一種掩埋式勢壘分壓場效應管及其生產方法

2023-04-24 17:15:46

一種掩埋式勢壘分壓場效應管及其生產方法
【專利摘要】本發明公開一種掩埋式勢壘分壓場效應管及其生產方法，其在外延層上根據耐壓的需要確定向下挖槽的深度，提前掩埋分壓勢壘，並以與柵極相似的網格結構連接到源極，分兩層製作高壓功率場效應器件，當源極（Source）和漏極（Drain）有電壓（不導通）時，掩埋的勢壘之間形成耗盡層（在兩者之間形成空乏區），起到耐壓的作用。同時，上述結構中掩埋分壓勢壘和上面的溝槽的柵極（Gate）形成耗盡層（在兩者之間形成空乏區），可以大幅消除Gate和Drain之間的電容，可以大幅減少Gate開關時的充電時間（Qg可以大幅降低），從而提高了MOS管的開關速度。
【專利說明】一種掩埋式勢壘分壓場效應管及其生產方法

【技術領域】
[0001]本發明涉及半導體【技術領域】，具體涉及一種掩埋式勢壘分壓場效應管及其生產方法。

【背景技術】
[0002]功率場效應管(MOS)管在反壓較高時，由外延層承擔反壓，外延層的電阻率較大，厚度較厚，導致外延層電阻佔整體導通電阻的比例最大，因此，改善外延層電阻的效果最明顯。目前，比較流行的方法是採用類似超級結(Super Junct1n)的三維(3D)結構，如圖1所示。類似Super Junct1n的3D結構能夠從兩個方面減小外延層電阻:一方面,將承擔反壓的空間電荷區從單一的垂直方向改變為垂直與水平兩個方向，以縮小外延層的厚度；另一方面，在保證MOS管截止時空間電荷區多數載流子能耗盡的情況下，儘量提高外延層載流子濃度，則MOS管導通時外延層的電阻率就儘量小了。這樣在耐壓不變的情況下外延層電阻或整體導通電阻就變小了，功率MOS管工作時發熱就少了。然而，目前Super Junct1n和3D結構大多都採用的是單層式成型方法，由於生產技術工藝難度較大，因此只掌握在國外品牌廠家和國內少數代工企業手裡。


【發明內容】

[0003]本發明所要解決的技術問題是提供一種掩埋式勢壘分壓場效應管及其生產方法，其能夠在達到超級結的三維結構相同作用的同時，降低了工藝難度。
[0004]為解決上述問題，本發明是通過以下技術方案實現的:
[0005]一種掩埋式勢壘分壓場效應管的生產方法，包括如下步驟:
[0006](I)在N+襯底上生長N型外延層；
[0007](2)在生長的N型外延層內蝕刻網格狀的掩埋溝槽，並在生長的N型外延層的上表面和掩埋溝槽內生長二氧化矽氧化層；
[0008](3)在生長有二氧化矽氧化層的掩埋溝槽中沉積金屬或多晶矽作為良導體，並從本功率場效應管的邊緣將該良導體連接到源極；
[0009](4)用硼磷矽玻璃BPSG填平沉積有良導體的掩埋溝槽，腐蝕二氧化矽氧化層，由此在N+襯底上方第一 N型外延層內形成了掩埋層；
[0010](5)在掩埋層上再次生長N型外延層；
[0011](6)在再次生長的N型外延層內蝕刻網格狀的柵極溝槽，並在再次生長的N型外延層的上表面和柵極溝槽內生長柵氧化層；
[0012](7)在生長有柵氧化層的柵極溝槽中沉積多晶矽柵極；
[0013](8)將硼離子注入到柵極四周再次生長的N型外延層上表面，並將硼離子擴散推結形成體區P BODY ；
[0014](9)在體區的表面光刻源區圖形，並將硼離子注入到柵極四周的體區上表面，並擴散推結形成源區；
[0015](10)在全部上表面即柵極、源區和體區的上表面沉積硼磷矽玻璃BPSG，由此在掩埋層上形成工作層；
[0016](11)在工作層的硼磷矽玻璃BPSG上光刻並腐蝕出接觸孔，並通過蒸發或濺射金屬鋁的方法反刻出本功率場效應管的柵極和源極的焊區Pad ；
[0017](12)減薄N+襯底，並在減薄的N+襯底下表面背金形成功率場效應管的漏極。
[0018]上述方案中，所述步驟(9)的源區圖形為回字形。
[0019]上述方案中，所述步驟(11)的接觸孔呈矩陣式分布。
[0020]根據上述方法製備的一種掩埋式勢壘分壓場效應管，主要由背金層、N+襯底、掩埋層、工作層和焊區組成；掩埋層設置在N+襯底的上方；第二 N型外延層位於掩埋層的上方，焊區設置在第二 N型外延層的上方；背金層塗覆在N+襯底的下表面；
[0021]掩埋層由第一 N型外延層、良導體、二氧化矽氧化層和掩埋層保護玻璃構成；網格狀的良導體全部內嵌在第一 N型外延層中，且網格狀的良導體在第一 N型外延層中呈戰壕狀矩陣式分布；每個良導體的側面和底面覆有二氧化矽氧化層、頂面覆有掩埋層保護玻璃；
[0022]工作層由第二 N型外延層、多晶矽柵極、柵氧化層、體區、源區和柵極保護玻璃構成；網格狀的多晶矽柵極的底部嵌入第二 N型外延層中，多晶矽柵極的側面和底面覆有柵氧化層，多晶矽柵極的頂部覆有柵極保護玻璃；體區設置在第二 N型外延層的上、多晶矽柵極的四周；每個體區的上部設有源區；
[0023]焊區包括柵極和源極的焊區；柵極焊區和源極焊區設在柵極保護玻璃上部，並通過開設在焊區下部的柵極和源極的接觸孔連接到多晶矽柵極和源區。
[0024]上述方案中，所述多晶矽柵極的底部嵌入第二 N型外延層的上部。
[0025]上述方案中，每個多晶矽柵極的正下方對應一個良導體。
[0026]上述方案中，所述源區呈回字形。
[0027]上述方案中，所述源極接觸孔在柵極保護玻璃上呈矩陣式分布，並通過源極焊區引出。
[0028]上述方案中，所述多晶矽柵極以網格的形式連在一起，並越過終止區後通過柵極接觸孔從柵極焊區引出。
[0029]與現有技術相比，本發明在外延層上根據耐壓的需要確定向下挖槽的深度，提前掩埋分壓勢壘，並以與柵極相似的網格結構連接到源極，分兩層製作高壓功率場效應器件，當源極(Source)和漏極(Drain)有電壓(不導通)時，掩埋的勢壘之間形成耗盡層(在兩者之間形成空乏區)，起到耐壓的作用。同時，上述結構中掩埋分壓勢壘和上面的溝槽的柵極(Gate)形成耗盡層(在兩者之間形成空乏區)，可以大幅消除Gate和Drain之間的電容，可以大幅減少Gate開關時的充電時間(Qg可以大幅降低)，從而提高了 MOS管的開關速度。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0030]圖1為典型功率場效應管的的剖視元胞結構圖；
[0031]圖2為本發明掩埋式勢壘分壓功率場效應管的剖視元胞結構圖；
[0032]圖3-22為本發明掩埋式勢壘分壓功率場效應管的生產方法各步驟對應的剖視元胞結構圖及光刻版圖。
[0033]圖中標號:1、背金層；2、N+襯底；3、掩埋層；3-1、第一 N型外延層；3_2、良導體；3-3、二氧化矽氧化層；3-4、掩埋保護玻璃；4、工作層；4-1、第二 N型外延層；4_2、柵氧化層；4_3、多晶娃柵極；4_4、體區；4_5源區；4_6、柵極保護玻璃；5、焊區；5-1、接觸孔。

【具體實施方式】
[0034]一種掩埋式勢壘分壓場效應管的生產方法，包括如下步驟:
[0035]1、在N+襯底2上生長N型外延層；參見圖3 ;
[0036]2、在MOS管柵極下方挖網格狀槽，並在槽壁生長二氧化矽氧化層3-3 ；BP
[0037]2.1、在生長的N型外延層內蝕刻網格狀的掩埋溝槽，其中光刻掩埋溝槽的版圖圖形如圖4所示,光刻腐蝕後的結構如圖5所示；
[0038]2.2、在生長的N型外延層的上表面和掩埋溝槽的底面和側壁上生長二氧化矽氧化層3-3 ;參見圖6 ;
[0039]3、在生長有二氧化矽氧化層3-3的掩埋溝槽中沉積金屬或多晶矽作為良導體
3-2，並從功率場效應管的邊緣將該良導體3-2連接到源極；參見圖7；
[0040]4、用硼磷矽玻璃填平沉積有良導體3-2的掩埋溝槽，腐蝕二氧化矽氧化層3-3，由此在N+襯底2上方第一 N型外延層內形成了掩埋層3 ;參見圖8 ；
[0041]5、在掩埋層3上再次生長N型外延層；參見圖9 ;
[0042]6、挖柵極溝槽，並在溝槽內生長柵氧化層4-2，沉積多晶矽柵極4_3Gate ；BP
[0043]6.1、在再次生長的N型外延層內蝕刻網格狀的柵極溝槽，其中光刻柵極溝槽的版圖圖形如圖10所示，光刻腐蝕後的結構如圖11所示；
[0044]6.2、在再次生長的N型外延層的上表面和柵極溝槽的側壁和底部生長柵氧化層
4-2;參見圖12 ；
[0045]7、在生長有柵氧化層4-2的柵極溝槽中沉積多晶矽柵極4-3 ;參見圖13 ；
[0046]8、注入和推進MOS管體區P4-4 ；BP
[0047]8.1、將硼離子注入到柵極四周再次生長的N型外延層上表面，參見圖14 ；
[0048]8.2、並將硼離子擴散推結形成體區P B0DY4-4 ;參見圖15 ；
[0049]9、以光刻的方法定位並注入和推進源區4-5N+ ；BP
[0050]9.1、在體區4-4的表面光刻源區4-5圖形；該源區4_5版圖圖形如圖16所示，為回字形；
[0051]9.2、將硼離子注入到柵極四周的體區4-4上表面；參見圖17 ；
[0052]9.3、擴散推結形成源區N+4-5 ;參見圖18 ；
[0053]10、在全部上表面沉積硼磷矽玻璃，保護柵極；參見圖19 ；
[0054]11、蒸發或濺射金屬鋁反刻柵極Gate和源極Source接觸孔；SP
[0055]11.1、在工作層4的上方光刻接觸孔；其光刻圖形如圖20所示，接觸孔5-1呈矩陣式分布；
[0056]11.2、通過蒸發或濺射金屬鋁的方法反刻出功率場效應管的柵極和源極的焊區5 ；參見圖21 ；
[0057]12、減薄N+襯底2，並在減薄的N+襯底2下表面背金形成功率場效應管的漏極，參見圖22。
[0058]根據上述生產方法所製作的一種掩埋式勢壘分壓場效應管，如圖2所示，主要由背金層1、N+襯底2、掩埋層3、工作層4和焊區5組成。掩埋層3設置在N+襯底2的上方。第二 N型外延層4-1位於掩埋層3的上方，焊區5設置在第二 N型外延層4-1的上方。背金層I塗覆在N+襯底2的下表面。
[0059]掩埋層3由第一 N型外延層3-1、良導體3-2、二氧化矽氧化層3_3和掩埋層保護玻璃3-4構成。網格狀的良導體3-2全部內嵌在第一 N型外延層3-1中，且網格狀的良導體3-2在第一 N型外延層3-1中呈戰壕狀矩陣式分布。每個良導體3-2的側面和底面覆有二氧化矽氧化層3-3、頂面覆有掩埋層保護玻璃3-4。
[0060]工作層4由第二 N型外延層4-1、多晶矽柵極4-3、柵氧化層4_2、體區4_4、源區4-5和柵極保護玻璃4-6構成。網格狀的多晶矽柵極4-3的底部嵌入第二 N型外延層4_1中。在本發明中，多晶矽柵極4-3的底部嵌入第二 N型外延層4-1的上部。多晶矽柵極4-3的側面和底面覆有柵氧化層4-2，頂部覆有柵極保護玻璃4-6。體區4-4設置在第二 N型外延層4-1的上方、多晶矽柵極4-3的四周。每個體區4-4的上部設有源區4-5，在本發明中，源區4-5呈回字形。所述多晶矽柵極4-3和良導體3-2的形狀相同，在分布上多晶矽柵極4-3和良導體3-2的雖然均呈矩陣分布,但其在垂直方向上,無需嚴格按照一對一正對分布的方式。但在本發明優選實施例中，每個多晶娃柵極4-3和良導體3-2的正下方均對應一個良導體3-2,即在垂直方向上,多晶娃柵極4-3和良導體3-2米用一對一正對分布方式。
[0061]焊區5包括柵極和源極的焊區，柵極焊區和源極焊區在焊區5內即柵極保護玻璃4-6上，並通過開設在焊區下部的柵極和源極的接觸孔5-1連接到多晶矽柵極4-3和源區
4-5。所述源極接觸孔5-1在柵極保護玻璃4-6上呈矩陣式分布，並通過源極焊區5引出。所述多晶矽柵極4-3以網格的形式連在一起，並越過終止區後通過柵極接觸孔5-1從柵極焊區5引出。
【權利要求】
1.一種掩埋式勢壘分壓場效應管的生產方法，其特徵是包括如下步驟: (1)在N+襯底(2)上生長N型外延層； (2)在生長的N型外延層內蝕刻網格狀的掩埋溝槽，並在生長的N型外延層的上表面和掩埋溝槽內生長二氧化矽氧化層(3-3)； (3)在生長有二氧化矽氧化層(3-3)的掩埋溝槽中沉積金屬或多晶矽作為良導體(3-2)，並從本功率場效應管的邊緣將該良導體(3-2)連接到源極； (4)用硼磷矽玻璃填平沉積有良導體(3-2)的掩埋溝槽，腐蝕二氧化矽氧化層(3-3)，由此在N+襯底(2 )上方第一 N型外延層內形成了掩埋層(3 ); (5)在掩埋層(3)上再次生長N型外延層； (6)在再次生長的N型外延層內蝕刻網格狀的柵極溝槽，並在再次生長的N型外延層的上表面和柵極溝槽內生長柵氧化層(4-2)； (7)在生長有柵氧化層(4-2)的柵極溝槽中沉積多晶矽柵極(4-3)； (8)將硼離子注入到柵極四周再次生長的N型外延層上表面，並將硼離子擴散推結形成體區(4-4)； (9)在體區(4-4)的表面光刻源區(4-5)圖形，並將硼離子注入到柵極四周的體區(4-4)上表面，並擴散推結形成源區(4-5)； (10)在全部上表面即柵極、源區(4-5)和體區(4-4)的上表面沉積硼磷矽玻璃，由此在掩埋層(3)上形成工作層(4); (11)在工作層(4)的硼磷矽玻璃上光刻並腐蝕出接觸孔(5-1)，並通過蒸發或濺射金屬鋁的方法反刻出本功率場效應管的柵極和源極的焊區(5); (12)減薄N+襯底(2)，並在減薄的N+襯底(2)下表面背金形成功率場效應管的漏極。
2.根據權利要求1所述一種掩埋式勢壘分壓場效應管的生產方法，其特徵是，所述步驟(9)的源區(4-5)圖形為回字形。
3.根據權利要求1所述一種掩埋式勢壘分壓場效應管的生產方法，其特徵是，所述步驟(11)的接觸孔呈矩陣式分布。
4.根據權利要求1所述掩埋式勢壘分壓場效應管的生產方法所製作的一種掩埋式勢壘分壓場效應管，其特徵在於:主要由背金層(1)、N+襯底(2)、掩埋層(3)、工作層(4)和焊區(5)組成；掩埋層(3)設置在N+襯底(2)的上方；第二 N型外延層(4-1)位於掩埋層(3)的上方，焊區(5)設置在第二 N型外延層(4-1)的上方；背金層(I)塗覆在N+襯底(2)的下表面； 掩埋層(3)由第一 N型外延層(3-1)、良導體(3-2)、二氧化矽氧化層(3-3)和掩埋層保護玻璃(3-4)構成；網格狀的良導體(3-2)全部內嵌在第一 N型外延層(3-1)中，且網格狀的良導體(3-2)在第一 N型外延層(3-1)中呈戰壕狀矩陣式分布；每個良導體(3-2)的側面和底面覆有二氧化矽氧化層(3-3)、頂面覆有掩埋層保護玻璃(3-4); 工作層(4)由第二 N型外延層(4-1)、多晶矽柵極(4-3)、柵氧化層(4-2)、體區(4-4)、源區(4-5)和柵極保護玻璃(4-6)構成；網格狀的多晶矽柵極(4-3)的底部嵌入第二 N型外延層(4-1)中，多晶矽柵極(4-3)的側面和底面覆有柵氧化層(4-2)，多晶矽柵極(4-3)的頂部覆有柵極保護玻璃(4-6);體區(4-4)設置在第二 N型外延層(4-1)的上、多晶矽柵極(4-3)的四周；每個體區(4-4)的上部設有源區(4-5)； 焊區(5)包括柵極和源極的焊區；柵極焊區和源極焊區設在柵極保護玻璃(4-6)上部，並通過開設在焊區下部的柵極和源極的接觸孔(5-1)連接到多晶矽柵極(4-3)和源區(4-5)。
5.根據權利要求要求4所述的一種掩埋式勢壘分壓場效應管，其特徵在於:所述多晶矽柵極(4-3)的底部嵌入第二 N型外延層(4-1)的上部。
6.根據權利要求要求4所述的一種掩埋式勢壘分壓場效應管，其特徵在於:每個多晶娃柵極(4-3)的正下方對應一個良導體(3-2)。
7.根據權利要求要求4所述的一種掩埋式勢壘分壓場效應管，其特徵在於:所述源區(4-5)呈回字形。
8.根據權利要求要求4所述的一種掩埋式勢壘分壓場效應管，其特徵在於:所述源極接觸孔(5-1)在柵極保護玻璃(4-6 )上呈矩陣式分布，並通過源極焊區(5 )引出。
9.根據權利要求要求4所述的一種掩埋式勢壘分壓場效應管，其特徵在於:所述多晶矽柵極(4-3)以網格的形式連在一起，並通過柵極接觸孔(5-1)從柵極焊區(5)引出。
【文檔編號】H01L29/06GK104299906SQ201310305389
【公開日】2015年1月21日 申請日期:2013年7月19日 優先權日:2013年7月19日
【發明者】李勇昌, 彭順剛, 鄒鋒, 王常毅 申請人:桂林斯壯微電子有限責任公司