專利名稱：N溝道超結(jié)縱向雙擴(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體管的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
-
本發(fā)明涉及一種硅制高壓功率金屬氧化物半導(dǎo)體器件，更準(zhǔn)確的講，涉及 一種硅制高壓超結(jié)縱向雙擴(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(super junction VDMOS，即超結(jié)VDMOS，以下均簡(jiǎn)寫為超結(jié)VDMOS)。
背景技術(shù)：
-
目前，功率器件在日常生活、生產(chǎn)等領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛，特別是功率 金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管，由于它們擁有較快的開關(guān)速度、較小的驅(qū)動(dòng)電 流、較寬的安全工作區(qū)，因此受到了眾多研究者們的青睞。如今，功率器件正向 著提高工作電壓、增大工作電流、減小導(dǎo)通電阻和集成化的方向快速發(fā)展。在眾 多的功率金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管器件中，尤其是在縱向功率金屬氧化物 半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管中，超結(jié)半導(dǎo)體功率器件的發(fā)明，它克服傳統(tǒng)功率MOS晶體 管導(dǎo)通電阻與擊穿電壓之間的矛盾，改變了傳統(tǒng)功率器件依靠漂移層耐壓的結(jié) 構(gòu)，而是采用了一種"超結(jié)結(jié)構(gòu)"一一P型、N型硅半導(dǎo)體材料柱狀相互交替排 列的形式。這種結(jié)構(gòu)改善了擊穿電壓和導(dǎo)通電阻不易同時(shí)兼顧的情況，在截止態(tài) 時(shí)，由于P型柱和N型柱中的耗盡區(qū)電場(chǎng)產(chǎn)生相互補(bǔ)償效應(yīng)，使P型和N型柱的摻 雜濃度可以做得很高而不會(huì)引起器件擊穿電壓的下降。導(dǎo)通時(shí)，這種高濃度的摻 雜使器件的導(dǎo)通電阻明顯降低。由于超結(jié)VDMOS的這種獨(dú)特器件結(jié)構(gòu)，使它的 電性能明顯優(yōu)于傳統(tǒng)功率金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管，因此這種技術(shù)被人們 稱為功率金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管技術(shù)上的一個(gè)里程碑。如今，功率器件 的原胞區(qū)域已經(jīng)可以能夠通過設(shè)計(jì)使其達(dá)到上千伏的耐壓水平，但是在實(shí)際的生 產(chǎn)過程中，還需要考慮晶體管的雄緣區(qū)域，對(duì)于垂直器件來說， 一個(gè)芯片的邊緣 部分的原胞除了要承受垂直方向上的電壓外還要承受水平方向上的電壓，因此器 件的終端邊緣區(qū)域成為制約整個(gè)器件擊穿電壓的一個(gè)不可忽視的因素。因此，要 使一個(gè)晶體管的整體耐壓提高，終端邊緣區(qū)域的結(jié)構(gòu)也必須經(jīng)過優(yōu)化和改善。
對(duì)于傳統(tǒng)的功率器件的終端結(jié)構(gòu)來說，除了在體硅表面制作場(chǎng)板等終端結(jié)構(gòu) 之外，在體硅內(nèi)部利用較低濃度的漂移層來保證耐壓水平，但是由于超結(jié)器件特殊的原胞結(jié)構(gòu)，漂移區(qū)的濃度較高，漂移層的厚度也較小，普通的高壓功率器件 的終端結(jié)構(gòu)不再適合超結(jié)結(jié)構(gòu)器件。因此在超結(jié)結(jié)構(gòu)器件中，目前應(yīng)用最為普遍 的是附圖2的結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)將超結(jié)VDMOS的終端結(jié)構(gòu)分成了兩部分 一部分是 過渡區(qū)域；另一部分是終端邊緣區(qū)域，主要依據(jù)的設(shè)計(jì)原理仍是超結(jié)結(jié)構(gòu)耐壓原 理。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提出了一種N溝道超結(jié)縱向雙擴(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體管，該結(jié)構(gòu)不僅 保證了晶體管整體耐壓水平，而且與同等耐壓水平的傳統(tǒng)超結(jié)VDMOS晶體管相 比，面積大幅度減小，增大了晶體管的有效工作區(qū)域的面積，大幅度的增大了晶 體管的工作電流。
本發(fā)明采用如下技術(shù)方案
本發(fā)明提出的這種的N溝道超結(jié)縱向雙擴(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體管，是一種具 有超結(jié)結(jié)構(gòu)的縱向功率器件，這種晶體管結(jié)構(gòu)的制造工藝除多了一次窗口深氧注 入工藝外，兼顧了傳統(tǒng)超結(jié)功率器件的制造工藝。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)
1、本發(fā)明結(jié)構(gòu)在晶體管的終端區(qū)域14中的第一超結(jié)結(jié)構(gòu)和N型硅摻雜半導(dǎo) 體區(qū)2的下方設(shè)置了埋氧化層15，該埋氧化層承擔(dān)了一部分電場(chǎng)強(qiáng)度，使得在保 證器件整體耐壓水平的情況下，降低了晶體管的終端結(jié)構(gòu)所承受的橫向電場(chǎng)強(qiáng) 度，即漏極電壓一定時(shí)，N型硅摻雜半導(dǎo)體區(qū)2處的電勢(shì)遠(yuǎn)低于外延層2處的電勢(shì)， 從而可以減少晶體管終端結(jié)構(gòu)區(qū)域的長(zhǎng)度，并且去除了傳統(tǒng)終端結(jié)構(gòu)中所具有的 過渡區(qū)域，從而進(jìn)一步減小了晶體管終端區(qū)域的面積，增大了晶體管有效工作區(qū) 域的面積，大幅度的提高了晶體管的工作電流。
2、本發(fā)明結(jié)構(gòu)采用的埋氧層15，從終端區(qū)域14中的第一超結(jié)結(jié)構(gòu)的始端一
直延伸到N型硅摻雜半導(dǎo)體區(qū)2的末端，從而降低了終端表面的漏電流的大小， 提高了器件的可靠性和穩(wěn)定性。


圖1是本發(fā)明的N溝道超結(jié)縱向雙擴(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體管的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是傳統(tǒng)N溝道超結(jié)縱向雙擴(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體管的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3a是通過仿真軟件得出的采用傳統(tǒng)終端區(qū)域結(jié)構(gòu)的耐壓為700V的晶體管的器件結(jié)構(gòu)圖，Sl表示的是終端區(qū)域的長(zhǎng)度；
圖3b是通過仿真軟件得出的采用本發(fā)明的終端區(qū)域結(jié)構(gòu)的耐壓為700V的 晶體管的器件結(jié)構(gòu)圖，S2表示的是終端區(qū)域的長(zhǎng)度，且S2為S1的28.1%。
圖4是沿著AA，方向上的電勢(shì)的分布圖，虛線表示的是圖3b結(jié)構(gòu)，實(shí)線表 示的是圖3a結(jié)構(gòu)，從圖中可以看出圖3b結(jié)構(gòu)的橫向峰值電勢(shì)比圖3a結(jié)構(gòu)低了 約120V。
具體實(shí)施例方式
一種N溝道超結(jié)縱向雙擴(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體管，包括兼做漏區(qū)的N型 摻雜硅襯底l、 N型摻雜硅外延層2、原胞區(qū)域13和設(shè)在原胞13周'圍的終端區(qū) 域14， N型摻雜硅外延層2設(shè)在N型摻雜硅襯底1上，原胞區(qū)域13和終端區(qū)域 14設(shè)在N型摻雜硅外延層2上，所述的終端區(qū)域14包括第一超結(jié)結(jié)構(gòu)和N型 硅摻雜半導(dǎo)體區(qū)2，在N型硅摻雜半導(dǎo)體區(qū)2_中設(shè)有N型重?fù)诫s半導(dǎo)體區(qū)16， 在第一超結(jié)結(jié)構(gòu)和N型硅摻雜半導(dǎo)體區(qū)2_上設(shè)有場(chǎng)氧化層10，在N型重?fù)诫s半 導(dǎo)體區(qū)16上連接有金屬層11，在N型摻雜硅外延層2下方設(shè)有埋氧化層15。
在本實(shí)施例中，
所述的埋氧化層15從N型摻雜硅外延層2的下方區(qū)域一直延伸到第一超結(jié) 結(jié)構(gòu)的下方區(qū)域。
所述的原胞區(qū)域13包括第二超結(jié)結(jié)構(gòu)，在第二超結(jié)結(jié)構(gòu)的P型柱4上設(shè)有 P型摻雜硅半導(dǎo)體區(qū)5且P型摻雜硅半導(dǎo)體區(qū)5延伸進(jìn)入與所述P型柱4相鄰的 N型柱3內(nèi)，在P型摻雜硅半導(dǎo)體區(qū)5中設(shè)有N型重?fù)诫s源區(qū)6，在第二超結(jié)結(jié) 構(gòu)、P型摻雜硅半導(dǎo)體區(qū)5及N型重?fù)诫s源區(qū)6表面設(shè)有柵氧化層7，在柵氧化 層7上設(shè)有多晶硅柵8且多晶硅柵8位于第二超結(jié)結(jié)構(gòu)的N型柱3上方，在多 晶硅柵8上設(shè)有場(chǎng)氧化層10，在N型重?fù)诫s源區(qū)6上連接有源極金屬層9。在 所述兼做漏區(qū)的N型摻雜硅襯底1的下方連接有漏極金屬層12。
所述的原胞區(qū)域13中的P型柱4的寬度等于終端結(jié)構(gòu)中的P型柱4的寬度。
此外，本實(shí)施例由N型摻雜硅襯底1、 N型摻雜硅外延層2、原胞區(qū)域13 和設(shè)在原胞13周圍的終端區(qū)域14組成，g卩本實(shí)施例所述晶體管的終端結(jié)構(gòu)中 不存在或去除了傳統(tǒng)終端結(jié)構(gòu)中的過渡區(qū)域(如附圖2中的24)。
下面結(jié)合附圖l，對(duì)本發(fā)明作詳細(xì)說明,如附圖l中所示，這個(gè)器件是一個(gè)垂 直器件，總體結(jié)構(gòu)包括兩個(gè)部分，分別是晶體管的原胞區(qū)域13、晶體管的終端區(qū)域14，器件包括一個(gè)N型摻雜硅襯底1，在N型摻雜硅襯底1上生長(zhǎng)一層低濃度N 型摻雜硅外延層2，然后采用深氧注入的工藝或其他工藝在外延層上生長(zhǎng)一層氧 化層，氧化層的厚度由所設(shè)計(jì)的晶體管的耐壓水平及工藝水平共同決定，接著采 用多次外延和多次離子注入的方法生長(zhǎng)上面的結(jié)構(gòu)；其中每次外延的雜質(zhì)類型和 離子注入的雜質(zhì)類型相異，對(duì)于N溝道器件來說， 一般采用N型摻雜外延和P型離 子注入，并且外延注入的次數(shù)由所設(shè)計(jì)的晶體管的耐壓水平要求來決定，所要求 的耐壓水平越高，則需要外延注入的次數(shù)越多，附圖1給出的是耐壓水平為700V 的晶體管，該晶體管結(jié)構(gòu)采用的是四次外延離子注入，每外延生長(zhǎng)一層外延層后 就進(jìn)行一次P型雜質(zhì)離子注入形成P型摻雜硅材料的柱狀結(jié)構(gòu)4、 4; ' 經(jīng)過多次外延和離子注入工藝形成了晶體管原胞區(qū)域13的第二超結(jié)結(jié)構(gòu)(包 括N柱3和P型柱4)、晶體管終端區(qū)域14中的第一超結(jié)結(jié)構(gòu)(包括N型柱2和P型柱
再進(jìn)行一次外延，并且外延之后同樣再進(jìn)行一次P型離子注入形成晶體管CE 原胞區(qū)域中的P型摻雜硅半導(dǎo)體區(qū)5， P型摻雜硅半導(dǎo)體區(qū)5形成之后再采用一次 離子注入形成N型摻雜源區(qū)6;
然后生長(zhǎng)柵氧化層7、多晶硅柵8，接著在表面生長(zhǎng)一層場(chǎng)氧化層IO，最后在 相應(yīng)的位置N型摻雜源區(qū)6和P型摻雜硅半導(dǎo)體區(qū)5的上方及晶體管終端區(qū)域14的 末端刻出接觸孔，然后在正反兩面都淀積鋁并進(jìn)行刻蝕形成源極金屬接觸并將其 延伸形成金屬場(chǎng)板9、漏極金屬12和溝道截止環(huán)結(jié)構(gòu)11，其中源極金屬的延伸區(qū) 金屬場(chǎng)板結(jié)構(gòu)能夠有效的提高表面的擊穿電壓，溝道截止環(huán)結(jié)構(gòu)ll是一個(gè)等位環(huán) 的結(jié)構(gòu)，這可以有效的防止由于外加的電場(chǎng)使表面積累電荷從而造成不必要反型 或是穿通。
上述晶體管結(jié)構(gòu)的原胞區(qū)域由第二超結(jié)結(jié)構(gòu)(包括N柱3和P型柱4)、 P型摻 雜硅半導(dǎo)體區(qū)5、 N型摻雜半導(dǎo)體源區(qū)6及源極金屬電極9共同構(gòu)成。
上述晶體管結(jié)構(gòu)的終端區(qū)域由第一超結(jié)結(jié)構(gòu)(包括N型柱1_和P型柱4)、 埋氧層結(jié)構(gòu)15及溝道截止環(huán)結(jié)構(gòu)共同組成。
權(quán)利要求
1、一種N溝道超結(jié)縱向雙擴(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體管，包括兼做漏區(qū)的N型摻雜硅襯底(1)、N型摻雜硅外延層(2)、原胞區(qū)域(13)和設(shè)在原胞(13)周圍的終端區(qū)域(14)，所述的N型摻雜硅外延層(2)設(shè)在N型摻雜硅襯底(1)上，原胞區(qū)域(13)和終端區(qū)域(14)設(shè)在N型摻雜硅外延層(2)上，所述的終端區(qū)域(14)包括第一超結(jié)結(jié)構(gòu)和N型硅摻雜半導(dǎo)體區(qū)(2)，其中第一超結(jié)結(jié)構(gòu)包括P型柱(4)和N型柱(3)，在N型硅摻雜半導(dǎo)體區(qū)(2)中設(shè)有N型重?fù)诫s半導(dǎo)體區(qū)(16)，在第一超結(jié)結(jié)構(gòu)和N型硅摻雜半導(dǎo)體區(qū)(2)上設(shè)有場(chǎng)氧化層(15)，在N型重?fù)诫s半導(dǎo)體區(qū)(16)上連接有金屬層(11)，其特征在于在第一超結(jié)結(jié)構(gòu)和N型硅摻雜半導(dǎo)體區(qū)(2)上設(shè)有場(chǎng)氧化層(15)。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的N溝道超結(jié)縱向雙擴(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體管，其特征在于埋氧化層(15)從N型硅摻雜半導(dǎo)體區(qū)(2)的下方區(qū)域一直延伸到第一超結(jié)結(jié)構(gòu)的下方區(qū)域。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的N溝道超結(jié)縱向雙擴(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體管，其特征在于原胞區(qū)域(13)包括第二超結(jié)結(jié)構(gòu)，其中第二超結(jié)結(jié)構(gòu)包括P型柱(4)和N型柱(3)，在第二超結(jié)結(jié)構(gòu)的P型柱(4)上設(shè)有P型摻雜硅半導(dǎo)體區(qū)(5)且P型摻雜硅半導(dǎo)體區(qū)(5)延伸進(jìn)入與所述P型柱(4)相鄰的N型柱(3)內(nèi)，在P型摻雜硅半導(dǎo)體區(qū)(5)中設(shè)有N型重?fù)诫s源區(qū)(6)，在第二超結(jié)結(jié)構(gòu)、P型摻雜硅半導(dǎo)體區(qū)(5)及N型重?fù)诫s源區(qū)(6)表面設(shè)有柵氧化層(7)，在柵氧化層(7)上設(shè)有多晶硅柵(8)且多晶硅柵(8)位于第二超結(jié)結(jié)構(gòu)的N型柱(3)上方，在多晶硅柵(8)上設(shè)有場(chǎng)氧化層，在N型重?fù)诫s源區(qū)(6)上連接有源極金屬層(9)。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的N溝道超結(jié)縱向雙擴(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體管，其特征在于原胞區(qū)域(13)中的P型柱(4)的寬度等于終端結(jié)構(gòu)中的P型柱(4)的寬度。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的N溝道超結(jié)縱向雙擴(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體管，其特征在于該半導(dǎo)體管由N型摻雜硅襯底(1)、 N型摻雜硅外延層(2)、原胞區(qū)域(13)和設(shè)在原胞區(qū)域(13)周圍的終端區(qū)域(14)組成。
全文摘要
一種N溝道超結(jié)縱向雙擴(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體管，包括兼做漏區(qū)的N型摻雜硅襯底、N型摻雜硅外延層、原胞區(qū)域和設(shè)在原胞區(qū)域周圍的終端區(qū)域，所述的N型摻雜硅外延層設(shè)在N型摻雜硅襯底上，原胞區(qū)域和終端區(qū)域設(shè)在N型摻雜硅外延層上，所述的終端區(qū)域包括第一超結(jié)結(jié)構(gòu)和N型硅摻雜半導(dǎo)體區(qū)，其中第一超結(jié)結(jié)構(gòu)包括P型柱和N型柱，在N型硅摻雜半導(dǎo)體區(qū)中設(shè)有N型重?fù)诫s半導(dǎo)體區(qū)，在第一超結(jié)結(jié)構(gòu)和N型硅摻雜半導(dǎo)體區(qū)上設(shè)有場(chǎng)氧化層，在N型重?fù)诫s半導(dǎo)體區(qū)上連接有金屬層，其特征在于在第一超結(jié)結(jié)構(gòu)和N型硅摻雜半導(dǎo)體區(qū)上設(shè)有場(chǎng)氧化層。
文檔編號(hào)H01L29/66GK101552291SQ20091003006
公開日2009年10月7日 申請(qǐng)日期2009年3月30日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月30日
發(fā)明者孫偉鋒, 宋慧濱, 時(shí)龍興, 靖 祝, 錢欽松, 陸生禮 申請(qǐng)人:東南大學(xué)