具有自充電的場電極的半導體器件的製作方法

2023-12-02 00:03:26

具有自充電的場電極的半導體器件的製作方法
【專利摘要】一種具有自充電的場電極的半導體器件。一種半導體器件包括第一摻雜類型的漂移區域，在漂移區域與器件區域之間的結，以及在漂移區域中的場電極結構。該場電極結構包括場電極、鄰接場電極的場電極電介質，其被設置在場電極與漂移區域之間並且具有開口，以及場停止區域和生成區域的至少一個。半導體器件進一步包括與第一摻雜類型互補的第二摻雜類型的耦合區域。該耦合區域電耦合至器件區域並且耦合至場電極。
【專利說明】具有自充電的場電極的半導體器件

【技術領域】
[0001]本發明的實施例涉及半導體器件，更具體地涉及功率半導體器件。

【背景技術】
[0002]功率半導體器件，諸如功率MOS電晶體或功率二極體，包括漂移區域，以及在漂移區域與MOS電晶體中的本體區域之間、和在漂移區與二極體中的發射極區域之間的pn結。漂移區域的摻雜濃度低於本體和發射極區域的摻雜濃度，以使得當Pn結反向偏置而器件阻斷時，耗盡區域(空間電荷區域)主要地在漂移區域中擴展。
[0003]在器件電流流動方向上的漂移區域尺寸以及漂移區域的摻雜濃度主要限定了半導體器件的電壓阻斷能力。在單極性器件中，諸如功率M0SFET，漂移區域的摻雜濃度也限定了器件的導通電阻，導通電阻是半導體器件在導通狀態下的電阻。
[0004]當pn結反向偏置時，摻雜劑原子在pn結兩側被電離，導致與電場關聯的空間電荷區域。電場的場強的量值的積分對應於將pn結反向偏置的電壓,其中電場的最大值位於pn結處。當電場的最大值達到取決於用來實現漂移區域的半導體材料的類型的臨界場強時，發生雪崩擊穿。
[0005]當pn結反向偏置時在漂移區域中提供可以用作相對於在漂移區域中的電離的摻雜劑原子的相反電荷的電荷時，可以增大漂移區域的摻雜濃度而不會減小器件的電壓阻斷能力，此時耗盡區域在漂移區域中擴展。
[0006]根據已知的概念，場電極或者場板被設置在漂移區域中並且通過場電極電介質而與漂移區域介電性絕緣。這些場電極可以提供所需的相反電荷。
[0007]根據一個已知的概念，這些場電極電連接至固定的電勢，諸如MOSFET中的柵極或源極電勢。然而，這可以在場電極與漂移區域的靠近MOSFET中漏極區域的那些區域之間導致高電壓，以使得將需要較厚的場電極電介質。然而，厚的場電極電介質是空間耗費大的。
[0008]根據另一已知的概念，若干場電極在漂移區域的電流流動方向上相互遠離地被布置並且這些場電極連接至不同的電壓源，以便將這些場電極偏置為不同電勢。然而，實施這些電壓源是困難的。
[0009]根據又一已知的概念，場電極通過被布置在半導體本體之上的接觸電極而電連接至與漂移區域相同摻雜類型的摻雜的半導體區域。該「耦合區域」至少部分地通過互補摻雜類型的半導體區域而與漂移區域屏蔽開。
[0010]根據再一已知的概念，漂移區域包括與漂移區域互補地被摻雜並且電耦合至本體區域的補償區域。
[0011]需要減小具有漂移區域的半導體器件的導通電阻並且提高其電壓阻斷能力。


【發明內容】

[0012]一個實施例涉及一種半導體器件。該半導體器件包括第一摻雜類型的漂移區域、在漂移區域與器件區域之間的結、在漂移區域中的場電極結構，以及與第一摻雜類型互補的第二摻雜類型的耦合區域。該場電極結構包括場電極、被布置在場電極與漂移區域之間並且具有開口的鄰接場電極的場電極電介質，以及場停止區域和生成區域中的至少一個。耦合區域電耦合至器件區域並且耦合至場電極。
[0013]本領域技術人員在閱讀了以下【具體實施方式】並且查看附圖之後將將認識到額外的特徵和優點。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]現在將參照附圖解釋示例。附圖用於說明基本原理，以使得僅示出了用於理解基本原理所需的必要方面。附圖並未按照比例繪製。在附圖中相同的附圖標記表示相同的特徵。
[0015]圖1示出了根據第一實施例的包括場電極結構的半導體器件的剖視圖；
[0016]圖2示出了根據第二實施例的包括場電極結構的半導體器件的剖視圖；
[0017]圖3示出了根據第三實施例的包括場電極結構的半導體器件的剖視圖；
[0018]圖4示出了根據第四實施例的包括場電極結構的半導體器件的剖視圖；
[0019]圖5示出了根據第五實施例的包括場電極結構的半導體器件的剖視圖；
[0020]圖6示出了根據第六實施例的包括場電極結構的半導體器件的剖視圖；
[0021]圖7示出了根據第七實施例的包括場電極結構的半導體器件的剖視圖；
[0022]圖8示出了根據第八實施例的包括場電極結構的半導體器件的剖視圖；
[0023]圖9示出了根據第九實施例的包括場電極結構的半導體器件的剖視圖；
[0024]圖10示出了當半導體器件阻斷時在場電極結構的區域中半導體器件中的等電勢線.-^4 ，
[0025]圖11示出了條帶狀場電極結構；
[0026]圖12示出了堆狀場電極結構；
[0027]圖13示出了根據第一實施例的半導體器件的剖視圖，其包括在半導體器件的電流流動方向上相互成直線被布置的多個場電極結構；
[0028]圖14示出了根據第二實施例的半導體器件的剖視圖，其包括在垂直於電流流動方向的方向上被偏移布置的多個場電極結構；
[0029]圖15示出了包括多個場電極結構的半導體器件的另一實施例；
[0030]圖16包括圖16A到圖16D，示出了場電極結構的場電極和場電極電介質的其它實施例；
[0031]圖17示出了被實施為電晶體的半導體器件的第一實施例；
[0032]圖18示出了被實施為電晶體的半導體器件的第二實施例；
[0033]圖19示出了被實施為電晶體的半導體器件的第三實施例；
[0034]圖20示出了被實施為電晶體的半導體器件的第四實施例；
[0035]圖21示出了被實施為二極體的半導體器件的實施例；
[0036]圖22示出了半導體器件的一個實施例的垂直剖視圖，其包括與器件區域耦合併且鄰接至少一個場電極結構的耦合區域；
[0037]圖23示出了圖22所示的半導體器件的垂直剖視圖；
[0038]圖24示出了圖22所示的半導體器件的水平剖視圖；
[0039]圖25示出了根據另一實施例的半導體器件的水平剖視圖；
[0040]圖26詳細示出了圖22至圖24所示的半導體器件的場電極結構的一個實施例；
[0041]圖27詳細示出了圖22至圖24所示的半導體器件的場電極結構的另一實施例；
[0042]圖28示出了圖24所示的水平剖視圖的放大的示意圖；
[0043]圖29示出了半導體器件的另一實施例的垂直剖視圖，其包括耦合至器件區域並且鄰接至少一個場電極結構的耦合區域；並且
[0044]圖30示出了根據另一實施例的場電極結構。

【具體實施方式】
[0045]在以下詳細說明書中，參照了形成了說明書一部分並且藉由對其中可以實踐本發明的具體實施例進行說明的方式而示出的附圖。在這點上，方向性術語，諸如「頂部」、「底部」、「正面」、「背面」、「前端」、「尾端」等等，用於參照所述附圖的朝向。因為實施例的部件可以沿大量不同朝向定位，使用方向性術語以為了說明而絕非限定的目的。應該理解的是可以利用其它實施例並且可以不脫離本發明的範圍而做出結構上或者邏輯上的改變。因此以下詳細說明書不應視作限定性，並且由所附權利要求來限定本發明的範圍。應該理解的是在此所述各個示例性實施例的特徵可以相互組合，除非上下文明確給出相反指示。
[0046]圖1示出了根據第一實施例的半導體器件的剖視圖。該半導體器件包括半導體本體100，第一摻雜類型的漂移區域11，以及在漂移區域11與另外的器件區域13之間的結12。結12或者是pn結或者是肖特基結。在第一情形下，該另外的器件區域13是與第一摻雜類型互補的第二摻雜類型的半導體區域。在第二情形中，該另外的器件區域13是肖特基區域或肖特基金屬，諸如例如，鋁(Al)、矽化鎢(WSi)、矽化鉭(TaSi)、矽化鈦(TiSi)、矽化鉬(PtSi)或矽化鈷(CoSi)。
[0047]該另外的器件區域13電耦合至第一電極或端子31，並且漂移區域11電耦合或者連接至第二電極或端子32。圖1中僅示意性示出了這些第一和第二電極。
[0048]半導體器件進一步包括在漂移區域11中的至少一個場電極結構20。半導體器件可以包括其它器件特徵，諸如例如，當半導體器件被實施為MOS電晶體時的柵極電極。然而，在圖1中以及在圖2至圖9中，僅示出了為了理解被布置在漂移區域11中的場電極結構20的操作原理所需要的半導體器件的那些特徵。該場電極結構20可以被採用在包括諸如圖1所示漂移區域11的漂移區域、以及諸如圖1中所示漂移區域11與另外的器件區域之間的結12的結的任何半導體器件中。具有漂移區域以及在漂移區域與另外的器件區域之間的結的半導體器件包括但不限於諸如MOSFET (金屬氧化物柵極場效應電晶體)或IGBT (絕緣柵雙極性電晶體)的MOS電晶體、p-1-n 二極體、肖特基二極體、JFET (結型場效應電晶體)。如參照圖1至圖9所解釋的場電極結構20可以被運用在垂直器件中，其中器件的電流流動方向對應於器件的半導體本體的垂直方向，或者被運用在橫向器件中，其中器件的電流流動方向對應於器件的半導體本體的橫向(水平)方向。
[0049]參照圖1，場電極結構20包括場電極21和場電極電介質22。場電極電介質22鄰接場電極21，被布置在場電極21與漂移區域11之間，並且具有開口 26，以使得場電極電介質22並未完全圍繞漂移區域21內的場電極21。場電極結構20進一步包括第一導電類型、並且比漂移區域11更高摻雜的場停止區域23。場停止區域23將場電極21通過場電極電介質22的開口 26而耦合或者連接至漂移區域11。漂移區域11的摻雜濃度例如在114CnT3(IeHcnT3)和118CnT3(lel8cnT3)之間的範圍內。場停止區域的摻雜濃度例如在116CnT3(lel6cnT3)和120CnT3(le20cnT3)之間的範圍內。場停止區域23的摻雜如此以使得當在漂移區域11中擴展的耗盡區域到達場停止區域時場停止區域無法完全耗盡電荷載流子。當半導體本體100包括矽作為半導體材料時，當場停止區域中的摻雜劑劑量高於約2*1012Cm_2(2el2Cm_2)時場停止區域23無法完全耗盡電荷載流子。場停止區域23的摻雜劑劑量對應於在電流流動方向X的場停止區域23的摻雜濃度。
[0050]場電極電介質22包括例如氧化物、氮化物、高k電介質、低k電介質等等。場電極電介質22可以甚至包括形成在圍繞場電極21的空隙中的氣體或者真空。根據一個實施例，場電極電介質22是具有兩個或更多不同電介質層的複合層。
[0051]半導體器件具有電流流動方向X，其是當半導體器件導通(處於導通狀態)時漂移區域11中電荷載流子流動的方向。場電極21具有作為在電流流動方向X上的場電極21的尺寸的長度1，以及作為在垂直於電流流動方向X的方向上的場電極21的尺寸的寬度W。一個場電極21可以具有變化的長度和變化的寬度。在該情形下，長度「I」表示了場電極21的長度的最大值，並且寬度定義了場電極21的寬度的最大值。場電極電介質22基本上具有U型形狀，具有底部區段22i以及兩個腿部區段222、223。場電極21的寬度w是場電極21在場電極電介質22的兩個腿部區段222、223之間的尺寸。如參照圖16A至圖16D所示，可以以許多不同方式修改場電極電介質22的U型形狀。然而，修改的U型形狀也包括底部區段221;以及限定了寬度w並且在其之間布置了場電極21的兩個腿部區段。
[0052]場電極21的長寬比是長度I與寬度w之間的比例，高於1，也即l/w>l。根據一個實施例，長寬比Ι/w在I和50之間，特別是在5和50之間。作為場電極電介質22在場電極21與漂移區域11之間的尺寸的場電極電介質22的厚度可以變化。根據一個實施例，該厚度在1nm和2 μ m之間。
[0053]場電極21具有兩個縱向端部，其是場電極21在電流流動方向X的方向上的那些端部。場電極21的第一縱向端部面向場電極電介質22的底部區段22lt)場電極21的第二縱向端部面向場電極電介質22的開口 26，其中在圖1所示實施例中的該開口 26面向或者位於半導體器件的結12的方向。
[0054]在進一步公開場電極21和場停止區域23的可能實施方式的細節之前，參照圖1說明半導體器件、特別是場電極結構20的基本操作原理。為了解釋說明的目的，假設漂移區域11是η摻雜的，以使得當正電壓被施加在漂移區域11與另外的器件區域13之間或者分別被施加在第二與第一端子32、31之間時，結12被反向偏置。然而，如下所述的操作原理也對應的適用於具有P摻雜的漂移區域的半導體器件。
[0055]當結12反向偏置時，耗盡區域(空間電荷區域)開始於結12處而在漂移區域11中擴展。作為在垂直於結12的方向上的耗盡區域的尺寸的耗盡區域的寬度取決於將結12反向偏置的電壓。當反向偏置電壓增大時耗盡區域的寬度增大。在耗盡區域內，在漂移區域11中存在電離的摻雜劑原子。當漂移區域11是η摻雜時，這些電離的摻雜劑原子具有正電荷(並且當漂移區域是P摻雜時具有負電荷)。在漂移區域11中對應於正電荷的負電荷在位於結12的另一側的另外的器件區域13中。當耗盡區域到達場停止區域23時，電離過程也在具有與漂移區域11相同摻雜類型的場停止區域23中發生。在η摻雜的場停止區域23中，生成了電子，由此在場停止區域23中留下了正性摻雜劑離子(這些電離的摻雜劑原子未示出在圖1中)。藉助於場停止區域23和漂移區域11中正性電荷電離的摻雜劑原子而引起的電場，在半導體器件的電流流動方向X上驅使場停止區域23中生成的電子遠離(distant)結12。場停止區域23在電流流動方向上鄰接場電極21以使得場停止區域23中生成的電子被驅使進入場電極21中。藉助於場電極電介質22，電子被「俘獲」在場電極21中，以使得場電極21負性地被充電。通過這樣，不僅是另外的器件區域13而且場電極21也提供了對應於漂移區域11中正電荷的負電荷(相反電荷)。
[0056]當由漂移區域11中電離的摻雜劑原子以及另外的器件區域13中對應的相反電荷所生成的電場到達臨界電場時，達到了半導體器件的電壓阻斷能力。該臨界電場是諸如矽的半導體本體的半導體材料的材料常數。在結12處達到臨界電場的反向偏置電壓取決於漂移區域11的摻雜濃度，並且因此取決於當施加反向偏置電壓至結12時可以電離的摻雜劑原子的數目。然而，當比如在圖1的半導體器件中漂移區域11中的電離的摻雜劑原子不僅在結12的另一側在另外的器件區域13中發現對應的相反電荷、而且也在漂移區域11內也即在場電極21中發現對應的相反電荷時，漂移區域11的摻雜濃度可以增大，而不會降低半導體器件的電壓阻斷能力。增大漂移區域11的摻雜濃度對於半導體器件的導通電阻是有益的。在諸如MOSFET或肖特基二極體的單極性半導體器件中，導通電阻主要由漂移區域11的歐姆電阻限定，其中當漂移區域11的摻雜濃度增大時漂移區域11的歐姆電阻減小。
[0057]場電極21在電流流動方向上鄰近場停止區域23以使得電荷載流子從場停止區域23流動進入它們在此處被俘獲的場電極21。在場電極21中俘獲的電荷載流子的生成過程是可逆的，這意味著當通過關斷反向偏置電壓而去除了區域11中耗盡區域時，被俘獲在場電極21中的電子回流進入場停止區域23。
[0058]當漂移區域11和場停止區域23是η摻雜的區域時，當耗盡區域到達場停止區域23時流入場電極21中的電荷載流子是η型電荷載流子(電子)。在該情形中，場電極21負性地被充電。然而，當漂移區域11和場停止區域23是P摻雜的區域時，P型電荷載流子流動進入場電極21，由此正性地充電了場電極。例如，當場電極21包括金屬時，P型電荷載流子進入場電極的流動對應於電子從金屬場電極21進入場停止區域23的流動。
[0059]參照圖1，場停止區域23可以完全被布置在場電極電介質23內，以使得場停止區域23不會在半導體器件的電流流動方向X上延伸越過場電極電介質22的開口 26。場電極21例如包括第一摻雜類型的單晶半導體材料，多晶或非晶半導體材料，或金屬。導電接觸或接觸區域24可以被布置在場停止區域23與場電極21之間，導電接觸或接觸區域24將場停止區域23電連接至場電極21。當場電極21是第一摻雜類型的單晶半導體區域時，場電極21的摻雜濃度可以對應於場停止區域23的摻雜濃度。在該情形中，在相同半導體區域內可以提供兩種功能(場停止和場電極)。然而，場停止區域23和場電極21也可能具有不同的摻雜濃度。根據一個實施例，場電極21的摻雜濃度對應於漂移區域11的摻雜濃度。
[0060]可選地，場電極結構20包括屏蔽結構25，其被布置為在電流流動方向X上遠離場電極電介質22的開口 26。屏蔽結構與場電極結構20成直線。作為屏蔽結構在垂直於電流流動方形的方向上的尺寸的屏蔽結構的寬度可以對應於場電極結構20的寬度，或者可以大於場電極結構的寬度。
[0061]根據一個實施例，屏蔽結構25僅包括電介質，諸如例如氧化物。根據另一實施例，屏蔽結構25包括通過電介質而與諸如漂移區域11的半導體區域介電絕緣的電極。電極例如電連接至參考電勢。該參考電勢可以是第一端子的電勢。在MOSFET中，以下將參照圖17至圖20說明的是，參考電勢也可以是柵極電極的電勢。連接至參考電勢的屏蔽結構25的電極可以當器件處於阻斷狀態時對於場停止區域23中的電荷而提供相反電荷。根據另一實施例，屏蔽結構25是與漂移區域11的摻雜類型互補的摻雜類型的半導體區域。
[0062]圖2示出了圖1所示的半導體器件的修改例。在根據圖2的半導體器件中，場停止區域23延伸穿過場電極電介質22的開口 26，以使得場停止區域23在電流流動方向x上延伸越過場電極電介質22的開口 26。在垂直於電流流動方向X的方向上，在圖2所示實施例中，場停止區域23並未延伸越過場電極電介質22。
[0063]參照圖3，場停止區域23也可以在垂直於電流流動方向X的方向上延伸越過場電極電介質22。然而，在該方向上場停止區域23並未延伸越過場電極電介質22多於200nm、多於10nm,或者甚至不多於50nm。
[0064]在圖1至圖3所示實施例中，場停止區域23和場電極電介質22完全分隔場電極21與漂移區域11。然而，這僅是示例。
[0065]根據如圖4所示的另一實施例，場電極21的一區段鄰接緊靠場停止區域23的漂移區域11。在如圖4所示實施例中，場停止區域23具有兩個場停止區域區段，場電極21在兩者之間延伸至漂移區域11。然而，這僅是示例。根據另一實施例(未示出)，場停止區域23僅包括一個區段。在如圖4所示實施例中，場停止區域23完全被布置在場電極電介質22內。然而，場停止區域23也可以在電流流動方向上延伸越過場電極電介質22的開口。
[0066]圖5示出了半導體器件的另一實施例。在該實施例中，場停止區域23僅被布置在場電極電介質22之外。在該實施例中，場電極21或可選的接觸24延伸至場電極電介質22的開口並且鄰接場停止區域23。在如圖5所示實施例中，場停止區域23和場電極電介質22完全分隔場電極21和漂移區域11。然而，這僅是示例。如圖4所示，也可能有鄰接漂移區域11的場電極21的區段。
[0067]儘管開口 26的尺寸對應於如圖1至圖5所示的實施例中場電極21的寬度W，但這僅是示例。
[0068]參照圖6,場電極電介質22可以實施具有開口 26,開口 26小於場電極21的寬度。該場電極電介質22的小開口可以在參照圖1至圖5所述的每個實施例中被採用。如圖6所示使得場停止區域23布置在場電極電介質22之外並且鄰接開口 26中的場電極21或接觸24，這僅是與較小開口有關的實施了場停止區域23的許多不同實施例的一個。
[0069]圖7示出了具有場電極結構20的半導體器件的另一實施例。該場電極結構20包括生成區域50，被配置用於當結12被反向偏置時而耗盡區域到達生成區域50時而產生電荷載流子配對，也即空穴和電子。不同於參照圖1至圖6所述的場停止區域23生成流入場電極21中的第一類型的電荷載流子也即如前所述示例中的電子，以及第二類型的固定電荷載流子也即正性電離的摻雜劑原子，生成區域50產生了可以在漂移區域內移動的兩種類型的電荷載流子。為了解釋說明的目的，再次假設漂移區域11是η型漂移區域以使得當結12被反向偏置時在漂移區域11中存在正性摻雜劑離子(電離的摻雜劑原子)。當耗盡區域到達生成區域50時生成電子和空穴，而電子藉助於電場而被驅使遠離結12並且進入場電極電介質22內的場電極21中。在場電極21中俘獲電子的效應與參照圖1所述相同。空穴在結12的方向上被驅動並且到達第一電極31 (僅示意性地示出並且可以包括金屬)，在此處它們與電子複合，或者一些空穴累積在可選的防止空穴流動至結12的屏蔽結構25處。
[0070]可以以許多不同方式實施至少一個生成區域50。根據一個實施例，生成區域50是在場電極21與漂移區域11之間的界面區域。在該情形下，場電極21包括例如金屬、矽化物或碳。根據另一實施例，場電極包括其中注入或者擴散外來材料原子、或者包括晶體缺陷的多晶半導體材料、非晶半導體材料或單晶半導體材料。合適的外來材料原子例如是重金屬原子，諸如例如金原子或鉬原子。可以通過將諸如氬(Ar)或鍺(Ge)原子、半導體原子等等的粒子注入場電極中而產生晶體缺陷。當場電極21包括具有外來材料原子或晶體缺陷的多晶或非晶半導體材料或單晶半導體材料時，在場電極21內存在多個生成區域50。單晶材料中的每個外來材料原子或每個缺陷、或者單晶或非晶材料中的固有晶體邊界可以用作生成區域。根據另一實施例，場電極21包括與漂移區域11互補摻雜的單晶半導體材料。
[0071]生成區域50相對於場電極21的位置可以對應於如前所述的場停止區域23相對於場電極21的位置。類似於參照圖1至圖6所述的場停止區域23，生成區域50可以在半導體器件的電流流動方向X上鄰近場電極21，以使得在生成區域50中所生成的諸如電子的電荷載流子流入它們在此處被俘獲的場電極21。然而，也可能在場電極內提供至少一個生成區域50，例如當場電極21包括具有晶體缺陷的多晶或非晶半導體材料或者單晶半導體材料時。與參照場停止區域23所述的效應相同，向場電極21充電是可逆的。當將結反向偏置的電壓減小或者關斷時，被俘獲在場電極21中的電荷載流子從場電極21移除，以便對場電極21放電。這些電荷載流子可以或者在生成區域50處與互補的電荷載流子複合，或者可以經由漂移區域而流至電極中的一個電極。例如當漂移區域是η摻雜的時，在結12被反向偏置時電子被俘獲在場電極21中，當反向偏置電壓關斷或者減小時這些電子在生成區域50處與空穴複合或者流動至第二電極32。與空穴複合的電子的數目取決於當結被反向偏置時保存在漂移區域11中的空穴的數目。當結被反向偏置時，空穴例如被保存在屏蔽結構25處，該屏蔽結構可以用作用於與向場電極21充電的電荷載流子互補的電荷載流子的俘獲陷講(trap)。
[0072]場電極結構20可以包括場停止區域23和生成區域50，鍺意味著場停止區域23和生成區域50可以被組合在一個場電極結構中。例如在如圖4所示實施例中，當場電極21包括金屬、具有外來材料原子或晶體缺陷的多晶或非晶半導體材料或單晶半導體材料時，在場電極21與漂移區域11之間的界面處或靠近該界面處、或者在場電極21中存在生成區域。根據另一實施例(未示出)，半導體器件包括與如前所述漂移區域11相同摻雜類型的場停止區域23，以及互補摻雜類型的半導體區域。場停止區域和互補的半導體區域通過金屬化電極連接，並且互補的區域可以被設置在場停止區域與場電極21之間。在該實施例中，場停止區域、金屬化電極以及互補的區域形成生成區域，以使得在該器件中均可獲得場停止區域和生成區域。
[0073]圖8示出了包括具有生成區域50的場電極結構20的半導體器件的另一實施例。在該實施例中，場電極21包括金屬或矽化物區域51。該金屬或矽化物區域51、或者在金屬或矽化物區域51與場電極21之間的界面用作生成區域。取決於場電極21的實施方式，由金屬或矽化物區域51形成的生成區域可以僅僅是器件中的生成區域，或者可以是若干生成區域之一。根據一個實施例，場電極21包括單晶半導體材料。在該情形中，生成區域僅形成在金屬或矽化物區域51與場電極之間的界面處。根據另一實施例，場電極包括具有外來材料原子或晶體缺陷的多晶或非晶半導體材料或單晶半導體材料。在該情形中，在場電極中存在附加的生成區域。
[0074]參照圖9，生成區域50可以包括鄰接漂移區域11的空隙52。在漂移區域11與空隙52之間的界面用作生成區域50。在如圖9所示的實施例中，空隙52也延伸進入場電極
21。然而，這僅是示例。空隙52也可以遠離場電極51。與參照圖1至圖6所述的場停止區域23相同，生成區域50被設置為在半導體器件的電流流動方形X上鄰近或者毗鄰場電極
21。生成區域50可以被布置在場電極電介質22內，或者也可能被布置在場電極電介質22之外但是在電流流動方向X上與場電極21成直線，以使得在生成區域50中所生成的電荷載流子通過開口 26而被驅使進入場電極21。
[0075]圖10示意性地示出了當結(圖10中未示出)被反向偏置時在半導體器件中場電極21和場電極電介質22的區域中的等電勢線。附圖適用於包括諸如參照圖1至圖6所述場停止區域23的場停止區域、或者諸如參照圖7至圖9所述生成區域50的生成區域的半導體器件。如從圖10可看出，在場電極21內沒有電場。場電極21的電勢對應於漂移區域11處於場停止區域23或生成區域50所在位置處所具有的電勢。在圖10中，場電極21下方的場電極電介質22繪製為比沿著場電極21的側壁的場電極電介質22更厚。然而，場電極21下方的場電極電介質22可以與沿著場電極21的側壁的場電極電介質22同樣厚。
[0076]圖11示出了在如圖1所示剖面A-A中的半導體本體100的剖視圖。該剖面A-A切割穿過場電極21和場電極電介質22，並且垂直於如圖1至圖9所示的剖面。在如圖11所示的實施例中，場電極21具有條帶狀並且在垂直於限定場電極21寬度w方向的方向上縱向地延伸。
[0077]圖12示出了其中場電極21具有堆狀的另一實施例。在如圖12所示實施例中，場電極21具有矩形剖面。然而，這僅是示例。堆狀場電極21也可以具有任何其它剖面，諸如例如橢圓剖面、六邊形剖面、或者任何其它多邊形剖面。
[0078]圖13示出了半導體器件的實施例的剖視圖，其包括在半導體器件的電流流動方向X上相互遠離的多個場電極結構20。根據圖13的半導體器件包括三個場電極結構20。然而，這僅是示例。場電極結構20的數目可以任意地選擇，特別是取決於半導體器件所希望的電壓阻斷能力以及取決於漂移區域11的長度。漂移區域11的長度是漂移區域11在電流流動方向上的尺寸。在根據圖13的器件中，當結12被反向偏置以使得耗盡區域在漂移區域11中擴展時，耗盡區域首先到達被布置得最靠近結12的場電極結構20，以使得該場電極結構的場電極21被偏置以便於向漂移區域11中的電離的摻雜劑原子提供相反電荷。當耗盡區域進一步傳播至漂移區域11、並且到達下一個場電極結構20時，該場電極結構的場電極21也被偏置。當將結12反向偏置的電壓增大時，該過程繼續，直至最遠離結12的場電極結構的場電極21被偏置。
[0079]圖13所示的場電極結構20對應於參照圖1所述的場電極結構20。然而，這僅是示例。如前所述的具有場停止區域23和/或生成區域50的任何其它的場電極結構20也可以在根據圖13的半導體器件中被採用。根據一個實施例，以相同方式實施了單獨的場電極結構20。根據另一實施例，在一個半導體器件中採用了不同的場電極結構20。
[0080]在根據圖13的半導體器件中，單獨的場電極結構20在電流流動方向X上相互成直線。可選的屏蔽結構25被布置在最靠近結12的場電極結構20與結12之間。對於其餘的場電極結構20，相鄰的場電極結構、特別是相鄰場電極結構的場電極電介質22用作屏蔽結構，以使得對於這些場電極結構無需附加的屏蔽結構。
[0081]參照圖13中虛線所示，半導體器件可以包括電荷載流子陷阱27，該載流子陷阱27針對當結12被反向偏置時與場電極21中俘獲的電荷載流子的電荷載流子類型互補的電荷載流子。特別是當場電極結構20包括生成區域時，在場電極21被充電或者偏置時，生成了那些互補的電荷載流子。在圖13所示實施例中，電荷載流子陷阱27被布置在位於遠離開口 26的場電極的縱向端部處的場電極電介質處。電荷載流子陷阱可以包括面向相鄰場電極結構20的開口 26的彎曲表面(如圖13所示)，或者可以包括平直表面(未示出)。電荷載流子陷阱27可以被形成作為場電極電介質22的區段，並且可以包括與場電極電介質22相同的材料。形成在一個場電極結構的一個端部處的一個電荷載流子陷講27俘獲了在相鄰場電極結構的生成區域(圖13中未示出)中所生成的電荷載流子。鄰近最靠近結12的場電極結構20的屏蔽結構可以用作針對在該場電極結構20中所生成的互補的電荷載流子的電荷載流子陷阱。
[0082]圖14示出了具有多個場電極結構的半導體器件的另一實施例。在該半導體器件中，單獨的場電極結構20也在電流流動方向X上遠離地被布置。然而，單獨的場電極結構20並未相互成直線,而是在垂直於電流流動方向X的方向上偏移。根據一個實施例，圖14中所示的結構用作垂直半導體器件中的邊緣終止結構。在該情形中，具有偏移場電極結構的結構設置在半導體本體10的邊緣區域中，該邊緣區域是半導體本體的靠近半導體本體的(垂直)邊緣100的區域。尤其是當用作邊沿終止結構時，可以省略與單獨的場電極結構鄰近的可選的屏蔽結構。
[0083]圖15示出了包括多個場電極結構20的半導體器件的另一實施例。在該半導體器件中，生成區域50形成在場電極21與漂移區域11之間和/或在場電極21內。此外，被布置為最靠近結12的場電極結構20的場電極21延伸至屏蔽結構25。其它場電極結構20的場電極21在電流流動方向X上延伸至或者進入相鄰場電極結構20的場電極電介質22。相鄰場電極結構的場電極21延伸至或者進入的、一個場電極結構20的場電極電介質22的那些區域形成了針對互補電荷載流子的電荷載流子陷阱27。生成區域50是在場電極21與漂移區域11之間的界面，該界面在垂直於電流流動方向的方向上遠離場電極電介質22的外邊緣，或者生成區域被布置在場電極21內。在每個情形中，這些生成區域50並未在垂直於電流流動方向的方向上延伸越過場電極電介質22。
[0084]參照以上說明，場電極電介質22基本上是U形的，具有底部區段22i以及兩個相對的腿部區段222、223。
[0085]參照圖16A至圖16D，可以用許多不同方式修改該U形。圖16A至圖16D示意性示出了場電極電介質22的可能的形式或幾何形狀的實施例。參照圖16A至圖16B，場電極21以及因此場電極電介質22的U形可以在開口 26的方向上變窄。在如圖16C所示實施例中，場電極21具有大致恆定的寬度，其中場電極電介質22僅在靠近開口 26的區域中變窄。參照圖16D，場電極電介質22也可以是瓶狀的。圖16A至圖16D僅示出了其中可以修改場電極電介質22的U形的許多可能方式的幾種。
[0086]圖17示出了實施作為MOS電晶體的具有場電極結構的半導體器件的剖視圖。在圖17中、以及在圖18至圖21中，僅示意性示出了場電極結構20。此處以下參照圖1至圖16所述的每一個場電極結構可以在這些半導體器件中被採用。參照圖17，另外的器件區域13形成了 MOS電晶體的本體區域，並且相對於漂移區域11互補地被摻雜。在漂移區域11與本體區域13之間的結12在該器件中是pn結。MOS電晶體進一步包括源極區域14和漏極區域15。本體區域13被布置在源極區域14與漂移區域11之間，並且漂移區域11被布置在本體區域13與漏極區域15之間。柵極電極鄰接本體區域13，並且通過柵極電介質42與本體區域13介電絕緣。
[0087]MOS電晶體可以被實施為增強型電晶體(常斷型電晶體)。在該情形中，本體區域13鄰接柵極電介質42。半導體器件也可以被實施為耗盡型電晶體(常通型電晶體)。在該情形中，與源極區域14和漂移區域11摻雜類型相同的溝道區域(未示出)沿著本體區域13中的柵極電介質42而在源極區域14與漂移區域11之間延伸。
[0088]MOS電晶體可以被實施為η型電晶體。在該情形中，源極區域14和漂移區域11是η摻雜的，而本體區域13是P摻雜的。半導體器件也可以實施作為P型電晶體。在該情形中，源極區域14和漂移區域11是P摻雜的，而本體區域13是η摻雜的。此外，MOS電晶體可以實施作為MOSFET或作為IGBT。在MOSFET中，漏極區域15與漂移區域11摻雜類型相同，而在IGBT中，漏極區域15是互補摻雜的。在IGBT中，漏極區域也稱作集電極區域，而不是漏極區域。
[0089]根據圖17的MOS電晶體可以被實施為垂直電晶體。在該情形中，源極區域14和漏極區域15在半導體本體100的垂直方向上遠離地被布置，並且垂直方向是垂直於半導體本體100的第一和第二表面的方向。在垂直電晶體中，電流流動方向X對應於半導體本體100的垂直方向。然而，電晶體也可以被實施為橫向電晶體。在該情形中，源極區域14和漏極區域15在半導體本體的橫向或水平方向上遠離地被布置，以使得電晶體的源極和漏極電極被布置在半導體本體的一個側。在根據圖17的MOS電晶體中，第一電極31形成了接觸源極和本體區域14、13並且連接至源極端子S的源極電極，而第二電極32形成了電連接至漏極端子D的漏極電極。柵極電極41電連接至柵極端子G。與傳統的電晶體類似，根據圖17的電晶體可以包括多個相同的電晶體單元，每個電晶體單元包括源極區域14、本體區域13和柵極電極14的一區段。單獨的電晶體單元可以共用漂移區域11和漏極區域15。單獨的電晶體單元被並聯連接，使得單獨的源極區域14連接至源極電極31，並且單獨的柵極電極14連接至共用的柵極端子G。
[0090]在根據圖17的電晶體器件中，場電極結構20在電流流動方向X上與柵極電極41和柵極電介質42成直線。在垂直於圖17所示平面的平面中的場電極的幾何形狀(圖17中未示出)可以對應於在該平面中的柵極電極41的幾何形狀。在根據圖17的半導體器件中，僅一個場電極結構20被布置為與一個柵極電極或柵極電極區段41成直線。然而，這僅是示例。參照如圖13至圖15所示的實施例，多個場電極結構20可以在電流流動方向X上相互成直線地被布置。
[0091]在根據圖17的實施例中，其中場電極結構20與柵極電極和柵極電介質42成直線地被布置，柵極電極和柵極電介質用作屏蔽結構25和/或用作電荷載流子陷阱，以使得無需附加的屏蔽結構。
[0092]根據圖17的MOS電晶體可以類似於傳統的MOS電晶體操作，通過施加合適的驅動電勢至柵極電極41而導通和關斷。當MOS電晶體關斷並且將漂移區域11和本體區域13之間Pn結反向偏置的電壓施加在漏極與源極端子D、S之間時，場電極結構20的場電極(圖17中未示出)如前所述被偏置以便於提供相對於漂移區域11中的摻雜劑電荷的相反電荷。
[0093]圖18示出了被實施為MOS電晶體的半導體器件的另一實施例。圖18的半導體器件是圖17的半導體器件的修改例，其中在圖18的實施例中，在柵極電極41與漂移區域11之間的電介質層43厚於柵極電介質42。該電介質層的厚度例如是在10nm和500nm之間。
[0094]圖19示出了如圖17所示半導體器件的另一修改例。圖19的半導體器件包括另外的場板或場電極44。該另外的場電極44通過另外的場電極電介質45而與漂移區域11介電絕緣。另外的場電極44以圖19中未示出的方式電連接至源極端子S或柵極端子G，並且包括例如金屬或多晶半導體材料。在如圖19所示實施例中，另外的場電極44形成在與柵極電極41相同的溝槽(trench)中，以使得另外的場電極44與柵極電極41成直線。然而，這僅是示例。另外的場電極44和柵極電極41也可以實施在不同的溝槽中。
[0095]在如圖17至圖19所示實施例中，柵極電極41被實施為被布置在半導體本體100的溝槽中的溝槽柵極。然而，這僅是示例。也可以採用任何其它類型的柵極電極幾何形狀。
[0096]圖20示出了具有平面柵極電極41的垂直電晶體器件的剖視圖，平面柵極電極是被布置在半導體本體100表面之上的柵極電極。在該實施例中，漂移區域12包括延伸至半導體本體100的第一表面、並且延伸至被布置在第一表面之上的柵極電介質42的區段。本體區域13可以用作屏蔽結構，以使得無需附加的屏蔽結構25。
[0097]圖21示出了實施作為二極體的半導體器件的實施例。在該半導體器件中，另外的器件區域13或者是與漂移區域11摻雜類型互補的半導體區域以便形成雙極性二極體、特別是P-1-n 二極體，或者另外的器件區域13是肖特基區域以便形成肖特基二極體。另外的器件區域形成了二極體的第一發射極區域。二極體進一步包括與漂移區域11相同摻雜類型、但是更高摻雜的第二發射極區域15。在該實施例中，第二發射極區域15連接至形成了陽極端子的第一電極31，並且發射極區域14連接至形成了二極體的陰極端子K的第二電極32。
[0098]可以類似於傳統的二極體而操作根據圖21的二極體。當將漂移區域11與第一發射極區域13之間pn結反向偏置的電壓被施加在陽極和陰極端子A、K之間時，場電極結構20的場電極(圖17中未示出)如前所述被偏置以便於提供相對於漂移區域11中的摻雜劑電荷的相反電荷。
[0099]參照以上實施例，當半導體器件切換至關斷狀態時，在場電極結構20中存儲了電荷。存儲在場電極結構20中的電荷具有以漂移區域11中電離摻雜劑原子形式的對應的電荷。當半導體器件切換關斷並且在漂移區域11的電流流動方向上鄰近布置了數個場電極時，隨著耗盡區域在漂移區域11中擴展以及隨著漂移區域11之上電壓增大，單獨的場電極21隨後被充電。因此，在更遠離pn結12的場電極被充電之前，首先對更靠近pn結12的場電極充電。
[0100]分別在場電極21和漂移區域11中存儲電荷需要電能。該能量通常稱作Effis,取決於存儲在半導體器件中電荷的總量，並且取決於存儲這些電荷所處的電壓。為了在靠近pn結的場電極21中存儲電荷，比在更遠離pn結的場電極中存儲相同量電荷所需的能量更少，這是因為更遠離pn結12的場電極21在漂移區域11之上的電壓已經增大至更高數值時被充電。在切換關斷時刻在半導體器件中存儲電荷所需的能量貢獻了半導體器件的開關損耗。
[0101]為了減小開關損耗，半導體器件可選地包括與漂移區域11的第一摻雜類型互補的第二摻雜類型的補償區域16。補償區域16被布置在漂移區域11中以使得在漂移區域11與補償區域16之間存在pn結。此外，補償區域16電耦合至器件區域13。在如圖13、圖15和圖17至圖21所示半導體器件中示意性示出(以虛線)了補償區域16。在這些實施例中，補償區域16鄰接器件區域13，當半導體器件被實施為MOSFET時器件區域是本體區域。在實施具有多個電晶體單元的半導體器件中，補償區域16可以與每個電晶體單元相關聯並且連接至單獨的電晶體單元的本體區域13。
[0102]在半導體器件的電流流動方向上，補償區域16在漂移區域11的長度的有效(significant)部分之上延伸。漂移區域11的「長度」是漂移區域11在pn結12與漏極區域或發射極區域15之間的尺寸。
[0103]補償區域16的工作原理對應於傳統的超級結半導體器件中補償區域的工作原理，並且以下將描述。在半導體器件的導通狀態下，在漂移區域11與補償結構16之間的pn結之上的電壓對應於在連接至器件區域13 (本體區域)的第一負載端子31 (源極端子)、與連接至漏極區域或發射極區域15的第二負載端子32之間的電壓。在MOSFET中，當MOSFET處於正向操作模式下(當正性電壓被施加在漏極與源極端子D、S之間時，是η型M0SFET)時，在漂移區域11與補償區域16之間的pn結總是被反向偏置。然而，當MOSFET處於導通狀態時，第一與第二負載端子31、32(源極和漏極端子)之間的電壓差相對較低，以使得圍繞該pn結僅存在小的耗盡區域。在二極體中，當二極體處於導通狀態時，漂移區域11與補償區域16之間的pn結被正向偏置。
[0104]當關斷半導體器件以使得在第一與第二負載端子31、32之間電壓差增大時，耗盡區域在漂移區域11中均從器件區域13與漂移區域11之間的pn結12、以及從漂移區域11與補償區域16之間的pn結開始擴展。參照以上說明書，耗盡區域的擴展涉及以電離摻雜劑原子的形式在漂移區域11中存儲電荷。因為補償區域16延伸深入漂移區域11中並且因為漂移區域11與補償區域16之間的pn結的面積要相對大於在漂移區域11與器件區域13之間的pn結的面積，因此在負載端子31、32之間的低電壓下，漂移區域11的大部分體積變得耗盡，這意味著在電壓下耗盡區域從漂移區域11與器件區域13之間pn結12開始擴展之前，到達了第一場電極結構20。因此，藉助於提供補償區域16而減小了開關損耗。
[0105]不同於傳統的超級結器件，其僅包括漂移區域和補償區域並且不包括在此如上所述的場電極結構，不需要在漂移區域和補償區域中精確平衡摻雜劑原子。在傳統的超級結器件中，漂移區域中摻雜劑原子的總數目必需對應於補償區域中摻雜劑原子的總數目以使得在漂移區域中每個摻雜劑原子在補償區域中找到對應的摻雜劑原子。然而在此之前所述的半導體器件中，漂移區域11中的摻雜劑原子總數目可以高於補償區域16中摻雜劑原子的總數目，因為場電極結構20附加地提供了補償效應。
[0106]參照在此之前所述的說明，當漂移區域11和器件區域13之間的結被反向偏置時(以及當在MOS電晶體的情形中幹擾在源極區域14與漂移區域11之間的導電溝道時)，空間電荷區域(耗盡區域)在漂移區域11中擴展。隨著將結12反向偏置的電壓增大從結12看到的空間電荷區域擴展深入漂移區域11。當空間電荷區域到達場電極結構20時，對應的場電極21 (以如前所述方式)被充電以便於提供相對於漂移區域11中電離的摻雜劑原子的相反電荷。對單獨的場電極21充電需要電流流入半導體器件中。也即，在半導體器件已經被反向偏置之後，電流流入半導體器件以對場電極21充電。對場電極21充電涉及損耗，其中由以下公式給出當從導通狀態切換至關斷狀態(反之亦然)時在半導體器件中耗散的總能量(通常稱作Eqss):
[0107]Eoss — / Vds.IDSdt (I)
[0108]其中，Vds是當器件從導通狀態切換至關斷狀態時在第一與第二端子31、32之間的電壓，而Ids是在從導通狀態向關斷狀態轉變期間流入器件的電流，並且其中在器件從導通狀態切換至關斷狀態期間的時段上對電壓Vds與Ids的乘積求積分。在從導通狀態至關斷狀態的轉變期間，電壓Vds從數伏增大至最終器件所支持的阻斷電壓。該阻斷電壓可以高達數百伏。當器件從關斷狀態切換至導通狀態時，也即當場電極21放電時，發生等價的損耗。
[0109]在包括在電流流動方向上遠離的若干場電極結構20的半導體器件中(例如如圖13至圖15所示)，當端子31、32之間的電壓Vds相對低時，那些靠近結12的(以及通過空間電荷區域首先到達)的那些場電極結構使得它們的場電極21被充電，而當端子31、32之間的電壓Vds已經相對高時，那些更遠離pn結12 (也即更靠近漏極或發射極區域15)的那些場電極結構使得它們的場電極21被充電。如果需要大致相同的電荷量以對每個單獨的場電極充電，則對於更遠離pn結12並且當Vds已經相對高時充電的那些場電極進行充電所需的能量，要高於對更靠近pn結12的並且當Vds相對低時充電的那些場電極充電所需的能量。
[0110]為了減小當器件從導通狀態切換至關斷狀態(或者從關斷狀態切換至導通狀態)時發生的總開關損耗，需要使得在半導體器件中，當器件之上的電壓Vds仍然/已經相對低時，對其中比其它場電極21更遠離pn結12的那些場電極21充電/放電。這些半導體器件的一個實施例示出在圖22至圖24中。
[0111]圖22示出了半導體器件的透視剖視圖，其包括在電流流動方向X上間隔的多個(至少兩個)場電極結構20。圖23示出了在圖22所示垂直剖面B-B中半導體器件的垂直剖視圖，並且圖24示出了在圖22所示垂直剖面C-C中半導體器件的水平剖視圖。圖22至圖24中所示半導體器件被實施為電晶體器件，具體為垂直M0SFET。然而，這僅是示例，半導體器件也可以被實施為雙極性二極體或肖特基二極體。此外，也可能將半導體器件實施為橫向半導體器件，而不是垂直半導體器件。
[0112]在如圖22至圖24所示電晶體器件中，器件區域13是鄰接漂移區域11的本體區域。此外，電晶體器件包括至少一個器件單元，該器件單元具有本體區域13、源極區域14和柵極電極41。柵極電極41通過柵極電介質42而與本體區域13介電絕緣，並且本體區域13被布置在漂移區域11與源極區域14之間。參照圖22，源極區域14和本體區域13連接至源極端子S。可選地，源極端子S經由與本體區域13相同摻雜類型的更高摻雜的接觸區域18而接觸本體區域13。更高的摻雜區域18的摻雜濃度可以如此以使得在形成源極端子S(或者連接至源極端子S)的源極電極(圖22中未示出)與接觸區域18之間存在歐姆接觸。
[0113]電晶體器件可以包括多個器件單元(在圖22中僅示出了那些器件單元的一個)，通過使得它們的柵極電極41連接至柵極端子G、並且通過使得它們的源極區域14連接至源極端子S而並聯。單獨的器件單元可以具有共用的漂移區域11和漏極區域15。在考慮源極區域14、本體區域13、漂移區域11和漏極區域15的摻雜類型和摻雜濃度之前參照此處實施例所述的細節也適用於圖22的電晶體器件。
[0114]參照圖22，半導體器件進一步包括與漂移區域11的第一摻雜類型互補的第二摻雜類型的耦合區域17。該耦合區域17電耦合至本體區域13 (器件區域)並且形成了與漂移區域11的pn結。在圖22中僅示意性示出的場電極結構20可以根據此前所述的任何實施例而實施。參照此前附圖1至圖21所述的實施例，單獨的場電極結構20各包括場電極21，場電極電介質22，以及生成區域50和場停止區域23中的至少一個。耦合區域17耦合至單獨的場電極結構20的場電極21。為此，耦合區域17可以鄰接場電極21、場電極電介質22、場停止區域23和生成區域50中的至少一個。在第一情形下，耦合區域直接電耦合至場電極21。在第二情形下，耦合區域17通過場電極電介質22而電容性耦合至場電極21。以下參照圖26進一步詳述耦合區域17與單獨的場電極21的耦合。
[0115]參照圖22和圖23，耦合區域17從本體區域13在電流流動方向x(在該實施例中是半導體本體100的垂直方向)上延伸進入漂移區域11、並且延伸至最遠離結12的場電極結構20，以使得每個場電極20的場電極21耦合至耦合區域17。
[0116]在如圖22所示的實施例中，器件單元的柵極電極41是在第二橫向方向y上延伸的拉長的溝槽電極。然而，這僅是示例。也可能將柵極電極實施為在半導體本體100上面的平面電極，或者實施器件單元具有堆狀的溝槽電極。
[0117]在如圖22至圖24所示實施例中，單獨的場電極結構20是在半導體本體100的第一橫向方向z上縱向延伸的拉長的結構。在本實施例中，存在在垂直於第一橫向方向z的水平方向上相互間隔的多個場電極結構。在該實施例中，耦合區域17也是拉長的，並且在不同於第一橫向方向z的第二橫向方向y上縱向地延伸。根據一個實施例，第二橫向方向y垂直於第一橫向方向z，以使得在第一與第二橫向方向z、y之間存在90°的角度。然而，也可能實施拉長的耦合區域17和拉長的場電極結構20以使得耦合區域17與場電極結構20之間的角度小於90°，例如在30°和90。之間。
[0118]在其中柵極電極41是拉長的溝槽電極的實施例中，溝槽電極的縱向方向可以基本上平行於第二橫向方向I。在該情形下，柵極電極41基本上平行於耦合區域17。
[0119]參照圖24，有在第一橫向方向z上遠離並且各耦合至器件區域13 (本體區域)的兩個或更多個耦合區域17 (或者一個耦合區域的兩個或多個區段)。在如圖24所示實施例中，耦合區域17是基本上平行的拉長的耦合區域。然而，也可能實施拉長的耦合區域以使得它們並不平行(以便一個穿過另一個)。
[0120]根據另一實施例，半導體器件包括若干堆狀的耦合區域17。
[0121]圖25示出了具有堆狀耦合區域17的半導體器件的水平剖視圖。在該實施例中，單獨的耦合區域17具有基本上矩形的剖面。然而，這僅是示例。這些耦合區域也可以被實施具有不同的剖面，諸如橢圓剖面或多邊形剖面。
[0122]根據又一實施例(未示出)，耦合區域17具有在半導體本體100的水平平面(諸如如圖24和圖25所示截面C-C)中的網格的形式。
[0123]在如圖22至圖24以及圖25所示實施例中，耦合區域17鄰接場電極結構20中的每個場電極結構以使得耦合區域17耦合至場電極結構中的每個場電極結構的場電極。然而，這僅是示例。根據另一實施例(未示出)，耦合區域17耦合至僅場電極結構中某些場電極結構的場電極。在該情形下，耦合區域17可以僅耦合至以多於從結12的預定義距離而間隔的那些場電極結構20的場電極21。該預定義距離例如是在電流流動方向X上的漂移區域11的長度的30%或50%。
[0124]圖26更詳細示出了半導體器件的區段。在如圖26所示該區段中，耦合區域17和漂移區域11形成了 Pn結，並且耦合區域17耦合至示出在圖16中透視剖視圖中的一個場電極結構20的場電極21。另一場電極結構示出在如圖26的垂直剖視圖中。在如圖26所示實施例中，每個場電極結構20包括場電極21，該場電極21被選擇以使得在場電極21與漂移區域11之間的結形成在場電極21與漂移區域11之間的生成區域50。在結合參考附圖7之前已經說明了這些，以使得場電極21可以包括結合參考圖7所述材料的之一。根據另一實施例，場電極21包括與漂移區域17的摻雜類型互補的摻雜類型的單晶半導體材料。
[0125]在如圖26所示實施例中，耦合區域17鄰接場電極21，以使得場電極21直接耦合至耦合區域17。
[0126]以下將說明如圖22至圖24以及圖25所示、並且包括如圖26所示的場電極結構20的半導體器件的工作模式。然而，該工作模式等同的也適用於具有其它場電極結構的實施例。為了解釋說明目的，假設半導體器件是具有η摻雜的漂移區域11、η摻雜的源極和漏極區域14、15、P摻雜的本體區域13、以及耦合至P摻雜的本體區域13的ρ摻雜的耦合區域 17 的 η 型 MOSFET。
[0127]在導通狀態下，當正電壓被施加在第二負載端子32(漏極端子D)與第一負載端子31 (源極端子S)之間時，通過漏極區域15連接至漏極端子D的漂移區域11、與經由本體區域13連接至源極端子S的耦合區域17之間的電壓對應於漏極與源極端子D、S之間的電壓。因為當半導體器件處於導通狀態時漏極與源極端子D、S之間的電壓相對低，因此當器件處於導通狀態時沿著在漂移區域11與耦合區域17之間pn結在漂移區域11中不存在顯著的耗盡區域。
[0128]當半導體器件關斷時，第一與第二負載端子31、32之間的電壓增大，並且因此漂移區域11與耦合區域17之間的電壓增大。通過生成區域耦合至場電極21的漂移區域11、與耦合至場電極21的耦合區域50之間的電壓在場電極21中造成電場，其中該電場導致生成區域50產生兩種類型的電荷載流子，也即在場電極21中累積的η型電荷載流子(電子)，以及發射進入漂移區域11中的P型電荷載流子。η型電荷載流子是相對於漂移區域11中的電離的(η型)摻雜劑原子的相反電荷。這對應於包括此前所述的生成區域50的半導體器件的工作原理，不同之處在於如圖22至圖26所示單獨的、具有通過耦合區域17耦合至本體區域13的場電極21的場電極結構20中，當將結12反向偏置的電壓相對低時，已經開始了生成電荷載流子，並且因此已經開始對單獨的場電極21充電。
[0129]在圖22至圖26的半導體器件中，單獨的場電極結構20經由耦合區域17耦合至本體區域13，並且經由漂移區域11耦合至漏極區域15。因此，在關斷過程開始處，單獨的場電極結構20之上的電壓近似相等，以使得在關斷過程的早期，意味著在低負載電壓下，在場電極結構20中的每個場電極結構中生成了相反電荷。
[0130]在根據圖22至圖26的半導體器件中，在第一與第二負載端子31、32之間相對低的電壓下，漂移區域11的較大部分耗盡，以使得開關損耗較低。通過耦合區域17並且通過場電極結構20提供相對於漂移區域11中的電離的摻雜劑原子的相反電荷，以使得在漂移區域11與耦合區域17之間無需摻雜電荷平衡。
[0131]在如圖26所示的實施例中，耦合區域17鄰接場電極21，以使得耦合區域17直接耦合至場電極21並且將耦合區域17的電勢(在開關切換過程開始處為源極電勢)耦合至場電極21。根據另一實施例，耦合區域17並不鄰接場電極21，而是通過場電極電介質22和/或通過將場電極21與耦合區域17分隔開的另一電介質層而電容性耦合至場電極21。在圖26中以虛線示出這種其它電介質層22』。其中耦合區域17僅電容性耦合至場電極21的半導體器件的工作原理對應於此前所述其中耦合區域直接耦合至場電極21的半導體器件的工作原理。
[0132]該工作原理等同適用於其中場電極結構20除了生成區域50之外額外的或者備選地包括場停止區域23的半導體器件。圖27示出了對應於圖26所示剖視圖的透視圖，不同之處在於圖27中所示的場電極結構20包括將場電極21耦合至漂移區域11的場停止區域23，而不是生成區域50。場停止區域23和場電極21可以根據此前所述任何實施例實施。類似於在這些實施例中，當空間電荷區域到達場停止區域23時，場停止區域23生成在場電極21中累積的電荷載流子。這些實施例與圖27的實施例的差別在於，在圖27的實施例中，當端子31、32之間電壓相對低時，空間電荷區域(電場)到達了場停止區域23。這是藉助於耦合區域將場電極21耦合至本體區域13。耦合區域17可以直接耦合至場電極21 (也即耦合區域17可以鄰接場電極21)，和/或可以電容性耦合至場電極。
[0133]儘管已經參照圖26和圖27說明了用於實施場電極結構20的僅兩個實施例，應該注意的是，此前參照圖1至圖21所述的任何場電極結構20可以用於其中場電極21耦合至耦合區域17的半導體器件。
[0134]隨著將結12反向偏置的電壓進一步增大，耗盡區域在耦合區域17和漂移區域11中擴展，直至耦合區域17完全耗盡電荷載流子。耦合區域17的摻雜濃度可以對應於漂移區域11的摻雜濃度，但是也可以高於或者低於漂移區域11的摻雜濃度。
[0135]根據一個實施例，耦合區域17、漂移區域11和場電極結構20相互適用以使得施加在端子31、32之間以便於完全耗盡耦合區域17的電壓Us對應於施加在端子31、32之間以便於完全耗盡在兩個相鄰場電極結構20之間的漂移區域11的電壓Ufo也即，
[0136]Uf = Us (2)
[0137]藉由參照如圖24所示器件結構的示例解釋了這一點。圖28中使出了該器件結構的放大圖。在如圖28所示實施例中，漂移區域11包括多個漂移區域區段，其中這些漂移區域區段中的每個漂移區域區段在第二橫向方向y上被布置在兩個相鄰場電極21之間，並且在第一橫向方向z上被布置在兩個相鄰耦合區域17之間。此外，耦合區域包括多個耦合區域區段，其中這些耦合區域區段的每個耦合區域區段在第一橫向方向z上被布置在兩個漂移區域區段之間。
[0138]當操作半導體器件以使得結12被反向偏置以使得耗盡區域沿著在那些漂移區域區段11與耦合區域區段17之間的pn結而在漂移區域區段11和耦合區域區段17中擴展、並且使得場電極21被充電時，用耦合區域區段17中的電離的摻雜電荷、並且用場電極21中累積的電荷而提供相對於漂移區域區段11中的電離的摻雜電荷的相反電荷，同時用漂移區域11中的電離的摻雜劑電荷提供相對於耦合區域區段中的電離的摻雜劑電荷的相反電荷。
[0139]在如圖28所示的結構中，當以下時滿足等式(2)
[0140]
^ + T1I ■ ^(3)
、.JLj、^(i I* 丄 J
[0141]其中，dpS是在第一橫向方向z上的耦合區域區段17的寬度，Clns是在第一橫向方向z上的漂移區域區段11的寬度，dnF是在第二橫向方向y上的漂移區域區段11的寬度，ε Si是諸如矽的半導體本體100的半導體材料的介電常數，並且ε οχ是諸如氧化矽的場電極電介質22的材料的介電常數。Es是當漂移區域區段11和耦合區域區段17完全耗盡時在耦合區域區段17與漂移區域區段11之間的pn結處的橫向電場的電場強度，並且Ef是當漂移區域區段11完全耗盡時在場電極電介質22與漂移區域區段11之間的邊界處的橫向電場的電場強度。
[0142]根據一個實施例，實施半導體器件以使得Es等於Ef，也即:
[0143]Es = Ef(4)
[0144]在該情形下，
[0145]
= 4..dox( 5a)
εοχ
[0146]在半導體本體100包括矽並且場電極電介質22包括氧化矽的情況下，ε Si/ ε οχ =3，以使得
[0147]dpS = 12.dox(5b)
[0148]一般而言，根據一個實施例，
[0149]
2-^L-dox<dpS<6-^-dox(6a)
1X1X
[0150]特別地，
[0151]
Juox —w ps —Juox(6b)
sOXsOX
[0152]場電極電介質22的厚度Clra取決於場電極電介質22的材料的介電強度,並且取決於場電極電介質22應該承受的所需最大電壓。根據一個實施例，場電極電介質22包括具有2MV/cm的電介質強度的氧化矽。僅為了解釋說明目的，假設場電極電介質22應該承受140V。在該情形下，厚度dox至少為700nm(納米)。場電極21的寬度dFE例如是在5微米(μπι)和10微米(μπι)之間,諸如7微米。可以使用等式(5a)至(6b)基於場電極電介質22的厚度來計算耦合區域17的寬度dpS。
[0153]在第一橫向方向上的漂移區域11的最大寬度Clns例如在100微米和300微米之間。
[0154]在如圖28所示的實施例中，dpD表示在第一橫向方向z上在兩個相鄰耦合區域17的中心之間的距離(以下也稱作耦合區域間距(pitch))，並且cL表示在第二橫向方向上的兩個相鄰場電極結構的中心之間的距離(以下也稱作場電極結構間距)。根據一個實施例，耦合區域間距dpD大於場電極結構間距心。根據一個實施例，耦合區域間距dpD在場電極結構間距cU的3倍至100倍之間(3cU ( dpD ( lOOcL)，並且特別是在場電極結構間距cU的10倍至100倍之間(1dn0 ( dpD ( 10cU)。通過漂移區域11在第一橫向方向z上的寬度dnS加上耦合區域17的寬度dpS而得到耦合區域間距dpD，也即dpD = d^+dpso
[0155]圖29示出了實施為二極體的半導體器件的一個實施例。該二極體的器件結構對應於如圖22至圖24所示的半導體器件的器件結構，不同之處在於器件區域13是具有與漂移區域11的摻雜類型互補的摻雜類型的發射極區域，或者是肖特基區域。替代了漏極區域，二極體包括另外的發射極區域15。
[0156]圖30示出了可以用於此前所述的半導體器件的場電極結構20的另一實施例。該場電極結構20包括沿著場電極電介質22的底部和側壁的電極層21，以及由電極層和漂移區域11限定的空隙52。生成區域50形成在電極層21與漂移區域11之間。場電極21可以包括如前所述的適用於在場電極21與漂移區域11之間的結處形成生成區域的一種材料，諸如金屬、多晶半導體材料、碳等等。類似於如前所述的場電極電介質22，場電極電介質22可以包括針對與場電極21中俘獲的電荷載流子的電荷載流子類型互補的電荷載流子的電荷載流子陷阱27。
[0157]諸如「下方」、「之下」、「低於」、「之上」、「上方」等等的空間相對性術語用於易於解釋一個元件相對於第二元件的位置。這些術語意在除了附圖中表示的那些不同朝向之外的器件的不同定向。此外，諸如「第一」、「第二」等等的術語也用於描述各個元件、區域、區段等等，並且也並非意在限定。說明書全文中相同的術語涉及相同的元件。
[0158]如在此使用的，術語「具有」、「含有」、「包括」、「包含」等等是開放性術語，表示了所述元件或特徵的存在，但是並未排除額外的元件或特徵。冠詞「一」、「一個」和「該」意在除了單數之外也包括複數，除非上下文明確給出相反指示。
[0159]考慮到變化和應用的上述範圍，應該理解的是本發明不由前述說明書限定，也不由附圖所限定。替代地，僅通過以下權利要求及其法律等價方式來限定本發明。
【權利要求】
1.一種半導體器件，包括: 第一摻雜類型的漂移區域； 在所述漂移區域與器件區域之間的結； 在所述漂移區域中的場電極結構，所述場電極結構包括: 場電極； 場電極電介質，鄰接所述場電極，被布置在所述場電極與所述漂移區域之間，並且具有開口 ；以及 場停止區域和生成區域中的至少一個；以及 與所述第一摻雜類型互補的第二摻雜類型的耦合區域，所述耦合區域被電耦合至所述器件區域並且被耦合至所述場電極。
2.根據權利要求1所述的半導體器件，其中所述耦合區域鄰接以下各項中的至少一個:所述場電極、所述場停止區域、所述生成區域和所述場電極電介質。
3.根據權利要求1所述的半導體器件，其中所述耦合區域僅在所述場電極電介質的區域中鄰接所述場電極結構。
4.根據權利要求1所述的半導體器件，其中所述場停止區域具有所述第一摻雜類型，並且比所述漂移區域更高地被摻雜。
5.根據權利要求1所述的半導體器件，其中所述場停止區域通過所述場電極電介質的所述開口將所述場電極連接至所述漂移區域和所述耦合區域中的至少一個。
6.根據權利要求1所述的半導體器件，其中所述場停止區域至少部分地被布置在所述場電極電介質內。
7.根據權利要求6所述的半導體器件，其中所述場停止區域完全被布置在所述場電極電介質內。
8.根據權利要求1所述的半導體器件，其中接觸區域被布置在所述場電極與所述場停止區域之間。
9.根據權利要求1所述的半導體器件，其中所述場停止區域完全分隔所述場電極與所述漂移區域。
10.根據權利要求1所述的半導體器件，其中所述場電極的區段鄰接所述漂移區域。
11.根據權利要求1所述的半導體器件，其中所述場停止區域和所述生成區域中的至少一個在垂直於所述半導體器件的電流流動方向的方向上延伸越過所述場電極電介質進入所述漂移區域不多於200納米。
12.根據權利要求1所述的半導體器件，其中所述場停止區域和所述生成區域中的至少一個在垂直於所述半導體器件的電流流動方向的方向上不延伸越過所述場電極電介質。
13.根據權利要求1所述的半導體器件，其中所述生成區域通過所述場電極電介質的所述開口將所述場電極連接至所述漂移區域。
14.根據權利要求1所述的半導體器件，其中所述生成區域被布置在所述場電極中。
15.根據權利要求1所述的半導體器件，其中所述生成區域至少部分地被布置在所述場電極電介質內。
16.根據權利要求1所述的半導體器件，其中所述生成區域完全被布置在所述場電極電介質內。
17.根據權利要求1所述的半導體器件，其中所述生成區域包括在所述場電極與所述漂移區域之間的界面區域。
18.根據權利要求1所述的半導體器件，其中所述生成區域包括空隙。
19.根據權利要求1所述的半導體器件，其中所述場電極包括選自由以下各項構成的組中的至少一種材料: 金屬； 金屬半導體化合物； 包括摻雜劑原子的單晶半導體材料； 包括摻雜劑原子的多晶半導體材料；以及 包括外來材料原子或晶體缺陷的單晶半導體材料。
20.根據權利要求19所述的半導體器件，其中所述摻雜劑原子是所述第一摻雜類型和所述第二摻雜類型之一的摻雜劑原子。
21.根據權利要求1所述的半導體器件， 其中所述場電極電介質具有在所述半導體器件的電流流動方向上延伸的長度，並且具有在垂直於所述電流流動方向的方向上延伸的寬度，並且 其中所述長度與所述寬度之間的比例大於I。
22.根據權利要求1所述的半導體器件，其中所述場電極電介質的開所述口位於所述結的方向上。
23.根據權利要求1所述的半導體器件，其中所述至少一個場電極結構包括在所述半導體器件的電流流動方向上遠離所述場電極電介質的開口被布置的屏蔽區域。
24.根據權利要求1所述的半導體器件，進一步包括: 多個場電極結構，在所述半導體器件的電流流動方向上相互遠離地被布置。
25.根據權利要求24所述的半導體器件，其中所述場停止區域、所述生成區域和所述場電極中的至少一個被實施以使得其鄰接相鄰的場電極結構的場電極電介質。
26.根據權利要求1所述的半導體器件，其中所述半導體器件被實施為MOS電晶體，其中所述器件區域是第二摻雜類型的半導體區域並且形成本體區域，並且其中所述MOS電晶體進一步包括: 源極區域，其中所述本體區域被布置在所述漂移區域與所述源極區域之間； 漏極區域，其中所述漂移區域被布置在所述漏極區域與所述本體區域之間；以及 柵極電極，被布置得鄰近所述本體區域並且通過柵極電介質與所述本體區域介電絕緣。
27.根據權利要求1所述的半導體器件，其中所述半導體器件被實施為雙極性二極體，並且其中所述器件區域是第二摻雜類型的半導體區域並且形成發射極區域。
28.根據權利要求1所述的半導體器件，其中所述半導體器件被實施為肖特基二極體，並且其中所述器件區域是肖特基區域。
29.根據權利要求1所述的半導體器件，其中所述場電極電介質基本上為U形。
30.根據權利要求1所述的半導體器件，其中所述場電極電介質的所述開口被布置在所述場電極電介質的面向所述結的方向的區域中。
【文檔編號】H01L29/40GK104241342SQ201410274030
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2014年6月18日 優先權日:2013年6月19日
【發明者】H·韋伯, F·希爾勒 申請人:英飛凌科技奧地利有限公司