專利名稱：一種Super Junction VDMOS器件的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于電子技術領域，涉及功率半導體器件，具體涉及一種Super Junction VDMOS器件。
背景技術：
Super Junction VDMOS是一種發(fā)展迅速、應用廣泛的新型功率半導體器件。它是 在普通垂直雙擴散金屬氧化物半導體(VDMOS)的基礎上，通過引入SJ(Super Junction)結 構，除了具備VDMOS輸入阻抗高、開關速度快、工作頻率高、電壓控制、熱穩(wěn)定性好、驅動電 路簡單、易于集成等特點外，還克服了 VDMOS的導通電阻隨著擊穿電壓成2. 5次方關系增加 的缺點。目前Super Junction VDMOS已廣泛應用于面向個人電腦、筆記本電腦、上網本或 手機、照明(高壓氣體放電燈)產品以及電視機(液晶或等離子電視機)和游戲機等消費 電子產品的電源或適配器。1988 年，飛利浦公司的 D.J. Coe 申請美國專利(David J. Coe，High voltage semiconductor device[P], US Patent 4，754，310. 1988.)，第一次給出了在橫向高 壓M0SFET(LD M0SFET)中用交替的pn結結構代替?zhèn)鹘y(tǒng)功率器件中低摻雜漂移層作為 電壓支持層(耐壓層)的方法。1993年，電子科技大學的陳星弼教授申請的美國專利 (Xingbi Chen, Semiconductor power devices with alternating conductivity type high-voltage breakdown regions [P]. US Patent 5，216，275. 1993.)，提出 了在縱向功率 器件(尤其是縱向M0SFET)中用多個pn結結構作為漂移層的思想，并把這種結構稱之為 “復合緩沖層” (Composite Buffer Layer)。1995年，西門子公司的J. Tihanyi申請的美國 專利(Tihanyi J.Power MOSFET [P]. US Patent 5，438，215. 1995.)，提出了類似的思路和 應用。1997年Tatsuhiko等人在對上述概念的總結下，提出了“超結理論”。結合該理論， 1998年Infineon公司首次推出了 Super Junction VDM0S，也稱為“CoolMOS ”，其基本結構 如圖1所示。其最初的P柱區(qū)3是采用多次外延和多次離子注入的方式實現的?！癈oolMOS ” 顯著地降低了導通電阻，但在該結構內存在一個體二極管，它由P+區(qū)、N外延層和N+襯底構 成。當該體二極管處于導通狀態(tài)時，大量過剩載流子貯存在電壓支持層中，使“CoolMOS ” 具有很大的反向恢復電荷Q ，而且由于橫向pn結的存在會使這些載流子迅速排出，這使得 “CoolMOS ”具有較差的反向恢復特性。文獻Xu CHENG, Xing-Ming LIU, Johnny K. 0. SIN, Bao-ffei KANG, Improving the CoolMOS Body-Diode Switching Performance with Integrated Schottky Contacts, ISPSD 2003提供了一種帶有肖特基接觸結構的平面柵Super Junction VDM0S，如圖2所 示，在柵下的N型區(qū)4表面做成肖特基接觸結構11。在體二極管開啟時，一部分電流將由流 過肖特基接觸結構的多數載流子提供，這種帶有肖特基接觸結構的平面柵Super Junction VDMOS器件明顯消除了器件中過剩載流子存儲效應的作用，從而有效地改善了器件的反向 恢復特性。在阻擋狀態(tài)時，漏源之間存在一個高壓，使得P區(qū)、N區(qū)完全耗盡成為電壓支持 層。在N區(qū)中電場存在一個來自臨近P區(qū)的很強的橫向分量，而它帶來的二維效應降低了肖特基接觸結構下的電場密度，這就是所謂的“JFET效應”或者叫“夾斷效應”，從而克服了 肖特基接觸結構11擊穿電壓低的問題。但是，由于肖特基接觸結構11的引入，使器件泄漏 電流增加，而且由于肖特基接觸改變了原來的柵結構，使得原先正柵偏壓時在N區(qū)外延層 表面處形成的多子積累層不復存在，使得器件導通電阻增加。要改善這些缺點需要更好的 工藝線寬，增加了器件的制造成本。
發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于提供一種具有較好反向恢復特性的Super Junction VDMOS器 件，且對工藝線寬的要求較低。本發(fā)明的核心思想是在現有的帶有肖特基接觸的平面柵Super Junction VDMOS 器件基礎上，在多晶硅柵下的N型JFET區(qū)中引入一溝槽式肖特基接觸，當二極管開啟時， 通過肖特基接觸，使得部分電流由多子電流來實現，因此少子電流減少，從而使得過剩載流 子的存儲效應減弱，達到改善器件的反向恢復特性的目的。同時，肖特基接觸做成溝槽式 結構，與文獻 Xu CHENG, Xing-Ming LIU, Johnny K. 0. SIN, Bao-ffei KANG, Improving the CoolMOS Body-Diode Switching Performance with Integrated Schottky Contacts, ISPSD 2003相比，在獲得相同反向恢復特性的情況下，可以降低器件制備時對工藝線寬的 要求，使器件尺寸更??；而源金屬電極做成溝槽式，可進一步降低器件接觸電阻，并改善器 件散熱性能，獲得優(yōu)越的高溫工作特性。本發(fā)明技術方案如下一種Super Junction VDMOS器件，如圖3所示，包括N+襯底2、位于N+襯底2背底 表面的金屬漏極1、位于N+襯底2表面的Super Junction結構、多晶硅柵電極9和金屬源 電極10。所述Super Junction結構由兩個P型柱區(qū)3中間夾一個N型柱區(qū)4形成。Super Junction結構頂部兩側分別具有一個P型基區(qū)5，P型基區(qū)5分別與P型柱區(qū)3和N型柱 區(qū)4接觸；兩個P型基區(qū)5中分別具有N+源區(qū)6和P+體區(qū)7。所述多晶硅柵電極9位于P 型基區(qū)5和N型柱區(qū)4的上方，與P型基區(qū)5和N型柱區(qū)4之間通過柵氧化層相絕緣。所 述金屬源電極10位于器件的最上層，兩端分別與兩個P型基區(qū)5中的N+源區(qū)6和P+體區(qū) 7相接觸，與多晶硅柵電極9之間通過隔離介質8相絕緣。所述多晶硅柵電極9在N型柱區(qū) 4上方分成兩段；所述金屬源電極10在兩段多晶硅柵電極9之間的區(qū)域向下延伸進N型柱 區(qū)4，并在與N型柱區(qū)4相接觸的表面形成溝槽式肖特基接觸結構11。上述技術方案中所述溝槽式肖特基接觸結構11的肖特基勢壘高度、槽的深度、槽的長度可以根據 器件所要求的導通特性以及體二極管的反向恢復特性進行調節(jié)。所述金屬源電極10兩端與兩個P型基區(qū)5中的N+源區(qū)6和P+體區(qū)7相歐姆接觸 的部分也可以做成溝槽式結構，該溝槽式歐姆接觸結構向下延伸進N+源區(qū)6和P+體區(qū)7， 甚至延伸進P型基區(qū)5。所述金屬源極10兩端的溝槽式歐姆接觸結構可進一步降低器件接 觸電阻，并改善器件散熱性能，獲得優(yōu)越的高溫工作特性。上述方案中，所述金屬源極10中間的溝槽式肖特基接觸結構11和兩端的溝槽式 歐姆接觸結構通過刻槽和金屬淀積的工藝即可實現。本發(fā)明的工作原理
本發(fā)明提供的一種Super Junction VDM0S，能有效地改善體二極管的反向恢復特 性，并且具有好的散熱特性，使得器件的靠性得到增加。下面以本發(fā)明提供的圖3所述的N 溝道Super Junction VDMOS為例說明本發(fā)明的工作原理。當溝道開啟后，電子由源極流經溝道，N型柱區(qū)4，N+襯底2，最后流向漏極1，此過 程中，P型柱區(qū)3不起作用；而當器件加反偏壓時，不僅存在縱向的電場，同時還存在橫向 的電場使PN結耗盡，這與傳統(tǒng)結構只存在縱向電場不同。所以，如果在擊穿之前，P型柱區(qū) 3和N型柱區(qū)4都完全耗盡，則其擊穿電壓只與漂移區(qū)厚度有關而與漂移區(qū)摻雜濃度無關。 這樣，SJ(Super Junction)結構中的漂移區(qū)摻雜濃度可以比傳統(tǒng)結構漂移區(qū)的摻雜濃度高 出一個數量級，使導通電阻大大降低，進而改善導通電阻與器件耐壓之間的矛盾。然而，在 體二極管被正向偏置時，P型柱區(qū)3與N型柱區(qū)4之間的大面積PN結會相互注入大量的少 子到對方區(qū)域，當器件要恢復到正向阻斷時，體二極管需要經歷一個反向恢復過程，以掃出 P型柱區(qū)3、N型柱區(qū)4中的少數載流子Q 。由于引入了 P型柱區(qū)3，使得Super Junction VDMOS的體二極管的反向恢復過程與普通VDMOS相比較有更大的Q ，并且di/dt也要大得 多，從而導致其反向恢復特性較差。而本發(fā)明所述的一種Super Junction VDM0S，引入溝 槽式肖特基接觸結構來改善體二極管的反向恢復特性。肖特基接觸結構11與體二極管并 聯，當體二極管開啟時，一部分電流將以多數載流子電流的形式流過肖特基接觸結構11，使 得N柱區(qū)4中注入的少數載流子以及存儲的過剩載流子將減少，進而在體二極管關斷時有 更快的反向恢復速度；在阻斷情況下，當漏電極1加上高電壓時，肖特基接觸結構11周圍的 N區(qū)將被兩邊的P型基區(qū)5夾斷，削弱了肖特基接觸結構11處的電場，使得肖特基接觸結構 11的擊穿電壓增大，從而可在不影響器件耐壓的情況下，有效地改善器件的反向恢復特性。 本發(fā)明中的溝槽式肖特基接觸結構11與圖2所示的平面肖特基接觸結構11相比，在有相 同肖特基接觸面積的情況下，可降低對工藝線寬的要求。且本發(fā)明中，金屬源電極10的溝 槽式歐姆接觸結構增大了源極的接觸面積，降低了器件的接觸電阻，而且使得器件更容易 散熱。另外，本發(fā)明中的溝槽式肖特基接觸結構11和溝槽式歐姆接觸結構可采用同一張掩 膜版，使得器件的制造成本不會明顯增加。綜上所述，本發(fā)明提供的Super Junction VDMOS器件，由于金屬源電極與N型柱 區(qū)4之間具有溝槽式肖特基接觸結構，使得器件具有較好的反向恢復特性；在同等反向恢 復特性要求的情況下，可以降低器件制備時對工藝線寬的要求，使器件尺寸更小；而金屬源 電極的溝槽式歐姆接觸結構，可進一步降低器件接觸電阻，并改善器件散熱性能，獲得優(yōu)越 的高溫工作特性。
圖1是傳統(tǒng)的Super Junction VDMOS器件結構示意圖。其中，1是漏極金屬、2是N+襯底、3是P型柱區(qū)、4是N型柱區(qū)、5是P型基區(qū)、6是 N+源區(qū)、7是P+體區(qū)、8是隔離介質、9是多晶硅柵、10是金屬源極。圖2是現有的一種帶有平面肖特基接觸結構的Super Junction VDMOS器件結構 示意圖。其中，11是肖特基接觸結構。圖3是本發(fā)明提供的一種帶有溝槽式肖特基接觸的Super Junction VDMOS器件
5結構示意圖。圖4是本發(fā)明提供的另一種帶有溝槽式肖特基接觸的Super Junction VDMOS器 件結構示意圖。
具體實施例方式一種Super Junction VDMOS器件，如圖3所示，包括N+襯底2、位于N+襯底2背底 表面的金屬漏極1、位于N+襯底2表面的Super Junction結構、多晶硅柵電極9和金屬源 電極10。所述Super Junction結構由兩個P型柱區(qū)3中間夾一個N型柱區(qū)4形成。Super Junction結構頂部兩側分別具有一個P型基區(qū)5，P型基區(qū)5分別與P型柱區(qū)3和N型柱 區(qū)4接觸；兩個P型基區(qū)5中分別具有N+源區(qū)6和P+體區(qū)7。所述多晶硅柵電極9位于P 型基區(qū)5和N型柱區(qū)4的上方，與P型基區(qū)5和N型柱區(qū)4之間通過柵氧化層相絕緣。所 述金屬源電極10位于器件的最上層，兩端分別與兩個P型基區(qū)5中的N+源區(qū)6和P+體區(qū) 7相接觸，與多晶硅柵電極9之間通過隔離介質8相絕緣。所述多晶硅柵電極9在N型柱區(qū) 4上方分成兩段；所述金屬源電極10在兩段多晶硅柵電極9之間的區(qū)域向下延伸進N型柱 區(qū)4，并在與N型柱區(qū)4相接觸的表面形成溝槽式肖特基接觸結構11。上述技術方案中所述溝槽式肖特基接觸結構11的肖特基勢壘高度、槽的深度、槽的長度可以根據 器件所要求的導通特性以及體二極管的反向恢復特性進行調節(jié)。所述金屬源電極10兩端與兩個P型基區(qū)5中的N+源區(qū)6和P+體區(qū)7相歐姆接觸 的部分也可以做成溝槽式結構，該溝槽式歐姆接觸結構向下延伸進N+源區(qū)6和P+體區(qū)7， 甚至延伸進P型基區(qū)5。所述金屬源極10兩端的溝槽式歐姆接觸結構可進一步降低器件接 觸電阻，并改善器件散熱性能，獲得優(yōu)越的高溫工作特性。上述方案中，所述金屬源極10中間的溝槽式肖特基接觸結構11和兩端的溝槽式 歐姆接觸結構通過刻槽和金屬淀積的工藝即可實現。器件制備時，其主要工藝步驟包括(1)在N+襯底上生長N柱，P型基區(qū)光刻及硼 注入；(2)P型柱區(qū)深槽刻蝕并退火，槽內各向異性外延并CMP ； (3)柵氧化，淀積多晶硅，多 晶硅摻雜及光刻，形成多晶硅柵電極；(4)光刻N+源區(qū)，源區(qū)注入磷或砷；(5)刻蝕源極和肖 特基接觸Trench ； (6)光刻P+體區(qū)，體區(qū)注入硼；(7)淀積二氧化硅，退火致密并光刻引線 孔；(7)淀積金屬，反刻金屬，鈍化，光刻鈍化孔等。在實施過程中，可以根據具體情況，在基 本結構不變的情況下，進行一定的變通設計。
權利要求
一種Super Junction VDMOS器件，包括N+襯底(2)、位于N+襯底(2)背底表面的金屬漏極(1)、位于N+襯底(2)表面的Super Junction結構、多晶硅柵電極(9)和金屬源電極(10)；所述Super Junction結構由兩個P型柱區(qū)(3)中間夾一個N型柱區(qū)(4)形成；Super Junction結構頂部兩側分別具有一個P型基區(qū)(5)，P型基區(qū)(5)分別與P型柱區(qū)(3)和N型柱區(qū)(4)接觸；兩個P型基區(qū)(5)中分別具有N+源區(qū)(6)和P+體區(qū)(7)；所述多晶硅柵電極(9)位于P型基區(qū)(5)和N型柱區(qū)(4)的上方，與P型基區(qū)(5)和N型柱區(qū)(4)之間通過柵氧化層相絕緣；所述金屬源電極(10)位于器件的最上層，兩端分別與兩個P型基區(qū)(5)中的N+源區(qū)(6)和P+體區(qū)(7)相接觸，與多晶硅柵電極(9)之間通過隔離介質(8)相絕緣；其特征在于，所述多晶硅柵電極(9)在N型柱區(qū)(4)上方分成兩段；所述金屬源電極(10)在兩段多晶硅柵電極(9)之間的區(qū)域向下延伸進N型柱區(qū)(4)，并在與N型柱區(qū)(4)相接觸的表面形成溝槽式肖特基接觸結構(11)。
2.根據權利要求1所述的SuperJunction VDMOS器件，其特征在于，所述金屬源電極 (10)兩端與兩個P型基區(qū)(5)中的N+源區(qū)(6)和P+體區(qū)(7)相歐姆接觸的部分為溝槽式 結構，該溝槽式歐姆接觸結構向下延伸進N+源區(qū)(6)和P+體區(qū)(7)。
3.根據權利要求2所述的SuperJunction VDMOS器件，其特征在于，所述溝槽式歐姆 接觸結構向下延伸進N+源區(qū)(6)和P+體區(qū)(7)，并延伸進P型基區(qū)(5)。
4.根據權利要求1至3中任一所述SuperJunction VDMOS器件，其特征在于，所述溝 槽式肖特基接觸結構(11)的肖特基勢壘高度、槽的深度、槽的長度根據器件所要求的導通 特性以及寄生體二極管的反向恢復特性進行調節(jié)。
5.根據權利要求1至3中任一所述SuperJunction VDMOS器件，其特征在于，所述溝 槽式肖特基接觸結構(11)通過刻槽和金屬淀積工藝實現。
全文摘要
一種Super Junction VDMOS器件，屬于半導體功率器件技術領域。本發(fā)明在具有平面肖特基接觸結構的Super Junction VDMOS器件基礎上，引入溝槽式肖特基接觸結構即將多晶硅柵電極在N型柱區(qū)上方分成兩段；同時將金屬源電極在兩段多晶硅柵電極之間的區(qū)域向下延伸進N型柱區(qū)，并在與N型柱區(qū)相接觸的表面形成溝槽式肖特基接觸結構。另外，金屬源電極兩端也可做成溝槽式歐姆接觸結構。本發(fā)明提供的Super Junction VDMOS器件，具有較好的反向恢復特性；在同等反向恢復特性要求下，可降低器件制備時對工藝線寬的要求，使器件尺寸更小；而溝槽式歐姆接觸結構，可降低器件接觸電阻，并改善器件散熱性能。兩個溝槽式結構可采用同一張掩模板，使得器件的制造成本不會明顯增加。
文檔編號H01L29/47GK101950759SQ20101026477
公開日2011年1月19日 申請日期2010年8月27日 優(yōu)先權日2010年8月27日
發(fā)明者張波, 李澤宏, 洪辛, 胡濤, 鄧光平, 錢振華 申請人:電子科技大學