阅读说明：本技术 改进的场阻止晶闸管结构及其制造方法 (Improved field prevents thyristor structure and its manufacturing method ) 是由 沈明德 张环 李栋良 周继峰 于 2017-04-24 设计创作，主要内容包括：功率切换设备可包括：半导体衬底和包含n型掺杂物的主体区域,该主体区域设置在半导体衬底的内部部分中；邻近半导体衬底的第一表面设置的第一基础层,该第一基础层包含p型掺杂物；邻近半导体衬底的第二表面设置的第二基础层,该第二基础层包含p型掺杂物；邻近半导体衬底的第一表面设置的第一发射极区域,该第一发射极区域包含n型掺杂物；邻近半导体衬底的第二表面设置的第二发射极区域,该第二发射极区域包含n型掺杂物；布置在第一基础层和主体区域之间的第一场阻止层,该第一场阻止层包含n型掺杂物；以及布置在第二基础层和主体区域之间的第二场阻止层,该第二场阻止层包含n型掺杂物。(Power switching device can include: semiconductor substrate and the body region comprising n-type dopant, the body region are arranged in the interior section of semiconductor substrate；The first foundation layer that the first surface of neighbouring semiconductor substrate is arranged, the first foundation layer include p-type dopant；The second basal layer that the second surface of neighbouring semiconductor substrate is arranged, second basal layer include p-type dopant；The first emitter region that the first surface of neighbouring semiconductor substrate is arranged, first emitter region include n-type dopant；The second emitter region that the second surface of neighbouring semiconductor substrate is arranged, second emitter region include n-type dopant；The first field stop layer being arranged between first foundation layer and body region, first field stop layer include n-type dopant；And it is arranged in the second field stop layer between the second basal layer and body region, which includes n-type dopant.)

改进的场阻止晶闸管结构及其制造方法

背景技术

技术领域

实施方案涉及功率切换设备领域，并且更具体地涉及用于功率切换和控制应用的半导体设备。

相关领域的讨论

半导体设备广泛用于电力控制，范围从调光器电机速度控制到高电压直流电力传输。晶闸管是一种基于以电串联布置并通常形成在诸如硅之类的单晶衬底内的四个不同半导体层的设备。具体地，晶闸管包括布置在阳极和阴极之间的四个交替的N型和P型材料层。对于可能需要数千伏的阻断电压的高电压应用，晶闸管在相对较厚的衬底中被制造以适应整个衬底上的电场。在晶闸管设备中，较厚的晶片还需要较高的导通状态电压以及较大的功率消耗和更长的导通时间。

本公开提供了有关这些和其他问题的论述。

发明内容

在一个实施方案中，功率切换设备可包括半导体衬底和包含n型掺杂物的主体区域，该主体区域设置在半导体衬底的内部部分中。功率切换设备还可包括：邻近半导体衬底的第一表面设置的第一基础层，该第一基础层包含p型掺杂物；以及邻近半导体衬底的第二表面设置的第二基础层，该第二基础层包含p型掺杂物。功率切换设备还可包括：邻近半导体衬底的第一表面设置的第一发射极区域，该第一发射极区域包含n型掺杂物；以及邻近半导体衬底的第二表面设置的第二发射极区域，该第二发射极区域包含n型掺杂物。功率切换设备还可包括：布置在第一基础层和主体区域之间的第一场阻止层，该第一场阻止层包含n型掺杂物；以及布置在第二基础层和主体区域之间的第二场阻止层，该第二场阻止层包含n型掺杂物。

在另一实施方案中，形成功率切换设备的方法可包括提供半导体衬底，该半导体衬底包含具有第一浓度的n型掺杂物。该方法还可包括：形成从半导体衬底的第一表面延伸的第一场阻止层，以及形成从半导体衬底的与第一表面相对的第二表面延伸的第二场阻止层，其中第一场阻止层和第二场阻止层包括具有第二浓度的n型掺杂物，其中第二浓度大于第一浓度。该方法还可包括：在第一场阻止层的一部分内形成第一基础层，以及在第二场阻止层的一部分内形成第二基础层，其中第一基础层和第二基础层包含p型掺杂物。该方法还可包括：在第一基础层的一部分内形成第一发射极区域，以及在第二基础层的一部分内形成第二发射极区域，其中第一发射极区域和第二发射极区域包含具有第三浓度的n型掺杂物，第三浓度大于第二浓度。

附图说明

图1A呈现了根据本公开的各种实施方案的功率切换设备的侧面剖视图；

图1B呈现了符合图1A的实施方案的电场图；

图2A呈现了根据本公开的实施方案的功率切换设备的掺杂物分布和电场分布；

图2B呈现了与图2A的电场分布对应的电压分布；

图3A至图3E呈现了根据本公开的进一步的实施方案的形成功率切换设备的各种阶段的侧面剖视图；

图4A呈现了根据本公开的其他实施方案的功率切换设备的侧面剖视图；

图4B呈现了符合图4A的实施方案的电场图；

图5A呈现了根据本公开的实施方案的功率切换设备的掺杂物分布和电场分布；并且

图5B呈现了与图5A的电场分布对应的电压分布。

具体实施方式

现在将在下文中参考附图更完整地描述本发明的实施方案，其中示出了各种实施方案。这些实施方案可以许多不同形式体现并且不应理解为限于本文提出的实施方案。提供这些实施方案是为了使得本公开将是彻底和完整的，并且将向本领域的技术人员充分传达实施方案的范围。在整个附图中，类似的数字是指类似的元件。

在以下具体实施方式和/或权利要求书中，术语“在......上”，“上覆”，“设置在......上”和“在......之上”可用于以下具体实施方式和权利要求中。“在......上”、“上覆”、“设置在......上”和“在......之上”可用于指示两个或更多个元件彼此直接物理接触的情况。术语“在......上”、“上覆”、“设置在......上”和“在......之上”还可表示两个或更多个元件彼此不直接接触的情况。例如，“在......之上”可表示一个元件在另一个元件之上且彼此不接触，并且可在这两个元件之间具有另一个元件或多个元件。此外，术语“和/或”可指“和”，可指“或”，可指“排他性的或”，可指“一个”，可指“一些，而非全部”，可指“都不是”，以及/或者可指“二者”。在此方面，受权利要求书保护的主题的范围不受限制。

本发明的实施方案整体涉及功率切换设备，并且具体地涉及晶闸管型设备。晶闸管型设备的示例包括SCR、TRIAC。对于高电压应用，本发明的实施方案提供了改进的构造，其中与常规晶闸管相比，可在相对较薄的衬底中容纳更高的电压。

图1A给出了根据本公开的各种实施方案的功率切换设备100的侧面剖视图。功率切换设备100形成在半导体衬底102(诸如硅衬底)中。功率切换设备100可包括含有n型掺杂物的主体区域104，其中主体区域104设置在半导体衬底102的内部部分中。主体区域104可通过根据任何方便的已知方法掺杂单晶衬底而形成。不受限制地，主体区域104在各种实施方案中具有小于2.0×10¹⁴cm^-3的掺杂物浓度。

如图1A所示，功率切换设备100还可包括邻近半导体衬底102的第一表面130设置的第一基础层106和邻近半导体衬底102的第二表面132设置的第二基础层108。第一基础层106和第二基础层108可包含p型掺杂物。不受限制地，第一基础层106和第二基础层108可包含1.0×10¹⁶cm^-3到1.0×10¹⁸cm^-3的掺杂物浓度。

功率切换设备100还可包括邻近半导体衬底102的第一表面130设置的第一发射极区域110和邻近半导体衬底102的第二表面132设置的第二发射极区域112。第一发射极区域110和第二发射极区域112可包含n型掺杂物。不受限制地，第一发射极区域110和第二发射极区域112可包含介于1.0×10¹⁸cm^-3到1.0×10²⁰cm^-3之间的掺杂物浓度。

功率切换设备100还可包括设置在第一基础区域106上的栅极接触部120、设置在第一发射极区域110上并与栅极接触部120电隔离的第一端子接触部122(示出为MT1)。功率切换设备100还可包括设置在第二发射极区域112上的第二端子接触部124(示出为MT2)。

这样，根据已知的原理，功率切换设备100可用作晶闸管。为了支持高电压操作，衬底102的厚度可被设计用以适应伴随高阻断电压的高电场。有利的是，功率切换设备100还包括布置在第一基础层106和主体区域104之间的第一场阻止层114以及布置在第二基础层108和主体区域104之间的第二场阻止层116。第一场阻止层114和第二场阻止层116可包含n型掺杂物；其中第一场阻止层114和第二场阻止层116具有1.0×10¹³cm^-3到1.0×10¹⁷cm^-3的掺杂物浓度。在这种情况下，这些实施方案不受限制。

通过提供第一场阻止层114和第二场阻止层116，相比于已知的高电压晶闸管，功率切换设备100可支持相对较高的阻断电压，同时被构造成具有相对较小的厚度。功率切换设备100所提供的优点可参考图1B更好地理解，其呈现了符合图1A的实施方案的粗略电场图。如图1B中所示，当在功率切换设备100上施加电压时，曲线140所示的电场可在第一表面130和界面136之间形成，该界面表示在第二基础层108和第二场阻止层116之间形成的P/N结。电场的大小在第一场阻止层114和第一基础层106之间定义的P/N结处达到峰值。由于第一场阻止层114可具有比主体区域104更高的掺杂物浓度，因此电场的大小可在第一场阻止层114的厚度上随深度(沿垂直于第一表面130的Y方向)相对快速地减小。然后电场在主体区域104上逐渐变化，随后再在第二场阻止层116上更快速地变化。因此，与没有第一场阻止层114和第二场阻止层116的已知晶闸管相比，整个衬底102上的电场分布得到更好地优化以支持更高的电压。为了进行比较，曲线142表示当不存在场阻止层时参考晶闸管的电场分布。具体地，设备的阻断电压可被定义为衬底上的电场分布下的面积，如由曲线140或由曲线142所定义的面积示意性地表示的。通过使用场阻止层，主体区域104上的电场的变化可更为平缓，从而导致针对曲线140的电场分布的面积相比于曲线142更大，并且由额外面积144示出。因此，对于相同的衬底厚度，曲线140下的总面积比曲线142下的面积大得多，这意味着使用本发明实施方案的场阻止设计，阻断电压大得多。换句话讲，在不具有本发明实施方案的场阻止层的情况下，为了产生电场分布曲线下相同的面积，并因此实现类似的阻断电压，衬底厚度将需要更大。

图2A呈现了根据本公开的实施方案的功率切换设备200的掺杂物分布和电场分布，而图2B给出了与图2A的电场分布对应的电压分布。具体地，在图2A中，示出了曲线202，其表示在240微米厚的衬底中作为深度函数的净掺杂物浓度。曲线202是基于邻近衬底的相对表面形成基础区域的模拟，该衬底具有与上述第一场阻止层114和第二场阻止层116对应的隐埋场阻止区域。如图所示，相对掺杂物浓度在主体区域104中最低。如表示与在功率切换设备200上施加的电压相关联的电场的曲线204进一步示出的，电场的大小在与第一场阻止层114相邻的P/N结处达到峰值2×10⁵V/cm。电场的大小在第一场阻止层114上快速降至1.4×10⁵V/cm，随后在主体区域104上逐渐降至值8×10⁴V/cm。随后电场在第二场阻止层116上降至零。

现转向图2B，图2B示出了由曲线204表示的相应的电压行为。在该示例中，在功率切换设备200的左侧保持-1900V的电压。电压的大小在衬底的N型掺杂区(包括第一场阻止层114、主体区域104和第二场阻止层116)上减小，在定义于第二场阻止层116的右边的P/N结附近达到零。

值得注意的是，还进行了在衬底上施加与曲线202类似的掺杂物分布情况下的电场和电压模拟，不同的是未提供场阻止层。此类模拟是不含场阻止层的已知晶闸管的特性。结果表明，对于在衬底上的类似的1900V电压降，需要约280微米至290微米的衬底厚度以适当地适应电场和电压变化。

图3A到图3E呈现了根据本公开的进一步的实施方案的形成功率切换设备的各个阶段的侧面剖视图。在图3A中，提供了半导体衬底102。在各种实施方案中，半导体衬底102可为掺杂有n型掺杂物的单晶硅，半导体衬底102掺杂物浓度小于2.0×10¹⁴cm^-3。根据要制造的设备所设计的阻断电压，可调整半导体衬底102的厚度。

在图3B中，第一场阻止层114和第二场阻止层116形成在半导体衬底102的相对两侧上。如图所示，第一场阻止层114从第一表面130延伸，而第二场阻止层116从第二表面132延伸。在各种实施方案中，第一场阻止层114和第二场阻止层116可包含掺杂物浓度大于衬底102的掺杂物浓度的n型掺杂物。在一些实施方案中，掺杂物浓度可介于1.0×10¹³cm^-3到1.0×10¹⁷cm-³之间。可根据不同的方法来形成场阻止层。在一个示例中，用于形成第一场阻止层114和第二场阻止层116的掺杂可通过在相对两侧上注入半导体衬底102的表面区域来进行。例如，在一种方法中，可进行注入以在第一表面130和第二表面132的约几微米范围内注入n型掺杂物。该表面区域注入之后可在退火中进行高温驱动，该高温驱动将掺杂物驱动至相应表面下方的目标深度，诸如40微米。在另一种方法中，可执行高能注入工艺(诸如高达或大于1MeV的能量)以注入n型掺杂层并直接形成第一场阻止层114和第二场阻止层116，而无需在退火中的后续驱动。

重新参见图3A，在另选的实施方案中，外延N型掺杂层可在第一表面130和第二表面132上生长至设计厚度，以形成第一场阻止层114和第二场阻止层116。第一场阻止层114的第一厚度和第二场阻止层116的第二厚度可在10微米至20微米的范围内。

现转向图3C，其示出了在第一场阻止层114的一部分内形成第一基础层106，以及在第二场阻止层116的一部分中形成第二基础层108的进一步操作。在该操作中，第一基础层106和第二基础层108掺杂有p型掺杂物，其中第一基础层106和第二基础层108包含p型掺杂物。在一些实施方案中，第一基础层106和第二基础层108包含1.0×10¹⁶cm^-3到1.0×10¹⁸cm^-3的掺杂物浓度。如图3C所示，第一基础层106和第二基础层108从第一表面130和第二表面132延伸，以便分别形成在第一场阻止层114和第二场阻止层116的外部部分内。p型掺杂物的掺杂水平使得外部部分具有净p型掺杂物浓度，从而形成第一基础层106和第二基础层108。因此，在一些实施方案中，第一场阻止层114可设置在与第一表面130距离10微米和40微米之间的位置，并且第二场阻止层可设置在与第二表面132距离10微米和40微米之间的位置。

现转向图3D，其示出了在第一基础层106内形成第一发射极区域110并在第二基础层108内形成第二发射极区域112的后续操作，其中第一发射极区域110和第二发射极区域112包含n型掺杂物。在各种实施方案中，第一发射极区域110和第二发射极区域112可包含介于1.0×10¹⁸cm^-3到1.0×10²⁰cm^-3之间的掺杂物浓度。同样，掺杂物的净浓度使得形成第一发射极区域110和第二发射极区域112的区域具有过量的n型掺杂物，即使位于基础层中也是如此。

在图3E中，形成金属接触部以便形成用于充当栅极电极、第一端子电极(阳极)和第二端子电极(阴极)的接触部，以完成功率切换设备的形成。与已知的晶闸管设备相比，由此形成的功率切换设备可具有更薄的衬底、更低的导通状态电压降、更高的导通状态额定电流。此外，基础层可大幅度缩短并且允许载流子更快速地流过基础层，以便更快速地导通。对于具有隔离结构的晶闸管，使用较薄的衬底还降低了制造各个层所需的热预算。

现转向图4A，其示出了根据本公开的其他实施方案的功率切换设备400的侧面剖视图。图4B给出了符合图4A的实施方案的电场图。在图4A中，除了仅包括一个场阻止层，即第二场阻止层116之外，功率切换设备400可类似于功率切换设备100。如图4B所示，电场440示出了略微不同的分布。尽管电场大小在对应于P/N结的界面404处达到峰值，但电场大小通过第二场阻止层116后快速减小，如图所示。

图5A呈现了根据本公开的实施方案的功率切换设备400的掺杂物分布和电场分布，并且图5B给出了与图5A的电场分布对应的电压分布。在该示例中，该模拟与上文相对于图2A和图2B所述的大致相同，区别在于仅存在一个场阻止层。曲线410表示掺杂物分布，曲线412表示电场，并且曲线414表示衬底上的电压。在附图中，仅示出了在表面以下180微米的分布，而未示出基础区域。同样，电场的很大一部分在第二场阻止层116上出现下降。

虽然已参考某些实施方案公开了本发明的实施方案，但在不脱离如所附权利要求中所定义的本公开的实质和范围的情况下，对所述实施方案的许多修改、更改和改变是可能的。因此，本发明的实施方案可不限于所描述的实施方案，而具有由以下权利要求书的语言及其等同形式限定的全部范围。