一種超級結mosfet、該超級結mosfet的形成方法
2023-11-10 02:51:07
一種超級結mosfet、該超級結mosfet的形成方法
【專利摘要】本發明提出了一種具有均衡結構的超級結MOSFET，其包括形成在襯底上的元胞區和包圍所述元胞區的終端區，所述元胞區內和終端區內分別形成有間距相等的直條型溝槽，所述溝槽內形成有第一導電類型的第一外延層，所述溝槽之間為第二導電類型的第二外延層，所述終端區的溝槽沿從外向裡的方向的排布方式一致。本發明的超級結MOSFET沿從終端區向元胞區的方向上，終端區各邊的溝槽排布方式一致，即終端區各邊的溝槽都沿從外向裡的方向垂直排布，或終端區各邊的溝槽都沿從外向裡的方向平行排布。終端區各邊的溝槽排布方式一致，使該超級結MOSFET的高壓大電流的洩放在各邊是平均的，洩流通道更大，洩流能力就更強。
【專利說明】—種超級結MOSFET、該超級結MOSFET的形成方法
【技術領域】
[0001]本發明屬於基本電氣元件領域，涉及半導體器件的製備，特別涉及一種超級結M0SFET、該超級結MOSFET的結構及其形成方法。
【背景技術】
[0002]目前，高壓功率 MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field EffectTransistor,金屬氧化物場效應電晶體)被廣泛應用於大功率電路中。在開態情況下，它應具有較低的導通電阻；在關態情況下，它應具有較高的擊穿電壓。對於傳統的功率VDM0SFET，一般通過增加外延厚度和降低外延摻雜濃度的方式來提高擊穿電壓。但是隨著擊穿電壓的提高，外延層電阻迅速增大。研究表明，對於理想N溝功率M0SFET，導通電阻與擊穿電壓之間存在Ron ?C VB2.5的關係。導通電阻與擊穿電壓之間的矛盾，即既要有高的擊穿電壓又要有低的導通電阻，成為製造高性能功率器件的障礙。
[0003]為了克服傳統功率MOSFET導通電阻與擊穿電壓之間的矛盾，出現了一種新的理想器件結構，稱為超級結MOSFET器件，在這種超級結的結構中，由於包含η型摻雜的η型柱和包含P型摻雜的P型柱中的電荷相互平衡，使電場分布與傳統功率MOSFET不同，漂移區的臨界場強幾乎為恆定值，因此，擊穿電壓僅僅取決於外延層的厚度，而與摻雜濃度無關，外延層厚度越大，器件的擊穿電壓越大。另外，超級結MOSFET器件中漂移區的濃度也可以做得較高，這保證了較低的導通電阻。
[0004]超級結基於電荷補償原理，是多子導電的器件，消除了 IGBT關斷時的拖尾延遲，把功率MOSFET的低開關損耗和IGBT的低導通損耗結合在一起，實現了器件導通電阻與擊穿電壓之間的最佳化設計，利用超級結的MOSFET能提供高電壓及大電流。有研究表明，超級結MOSFET的導通電阻與擊穿電壓的關係為Ron ?C Vb1_32，這是對傳統導通電阻與擊穿電壓之間關係的一個突破。
[0005]超級結MOSFET要求P型柱與N型柱比例均衡，使P型柱與N型柱在承受反壓時彼此相互耗盡。由於挖深槽工藝條件的制約，深槽的版圖圖形的長寬比要求大於10，使得繪製條形版圖存在一定的限制。在圖1中，拐角處深槽圓弧與深槽直條相匯附近的P型柱與N型柱難以平衡，會成為耐壓的薄弱點。在圖2中，P型柱與N型柱是處處平衡的，但其上邊與左邊的終端區域由外向元胞區裡是不一樣的，這兩邊的電場分布也是不一樣的，由此也會產生耐壓的一點差別。在器件應用於感性負載情況下，其關斷時的高壓大電流可能大部分只從左右兩邊(或上下兩邊)流走，這種能量洩放對晶片是不利的，容易造成局部過熱而損壞晶片。
【發明內容】
[0006]本發明旨在至少解決現有技術中存在的技術問題，特別創新地提出了一種超級結M0SFET、該超級結MOSFET的結構及其形成方法。
[0007]為了實現本發明的上述目的，根據本發明的第一個方面，本發明提供了一種超級結MOSFET結構，其包括元胞區和終端區，所述終端區包圍所述元胞區，所述元胞區內和終端區內分別形成有間距相等的直條型溝槽，所述溝槽內形成有第一導電類型的第一外延層，所述溝槽之間為第二導電類型的第二外延層，所述終端區各邊的溝槽沿從外向裡的方向的排布方式一致。
[0008]本發明的超級結MOSFET結構沿從終端區向元胞區的方向上，終端區各邊的溝槽的排布方式一致，即終端區各邊的溝槽都沿從外向裡的方向排布，且排布方向與從外向裡的方向垂直，或排布方向與從外向裡的方向平行。終端區各邊的溝槽排布方式一致，使該超級結MOSFET結構在高壓大電流下洩放在各邊的電流是均勻的，洩流通道大，洩流能力強。
[0009]為了實現本發明的上述目的，根據本發明的第二個方面，本發明提供了一種超級結MOSFET結構的形成方法，包括如下步驟:
[0010]S1:提供襯底,所述襯底為第一導電類型；
[0011]S2:在所述襯底上形成第二導電類型的第二外延層，在所述第二外延層內形成元胞區和終端區，所述終端區包圍所述元胞區；
[0012]S3:在所述元胞區內和終端區內分別形成間距相等的直條型溝槽，所述終端區各邊的溝槽沿從外向裡的方向的排布方式一致，在所述溝槽內形成第一導電類型的第一外延層。
[0013]利用本發明的超級結MOSFET結構形成方法形成的結構上所有區域的第一外延層與第二外延層的面積之比均相同，沒有耐壓薄弱點，器件的耐壓能力高，在高壓大電流下洩放在各邊的電流是平均的，洩流通道大，洩流能力強，並且製造過程與現有的功率器件工藝
完全兼容。
[0014]為了實現本發明的上述目的，根據本發明的第三個方面，本發明提供了一種超級結M0SFET，包括襯底、第一外延層和根據如上所述的超級結MOSFET結構得到的第二外延層，所述第一外延層將所述第二外延層分隔為兩部分，第一外延層和第二外延層形成在所述襯底上，所述襯底為第一導電類型，所述第一外延層為第一導電類型，所述第二外延層為第二導電類型；第一擴散區，所述第一擴散區形成在所述第一外延層內及與所述第一外延層相鄰的一部分第二外延層內，所述第一擴散區為第一導電類型；第二擴散區，所述第二擴散區形成在所述第一擴散區內，所述第二擴散區為第二導電類型，所述第二擴散區與第二外延層之間的第一擴散區為導電溝道；柵介質層，所述柵介質層形成在所述第二外延層、導電溝道及一部分第二擴散區之上；柵極，所述柵極形成在所述柵介質層之上；介質層，所述介質層形成在所述柵極之上，所述介質層上具有貫通至所述第一擴散區的接觸孔；源極金屬層，所述源極金屬層形成在所述介質層及第一擴散區之上，所述源極金屬層通過接觸孔與第一擴散區相連；漏極金屬層，所述漏極金屬層形成在襯底之下。
[0015]利用本發明的超級結MOSFET結構形成的超級結M0SFET，多個超級結MOSFET之間耐壓能力均衡，器件的耐壓能力高。
[0016]在本發明的一種優選實施方式中，在所述橫向溝槽與縱向溝槽交匯處，橫向溝槽與縱向溝槽的間距是兩個同方向溝槽間距的一半。
[0017]本發明在橫向溝槽與縱向溝槽交匯處，橫向溝槽與縱向溝槽的間距是兩個同方向溝槽間距的一半，這樣能夠保證溝槽在MOSFET結構上所有區域都是均勻分布，各個區域的洩流能力相同，沒有耐壓薄弱點。[0018]在本發明的另一種優選實施方式中，在所述元胞區和終端區的單位面積內，所述溝槽佔據的面積比例相同。
[0019]本發明元胞區和終端區的溝槽所佔面積比例相同，在不同區域內，第一外延層與第二外延層的面積之比相同，沒有耐壓薄弱點，器件的耐壓能力高。
[0020]本發明的附加方面和優點將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變得明顯，或通過本發明的實踐了解到。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0021]本發明的上述和/或附加的方面和優點從結合下面附圖對實施例的描述中將變得明顯和容易理解，其中:
[0022]圖1是現有技術中的一種超級結元胞區和終端區的版圖；
[0023]圖2是現有技術中的另一種超級結兀胞區和終端區的版圖；
[0024]圖3是本發明第一優選實施方式中元胞區和終端區的版圖；
[0025]圖4是本發明第二優選實施方式中元胞區和終端區的版圖；
[0026]圖5是圖3所示版圖橫向溝槽與縱向溝槽交匯處示意圖；
[0027]圖6是本發明超級結MOSFET剖面結構示意圖。
[0028]附圖標記:
[0029]I襯底；2第一外延層；3第二外延層；4第一擴散區；5第二擴散區；
[0030]6柵介質層；7柵極；8介質層；9源極金屬層；10漏極金屬層；
[0031]11元胞區；12終端區；13溝槽；14元胞區與終端區的分界線。
【具體實施方式】
[0032]下面詳細描述本發明的實施例，所述實施例的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附圖描述的實施例是示例性的，僅用於解釋本發明，而不能理解為對本發明的限制。
[0033]在本發明的描述中，需要理解的是，術語「縱向」、「橫向」、「上」、「下」、「前」、「後」、「左」、「右」、「豎直」、「水平」、「頂」、「底」 「內」、「外」等指示的方位或位置關係為基於附圖所示的方位或位置關係，僅是為了便於描述本發明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構造和操作，因此不能理解為對本發明的限制。
[0034]在本發明的描述中，除非另有規定和限定，需要說明的是，術語「安裝」、「相連」、「連接」應做廣義理解，例如，可以是機械連接或電連接，也可以是兩個元件內部的連通，可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，對於本領域的普通技術人員而言，可以根據具體情況理解上述術語的具體含義。
[0035]本發明提供了一種超級結MOSFET的結構，包括元胞區11和終端區12，所述終端區12包圍所述元胞區11，在該元胞區11內和終端區12內分別形成有間距相等的直條型溝槽13，溝槽13的深度可根據對MOSFET擊穿電壓的要求進行設計，當需要高擊穿電壓大的MOSFET時，應相應增加溝槽13的深度。在溝槽13內形成有第一導電類型的第一外延層2，溝槽13之間為第二導電類型的第二外延層3。終端區12的溝槽13沿從外向裡的方向的排布方式一致。
[0036]圖3是本發明第一優選實施方式中元胞區11和終端區12的版圖，圖中僅僅是示意的給出了各區域的尺寸，具體的尺寸可以根據器件參數的要求進行設計。從圖中可見，在本實施方式中，元胞區與終端區的分界線14將元胞區11和終端區12分割，元胞區11的溝槽13縱向排布，元胞區11左右兩邊終端區12的溝槽13縱向排布，元胞區11上下兩邊終端區12的溝槽13橫向排布。由此可見，終端區12四邊的溝槽13沿從外向裡的方向排布，並且排布方向與從外向裡的方向垂直。
[0037]圖4是本發明第二優選實施方式中元胞區11和終端區12的版圖，從圖中可見，在本實施方式中，元胞區11的溝槽13縱向排布，元胞區11左右兩邊終端區12的溝槽13橫向排布，元胞區11上下兩邊終端區12的溝槽13縱向排布，並且元胞區11上下兩邊終端區12的溝槽13與元胞區11的溝槽13相連。由此可見，終端區12四邊的溝槽13的方向沿從外向裡的方向排布，並且排布方向與從外向裡的方向平行。
[0038]本發明的超級結MOSFET結構沿從終端區12向元胞區11的方向上，終端區12各邊的溝槽13的排布方式一致，即終端區12各邊的溝槽13都沿從外向裡的方向排布，且排布方向與從外向裡的方向垂直，或排布方向與從外向裡的方向平行。終端區12各邊的溝槽13排布方式一致，使該超級結MOSFET結構在高壓大電流下在各邊的洩放電流是均勻的，洩流通道大，洩流能力強。
[0039]本發明在橫向溝槽與縱向溝槽交匯處，橫向溝槽與縱向溝槽的間距是兩個同方向溝槽間距的一半。如圖5所示，在橫向深槽直條與縱向深槽直條交匯處，橫向深槽直條與縱向深槽直條的間距為A，此間距是同方向深槽間距2A的一半，這樣在元胞區11和終端區12的單位面積內，溝槽13佔據的面積比例相同，即在元胞區11和終端區12內，溝槽13所佔面積比例相同，在圖5中，黑色線條所劃分的單元格面積相同，為一個單位面積，在每一個單元格內溝槽13所佔的面積比例相同。元胞區11和終端區12的溝槽13所佔面積比例相同，在不同區域內，各個區域的洩流能力相同，沒有耐壓薄弱點，器件的耐壓能力高。在本發明的一種優選實施方式中，在元胞區11和終端區12的單位面積內，溝槽13佔據的面積比例相同為1:4-1: 2。
[0040]本發明還提供了一種超級結MOSFET結構的形成方法，包括如下步驟:
[0041]S1:提供襯底I,該襯底I為第一導電類型；
[0042]S2:在襯底I上形成第二導電類型的第二外延層3，在該第二外延層3內形成元胞區11和終端區12，並且終端區12包圍元胞區11 ；
[0043]S3:在元胞區11內和終端區12內分別形成間距相等的直條型溝槽13，終端區13各邊的溝槽13沿從外向裡的方向的排布方式一致，在溝槽13內形成第一導電類型的第一外延層2。
[0044]在本發明的一個優選實施方式中，該超級結MOSFET結構的形成方法具體包括如下步驟:
[0045]第一步:提供襯底1，該襯底I為第一導電類型，該襯底I是製備MOSFET的任何襯底材料，具體可以是但不限於SO1、矽、鍺、砷化鎵，在本實施方式中，優選採用矽。
[0046]第二步:在襯底I上外延生長形成第二導電類型的第二外延層3，將該第二外延層3劃分為元胞區11和終端區12，並且使終端區12包圍元胞區11。[0047]第三步:在元胞區11內和終端區12內分別形成間距相等的直條型溝槽13，終端區12各邊的溝槽13沿從外向裡的方向的排布方式一致，在溝槽13內形成第一導電類型的第一外延層2。具體在溝槽13內形成第一外延層2的方法可以為但不限於光刻,在掩膜掩蔽的情況下進行離子注入，並擴散，退火的方法。
[0048]本發明溝槽13內的第一外延層2和溝槽13之間的第二外延層3可以採用一次外延和離子注入形成，也可以採用多次外延和離子注入形成。當採用多次外延和離子注入形成時，具體每一次外延和離子注入步驟為:在襯底I上通過外延生長法形成第一外延層2，然後在第一外延層2上通過離子注入的方式形成第二外延層3。
[0049]在本發明另外的優選實施方式中，也可以採用幹法刻蝕或者溼法腐蝕的方法形成溝槽13，然後可以採用但不限於化學氣相澱積的方法形成第二外延層3。
[0050]利用本發明的超級結MOSFET結構形成方法形成的結構在各個區域的第一外延層2與第二外延層3的面積之比均相同，沒有耐壓薄弱點，器件的耐壓能力高，在高壓大電流下洩放在各邊的電流是平均的，洩流通道大，洩流能力強，並且製造過程與現有的功率器件工藝完全兼容。
[0051]利用發明形成的結構，本發明還製備了超級結M0SFET，包括襯底1、第一外延層2和根據本發明超級結MOSFET結構得到的第二外延層3，該第一外延層2和第二外延層3均形成在襯底I上，並且第一外延層2將第二外延層3分隔為兩部分，該襯底I為第一導電類型，第一外延層2為第一導電類型，第二外延層3為第二導電類型。
[0052]在本實施方式中，具體可以採用外延生長的方法形成第二外延層3，然後光刻，在掩膜掩蔽的情況下進行離子注入，並擴散，退火的方法形成第一外延層2。在第一外延層2內及與第一外延層2相鄰的一部分第二外延層3內形成有第一擴散區4，該第一擴散區4為第一導電類型，形成第一擴散區4的方法可以為但不限於光刻，在掩膜掩蔽的情況下進行離子注入，並擴散，退火的方法。在第一擴散區4內形成有第二擴散區5，該第二擴散區5為第二導電類型，第二擴散區5與第二外延層3之間的第一擴散區4為導電溝道，形成第二擴散區5的方法可以為但不限於光刻，在掩膜掩蔽的情況下進行離子注入，並擴散，退火的方法。在第二外延層3、導電溝道及一部分第二擴散區5之上形成有柵介質層6，在柵介質層6之上形成有柵極7，在柵極7之上形成有介質層8，該介質層8可以只覆蓋在柵極7之上，也可以如圖6所示覆蓋在柵極7和一部分第二擴散區5之上，還可以將柵極7和第二擴散區5全部覆蓋。在介質層上具有貫通至第一擴散區5的接觸孔，在介質層8及第一擴散區5之上形成有源極金屬層9，該源極金屬層9通過接觸孔與第一擴散區4相連。在襯底I之下形成有漏極金屬層10。
[0053]在本發明的一種優選實施方式中，以在η型襯底I上製作超級結MOSFET為例，對於P型襯底上製備的器件，按照相反的摻雜類型摻雜即可。如圖6所示，當在襯底I上形成本發明的元胞區11和終端區12後(圖中沒有示出)，在元胞區11的第一外延層2及其相鄰的η型第二外延層3內形成P型第一擴散區4，在該第一擴散區4內形成η型重摻雜的第二擴散區5，第二擴散區5與η型第一外延層2之間的第一擴散區4為導電溝道，形成擴散區的具體方法為光刻，在掩膜掩蔽的情況下進行離子注入，並擴散，退火的方法。在η型第二外延層3、導電溝道及一部分第二擴散區5之上形成有柵介質層6，該柵介質層6可以是製備電晶體中使用的任何柵介質材料，可以為但不限於二氧化矽，形成柵介質層的具體方法可以為但不限於化學氣相澱積。柵介質層6之上形成有柵極7，該柵極7可以為但不限於多晶矽柵極或金屬柵極，在本實施方式中，優選採用多晶矽柵極，形成柵極7的具體方法可以為但不限於化學氣相澱積。在柵極7之上形成有絕緣的介質層8，該介質層8可以為但不限於矽的氧化物、矽的氮化物、矽的氮氧化物、硼磷矽玻璃，在本實施方式中，優選採用硼磷矽玻璃層，該介質層具有貫通至第一擴散區的接觸孔，在介質層8及第一擴散區4之上形成有源極金屬層9，該源極金屬層9通過接觸孔與第一擴散區4相連，在襯底I之下形成有漏極金屬層10。
[0054]本發明多個超級結MOSFET之間耐壓能力均衡，器件的耐壓能力高。並且本發明的超級結MOSFET在沿從外向裡的方向上，終端區12各邊的溝槽13排布方式一致，即終端區12的溝槽13排布方向都與從外向裡的方向分布，，並且排布方向與從外向裡的方向垂直；或終端區12的溝槽13排布方向都與從外向裡的方向分布，並且排布方向與從外向裡的方向平行。終端區12各邊的溝槽13排布方式一致，超級結MOSFET的高壓大電流的洩放在各邊是平均的，洩流通道更大，洩流能力就更強。
[0055]在本說明書的描述中，參考術語「一個實施例」、「一些實施例」、「示例」、「具體示例」、或「一些示例」等的描述意指結合該實施例或示例描述的具體特徵、結構、材料或者特點包含於本發明的至少一個實施例或示例中。在本說明書中，對上述術語的示意性表述不一定指的是相同的實施例或示例。而且，描述的具體特徵、結構、材料或者特點可以在任何的一個或多個實施例或示例中以合適的方式結合。
[0056]儘管已經示出和描述了本發明的實施例，本領域的普通技術人員可以理解:在不脫離本發明的原理和宗旨的情況下可以對這些實施例進行多種變化、修改、替換和變型，本發明的範圍由權利要求及其等同物限定。
【權利要求】
1.一種超級結MOSFET結構，其特徵在於，包括元胞區和終端區，所述終端區包圍所述元胞區，所述元胞區內和終端區內分別形成有間距相等的直條型溝槽，所述溝槽內形成有第一導電類型的第一外延層，所述溝槽之間為第二導電類型的第二外延層，所述終端區各邊的溝槽沿從外向裡的方向的排布方式一致。
2.如權利要求1所述的超級結MOSFET結構，其特徵在於，所述終端區各邊的溝槽沿從外向裡的方向排布，且所述排布方向與從外向裡的方向垂直。
3.如權利要求1所述的超級結MOSFET結構，其特徵在於，所述終端區各邊的溝槽沿從外向裡的方向排布，且所述排布方向與從外向裡的方向平行。
4.如權利要求1-3任一項所述的超級結MOSFET結構，其特徵在於，在所述橫向溝槽與縱向溝槽交匯處，橫向溝槽與縱向溝槽的間距是兩個同方向溝槽間距的一半。
5.如權利要求1-3任一項所述的超級結MOSFET結構，其特徵在於，在所述元胞區和終端區的單位面積內，所述溝槽佔據的面積比例相同。
6.如權利要求5所述的超級結MOSFET結構，其特徵在於，在所述元胞區和終端區的單位面積內，所述溝槽佔據的面積比例相同為1: 4-1: 2。
7.一種超級結MOSFET結構的形成方法，其特徵在於，包括如下步驟: S1:提供襯底，所述襯底為第一導電類型； 52:在所述襯底上形成第二導電類型的第二外延層，在所述第二外延層內形成元胞區和終端區，所述終端區包圍所述元胞區； 53:在所述元胞區內和終端區內分別形成間距相等的直條型溝槽，所述終端區各邊的溝槽沿從外向裡的方向的排布方式一致，在所述溝槽內形成第一導電類型的第一外延層。`
8.如權利要求7所述的超級結MOSFET結構的形成方法，其特徵在於，所述終端區各邊的溝槽沿從外向裡的方向排布，且所述排布方向與從外向裡的方向垂直。
9.如權利要求7所述的超級結MOSFET結構的形成方法，其特徵在於，所述終端區各邊的溝槽沿從外向裡的方向排布，且所述排布方向與從外向裡的方向平行。
10.如權利要求7-9任一項所述的超級結MOSFET結構的形成方法，其特徵在於，在所述橫向溝槽與縱向溝槽交匯處，橫向溝槽與縱向溝槽的間距是兩個同方向溝槽間距的一半。
11.如權利要求7-9任一項所述的超級結MOSFET結構的形成方法，其特徵在於，在所述元胞區和終端區的單位面積內，所述溝槽佔據的面積比例相同。
12.一種超級結M0SFET，其特徵在於，MOSFET結構包括: 襯底、第一外延層和根據如權利要求1-6任意一項所述的超級結MOSFET結構得到的第二外延層，所述第一外延層將所述第二外延層分隔為兩部分，第一外延層和第二外延層形成在所述襯底上，所述襯底為第一導電類型，所述第一外延層為第一導電類型，所述第二外延層為第二導電類型； 第一擴散區，所述第一擴散區形成在所述第一外延層內及與所述第一外延層相鄰的一部分第二外延層內，所述第一擴散區為第一導電類型； 第二擴散區，所述第二擴散區形成在所述第一擴散區內，所述第二擴散區為第二導電類型，所述第二擴散區與第二外延層之間的第一擴散區為導電溝道； 柵介質層，所述柵介質層形成在所述第二外延層、導電溝道及一部分第二擴散區之上；柵極，所述柵極形成在所述柵介質層之上； 介質層，所述介質層形成在所述柵極之上，所述介質層上具有貫通至所述第一擴散區的接觸孔； 源極金屬層，所述源極金屬層形成在所述介質層及第一擴散區之上，所述源極金屬層通過接觸孔與第一擴散區相連； 漏極金屬層，所述漏極 金屬層形成在襯底之下。
【文檔編號】H01L29/78GK103824884SQ201210468002
【公開日】2014年5月28日 申請日期:2012年11月19日 優先權日:2012年11月19日
【發明者】鍾樹理, 朱超群, 萬禕, 曾愛平, 陳宇 申請人:比亞迪股份有限公司