專利名稱：N型超結(jié)橫向雙擴(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體管的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種硅制高壓功率金屬氧化物半導(dǎo)體器件，更準(zhǔn)確的講，涉及一種硅 制高壓N型超結(jié)橫向雙擴(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管。
背景技術(shù)：
目前，功率器件在日常生活、生產(chǎn)等領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，特別是功率金屬氧化 物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管，由于它們擁有較快的開(kāi)關(guān)速度、較小的驅(qū)動(dòng)電流、較寬的安全工作 區(qū)，因此受到了眾多研究者們的青睞。功率集成電路中集成的功率器件主要有橫向絕緣柵 雙極型晶體管和橫向雙擴(kuò)散半導(dǎo)體金屬氧化物晶體管。盡管橫向絕緣柵雙極型晶體管的電 流驅(qū)動(dòng)能力比較強(qiáng)，然而由于關(guān)斷拖尾電流的存在使得應(yīng)用橫向絕緣柵雙極型晶體管的功 率集成電路速度提高受到限制，所以在較高頻率的功率集成電路中橫向雙擴(kuò)散半導(dǎo)體金屬 氧化物晶體管還是相對(duì)較好的選擇。如今，功率器件正向著提高工作電壓、增大工作電流、 減小導(dǎo)通電阻和集成化的方向快速發(fā)展。在對(duì)橫向雙擴(kuò)散半導(dǎo)體金屬氧化物晶體管性能的 優(yōu)化過(guò)程中，提高器件的擊穿電壓與降低器件的導(dǎo)通電阻始終是一對(duì)矛盾的問(wèn)題。因?yàn)槠?件的擊穿電壓提高依賴于摻雜濃度較低并且較長(zhǎng)的漂移區(qū)，而導(dǎo)通電阻的降低要求漂移區(qū) 摻雜濃度盡量高且長(zhǎng)度盡量短。所以在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中，往往采用二者的折衷來(lái)達(dá)到器件 性能的最優(yōu)化。然而超結(jié)理論在半導(dǎo)體功率器件的應(yīng)用克服傳統(tǒng)功率金屬氧化物半導(dǎo)體 場(chǎng)效應(yīng)晶體管導(dǎo)通電阻與擊穿電壓之間的矛盾，改變了傳統(tǒng)功率器件依靠漂移區(qū)耐壓的結(jié) 構(gòu)，而是采用了一種“超結(jié)結(jié)構(gòu)”——P型、N型硅半導(dǎo)體材料在漂移區(qū)相互交替排列的形 式。這種結(jié)構(gòu)改善了擊穿電壓和導(dǎo)通電阻不易同時(shí)兼顧的情況，在截止態(tài)時(shí)，由于P型柱和 N型柱中的耗盡區(qū)電場(chǎng)產(chǎn)生相互補(bǔ)償效應(yīng)，使P型柱和N型柱的摻雜濃度可以做得很高而不 會(huì)引起器件擊穿電壓的下降。導(dǎo)通時(shí)，這種高濃度的摻雜使器件的導(dǎo)通電阻明顯降低。然 而，傳統(tǒng)超結(jié)橫向雙擴(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體管中存在有襯底輔助耗盡N型柱的問(wèn)題，導(dǎo)致 了P型柱和周圍的N型柱在反向偏壓時(shí)不能同時(shí)完全耗盡使得擊穿電壓低于理論值。有人 曾經(jīng)提出在N型柱和P型柱的下方形成一層N型埋層以阻擋P型襯底輔助耗盡N型柱的現(xiàn) 象。但此結(jié)構(gòu)中增加的N型埋層會(huì)輔助耗盡P型柱，而仍然會(huì)導(dǎo)致P型柱和N型柱之間的 電荷不平衡。本發(fā)明同樣是針對(duì)這一問(wèn)題而提出的改進(jìn)型N型超結(jié)橫向雙擴(kuò)散金屬氧化物 半導(dǎo)體管結(jié)構(gòu)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種有效的抑制襯底輔助耗盡效應(yīng)的N型超結(jié) 橫向雙擴(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體管，該結(jié)構(gòu)可以在不增加工藝制造復(fù)雜度和困難度的前提 下，提高器件的耐壓性能。本發(fā)明采用如下技術(shù)方案一種N型超結(jié)橫向雙擴(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管，包括P型襯底，在P型襯底 上設(shè)有超結(jié)結(jié)構(gòu)及P型體區(qū)，超結(jié)結(jié)構(gòu)由N型外延層和鑲嵌在N型外延層中的P型半導(dǎo)體區(qū)構(gòu)成，在P型體區(qū)上方設(shè)有N型源區(qū)、P型體接觸區(qū)及柵氧化層，在超結(jié)結(jié)構(gòu)的上方設(shè)有N 型漏區(qū)，在超結(jié)結(jié)構(gòu)上方，且位于N型漏區(qū)以外的區(qū)域設(shè)有第一型場(chǎng)氧化層，在柵氧化層上 方設(shè)有多晶硅柵且多晶硅柵自柵氧化層上方延伸至第一型場(chǎng)氧化層上方，在N型源區(qū)、P型 體接觸區(qū)、N型漏區(qū)、多晶硅柵和第一型場(chǎng)氧化層上方設(shè)有第二型場(chǎng)氧化層，N型源區(qū)、N型 漏區(qū)、P型體接觸區(qū)及多晶硅柵均接有穿通第二型場(chǎng)氧化層的源極金屬引線、漏極金屬引線 和柵極金屬引線，其特征在于，超結(jié)結(jié)構(gòu)中的P型半導(dǎo)體區(qū)的深度沿從N型源區(qū)指向N型漏 區(qū)的方向上線性變小。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)(1)在傳統(tǒng)N型超結(jié)橫向雙擴(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管(參照?qǐng)D6)中，N型柱 狀半導(dǎo)體區(qū)11和P型柱狀半導(dǎo)體區(qū)12雜質(zhì)濃度和縱向深度是相等的。當(dāng)在器件N型漏端 14施加高壓時(shí)，N型柱狀半導(dǎo)體區(qū)11被P型柱狀半導(dǎo)體區(qū)12和P型襯底1同時(shí)耗盡，而 P型柱狀半導(dǎo)體區(qū)12則僅僅被N型半導(dǎo)體區(qū)11耗盡。P型襯底1和N型柱狀半導(dǎo)體區(qū)11 之間的額外耗盡現(xiàn)象造成超結(jié)結(jié)構(gòu)中N、P柱狀半導(dǎo)體區(qū)之間的電荷不平衡，導(dǎo)致?lián)舸╇妷?急劇降低。本發(fā)明中的N型超結(jié)橫向雙擴(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管采用了改進(jìn)型的超結(jié) 結(jié)構(gòu)，即在超結(jié)結(jié)構(gòu)中P型柱狀半導(dǎo)體區(qū)12 (參照?qǐng)D1)或者P型條狀半導(dǎo)體區(qū)12 (參照?qǐng)D 4)深度小于N型外延層11的厚度，這樣使得在P型柱狀半導(dǎo)體區(qū)12或者P型條狀半導(dǎo)體 區(qū)12下方具有一定厚度的N型外延層11，以隔離襯底輔助耗盡效應(yīng)對(duì)N型外延層11和P 型柱狀半導(dǎo)體區(qū)12或者P型條狀半導(dǎo)體區(qū)12之間完全耗盡后電荷平衡的干擾現(xiàn)象，有助 于提高器件的擊穿電壓。(2)在傳統(tǒng)N型超結(jié)橫向雙擴(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管(參照?qǐng)D6)中，當(dāng)器件 N型漏端14施加高壓時(shí)，P型襯底1內(nèi)的耗盡層厚度在沿著從N型源端4指向N型漏端14 的方向逐漸增大。P型襯底1內(nèi)的耗盡層厚度的這種變化說(shuō)明P型襯底1輔助耗盡N型半 導(dǎo)體區(qū)11的效應(yīng)在從N型源端4指向N型漏端14的方向上逐漸增強(qiáng)，并且這種輔助耗盡 效應(yīng)在N型漏端14下方達(dá)到了最大值，導(dǎo)致P型柱狀半導(dǎo)體區(qū)12或者P型條狀半導(dǎo)體區(qū) 12雜質(zhì)不能完全被N型柱狀半導(dǎo)體區(qū)11耗盡，產(chǎn)生電荷不平衡現(xiàn)象。傳統(tǒng)器件這種漏端嚴(yán) 重的電荷不平衡造成器件擊穿電壓大幅度下降。而本發(fā)明中的N型超結(jié)橫向雙擴(kuò)散金屬氧 化物半導(dǎo)體晶體管的超結(jié)結(jié)構(gòu)中P型柱狀半導(dǎo)體區(qū)12或者P型條狀半導(dǎo)體區(qū)12的深度沿 著從N型源區(qū)4指向N型漏區(qū)14的方向上線性減小，并且通過(guò)合理設(shè)置不同的P型柱狀半 導(dǎo)體區(qū)12或者P型條狀半導(dǎo)體區(qū)12的深度，可以實(shí)現(xiàn)從N型源端4指向N型漏端14的方 向上各雜質(zhì)摻雜區(qū)域完全耗盡，即超結(jié)結(jié)構(gòu)中P型柱狀半導(dǎo)體區(qū)12與超結(jié)結(jié)構(gòu)中N型外 延層11在水平方向上耗盡，超結(jié)結(jié)構(gòu)中P型柱狀半導(dǎo)體區(qū)12與其下方的N型外延層11在 豎直方向上耗盡，超結(jié)結(jié)構(gòu)中的N型外延層11和P型襯底1耗盡。這樣各個(gè)區(qū)域在各個(gè)方 向上均全耗盡的超結(jié)結(jié)構(gòu)能夠有效的消除了傳統(tǒng)N型超結(jié)橫向雙擴(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體 晶體管中的襯底輔助耗盡效應(yīng)，做到漂移區(qū)內(nèi)N型外延層和P型柱狀半導(dǎo)體區(qū)之間電荷平 衡，使得器件的擊穿電壓大幅度提高。(3)本發(fā)明的適用性并不局限于超結(jié)結(jié)構(gòu)中的P型半導(dǎo)體區(qū)由彼此分離的P型柱 狀半導(dǎo)體區(qū)組成，參照?qǐng)D1，同樣也可用于P型半導(dǎo)體區(qū)由沿著從N型源區(qū)4指向N型漏區(qū) 14的方向上彼此連接為一體的P型條狀半導(dǎo)體區(qū)組成，參照?qǐng)D4。


圖1是本發(fā)明中的N型超結(jié)橫向雙擴(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體管的三維結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是本發(fā)明中的N型超結(jié)橫向雙擴(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體管的三維結(jié)構(gòu)示意 1中AA剖面的器件剖面結(jié)構(gòu)圖。圖3是本發(fā)明中的N型超結(jié)橫向雙擴(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體管的三維結(jié)構(gòu)示意 1中BB剖面的器件剖面結(jié)構(gòu)圖。圖4是本發(fā)明中另外一種N型超結(jié)橫向雙擴(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體管的三維結(jié)構(gòu)示 意圖。圖5是本發(fā)明中另外一種N型超結(jié)橫向雙擴(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體管的三維結(jié)構(gòu)示 意4中AA剖面的器件剖面結(jié)構(gòu)圖。圖6是傳統(tǒng)N型超結(jié)橫向雙擴(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體管的三維結(jié)構(gòu)示意圖。圖7是三種不同結(jié)構(gòu)的N型超結(jié)橫向雙擴(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體管的關(guān)態(tài)擊穿電壓 大小對(duì)比圖，可見(jiàn)本發(fā)明結(jié)構(gòu)的擊穿電壓最高。
具體實(shí)施例方式參照?qǐng)D1，一種N型超結(jié)橫向雙擴(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管，包括P型襯底1， 在P型襯底1上設(shè)有超結(jié)結(jié)構(gòu)及P型體區(qū)2，超結(jié)結(jié)構(gòu)由N型外延層11和鑲嵌在N型外延 層11中的P型半導(dǎo)體區(qū)12構(gòu)成，在P型體區(qū)2上方設(shè)有N型源區(qū)4、P型體接觸區(qū)5及柵 氧化層3，在超結(jié)結(jié)構(gòu)的上方設(shè)有N型漏區(qū)14，在超結(jié)結(jié)構(gòu)上方，且位于N型漏區(qū)14以外的 區(qū)域設(shè)有第一型場(chǎng)氧化層10，在柵氧化層3上方設(shè)有多晶硅柵6且多晶硅柵6自柵氧化層 3上方延伸至第一型場(chǎng)氧化層10上方，在N型源區(qū)4、P型體接觸區(qū)5、N型漏區(qū)14、多晶硅 柵6和第一型場(chǎng)氧化層10上方設(shè)有第二型場(chǎng)氧化層8，N型源區(qū)4、N型漏區(qū)14、P型體接 觸區(qū)5及多晶硅柵6均接有穿通第二型場(chǎng)氧化層8的源極金屬引線7、漏極金屬引線13和 柵極金屬引線9，其特征在于，超結(jié)結(jié)構(gòu)中的P型半導(dǎo)體區(qū)12的深度沿從N型源區(qū)4指向N 型漏區(qū)14的方向上線性變小。本實(shí)施例中還采用如下技術(shù)措施來(lái)進(jìn)一步提高本發(fā)明的性能所述的超結(jié)結(jié)構(gòu)中的P型半導(dǎo)體區(qū)12可以采用多次外延后離子注入工藝形成，也 可以通過(guò)采用各向異性干法刻蝕工藝形成溝槽并填充P型摻雜半導(dǎo)體材料形成。所述的超結(jié)結(jié)構(gòu)中的P型半導(dǎo)體區(qū)12的寬度等于相鄰最近的兩個(gè)P型半導(dǎo)體區(qū) 12之間的間距。所述的超結(jié)結(jié)構(gòu)中的P型半導(dǎo)體區(qū)12的雜質(zhì)濃度等于超結(jié)結(jié)構(gòu)中的N型外延層 11的雜質(zhì)濃度。所述的多晶硅柵6可以延伸至第一型場(chǎng)氧化層10上方，形成晶硅場(chǎng)板，進(jìn)一步降 低表面電場(chǎng)峰值，以提高器件擊穿電壓。所述的漏端金屬電極13可以延伸至第一型場(chǎng)氧化層10上方，形成漏端金屬場(chǎng)板， 降低靠近N型漏端14的表面電場(chǎng)峰值，以提高器件擊穿電壓。本發(fā)明可以采用如下方法來(lái)制備1、選擇一塊P型硅片作為器件的襯底，然后在P型襯底上外延生長(zhǎng)一層摻雜N型 雜質(zhì)的外延層。
2、然后在要求P型柱狀半導(dǎo)體區(qū)深度最大的地方進(jìn)行表面離子注入硼，并繼續(xù)外 延生長(zhǎng)一層摻雜N型雜質(zhì)的外延層，接著在要求P型柱狀半導(dǎo)體區(qū)深度最大和次之的地方 進(jìn)行表面離子注入硼。此后繼續(xù)外延生長(zhǎng)摻雜N型雜質(zhì)的外延層，并在需要形成P型柱狀 半導(dǎo)體區(qū)的地方逐次進(jìn)行表面離子注入硼，直至所有需要注入形成P型柱狀半導(dǎo)體區(qū)的地 方全部完成了表面離子注入硼。然后進(jìn)行退火形成P型柱狀半導(dǎo)體區(qū)。3、然后在表面離子注入硼，并退火推阱，形成P型體區(qū)，接著生長(zhǎng)第一型場(chǎng)氧化 層、柵氧化層，然后淀積多晶硅并刻蝕形成多晶硅柵。4、然后分別進(jìn)行源漏注入形成N型源區(qū)、N型漏區(qū)及P型體接觸區(qū)。5、然后進(jìn)行生長(zhǎng)第二型場(chǎng)氧化層，并刻出源區(qū)、漏區(qū)和柵區(qū)接觸孔，然后淀積金屬 層并進(jìn)行刻蝕，形成N型超結(jié)橫向雙擴(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管的源極金屬、漏極金屬 和柵極金屬。最后對(duì)整個(gè)器件進(jìn)行鈍化處理。本發(fā)明也可以采用如下方法來(lái)制備1、選擇一塊P型硅片作為器件的襯底，然后在P型襯底上外延生長(zhǎng)一層摻雜N型 雜質(zhì)的外延層。2、然后在表面離子注入硼，并退火推阱，形成P型體區(qū)，然后在需要形成P型條狀 半導(dǎo)體區(qū)的地方進(jìn)行各向異性等離子體刻蝕N型外延層以形成硅槽，并用P型半導(dǎo)體材料 填充硅槽以形成P型條狀半導(dǎo)體區(qū)。3、接著生長(zhǎng)第一型場(chǎng)氧化層、柵氧化層，然后淀積多晶硅并刻蝕形成多晶硅柵。4、然后分別進(jìn)行源漏注入形成N型源區(qū)、N型漏區(qū)及P型體接觸區(qū)。5、然后進(jìn)行生長(zhǎng)第二型場(chǎng)氧化層，并刻出源區(qū)、漏區(qū)和柵區(qū)接觸孔，然后淀積金屬 層并進(jìn)行刻蝕，形成N型超結(jié)橫向雙擴(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管的源極金屬、漏極金屬 和柵極金屬。最后對(duì)整個(gè)器件進(jìn)行鈍化處理。
權(quán)利要求
1.一種N型超結(jié)橫向雙擴(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管，包括P型襯底(1)，在P型襯 底(1)上設(shè)有超結(jié)結(jié)構(gòu)及P型體區(qū)(2)，超結(jié)結(jié)構(gòu)由N型外延層(11)和鑲嵌在N型外延層 (11)中的P型半導(dǎo)體區(qū)(12)構(gòu)成，在P型體區(qū)(2)上方設(shè)有N型源區(qū)(4)、P型體接觸區(qū) (5)及柵氧化層(3)，在超結(jié)結(jié)構(gòu)的上方設(shè)有N型漏區(qū)(14)，在超結(jié)結(jié)構(gòu)上方，且位于N型漏 區(qū)(14)以外的區(qū)域設(shè)有第一型場(chǎng)氧化層(10)，在柵氧化層(3)上方設(shè)有多晶硅柵(6)且多 晶硅柵(6)自柵氧化層(3)上方延伸至第一型場(chǎng)氧化層(10)上方，在N型源區(qū)(4)、P型體 接觸區(qū)(5)、N型漏區(qū)(14)、多晶硅柵(6)和第一型場(chǎng)氧化層(10)上方設(shè)有第二型場(chǎng)氧化 層(8)，N型源區(qū)(4)、N型漏區(qū)(14)、及多晶硅柵(6)均接有穿通第二型場(chǎng)氧化層(8)的源 極金屬引線(7)、漏極金屬引線(13)和柵極金屬引線(9)，其特征在于，超結(jié)結(jié)構(gòu)中的P型 半導(dǎo)體區(qū)(12)的深度沿從N型源區(qū)(4)指向N型漏區(qū)(14)的方向上線性變小。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的N型超結(jié)橫向雙擴(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管，其特征在于， 超結(jié)結(jié)構(gòu)中的P型半導(dǎo)體區(qū)(12)為P型柱狀半導(dǎo)體區(qū)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的N型超結(jié)橫向雙擴(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管，其特征在于， 超結(jié)結(jié)構(gòu)中的P型半導(dǎo)體區(qū)(12)為P型條狀半導(dǎo)體區(qū)。
全文摘要
一種N型超結(jié)橫向雙擴(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管，包括P型襯底，在P型襯底上設(shè)有超結(jié)結(jié)構(gòu)及P型體區(qū)，超結(jié)結(jié)構(gòu)由N型外延層和鑲嵌在其中的P型半導(dǎo)體區(qū)構(gòu)成，在P型體區(qū)上設(shè)有N型源區(qū)、P型體接觸區(qū)及柵氧化層，超結(jié)結(jié)構(gòu)上設(shè)有N型漏區(qū)，超結(jié)結(jié)構(gòu)上方且位于N型漏區(qū)以外的區(qū)域設(shè)有第一型場(chǎng)氧化層，柵氧化層上方設(shè)有多晶硅柵且多晶硅柵自柵氧化層上方延伸至第一型場(chǎng)氧化層上方，N型源區(qū)、P型體接觸區(qū)、N型漏區(qū)、多晶硅柵和第一型場(chǎng)氧化層上方設(shè)有第二型場(chǎng)氧化層，N型源區(qū)、N型漏區(qū)、P型體接觸區(qū)及多晶硅柵均接有源極金屬引線、柵極金屬引線和漏極金屬引線，且超結(jié)結(jié)構(gòu)中的P型半導(dǎo)體區(qū)的深度沿從N型源區(qū)到N型漏區(qū)的方向上線性變小。
文檔編號(hào)H01L29/06GK102097480SQ20101060006
公開(kāi)日2011年6月15日 申請(qǐng)日期2010年12月22日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月22日
發(fā)明者孫偉鋒, 時(shí)龍興, 朱奎英, 李明, 王青, 錢(qián)欽松, 陸生禮 申請(qǐng)人:東南大學(xué)