一種具有半絕緣多晶矽層的縱向超結雙擴散金屬氧化物半導體場效應管的製作方法

2023-05-24 13:19:46

本發明涉及半導體器件領域，特別是涉及一種縱向超結雙擴散金屬氧化物半導體場效應管。

背景技術：

對於高壓mosfet來說，電源的高能效要求則是影響產品未來發展的主要因素。然而在功率器件高壓應用領域內，隨著器件擊穿電壓的升高，功率vdmos外延層厚度不斷增加，漂移區摻雜濃度逐漸降低，導致器件的導通電阻會隨著器件擊穿電壓的2.5次急劇增加，使得器件的導通損耗增大。1998年陳星弼院士等人提出了縱向耐壓層新結構理論，打破了矽限理論，即日後被稱為超結的耐壓結構。它利用電荷補償理論，漂移區由一系列交替高濃度摻雜的n區和p區相互補償，使得器件漂移區的濃度由原來1014cm-3提升至1015cm-3。然而根據超結的電荷補償滿足的條件為公式(1)

可知在一定的n柱寬度下，n柱的摻雜濃度的最大值是確定的，即超結漂移區的摻雜濃度受到限制，從而影響了器件的導通損耗。

本

技術實現要素：

本發明提出了一種具有半絕緣多晶矽(sipos)層的縱向超結雙擴散金屬氧化物半導體場效應管，旨在進一步優化vdmos器件擊穿電壓與比導通電阻的矛盾關係。

本發明的技術方案如下：

該具有半絕緣多晶矽(sipos)層的縱向超結雙擴散金屬氧化物半導體場效應管，包括：

半導體材料的襯底，兼作漏區；

在所述襯底上進行分區外延形成的超結漂移區；超結漂移區的n柱和p柱的寬度和摻雜濃度滿足電荷平衡條件；

在所述超結漂移區上方再進一步外延並摻雜形成的左、右兩處基區；

在所述基區上部摻雜分別形成的源區和溝道襯底接觸；

在所述源區和溝道襯底接觸上表面形成的源極；

在所述漏區下表面形成的漏極；

有別於現有技術的是：

在所述左、右兩處基區之間刻蝕的溝槽，溝槽沿縱向穿過超結漂移區至漏區；溝槽的深寬比根據器件的超結漂移區的長度來確定，超結漂移區的長度根據擊穿電壓要求確定；

在所述溝槽側壁依次形成的柵絕緣層、具有摻氧的半絕緣多晶矽層，使半絕緣多晶矽層縱向兩端與器件的柵漏兩端相連；

在表面成為半絕緣多晶矽層的溝槽內填充的絕緣體，絕緣體與超結漂移區縱向等高；半絕緣多晶矽層縱向表面對應於基區為重摻雜區域；

在半絕緣多晶矽層縱向表面對應於基區形成的柵極。

基於以上方案，本發明還進一步作了如下優化：

超結漂移區中p柱寬度wp與n柱寬度wn的比例為1/1～5/1；wp/wn取值越大，則設置的n柱的摻雜濃度nd與p柱的摻雜濃度na的比例nd/na的值越大。

n柱的摻雜濃度nd與p柱的摻雜濃度na的比例nd/na的取值範圍為2/1～8/1。例如當wp/wn＝1/1時，且wn＝1μm時，na＝0.8～1.5×1016cm-3,對應的nd＝1～3×1016cm-3。

擊穿電壓要求600v時，則溝槽的深寬比為1:15～1:25；擊穿電壓要求200v時，則溝槽的深寬比為1:3-1:6。

半絕緣多晶矽層的厚度為0.2～1.5μm。

半絕緣多晶矽層的摻氧比例為15％～35％，其相應電阻率為109～1011ω·cm。

半絕緣多晶矽層中所述重摻雜區域的摻雜濃度為1018～1020cm-3。

柵絕緣層的厚度為0.02～0.1μm。

半導體材料的襯底的摻雜濃度為1×1013cm-3～1×1015cm-3。

一種製作上述具有半絕緣多晶矽層的縱向雙擴散金屬氧化物半導體場效應管的方法，包括以下步驟：

1)取半導體材料的襯底作為漏區；

2)在襯底上進行分區外延形成超結漂移區；

3)在超結漂移區上再進一步外延並摻雜形成基區；

4)在基區上刻蝕溝槽，溝槽沿縱向穿過超結漂移區至襯底漏區；

5)在溝槽側壁上形成柵絕緣層；

6)在柵絕緣層外澱積形成半絕緣多晶矽層並摻氧；

7)在表面成為半絕緣多晶矽層的溝槽內澱積絕緣體，絕緣體填滿溝槽內縱向對應於超結漂移區的區域；

8)在基區上部摻雜分別形成的源區和溝道襯底接觸；

9)對溝槽內半絕緣多晶矽層表面縱向對應於基區的區域進行重摻雜，並澱積多晶矽形成柵極；

10)源區和溝道襯底接觸表面形成源極；

11)漏區表面形成漏極。

本發明技術方案的有益效果如下：

該器件主要的特徵是在器件超結漂移區的側壁形成sipos層，sipos層兩端分別連接器件的柵電極和漏電極(接至漏區可視為與漏電極連接)。具有sipos層的新型器件具有三個方面的效用，首先sipos層與超結漂移區形成金屬-絕緣體-半導體(mis)電容結構，在器件關斷時，由於mis電容兩端具有電勢差，該電容輔助耗盡超結漂移區，可以有效地增加n型漂移區的摻雜濃度，可以使得器件的導通電阻降低；其次sipos層上具有均勻的電阻率，在器件關斷時sipos層上具有均勻的電場，通過電場調製效應使得器件超結漂移區上的電場分布均勻；再次在器件開態時，由於sipos層與器件超結漂移區的表面存在電勢差，從而在超結漂移區上形成多數載流子積累層，器件的導通電阻進一步降低。

附圖說明

圖1為本發明實施例的結構示意圖(正視圖)，器件結構沿圖中虛線鏡像對稱；

附圖標號說明：

1-源極；2-柵絕緣層；3-半絕緣多晶矽層；4-柵極；5-絕緣體；6-漏極；7-襯底漏區；8-外延層n型漂移區(n柱)；9-外延層p型漂移區(p柱)；10-基區；11-溝道襯底接觸；12-源區。

具體實施方式

如圖1所示，本發明的一種具有半絕緣多晶矽層的縱向超結雙擴散金屬氧化物半導體場效應管(sj-vdmos)：

半導體材料的襯底漏區7，摻雜濃度為1×1013cm-3～1×1015cm-3；

位於襯底上進行分區外延形成的超結漂移區；超結漂移區中，p柱寬度wp與n柱寬度wn的比例為1/1～5/1，摻雜濃度比例nd/na的取值範圍為2/1～8/1，wp/wn取值越大，則nd/na取值也應當越大；

在超結漂移區上再進一步外延並摻雜形成的基區10；

在基區上刻蝕的溝槽，溝槽下方穿過超結漂移區至襯底漏區；

在溝槽側壁上形成的柵絕緣層2，厚度為0.02～0.1μm；

在柵絕緣層外澱積形成的摻氧的半絕緣多晶矽層3，厚度為0.2～1.5μm，摻氧比例為15％～35％，相應電阻率為109～1011ω·cm；

在溝槽內縱向對應於超結漂移區的區域內澱積的絕緣體5；

在基區上摻雜分別形成的源區12和溝道襯底接觸11；

在半絕緣多晶矽層3縱向表面對應於基區的區域進行高濃度摻雜(摻雜濃度可為1018～1020cm-3)並形成的柵極4；

在溝道襯底接觸11和源區12上形成的源極1。

利用深溝槽技術在sj-vdmos器件漂移區的側壁上形成sipos層，sipos層兩端分別連接器件的柵電極和漏電極。具有sipos層的新型器件具有三個方面的效用，首先sipos層與超結漂移區形成金屬-絕緣體-半導體(mis)電容結構，在器件關斷時，由於mis電容兩端具有電勢差，該電容輔助耗盡超結漂移區，可以有效地增加n型漂移區的摻雜濃度，可以使得器件的導通電阻降低；其次sipos層上具有均勻的電阻率，在器件關斷時sipos層上具有均勻的電場，通過電場調製效應使得器件超結漂移區上的電場分布均勻；再次在器件開態時，由於sipos層與器件超結漂移區的表面存在電勢差，從而在超結漂移區上形成多數載流子積累層，器件的導通電阻進一步降低。

以n溝道sj-vdmos為例，具體可以通過以下步驟進行製備：

1)半絕緣材料(包括si、sic和gaas等)的襯底作為漏區；

2)在襯底漏區上分區外延交替形成n和p柱即超結漂移區；

3)在超結漂移區上進一步外延並離子注入或擴散形成基區10；

4)在基區上刻蝕溝槽；

5)在溝槽側壁上形成柵絕緣層；

6)在絕緣層外澱積一層薄的sipos層；

7)在溝槽內的縱向漂移區區域內澱積sio2；

8)在基區通過離子注入分別形成源區和溝道襯底接觸；

9)在溝槽內即基區外側區域的通過離子注入對sipos層進行高濃度摻雜；

10)溝槽內部基區區域澱積多晶矽形成柵電極；

11)器件表面澱積鈍化層，並刻蝕接觸孔；

12)澱積金屬並刻蝕形成源極和柵電極；

13)在襯底漏區上形成漏電極。

經sentaurus仿真，本發明提出的新型器件的性能較之於傳統器件大幅度提升，在兩種器在形同的擊穿電壓下，新型器件的導通電阻降低了56％。

當然，本發明中的sj-vdmos也可以為p型溝道，其結構與n溝道sj-vdmos等同，這些均應視為屬於本申請權利要求的保護範圍，在此不再贅述。

以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出，對於本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明技術原理的前提下，還可以做出若干改進和替換，這些改進和替換的方案也落入本發明的保護範圍。