離所述集電區(qū)的一側(cè)。柵介質(zhì)層設(shè)于所述第一凹槽的底面和側(cè)壁面。柵極區(qū)設(shè)于所述第一凹槽內(nèi)，且被所述柵介質(zhì)層包覆。第一屏蔽部設(shè)于所述第一凹槽的底部，且與所述柵介質(zhì)層接觸。其中，所述漂移區(qū)包括層疊設(shè)置的第一子漂移區(qū)及第二子漂移區(qū)，所述第二子漂移區(qū)位于所述第一子漂移區(qū)遠(yuǎn)離所述集電區(qū)的一側(cè)，且所述第一子漂移區(qū)和所述第二子漂移區(qū)的摻雜類型不同。所述第一屏蔽部與所述第二子漂移區(qū)接觸。
4、若半導(dǎo)體器件工作于耐壓狀態(tài)，柵極區(qū)溝道關(guān)閉，集電區(qū)與發(fā)射區(qū)之間承受阻斷電壓時(shí)，第一屏蔽部可以減少柵介質(zhì)層承受的電場，從而保護(hù)柵介質(zhì)層。此外，第二子漂移區(qū)和第一子漂移區(qū)形成的pn結(jié)處于反偏狀態(tài)，承擔(dān)部分電場，能夠進(jìn)一步降低柵介質(zhì)層承受的電場，使電場分布更均勻，有利于提高半導(dǎo)體器件的擊穿電壓，從而提高半導(dǎo)體器件的預(yù)期壽命和可靠性。電場分布的改善也能夠令溫度分布更均勻，避免半導(dǎo)體器件局部過熱，進(jìn)一步提升半導(dǎo)體器件的預(yù)期壽命和可靠性。
5、在一些可行的實(shí)施例中，半導(dǎo)體器件還包括第二凹槽、發(fā)射區(qū)介質(zhì)層、發(fā)射區(qū)導(dǎo)體以及第二屏蔽部。第二凹槽設(shè)于所述漂移區(qū)遠(yuǎn)離所述集電區(qū)的表面，所述第二凹槽和所述第一凹槽分別位于所述發(fā)射區(qū)的兩側(cè)。發(fā)射區(qū)介質(zhì)層設(shè)于所述第二凹槽的底面和側(cè)壁面。發(fā)射區(qū)導(dǎo)體設(shè)于所述第二凹槽內(nèi)，且被所述發(fā)射區(qū)介質(zhì)層包覆。第二屏蔽部設(shè)于所述第二凹槽的底部，且與所述發(fā)射區(qū)介質(zhì)層接觸。所述第二屏蔽部還與所述第二子漂移區(qū)接觸。
6、若半導(dǎo)體器件工作于耐壓狀態(tài)，柵極區(qū)溝道關(guān)閉，集電區(qū)與發(fā)射區(qū)之間承受阻斷電壓時(shí)，第二屏蔽部可以減少發(fā)射區(qū)介質(zhì)層承受的電場，從而保護(hù)發(fā)射區(qū)介質(zhì)層。此外，第二子漂移區(qū)和第一子漂移區(qū)形成的pn結(jié)處于反偏狀態(tài)，承擔(dān)部分電場，能夠進(jìn)一步降低發(fā)射區(qū)介質(zhì)層承受的電場，使電場分布更均勻，有利于提高半導(dǎo)體器件的擊穿電壓，從而提高半導(dǎo)體器件的預(yù)期壽命和可靠性。
7、在一些可行的實(shí)施例中，所述第一屏蔽部與所述第二子漂移區(qū)摻雜類型相同，且所述第一屏蔽部的摻雜濃度大于所述第二子漂移區(qū)的摻雜濃度。
8、在一些可行的實(shí)施例中，半導(dǎo)體器件還包括載流子存儲(chǔ)層。載流子存儲(chǔ)層位于所述發(fā)射區(qū)和所述第二子漂移區(qū)之間，且位于所述第一凹槽和所述第二凹槽之間，所述載流子存儲(chǔ)層分別與所述柵介質(zhì)層及所述發(fā)射區(qū)介質(zhì)層接觸。所述載流子存儲(chǔ)層和所述第二子漂移區(qū)的摻雜類型不同。
9、若半導(dǎo)體器件處于導(dǎo)通狀態(tài)，從集電區(qū)注入的空穴在漂移區(qū)擴(kuò)散時(shí)被載流子存儲(chǔ)層部分阻擋，形成局部空穴積累，顯著增加漂移區(qū)的載流子濃度，從而降低半導(dǎo)體器件的導(dǎo)通電阻。
10、在一些可行的實(shí)施例中，沿第一方向，所述第一屏蔽部與所述第二屏蔽部互不接觸。所述第一方向?yàn)樗龅谝话疾酆退龅诙疾鄣呐帕蟹较颉?/p>
11、在一些可行的實(shí)施例中，所述第一屏蔽部包括載流子存儲(chǔ)層，所述載流子存儲(chǔ)層由所述第一凹槽的底部延伸至所述第二屏蔽部，且與所述第二屏蔽部接觸。所述載流子存儲(chǔ)層和所述第二子漂移區(qū)的摻雜類型不同。
12、用載流子存儲(chǔ)層作為第一屏蔽部，一方面不用考慮第一屏蔽部和第二屏蔽部之間的間隔，可以減小半導(dǎo)體器件的元胞寬度。另一方面在半導(dǎo)體器件的開啟過程中，柵極區(qū)的底部不容易聚集空穴，有效避免柵極區(qū)的負(fù)電容現(xiàn)象，提高半導(dǎo)體器件的柵極區(qū)控制能力。
13、作為第一屏蔽部的載流子存儲(chǔ)層將柵介質(zhì)層和柵極區(qū)包圍，在半導(dǎo)體器件的開啟過程中，由于第一屏蔽部的阻擋，由發(fā)射區(qū)注入的空穴不易在柵介質(zhì)層周圍聚集，可以減少空穴注入對(duì)半導(dǎo)體器件在開啟過程中柵極區(qū)電流的影響，提高半導(dǎo)體器件的柵極區(qū)控制能力。
14、在一些可行的實(shí)施例中，所述載流子存儲(chǔ)層還與所述發(fā)射區(qū)介質(zhì)層接觸。
15、在一些可行的實(shí)施例中，所述第二屏蔽部與所述第二子漂移區(qū)摻雜類型相同，且所述第二屏蔽部的摻雜濃度大于所述第二子漂移區(qū)的摻雜濃度。
16、在一些可行的實(shí)施例中，所述柵介質(zhì)層的底部延伸至所述第一屏蔽部內(nèi)，且所述第一屏蔽部與所述柵介質(zhì)層的部分側(cè)面接觸；和/或，所述發(fā)射區(qū)介質(zhì)層的底部延伸至所述第二屏蔽部內(nèi)，且所述第二屏蔽部與所述發(fā)射區(qū)介質(zhì)層的部分側(cè)面接觸。
17、在一些可行的實(shí)施例中，所述柵極區(qū)在所述第二子漂移區(qū)厚度方向上的尺寸，小于所述發(fā)射區(qū)導(dǎo)體在所述第二子漂移區(qū)厚度方向上的尺寸；或者，所述柵極區(qū)在所述第二子漂移區(qū)厚度方向上的尺寸，等于所述發(fā)射區(qū)導(dǎo)體在所述第二子漂移區(qū)厚度方向上的尺寸。
18、柵極區(qū)在第二子漂移區(qū)厚度方向上的尺寸小于發(fā)射區(qū)導(dǎo)體在第二子漂移區(qū)厚度方向上的尺寸，且第一凹槽底部的第一屏蔽部采用載流子存儲(chǔ)層。在半導(dǎo)體器件的開啟過程中，集電區(qū)注入的空穴會(huì)流向電勢(shì)更低的區(qū)域，對(duì)于空穴來說，包括載流子存儲(chǔ)層的第一屏蔽部存在一定的勢(shì)壘高度，第二屏蔽部不存在勢(shì)壘，因此空穴更易向第二屏蔽部聚集，不易穿過具有一定勢(shì)壘且距離更遠(yuǎn)的第一屏蔽部，減少了空穴對(duì)柵極區(qū)電容的影響，提高半導(dǎo)體器件的柵極控制能力。
19、在一些可行的實(shí)施例中，半導(dǎo)體器件還包括第一阱區(qū)，所述第一阱區(qū)位于所述發(fā)射區(qū)和所述載流子存儲(chǔ)層之間，且位于所述第一凹槽和所述第二凹槽之間。所述第一阱區(qū)分別與所述柵介質(zhì)層及所述發(fā)射區(qū)介質(zhì)層接觸。
20、若半導(dǎo)體器件工作于耐壓狀態(tài)，柵極區(qū)溝道關(guān)閉，集電區(qū)與發(fā)射區(qū)之間承受阻斷電壓時(shí)，第一屏蔽部和/或第二屏蔽部可以輔助載流子存儲(chǔ)層的耗盡，以減少第一阱區(qū)和載流子存儲(chǔ)層之間的電場，從而減少柵介質(zhì)層和/或發(fā)射區(qū)介質(zhì)層承受的電場，有利于提高半導(dǎo)體器件的擊穿電壓，從而提高半導(dǎo)體器件的預(yù)期壽命和可靠性。
21、若半導(dǎo)體器件工作于正向?qū)顟B(tài)，柵極區(qū)溝道開啟，集電區(qū)與發(fā)射區(qū)之間施加正電壓時(shí)，由于溝道開啟，第一阱區(qū)表面形成電子反型層，第二子發(fā)射區(qū)通過第一阱區(qū)表面的電子反型層與載流子存儲(chǔ)層連接。p型集電區(qū)、n型緩沖層及n型第一子漂移區(qū)、p型第二子漂移區(qū)、以及n型載流子存儲(chǔ)層構(gòu)成pnpn晶閘管，該pnpn晶閘管隨著集電區(qū)電流的增加而逐漸開啟。若該pnpn晶閘管完全開啟后，第一子漂移區(qū)、第二子漂移區(qū)以及第二阱區(qū)中包括大量的自由載流子，則阱區(qū)和載流子存儲(chǔ)層形成的pn結(jié)為反偏狀態(tài)。
22、若半導(dǎo)體器件由導(dǎo)通狀態(tài)向耐壓狀態(tài)切換即關(guān)斷時(shí)，柵極區(qū)溝道由開啟變?yōu)殛P(guān)閉，集電區(qū)和發(fā)射區(qū)之間電壓逐漸增加。由于溝道逐漸關(guān)斷，半導(dǎo)體器件的耗盡區(qū)逐漸擴(kuò)展，耗盡區(qū)由第一阱區(qū)和載流子存儲(chǔ)層構(gòu)成的pn結(jié)逐漸向第二子漂移區(qū)擴(kuò)展，第二子漂移區(qū)的存在使得此處電場很小，可以在較低的電壓下將第二子漂移區(qū)中的空穴抽取，加快關(guān)斷時(shí)空穴抽取，提高關(guān)斷速度，從而降低半導(dǎo)體器件的關(guān)斷損耗，提升半導(dǎo)體器件可靠性。
23、此外，在制備第一阱區(qū)和載流子存儲(chǔ)層時(shí)，二者能夠采用同一張掩膜（例如光刻板），有利于節(jié)省工藝步驟，降低生產(chǎn)成本。
24、在一些可行的實(shí)施例中，半導(dǎo)體器件還包括第二阱區(qū)。第二阱區(qū)設(shè)于所述第二子漂移區(qū)遠(yuǎn)離所述集電區(qū)的一側(cè)，且與所述第一阱區(qū)分別位于所述第二凹槽的兩側(cè)。
25、在一些可行的實(shí)施例中，所述發(fā)射區(qū)包括第一子發(fā)射區(qū)及第二子發(fā)射區(qū)，所述第一子發(fā)射區(qū)和所述第二子發(fā)射區(qū)沿第一方向排布，所述第一方向?yàn)樗龅谝话疾酆退龅诙疾鄣呐挪挤较?；所述第一子發(fā)射區(qū)和所述第二子發(fā)射區(qū)的摻雜類型不同。
26、在一些可行的實(shí)施例中，半導(dǎo)體器件還包括第一金屬層、第二金屬層以及隔離介質(zhì)層。第一金屬層位于所述集電區(qū)遠(yuǎn)離所述漂移區(qū)的一側(cè)。第二金屬層位于所述漂移區(qū)遠(yuǎn)離所述集電區(qū)的一側(cè)，且分別與所述發(fā)射區(qū)以及所述發(fā)射區(qū)導(dǎo)體歐姆接觸。所述隔離介質(zhì)層位于所述第二金屬層和第二阱區(qū)之間，且，位于所述第二金屬層與所述柵極區(qū)之間。
27、另一方面，提供一種半導(dǎo)體器件的制備方法，包括：依次形成層疊設(shè)置的集電區(qū)、第一子漂移區(qū)及第二子漂移區(qū)，所述第一子漂移區(qū)和所述第二子漂移區(qū)的摻雜類型不同：在所述第二子漂移區(qū)遠(yuǎn)離所述集電區(qū)的一側(cè)形成發(fā)射區(qū)；刻蝕所述第二子漂移區(qū)以形成第一凹槽；在所述第一凹槽的底部形成第一屏蔽部；在所述第一凹槽的底面和側(cè)壁面形成柵介質(zhì)層，并在所述第一凹槽內(nèi)形成柵極區(qū)；所述柵介質(zhì)層包裹所述柵極區(qū)。
28、可以理解地，本公開的上述實(shí)施例提供的半導(dǎo)體器件的制備方法，其所能達(dá)到的有益效果可參考上文中半導(dǎo)體器件的有益效果，此處不再贅述。