CN100339959C - 具有改善的较小正向电压损耗的半导体器件以及制作方法 - Google Patents

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Abstract

揭示一种半导体器件。这半导体器件包括一个或多个电荷控制电极的多个电荷控制电极。这些一个或多个电荷控制电极可控制半导体器件漂移区内的电场。

Description

具有改善的较小正向电压损耗的半导体器件以及制作方法
技术领域
本发明一般涉及半导体技术，具体地说涉及半导体器件和它们的制作。
背景技术
在常规的垂直MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)器件中，总是要把器件的漏极到源极的电阻，即RDS(on)减到最小。RDS(on)是在MOSFET器件导通时正比于功耗的量，所以减小RDS(on)就是降低由该MOSFET器件所耗功率的量。RDS(on)可通过在器件的漂移区中提高质杂(即载流子)浓度来减小。但是，因为提高杂质浓度会降低器件的击穿电压，所以，提高杂质浓度并不是合于需要的。相反，在不希望有的也没有提高RDS(on)的情况下，不可减小在MOSFET的漂移区中的载流子浓度以提高击穿电压。
美国专利第5,216,275号描述了具有提高的击穿电压和改善的导通电阻性能。在本专利中描述的器件类型称之为“超结型”器件。每个所描述的超结型器件包括复合的缓冲层。这复合缓冲层具有电荷平衡的交替掺杂的P和N区。根据科学文献，超结型晶体管器件显示出比常规高压HOSFET器件低5-100倍的导通电阻率(ROn.sp)。
尽管这样的超结型晶体管器件显示出高击穿电压和低导通电阻，但是较难制作它们。为要超结型器件功能正常，必须在这复合缓冲层中交替的P和N掺杂区掺以相同数量的电荷材料来获得理想的电荷平衡。这在实际中是难以获得的。例如，参见Shenoy等人的“Analysis of the Effect Charge Imbalanceon the Static and Dynamic Characteristics of the Super Junction MOSFET”，Proc.Of the ISPSD‘99 pp.95-98，1999。另外，要精确平衡在超结型晶体管器件复合缓冲层中的掺杂是极度困难的。所以，在复合缓冲层中可获得的实际最大电场限止为约2×105v/cm。由超结型晶体管器件所获得的实际最大电场限止了它的击穿电压。
比起在上面所描述超结型器件，要提供一种在制作上较少困难，且具有较高击穿电压和较低导通电阻的改进半导体器件应是合乎需要的。
发明内容
本发明的诸实施例的目标在于半导体器件和用于制作半导体器件的方法。
本发明的一实施例的目标在于一种半导体器件，它包括：a)半导体基底；b)在该半导体基底中的第一导电型的第一区；c)在该半导体基底中的第二导电型的第二区；d)多个电荷控制电极，其中对在这多个电荷控制电极中的每个电荷控制电极适于施加不同于这多个电荷控制电极中其它电荷控制电极的偏压；以及e)设置在每个叠层的电荷控制电极周围的电介质材料。
本发明的另一实施例的目标在于一种场效应晶体管，它包括：a)具有主表面、漂移区，和漏极区的第一导电型的半导体基底；b)形成在该半导体基底中的第二导电型的阱区；c)形成在该阱区中的第一导电型的源极区；d)形成在源极区附近的栅极；e)埋入在漂移区内的多个叠层的电荷控制电极，其中对这多个叠层的电荷控制电极的每个电荷控制电极适于施加不同于在这多个电荷控制电极中的另一电荷控制电极的偏压，其中这多个叠层的电荷控制电极适于调节在半导体基底漂移区内电场的分布；以及f)设置在每个叠层的电荷控制电极周围的电介质材料。
本发明另一实施例的目标在于一种用于形成半导体器件的方法，该方法包括：a)提供具有第一导电型的第一区的半导体基底；b)在该半导体基底中形成第二导电型的一个区域；c)形成第一电荷控制电极；以及d)形成第二电荷控制电极，其中对第一电荷控制电极适于施加不同于第一电荷控制电极的偏压。
本发明另一实施例的目标在于一种场效应晶体管，该晶体管包括：a)具有主表面，漂移区，和漏极区的第一导电型的半导体基底；b)形成在该半导体基底中的第二导电型的阱区；c)形成在该阱区中的第一导电型的源极区；d)结合到源极区的源极接触层；e)在源极区附近形成的栅极；f)埋入在漂移区内的电荷控制电极，其中对该电荷控制电极适于施加不同于栅极或源极接触层的偏压，且适于控制在漂移区中的电场；以及g)设置在电荷控制电极周围的电介质材料。
本发明的另一实施例的目标在于一种用于形成场效应晶体管的方法，包括a)提供具有主表面，漂移区，和漏极区的第一导电型的半导体基底；b)在该半导体基底中形成第二导电型的阱区；c)在该阱区中形成第一导电型的源极区；d)在该源极区上形成源极接触层；e)在源极区附近形成栅极；f)在漂移区内形成电荷控制电极，其中对该电荷控制电极适于施加不同于栅极或源极接触层的偏压，并适于控制在漂移区中的电场；以及在电荷控制电极周围形成电介质材料。
本发明的这些和其它的实施例将参考下面的附图和详细说明加以描述。
附图简述
图1示出根据本发明实施例一种垂直沟槽MOSFET器件的横截面图。
图2(a)示出根据本发明实施例，在垂直沟槽MOSFET器件中，电场和击穿电压对距离(用微米)的曲线图。
图2(b)示出根据没有电荷控制电极的常规垂直沟槽MOSFET器件中，电场和击穿电压对距离(用微米)的曲线圈。
图3示出根据本发明实施例垂直平面型MOSFET器件的横截面图。
图4示出根据本发明实施例功率两极管器件的横截面图。
图5示出根据本发明实施例双极型晶体管的横截面图。
图6示出根据本发明实施例横向MOSFET的横截面图。
图7(a)～7(i)示出当把叠层的电极形成在半导体基底内时，它们的横截面图。
本发明的这些和其它的实施例将下面作更为详细的描述。
具体实施方式
本发明诸实施例的目标都在于半导体器件。这些半导体器件是较佳的功率半导体器件。这样的半导体器件的示例包括垂直MOSFET(例如，平面型栅控或沟槽型栅控垂直MOSFET)，横向MOSFET，双极型晶体管，功率两极管，等。
这些半导体器件包括诸如硅或砷化镓的基底。这半导体基底包括第一导电型(例如，N型区)的一个区域，并可具有一主表面。第二导电型(例如，P型区)的一个区域也可形成在这半导体基底之内。
在本发明的诸实施例中，该半导体基底包括一个或多几电荷控制电极。可对这些电荷控制电极施加与栅，源极和漏极不同的偏压以控制在半导体材料内的电场。在某些实施例中，可把这些电荷控制电极称之为“场板”。可把电荷控制电极的间距和排列安排成各种条子或格子的设计。在某些实施例中，每个电荷控制电极的侧壁可以是基本平行的。
在较佳的垂直半导体器体实施例中，电荷控制电极加以叠层并埋入在半导体基底内。电荷控制电极的叠层，通常是相对于半导体基底的主表面垂直地取向。在每个叠层的电荷控制电极周围设置一种电介质材料，以使每个电荷控制电极与在半导体基底中的半导体材料分开。在水平的半导体器件实施例中，可把电荷控制电极横向地设置在半导体基底上或在其中，而不需加以叠层。在垂直和水平的这两种诸实施例中。通常可把多个电荷控制电极的定位都与在漂移区中电流流动的方向平行。
在本发明的某些实施例中，可能会有第一，第二，第三等的许多组电荷控制电极。可把每一组多个电荷控制电极嵌入到分隔的电介质材料结构中。可把这些不同组的多个电荷控制电极放在半导体器件中任何合适的地方。例如，在垂直MOSFET器件中，可把这不同组的多个叠层的电荷控制电极设置在该器件的栅下，和/或栅的侧边。不同组的多个电荷控制电极可相互独立地或一起起着改变在半导体基底中的电场的功能。
适于对在多个电荷控制电极中的每个电荷控制电极施加与同一组多个电荷控制电极中的其它电荷控制电极不同的偏压。施加着不同偏压的电荷控制电极可用于调节在半导体基底内的电场。当垂直MOSFET器件在截断态时，例如，对在多个电荷控制电极内的电荷控制电极施加不同的偏压以在半导体基底的漂移区内保持基本均匀的高电场。通过维持在漂移区内的基本上均匀的电场，提高了垂直MOSFET器件的击穿电压。可对漂移区重掺杂在以不牺牲器件的击穿电压性能的情况下，减少半导体器件的导通电阻。因此，在本发明的诸实施例中，可生产具有高击穿电压和/或低导通电阻性能的半导体器件。
本发明的诸实施例具有超过常规半导体器件(例如，垂直MOSFET器件)的若干优点。例如，在本发明的诸实施例中，电荷控制电极被用于在半导体基底中电荷的散布。在器件的漂移区中电荷的散布是受电荷控制电极上精确设定的偏压控制的。因此，在半导体基底中的最大电场可远远大于由超结型器件所能获得的约2×105V/cm的最大实际电场。在本发明的诸实施例中，在半导体基底中能创建的最大电场仅受到围绕在电荷控制电极周围来维持电荷控制电极电压的电介质材料性能的限制。在本发明的诸实施例中所获得的最大电场可容易地超过3.5×105V/cm，这是一个大于在超结型器件中能获得的电场值。所提出结构的另一优点是在半导体基底中比较容易制作狭的电荷分布区。这一点改善了半导体基底的使用和效率。还有，根据本发明诸施例的半导体器件，不需要采用具有相反导电型的精确掺杂区的复合缓冲层。因此，减少或消除了与制作相反导电型的精确掺杂区有关联的诸问题。而且，在本发明的诸实施例中，半导体器件可具有在低到中等范围内的击穿电压额定性能，而2显示低的导通电阻。例如，对150V N沟功率MOSFET来说，已经模拟出本发明诸实施例的单位面积导通电阻比常规150V N沟功率晶体管的单位面积导通电阻小50％。尽管超结型器件具有低的导通电阻性能。但超结型器件的精确掺杂要求，使它们不能被制作成具有在较低到中等电压范围内(例如，＜200V)的击穿电压额定性能。已扩散的P/N柱体所使用的电压越低，则所需的间距就越小。热处理难以形成如此小间距的结构，因为有不可避免的掺杂剂之间的扩散问题。本发明诸实施例不具有这种限制。
图1示出根据本发明实施例沟槽MOSFET器件200的横截面图。该MOSFET器件200包括具有主表面252的半导体基底250。该半导体基底250具有第一导电型。在这示例中，第一导电类型是N型，而该半导体基底250包括N-的漂移区240和N+的漏极区218。在垂直MOSFET器件中漂移区240可相当于“外延”即“epi”层。漏极电极226靠近漏极区218，并可为沟槽MOSFET器件200起到漏极终端的作用。
沟槽MOSFET器件200包括第二导电型的阱区230和形成在阱区230中的源极区232。在本示例中，第二导电型是P型，而源极区232具有N+掺杂。还可在半导体基底250中形成P+重掺杂物体区246。
在沟槽210(b)中形成栅结构236，因而可认为是一种做成沟槽的栅结构。栅结构236可包括任何合适的包含掺杂的或未掺杂的多晶硅或金属(例如，难熔的金属)的导电材料。在本示例中，栅结构236在沟槽210(b)的U形凹槽中填塞了电介质材料206(b)中。在其它的实施例中，栅结构可在V形凹槽填塞电介质材料。围绕栅结构236的电介质材料206(b)可包括一种或多种，例如，二氧化硅，氮化硅，玻璃等。
一种电介质帽状结构208覆盖栅结构236，把该栅结构236与源极区232隔离开来。这电介质帽状结构208可包括，例如，硼硅玻璃。源极接触层202可与N+源极区232相接触。这源极接触层202可包括诸如钨或polycide的材料。源极金属层242可包括诸如铝的金属，不仅能覆盖电介质帽状结构208，而且还能覆盖源极接触层202。
在半导体基底250中形成多个沟槽210(a)-210(c)。每个沟槽210(a)-210(c)从主表面延伸进入漂移区240内。沟槽21O(a)-210(c)的底部在漏极区218的上面，但可延伸进入漏极区218内。
不同组的多个电荷控制电极是在MOSFET器件中。每个电荷控制电极可由任何合适材料形成。例如，电荷控制电极可由掺杂的或不掺杂的多晶硅或金属形成。
在示于图1的示例中，第一多个电荷控制电极212(a)-212(b)，第二多个电荷控制电极214(a)-214(b)，和第三多个电荷控制电极216(a)-216(b)分别设置在第一，第二和第三沟槽210(a)-210(c)中。在同一沟槽内的诸电荷控制电极以叠层的关系示出。电荷控制电极通过在每个沟槽210(a)-210(c)内的电介质材料206(a)-206(c)使彼此并与N-漂移区240分隔开来。在不同的多个电荷控制电极组内的电荷控制电极离主平面252的垂直距离可大致相同。例如，电荷电极212(a)，214(a)，和216(a)可在半导体基底252内相同的垂直位置处。
在这示例中，在每个沟槽中的每组多个电荷控制电极由两个电荷控制电极组成。在图1示出的实施例中，在每个沟槽210(a)-210(c)中，虽然示出了两个电荷控制电极，但应知道，可在本发明的诸实施例中，在每个沟槽中可出现任何合适数目的电荷控制电极。例如，在本发明的某些实施例中，在每个沟槽中可能具有3，4，5个等垂直叠层的电荷控制电极。通常，如果每电荷控制电极的叠层有更多的电荷控制电极，则在漂移区240能建立更均匀的电场。
在其它的实施例中(例如，场效应晶体管实施例)，可在器件的漂移区中埋入一个电荷控制电极(例如，每个沟槽)。可把这一个电荷控制电极直接设置在栅极的下或设置到栅极的一侧边。在场效应晶体管中，较佳的是，对一个或多个电荷控制电极施加与源极接触金属极和/或漏极不同的偏压。
在包括一个栅极的MOSFET器件实施例中，可把一个或多个电荷控制电极放在任何合适的区域中。例如，可把电荷控制电极设置到诸如(i)栅极的一个或两个侧边，而又不直接在栅极的下面，(ii)仅直接在栅极的下面，但又不在栅极的两个侧边，或(iii)直接在栅极的下面并到栅极的两个边侧。正如在上面提到的，可把栅极做成沟槽形或平面形。
可用施加偏压的元件(未示出)对每个电荷控制电极212(a)-212(b)，214(a)-214(b)，216(a)-216(b)独立地施加偏压，这施加偏压的元件可形成在半导体基底中或在它的上面。施加偏压的元件可以不同于源极接触金属202，栅极236，和/或漏极226的电势对电荷控制电极212(a)-212(b)，214(a)-214(b)，216(a)-216(b)施加偏压。任何合适的施加偏压的元件可用来对电荷控制电极施加偏压。例如，施加偏压的元件可以是在电压分配器中具有不同电阻值的电阻。换一种方法，施加偏压的元件可以是一系列具有不同电压工作状态的两极管。合适的两极管可在美国专利第5,079,608号上找到，该专利全部结合在此作参考。在某些实施例中，可把施加偏压的元件耦合于电荷控制电极。例如，用施加偏压的元件对源极电极242抽头以提供电荷控制电极212(a)-212(b)，214(a)-214(b)，216(a)-216(b)合适的偏置电压。可把施加偏压的元件耦合到栅电极216，或漏极电极226。
在每个沟漕210(a)-210(c)中的已加偏压的电荷控制电极212(a)-212(b)，214(a)-214(b)，216(a)-216(b)可用来改变在半导体基底250漂移区240内的电场。当器件200是在截断态时，已加偏压的电荷控制电极212(a)-212(b)，214(a)-214(b)，216(a)-216(b)改变在漂移区240内的电场，使在漂移区240形成的电场分布比如果在漂移区218中不存在电荷控制设置时要更高和更均匀。较佳的是，已加偏压的电荷控制电极212(a)-212(b)，214(a)-214(b)，216(a)-216(b)在漂移区240内改变电场，使得这电场在整个漂移区218相当大的部分或至少在电流从源极区232到漏极区218通过漂移区240的流动区域中是高的和基本均匀的。
在漂移区中的电场是由下面公式来决定的，此处E是电场，Vs是在半导体基底中一个点的电压，VccE是在电荷控制电极上的电压，而d是在半导体基底中的这个点和电荷控制电极之间的电介质材料厚度：
E = V S - V CCE d
在图示的示例中，参考图1，采用电荷控制电极214(a)-214(b)，216(a)-216(b)，通常可在漂移区240中产生约3.0×105V/cm的恒定电场。在沟槽210(b)，210(c)中电介质材料206(b)，206(c)的厚度t约为1微米。在漂移区240中的点A处，半导体可具有电势约40V，而在漂移区240中的B点处的电势可约为60V。要在漂移区246中维持约3.0×105V/cm不变的，水平方向的电场，则在有关沟槽210(b)，210(c)中第一电荷控制电极214(a)，216(a)上可施加10V的偏压，而在第二电荷控制电极214(b)，216(b)上可施加30V的偏压。如本示例所图示的，施加到不同的个别的电荷控制电极的偏压可从P体内/N-漂移结向着漏极区增加。如本示例所显示的，在某些实施例中，可对在半导体基底中相同垂直位置处，但在不同组的电荷控制电极之内的电荷控制电极上施加大致相同的电压。例如，在图1的MOSFET器件200中，可对较低的电荷控制电极212(b)，214(b)，216(b)施加相似的偏压。不过，在某些实施例中，施加到较低的电荷控制电极212(b)，214(b)，216(b)的偏压与施加到较高的电荷控制电极212(a)，214(a)，216(a)的偏压不同。
在半导体器的漂移区中，采用施加不同偏压的电荷控制电极使在横越漂移区的电场“变平”(与在漂移区没有电荷控制电极的情况下将会出现的电场强度分布作比较)。如果不存在电荷控制电极，则横越漂移区的电场分布将会是“三角形”的。在常规器件中，电场在体内/漂移或阱/漂移PN结处达到最大，而在漏极区达到最小。然后，电场分布从PN结到漏极区线性地减小。本发明人已确定横越半导体器件漂移区的较平坦和较高的电场分布导致提高击穿电压。可采用电荷控制电极来产生较平坦和较高的电场分布。通常，采用差别愈大的偏压，则在漂移区中的电荷控制电极在漂移区中可产生更均匀的电场。
在图2(a)用图示出电场和击穿电压对通过具有两个叠层的电荷控制电极的垂直沟槽功率MOSFET垂直距离的曲线图。该图是计算机模拟的结果。在X轴上较低的值(即，Y(微米))代表在半导体基底中最接近MOSFET器件源极区的点，而较高的值代表最接近漏极区的点。在这图上X轴的值代表在半导体基底中具体的垂直位置。
图2(a)中所示的曲线图具有作为距离函数的电场的第一线条12和示出作为距离函数的击穿电压的第二线条14的两条线。第一线条12包括对应于在半导体基底中在PN结处电场峰位16(a)(例如，P阱/N型漂移两极管)。峰位16(b)可对应于由于第一电荷控制电极(例如，在图1中的电荷控制电极216(a))所致的局部最大电场。对第一控制电极可施加，例如，25V。峰位16(b)可对应于由于第二电荷控制电极所致的局部最大电场(例如，在图1中所示的电荷控制电极216(b))。对第二电荷控制电极可施加，例如，64V。如图2(a)所示，第一线条12具有通常的不规则四边形的形状。它在电荷控制电极和PN结出现的地方具有(两个)局部最大值，而在这局部最大值之间还有鞍形部分。如果采用更多的电荷控制电极，则不规则四边形的顶部将会更平坦且鞍形较小。第二线条14示出在靠近PN结处击穿电势较小，而较靠近半导体器件的漂移区则较大。如由第二线条14所示，击穿电势经过漂移区缓慢上升。
为了比较，图2(b)示出由计算模拟产生的，对常规垂直MOSFET器件(无电荷控制电极)的电场和击穿电势对垂直距离的曲线图。这图包括第一线条22和第二线条24。第一线条22是电场对距离的函数曲线，而第二线条24则是击穿电压对距离的函数曲线。如第一线条22所示，在MOSFET器件中的PN结处出现最大电场26，而电场向着漏极区减小。第一线条22示出通过半导体器件厚度的电场分布是“三角形”的，而不是如图2(a)中所示的普遍平坦。第二线条24示出击穿电压通过漂移区迅速上升。
对击穿电势对距离的函数曲线图的比较示出在常规MOSFET器件中击穿电压向着漂移区上升得比根据本发明一实施例的MOSFET器件快。例如，比较在图2(a)中的线条14和在图2(b)中的线条26。计算机模拟指出本发明诸实施例将具有比没有电荷控制电极的MOSFET器件高的击穿电压。例如，计算机模拟已指出，对于相同的漂移区载流子浓度，常规MOSFET器件的击穿电压约为80V，而具有电荷控制电压的MOSFET器件的击穿电压估计为约138V。
参考图3到6描述具有电荷控制电极的各种其它器件的实施例。
图3示出根据本发明另一实施例的垂直MOSFET100。这垂直MOSFET也包括具有在其上形成的P+阱区130和N+源极区132的半导体基底150。P+体内区146也最接近N+源极区132。在半导体基底150中也出现漏极区118和漂移区140。漏极126与N+漏极区118相接触，而源极金属102与N+源极区132相接触。在本图中，垂直MOSFET100具有被栅氧化层122包围的平面栅结构120。还有，在本示例中，在平面栅结构120下面没有电荷控制电极。
两个沟槽110(a)-110(b)设置在栅结构相对立的侧边处。每个沟槽110(a)-110(b)包括叠层的电荷控制电极112(a)-112(b)，114(a)-114(b)，它们由电介质材料106(a)，106(b)彼此隔开并与在漂移区中的半导体材料隔开。正如在上面指出的，虽在本示例中，每沟槽即每组多个电荷控制电极出现两个电荷控制电极112(a)-112(b)，114(a)-114(b)，但在其它实施例中每个沟槽即每组多个电荷控制电极可能会有3，4，5个等或更多电荷控制电极。
可对电荷控制电极112(a)-112(b)，114(a)-114(b)施加合适的偏压以在垂直MOSFET器件100的漂移区140内形成基本均匀的电场。可采用诸如两极管或分压器的偏压元件(未示出)来对电荷控制电极112(a)-112(b)，114(a)-114(b)施加合适的偏压。可把施加偏压的元件耦合到垂直MOSFET器件100的源极，栅，或漏极。
图4示出根据本发明实施例的功率两极管80。这功率两极管包括具有第一导电型的第一区86和第二导电型的第二区82的半导体基底85。在本示例中，第一区86具有N型掺杂而第二区则具有P+型掺杂。半导体基底85还包括第一导电型的接触区84(即，N+区)。
在半导体基底85中形成多个沟槽98(a)-98(d)。每个沟槽98(a)-98(d)可从半导体基底85的主表面延伸到半导体基底85中的预先确定的距离。
每个沟槽含有多个叠层的电荷控制电极90(a)-90(b)，92(a)-92(b)，94(a)-94(b)，96(a)-96(b)。与在前面描述的实施例一样，可用施加偏压的元件(未示出)对电荷控制电极施加不同的偏压。电介质材料88(a)-88(d)(例如，二氧化硅)可在每个沟槽98(a)-98(d)中，把电荷控制电极90(a)-90(b)，92(a)-92(b)，94(a)-94(b)，96(a)-96(b)与在第一导电型第一区86中的半导体材料隔开。
施加不同偏压的电荷控制电极90(a)-90(b)，92(a)-92(b)，94(a)-94(b)，96(a)-96(b)能在整个第一导电型的第一区86形成均匀的电场以提高功率两极管80的击穿电压。与前面的实施例一样，第一导电型的第一区86可予以较重掺杂来降低在功率两极管的正向偏压状态时的电阻，而在功率两极管的反向偏压状态时提高截断电压。
图5示出根据本发明实施例双极型晶体管300的横截面图。该双极型晶体管包括具有N-漂移区(即N-外延区)340和N+区318的半导体基底350。
半导体基底350还包括形成在P基极区330之内的N发射极区332。把基极金属342耦合到P基极区330以及把发射极金属302耦合到发射极区332。N集电极区316和集电极金属326与发射极金属302和N发射极区332是分开的。
中间层的电介质层306把基极金属342和发射极金属302隔离开来。这中间水平的电介质306还把施加偏压的电荷控制电极314(a)，314(b)密封起来。施加偏压的元件(未示出)适于用不同的电势对电荷控制电极314(a)，314(b)施加偏压。施加偏压的元件可耦合到基极金属342，源极发射金属302，或集电极金属326。当对电荷控制电极314(a)，314(b)正常地施加偏压时，它们能控制在P基极330和N集电区316之间漂移区340的范围内的电场。
在另一实施例中可把电荷控制电极314(a)，314(b)埋入双极型晶体管300的漂移区340中。电介质材料可覆盖这被埋的电荷控制电极。
图6示出根据本发明实施例的横向MOSFET器件400。该横向MOSFET400包括具有N-漂移区440和N+区418的半导体基底450。在半导体基底450中形成P-阱区430。在P-阱区形成P+体内区430和N+源极区432。由漂移区440把N+漏极区428与P-阱区430分隔开来。源极金属442和漏极金属426分别耦合到N+源极区432和N+漏极区428。
平面栅结构416是在N+源极区432和N+漏极区428之间。施加偏压的电极414(a)，414(b)与半导体基底450的主表面隔开。施加偏压的电极414(a)，414(b)和平面栅结构由中间层的电介质层406覆盖。可用施加偏压的元件(未示出)对电极414(a)，414(b)施加偏压。
在另一实施例中，可把电荷控制电极埋入MOSFET器件400的漂移区440中。电介质材料可覆盖这被埋入的电荷控制电极。
本发明其它实施例的目标在于用于形成具有电荷控制电极的半导体器件的方法。例如，在某些实施例中，获得具有第一导电型的第一区的半导体基底。在这半导体基底中形成第二导电型的第二区。在形成第二导电型的第二区之前或之后，形成第一电荷控制电极和第二电荷控制电极。第一和第二电荷控制电极可以是彼此邻近的，并可形成在半导体基底中或在半导体基底上。第一电荷控制电极适于施加不同于第一电荷控制电极的偏压。
用于在半导体基底的沟槽中形成叠层电荷控制电极的示范性方法的实施例可参考图7(a)到7(i)来描述。
参考图7(a)，首先可得到半导体基底500，并在半导体基底500中可腐蚀出沟槽502。可采用各向异性工艺来形成沟槽502。在形成沟槽502后，在沟槽502的壁上和半导体基底500的主平面上形成氧化层504。第一氧化层502可用，例如，诸如化学气相沉积(CVD)的氧化工艺即沉积工艺来形成。
参阅图7(b)，在形成氧化层504之后，在半导体基底500上可形成多晶硅层510，使多晶硅填塞沟槽502。可用这填塞沟槽502的多晶硅来形成第一电荷控制电极(未示出)。
参阅图7(c)，在形成多层硅510之后，可进行多晶硅凹槽蚀刻以形成第一电荷控制电极508。一般使用干法反应离子腐蚀(RIE)的腐蚀工艺来腐蚀多晶硅层510。如图7(c)所示，所产生的电荷控制电极508正好设置在半导全基底500主平面530的下面，且还埋入半导体基底500之内。
参考图7(d)，在形成第一电荷控制电极508后，可在半导体基底500上沉积电介质层514来填塞沟槽502空出来的区间。电介质层504可包括，例如，诸如硼磷硅玻璃(BPSG)或硼硅玻璃(BSG)的玻璃。如果采用玻璃，则可用具有接着发生的回流步骤的气相沉积工艺来沉积这玻璃。在回流步骤中，对整个结构加热以使这玻璃流动，这样它能填塞沟槽502空出来的区间。换一种可替换的方法，在电介质层514中可采用诸如二氧化硅或氮化硅的电介质材料。
参考图7(e)，在沉积电介质层514之后，用合适的腐蚀剂，在另一凹槽腐蚀工艺中腐蚀它。电介质层514被腐蚀掉，使得电介质结构516就在第一电荷控制电极508上。电介质层516可在第一电荷控制电极508和稍后形成的第二电荷控制电极(未示出)之间起着阻挡层的作用。
参考图7(f)，在形成电介质结构516之后，在半导体基底500上可形成第二氧化层518。与在前面描述第一氧化层一样，可用氧化工艺即气相沉积工艺(例如，CVD)来形成第二氧化层518。
参考图7(g)，在形成第二氧化层518之后，在半导体基底500上形成另一层多晶硅层520。可用如在前面描述的多晶硅同样的或不同的方法形成这多晶硅层520。
参考图7(h)，在形成多晶硅层520之后，完成另一凹槽腐蚀工艺以形成第二电荷控制电极522。在本示例中，第二电荷控制电极522设置在半导体基底500主表面530的下面。第一和第二电荷控制电极508，522这两者，都通过电介质材料彼此分开并与在半导体基底500中的半导体材料分开。
如图7(i)所示，在形成第二电荷控制电极522之后，可除去部分第二氧化层518，使得留下部分是在半导体基底500主表面的下面。显然在这里描述的通用工艺序列能用来在第二电荷控制电极522的顶部上或侧边形成附加的电荷控制电极。
在形成第一和第二电荷控制电极508，522之后，可在示于图7(i)的结构上完成用于形成MOSFET器件的各种众所周知的工艺步骤(例如，阱形成，本体形成，源极形成等)。换一种方法，诸如阱形成，本体形成，各源极形成等一个或多个MOSFET器件工艺步骤可在第一和/或第二电荷控制电极508，522形成之前完成。
有关阱区，栅结构，源极结构，和重掺杂体形成的另外详情出现在由BrianSze-Ki Mo，等人提交，题为“场效应晶体管及其制作方法”的美国专利申请第08/970,221号中。本申请已转让给作为本发明受让的相同的受让人，且本申请为所有的目的全部结合在此供参考。
参考图7(a)到7(i)描述的工艺序列也能用来形成具有栅结构的沟槽和在沟槽中的电荷控制电极。例如，示于图7(h)中的电荷控制电极522能作为栅结构形成而不是电荷控制电极。如果是这样，就会在已形成的栅结构下面是一电荷控制电极508。
在某些实施例中，场效应晶体管可通过提供具有主表面，漂移区，和漏极区的第一导电型半导体基底来形成。在半导体基底中，形成第二导电型的阱区，并在这阱区中形成第一导电型的源极区。在形成这源极区后，在这源极区上形成源极接触层。在这些步骤之前或之后，在邻近源极区处形成栅极。在形成这源极区和/或栅极之前或之后，一个或多个电荷控制电极形成并埋入在漂移区内。对每个电荷控制电极适于施加不同于极或源极接触层的偏压，而每个电荷控制电极适于控制在漂移区中的电场。用一个或多个步骤，在电荷控制电极周围形成电介质材料。电荷控制电极和覆盖电荷控制电极的电介质材料的形成示于图7(a)到7(i)。
虽在上面示出并描述了若干个专门的实施例，但是本发明的实施例并不限于这些。例如，要知道。在不背离本发明的情况下，所示出并描述的掺杂极性可转换和/或各种元素的掺杂浓度是可以改变的。
尽管上面所述的目标在于本发明的某些较佳实施例，但在不背离本发明的基本范围情况下，可设想出本发明的另外实施例。意图把这种可替换的实施例包括在本发明的范围之内。而且，在不背离本发明的范围的情况下，一个或多个本发明实施例的特性可与一个或多个本发明其它实施例的特性结合起来。例如，显示于图1的垂直器件并不显示在栅下面的电荷控制电极，但电荷控制电极可在本发明的其它实施例中处于栅的下面。

Claims (36)

1、一种半导体器件，其特征在于，包括：
a)半导体基底；
b)在该半导体基底中的第一导电型的第一区；
c)在该半导体基底中的第二导电型的第二区，该第一和第二区在其间形成pn结。
d)多个电荷控制电极，其与该半导体基底相结合以影响在第一和第二区中的一个区中的电场，其中多个电荷控制电极中至少两个是彼此电隔绝的，以便施加彼此不同的偏压；以及
e)设置在各个电荷控制电极周围的电介质材料。
2、根据权项1所述半导体器件，其特征在于，其中该半导体器件是功率两极管。
3、根据权项1所述半导体器件，其特征在于，其中该半导体器件是双极型晶体管。
4、根据权项1所述半导体器件，其特征在于，其中该半导体基底包括沟槽，而其中在多个电荷控制电极中的至少两个被叠层在所述沟槽之内。
5、根据权项1所述半导体器件，其特征在于，其中第一导电型是n型，而第二导电型是p型。
6、根据权项1所述半导体器件，其特征在于，其中多个电荷控制电极中的每个均包括多晶硅。
7、根据权项1所述半导体器件，其特征在于，其中对多个电荷控制电极施加偏压从而在第一区中产生普遍均匀的电场。
8、根据权项1所述半导体器件，其特征在于，还包括施加偏压的元件，用于对多个电荷控制电极中的至少两个电极施加彼此不同的偏压。
9、根据权项1所述半导体器件，其特征在于，其中多个电荷控制电极中的至少两个电极平行于该半导体器件的表面并彼此邻近安排。
10、根据权项9所述半导体器件，其特征在于，其中该多个电荷控制电极是在形成于第一和第二区中的一个区中的一个或多个沟槽中。
11、根据权项9所述半导体器件，其特征在于，其中该多个电荷控制电极是在第一和第二区中的一个区的表面上面，但与它是绝缘的。
12、根据权项2所述半导体器件，其特征在于，其中该功率两极管包括耦合到第一区的阳极和耦合到第二区的阴极，这多个电荷控制电极置于该阳极和阴极之间。
13、一种场效应晶体管，其特征在于，包括：
a)具有主表面，漂移区，和漏极区的第一导电型的半导体基底；
b)形成在该半导体基底中的第二导电型的阱区；
c)形成在该阱区中的第一导电型的源极区；
d)形成在源极区附近的栅极；
e)埋入在漂移区的多个叠层的电荷控制电极，其中该多个叠层的电荷控制电极的至少两个电荷控制电极适于被施加互不相同的偏压；以及
f)设置在每个叠层的电荷控制电极周围的电介质材料。
14、根据权项13所述场效应晶体管，其特征在于，其中该多个叠层的电荷控制电极直接位于栅极下方。
15、根据权项13所述场效应晶体管，其特征在于，其中该栅极是做成沟槽的栅极。
16、根据权项13所述场效应晶体管，其特征在于，还包括能对在多个叠层的电荷控制电极之内的至少两个分别施加偏压的至少两个施加偏压的元件。
17、根据权项13所述场效应晶体管，其特征在于，其中多个叠层的电荷控制电极设置在栅极的一个侧边。
18、根据权项13所述场效应晶体管，其特征在于，其中该多个叠层的电荷控制电极是第一多个叠层电荷控制电极，而其中该场效应晶体管还包括第二多个叠层电荷控制电极。
19、根据权项13所述场效应晶体管，其特征在于，其中该多个叠层电荷控制电极适于调节在半导体基底中漂移区内的电场分布，使得整个漂移区电场的大小是普遍均匀的并超过2×105V/cm。
20、根据权项13所述场效应晶体管，其特征在于，还包括沟槽，其中多个叠层的电荷控制电极中的至少两个被设置在该沟槽之内。
21、根据权项13所述场效应晶体管，其特征在于，其中该场效应晶体管是功率MOSFET。
22、一种用于形成半导体器件的方法，其特征在于，该方法包括：
a)提供具有第一导电型的第一区的半导体基底；
b)在该半导体基底中，形成第二导电型的一个区，所述第一区和第二导电型的区在其间形成pn结；
c)形成第一电荷控制电极；和
d)形成第二电荷控制电极，该第一和第二电荷控制电极与半导体基底结合起来，以便影响在第一区和第二导电型的区中的一个区中的电场，其中对第一电荷控制电极施加的偏压不同于第二电荷控制电极。
23、根据权项22所述方法，其特征在于，还包括在半导体基底中形成一沟槽，而形成第一电荷控制电极的步骤包括在该沟槽中沉积导电材料，然后腐蚀该沉积的导电材料。
24、根据权项23所述方法，其特征在于，其中该导电材料是第一导电材料，而在其中形成的第二电荷控制电极包括在该沟槽中沉积第二导电材料，然后，腐蚀该沉积的第二导电材料。
25、根据权项22所述方法，其特征在于，还包括：
在半导体基底中，形成沟槽状的栅极结构。
26、根据权项22所述方法，其特征在于，其中第一和第二电荷控制电极包括多晶硅。
27、根据权项22所述方法，其特征在于，其中该方法还包括在半导体基底上或在其中形成多个施加偏压的元件，其中这种施加偏压的元件适于对第一和第二电荷控制电极施加不同的偏压。
28、根据权项22所述方法，其特征在于，其中半导体器件是功率MOSFET。
29、一种场效应晶体管，其特征在于，包括：
a)具有主表面，漂移区，和漏极区的第一导电型的半导体基底。
b)形成在该半导体基底中的第二导电型的阱区；
c)形成在该阱区的第一导电型的源极区；
d)结合到源极区的源极接触层；
e)形成在源极区附近的栅极；
f)埋入在漂移区中的电荷控制电极，其中该电荷控制电极适于被施加不同于源极接触层的偏压，且适于控制在漂移区中的电场；以及
g)设置在电荷控制电极周围的电介质材料。
30、根据权项29所述场效应晶体管，其特征在于，还包括适于对电荷控制电极施加不同电压的施加偏压的元件。
31、根据权项29所述场效应晶体管，其特征在于，其中该栅极是做成沟槽的栅极。
32、根据权项29所述场效应晶体管，其特征在于，其中该电荷控制电极直接位于栅极下方。
33、根据权项29所述场效应晶体管，其特征在于，其中该电荷控制电极是直接在栅极下面，且其中该栅极是做成沟槽的栅极。
34、一种用于形成场效应晶体管的方法，其特征在于，包括：
a)具有主表面，漂移区，和漏极区的第一导电型的半导体基底；
b)在该半导体基底中，形成第二导电型的阱区；
c)在该阱区中，形成第一导电型的源极区；
d)在该源极区上，形成源极接触层；
e)在该源极区附近，形成栅极；
f)在漂移区中，形成电荷控制电极，其中该电荷控制电极适于被施加不同于源极接触层的偏压，并适于控制在漂移区中的电场；以及
g)在电荷控制电极周围，形成电介质材料。
35、根据权项34所述方法，其特征在于，其中该栅极是做成沟槽的栅极。
36、根据权项34所述方法，其特征在于，还包括：
形成施加偏压的元件，其中该施加偏压的元件适于对电荷控制电极施加偏压。
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