一種縱向超結金屬氧化物場效應電晶體器件及其製備方法

2023-04-26 10:44:51 1

專利名稱：一種縱向超結金屬氧化物場效應電晶體器件及其製備方法
技術領域：
本發明涉及半導體功率器件技術領域，具體涉及一種縱向高壓功率器件，更具體的說，是關於一種同時具有快速開關和低導通電阻的縱向超結金屬氧化物場效應電晶體器件及其製備方法。
背景技術：
超結金屬氧化物場效應電晶體是一種具有金屬氧化物半導體電晶體的絕緣柵結構優點同時具有高電流密度低導通電阻優點的新型器件，它是一種能用於有效地降低傳統的功率金屬氧化物半導體場效應電晶體的導電損耗的功率半導體器件。它是基於電荷平衡原理的電荷補償型器件。傳統高壓功率金屬氧化物半導體場效應電晶體器件用低摻雜的外延漂移層作電壓支持層，其導通電阻主要就是漂移層電阻。漂移層的耐壓能力由其厚度和摻雜濃度決定。 所以，為了提高擊穿電壓，必須同時增加漂移層厚度和降低其摻雜濃度。這就使得漂移層的電阻不斷增加，在導通狀態時(尤其是高壓時)，漂移層電阻佔導通電阻的絕大部分。超結金屬氧化物場效應電晶體的基本特點是其由間隔η-和ρ-摻雜的區域構成的漂移區來實現耐壓。傳統高壓功率金屬氧化物半導體場效應電晶體器件在承受反向高壓時，其主要依靠PN結的縱向耗盡來實現耐壓，在整個器件的PN結交界處會出現電場強度峰值。而超結金屬氧化物場效應電晶體由於引入了電荷補償機制，其內部在耗盡耐壓時，電場分布更加均勻，與傳統高壓功率金屬氧化物半導體場效應電晶體器件的三角形峰值電場分布，超結金屬氧化物場效應電晶體的器件內部電場在縱向耐壓方向為矩形分布。矩形電場強度分布，使其整個器件在耗盡耐壓過程中，不出現個別電場峰值。由於垂直方向上插入P 型區，可以補償過量的電流導通電荷。在漂移層加反向偏置電壓，將產生一個橫向電場，使 PN結耗盡。當電壓達到一定值時，漂移層完全耗盡，將起到電壓支持層的作用。因此其電壓支持層的雜質摻雜濃度可以提高將近一個數量級，由於摻雜濃度的大幅提高，在相同的擊穿電壓下，導通電阻可以大大降低。因此經過不斷的演化和完善，超結金屬氧化物場效應電晶體器件的新結構不斷出現。針對超結金屬氧化物場效應電晶體終端結構的設計也一直是研究者關的焦點。超結金屬氧化物場效應電晶體終端結構有別於傳統高壓功率金屬氧化物半導體場效應電晶體器件，其結構的設計可以與內部的超結結構相結合。在相關技術中，有人提出變化P型、 N型摻雜區域的比例，也有人提出按倍率縮小P型、N型摻雜區域的周期等。這些方法都是為了能夠實現超結金屬氧化物場效應電晶體終端結構更好的耐壓。

發明內容
為克服現有技術的不同，本發明的一個目的在於提供一種縱向超結金屬氧化物場效應電晶體器件。本發明的另一個目的在於提供一種縱向超結金屬氧化物場效應電晶體器件的製備方法。該器件在能夠保證耐壓要求的同時，不會加長終端結構的原來尺寸，且可以更好的優化終端結構的內部電勢分布，有效降低峰值電場強度。為解決上述技術問題，達到上述技術目的，本發明所述縱向超結金屬氧化物場效應電晶體器件採用如下技術方案一種縱向超結金屬氧化物場效應電晶體器件，包括N型摻雜半導體襯底，所述N 型摻雜半導體襯底的上面設有N型摻雜外延層，所述N型摻雜外延層的內部設有第一 P型摻雜深阱區、第二 P型摻雜深阱區和第三P型摻雜深阱區，所述第一 P型摻雜深阱區的上側設有P型摻雜區，所述P型摻雜區中設有N型源極接觸摻雜區，部分所述N型摻雜源極接觸區、部分所述P型摻雜區、部分所述N型摻雜外延層和所述第二 P型摻雜深阱區、第三P型摻雜深阱區的上方設有柵氧化層，部分所述柵氧化層的上方設有多晶矽，所述多晶矽構成了所述超結金屬氧化物場效應電晶體器件的柵電極，在部分所述柵氧化層的上方設有介質層，在部分所述N型摻雜源極接觸區和部分所述P型摻雜區的上方設有金屬電極層；所述第一 P型摻雜深阱區、所述P型摻雜區、所述N型摻雜源極接觸區、所述柵氧化層和所述多晶矽共同構成所述縱向超結金屬氧化物場效應電晶體器件的內部原胞區域，所述第二 P型摻雜深阱區和所述第三P型摻雜深阱區共同構成所述縱向超結金屬氧化物場效應電晶體器件的終端耐壓結構區域，其特徵在於，所述第一 P型摻雜深阱區、所述第二 P型摻雜深阱區和所述第三P型摻雜深阱區的深度均不相同，所述P型摻雜深阱區只在所述內部原胞區域中出現，所述第二 P型摻雜深阱區和所述第三P型摻雜深阱區只在所述終端耐壓結構區域中出現。優選的，所述終端結構區域中所述第二 P型摻雜深阱區和所述第三P型摻雜深阱區的深度小於所述內部原胞區域中所述第一 P型摻雜深阱區的深度，且所述第三P型摻雜深阱區的深度小於所述第二 P型摻雜深阱區的深度。優選的，所述內部原胞區域中所述第一 P型深阱區和所述N型摻雜外延層交替排列構成超結耐壓結構，所述終端結構區域中所述第二 P型深阱區、第三P型深阱區和所述N 型摻雜外延層交替排列構成超結耐壓結構。本發明所述的一種縱向超結金屬氧化物場效應電晶體器件採用的製備步驟是1)取所述N型摻雜半導體襯底，在所述N型摻雜半導體襯底上生長一定厚度的所述N型摻雜外延層，在所述N型摻雜外延層上採用多次澱積和刻蝕氧化層的方式形成階梯型深槽腐蝕犧牲層；2)澱積形成表面深槽腐蝕阻擋層，在需要進行深槽腐蝕的區域光刻去除阻擋層， 採用深槽腐蝕工藝，在所述表面深槽腐蝕阻擋層的開口處腐蝕出深槽；3)去除所述階梯型深槽刻蝕犧牲層和所述表面深槽腐蝕阻擋層後，採用單晶矽回填工藝形成P型摻雜區，再採用表面平坦化工藝，製作出不同深度的第一 P型摻雜深阱區、 第二 P型摻雜深阱區和第三P型摻雜深阱區；4)採用幹氧化工藝生長所述柵氧化層，澱積多晶矽，並進行刻蝕形成多晶矽柵電極，再進行P型雜質的光刻注入，並通過推阱形成P型摻雜區，再進行N型雜質的光刻注入， 並通過推阱形成N型摻雜源極接觸區；5)澱積介質氧化層，刻蝕接觸孔，蒸鋁，反刻鋁，形成電極後，進行後續鈍化處理，對圓片背面減薄，背面金屬化處理後，即作為所述縱向超結雙擴散金屬氧化物半導體場效應電晶體的漏端電極。優選的，所述步驟2中，所述的N型摻雜外延層上最終形成的槽呈現不同深度，其深度梯度的大小由所述深槽腐蝕犧牲層的厚度決定。與現有技術相比，本發明的一種縱向超結金屬氧化物場效應電晶體器件，具有如下優點(1)本發明所述器件結構的終端耐壓結構區域，P型摻雜深阱區的深度呈階梯減小趨勢。當器件反向耐壓時，此階梯結構增大了深阱區曲率半徑，使內部電勢更加均勻分布，降低了峰值電場，使終端耐壓結構耐壓能力提高。並且梯度深度阱只存在深度上的區別，不改變P型摻雜的深阱區的內部濃度分布，不會破壞電荷平衡關係。(2)本發明所述的器件製備方法中，階梯P型深阱結構的設置較之多層外延工藝器件可以減少光刻次數，且通過深槽腐蝕犧牲阻擋層來實現階梯深度，工藝易實現且操作簡便。(3)本發明所述的器件製備方法中採用了深槽腐蝕工藝，其P型深摻雜阱結構的形成是通過外延回填方式來實現。外延回填的工藝可以更加精確的控制回填單晶矽外延的摻雜濃度，避免受到高溫熱過程工藝波動的影響，可以有效地減小P型深摻雜阱的線寬尺寸，使器件的特徵導通電阻有效降低。


圖1是本發明的一種帶階梯浮置阱終端結構的縱向超結金屬氧化物場效應電晶體器件的一實施例的剖面圖。圖2是本發明的一種帶階梯浮置阱終端結構的縱向超結金屬氧化物場效應電晶體器件的階梯浮置阱的工藝製備過程一的示意圖。圖3是本發明的一種帶階梯浮置阱終端結構的縱向超結金屬氧化物場效應電晶體器件的階梯浮置阱的工藝製備過程二的示意圖。圖4是本發明的一種帶階梯浮置阱終端結構的縱向超結金屬氧化物場效應電晶體器件的階梯浮置阱的工藝製備過程三的示意圖。圖5是本發明的一種帶階梯浮置阱終端結構的縱向超結金屬氧化物場效應電晶體器件的階梯浮置阱的工藝製備過程四的示意圖。圖6是本發明的一種帶階梯浮置阱終端結構的縱向超結金屬氧化物場效應電晶體器件的階梯浮置阱的工藝製備過程五的示意圖。圖中標號說明1. N型摻雜半導體襯底，2. N型摻雜外延層，31.第一 P型摻雜深阱區，32.第二 P型摻雜深阱區，33.第三P型摻雜深阱區，4.P型摻雜區，5.柵氧化層，6.多晶矽，7. N型摻雜源極接觸區，8.介質氧化層，9.金屬電極層，10.階梯型深槽腐蝕犧牲層， 11.表面深槽腐蝕阻擋層，100.內部原胞區域，101.終端耐壓結構區域。
具體實施例方式下面結合附圖，對本發明的一種縱向超結金屬氧化物場效應電晶體器件的結構作詳細說明。
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如圖1所示，一種縱向超結金屬氧化物場效應電晶體器件，包括N型摻雜半導體襯底1，在N型摻雜半導體襯底1上面設有N型摻雜外延層2，在所述N型摻雜外延層2的內部設有第一 P型摻雜深阱區31、第二 P型摻雜深阱區32和第三P型摻雜深阱區33，在第
一P型摻雜深阱區31的上側設有P型摻雜區4，在P型摻雜區4中設有高濃度的N型摻雜源極接觸區7，在部分N型摻雜源極接觸區7、部分P型摻雜區4、部分N型外延層2和第二 P型摻雜深阱區32、第三P型摻雜深阱區33的上方設有柵氧化層5，在部分柵氧化層5的上方設有多晶矽6，多晶矽6構成了縱向超結金屬氧化物場效應電晶體器件的柵電極，在部分柵氧化層5的上方設有介質氧化層8，在部分N型摻雜源極接觸區7和部分P型摻雜區4 的上方設有金屬電極層9 ；第一 P型摻雜深阱區31、P型摻雜區4、N型摻雜源極接觸區7、 柵氧化層5和多晶矽6共同構成超結金屬氧化物場效應電晶體器件的內部原胞區域100，第
二P型摻雜深阱區32和第三P型摻雜深阱區33共同構成超結金屬氧化物場效應電晶體器件的終端耐壓結構區域101。第一 P型摻雜深阱區31、第二 P型摻雜深阱區32和第三P型摻雜深阱區33的深度均不相同，第一 P型摻雜深阱區31隻在內部原胞區域100中出現，第二 P型摻雜深阱區32和第三P型摻雜深阱區33隻在終端耐壓結構區域101中出現。上述縱向超結金屬氧化物場效應電晶體器件，終端耐壓結構區域101中第二 P型摻雜深阱區32和和第三P型摻雜深阱區33的深度小於內部原胞區域100中第一 P型摻雜深阱區31的深度，而第三P型摻雜深阱區33的深度小於第二 P型摻雜深阱區32的深度。上述縱向超結金屬氧化物場效應電晶體器件，內部原胞區域100中第一 P型深阱區31和N型摻雜外延層2交替排列構成超結耐壓結構，終端耐壓結構區域101中第二 P型深阱區32、第三P型深阱區33和N型摻雜外延層2交替排列構成超結耐壓結構。上述縱向超結金屬氧化物場效應電晶體器件，第一 P型深阱區31和N型摻雜外延層2之間的寬度比例和濃度比例由該器件所應滿足的導通電流的大小和最低耐壓要求共同決定；作為摻雜緩衝區的第二 P型深阱區32和所述的第三P型深阱區33的深度遞減幅度和階梯遞減次數，由終端耐壓結構區域101的電勢分布優化設計和電場強度優化設計決定。本發明的帶階梯浮置阱終端結構的縱向超結金屬氧化物場效應電晶體器件的製備方法如下首先，如圖2所示，取N型重摻雜襯底1，在N型襯底1上生長一定厚度的N型外延層2，接著在N型外延層2上採用多次澱積和刻蝕氧化層的方式形成階梯型深槽腐蝕犧牲層 10 ；如圖3所示，澱積形成表面深槽腐蝕阻擋層11，在需要進行深槽腐蝕的區域光刻去除阻擋層；如圖4所示，採用深槽腐蝕工藝，在深槽腐蝕阻擋層11的開口處腐蝕出深槽，由於存在不同厚度的犧牲層，在N型外延層2上最終形成的槽會呈現不同深度，其深度梯度的大小由深槽腐蝕犧牲層10的厚度決定；如圖5所示，在去除深槽刻蝕犧牲層10和深槽腐蝕阻擋層11後，接著採用單晶矽回填工藝形成P型摻雜區；如圖6所示，再採用表面平坦化工藝，製作出不同深度的第一 P型摻雜深阱區31、 第一 P型摻雜深阱區32和33 ；
然後，採用幹氧化工藝生長所述柵氧層5，接著澱積多晶矽6，並進行刻蝕形成多晶矽柵電極，然後進行P型雜質的光刻注入並通過推阱形成P型摻雜區4，然後進行N型雜質的光刻注入並通過推阱形成N型摻雜源極接觸區7 ；最後，澱積介質氧化層8，刻蝕接觸孔，蒸鋁，反刻鋁，形成金屬電極層9後進行後續鈍化處理，接著需要對圓片背面減薄，然後進行背面金屬化處理，作為所述縱向超結雙擴散金屬氧化物半導體場效應電晶體的漏端電極。
權利要求
1.一種縱向超結金屬氧化物場效應電晶體器件，包括N型摻雜半導體襯底(1)，所述 N型摻雜半導體襯底(1)的上面設有N型摻雜外延層(2)，所述N型摻雜外延層(2)的內部設有第一 P型摻雜深阱區(31)、第二 P型摻雜深阱區(32)和第三P型摻雜深阱區(33)，所述第一 P型摻雜深阱區(31)的上側設有P型摻雜區(4)，所述P型摻雜區(4)中設有N型摻雜源極接觸區(7)，部分所述N型摻雜源極接觸區(7)、部分所述P型摻雜區(4)、部分所述N型摻雜外延層(2)和所述第二 P型摻雜深阱區(32)、第三P型摻雜深阱區(33)的上方設有柵氧化層(5)，部分所述柵氧化層(5)的上方設有多晶矽(6)，在部分所述柵氧化層 (5)的上方設有介質氧化層(8)，在部分所述N型摻雜源極接觸區(7)和部分所述P型摻雜區(4)的上方設有金屬電極層(9)；所述第一 P型摻雜深阱區(31)、所述P型摻雜區(4)、 所述N型摻雜源極接觸區(7)、所述柵氧化層(5)和所述多晶矽(6)共同構成所述縱向超結金屬氧化物場效應電晶體器件的內部原胞區域(100)，所述第二 P型摻雜深阱區(32)和所述第三P型摻雜深阱區(33)共同構成所述縱向超結金屬氧化物場效應電晶體器件的終端耐壓結構區域(101)，其特徵在於，所述第一 P型摻雜深阱區(31)、所述第二 P型摻雜深阱區(32)和所述第三P型摻雜深阱區(33)的深度均不相同，所述P型摻雜深阱區(31)只在所述內部原胞區域(100)中出現，所述第二 P型摻雜深阱區(32)和所述第三P型摻雜深阱區(33)只在所述終端耐壓結構區域(101)中出現。
2.根據權利要求1所述的縱向超結金屬氧化物場效應電晶體器件，其特徵在於，所述終端耐壓結構區域(101)中所述第二P型摻雜深阱區(32)和所述第三P型摻雜深阱區(33) 的深度小於所述內部原胞區域(100)中所述第一 P型摻雜深阱區(31)的深度，且所述第三 P型摻雜深阱區(33)的深度小於所述第二 P型摻雜深阱區(32)的深度。
3.根據權利要求1所述的縱向超結金屬氧化物場效應電晶體器件，其特徵在於，所述內部原胞區域(100)中所述第一 P型深阱區(31)和所述N型摻雜外延層(2)交替排列構成超結耐壓結構，所述終端耐壓結構區域(101)中所述第二 P型深阱區(32)、第三P型深阱區(33)和所述N型摻雜外延層(2)交替排列構成超結耐壓結構。
4.一種用於如權利要求1所述的縱向超結金屬氧化物場效應電晶體器件的製備方法， 其特徵在於，它包括以下製備步驟1)取所述N型摻雜半導體襯底(1)，在所述N型摻雜半導體襯底(1)上生長所述N型摻雜外延層(2)，在所述N型摻雜外延層(2)上採用多次澱積和刻蝕氧化層的方式形成階梯型深槽腐蝕犧牲層(10)；2)澱積形成表面深槽腐蝕阻擋層(11)，在需要進行深槽腐蝕的區域光刻去除阻擋層， 採用深槽腐蝕工藝，在所述表面深槽腐蝕阻擋層(11)的開口處腐蝕出深槽；3)去除所述階梯型深槽刻蝕犧牲層(10)和所述表面深槽腐蝕阻擋層(11)後，採用單晶矽回填工藝形成P型摻雜區(4)，再採用表面平坦化工藝，製作出不同深度的第一 P型摻雜深阱區(31)、第二 P型摻雜深阱區(32)和第三P型摻雜深阱區(33)；4)採用幹氧化工藝生長所述柵氧化層(5)，澱積多晶矽(6)，並進行刻蝕形成多晶矽柵電極，再進行P型雜質的光刻注入，並通過推阱形成P型摻雜區(4)，再進行N型雜質的光刻注入，並通過推阱形成N型摻雜源極接觸區(7)；5)澱積介質氧化層(8)，刻蝕接觸孔，蒸鋁，反刻鋁，形成金屬電極層(9)後，進行後續鈍化處理，對圓片背面減薄，背面金屬化處理後，即作為所述縱向超結雙擴散金屬氧化物半導體場效應電晶體的漏端電極。
5.如權利要求4所述的縱向超結金屬氧化物場效應電晶體器件的製備方法，其特徵在於，所述步驟2中，所述的N型摻雜外延層(2)上最終形成的槽呈現不同深度，其深度梯度的大小由所述深槽腐蝕犧牲層(10)的厚度決定。
全文摘要
本發明公開了一種縱向超結金屬氧化物場效應電晶體器件及其製備方法，所述器件包括N型摻雜半導體襯底，在所述N型摻雜半導體襯底上面設有N型摻雜外延層，在所述N型摻雜外延層的內部設有不同深度的P型摻雜深阱區，在部分所述P型摻雜深阱區的上側設有P型摻雜區，在所述P型摻雜區中設有N型摻雜源極接觸區。本發明所述器件結構設有不同階梯深度的P型摻雜深阱區，其能夠降低終端區域電場峰值，優化電勢的均勻分布，有效的提高器件的橫向耐壓水平。
文檔編號H01L29/78GK102386224SQ201010265789
公開日2012年3月21日 申請日期2010年8月30日 優先權日2010年8月30日
發明者劉俠, 易揚波, 李海松, 王欽, 陳文高 申請人:蘇州博創集成電路設計有限公司