優化體二極體反向恢復特性的超結vdmos及製備方法

2023-07-24 01:58:56 3

優化體二極體反向恢復特性的超結vdmos及製備方法
【專利摘要】本發明涉及一種優化體二極體反向恢復特性的超結VDMOS及製備方法。常規的超結VDMOS的結構中本徵地寄生著雙極型電晶體NPN結構和體二極體結構，為避免該寄生NPN電晶體開啟，必須減小流過P柱或體二極體上部的反向恢復電流，降低寄生NPN管基極電阻RB的兩端的壓降使其無法開啟。本發明包括P柱及位於P柱頂部的Pbody區，其特徵在於：所述P柱上部的側壁設置有氧化層。本發明的P柱側壁具有二氧化矽氧化層，避免了寄生的雙極型NPN電晶體的開啟引起的器件失效；本發明兼容超結的深槽刻蝕與深槽外延工藝，在提升體二極體反向恢復能力的同時沒有增加工藝製造成本。
【專利說明】優化體二極體反向恢復特性的超結VDMOS及製備方法
【技術領域】
[0001]本發明屬於半導體器件與工藝製造領域，具體涉及一種優化體二極體反向恢復特性的超結VDMOS及製備方法。
【背景技術】
[0002]在高壓開關應用中，需要採用具有良好特性的體二極體且耐用性強的VDMOSdM是常規的VDMOS器件較高的導通電阻增加了開關電路的靜態功耗，依照超結理論(SuperJunction)電荷平衡概念所設計的器件在90年代末被引入市場，它具有比常規VDMOS低得多的RDS(on)而得到廣泛應用。由於它的RDS(on)與BV13成比例，而普通器件的Rds (on)是與BV2 5成比例，它的Rds (on)比普通MOSFET低很多，因此這類超結器件在高電壓時的應用非常吸引人。
[0003]二極體由通態到反向阻斷狀態的開關過程稱為反向恢復，如附圖1所示，超結VDMOS的P柱與N外延層形成的本徵二極體稱為體二極體，在開關應用尤其電橋電路中，需要體二極體提供的反向漏極電流為電路續流，而體二極體導通後反向關斷，將產生極高的電壓變化率(dv/dt)，這可能會造成寄生NPN電晶體開啟，因而體二極體的反向恢復過程的可靠性在該應用中極其關鍵。
[0004]超結VDMOS器件通過眾多PN柱狀結構來獲得電荷平衡，這種結構同時給超結VDMOS器件的體二極體帶來兩個後果，一是PN結的面積大了許多，導致較大注入時Irrm和Qrr升高；二是由於PN柱結的快速耗盡帶來了 dv/dt的增大，導致寄生的NPN電晶體開通或是很快恢復過來。因而，普通超結VDMOS的一個缺點就是它的體二極體的反向恢復特性較差。超結VDMOS器件有著較大的反向恢復電流，並且在某些反向恢復的情況下易於失效。此外，應用電路要求體二極體還應能夠承受較高的di/dt和dv/dt。即使施加緩和上升的di/dt，普通超結VDMOS器件的體二極體有時也會失效。如果體二極體的反向恢復特性較差，那麼將會增加MOSFET的開通損耗，因此，對於這些應用都需要具有特性良好、耐用性強的體二極體的MOSFET。
[0005]在超結VDMOS器件中，由於製造工藝的偏差，N柱和P柱電荷的完全平衡是不可能完全實現的。Praveen M.Shenoy等人針對N柱和P柱的電荷不平衡給器件特性所帶來的影口向在文獻〈〈Analysis of the effect of charge imbalance on the static and dynamiccharacteristics of the super junction M0SFET》中進行了細緻的討論，如附圖1 所不，共分析了三種情況N柱和P柱的電荷完全平衡(Qp=Qn), P柱電荷數少於N柱電荷數(Qp〈Qn)以及P柱電荷數多於N柱電荷數(Qp>Qn)。在Qp= Qn電荷平衡的情況下，電場峰值是在PN柱結約為結深一半的位置處，大部分電流直接流向PBODY區的接觸部位，其餘的電流在N+源極下面流過。對於Qp〈Qn的情況下，峰值電場在結的P阱頂部，大部分電流在N+源區下面流過。源極下面的大電流會導致寄生NPN電晶體的開啟，並且強電場和源極下的電流會導致該面積內局部過熱，隨著溫度的升高，Rb的增大和Vbe的減小會進一步加速該寄生雙極電晶體的開通問題，因此，在施加大電流或高di/dt的反向恢復期間，Qp〈Qn的情況更容易使寄生的雙極電晶體開啟進而失效。當QP>QN，峰值電場處在PN柱結的底部，全部電流直接流入Pbody區的源金屬電極接觸區。在N+源區下面沒有電流流過，熱點處在P柱底部距離源極區很遠的地方。因此這種設計使得寄生的雙極電晶體最不受影響，並且在反向恢復時的耐用性也好得多，但是，這種設計的過量(P柱的電荷數超過N柱的電荷數10%)QP使得比導通電阻增大及擊穿電壓明顯地下降。

【發明內容】

[0006]本發明提供了一種優化體二極體反向恢復特性的超結VDMOS及製備方法，能夠避免寄生的雙極型NPN電晶體受到體二極體反向恢復電流的影響，因而在反向恢復時的耐用性非常強。
[0007]為解決上述的技術問題，本發明採取的技術方案:一種優化體二極體反向恢復特性的超結VDM0S，包括P柱及位於P柱頂部的Pbody區，其特別之處在於:所述P柱上部的
側壁設置有氧化層。
[0008]所述氧化層厚度為5(T200nm，並由Pbody區底端延伸至P柱的1/3~1/2處。
[0009]所述氧化層為二氧化矽層。
[0010]所述氧化層的形成過程包括以下步驟:
步驟一、利用外延工藝，在N+襯底上外延一層30-50 μ m的N型外延層；
步驟二、在N型外延層上澱積Si3N4保護層，並利用P柱光刻掩膜板對Si3N4保護層進行刻蝕；
步驟三、利用P柱光刻掩膜板掩膜，對在N型外延層進行深槽刻蝕，然後刻蝕出深為25~45 μ m的深槽；
步驟四、在深槽中外延生長出P柱，即P型外延層，其厚度為15~25 μ m，其中P柱的摻雜濃度為 I X IO15~5 X IO15CnT3 ；
步驟五、在100(Tl20(rC 溫度下幹氧氧化60-120分鐘，在深槽側壁及P型外延層的上表面處生長出5(T200nm厚的氧化層；
步驟六、使用幹法刻蝕，將深槽內P柱表面上方的氧化層刻蝕掉；
步驟七、在深槽中外延生長P柱，使P柱頂端與N型外延層的頂端高度相差5 μ m，其中P柱的摻雜濃度與步驟四相同；
步驟八、採用幹法刻蝕，使最上面5 μ m深的氧化層及N型外延層上澱積Si3N4保護層完全刻蝕掉；
步驟九、在深槽中外延生長P柱5 μ m，其中P柱的摻雜濃度與步驟四相同，P柱與N型外延層上表面平齊。
[0011]與現有技術相比，本發明的有益效果:
本發明的超結VDMOS的P柱側壁具有二氧化矽阻擋層，在體二極體反向恢復期間，有效地阻止了反向恢復電流通過P柱上部，使得所有反向恢復電流通過P柱的下部並貫穿P柱直接流入Pbody區的接觸區，避免了寄生的雙極型NPN電晶體的開啟引起的器件失效；超結VDMOS的P柱與N柱電荷平衡受到工藝的波動，出現P柱電荷數量大於N柱即Qp〈Qn時，由於側壁薄氧化層的阻止，反向恢復電流仍然必須通過P柱的下部並貫穿P柱直接流入Pbody區的接觸區，因而提高了工藝的穩定性與器件良率；本發明結構顯著的降低了體二極體的反向恢復時間，並且使得反向恢復電流峰值Irrm降低10% ;本發明兼容現有超結的深槽刻蝕與深槽外延工藝，在提升體二極體反向恢復能力的同時沒有增加工藝製造成本。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]圖1是常規的超結VDMOS的結構及寄生三極體和體二極體等效結構示意圖；
圖2是本發明的一種優化體二極體反向恢復特性的超結VDMOS的剖面結構示意圖；
圖3(a)~ 3(m)是具有側壁氧化層結構的一種優化體二極體反向恢復特性的超結VDMOS的工藝製作示意圖；
圖4是本發明的一種優化體二極體反向恢復特性的超結VDMOS與常規超結VDMOS的仿真效果圖。
[0013]其中，1、N+襯底、2、N型外延層、3、P柱、4、Pbody區、5、N+源區、6、柵氧化層、7、多晶矽柵電極、8、BPSG介質層、9、源金屬電極、10、氧化層、11、Si3N4保護層。
【具體實施方式】
[0014]下面結合附圖和【具體實施方式】對本發明進行詳細說明。
[0015]參見圖2，一種優化體二極體反向恢復特性的超結VDM0S，包括P柱3及位於P柱3頂部的Pbody區4，所述P柱3上部的側壁設置有二氧化矽氧化層。
[0016]所述二氧化矽氧化層厚度為5(T200nm，並由Pbody區4底端延伸至P柱的1/3~1/2處。
[0017]上述優化體二極體反向恢復特性的超結VDMOS的製備方法，二氧化矽氧化層的形成過程包括以下步驟:`
步驟一、利用外延工藝，在N+襯底I上外延一層30-50 μ m的N型外延層2 ；
步驟二、在N型外延層2上澱積Si3N4保護層11，並利用P柱光刻掩膜板對Si3N4保護層11進行刻蝕；
步驟三、利用P柱光刻掩膜板掩膜，對在N型外延層2進行深槽刻蝕，然後刻蝕出深為25~45 μ m的深槽；
步驟四、在深槽中外延生長出P柱3，即P型外延層，其深度為15~25 μ m，其中P柱3的摻雜濃度為I X IO15~5 X IO15CnT3 ；
步驟五、在100(Tl20(rC溫度下幹氧氧化60-120分鐘，在深槽側壁及P型外延層的上表面處生長出5(T200nm厚的氧化層10 ；
步驟六、使用幹法刻蝕，將深槽內P柱3表面上方的氧化層刻蝕掉；
步驟七、在深槽中外延生長P柱，使P柱3頂端與N型外延層2的頂端高度相差5 μ m,其中P柱3的摻雜濃度與步驟四相同；
步驟八、採用幹法刻蝕，使最上面5 μ m深的氧化層及N型外延層2上澱積Si3N4保護層11完全刻蝕掉；
步驟九、在深槽中外延生長P柱35 μ m，其中P柱3的摻雜濃度與步驟四相同，P柱3與N型外延層2上表面平齊；
本發明的原理是:超結VDMOS具有一種用來優化體二極體反向恢復特性的P柱側壁具有二氧化矽氧化層，在體二極體反向恢復期間，該側壁二氧化矽層有效地阻止了反向恢復電流通過P柱上部，避免了寄生的雙極型NPN電晶體受到體二極體反向恢復電流的影響，因而在反向恢復時的耐用性非常強，從而極大程度地抑制了寄生BJT的發射結的開啟；本發明兼容現有的深槽刻蝕與深槽外延工藝，在提升體二極體反向恢復能力的同時沒有增加工藝製造成本；本發明的側壁氧化層可以用局部氧化工藝，在沒有Si3N4保護的P柱側壁生長二氧化矽層。
[0018]參見圖1，常規的超結VDMOS的結構中本徵地寄生著雙極型電晶體NPN結構和體二極體結構，為避免該寄生NPN電晶體開啟，在體二極體反向恢復期間，必須減小流過P柱或體二極體上部的反向恢復電流，從而降低寄生NPN管基極電阻Rb的兩端的壓降使其無法開
啟O
[0019]實施例:
一、襯底材料準備，採用電阻率為0.001 Ω --cm的N+區熔單晶矽襯底1，其晶向為〈100〉；
二、在N+襯底上外延生長45μ m電阻率為4 Q--cm的N型外延層，作為N柱層，如圖3 (a)所示；
三、澱積Si3N4保護層，並利用P柱光刻掩膜板對Si3N4保護層進行刻蝕；
四、利用P柱光刻掩膜板掩膜，對N型外延層深槽刻蝕出深為40μ m的深槽，如圖3(b)所示；
五、在深槽中外延生長P柱20μ m，其中P柱的摻雜濃度為3.2 X IO15CnT3,如圖3(c)所
示；` 六、在1100°C溫度下幹氧生長90分鐘，在深槽側壁及P型外延層的上表面處生長出IOOnm厚的氧化層,如圖3(d)所示；
七、使用幹法刻蝕，使深槽中P柱上表面的氧化層完全刻蝕掉，如圖3(e)所示
八、在深槽中外延生長P柱15μ m，其中P柱的摻雜濃度為3.2X1015cm_3，如圖3(f)所
示；
九、採用幹法刻蝕，使最上面5μ m深的氧化層及Si3N4保護層完全刻蝕掉，如圖3 (g)所
示；
十、在深槽中外延生長P柱5 μ m，其中P柱的摻雜濃度為3.2X IO1W3, P柱與N柱上表面平齊，如圖3(h)所示；
十一、採用120KeV的能量注入劑量為5.2 X IO13CnT2硼離子，並在1000°C的高溫下推結120分鐘形成Pbody區4，如圖3 (i)所示；
十二、在1100°C溫度下90分鐘幹氧生長IOOnm厚的柵氧化層6，之後澱積400nm厚的多晶矽，並使用幹法刻蝕多晶矽形成多晶矽柵電極7，如圖3 (j)所示；
十三、採用80KeV的能量注入劑量為3 X IO15CnT2的砷離子，並在900°C的溫度下推結30分鐘形成N+源區5，如圖3 (k)所示；
十四、澱積2 μ m厚的BPSG層8，在950°C氮氣氛圍下回流30分鐘，並刻蝕形成接觸孔，如圖3(1)所示；
在整個器件的上表面澱積一層鋁，並刻蝕鋁形成源電極9，鈍化，背面金屬化形成漏電極，如圖3(m)所示。
【權利要求】
1.一種優化體二極體反向恢復特性的超結VDMOS，包括P柱(3)及位於P柱(3)頂部的Pbody區(4 )，其特徵在於:所述P柱(3 )上部的側壁設置有氧化層(10 )。
2.根據權利要求1所述的優化體二極體反向恢復特性的超結VDM0S，其特徵在於:所述氧化層(10)厚度為50~200nm，並由Pbody區(4)底端延伸至P柱(3)的1/3~1/2處。
3.根據權利要求1或2所述的優化體二極體反向恢復特性的超結VDM0S，其特徵在於:所述氧化層為二氧化矽層。
4.根據權利要求3所述的優化體二極體反向恢復特性的超結VDMOS的製備方法，其特徵在於:所述氧化層的形成過程包括以下步驟: 步驟一、利用外延工藝，在N+襯底(I)上外延一層30~50 μ m的N型外延層(2)； 步驟二、在N型外延層(2)上澱積Si3N4保護層(11)，並利用P柱光刻掩膜板對Si3N4保護層(11)進行刻蝕； 步驟三、利用P柱光刻掩膜板掩膜，對在N型外延層(2)進行深槽刻蝕，然後刻蝕出深為25~45 μ m的深槽； 步驟四、在深槽中外延生長出P柱(3)，即P型外延層，其厚度為15~25 μ m，其中P柱(3)的摻雜濃度為I X IO15^XIOiW3 ； 步驟五、在100(Tl20(rC溫度下幹氧氧化60-120分鐘，在深槽側壁及P型外延層的上表面處生長出5(T200nm厚的氧化層(10)； 步驟六、使用幹法刻蝕，將深槽內P柱(3)表面上方的氧化層(10)刻蝕掉； 步驟七、在深槽中外延生長P柱，使P柱(3)頂端與N型外延層(2)的頂端高度相差.5 μ m，其中P柱(3)的摻雜濃度與步驟四相同； 步驟八、採用幹法刻蝕，使最上面5 μ m深的氧化層及N型外延層(2)上澱積Si3N4保護層(11)完全刻蝕掉； 步驟九、在深槽中外延生長P柱(3)5 μ m，其中P柱(3)的摻雜濃度與步驟四相同，P柱(3)與N型外延層(2)上表面平齊。
【文檔編號】H01L29/78GK103560151SQ201310489831
【公開日】2014年2月5日 申請日期:2013年10月18日 優先權日:2013年10月18日
【發明者】姜貫軍, 陳橋梁, 陳仕全, 馬治軍, 任文珍, 杜忠鵬 申請人:西安龍騰新能源科技發展有限公司