專利名稱：使用高介電常數(shù)槽結(jié)構(gòu)的低比導(dǎo)通電阻的縱向功率器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體功率器件，特別是縱向高壓器件耐壓區(qū)材料和結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
眾所周知，傳統(tǒng)縱向功率器件是通過一層低摻雜的半導(dǎo)體漂移區(qū)來承受高壓。例如最典型的縱向雙擴散MOS器件(VDMOS )，在其截止時，低摻雜的漂移區(qū)將出現(xiàn)全耗盡，從而引入空間電荷，承受高壓。顯然，加大漂移區(qū)長度或降低漂移區(qū)的摻雜均可提高VDMOS的耐壓，然而上述兩項提高耐壓的措施均會對器件的比導(dǎo)通電阻造成嚴(yán)重影響。根據(jù)文獻(xiàn)[C. Hu, Optimum doping profile for minimum ohmic resistance and high-breakdownvoltage. IEEE Trans. Electr. Dev. 26, 243-245 (1979)]的計算，比導(dǎo)通電阻 Ron 和耐壓BV的關(guān)系是Ron - BV2 5也就是說，如果通過加大漂移區(qū)長度或降低漂移區(qū)摻雜的方法來提高耐壓，耐壓的線性提高將會導(dǎo)致比導(dǎo)通電阻的平方增加。后來出現(xiàn)的Super·Junction[X. Chen, Semiconductor power device with alternating conductivity. USPatent. 5216275，Jun. I, 1993]將 Ron 和 BV 的關(guān)系推進到了 Ron BV1.3 Ω *mm2 近似線性的關(guān)系。在專利[X. Chen, Super-junction voltage sustaining layers with alternatingsemiconductor and high-K dielectric regions. US Patent. 7230310, Jun. 12, (2007)]中，發(fā)明者使用高介電常數(shù)槽來替代P型摻雜，利用高介電常數(shù)材料的電場調(diào)制效應(yīng)來實現(xiàn)電場的均勻分布，從而實現(xiàn)高耐壓。然而，上述技術(shù)均通過優(yōu)化功率器件截止時的電場分布來實現(xiàn)同等比導(dǎo)通電阻條件下耐壓的提高，而未使用其他方法來對器件的比導(dǎo)通電阻進行優(yōu)化。所以器件的比導(dǎo)通電阻大小仍然依賴于漂移區(qū)的摻雜濃度ND，使得耐壓和比導(dǎo)通電阻的矛盾仍然存在。文獻(xiàn)[S. E. D. Habib, The ALDM0ST:A New Power MOS Transistor. IEEEElectr. Dev. Lett. 8, 257 - 259 (1987) ]、[B. J. Baliga, T. Syau, and P. Venkatraman: Theaccumulation-mode field effect transistor:A new ultralow on-resistance M0SFET.IEEE Electr Dev. Lett. 13，427 - 429 (1992)]通過減薄二氧化硅介質(zhì)厚度的方法來對漂移區(qū)引入積累效應(yīng)，從而在同等Nd的情況下加強器件導(dǎo)通時的載流子濃度，降低比導(dǎo)通電阻。但由于二氧化硅介電常數(shù)低，積累效應(yīng)的效果受到限制，而太薄的二氧化硅介質(zhì)也容易引起器件柵極擊穿，使其應(yīng)用受到限制。在專利[X. Chen, Super-junction voltagesustaining layers with alternating semiconductor and high-K dielectric regions.US Patent. 7230310, Jun. 12, (2007)]中，盡管也使用了高介電常數(shù)介質(zhì)柱來調(diào)整漂移區(qū)電場的分布實現(xiàn)了高耐壓，但如圖10所示，高介電常數(shù)柱沒有和柵極發(fā)生任何接觸，故不會產(chǎn)生載流子積累效應(yīng)，所以器件的比導(dǎo)通電阻較Super Junction相比不會顯著降低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，提供一種具有較低的比導(dǎo)通電阻的新型縱向硅功率器件。
本發(fā)明解決所述技術(shù)問題采用的技術(shù)方案是，使用高介電常數(shù)槽結(jié)構(gòu)的低比導(dǎo)通電阻的縱向功率器件，包括漂移區(qū)、硅襯底、柵極、溝道區(qū)區(qū)、歐姆接觸重?fù)诫s區(qū)、源極和絕緣柵極介質(zhì)，漂移區(qū)、硅襯底、源極為第一種導(dǎo)電類型，溝道區(qū)、歐姆接觸重?fù)诫s區(qū)為第二種導(dǎo)電類型，高介電常數(shù)材料柱設(shè)置于柵極與硅襯底之間，柵極與高介電常數(shù)材料柱直接接觸。在高介電常數(shù)材料柱內(nèi)設(shè)置有第二填充材料，第二填充材料為第二種導(dǎo)電類型，高介電常數(shù)材料柱底部設(shè)有隔離介質(zhì)，將填充材料和硅襯底隔離?；蛘撸呓殡姵?shù)材料柱的上半部分的內(nèi)部填充有與柵極材質(zhì)相同的第三填充材料，第三填充材料與柵極直接接觸。或者，在高介電常數(shù)材料柱內(nèi)設(shè)置有第一填充材料，高介電常數(shù)材料柱底部設(shè)有隔離介質(zhì)，將第一填充材料和硅襯底隔離。 或者，在高介電常數(shù)材料柱的外壁殼體和中心柱部分之間填充有第二填充材料，高介電常數(shù)材料柱的底部設(shè)有隔離介質(zhì)，隔離第二填充材料和硅襯底，歐姆接觸重?fù)诫s區(qū)直接接觸漂移區(qū)，在漂移區(qū)中設(shè)置有外圍層，外圍層與高介電常數(shù)材料柱材質(zhì)相同，外圍層連接硅襯底和歐姆接觸重?fù)诫s區(qū)?；蛘?，在高介電常數(shù)材料柱的內(nèi)部填充有第一填充材料，高介電常數(shù)材料柱的底部隔離第一填充材料和硅襯底，歐姆接觸重?fù)诫s區(qū)直接接觸漂移區(qū)，在漂移區(qū)中設(shè)置有外圍層，外圍層與高介電常數(shù)材料柱材質(zhì)相同，外圍層連接硅襯底和歐姆接觸重?fù)诫s區(qū)?；蛘?，在高介電常數(shù)材料柱內(nèi)設(shè)置有第二填充材料，高介電常數(shù)材料柱的外壁和內(nèi)壁設(shè)置有緩沖層，底部設(shè)有隔離介質(zhì)，將第一填充材料和硅襯底隔離?；蛘?，在高介電常數(shù)材料柱內(nèi)設(shè)置有第二填充材料，隔離介質(zhì)將第二填充材料分割為兩部分，上部分與柵極接觸，下部分與硅襯底接觸。所述第一種導(dǎo)電類型為N型硅，第二種導(dǎo)電類型為P型硅；或者，第一種導(dǎo)電類型為P型硅，第二種導(dǎo)電類型為N型硅。所述第一填充材料的導(dǎo)電類型為第一種導(dǎo)電類型，所述第二填充材料的導(dǎo)電類型為第二種導(dǎo)電類型。本發(fā)明通過引入高介電材料,除實現(xiàn)了不低于同等尺寸下SuperJunction器件的耐壓以外，還利用材料的高介電性實現(xiàn)了漂移區(qū)的超強積累效應(yīng)，大幅提高載流子濃度，使高介電材料功率器件的比導(dǎo)通電阻和縱向Super Junction功率器件相比，出現(xiàn)超過三個數(shù)量級的降低。


圖I是實施例I的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是實施例2的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3是實施例3的結(jié)構(gòu)示意圖。圖4是實施例4的結(jié)構(gòu)示意圖。圖5是實施例5的結(jié)構(gòu)示意圖。圖6是實施例6的結(jié)構(gòu)示意圖。圖7是實施例7的結(jié)構(gòu)示意圖。圖8是實施例8的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖9是實施例I的一種可能布局的三維圖。圖10是一種傳統(tǒng)的高K功率器件結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式如圖I所不,本發(fā)明包括重?fù)诫s的第一種導(dǎo)電類型的娃襯底4、輕摻雜的第一種導(dǎo)電類型的硅耐壓漂移區(qū)I、漂移區(qū)I內(nèi)與漂移區(qū)方向平行的高介電常數(shù)材料柱3，高介電常數(shù)材料柱的內(nèi)部設(shè)有第二填充材料2，還包括使用第二種導(dǎo)電類型硅摻雜的溝道區(qū)6、使用第一種導(dǎo)電類型硅重?fù)诫s的源極8、使用第二種導(dǎo)電類型硅重?fù)诫s的歐姆接觸重?fù)诫s區(qū)7、絕緣柵極介質(zhì)9，柵極5的部分或全部與高介電常數(shù)材料柱3或內(nèi)部填充材料的部分或全部發(fā)生直接接觸，高介電常數(shù)材料柱的內(nèi)部填充材料通過隔離絕緣介質(zhì)10與底部的漏極電極完全隔離。該器件的典型應(yīng)用如圖I所示，第一種導(dǎo)電類型為N型，第二種摻雜類型為P型，高介電常數(shù)材料柱的內(nèi)部填充材料為摻雜硅。當(dāng)柵極為低電平，器件處于截止?fàn)顟B(tài)，漏極為高壓，源極接地。根據(jù)文獻(xiàn)[X. Chen, J. Sin, Optimization of the specific On-resistanceof the C00LM0S. IEEE Trans. Electr. Dev. 48, 344-348 (2001)]的論述，盡管 N 摻雜的漂移區(qū)I和P摻雜的第二填充材料2存在縱向介質(zhì)隔離，但由于漂移區(qū)I和第二填充材料2通過介質(zhì)接觸各部分均存在橫向電勢差(如果不考慮漂移區(qū)I和第二填充材料2之間的交互作用，作為N-區(qū)的漂移區(qū)I的主要電壓降在溝道區(qū)區(qū)6、高介電常數(shù)材料柱3的PN結(jié)處，而P-區(qū)第二填充材料2的主要電壓降存在于第二填充材料2和絕緣介質(zhì)10的交界處，所以即使使用二氧化硅作為縱向介質(zhì)隔離材料替代高介電常數(shù)材料柱3，只要其足夠薄，漂移區(qū)I、第二填充材料2之間各處的電勢差就會相互影響從而在漂移區(qū)內(nèi)部產(chǎn)生電場，使得N摻雜漂移區(qū)I和P摻雜第二填充材料2出現(xiàn)空間電荷，同樣出現(xiàn)Super Junction的電荷平衡，實現(xiàn)高耐壓。而本發(fā)明使用的是高介電常數(shù)材料柱3對N摻雜的漂移區(qū)I和P摻雜的第二填充材料2進行了隔離，由于其高介電性，高介電介質(zhì)無需很薄，漂移區(qū)I、第二填充材料2之間的電勢差將在漂移區(qū)內(nèi)部通過高介電常數(shù)材料柱產(chǎn)生更強的電場，從而在高介電常數(shù)材料柱3和漂移區(qū)1，第二填充材料2的交界面分別引入了大量的空間電荷，實現(xiàn)SuperJunction的電荷平衡。另一方面，高介電材料引入使得漂移區(qū)的平均介電常數(shù)被提高，根據(jù)泊松方程，單一摻雜的漂移區(qū)內(nèi)電場分布的斜率為qND/e，所以介電常數(shù)越高，ε越大，電場斜率越小，電場分布也就均勻，從而實現(xiàn)更高的耐壓。所以高介電介質(zhì)具備電場調(diào)制能力。而圖I的器件同時利用了 Super Junction的電荷平衡和高介電常數(shù)材料的電場調(diào)制效應(yīng)來優(yōu)化漂移區(qū)電場分布，使得原本在PN結(jié)處集中的電場在上述兩種機制的共同作用下更加均勻，所以在耐壓方面，該器件較傳統(tǒng)Super Junction相比,還有一定的提高。由于漂移區(qū)1，第二填充材料2之間存在介質(zhì)隔離，所以不會出現(xiàn)相互擊穿，能允許更高的漂移區(qū)摻雜以實現(xiàn)更小的比導(dǎo)通電阻。盡管使用專利[X.Chen, Super-junction voltage sustaining layerswith alternating semi conductor and high—K dielectric regions.USPatent. 7230310, Jun. 12，(2007)]提出的器件結(jié)構(gòu)，也能利用高介電材料的電場調(diào)制效應(yīng)實現(xiàn)電場的均勻分布，但由于高介電常數(shù)材料柱3沒有和柵極5發(fā)生直接接觸，所以不能實現(xiàn)比導(dǎo)通電阻的降低。而本發(fā)明除上述為器件截止時帶來的益處外，還能呈數(shù)量級的降低、器件導(dǎo)通時的比導(dǎo)通電阻。如圖I所示，當(dāng)柵極5為高電平，器件導(dǎo)通，盡管柵極5和高介電常數(shù)材料柱3及作為第二填充材料2的P型摻雜硅接觸，但第二填充材料2通過隔離絕緣介質(zhì)10與漏極進行了隔離，所以漏極和柵極之間沒有通路，而作為第二填充材料2的P型摻雜硅由于與柵極5直接接觸所以將保持與柵極5完全相同的電勢，該電勢將通過高介電常數(shù)材料柱3在材質(zhì)為N型摻雜硅的漂移區(qū)I產(chǎn)生積累效應(yīng)。由于高介電常數(shù)材料柱3是高介電常數(shù)介質(zhì)，所以積累效應(yīng)將非常強，在材質(zhì)為N型摻雜硅的漂移區(qū)I的邊緣，與高介電常數(shù)材料柱3的交界面引入大量載流子電荷(如圖I所示)，從而在漂移區(qū)形成一個導(dǎo)電通道直接連接娃襯底4和溝道區(qū)區(qū)6,使比導(dǎo)通電阻較同等條件下的Super Junction,實現(xiàn)超過三個數(shù)量級的降低。以下為更具體的實施例。實施例I :參見圖I。本實施例使用N+作為硅襯底4，使用N-作為漂移區(qū)1，并使用P-作為高介電常數(shù)柱內(nèi)部的第二填充材料2。此外還包括P型摻雜溝道區(qū)6，歐姆接觸重?fù)诫s區(qū)·7，源極8，多晶硅柵極5，二氧化硅絕緣柵極介質(zhì)9，高介電常數(shù)材料柱3，以及隔離絕緣介質(zhì)10,且隔離絕緣介質(zhì)10位于高介電常數(shù)柱的底部。10可以采用與高介電常數(shù)材料柱3相同的材料，也可使用其他絕緣材料。當(dāng)器件處于截止?fàn)顟B(tài)時，雖然存在高介電常數(shù)材料柱3，但漂移區(qū)I和第二填充材料2的交替仍將產(chǎn)生Super Junction的電荷平衡,而高介電材料引入使得漂移區(qū)的平均介電常數(shù)被提高，根據(jù)泊松方程，單一摻雜的漂移區(qū)內(nèi)電場分布的斜率為qND/ ε，所以介電常數(shù)越高，漂移區(qū)內(nèi)部的平均ε越大，電場斜率越小，電場分布也就越均勻，從而實現(xiàn)更高的耐壓。而本實施例同時利用了 Super Junction的電荷平衡和高介電常數(shù)材料的電場調(diào)制效應(yīng)來優(yōu)化漂移區(qū)電場分布，使得原本在PN結(jié)處集中的電場在上述兩種機制的共同作用下更加均勻，所以在耐壓方面，該器件較傳統(tǒng)Super Junction相比,還能有一定的提高。由于漂移區(qū)1，第二填充材料2之間存在高介電常數(shù)材料柱3，所以不會出現(xiàn)相互擊穿，能允許更高的漂移區(qū)摻雜以實現(xiàn)更小的比導(dǎo)通電阻。同時在器件導(dǎo)通時，柵極5為高電平，但第二填充材料2通過絕緣介質(zhì)10與漏極Drain進行了隔離，所以Drain和柵極之間沒有通路，第二填充材料2將與柵極5保持完全相同的電勢，該電勢將通過高介電常數(shù)材料柱3，在N型摻雜硅的漂移區(qū)I產(chǎn)生積累效應(yīng)。由于高介電常數(shù)材料柱3的介電常數(shù)很高，所以積累效應(yīng)將非常強，在N型摻雜硅的漂移區(qū)I的邊緣，與高介電常數(shù)材料柱3的交界面引入大量載流子電荷，如圖I所示，從而在漂移區(qū)形成一個導(dǎo)電通道直接連接漏極硅襯底4和溝道區(qū)6，如果使用高介電常數(shù)材料柱3的介電常數(shù)為1000，則本實施例的比導(dǎo)通電阻較同等條件下的Super Junction相比，實現(xiàn)超過三個數(shù)量級的降低。該實施例的一種可能的三維器件布局參見圖8。由于該實施例要求先實現(xiàn)Super Junction,并在此基礎(chǔ)上,完成深槽的刻蝕并填充高介電常數(shù)介質(zhì)，所以具有一定的工藝難度。實施例2 參見圖2。本實施例使用N+作為硅襯底4，使用N-作為漂移區(qū)1，并使用P-作為高介電常數(shù)柱的第二填充材料2。此外還包括P型摻雜溝道區(qū)6，歐姆接觸重?fù)诫s區(qū)7，源極8，多晶硅柵極5，二氧化硅絕緣柵極介質(zhì)9，高介電常數(shù)材料柱3。同時使用與高介電常數(shù)材料柱3相同的材料作為內(nèi)部填充和隔離絕緣介質(zhì)10，即實心高介電常數(shù)材料柱3。根據(jù)泊松方程N-漂移區(qū)內(nèi)的電場分布斜率滿足qND/ ε，而本實施例中高介電常數(shù)占據(jù)漂移區(qū)的比例較大，所以漂移區(qū)內(nèi)平均介電常數(shù)ε比實施例I更大。盡管而本實施例的漂移區(qū)內(nèi)沒有P-，所以無法產(chǎn)生Super Junction的電荷平衡,但僅利用高介電材料的電場調(diào)制效應(yīng)仍即可實現(xiàn)電場的均勻分布，使器件耐壓值仍然接近實施例I。同時由于柵極5同高介電常數(shù)材料柱3直接接觸，靠近溝道區(qū)6的漂移區(qū)與高介電常數(shù)材料柱3的交界處仍能產(chǎn)生較強的積累效應(yīng)，降低比導(dǎo)通電阻。盡管在同等高介電常數(shù)材料柱3介電常數(shù)的前提下，該實施例的積累效應(yīng)較實施例I相比較弱(如圖2所示)，且耐壓會有一定的降低，但該實施例工藝實現(xiàn)簡單，無需Super Junction結(jié)構(gòu),且仍然帶有積累效應(yīng),所以該器件在同等條件下于傳統(tǒng)Super Junction器件相比,仍然能實現(xiàn)更大的耐壓和更小的比導(dǎo)通電阻。本實施例也可通過使用介電常數(shù)更高的高介電常數(shù)材料柱3來加強其有益效果。如果使用介電常數(shù)在10000的高介電常數(shù)材料柱3,則同樣能實現(xiàn)較Super Junction相比，比導(dǎo)通電阻三個數(shù)量極以上的降低。實施例3 參見圖3。本實施例使用N+作為硅襯底4，使用N-作為漂移區(qū)1，并使用P-作為高介電常數(shù)柱內(nèi)部的第二填充材料2。此外還包括P型摻雜溝道區(qū)6，歐姆接觸重?fù)诫s區(qū)7，源極8，多晶硅柵極5，二氧化硅絕緣柵極介質(zhì)9，高介電常數(shù)材料柱3，隔離介質(zhì)10位于高介電常數(shù)柱的底部。使用同種高介電常數(shù)材料柱3作為高介電常數(shù)柱的下半部分填充材料，并以此實現(xiàn)隔離，同時使用柵極5的材料(多晶硅或金屬)作為高介電常數(shù)材料柱3的上半部分填充材料。該實施例同樣僅使用高介電材料的電場調(diào)制效應(yīng)來優(yōu)化電場的分布，但由于器件截止時高介電常數(shù)材料柱的部分內(nèi)部填充材料5為導(dǎo)體，所以將地電位引入到了高介電常數(shù)材料柱的內(nèi)部，等效于降低了器件的漂移區(qū)I的長度，使器件耐壓較實施例1、2相比出現(xiàn)明顯的降低。耐壓降低的比例約為柵極填充材料5的長度和器件漂移區(qū)總長度之t匕。盡管該實施例使用的復(fù)合介質(zhì)犧牲了耐壓，但在器件導(dǎo)通時，在同等介電常數(shù)條件下柵極材料填充的上部分5對應(yīng)漂移區(qū)I的上部分將產(chǎn)生與實施例I一樣的超強積累效應(yīng)，如圖3所示，同時將為高介電柱的下部分對應(yīng)的漂移區(qū)下部分帶來比實施例2更強的載流子效應(yīng)。該實施例工藝簡單，無需Super Junction結(jié)構(gòu),通過犧牲一部分耐壓,大幅加強器件的積累效應(yīng)，降低器件的比導(dǎo)通電阻。實施例4 參見圖4。本實施例使用N+作為硅襯底4，使用N-作為漂移區(qū)1，并使用N-作為高介電常數(shù)柱內(nèi)部的第一填充材料12。此外還包括P型摻雜溝道區(qū)6，歐姆接觸重?fù)诫s區(qū)
7,源極8，多晶硅柵極5，二氧化硅絕緣柵極介質(zhì)9，高介電常數(shù)材料柱3，隔離介質(zhì)10位于高介電常數(shù)柱的底部。并使用N-介質(zhì)作為高介電常數(shù)柱的內(nèi)部填充材料。由于漂移區(qū)同樣沒有P-，所以本實施例僅使用高介電材料的電場調(diào)制效應(yīng)來優(yōu)化電場的分布，但由于高介電材料所占漂移區(qū)比例較小，所以對整個漂移區(qū)的平均介電常數(shù)提高有限，使得器件的耐壓較實施例1、2相比會出現(xiàn)一定的降低。但當(dāng)器件導(dǎo)通時，整個高介電常數(shù)柱的內(nèi)部是同漂移區(qū)I同樣材料的N-型娃，由于同柵極5接觸，并同漏極絕緣，所以將在整個漂移區(qū)形成同實施例一樣的超強積累效應(yīng)，使得即使使用1000左右的介電材料，也能出現(xiàn)三個數(shù)量級以上的比導(dǎo)通電阻降低。本實施例同樣無需Super Junction結(jié)構(gòu),工藝較實施例相比容易實現(xiàn)。
實施例5 根據(jù)泊松方程給出的電場斜率qND/ε，如果漂移區(qū)中高介電常數(shù)材料柱占的比例更大，則平均介電常數(shù)ε也更大，使得斜率越小，電場分布也就越均勻。在專利[X. Chen, Super-junction voltage sustaining layers with alternatingsemiconductor and high-K dielectric regions. US Patent. 7230310, Jun. 12, (2007)]中，盡管使用了高介電材料的電場調(diào)制效應(yīng)來優(yōu)化器件截止時的電場分布，但由于該類器件沒有積累效應(yīng)，器件導(dǎo)通時的導(dǎo)電通道依賴漂移區(qū)的長度，寬度及摻雜濃度，所以通過加大高介電常數(shù)材料柱占的比例來提高擊穿電壓將會導(dǎo)致漂移區(qū)半導(dǎo)體比例的下降，從而提高比導(dǎo)通電阻。然而如果使用本發(fā)明的積累效應(yīng)，器件導(dǎo)通電阻主要由積累效應(yīng)強弱決定，所以通過提高高介電常數(shù)材料柱所占的漂移區(qū)比例的方法來提高耐壓幾乎不會對比導(dǎo)通電阻造成影響。參見圖5。本實施例使用N+作為硅襯底4，使用N-作為漂移區(qū)1，并使用P-作為高介電常數(shù)柱內(nèi)部的第二填充材料2。此外還包括P型摻雜溝道區(qū)6，歐姆接觸重?fù)诫s區(qū)7，·源極8，多晶硅柵極5，二氧化硅絕緣柵極介質(zhì)9，高介電常數(shù)材料柱3，隔離介質(zhì)10位于高介電常數(shù)柱的底部。在高介電常數(shù)柱3的內(nèi)部分為內(nèi)外兩層，包括殼體30和中心柱31，殼體30和中心柱31之間填充有P-型第二填充材料2。用同種高介電常數(shù)材料柱3對P-硅的第二填充材料2和Drain端隔離。同時將P型的歐姆接觸重?fù)诫s區(qū)7延長，并在N-漂移區(qū)也引入外圍層32，外圍層32與高介電常數(shù)材料柱3材質(zhì)相同，兩端分別與P+歐姆接觸重?fù)诫s區(qū)7和N+硅襯底4接觸。本實施例的高介電材料占據(jù)了大部分漂移區(qū)，所以漂移區(qū)平均介電常數(shù)被大幅提高，明顯超過實施例1，同時本實施例也使用了 P-填充，能產(chǎn)生SuperJunction的電荷平衡。上述兩種效應(yīng)使得本實施例的漂移區(qū)電場分布接近理想，所以本實施例在截止時將實現(xiàn)比實施例I更高的耐壓，導(dǎo)通時由于P-硅的第二填充材料2的電位和柵極5電位一致，所以將在整個漂移區(qū)I上產(chǎn)生同實施例I 一樣的超強積累效應(yīng)，用介電常數(shù)為1000的介電材料作為高介電常數(shù)材料柱3即可實現(xiàn)較Super Junction比導(dǎo)通電阻三個數(shù)量級以上的降低。本實施例同樣需要以Super Junction為基礎(chǔ)，并需要更多的高介電常數(shù)槽，所以工藝難度較大。同樣為了降低工藝難度，可使用圖6的結(jié)構(gòu)。本實施例使用N+作為娃襯底4,使用N-作為漂移區(qū)1，并使用N-作為高介電常數(shù)柱的內(nèi)部第一填充材料12。此外還包括P型摻雜溝道區(qū)6，歐姆接觸重?fù)诫s區(qū)7，源極8，多晶硅柵極5，二氧化硅絕緣柵極介質(zhì)9，高介電常數(shù)材料柱3，隔離介質(zhì)10位于高介電常數(shù)柱的底部。在高介電常數(shù)材料柱3的內(nèi)部可利用N-材料填充。用同種高介電常數(shù)材料柱3對P-硅的第二填充材料2和Drain端隔離。同時將P+歐姆接觸重?fù)诫s區(qū)7延長，并在N-漂移區(qū)也引入外圍層32，外圍層32與高介電常數(shù)材料柱3材質(zhì)相同，兩端分別與P+歐姆接觸重?fù)诫s區(qū)7和N+硅襯底4接觸，以此提高高介電材料所占的比例。本實施例的高介電材料占據(jù)了大部分漂移區(qū)，所以漂移區(qū)平均介電常數(shù)被大幅提高，明顯超過實施例4，使耐壓較實施例4相比有明顯提高，但該實施例仍能在全漂移區(qū)產(chǎn)生強積累效應(yīng)，實現(xiàn)較Super Junction比導(dǎo)通電阻三個數(shù)量級以上的降低。無需Super Junction結(jié)構(gòu)，工藝難度較低。實施例6參見圖7。由于很多高介點材料需要利用退火來激發(fā)高介電性，而高介電常數(shù)材料柱3與漂移區(qū)1，第二填充材料2的直接接觸容易在退火過程中由于熱膨脹系數(shù)引起裂縫，所以上述各實施例的基礎(chǔ)上，可在高介電常數(shù)材料柱3和1，2的交界面通過引入一層緩沖層11，緩沖層可以是可加工陶瓷，用來吸收應(yīng)力，避免開裂。實施例7傳統(tǒng)MOS器件無論橫向還是縱向，當(dāng)器件工作在線性區(qū)時，源漏之間的電阻將隨源漏電壓增大而增大，形成了正反饋。所以當(dāng)源漏電流線性增大，源漏電壓將以超過線性的速度增加，不利于大電流應(yīng)用。而通過高介電常數(shù)柱，改進上述問題。參見圖8。隔離介質(zhì)10位于在高介電常數(shù)柱的內(nèi)部?；谝詫嵤├齀的摻雜及材料，圖8與圖I的唯一不同在于圖8中隔離介質(zhì)10位于高介電常數(shù)柱的內(nèi)部而圖I中的隔離介質(zhì)10位于高介電常數(shù)柱的底部。當(dāng)器件導(dǎo)通時，由于隔離在高介電常數(shù)柱的內(nèi)部，圖8的器件柵極高壓只會在漂移區(qū)上部分產(chǎn)生超強積累效應(yīng)，使得其比導(dǎo)通電阻和實施例相比而言較大。但高介電常數(shù)柱內(nèi)部的P-第二填充材料2的下半部分直接同漏極接觸，其電位將受到漏極電壓的影響。如果器件導(dǎo)通時漏極電壓增大，高介電常數(shù)柱內(nèi)部的P-第二填充材料2的下半部分電位也將增大，就會在漂移區(qū)的下半部分帶來強度隨漏極電壓遞增的積累效應(yīng)，從而使得器件的比導(dǎo)通電阻隨源、漏極電壓增大而減小，形成負(fù)反饋，使得源漏電流線性增大時，源漏電壓將以壓線性的速度增加，適用于大電流器件應(yīng)用。在上述其他實施例中，隔離介質(zhì)10的位置除可以位于高介電常數(shù)柱底部外，也可位于高介電常數(shù)柱內(nèi)部，以及頂部，以產(chǎn)生器件導(dǎo)通電阻隨源漏間電壓增大而降低的器件特性。權(quán)利要求
1.使用高介電常數(shù)槽結(jié)構(gòu)的低比導(dǎo)通電阻的縱向功率器件，包括漂移區(qū)(I)、硅襯底(4)、柵極(5)、溝道區(qū)(6)、歐姆接觸重?fù)诫s區(qū)(7)、源極(8)和絕緣柵極介質(zhì)(9)，其特征在于，漂移區(qū)(I)、硅襯底(4)、源極(8)為第一種導(dǎo)電類型，溝道區(qū)(6)、歐姆接觸重?fù)诫s區(qū)(7)為第二種導(dǎo)電類型，高介電常數(shù)材料柱(3)設(shè)置于柵極(5)與硅襯底(4)之間，柵極(5)與高介電常數(shù)材料柱(3 )直接接觸，漂移區(qū)(I)環(huán)繞于高介電常數(shù)材料柱(3 )。
2.如權(quán)利要求I所述的使用高介電常數(shù)槽結(jié)構(gòu)的低比導(dǎo)通電阻的縱向功率器件，其特征在于，在高介電常數(shù)材料柱(3)內(nèi)設(shè)置有第二填充材料(2)，第二填充材料(2)為第二種導(dǎo)電類型，高介電常數(shù)材料柱(3)底部設(shè)有隔離介質(zhì)(10)，將第二填充材料(2)和硅襯底(4)隔尚。
3.如權(quán)利要求I所述的使用高介電常數(shù)槽結(jié)構(gòu)的低比導(dǎo)通電阻的縱向功率器件，其特征在于，高介電常數(shù)材料柱(3)的上半部分的內(nèi)部填充有與柵極(5)材質(zhì)相同的第三填充材料(51)，第三填充材料(51)與柵極(5 )直接接觸。
4.如權(quán)利要求I所述的使用高介電常數(shù)槽結(jié)構(gòu)的低比導(dǎo)通電阻的縱向功率器件，其特征在于，在高介電常數(shù)材料柱(3)內(nèi)設(shè)置有第一填充材料(12)，第一填充材料(12)為第一種導(dǎo)電類型，高介電常數(shù)材料柱(3)底部設(shè)有隔離介質(zhì)(10)，將第一填充材料(12)和硅襯底(4)隔離。
5.如權(quán)利要求I所述的使用高介電常數(shù)槽結(jié)構(gòu)的低比導(dǎo)通電阻的縱向功率器件，其特征在于，高介電常數(shù)材料柱(3)包括殼體(30)和中心柱(31)，殼體(30)和中心柱(31)之間填充有第二填充材料(2)，高介電常數(shù)材料柱(3)的底部的隔離介質(zhì)(10)隔離第二填充材料(2)和硅襯底(4)，在漂移區(qū)(I)中設(shè)置有外圍層(32)，外圍層(32)與高介電常數(shù)材料柱(3)材質(zhì)相同，外圍層(32)直接接觸硅襯底(4)和歐姆接觸重?fù)诫s區(qū)(J)。
6.如權(quán)利要求I所述的使用高介電常數(shù)槽結(jié)構(gòu)的低比導(dǎo)通電阻的縱向功率器件，其特征在于，在高介電常數(shù)材料柱(3)的內(nèi)部填充有第一填充材料(12)，高介電常數(shù)材料柱(3)的底部隔離第一填充材料(12)和硅襯底(4)，在漂移區(qū)(I)的內(nèi)部設(shè)置有外圍層(32)，外圍層(32 )與高介電常數(shù)材料柱(3 )材質(zhì)相同，外圍層(32 )直接接觸硅襯底(4)和歐姆接觸重?fù)诫s區(qū)(7)。
7.如權(quán)利要求I所述的使用高介電常數(shù)槽結(jié)構(gòu)的低比導(dǎo)通電阻的縱向功率器件，其特征在于，在高介電常數(shù)材料柱(3)內(nèi)設(shè)置有第二填充材料(2)，高介電常數(shù)材料柱(3)的外壁和內(nèi)壁設(shè)置有緩沖層(11)，底部設(shè)有隔離介質(zhì)(10)，將第二填充材料(2)和硅襯底(4)隔離。
8.如權(quán)利要求I所述的使用高介電常數(shù)槽結(jié)構(gòu)的低比導(dǎo)通電阻的縱向功率器件，其特征在于，在高介電常數(shù)材料柱(3)內(nèi)設(shè)置有第二填充材料(2)，隔離介質(zhì)(10)將第二填充材料(2)分割為兩部分，上部分與柵極(5)接觸，下部分與硅襯底(4)接觸。
9.如權(quán)利要求1、2、3、4、5、6、7或8所述的使用高介電常數(shù)槽結(jié)構(gòu)的低比導(dǎo)通電阻的縱向功率器件，其特征在于，所述第一種導(dǎo)電類型為N型，第二種導(dǎo)電類型為P型；或者，第一種導(dǎo)電類型為P型，第二種導(dǎo)電類型為N型。
10.如權(quán)利要求I所述的使用高介電常數(shù)槽結(jié)構(gòu)的低比導(dǎo)通電阻的縱向功率器件，其特征在于，所述第一填充材料(12)的導(dǎo)電類型為第一種導(dǎo)電類型，所述第二填充材料(2)的導(dǎo)電類型為第二種導(dǎo)電類型。
全文摘要
使用高介電常數(shù)槽結(jié)構(gòu)的低比導(dǎo)通電阻的縱向功率器件，涉及半導(dǎo)體功率器件，本發(fā)明包括漂移區(qū)、硅襯底、柵極、溝道區(qū)、歐姆接觸重?fù)诫s區(qū)、源極和絕緣柵極介質(zhì)，其特征在于，漂移區(qū)、硅襯底、源極為第一種導(dǎo)電類型，溝道區(qū)、歐姆接觸重?fù)诫s區(qū)為第二種導(dǎo)電類型，高介電常數(shù)材料柱設(shè)置于柵極與硅襯底之間，柵極與高介電常數(shù)材料柱直接接觸，漂移區(qū)環(huán)繞于高介電常數(shù)材料柱。本發(fā)明使高介電材料功率器件的比導(dǎo)通電阻和縱向Super Junction功率器件相比，出現(xiàn)超過三個數(shù)量級的降低。
文檔編號H01L29/78GK102779836SQ20121024318
公開日2012年11月14日 申請日期2012年7月13日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月13日
發(fā)明者李俊宏, 李平 申請人:電子科技大學(xué)