TWI744851B - 雙向功率器件及其製造方法 - Google Patents

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Abstract

本發明公開了一種雙向功率器件及其製造方法，雙向功率器件包括：半導體層；位於半導體層中的溝槽；位於所述溝槽側壁上的栅介質層；位於所述溝槽下部的控制栅；位於所述溝槽上部的遮罩柵；以及位於所述控制栅和所述遮罩柵之間的隔離層，其中，所述控制栅與所述半導體層之間由所述栅介質層隔開。本申請中遮罩柵位於彼此隔離的控制栅上方，且通過遮罩介質層與源區和漏區隔離，雙向功率器件截止時遮罩柵通過遮罩介質層耗盡源區和漏區的電荷，提高耐壓特性；雙向功率器件導通時，源區和/或漏區與半導體層提供低阻抗的導通路徑。

Description

雙向功率器件及其製造方法
本發明涉及半導體製造技術領域，特別涉及一種雙向功率器件及其製造方法。
功率器件主要用於大功率的電源電路和控制電路中，例如作為開關元件或整流元件。在功率器件中，不同摻雜類型的摻雜區形成PN結，從而實現二極體或電晶體的功能。功率器件在應用中通常需要在高電壓下承載大電流。一方面，為了滿足高電壓應用的需求以及提高器件可靠性和壽命，功率器件需要具有高擊穿電壓。另一方面，為了降低功率器件自身的功耗和產生的熱量，功率器件需要具有低導通電阻。在電源電路中，經常會涉及到充電和放電，然後充電和放電過程中電流的流向不同，則要求功率器件具有雙向導通的功能。
在美國專利US5612566和US6087740公開了雙向導通類型的功率器件。其中，該雙向功率器件包括襯底以及位於襯底上的第一輸出極和第二輸出極。襯底為P型襯底或者P型外延或者P型摻雜的阱區；兩個輸出極分別由輕摻雜N-區和以及位於輕摻雜N-區中的重摻雜N+區構成。在功率器件的導通狀態，當第一輸出極與襯底短接時，電流從第二輸出極流向第一輸出極；當第二輸出極與襯底短接時，電流從第一輸出極流向第二輸出極。
然而，雙向功率器件的耐壓特性和導通電阻之間是一對矛盾參數。雖然可以通過降低輕摻雜N-區的雜質濃度，提高擊穿電壓，獲得較好的耐壓特性。但是由於輕摻雜N-區的雜質濃度降低，導致導通電阻的增加，從而增加功耗。
在雙向功率器件中，仍然需要進一步改進以兼顧耐壓特性和導通電阻的要求。
鑒於上述問題，本發明的目的在於提供一種雙向功率器件及其製造方法，其中，控制栅位於溝槽下部，遮罩柵位於溝槽上部，遮罩柵和控制栅通過隔離層隔離，以兼顧耐壓特性和導通電阻的要求。
根據本發明的第一方面，提供一種雙向功率器件，包括：半導體層；位於半導體層中的溝槽；位於所述溝槽側壁上的栅介質層；位於所述溝槽下部的控制栅；位於所述溝槽上部的遮罩柵；以及位於所述控制栅和所述遮罩柵之間的隔離層，其中，所述控制栅與所述半導體層之間由所述栅介質層隔開。
優選地，所述雙向功率器件還包括：位於所述半導體層中且鄰近所述遮罩柵的源區和漏區，位於所述半導體層中且鄰近所述控制栅的溝道區。
優選地，所述源區和漏區從所述半導體層的第一表面延伸至與所述控制栅交疊。
優選地，所述半導體層的摻雜類型為第一摻雜類型，所述源區和漏區的摻雜類型為第二摻雜類型，所述溝道區的摻雜類型為第一摻雜類型或第二摻雜類型，第一摻雜類型和第二摻雜類型相反。
優選地，所述雙向功率器件還包括：位於溝槽側壁上的遮罩介質層，所述遮罩柵與所述半導體層之間由所述遮罩介質層隔開。
優選地，所述遮罩介質層的厚度為0.1~0.25um。
優選地，所述遮罩柵的長度為0.6~1.2um。
優選地，所述遮罩介質層的厚度大於或等於所述栅介質層的厚度。
優選地，所述控制栅的寬度大於所述遮罩柵的寬度。
優選地，所述源區和漏區的長度大於所述遮罩柵和所述隔離層的長度之和，小於所述遮罩柵、所述隔離層以及所述控制栅的長度之和。
優選地，所述半導體層選自半導體襯底本身、在半導體襯底上形成的外延層或者在半導體襯底中注入的阱區中的一種。
優選地，所述雙向功率器件還包括：第一接觸，與所述源區相接觸以形成第一輸出電極；第二接觸，與所述漏區相接觸以形成第二輸出電極；第三接觸，與所述半導體層相接觸以形成襯底電極；第四接觸，與所述控制栅和/或遮罩柵相接觸以形成栅電極。
優選地，所述雙向功率器件還包括：第一引線區，位於所述源區內，其中，第一引線區的摻雜濃度大於所述源區的摻雜濃度；覆蓋介質層，位於所述半導體層的第一表面上；第一接觸孔，貫穿所述覆蓋介質層延伸至所述源區；所述第一接觸通過第一接觸孔、第一引線區與所述源區相接觸。
優選地，所述雙向功率器件還包括：第二引線區，位於所述漏區內，其中，第二引線區的摻雜濃度大於所述漏區的摻雜濃度；第二接觸孔，貫穿所述覆蓋介質層延伸至所述漏區；所述第二接觸通過第二接觸孔、第二引線區與所述漏區相接觸。
優選地，所述雙向功率器件還包括：第三引線區，位於所述半導體層內且靠近所述半導體層的第一表面，其中，所述第三引線區的摻雜濃度大於半導體層的摻雜濃度；第三接觸孔，貫穿所述覆蓋介質層延伸至所述半導體層；所述第三接觸通過第三接觸孔、第三引線區與所述半導體層相接觸。
優選地，第四接觸孔，貫穿所述覆蓋介質層延伸至所述控制栅和/或遮罩柵。
優選地，所述第三接觸位於所述半導體層的第二表面上。
優選地，所述雙向功率器件還包括：佈線層，所述佈線層包括第一佈線至第四佈線，分別通過多個導電孔與所述第一輸出電極、第二輸出電極、襯底電極以及栅電極電連接。
優選地，所述雙向功率器件還包括：多個金屬焊球，位於所述佈線層上，通過佈線層與所述第一輸出電極、第二輸出電極、襯底電極以及栅電極電連接。
優選地，所述遮罩柵與所述控制栅電連接。
優選地，所述遮罩柵與所述半導體層電連接。
優選地，在所述雙向功率器件導通時，所述襯底電極與第一輸出電極和第二輸出電極之一電連接實現電流方向的雙向選擇。
優選地，當所述襯底電極與所述第一輸出電極電連接時，電流從所述第二輸出電極流向所述第一輸出電極；當所述襯底電極與所述第二輸出電極電連接時，電流從所述第一輸出電極流向所述第二輸出電極。
根據本發明的第二方面提供一種雙向功率器件，包括多個元胞結構，所述元胞結構為如上述所述的雙向功率器件；多個元胞結構中的源區電連接在一起，多個元胞結構中的漏區電連接在一起。
根據本發明的第三方面，提供一種雙向功率器件的製造方法，包括：在半導體層中形成溝槽；在所述溝槽側壁上形成栅介質層；在所述溝槽下部形成控制栅；在所述溝槽上部形成遮罩柵；以及形成位於所述控制栅和遮罩柵之間的隔離層；其中，所述控制栅與所述半導體層之間由所述栅介質層隔開。
優選地，所述方法還包括：在所述半導體層中形成鄰近所述遮罩柵的源區和漏區；以及在所述半導體層中形成鄰近所述控制栅的溝道區。
優選地，所述源區和漏區從所述半導體層的第一表面延伸至與所述控制栅交疊。
優選地，所述方法還包括：在所述溝槽側壁上形成遮罩介質層，所述遮罩柵與所述半導體層之間由所述遮罩介質層隔開。
優選地，所述遮罩介質層的厚度為0.1~0.25um。
優選地，所述遮罩柵的長度為0.6~1.2um。
優選地，所述遮罩介質層的厚度大於或等於所述栅介質層的厚度。
優選地，所述控制栅的寬度大於所述遮罩柵的寬度。
優選地，所述源區和漏區的長度大於所述遮罩柵和所述隔離層的長度之和，小於所述遮罩柵、所述隔離層以及所述控制栅的長度之和。
優選地，所述方法還包括：形成與所述源區相接觸的第一接觸，所述第一接觸形成第一輸出電極；形成與所述漏區相接觸的第二接觸，所述第二接觸形成第二輸出電極；形成與所述半導體層相接觸的第三接觸，所述第三接觸形成襯底電極；形成與所述控制栅和/或遮罩栅相接觸的第四接觸，所述第四接觸形成栅電極。
優選地，形成所述第一接觸和第二接觸以及第四接觸的步驟包括：
在所述源區和漏區內分別形成第一引線區和第二引線區；
在所述半導體層的第一表面上形成覆蓋介質層；
形成貫穿所述覆蓋介質層延伸至源區和漏區的第一接觸孔、第二接觸孔以及第四接觸孔；
在所述覆蓋介質層上填充金屬層，所述金屬層填充所述第一接觸孔、第二接觸孔和第四接觸孔以形成第一接觸、第二接觸和第四接觸；
其中，第一接觸通過第一接觸孔、第一引線區與所述源區相接觸，第二接觸通過第二接觸孔、第二引線區與所述漏區相接觸，第四接觸通過第四接觸孔與控制栅和/或遮罩柵相接觸。
優選地，形成所述第三接觸步驟包括：在所述半導體層內形成第三引線區，所述第三引線區靠近所述半導體層的第一表面；形成貫穿所述覆蓋介質層延伸至所述半導體層的第三接觸孔；在所述覆蓋介質層上填充金屬層，所述金屬層填充第三接觸孔以形成第三接觸；其中，第三接觸通過第三接觸孔、第三引線區與所述半導體層相接觸。
優選地，形成所述第三接觸步驟包括：在所述半導體層的第二表面形成襯底；在襯底上蒸發金屬層形成第三接觸；其中，所述第三接觸與所述半導體層相接觸。
優選地，所述方法還包括：在所述雙向功率器件的表面上形成佈線層，所述佈線層包括第一佈線至第四佈線，分別通過多個導電孔與所述第一輸出電極、第二輸出電極、襯底電極以及栅電極電連接。
優選地，所述方法還包括：在所述佈線層上形成多個金 屬焊球，所述多個金屬焊球通過佈線層與所述第一輸出電極、第二輸出電極、襯底電極以及栅電極電連接。
優選地，所述方法還包括：將所述遮罩柵與所述控制栅電連接。
優選地，所述方法還包括：將所述遮罩柵與所述半導體層電連接。
優選地，所述方法還包括：在所述雙向功率器件導通時，將所述襯底電極與第一輸出電極和第二輸出電極之一電連接實現電流方向的雙向選擇。
優選地，當所述襯底電極與所述第一輸出電極電連接時，電流從所述第二輸出電極流向所述第一輸出電極；當所述襯底電極與所述第二輸出電極電連接時，電流從所述第一輸出電極流向所述第二輸出電極。
本發明實施例提供的雙向功率器件及其製造方法，在溝槽的下部和上部分別形成控制栅和遮罩柵，控制栅和遮罩柵彼此隔離，控制栅與半導體層之間由栅介質層隔開，遮罩柵和源區以及漏區之間由遮罩介質層隔開，在雙向功率器件截止時遮罩柵通過遮罩介質層耗盡源區和漏區的電荷，提高器件的耐壓特性；在雙向功率器件導通時，源區和/或漏區與半導體層提供低阻抗的導通路徑。
進一步地，在雙向功率器件導通時，將所述襯底電極與第一輸出電極和第二輸出電極之一電連接實現電流方向的雙向選擇。當所述襯底電極與所述第一輸出電極電連接時，電流從所述第二輸出電極流向所述第一輸出電極；當所述襯底電極與所述第二輸出電極電連接時，電流從所述第一輸出電極流向所述第二輸出電極。
進一步地，可以通過調整遮罩介質層的厚度、源區和漏區的摻雜濃度以及遮罩柵的長度來實現不同的閾值電壓。
進一步地，溝道區鄰近位於溝槽下部的控制栅，可以通過减小溝槽的寬度來减小溝道長度，進而减小溝道電阻。
進一步地，通過佈線層將雙向功率器件的襯底電極、第 一輸出電極、第二輸出電極以及栅電極引出至半導體襯底的表面，並在佈線層上形成金屬焊球。由於採用了植球的工藝，省略了傳統封裝的打線，减小了封裝的寄生電感和寄生電阻，减小雙向功率器件的封裝電阻；由於沒有塑封料的包封，使得散熱更加容易，减小功耗，提高雙向功率器件的可靠性和安全性。
進一步地，雙向功率器件可以由多個元胞結構組成，所有元胞結構的源區電連接在一起作為第一輸出電極，漏區電連接在一起作為第二輸出電極，通過增加元胞結構的數量，提高雙向功率器件的電流能力。
G:栅電極
S1:第一輸出電極
S2:第二輸出電極
D1,D2:體二極體
1:襯底
10:半導體層
11:覆蓋介質層
20:溝槽
20a:第一溝槽
20b:第二溝槽
20c:第三溝槽
21:栅介質層
22:控制栅
23:遮罩柵
24:隔離層
25:遮罩介質層
31:源區
32:漏區
40:溝道區
50:接觸孔
51:第一接觸孔
52:第二接觸孔
53:第三接觸孔
54:第四接觸孔
54a:控制栅22的接觸孔
54b:遮罩柵23的接觸孔
60:金屬層
61:第一接觸
62:第二接觸
63:第三接觸
64:第四接觸
70:佈線層
71:第一佈線
72:第二佈線
73:第三佈線
74:第四佈線
80,81,82,83,84:金屬焊球
90:導電孔
101:第三引線區
311:第一引線區
321:第二引線區
w1,w2:寬度
L1,L2,L3,K:長度
AA’,BB’:線條
M1,M2:金屬層
sub:襯底
第1圖示出了本發明實施例的雙向功率器件的電路示意圖。
第2圖-第4圖分別示出了本發明第一實施例的雙向功率器件的不同剖面的截面圖和俯視圖。
第5圖示出了本發明第一實施例的多個元胞結構的截面圖。
第6圖示出了本發明第二實施例的雙向功率器件的俯視圖。
第7圖示出了本發明第三實施例的雙向功率器件的截面圖。
第8圖示出了本發明第四實施例的雙向功率器件的截面圖。
第9圖示出了本發明第四實施例的雙向功率器件的俯視圖。
第10圖示出了本發明第四實施例的雙向功率器件的封裝引脚示意圖。
第11a圖至第11i圖示出了本發明第五實施例的雙向功率器件製造方法不同階段的截面圖。
以下將參照圖式更詳細地描述本發明的各種實施例。在各個圖式中，相同的元件採用相同或類似的圖式標記來表示。為了清楚起見，圖式中的各個部分沒有按比例繪製。
下面結合圖式和實施例，對本發明的具體實施方式作進一步詳細描述。
第1圖示出了本公開實施例提供的雙向功率器件的電路 示意圖，該雙向功率器件由一個電晶體形成，具有雙向導通功能。如第1圖所示，該雙向功率器件包括襯底Sub以及位於襯底Sub上的兩個輸出極S1和S2，以及兩個寄生的體二極體D1和D2。當輸出極S2和襯底Sub短接，柵極G施加高電壓時，電壓高於雙向功率器件的閾值電壓，雙向功率器件導通，電流從輸出極S1流向輸出極S2；當輸出極S1和襯底Sub短接，柵極G施加高電壓時，電壓高於雙向功率器件的閾值電壓，雙向功率器件導通，電流從輸出極S2流向輸出極S1；當襯底Sub接零電壓，柵極G施加低電壓，電壓低於閾值電壓，雙向功率器件截止。
第一實施例
第2圖-第4圖分別示出了本發明第一實施例的雙向功率器件的截面圖和俯視圖；其中，第2圖為第4圖所示俯視圖中沿AA’線獲取的截面圖，第3圖為第4圖所示俯視圖中沿BB’線獲取的截面圖。在該實施例中，雙向功率器件為溝槽型器件，可以是金屬氧化物半導體場效應電晶體(MOSFET)、IGBT器件或者二極體。在下文中，以N型MOSFET為例進行說明，然而，本發明並不限於此。
在第2圖中所示的雙向功率器件只包含了一個元胞結構的縱向結構示意圖，而實際產品當中，元胞結構的數量可以為一個或者多個。參見第2圖-第4圖，所述雙向功率器件包括半導體層10、位於所述半導體層10內的溝槽20，位於所述溝槽20側壁上的栅介質層21、位於所述溝槽20下部的控制栅22、位於所述溝槽20上部的遮罩柵23以及位於所述控制栅22和所述遮罩柵23之間的隔離層24。
在本實施例中，半導體層10例如是半導體襯底本身，或者在半導體襯底上形成的外延層，或者在半導體襯底中注入的阱區。半導體層10的摻雜濃度為7E14~3E16cm-3。半導體層10例如為矽襯底、或者是在矽襯底上形成的外延層、或者是在矽襯底中形成的阱區，摻雜類型為P型，半導體層10與矽襯底的摻雜類型相同。半導體層10有相對的第一表面和第二表面。
其中，所述控制栅22與所述半導體層10之間由所述栅介質層21隔開。
進一步地，所述雙向功率器件還包括位於溝槽20側壁上的遮罩介質層25，遮罩柵23與半導體層10之間由遮罩介質層25隔開。
在本實施例中，所述栅介質層21、隔離層24、遮罩介質層25的材料可以是二氧化矽或者氮化矽或者二氧化矽和氮化矽的複合結構，三者的材料可以相同也可以不同。
栅介質層21的厚度為200~1000埃，即0.02~0.1um，遮罩介質層25的厚度為1000~2500埃，即0.1~0.25um。遮罩介質層25的厚度大於或等於栅介質層21的厚度。
控制栅22的寬度W1大於遮罩柵23的寬度W2，控制栅的長度L1小於遮罩柵23的長度L2。遮罩柵23的長度L2為0.6~1.2um。
進一步地，在半導體層10內形成沿縱向延伸的摻雜類型為N型的源區31和漏區32，其中，源區31和漏區32可以互換；以及在半導體層10內形成鄰近所述控制栅22的溝道區40。
在本實施例中，所述半導體層10的摻雜類型為第一摻雜類型，所述源區31和漏區32的摻雜類型為第二摻雜類型，所述溝道區40的摻雜類型為第一摻雜類型或第二摻雜類型，第一摻雜類型和第二摻雜類型相反。
在本實施例中，所述源區31和漏區32從所述半導體層10的第一表面延伸至與所述控制栅22交疊。所述源區31和漏區32在所述半導體層10中延伸的長度K大於遮罩柵23在半導體層10中延伸的長度L2，優選地，大於所述遮罩柵23和隔離層24在半導體層10中延伸的長度之和L2+L3，但小於遮罩柵23、隔離層24以及控制栅22在半導體層10中延伸的長度之和L1+L2+L3，即L2+L3<K<L1+L2+L3。
遮罩柵23與源區31和/或漏區32之間由遮罩介質層25隔開。在雙向功率器件截止時遮罩柵通過遮罩介質層耗盡源區和漏區的電荷，提高器件的耐壓特性；在雙向功率器件導通時，源區和漏區與半導體層提供低阻抗的導通路徑。由此可以調整遮罩介質層的厚度、源區和漏區的摻雜濃度以及遮罩柵的長度來實現不同的閾值電壓。
由於溝道區40鄰近位於溝槽20下部的控制栅22，可以 通過减小溝槽的寬度來减小溝道長度，進而减小溝道電阻。
進一步地，在所述源區31和所述漏區32中形成第一引線區311和第二引線區321。其中，第一引線區311的摻雜類型與源區31的摻雜類型相同，且第一引線區311的摻雜濃度大於源區31的摻雜濃度。第二引線區321的摻雜類型與漏區32的摻雜類型相同，且第二引線區321的摻雜濃度大於漏區32的摻雜濃度。
進一步地，在所述半導體層10中形成第三引線區101，所述第三引線區101靠近所述半導體層10的第一表面，其中，第三引線區101的摻雜類型與半導體層10的摻雜類型相同，且第三引線區101的摻雜濃度大於半導體層10的摻雜濃度。
進一步地，在半導體層10的第一表面上形成覆蓋介質層11以及形成貫穿覆蓋介質層11的接觸孔50，所述接觸孔50包括第一接觸孔51、第二接觸孔52、第三接觸孔53以及第四接觸孔54。其中，第一接觸孔51位於所述源區31上，貫穿所述覆蓋介質層11延伸至所述源區31，所述第二接觸孔位於所述漏區32上，貫穿所述覆蓋介質層11延伸至所述漏區32。
第三接觸孔53位於所述溝槽20兩側貫穿所述覆蓋介質層11延伸至所述半導體層10。
第四接觸孔54位於所述溝槽20上，貫穿所述覆蓋介質層11延伸至所述溝槽20中的控制栅22和/或遮罩柵23。
在本實施例中，覆蓋介質層11可以是未摻雜的矽玻璃(USG)和摻雜硼磷的矽玻璃(BPSG)。
在所述覆蓋介質層11上沉積金屬層60，金屬層60填充第一接觸孔51至第四接觸孔54分別形成第一接觸61至第四接觸64。第一接觸61通過第一接觸孔51、第一引線區311與所述源區31相接觸以形成第一輸出電極S1，第二接觸62通過第二接觸孔52、第二引線區321與所述漏區32相接觸以形成第二輸出電極S2，所述第三接觸63通過第三接觸孔53、第三引線區101與所述半導體層10相接觸以形成襯底電極Sub。如第3圖所示，第四接觸64經由第四接觸孔54與控制栅22和/或遮罩柵23 相接觸以形成栅電極。如第4圖所示，第四接觸孔54包括控制栅22的接觸孔54a和遮罩柵23的接觸孔54b。在本實施例中，控制栅22和遮罩柵23連接在一起。
在本實施例中，金屬層60的材料可以為鈦和氮化鈦、鋁銅、鋁矽銅或者鋁矽。
第2圖中一個元胞只包含了三個溝槽、一個源區和一個漏區，而實際產品當中，源區31和漏區32的數量不止一個。以第2圖所示的為例，三個溝槽結構分別為第一溝槽20a、第二溝槽20b和第三溝槽20c。其中，第一接觸61將源區31引出至半導體層10表面形成第一輸出電極S1，第二接觸62將漏區32引出至半導體層10表面形成第二輸出電極S2，第三接觸63將半導體層10引出形成襯底電極Sub，第四接觸64將溝槽20中的控制栅22以及遮罩柵23引出至半導體層10表面形成栅電極G，其中，控制栅22和遮罩柵23電連接在一起。第一溝槽20a和第三溝槽20c對稱設定在源區31和漏區32外。其中，第一輸出電極S1和第二輸出電極S2分別是源區31和漏區32引出至半導體層10表面形成的，兩者可以互換。
當控制栅22上施加的電壓大於閾值電壓時，雙向功率器件導通，第二溝槽20b中的溝道區有電流流過，通過選擇其中一個輸出端電極與襯底電極連接，實現電流方向的選擇，例如，當第一輸出電極S1與襯底電極Sub連接時，電流從第二輸出電極S2流向第一輸出電極S1；當第二輸出電極S2與襯底電極Sub連接時，電流從第一輸出電極S1流向第二輸出電極S2。
當控制栅22上施加的電壓小於閾值電壓時，雙向功率器件截止，由於控制栅22和遮罩柵23電連接在一起，此時遮罩柵23上施加的電壓為低電壓，第一輸出電極S1和第二輸出電極S2上施加高電壓，在源區31、漏區32和遮罩柵23之間形成電壓差。第一溝槽20a和第三溝槽20c中的遮罩柵23通過遮罩介質層25在源區31和漏區32中感應出電荷，可以通過調整遮罩介質層25的厚度和材料以及源區31和漏區32的雜質濃度，最終完全耗盡源區和漏區，達到提高器件的耐壓的目的。同時由於源 區31和漏區32的雜質濃度增加，也極大的减小了器件的電阻。
第5圖僅示出了兩個元胞結構的示意圖，多個第一接觸61連接在一起形成第一輸出電極S1，多個第二接觸62連接在一起形成第二輸出電極S2，以提高器件的電流能力。替代地，對於其他類型的雙向功率器件，通過增加元胞的數量，即選擇兩個及更多元胞結構並聯連接，可以提高器件的電流能力。
第二實施例
本實施例與第一實施例採用基本相同的技術方案，不同之處在於，第一實施例中，控制栅22和遮罩柵23連接在一起，而本實施例中，遮罩柵23和半導體層10連接在一起，如第6圖所示，遮罩柵23的接觸孔54b與襯底電極的接觸孔53連接，使遮罩柵23和襯底電極Sub電連接在一起。
本實施例中，雙向功率器件的其餘部分與第一實施例基本相同，具體結構不再贅述。
第一實施例中控制栅22和遮罩柵23連接在一起，遮罩柵23和源區31和漏區32有交疊，存在寄生電容。當控制栅22和遮罩柵23的電壓升高時，對該寄生電容充電，雙向功率器件導通；當控制栅22和遮罩柵23的電壓降低時，該寄生電容放電，雙向功率器件截止。雙向功率器件進行高速開關的時候，該寄生電容的充放電時間會降低開關頻率，同時寄生電容充放電產生額外的功耗。
第二實施例中遮罩柵23和半導體層10連接在一起，遮罩柵23的電壓在器件開關過程中是固定的，可避免遮罩柵23電壓變化而帶來寄生電容的充放電，可以提高雙向功率器件的開關頻率，减少功耗。在某些要求雙向功率器件不僅要有盡可能低的電阻，還要有小的寄生電容的應用場合，可以做高速開關使用。
第三實施例
本實施例與第一實施例採用基本相同的技術方案，不同之處在於，第一實施例中，第三接觸63形成在半導體層10的第一表面上，通過第三接觸孔53、第三引線區101與所述半導體層10相接觸以形成襯底 電極Sub。而本實施例中，第三接觸63形成在半導體層10的第二表面上，如第7圖所示。具體地，將雙向功率器件形成在摻雜濃度較高的襯底1上，然後在襯底1的背面蒸發金屬層60形成第三接觸63。
第一實施例中，雙向功率器件的柵極、襯底電極、第一輸出電極和第二輸出電極均從半導體層10的第一表面引出，適合晶片級封裝(CSP)。
第三實施例中，雙向功率器件的襯底電極從半導體層10的第二表面引出，既能適應傳統的器件封裝形式(例如SOP8、DIP8)，同時增加了雙向功率器件的散熱能力。
本實施例中，雙向功率器件的其餘部分與第一實施例基本相同，具體結構不再贅述。
第四實施例
本實施例與第一實施例採用基本相同的技術方案，與第一實施例相比，本實施例還包括佈線層70(圖中未示出)和位於佈線層70上的多個金屬焊球80。
由於溝槽20的間距很小，溝槽結構引出的栅電極比較窄小，使得寄生電阻很大。為了减小寄生電阻，在第一實施例提供的功率器件上方增加佈線層70。
如第8圖和第9圖所示，佈線層70(圖中未示出)位於所述功率器件的表面上，用於將第一接觸61、第二接觸62、第三接觸63和第四接觸64形成的第一輸出電極S1、第二輸出電極S2、襯底電極Sub以及栅電極G引出至所述功率器件表面。
其中，第一接觸61、第二接觸62、第三接觸63和第四接觸64位於第一金屬層M1中，佈線層70位於第二金屬層M2中，第一金屬層M1和第二金屬層M2之間由覆蓋介質層11隔離。佈線層70與第一接觸61、第二接觸62、第三接觸63和第四接觸64通過多個導電孔90實現電連接。佈線層70包括第一佈線71、第二佈線72、第三佈線73和第四佈線74(圖中未示出)，其中，第一佈線71與第一接觸61電連接；第二佈線72與第二接觸62電連接；第三佈線73與第三接觸63電連接；第四布線74 與第四接觸64電連接。
在本實施例中，佈線層70採用更寬的金屬線引出以减小金屬層的寄生電阻。
多個金屬焊球80，位於所述佈線層70上，通過佈線層70與所述第一輸出電極S1、第二輸出電極S2、襯底電極Sub以及栅電極G電連接。其中，金屬焊球80包括與所述第一輸出電極S1電連接的金屬焊球81、與所述第二輸出電極S2電連接的金屬焊球82、與所述襯底電極Sub電連接的金屬焊球83以及與所述栅電極G電連接的金屬焊球84(圖中未示出)。
在本實施例中，採用植球工藝在佈線層上形成多個金屬焊球80，完成晶片級封裝。金屬焊球81為第一輸出電極S1與外部電連接的焊盤引脚，金屬焊球82為第二輸出電極S2與外部電連接的焊盤引脚，金屬焊球83為襯底電極與外部電連接的焊盤引脚，金屬焊球84為栅電極與外部電連接的焊盤引脚。
在一個優選的實施例中，金屬焊球80與佈線層70之間還形成有電鍍金屬層M3，使得金屬焊球80與佈線層70之間的結合更加牢固。
第一輸出電極S1和第二輸出電極S2由於需要通過過大電流，因此分佈了比較多的金屬焊球81和82，如第10圖所示，其中多個金屬焊球81並聯連接在一起，多個金屬焊球82並聯連接在一起，可以增加功率器件和外部系統之間的電流分佈。
第四實施例由於採用了植球的工藝，省略了傳統封裝的打線，减小了封裝的寄生電感和寄生電阻，减小功率器件的封裝電阻；由於沒有塑封料的包封，使得散熱更加容易，减小功耗，提高功率器件的可靠性和安全性。
第五實施例
第11a圖-第11i圖示出了本發明第五實施例提供的雙向功率器件製造方法不同階段的截面圖。
如第11a圖所示，示出了本發明第五實施例雙向功率器件 製造方法的基礎結構，該結構的形成步驟包括：在半導體層10表面沉積阻擋層12；通過光刻形成刻蝕窗口，通過刻蝕窗口刻蝕阻擋層12和半導體層10形成溝槽20。溝槽20的深度達到1.2~2.0um。
在本實施例中，半導體層10例如是半導體襯底本身，或者在半導體襯底上形成的外延層，或者在半導體襯底中注入的阱區。半導體層10的摻雜濃度為7E14~3E16cm-3。阻擋層12可以是二氧化矽、氮化矽或者二氧化矽和氮化矽的複合結構。半導體層10例如為矽襯底、或者是在矽襯底上形成的外延層、或者是在矽襯底中形成的阱區，摻雜類型為P型，半導體層10與矽襯底的摻雜類型相同。
如第11b圖所示，去除半導體層10表面的阻擋層12，對溝槽20進行犧牲氧化來對溝槽20表面進行修復，犧牲氧化的厚度大約為300~1000埃；然後進行第一導電類型離子注入，形成溝道區40。
在本實施例中，第一導電類型為P型，注入的第一導電類型離子為硼(B)或者氟化硼(BF2)；注入劑量為5E11~2E13ions/cm2。
如第11c圖所示，在溝槽20的表面生長栅介質層21，然後在栅介質層21表面上沉積多晶矽；經過化學機械拋光後，去除半導體層10表面的多晶矽，溝槽20內的多晶矽高度和半導體層10表面齊平。
在本實施例中，栅介質層21的材料為二氧化矽或者是氮化矽，厚度為200~1000埃。多晶矽沉積的厚度為5000~10000埃。
如第11d圖所示，通過光刻形成回蝕刻窗口，根據回蝕刻窗口刻蝕溝槽20內的部分多晶矽，剩餘的多晶矽形成控制栅22，回蝕刻的深度為0.6~1.2um；然後在以生長或沉積的方式在控制栅22上方形成隔離層24以及溝槽20內剩餘表面以及半導體層10表面形成遮罩介質層25。遮罩介質層25和隔離層24的材料可以是二氧化矽或者氮化矽或者二氧化矽和氮化矽的複合結構。遮罩介質層25和隔離層24的厚度為1000~2500埃，即0.1~0.25um。
如第11e圖所示，在溝槽20內的遮罩介質層25表面上沉積多晶矽；經過CMP後去除表面多晶矽，溝槽20內的多晶矽與半導體層 10表面上的遮罩介質層25齊平；回蝕刻多晶矽形成遮罩柵23。遮罩柵23距離半導體層表面1000~1500埃，即0.1~0.15um；然後去除半導體層10表面上的遮罩介質層25，留下部分遮罩介質層25作為後續注入的阻擋層。留下的遮罩介質層的厚度為200~500埃。
如第11f圖所示，通過光刻形成注入窗口；根據注入窗口進行第二導電類型離子注入，經過1000℃~1150℃的溫度推結，形成源區31和漏區32。
在本實施例中，第二導電類型為N型，注入的第二導電類型離子為磷(P)，注入劑量為1E13~6E13ions/cm2。
如第11g圖所示，在源區31和漏區32中進行第二導電類型離子注入，經過快速退火或者800℃~1000℃的溫度推結，形成第一引線區311和第二引線區321。第一引線區311的摻雜濃度大於源區31的摻雜濃度；第二引線區321的摻雜濃度大於漏區32的摻雜濃度。
在本實施例中，第二導電類型為N型，注入的第二導電類型離子為磷(P)或砷(As)，注入劑量為1E15~1E16ions/cm21E15。
如第11h圖所示，在半導體層10中進行第一導電類型離子注入，形成第三引線區101。第三引線區101的摻雜濃度大於半導體層10的摻雜濃度。在半導體層10的表面沉積未摻雜的矽玻璃(USG)和摻雜硼磷的矽玻璃(BPSG)形成覆蓋介質層11；刻蝕覆蓋介質層11形成接觸孔50(圖中未示出)，包括與源區31和漏區32相接觸的接觸孔51和接觸孔52和與半導體層10相接觸的接觸孔53以及與溝槽20中控制栅22和/或遮罩柵23相接觸的接觸孔54(圖中未示出)。其中第一接觸孔51經由第一引線區與源區31相接觸以形成第一輸出電極S1；第二接觸孔52經由第二引線區與漏區32相接觸以形成第二輸出電極S2。所述接觸孔50延伸至半導體層10表面以下0.1~0.5um。
在本實施例中，第一導電類型為P型，注入的第一導電類型離子為硼(B)或者氟化硼(BF2)；注入劑量為5E14~8E15ions/cm2。
如第11i圖所示，在接觸孔50中沉積金屬層60，形成表 面電極，即形成第一接觸61、第二接觸62、第三接觸63以及第四接觸64(圖中未示出)。
在本實施例中，第一接觸61為第一輸出電極S1，第二接觸62為第二輸出電極S2，第三接觸63為襯底電極Sub，第四接觸64為栅電極G。第四接觸64分別與控制栅22和遮罩柵23電連接，控制栅22和遮罩柵23通過第四接觸64連接在一起。
第六實施例
本實施例與第五實施例採用基本相同的技術方案，不同之處在於，第三接觸63的形成步驟不同，在半導體層10的第二表面上形成襯底1，然後在襯底1的背面蒸發金屬層60形成第三接觸63，進而第三接觸63形成襯底電極。例如，該步驟中金屬層60的材料包括傳統工藝的鈦鎳銀或者鈦鎳金等等。
本實施例中，雙向功率器件製造方法的其餘步驟與第五實施例基本相同，具體結構不再贅述。
第七實施例
本實施例與第五實施例採用基本相同的技術方案，與第五實施例相比，本實施例還包括在所述功率器件的表面上形成佈線層70，將第一接觸61、第二接觸62、第三接觸63和第四接觸64形成的第一輸出電極S1、第二輸出電極S2、襯底電極Sub以及栅電極G引出至所述功率器件表面；以及在所述佈線層上形成多個金屬焊球80，所述多個金屬焊球80通過佈線層70與所述襯底電極Sub、第一輸出電極S1、第二輸出電極S2以及栅電極G電連接。
其中，第一接觸61、第二接觸62和第三接觸63位於第一金屬層M1中，佈線層70位於第二金屬層M2中，第一金屬層M1和第二金屬層M2之間由覆蓋介質層11隔離，佈線層70與第一接觸61、第二接觸62和第三接觸63通過多個導電孔90實現電連接。
在本實施例中，佈線層70採用更寬的金屬線引出以减小金屬層的寄生電阻。採用植球工藝在佈線層上形成多個金屬焊球80，完成晶片級封裝。
在上述實施例中，半導體層10的摻雜類型為第一摻雜類型，源區31和漏區32的摻雜類型為第二摻雜類型，第一摻雜類型為P型摻雜，第二摻雜類型為N型摻雜，形成N型的雙向功率器件。
在替代的實施例中，將半導體層10的摻雜類型與源區31和漏區32的摻雜類型互換，即，第一摻雜類型為N型摻雜，第二摻雜類型為P型摻雜，形成P型的雙向功率器件。
依照本發明的實施例如上文所述，這些實施例並沒有詳盡敘述所有的細節，也不限制該發明僅為所述的具體實施例。顯然，根據以上描述，可作很多的修改和變化。本說明書選取並具體描述這些實施例，是為了更好地解釋本發明的原理和實際應用，從而使所屬技術領域技術人員能很好地利用本發明以及在本發明基礎上的修改使用。本發明僅受申請專利範圍和等效物的限制。
10:半導體層
11:覆蓋介質層
20a:第一溝槽
20b:第二溝槽
20c:第三溝槽
21:栅介質層
22:控制栅
23:遮罩柵
24:隔離層
25:遮罩介質層
31:源區
32:漏區
40:溝道區
51:第一接觸孔
52:第二接觸孔
53:第三接觸孔
61:第一接觸
62:第二接觸
63:第三接觸
101:第三引線區
311:第一引線區
321:第二引線區
w1,w2:寬度
L1,L2,L3,K:長度

Claims (39)

  1. 一種雙向功率器件，其特徵在於，包括：半導體層；位於半導體層中的溝槽；位於所述溝槽側壁上的栅介質層；位於所述溝槽側壁上的遮罩介質層；位於所述溝槽下部的控制栅；位於所述溝槽上部的遮罩柵；位於所述半導體層中且鄰近所述遮罩柵的源區和漏區；位於所述半導體層中且鄰近所述控制栅的溝道區；以及位於所述控制栅和所述遮罩柵之間的隔離層，其中，所述控制栅與所述半導體層之間由所述栅介質層隔開，所述遮罩柵與所述半導體層之間由所述遮罩介質層隔開。
  2. 如請求項1所述的雙向功率器件，其特徵在於，所述源區和漏區從所述半導體層的第一表面延伸至與所述控制栅交疊。
  3. 如請求項1所述的雙向功率器件，其特徵在於，所述半導體層的摻雜類型為第一摻雜類型，所述源區和漏區的摻雜類型為第二摻雜類型，所述溝道區的摻雜類型為第一摻雜類型或第二摻雜類型，第一摻雜類型和第二摻雜類型相反。
  4. 如請求項1所述的雙向功率器件，其特徵在於，所述遮罩介質層的厚度為0.1~0.25um。
  5. 如請求項1所述的雙向功率器件，其特徵在於，所述遮罩柵的長度為0.6~1.2um。
  6. 如請求項1所述的雙向功率器件，其特徵在於，所述遮罩介質層的厚度大於或等於所述栅介質層的厚度。
  7. 如請求項1所述的雙向功率器件，其特徵在於，所述控制栅的寬度大於所述遮罩柵的寬度。
  8. 如請求項1所述的雙向功率器件，其特徵在於，所述源區和漏區的長度大於所述遮罩柵和所述隔離層的長度之和，小於所述遮罩柵、所述隔離層以及所述控制栅的長度之和。
  9. 如請求項1所述的雙向功率器件，其特徵在於，所述半導體層選自半導體襯底本身、在半導體襯底上形成的外延層或者在半導體襯底中注入的阱區中的一種。
  10. 如請求項1所述的雙向功率器件，其特徵在於，還包括：第一接觸，與所述源區相接觸以形成第一輸出電極；第二接觸，與所述漏區相接觸以形成第二輸出電極；第三接觸，與所述半導體層相接觸以形成襯底電極；第四接觸，與所述控制栅和/或遮罩柵相接觸以形成栅電極。
  11. 如請求項10所述的雙向功率器件，其特徵在於，還包括：第一引線區，位於所述源區內，其中，第一引線區的摻雜濃度大於所述源區的摻雜濃度；覆蓋介質層，位於所述半導體層的第一表面上；第一接觸孔，貫穿所述覆蓋介質層延伸至所述源區；所述第一接觸通過第一接觸孔、第一引線區與所述源區相接觸。
  12. 如請求項11所述的雙向功率器件，其特徵在於，還包括：第二引線區，位於所述漏區內，其中，第二引線區的摻雜濃度大於所述漏區的摻雜濃度；第二接觸孔，貫穿所述覆蓋介質層延伸至所述漏區；所述第二接觸通過第二接觸孔、第二引線區與所述漏區相接觸。
  13. 如請求項12所述的雙向功率器件，其特徵在於，還包括：第三引線區，位於所述半導體層內且靠近所述半導體層的第一表面，其中，所述第三引線區的摻雜濃度大於半導體層的摻雜濃度；第三接觸孔，貫穿所述覆蓋介質層延伸至所述半導體層；所述第三接觸通過第三接觸孔、第三引線區與所述半導體層相接觸。
  14. 如請求項12所述的雙向功率器件，其特徵在於，還包括： 第四接觸孔，貫穿所述覆蓋介質層延伸至所述控制栅和/或遮罩柵。
  15. 如請求項12所述的雙向功率器件，其特徵在於，所述第三接觸位於所述半導體層的第二表面上。
  16. 如請求項10所述的雙向功率器件，其特徵在於，還包括：佈線層，所述佈線層包括第一佈線至第四佈線，分別通過多個導電孔與所述第一輸出電極、第二輸出電極、襯底電極以及栅電極電連接。
  17. 如請求項16所述的雙向功率器件，其特徵在於，還包括：多個金屬焊球，位於所述佈線層上，通過佈線層與所述第一輸出電極、第二輸出電極、襯底電極以及栅電極電連接。
  18. 如請求項1所述的雙向功率器件，其特徵在於，所述遮罩柵與所述控制栅電連接。
  19. 如請求項1所述的雙向功率器件，其特徵在於，所述遮罩柵與所述半導體層電連接。
  20. 如請求項10所述的雙向功率器件，其特徵在於，在所述雙向功率器件導通時，所述襯底電極與第一輸出電極和第二輸出電極之一電連接實現電流方向的雙向選擇。
  21. 如請求項20所述的雙向功率器件，其特徵在於，當所述襯底電極與所述第一輸出電極電連接時，電流從所述第二輸出電極流向所述第一輸出電極；當所述襯底電極與所述第二輸出電極電連接時，電流從所述第一輸出電極流向所述第二輸出電極。
  22. 一種雙向功率器件，其特徵在於，包括多個元胞結構，所述元胞結構為如請求項1-21任一項所述的雙向功率器件；多個元胞結構中的源區電連接在一起，多個元胞結構中的漏區電連接在一起。
  23. 一種雙向功率器件的製造方法，其特徵在於，包括：在半導體層中形成溝槽；在所述溝槽側壁上形成栅介質層；在所述溝槽側壁上形成遮罩介質層； 在所述溝槽下部形成控制栅；在所述溝槽上部形成遮罩柵；在所述半導體層中形成鄰近所述遮罩柵的源區和漏區；在所述半導體層中形成鄰近所述控制栅的溝道區；以及形成位於所述控制栅和遮罩柵之間的隔離層；其中，所述控制栅與所述半導體層之間由所述栅介質層隔開，所述遮罩柵與所述半導體層之間由所述遮罩介質層隔開。
  24. 如請求項23所述的方法，其特徵在於，所述源區和漏區從所述半導體層的第一表面延伸至與所述控制栅交疊。
  25. 如請求項23所述的方法，其特徵在於，所述遮罩介質層的厚度為0.1~0.25um。
  26. 如請求項23所述的方法，其特徵在於，所述遮罩柵的長度為0.6~1.2um。
  27. 如請求項23所述的方法，其特徵在於，所述遮罩介質層的厚度大於或等於所述栅介質層的厚度。
  28. 如請求項23所述的方法，其特徵在於，所述控制栅的寬度大於所述遮罩柵的寬度。
  29. 如請求項23所述的方法，其特徵在於，所述源區和漏區的長度大於所述遮罩柵和所述隔離層的長度之和，小於所述遮罩柵、所述隔離層以及所述控制栅的長度之和。
  30. 如請求項23所述的方法，其特徵在於，還包括：形成與所述源區相接觸的第一接觸，所述第一接觸形成第一輸出電極；形成與所述漏區相接觸的第二接觸，所述第二接觸形成第二輸出電極；形成與所述半導體層相接觸的第三接觸，所述第三接觸形成襯底電極；形成與所述控制栅和/或遮罩柵相接觸的第四接觸，所述第四接觸形成栅電極。
  31. 如請求項30所述的方法，其特徵在於，形成所述第一接觸和第二接觸以及第四接觸的步驟包括：在所述源區和漏區內分別形成第一引線區和第二引線區； 在所述半導體層的第一表面上形成覆蓋介質層；形成貫穿所述覆蓋介質層延伸至源區和漏區的第一接觸孔、第二接觸孔以及第四接觸孔；在所述覆蓋介質層上填充金屬層，所述金屬層填充所述第一接觸孔、第二接觸孔和第四接觸孔以形成第一接觸、第二接觸和第四接觸；其中，第一接觸通過第一接觸孔、第一引線區與所述源區相接觸，第二接觸通過第二接觸孔、第二引線區與所述漏區相接觸，第四接觸通過第四接觸孔與控制栅和/或遮罩柵相接觸。
  32. 如請求項31所述的方法，其特徵在於，形成所述第三接觸步驟包括：在所述半導體層內形成第三引線區，所述第三引線區靠近所述半導體層的第一表面；形成貫穿所述覆蓋介質層延伸至所述半導體層的第三接觸孔；在所述覆蓋介質層上填充金屬層，所述金屬層填充第三接觸孔以形成第三接觸；其中，第三接觸通過第三接觸孔、第三引線區與所述半導體層相接觸。
  33. 如請求項31所述的方法，其特徵在於，形成所述第三接觸步驟包括：在所述半導體層的第二表面形成襯底；在襯底上蒸發金屬層形成第三接觸；其中，所述第三接觸與所述半導體層相接觸。
  34. 如請求項30所述的方法，其特徵在於，還包括：在所述雙向功率器件的表面上形成佈線層，所述佈線層包括第一佈線至第四佈線，分別通過多個導電孔與所述第一輸出電極、第二輸出電極、襯底電極以及栅電極電連接。
  35. 如請求項34所述的方法，其特徵在於，還包括：在所述佈線層上形成多個金屬焊球，所述多個金屬焊球通過佈線層與所述第一輸出電極、第二輸出電極、襯底電極以及栅電極電連接。
  36. 如請求項23所述的方法，其特徵在於，還包括：將所述遮罩柵與所述控制栅電連接。
  37. 如請求項23所述的方法，其特徵在於，還包括：將所述遮罩柵與所述半導體層電連接。
  38. 如請求項30所述的方法，其特徵在於，還包括：在所述雙向功率器件導通時，將所述襯底電極與第一輸出電極和第二輸出電極之一電連接實現電流方向的雙向選擇。
  39. 如請求項38所述的方法，其特徵在於，當所述襯底電極與所述第一輸出電極電連接時，電流從所述第二輸出電極流向所述第一輸出電極；當所述襯底電極與所述第二輸出電極電連接時，電流從所述第一輸出電極流向所述第二輸出電極。
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