CN105428398B - 具有场电极结构、栅极结构和辅助二极管结构的半导体器件 - Google Patents

具有场电极结构、栅极结构和辅助二极管结构的半导体器件 Download PDF

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Abstract

本发明的各个实施例涉及具有场电极结构、栅极结构和辅助二极管结构的半导体器件。一种半导体器件(500)包括：场电极结构(160)，其沿与半导体主体(100)中的第一表面(101)垂直的方向延伸；单元台体(170)，其由所述半导体主体(100)的在所述场电极结构(160)之间的部分构成；以及主体区域(115)，该主体区域与漂移区(121)一起形成第一pn结(pn1)。在场电极结构(160)之间的栅极结构(150)控制通过所述主体区域(115)的电流。正向电压小于述第一pn结(pn1)的辅助二极管结构(LD)与第一pn结(pn1)并联地电连接，其中辅助二极管结构(LD)的半导体部分形成在所述单元台体(170)中。

Description

具有场电极结构、栅极结构和辅助二极管结构的半导体器件
技术领域
本发明总体上涉及半导体器件，更具体地涉及具有场电极结构、栅极结构和辅助二极管结构的半导体器件。
背景技术
用作开关器件的功率半导体器件通常包括IGFET(绝缘栅极场效应晶体管)单元。在正向模式下，栅极电极处的适当电位引发通过主体区域的反型沟道。该反型沟道旁通了在主体区域与漂移区之间的反向偏置pn结。在反向阻断模式下，从正侧延伸到半导体裸片中的补偿结构耗尽这些补偿结构之间的半导体台体，从而使得在不对阻断能力产生负面影响的情况下半导体台体可以具有更高的掺杂剂浓度。高掺杂剂浓度又降低了该半导体器件的导通状态电阻。功率半导体器件的典型开关应用包括开关操作循环，其中在主体区域与漂移区域之间的pn结正向偏置并且输送切换电流。跨主体区域与漂移区域之间的正向偏置pn结的电压降对该半导体器件在开关应用中的总切换损耗有显著的贡献。
期望提供具有低开关损耗的半导体器件。
发明内容
本发明目标通过使用独立权利要求的主题来实现。这些独立权利要求涉及进一步的实施例。
根据一个实施例，一种半导体器件包括场电极结构，这些场电极结构沿与半导体主体的第一表面垂直的方向延伸。单元台体由半导体主体的位于这些场电极结构之间的部分构成并且包括主体区 域，这些主体区域与漂移区域一起形成第一pn结。场电极结构之间的栅极结构控制通过主体区域的电流。具有小于第一pn结的正向电压的辅助二极管结构与第一pn结并联电连接，其中辅助二极管结构的半导体部分形成于单元台体中。
根据另一个实施例，一种电子组件包括半导体器件，所述半导体器件包括场电极结构，这些场电极结构沿与半导体主体的第一平面垂直的方向延伸。单元台体由半导体主体的位于这些场电极结构之间的部分构成并且包括主体区域，这些主体区域与漂移区域一起形成第一pn结。场电极结构之间的栅极结构控制通过这些主体区域的电流。具有小于第一pn结的正向电压的辅助二极管结构与第一pn结并联电连接。辅助二极管结构的半导体部分形成于单元台体中。
通过阅读以下详细说明以及通过查看附图，本领域技术人员将认识到其他特征和优点。
附图说明
附图用于帮助进一步理解本发明并且并入本文并且构成本说明的一部分。附图示出了本发明的各个实施例并且与说明一起用于解释本发明的原理。参考以下详细说明可以更好地理解从而容易地了解到本发明的其他实施例和目标优势。
图1A是根据一个实施例的半导体器件的一部分的垂直截面示意图，该实施例涉及辅助二极管结构，在该辅助二极管结构中半导体部分形成于栅极电极结构与场电极结构之间的单元台体中。
图1B是图1A中所示的IGFET单元电路原理图。
图2A是根据一个实施例的半导体器件的一部分的垂直截面示意图，该实施例涉及形成于单元台体中并且与场电极结构直接毗连的的肖特基二极管。
图2B是示出半导体器件的正向特性以介绍各实施例的效果的示意图。
图2C是示出半导体器件的阻断特性以介绍各实施例的效果的示 意图。
图3A是根据一个实施例的半导体器件的一部分的垂直截面示意图，该实施例涉及沿单元台体形成并且与场电极直接毗连肖特基接触。
图3B是根据一个实施例的半导体器件的一部分的垂直截面示意图，该实施例涉及基于半导体主体的第一表面与场电极结构之间的导电结构的肖特基接触。
图3C是沿线C-C截取的图3B所示的半导体器件部分的水平截面示意图。
图3D是根据一个实施例的半导体器件的一部分的垂直截面示意图，该实施例涉及形成于与场电极和栅极电极隔开的导电结构的尖端处并且延伸到单元台体中的肖特基接触。
图4A是根据一个实施例的半导体器件的一部分的水平截面示意图，该实施例涉及分别形成于场电极沟槽中的肖特基接触和栅极电极。
图4B是沿线B-B截取的图4A所示的半导体器件部分的垂直截面示意图。
图5A是根据一个实施例的半导体器件的一部分的水平截面示意图，该实施例涉及多列(line)交替布置的MGD(MOS栅控二极管)和针状场电极结构。
图5B是沿线B-B截取的图5A所示的半导体部件部分的垂直截面示意图。
图5C是沿线C-C截取的半导体器件部分的垂直截面示意图。
图6A是根据一个实施例的半导体器件的一部分的水平截面示意图，该实施例涉及沿列交替布置并且彼此连接的MGD和场电极结构。
图6B是沿线B-B截取的图6A中所示的半导体器件部分的垂直截面示意图。
图6C是沿线C-C截取的图6A中所示的半导体器件部分的垂直 截面示意图。
图7A是根据一个实施例的半导体器件的一部分的水平截面示意图，该实施例涉及与包括连接部分的针状场电极结构交替布置的MGD。
图7B是沿线B-B截取的图7A所示的半导体器件部分的垂直截面示意图。
图8A是根据一个实施例的半导体器件的一部分的水平截面示意图，该实施例涉及条带状栅极结构、以及具有形成于场电极结构的垂直投影中的二极管电极的MGD。
图8B是根据一个实施例的半导体器件的一部分的水平截面示意图，该实施例涉及栅格状栅极结构、以及具有形成于场电极结构的垂直投影中的二极管电极。
图8C是沿线C-C截取的图8A和图8B中所示的半导体器件部分的水平截面示意图。
图8D是根据一个实施例的半导体器件的一部分的垂直截面示意图，该实施例涉及具有与源极和主体区域形成直接接口的二极管电极的MGD。
图8E是根据一个实施例的半导体器件的一部分的截面示意图，该实施例涉及具有与源极和主体区域形成直接接口并且主体区域宽度不同的二极管电极的MGD。
图9A是根据一个实施例的半导体器件的一部分的水平截面示意图，该实施例涉及分别形成于场电极沟槽内的MGD和栅极电极结构。
图9B是沿线B-B截取的图9A所示的半导体器件部分的垂直截面示意图。
图10是根据另一个实施例的包括功率半导体器件的电子组件的电路原理图。
图11是用于示出各实施例的效果的图10所示的电子组件处的信号的示意图时间表。
图12是根据另一个实施例的另一个电子组件的电路原理图，该电子组件包括功率半导体器件。
具体实施方式
在以下具体说明中，将参照附图，其中附图是本说明书的一部分并且以图示的方式示出了可以实践本发明的具体实施例。应了解，可以使用其他实施例并且可以在不脱离本发明范围的情况下进行结构或逻辑更改。例如，针对一个实施例说明或描述的特征可以用于其他实施例或者与其他实施例结合使用，以得到另一个实施例。本发明意图包括这种修改和更改。各示例将使用具体语言进行描述，该描述不应视作限制随附权利要求书的范围。附图并未按比例绘制并且仅用于说明。为清楚起见，如果未做其他规定，则不同附图中的对应附图标记指代的是相同元件。
术语“具有”、“含有”、“包括”、“包含”等均为开放性含义，这些术语表示存在所指出的结构、元件或特征，但不排除其他元件或特征。除非上下文明确另作规定，否则“一”、“一个”和“该”意图同时包含复数和单数含义。
术语“电连接”描述的是在电连接的元件之间的永久低欧姆连接，例如，相关元件之间的直接接触、或者经由金属和/或高度掺杂半导体实现的低欧姆连接。术语“电耦合”包括，可以在电耦合元件之间提供适于信号传输的一个或多个中间元件，例如，可控制为临时地在第一状态下提供低欧姆连接而在第二状态下提供高欧姆连接的元件。
附图通过在掺杂类型“n”或“p”旁边标注“-”或“+”来说明相对掺杂浓度。例如，“n-”是指掺杂浓度小于“n”掺杂区的掺杂浓度，而“n+”掺杂区的掺杂浓度大于“n”掺杂区。相同相对掺杂浓度的掺杂区不一定具有相同的绝对掺杂浓度。例如，两个不同的“n”掺杂区的绝对掺杂浓度可能相同或者不同。
图1A到图1B涉及半导体器件500，该半导体器件包括多个相 同的IGFET(绝缘栅极场效应晶体管)单元TC。半导体器件500可以是或者可以包括逆导功率IGFET，例如，功率MOSFET(金属氧化物半导体FET)在常规意义上包括具有金属栅极的FET以及具有非金属栅极的FET。根据另一个实施例，半导体器件500可以是IGBT。
半导体器件500基于单晶体半导体材料的半导体主体100，该单晶体半导体材料例如是硅(Si)、碳化硅(SiC)、锗(Ge)、硅锗晶体(SiGe)、氮化镓(GaN)、砷化镓(GaAs)或者其他任何AIIIBV半导体。
在正侧上，半导体主体100具有第一表面101，该表面可以是近似平面的、或者可以由跨共面表面部分的平面所限定。半导体主体100的相对的背侧处的平面的第二表面102平行于第一表面101延伸。第一表面101与第二表面102之间的距离是电压阻断能力的函数并且至少为20μm。根据其他实施例，该距离可以在不超过，例如，250μm的范围内。相对于第一表面101和第二表面102倾斜的侧面连接第一表面101和第二表面102。
在平行于第一表面101的平面中，半导体主体100可以具有边长为几毫米的矩形形状。第一表面101的法线限定垂直方向，并且与该垂直方向正交的方向是水平方向。
每个晶体管单元TC包括场电极结构160，该结构从第一表面101延伸到半导体主体100中向下直到底平面BPL。每个场电极结构160有效地作为补偿结构，并且包括导电的钉状或针状场电极165以及在场电极165周围的场电介质161。
场电极165包括掺杂的多晶硅层以及/或者含金属的层，或者由掺杂的多晶硅层以及/或者含金属的层构成。场电介质161将场电极165与周围的半导体主体100的半导体材料隔开，并且可以包括热生长的氧化硅层，或者由热生长的氧化硅层构成。根据一个实施例，场电介质161可以包括沉积的氧化硅层，例如，基于TEOS(原硅酸四乙酯)的氧化硅层。
场电极结构160的垂直延伸小于第一表面101与第二表面102之间的距离，从而使得邻接的半导体主体100的区段CS形成于场电极结构160与第二表面102之间。场电极结构160的垂直延伸可以在从0.2μm到45μm的范围内，例如在从2μm到20μm的范围内。该邻接区段CS包括第一导电类型的第一漂移区区段121a。
场电极165的第一水平延伸可以是与第一水平延伸正交的第二水平延伸的最多三倍或者最多两倍。该水平延伸可以在从0.1μm到2μm的范围内，例如，在从0.15μm到1μm的范围内。
场电极165和场电极结构160的水平截面可以分别是椭圆、卵形或者带有或者不带有圆角或倒角的规则或变形多边形。根据一个实施例，第一水平延伸和第二水平延伸大致相等，并且场电极165和场电极结构160的截面区域分别是圆形或者带有或者不带有圆角或倒角的规则的多边形，例如八边形、六边形或者正方形。
场电极结构160，其可以居中在对应晶体管单元TC的水平中心点CP上，可以等距间隔并且可以以矩阵形式布置在多列和多行中。根据其他实施例，场电极结构160可以布置在多个移位的列中，其中奇数列沿该列相对于偶数行移位了在两个场电极结构160之间的中心到中心距离的一半。
从半导体主体100的邻接区段CS突起的单元台体170形成晶体管单元TC的半导体部分，围绕场电极结构160并且形成具有场电极结构160布置在网格内的栅格。
单元台体170包括第一导电类型的第二漂移区区段121b，其中第二漂移区区段121b与半导体主体100的邻接区段CS的第一漂移区区段121a直接毗连。第二漂移区区段121b中的掺杂剂浓度可以等于第一漂移区区段121a中的掺杂剂浓度。包括第一漂移区区段121a和第二漂移区区段121b的漂移区121中的平均掺杂剂浓度可以介于1E15cm-3与1E17cm-3之间，例如，介于5E15cm-3与5E16cm-3之间。
每个单元台体170包括与第一导电类型相反的第二导电类型的 主体区域115，并且与漂移区121一起形成第一pn结pn1。主体区域115将第一导电类型的源极区域110与漂移区121隔开，并且与源极区域110一起形成第二pn结pn2，其形成于第一表面101与主体区域115之间。栅极结构150从第一表面101延伸到单元台体170中。每个栅极结构150包括导电栅极电极155，其与半导体主体100完全绝缘。栅极电介质151将栅极电极155至少与主体区域115隔开。
栅极电极155包括高度掺杂的多晶硅层以及/或者含金属的层，或者由高度掺杂的多晶硅层以及/或者含金属的层构成。例如，栅极电介质161可以包括热生长的氧化硅层或者沉积的氧化硅层，或者由热生长的氧化硅层或者沉积的氧化硅层构成。栅极结构150的垂直延伸小于场电极结构160的垂直延伸。根据一个实施例，栅极结构150的垂直延伸可以在从200nm到2000nm的范围内，例如，在从600nm到1000nm的范围内。
栅极电介质151将栅极电极155电容耦合到主体区域115的沟道部分。栅极电介质151可以包括以下项或者由以下项构成：半导体氧化物，例如热生长或者沉积的氧化硅；半导体氮化物，例如沉积或者热生长的氮化硅；半导体氮氧化合物，例如氮氧化硅；或者它们的组合。
栅极结构150可以是沿第一表面101形成于半导体主体100外部的横向栅极。根据图示的实施例，栅极结构150是从第一表面101延伸到半导体主体100中的沟槽栅极。
栅极电极155可以电连接到半导体器件500的栅极端子G，或者电连接到内部栅极驱动器的输出。例如，源极区域110和主体区域115可以电连接到半导体器件500的第一负载端子L1，该第一负载端子可以是IGFET的源极端子或者IGBT的发射器端子。场电极165可以电连接到第一负载电极L1，电连接到栅极端子G，电连接到内部电子电路的输出或者电连接到半导体器件500的另一个控制端子。例如，包括漂移区121的漂移和背侧结构120可以电连接到第二负 载端子L2，该第二负载端子可以是IGFET的漏极端子或者IGBT的控制器端子。
在图示的实施例中并且就以下说明而言，第一导电类型是n型并且第二导电类型是p型。以下概述的类似考虑，也适用于第一导电类型为p型并且第二导电类型为n型的实施例。
当施加到栅极电极155的电压超出当前阈值电压时，电子积聚在与栅极电介质151直接毗连的沟道部分中，并且形成使得电子的第二pn结pn2短路的反型沟道。
第一pn结pn1形成主体二极管BD；当在第一负载端子L1与第二负载端子L2之间施加有正电压的情况下半导体器件500反向偏置时，则该主体二极管正向偏置。例如，在半桥式电路中，通常两个半导体开关器件串联地电气布置在DC(直流)或AC(交流)电源之间，并且在这两个半导体器件之间的网络节点之间的网络节点电连接到电感负载。半导体器件500交替地导通和断开，其中对于一个较短时间段，这两个半导体器件均断开，以避免发生短路情况。在共同断开时间内，由负载引起的电流不断地流过正向偏置主体二极管BD。对于单晶硅的半导体主体100而言，跨主体二极管BD的正向电压降通常是约0.7V。
半导体器件500包括辅助二极管结构LD，其中半导体部分完全形成于单元台体170中。在等于及低于针对半导体器件500指定的绝对最大电流额定值的电流下，辅助二极管结构LD的正向电压降小于主体二极管BD。辅助二极管结构LD可以是肖特基接触或MGD(MOS栅控二极管)单元。
图1B示出了涉及具有晶体管单元TC的IGFET 501的实施例。辅助二极管结构LD并联地电连接到晶体管单元TC的主体二极管BD，并且支配跨主体pn结pn1的电压降。辅助二极管结构LD减小了在半导体器件500的反向偏置模式下由负载引起的电压降，并且因此而减小了具有IGFET 501的长反向偏置切换阶段的开关应用中的损耗。由于辅助二极管结构LD的半导体部分形成于单元台体170 内，因此辅助二极管结构LD不占据额外的芯片区域，并且因此不对导通状态特性产生负面影响。由于辅助二极管结构LD可以形成于所有或者至少多个单元台体170中，所以辅助二极管结构的总安培容量相对较高。
图2A到图3C示出了基于肖特基二极管SC的实施例，该肖特基二极管SC的半导体部分形成于单元台体170的位于场电极结构160与栅极结构150之间的部分中。
图2A的半导体器件500基于半导体主体100，其中场电极结构160被单元台体170分隔，并且栅极结构150从第一表面101延伸到单元台体170中，如参考图1A和图1B详述的那样。
半导体器件500是具有漂移和背侧结构120的IGFET，该漂移和背侧结构120包括沿第二表面102形成的第一导电类型的高度掺杂接触部分129。接触部分129可以是高度掺杂基底衬底或者高度掺杂层。沿第二表面102，接触部分129中的掺杂剂浓度足够高，以形成金属与第二表面102直接毗连的欧姆接触。在半导体主体100基于硅的情况下，在n型导电接触部分129中，沿第二表面102的掺杂剂浓度可以是至少1E18cm-3，例如，至少5E19cm-3，而在p型接触部分129中，掺杂剂浓度可以是至少1E18cm-3，例如，至少5E18cm-3。
场停止层128可以将漂移区121与接触部分129隔开。场停止层128中的平均掺杂剂浓度可以是漂移区121中的平均掺杂剂浓度的至少五倍，并且接近接触部分129的最大掺杂剂浓度的五分之一。
在漂移区121中，至少在其垂直延伸部分中，掺杂剂浓度可以随着距离第一表面101的距离的增加而逐渐地或者逐步地增大或者减小。根据其他实施例，漂移区121中的掺杂剂浓度可以大致均匀。漂移区121中的平均掺杂剂浓度可以介于1E15cm-3与1E17cm-3之间，例如在从5E15cm-3到5E16cm-3的范围内。半导体主体100可以包括在漂移区121和场停止层128中的其他掺杂区域。
源极区域110可以是从第一表面101延伸到单元台体170中的 阱。根据一个实施例，一个源极区域110在水平平面中环绕晶体管单元TC的场电极结构160。一个或多个源极区域110可以与相应场电极结构160直接毗连或者可以与场电极结构160隔开。根据其他实施例，相关晶体管单元TC的场电极结构160被一个源极区域110不完全地环绕，或者包括多个部分地隔开的源极区域110，这些源极区域相对于晶体管单元TC的水平中心点旋转对称。
栅极结构150可以是条带状，其中条带延伸在针状场电极结构160的列之间。根据其他实施例，栅极结构150形成栅格，其中该栅格的网格分别包括一个或多个场电极结构160。栅极结构150的宽度可以恒定或者可以变化，从而使得沿晶体管单元TC的周界，场电极结构160与栅极结构150之间的距离大致恒定。
与第一表面101毗连的中间层电介质210可以将栅极电极155与布置在正侧的第一负载电极310电绝缘。此外，中间层电介质210可以形成于场电极结构160的垂直投影中。
例如，中间层电介质210可以包括由氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、掺杂或非掺杂硅酸盐玻璃(例如BSG(硼硅酸盐玻璃)、PSG(磷硅酸盐玻璃)或者BPSG(硼磷硅酸盐玻璃))构成的一个或多个电介质层。
在半导体器件500是IGFET的情况下，第一负载电极310可以形成或者可以电耦合或连接到源极端子S。在半导体器件500是IGFET的情况下，与第二表面102和接触部分129直接毗连的第二负载电极320可以形成或者可以电连接到第二负载端子，该第二负载端子可以是漏极端子D。
第一负载电极310和第二负载电极320均由以下项构成或者包括以下项，作为一个或多个主要成分：铝(Al)、铜(Cu)、或者铝或铜合金，例如AlSi、AlCu或AlSiCu。根据其他实施例，第一负载电极310和第二负载电极320中的至少一个电极可以包括以下项，作为一个或多个主要成分：镍(Ni)、锡(Sn)、钛(Ti)、坞(W)、钽(Ta)、钒(V)、银(Ag)、金(Au)、铂(Pt)以及/或者钯 (Pd)。例如，第一负载电极310和第二负载电极320中的至少一个电极可以包括两个或更多个子层，其中每个子层包括Ni、Sn、Ti、V、Ag、Au、Pt、W和Pd中的一个或多个，作为一个或多个主要成分，例如，硅化物、氮化物以及/或者合金。
接触结构315延伸通过在中间层电介质210中的开口，并且将第一负载电极310与至少源极区域110电连接，并且可选地，与晶体管单元TC的场电极165电连接。接触结构315可以包括：基于例如钛(Ti)或钽(Ta)等的一个或多个导电含金属层、以及基于诸如钨(W)等的金属填充部分。
根据其他实施例，场电极165可以电连接或耦合到栅极电极155、半导体器件500的另外的控制端子、内部驱动器电路的输出，或者可以电气浮置。
导电结构311，例如，高度导电结构诸如金属结构等，可以从接触结构315延伸到单元台体170中。导电结构311电连接到源极端子S。例如，导电结构与接触结构315或者第一负载电极310直接毗连。
导电结构311的垂直延伸可以大于第一表面101与形成主体二极管的第一pn结pn1之间的距离，从而使得导电结构311和漂移区121形成金属-半导体界面。导电结构311可以与场电极结构160直接毗连，从而使得其夹设在单元台体170与场电极结构160之间。
在导电结构311与漂移区121之间的界面可以是金属-半导体界面，并且形成肖特基接触SC。肖特基接触SC形成辅助二极管结构LD，其中，该辅助二极管结构的正向电压小于主体二极管的在等于及低于主体二极管的标称最大正向电流的电流下的正向电压。
主体区域115可以包括高度掺杂接触部分115a，该部分沿导电结构311的至少一部分延伸，从而使得导电结构311附加地形成与主体区域115的欧姆接触OC。在肖特基接触SC的阻断状态下，场电极结构160屏蔽了施加给肖特基接触SC的电场，并且减小了肖特基接触SC的场引起的泄漏电流，该场引起的泄漏电流是肖特基接触 SC处的最大电场强度的函数。
此外，栅极结构150有助于泄漏电流的减小，因为在肖特基接触SC的阻断模式下，栅极电位位通常与在第一负载电极310和场电极165处的电位相同。
如图2B中所示，图2A所示的半导体器件500中的有效主体二极管的正向特性411显示出了肖特基特性。在等于及低于针对半导体器件500指定的最大二极管电流Imax的电流下，跨有效主体二极管的正向电压降小于根据没有肖特基接触SC的参考示例的正向特性412。
在图2C中，图2A所示的半导体器件500的阻断特性401示出了，在相同的漏极到源极电压VDS下，泄漏电流大于没有导电结构311的参考示例中的阻断特性402。
在图3A中，半导体器件500的导电结构311形成于场电介质161的凹进部分的垂直投影中、在凹进的场电介质部分与共面于第一表面101的平面之间。导电结构311可以通过在中间层电介质210中形成开口之后的选择性氧化腐蚀，来以相对于场电极165和单元台体170自对准的方式形成。埋置式导电结构311的垂直延伸大于第一pn结pn1与第一表面101之间的距离。导电结构311与漂移区121重叠至少30nm并且不得超过500nm。
在图3B中，导电结构311将埋置式场电极结构160与共面于第一表面101的平面隔开。
图3C示出了具有多个图3B中所示的针状场电极结构160和周界式肖特基接触SC的布局。栅极结构160形成栅格。场电极结构160形成于栅格的网格中。场电极结构160沿平行于第一表面101的第一水平方向的第一横向延伸，是场电极结构160沿与第一水平方向正交并且与第一表面101平行的第二水平方向的第二水平延伸的最多三倍。根据一个实施例，第一横向延伸和第二横向延伸大致相等，其中场电极结构160的水平截面区域可以是圆形、或者具有斜角或圆角的规则多边形(诸如正方形、六边形或八边形等)。场 电极结构160可以布置在正交行列的棋盘式图案中。根据其他实施例，场电极结构160可以布置成平行的、移位的列，例如，布置成彼此移位了场电极结构160的中心到中心距离的一半的列。
图3D示出了具有导电结构311的半导体器件500，在水平方向上，该导电结构与栅极结构150和场电极结构160两者隔开。导电结构311延伸穿过源极区域110和主体区域115，至少向下延伸到第一pn结pn1。根据图示的实施例，导电结构311延伸到漂移区121中。
其他实施例涉及用作辅助二极管结构LD的.，该辅助二极管结构提供的正向电压小于由第一pn结pn1形成的主体二极管BD的正向电压。基于肖特基接触SC的辅助二极管结构LD以及形成为.的辅助二极管结，构可以组合在同一半导体器件500中。
尽管先前的实施例是指栅极电极结构150形成为距离场电极结构160一定距离内的实施例，但是图4A和图4B涉及的是栅极结构150和肖特基接触SC两者形成于单元台体170与场电极结构160之间的实施例。
肖特基接触SC形成于漂移区121与导电结构311之间的界面处，该导电结构311从第一表面101延伸到相应场电极结构160的场电介质161中。导电结构311可以由含金属的层或者掺杂的多晶硅提供。根据另一个实施例，导电结构311包括：位于漂移区121的界面处的金属部分、以及位于其余部位中的掺杂的，例如高度掺杂的，多晶硅部分。
栅极电极155以及导电结构311的垂直延伸可以大致相等。接触结构315b可以从第一表面101延伸到半导体主体100中，以将源极区域110和主体区域115与第一负载电极310电连接。根据另一个实施例，导电结构311可以将源极区域110和主体区域115与第一负载电极310电连接。
具有以及不具有肖特基接触SC的场电极结构160的比率可以在从1000:1到1:10的范围内。图示的实施例涉及1:1的比率，其中具 有和不具有肖特基接触SC的场电极结构160布置成棋盘式图案。
图5A到图5C所示的半导体器件500基于平行的条带状栅极结构150。在每对条带状栅极结构150之间，场电极结构160布置成平行于栅极结构150延伸的列。在邻近的场电极结构160之间，形成了.。每个.包括二极管电极145以及夹设在二极管电极145与至少主体区域115之间的二极管电介质141。.可以包括沿与漂移区121的界面的底部电介质142，其中底部电介质142的厚度w4大于二极管电介质141的厚度w3，以避免漂移区121与二极管电极145之间出现局部贯穿、并且减小漏极到源极电容。底部电介质142的厚度w4可以与场电介质161的厚度w2大致相等。
二极管电介质145可以由高度掺杂多晶硅构成，或者包括高度掺杂多晶硅。根据一个实施例，二极管电介质145包括含金属的层。
二极管电介质141可以包括以下项或者由以下项构成：半导体氧化物，例如热生长或沉积的氧化硅；半导体氮化物，例如沉积或热生长的氮化硅；半导体氮氧化物，例如，氮氧化硅；或者它们的组合。根据一个实施例，二极管电极145可以包括与栅极电极155的相同一个或多个材料，并且可以具有与栅极电极155相同的层构造。替代地或者附加地，二极管电介质141可以由与栅极电介质151相同的一个或多个材料形成。
MGD 140的垂直延伸等于或大于第一pn结pn1与第一表面101之间的距离。根据一个实施例，MGD 140和栅极结构150可以具有相同的宽度和相同的垂直延伸。
二极管电极145电连接到第一负载电极310。例如，接触结构315可以从第一负载电极310穿过在中间层电介质210中的开口向下延伸到二极管电极145之处或者之中。
施加到第一负载电极310的正电位沿二极管电介质141生成反型层。该反型层旁通了第一pn结pn1，从而使得衬底中的MGD的作用类似于二极管。
根据一个实施例，二极管电介质141比栅极电介质151更薄。 例如，栅极电介质151的厚度w1是至少30nm并且二极管电介质141的厚度w3在从3nm到15nm的范围内，从而使得MGD 140的阈值电压小于700mV。在第一pn结pn1处、在漏极到源极电压VDS＝0.7V的情况下少数电荷载流子的注入开始进行之前，MGD 140的反型沟道传送单极性电荷载流子电流。因此，MGD 140减小了跨主体结的有效电压降。较小的电压降也与减小的切换损耗关联。
场电极160和二极管电极145两者可以通过条带状接触结构315与第一负载电极310电连接，该条带状接触结构315在场电极结构160和MGD 140的垂直投影中、平行于栅极结构150延伸，或者延伸穿过成列布置的多个接触结构315。场电极结构160和MGD 140可以彼此隔开，如图5A到图5C中所示。场电极结构160与MGD 140的数量比率可以是图示的1:1，也可以是介于100:1与1:100之间的其他任何比率。
在图6A到图6C中，MGD 140和场电极结构160彼此直接毗连，从而使得场电极165与二极管电极145形成平行于栅极结构150的邻接式的列。第一负载电极310与场电极165和二极管电极145之间的接触结构315的数量可以减小。例如，连接场电极165和二极管电极145的接触结构315，排他地形成于场电极165的部分的垂直投影中。
其他接触结构315b可以在邻近的栅极结构150与场电极结构160之间以及在邻近的栅极结构150与MGD 140之间的台体部分的近似中心处，将第一负载电极310与源极区域110和主体区域115电连接。
在图7A到图7B中，半导体器件500包括场电极165，该场电极165具有：场部分165b，与漂移区121电绝缘；以及连接部分165a，形成与源极区域110和主体区域115的导电界面带168。界面带168可以是场电极165的连接部分165a的多晶材料或部分再结晶材料之间的直接界面。根据其他实施例，界面带168可以包括界面层，用于避免半由于沿界面带168存在非单晶材料而造成的导体主体100 的晶格结构的变形。连接部分165a的垂直延伸小于介于第一pn结pn1与第一表面101之间的距离，从而使得连接部分165a不与漂移区121重叠。
接触结构315将第一负载电极310与连接部分165a连接。其他接触结构可以延伸穿过中间层电介质210，并且可以将第一负载电极310与二极管电极145连接。根据图示的实施例，二极管电介质141仅将二极管电极145与主体区域115隔开，而不存在于介于第一表面101与第二pn结pn2之间的部分中，从而使得二极管电极145与源极区域110一起形成另一个界面带148。
图8A到图8E所示的半导体器件涉及MGD 140，其中在朝向第一表面101的一侧上，二极管电极145形成于针状、钉状电极结构160的垂直投影中。
栅极结构150可以是如图8A所示规则地布置的条带，或者可以形成栅格，其中MGD140和场电极结构160布置在栅格的网格中。MGD 140可以以矩阵的形式布置成正交的行列，或者布置成移位的列，其中奇数列中的MGD 140相对于偶数列中的MGD 140移位了沿行方向的邻近MGD 140之间的中心到中心距离的一半。
如图8C到8E中所示，二极管电极145布置在场电极结构160与共面于第一平面101的平面之间。场电介质161将场电极165与漂移区121隔开。二极管141可以沿所有或者至少一个水平方向将二极管电极145与主体区域115隔开。接触结构315从第一负载电极310穿过在中间层电介质210中的开口延伸到二极管电极145之处或之中。其他接触结构315b从第一负载电极310穿过在中间层电介质210中的开口和源极区域110，延伸到位于栅极结构150的相对侧的主体区域115中。
在图8D中，在MGD 140的至少一侧上，二极管电极145与源极区域110和主体区域115形成导电界面带148。根据图示的实施例，二极管电介质141形成于面对邻近的栅极结构150中的第一个栅极结构的第一侧上，并且不存在于面对第二邻近栅极结构150的 相对的第二侧上。二极管电介质141与界面带148的面积比可以是约1:1，或者介于1:100到100:1之间的其他任何比率，例如，在1:10与10:1之间。
由于就给定的光刻技术和给定的对准容差而言，第一负载电极310与主体区域115的与界面带148直接毗连的部分之间的接触结构可以省略，因此介于界面带148与相邻栅极结构150之间的台体部分可以比介于栅极结构150与二极管电介质141之间的台体部分窄。
图8E示出了一个实施例，其中台体部分的介于栅极结构150与界面带148之间的第一宽度d1比介于栅极结构150与二极管电介质141之间的第二宽度d2的更窄。
尽管先前的实施例涉及栅极电极结构150形成于距离场电极结构160一定距离内的实施例，但是图9A和图9B涉及的是栅极结构150和MGD 140分别形成于单元台体170与场电极结构160之间的实施例。
栅极电极155与二极管电极145的垂直延伸可以大致相等。接触结构315b从第一表面101延伸到半导体主体100中，以将源极区域110和主体区域115与第一负载电极310电连接。
具有栅极结构150的场电极结构160与具有MGD 140的场电极结构160的比率可以在从1000:1到1:10的范围内。图示的实施例涉及比率1:1，其中具有栅极电极结构160的与具有MGD 140的场电极结构160布置成棋盘式图案。
图10示出了电子组件510，例如，该电子组件可以是电动机驱动、开关电源、开关电源的第一级、同步整流器、DC/AC变换器的第一级、DC/AC变换器的第二级、DC/DC变换器的第一级，或者太阳能变换器的一部分。
电子组件510可以包括两个上述半导体开关器件500，这两个半导体开关器件有效地用作低侧开关LS以及高侧开关HS。半导体器件500可以是IGFET，并且两个半导体器件500的负载路径串联地电气布置在第一电源端子A与第二电源端子B之间。电源端子A、 B可以提供DC(直流)电压或AC(交流)电压。例如，介于两个半导体器件500之间的网络节点NN可以：电连接到电感负载，该电感负载可以是变压器绕组或者电动机绕组；或者电连接到电子电路的参考电位。该电子组件可以进一步包括：控制电路504，其被配置为提供控制信号，以交替地导通和断开半导体器件500；以及栅极驱动器502，其由控制电路504控制、并且电连接到半导体器件500的栅极端子。
电子组件510可以是具有半导体器件500的电动机驱动，该电动机驱动电气布置成半桥式构造，网络节点NN电连接到电动机绕组、以及提供直流电压的电源端子A、B。
根据另一个实施例，电子组件510可以是开关电源的第一侧级，其中电源端子A、B向电子电路510提供输入频率的AC电压。网络节点NN电连接到变压器的第一绕组。
电子组件510可以是开关电源的同步整流器，其中电源端子A、B连接到变压器的第二绕组，并且网络节点NN电连接到电子电路在开关电源的第二侧处的参考电位。
根据另一个实施例，电子组件510可以是DC/DC变换器的第一侧级，例如，适用于包括光电池的应用的电力优化器或者微型逆变器，其中电源端子A、B向电子组件510提供DC电压，并且网络节点NN电连接到电感性储存元件。
根据另一个实施例，电子组件510可以是DC/DC变换器的第二侧级，例如，适用于包括光电池的应用的电力优化器或者微型逆变器，其中电子电路510向电源端子A、B提供输出电压，并且其中网络节点NN电连接到电感性储存元件。
图11示出了图10所示的半桥式电路的开关操作循环。图线421示出了低侧MOSFET上的电压，并且图线422示出了输出电流。在t0与t1之间，低侧开关导通并且高侧开关断开。在t1与t2之间，两个开关均断开。在t2与t3之间，高侧开关导通并且低侧开关断开。在t3与t4之间，两个开关均断开，并且在t4上，低侧开关再次导 通。
在两个开关均断开的阶段中，电流继续流动。该电流由主体二极管输送。随着切换频率不断增大，绝对断开时间维持大致相等，以便稳定地避免在两个开关均导通的短路条件。主体二极管对于总切换损耗的贡献随着切换频率的增大而增大。使用通过根据各实施例的半导体器件构成的低侧和/或高侧开关，可以大幅减小切换损耗。
图12涉及开关电源591，该开关电源在第一侧级511中以及位于第二侧处的同步整流器512中使用上述半导体器件500。
AC电源电压通过功率因数校正单元513供应到第一侧级。脉冲宽度调制控制器521控制栅极驱动器522，从而使得串联地电气布置在第一侧级中的两个半导体器件500交替地导通和断开。介于这两个半导体器件500的负载路径之间的网络节点NN电连接到变压器TR的第一绕组。在位于第二侧处的同步整流器512中，另外两个半导体器件500可以相对于彼此并联地电气布置，并且，组合在一起地，与变压器TR的第二绕组并联地电气布置。第二栅极驱动器523交替地导通和断开同步整流器512的半导体器件500。可以提供电流绝缘的耦合元件525，将同步整流器512的输出信号馈送回到脉冲宽度调制控制器521，该脉冲宽度调制控制器521响应于不断改变的负载条件而调节开关操作循环的定时。
尽管本说明书中已说明并且描述了多个具体实施例，但是本领域技术人员将了解到，可以在不脱离本发明范围的情况下，用各种替代和/或等效实施方案替换图示和描述的具体实施例。本申请意图涵盖本说明书所述的具体实施例的任何改变或变更。因此，本发明意图仅受权利要求书及其等同物的限制。

Claims (27)

1.一种半导体器件，所述半导体器件包括：
场电极结构(160)，在半导体主体(100)中在与第一表面(101)垂直的方向上延伸；
单元台体(170)，由所述半导体主体(100)的在所述场电极结构(160)之间的部分构成，并且包括主体区域(115)，所述主体区域与漂移区(121)一起形成第一pn结(pn1)；
栅极结构(150)，形成在所述场电极结构(160)之间，并且被配置为控制通过所述主体区域(115)的电流；以及
辅助二极管结构，具有小于所述第一pn结(pn1)的正向电压、并且与所述第一pn结(pn1)并联地电连接，其中所述辅助二极管结构的半导体部分形成在所述单元台体(170)中,
其中所述辅助二极管结构是肖特基接触，所述肖特基接触形成在所述漂移区(121)与导电结构(311)之间的界面处，每个所述导电结构(311)在所述栅极结构(150)中的一个与所述场电极结构(160)中的一个之间、从所述第一表面(101)延伸到所述半导体主体(100)中。
2.根据权利要求1所述的半导体器件，其中
所述第一pn结(pn1)被配置为在所述半导体器件(500)的反向偏置操作状态下导电。
3.根据权利要求1或2所述的半导体器件，其中
所述场电极结构(160)沿与所述第一表面(101)平行的第一水平方向的第一横向延伸，是所述场电极结构(160)沿与所述第一水平方向正交并且与所述第一表面(101)平行的第二水平方向的第二横向延伸的最多三倍。
4.根据权利要求1或2所述的半导体器件，其中
所述导电结构(311)与所述场电极结构(160)直接毗连。
5.根据权利要求1所述的半导体器件，其中
每个场电极结构(160)包括场电极(165)以及将所述场电极(165)与所述半导体主体(100)分别地隔开的场电介质(161)，并且每个导电结构(311)夹设在所述单元台体(170)中的一个与所述场电介质(161)中的一个之间。
6.根据权利要求1所述的半导体器件，其中
每个场电极结构(160)包括场电极(165)以及将所述场电极(165)与所述半导体主体(100)隔开的场电介质(161)，并且每个导电结构(311)夹设在所述单元台体(170)中的一个与所述场电极(165)中的一个之间。
7.根据权利要求1所述的半导体器件，其中
所述导电结构(311)将所述场电极结构(160)与所述第一表面(101)分别地隔开。
8.根据权利要求1所述的半导体器件，其中
所述导电结构(311)与所述场电极结构(160)隔开，并且延伸穿过所述主体区域(115)。
9.根据权利要求1所述的半导体器件，其中
所述栅极结构(150)形成在所述单元台体(170)与所述场电极结构(160)的场电极(165)之间，并且所述肖特基接触形成在所述单元台体(170)与所述场电极结构(160)之间。
10.根据权利要求9所述的半导体器件，其中
所述肖特基接触形成在所述漂移区(121)与导电结构(311)之间的界面处，每个导电结构(311)从所述第一表面(101)延伸到所述场电极结构(160)中的一个的场电介质(161)中，并且与毗连的所述单元台体(170)直接毗连。
11.一种半导体器件，包括：
场电极结构(160)，在半导体主体(100)中在与第一表面(101)垂直的方向上延伸；
单元台体(170)，由所述半导体主体(100)的在所述场电极结构(160)之间的部分构成，并且包括主体区域(115)，所述主体区域与漂移区(121)一起形成第一pn结(pn1)；
栅极结构(150)，形成在所述场电极结构(160)之间，并且被配置为控制通过所述主体区域(115)的电流；以及
辅助二极管结构，具有小于所述第一pn结(pn1)的正向电压、并且与所述第一pn结(pn1)并联地电连接，其中所述辅助二极管结构的半导体部分形成在所述单元台体(170)中，
其中所述辅助二极管结构是MOS栅控二极管(140)，所述MOS栅控二极管(140)具有：二极管电极(145)，电连接到源极区域(110)，所述源极区域(110)与所述主体区域(115)一起形成第二pn结(pn2)；以及二极管电介质(141)，分别地夹设在所述二极管电极(145)与所述主体区域(115)之间。
12.根据权利要求11所述的半导体器件，其中
所述MOS栅控二极管(140)的阈值电压，小于由所述栅极结构(150)控制的晶体管单元(TC)的阈值电压。
13.根据权利要求11或12所述的半导体器件，其中
所述栅极结构(150)包括栅极电介质(151)，并且所述二极管电介质(141)至少部分地比所述栅极电介质(151)更薄。
14.根据权利要求11或12所述的半导体器件，其中
所述MOS栅控二极管(140)相对于所述第一表面(101)的垂直延伸，大于或等于所述栅极结构(150)的垂直延伸。
15.根据权利要求11或12所述的半导体器件，其中
所述栅极结构(150)是条带，所述场电极结构(160)在所述栅极结构(150)之间布置成列，并且所述MOS栅控二极管(140)分别地布置在相同列的邻近的场电极结构(160)之间。
16.根据权利要求15所述的半导体器件，其中
每个场电极结构(160)包括场电极(165)以及将所述场电极(165)与所述漂移区(121)隔开的场电介质(161)，并且所述场电极(165)与二极管电极(145)形成相连的一条线。
17.根据权利要求15所述的半导体器件，其中
所述场电极结构(160)以及所述MOS栅控二极管(140)是彼此隔开的。
18.根据权利要求17所述的半导体器件，其中
每个场电极结构(160)包括场电极(165)以及将所述场电极(165)与所述漂移区(121)隔开的场电介质(161)，所述场电极(165)的连接部分(165a)与邻近的源极区域和主体区域(110、115)直接毗连。
19.根据权利要求11或12所述的半导体器件，其中
所述栅极结构(150)是条带，所述场电极结构(160)在所述栅极结构(150)之间布置成列，并且所述MOS栅控二极管(140)布置在所述场电极结构(160)的垂直投影中、在与所述第一表面(101)共面的平面与所述场电极结构(160)之间。
20.根据权利要求19所述的半导体器件，其中
所述二极管电介质(141)将所述二极管电极(145)与所述半导体主体(100)完全地隔开。
21.根据权利要求19所述的半导体器件，其中
所述二极管电介质(141)在面对邻近的所述栅极结构(150)中的第一个栅极结构的第一侧处，将所述二极管电极(145)与所述半导体主体(100)隔开；并且在所述二极管电极(145)的面对邻近的所述栅极结构(150)中的第二个栅极结构的相对的第二侧处，与所述源极区域和所述主体区域(110、115)形成直接界面。
22.根据权利要求21所述的半导体器件，其中
在所述MOS栅控二极管(140)与邻近的所述栅极结构(150)中的所述第一个栅极结构之间的第一距离(d1)，大于所述MOS栅控二极管(140)与邻近的所述栅极结构(150)中的所述第二个栅极结构之间的第二距离(d2)。
23.根据权利要求11或12所述的半导体器件，其中
所述栅极结构(150)形成在所述单元台体(170)与所述场电极结构(160)的场电极(165)之间，并且所述MOS栅控二极管(140)形成在所述单元台体(170)与所述场电极结构(160)的场电极(165)之间。
24.根据权利要求23所述的半导体器件，其中
所述栅极结构(150)和所述MOS栅控二极管(140)从所述第一表面(101)延伸到所述场电极结构(160)的场电介质(161)中。
25.根据权利要求11所述的半导体器件，其中
所述第一pn结(pn1)被配置为在所述半导体器件(500)的反向偏置操作状态下导电。
26.根据权利要求11或25所述的半导体器件，其中
所述场电极结构(160)沿与所述第一表面(101)平行的第一水平方向的第一横向延伸，是所述场电极结构(160)沿与所述第一水平方向正交并且与所述第一表面(101)平行的第二水平方向的第二横向延伸的最多三倍。
27.一种电子组件，包括：
根据任一前述权利要求所述的半导体器件(500)。
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