專利名稱：P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：
本實(shí)用新型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P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)過程中，往往采用二者的折衷來達(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P型柱的問題，導(dǎo)致 了N型柱和周圍的P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。本實(shí) 用新型同樣是針對(duì)這一問題而提出的改進(jìn)型P型超結(jié)橫向雙擴(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體管結(jié) 構(gòu)。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型針對(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P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。本實(shí)用新型采用如下技術(shù)方案一種P型超結(jié)橫向雙擴(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管，包括N型襯底，在N型襯底 上設(shè)有超結(jié)結(jié)構(gòu)及N型體區(qū)，超結(jié)結(jié)構(gòu)由P型外延層和鑲嵌在P型外延層中的N型半導(dǎo)體 區(qū)構(gòu)成，在N型體區(qū)上方設(shè)有P型源區(qū)、N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P 型漏區(qū)，在超結(jié)結(jié)構(gòu)上方，且位于P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P型源區(qū)、N型 體接觸區(qū)、P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，P型源區(qū)、P型 漏區(qū)、N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N型半導(dǎo)體區(qū)的深度沿從P型源區(qū)指向P型漏 區(qū)的方向上線性變小。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型具有如下優(yōu)點(diǎn)(1)在傳統(tǒng)P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，P型柱 狀半導(dǎo)體區(qū)11和N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P型漏端 14施加高壓時(shí)，P型柱狀半導(dǎo)體區(qū)11被N型柱狀半導(dǎo)體區(qū)12和N型襯底1同時(shí)耗盡，而N 型柱狀半導(dǎo)體區(qū)12則僅僅被P型半導(dǎo)體區(qū)11耗盡。N型襯底1和P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╇妷杭?劇降低。本實(shí)用新型中的P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N型柱狀半導(dǎo)體區(qū)12 (參照?qǐng)D1)或者N型條狀半導(dǎo)體區(qū)12(參照 圖4)深度小于P型外延層11的厚度，這樣使得在N型柱狀半導(dǎo)體區(qū)12或者N型條狀半導(dǎo) 體區(qū)12下方具有一定厚度的P型外延層11，以隔離襯底輔助耗盡效應(yīng)對(duì)P型外延層11和 N型柱狀半導(dǎo)體區(qū)12或者N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)P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 P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P型源端4指向P型漏端14 的方向逐漸增大。N型襯底1內(nèi)的耗盡層厚度的這種變化說明N型襯底1輔助耗盡P型半 導(dǎo)體區(qū)11的這種效應(yīng)在從P型源端4指向P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P型漏端14下方達(dá)到了最大值，導(dǎo)致N型柱狀半導(dǎo)體區(qū)12或者N型條狀半導(dǎo)體 區(qū)12雜質(zhì)不能完全被P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。而本實(shí)用新型中的P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N型柱狀半導(dǎo)體區(qū)12或者N型條狀半導(dǎo)體區(qū)12 的深度沿著從P型源區(qū)4指向P型漏區(qū)14的方向上線性減小，并且通過合理設(shè)置不同的N 型柱狀半導(dǎo)體區(qū)12或者N型條狀半導(dǎo)體區(qū)12的深度，可以實(shí)現(xiàn)從P型源端4指向P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N型柱狀半導(dǎo)體區(qū)12或者N型條 狀半導(dǎo)體區(qū)12與超結(jié)結(jié)構(gòu)中P型外延層11在水平方向上耗盡，超結(jié)結(jié)構(gòu)中N型柱狀半導(dǎo) 體區(qū)12或者N型條狀半導(dǎo)體區(qū)12與其下方的P型外延層11在豎直方向上耗盡，超結(jié)結(jié)構(gòu) 中的P型外延層11和N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)P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)P型外延層和N型柱狀半導(dǎo)體區(qū)或者N型條狀半導(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)本實(shí)用新型的適用性并不局限于超結(jié)結(jié)構(gòu)中的N型半導(dǎo)體區(qū)由彼此分離的N 型柱狀半導(dǎo)體區(qū)組成，參照?qǐng)D1，同樣也可用于N型半導(dǎo)體區(qū)由沿著從P型源區(qū)4指向P型 漏區(qū)14的方向上彼此連接為一體的N型條狀半導(dǎo)體區(qū)組成，參照?qǐng)D4。
圖1是本實(shí)用新型中的P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是本實(shí)用新型中的P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1中AA剖面的器件剖面結(jié)構(gòu)圖。圖3是本實(shí)用新型中的P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1中BB剖面的器件剖面結(jié)構(gòu)圖。圖4是本實(shí)用新型中另外一種P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是本實(shí)用新型中另外一種P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4中AA剖面的器件剖面結(jié)構(gòu)圖。圖6是傳統(tǒng)P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P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，可見本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)的擊穿電壓最高。
具體實(shí)施方式
參照?qǐng)D1，一種P型超結(jié)橫向雙擴(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管，包括N型襯底1， 在N型襯底1上設(shè)有超結(jié)結(jié)構(gòu)及N型體區(qū)2，超結(jié)結(jié)構(gòu)由P型外延層11和鑲嵌在P型外延 層11中的N型半導(dǎo)體區(qū)12構(gòu)成，在N型體區(qū)2上方設(shè)有P型源區(qū)4、N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P型漏區(qū)14，在超結(jié)結(jié)構(gòu)上方，且位于P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P型源區(qū)4、N型體接觸區(qū)5、P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，P型源區(qū)4、P型漏區(qū)14、N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N型半導(dǎo)體區(qū)12的深度沿從P型源區(qū)4指向P 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)措施來進(jìn)一步提高本實(shí)用新型的性能所述的超結(jié)結(jié)構(gòu)中的N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 可以通過采用各向異性干法刻蝕工藝形成溝槽并填充N型摻雜半導(dǎo)體材料形成。所述的超結(jié)結(jié)構(gòu)中的N型半導(dǎo)體區(qū)12的寬度等于相鄰最近的兩個(gè)N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N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P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，形成品硅場(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P型漏端14的表面電場(chǎng)峰值，以提高器件擊穿電壓。本實(shí)用新型可以采用如下方法來制備1、選擇一塊N型硅片作為器件的襯底，然后在N型襯底上外延生長(zhǎng)一層摻雜P型雜質(zhì)的外延層。2、然后在要求N型柱狀半導(dǎo)體區(qū)深度最大的地方進(jìn)行表面離子注入磷，并繼續(xù)外 延生長(zhǎng)一層摻雜P型雜質(zhì)的外延層，接著在要求N型柱狀半導(dǎo)體區(qū)深度最大和次之的地方 進(jìn)行表面離子磷。此后繼續(xù)外延生長(zhǎng)摻雜P型雜質(zhì)的外延層，并在需要形成N型柱狀半導(dǎo) 體區(qū)的地方逐次進(jìn)行表面離子注入磷，直至所有需要注入形成N型柱狀半導(dǎo)體區(qū)的地方全 部完成了表面離子注入磷。然后進(jìn)行退火形成N型柱狀半導(dǎo)體區(qū)。3、然后在表面離子注入磷，并退火推阱，形成N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P型源區(qū)、P型漏區(qū)及N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P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。本實(shí)用新型也可以采用如下方法來制備1、選擇一塊N型硅片作為器件的襯底，然后在N型襯底上外延生長(zhǎng)一層摻雜P型 雜質(zhì)的外延層。2、然后在表面離子注入磷，并退火推阱，形成N型體區(qū)，然后在需要形成N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P型外延層以形成硅槽，并用N型半導(dǎo)體材料 填充硅槽已形成N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P型源區(qū)、P型漏區(qū)及N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P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P型超結(jié)橫向雙擴(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管，包括N型襯底(1)，在N型襯 底(1)上設(shè)有超結(jié)結(jié)構(gòu)及N型體區(qū)O)，超結(jié)結(jié)構(gòu)由P型外延層(11)和鑲嵌在P型外延層 (11)中的N型半導(dǎo)體區(qū)(12)構(gòu)成，在N型體區(qū)(2)上方設(shè)有P型源區(qū)G)、N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P型漏區(qū)(14)，在超結(jié)結(jié)構(gòu)上方，且位于P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C3)上方設(shè)有多晶硅柵(6)且多 晶硅柵(6)自柵氧化層C3)上方延伸至第一型場(chǎng)氧化層(10)上方，在P型源區(qū)G)、N型體 接觸區(qū)(5)、P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)，P型源區(qū)G)、P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N型 半導(dǎo)體區(qū)(12)的深度沿從P型源區(qū)(4)指向P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P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N型半導(dǎo)體區(qū)(12)為N型柱狀半導(dǎo)體區(qū)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的P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N型半導(dǎo)體區(qū)(12)為N型條狀半導(dǎo)體區(qū)。
專利摘要一種P型超結(jié)橫向雙擴(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管，包括N型襯底，在N型襯底上設(shè)有超結(jié)結(jié)構(gòu)及N型體區(qū)，超結(jié)結(jié)構(gòu)由P型外延層和鑲嵌在其中的N型半導(dǎo)體區(qū)構(gòu)成，在N型體區(qū)上設(shè)有P型源區(qū)、N型體接觸區(qū)及柵氧化層，超結(jié)結(jié)構(gòu)上設(shè)有P型漏區(qū)，超結(jié)結(jié)構(gòu)上方且位于P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，P型源區(qū)、N型體接觸區(qū)、P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，P型源區(qū)、P型漏區(qū)、N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N型半導(dǎo)體區(qū)的深度沿從P型源區(qū)到P型漏區(qū)的方向上線性變小。
文檔編號(hào)H01L29/78GK201904341SQ20102067390
公開日2011年7月20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)明者華國(guó)環(huán), 孫偉鋒, 時(shí)龍興, 朱奎英, 李明, 錢欽松, 陸生禮 申請(qǐng)人:東南大學(xué)