專利名稱：超結(jié)高壓功率器件結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種超結(jié)高壓功率器件結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
器件的導通電阻Ron和器件的擊穿電壓(breakdown voltage)是衡量器件性能的重要因素，在許多功率半導體器件中，需要具有高的擊穿電壓和低的導通電阻，傳統(tǒng)的功率器件，加在η+襯底和P+阱間的反向電壓是由一個摻雜較輕而較厚的半導體層來承受的，通常將此層稱為耐壓區(qū)(η-外延)，對于高壓功率器件，導通電阻Ron(或?qū)▔航?也主要由耐壓區(qū)(η-外延)來決定，此區(qū)域摻雜愈輕，或厚度愈大，或兩者都是，則擊穿電壓愈高，而隨著擊穿電壓的提高，導通電阻以2. 5次方增長，所以擊穿電壓與導通電阻的關(guān)系成為功率半導體制造的重要難點。

中國發(fā)明專利ZL91101845.X及美國發(fā)明專利5216275解決了上述問題。其解決方法是在η+襯底和ρ+講之間用一個復合緩沖層(Composite Buffer Layer ,或簡稱CB層)來耐壓，在CB層中含有兩種導電類型相反的區(qū)域(Pcolumn和Ncolumn),這兩種區(qū)域從平行于CB層與η+襯底界面的任一剖面來講，都是相間排列的，我們將這種結(jié)構(gòu)稱為超結(jié)結(jié)構(gòu)，而在此之前所用的耐壓層都是單一導電類型的半導體，在該發(fā)明中還公布了具有超結(jié)結(jié)構(gòu)的MOSFET，單位面積的導通電阻Ron正比于擊穿電壓凡的I. 3次方，這代表對通常耐壓層關(guān)系的一個突破，而MOSFET其它的電性能也很好。功率半導體器件的元胞區(qū)(有源區(qū))是由多個重復排列的元胞構(gòu)成的，在耗盡的狀態(tài)下，元胞區(qū)的電場在耐壓層中分布是處處相等的，因此元胞區(qū)中不會發(fā)生因電場集中導致的擊穿。但是在元胞區(qū)的邊界處，器件通常會受到結(jié)曲率效應的影響而導致電場在結(jié)附近聚集，使器件極易發(fā)生擊穿，所以需要特殊的terminal (終端結(jié)構(gòu))來改善結(jié)曲率效應對器件耐壓的影響。目前，傳統(tǒng)的高壓功率器件中有許多的終端技術(shù)來改善器件終端的耐壓例如，場限環(huán)，場板技術(shù)、JTE(junction terminal extension)等。但是傳統(tǒng)的終端結(jié)構(gòu)不適用于具有超結(jié)結(jié)構(gòu)的器件，因為外延層濃度很高時，擊穿會在低電壓下的終端提前發(fā)生。若要利用現(xiàn)有的終端技術(shù)設計超結(jié)器件的終端，則在器件邊緣終止區(qū)域中需要形成輕摻雜外延區(qū)域(典型地為η型，寫作n_)以獲得高擊穿電壓，制造商被迫從輕摻雜外延層或外延工藝開始將有源區(qū)中使用不同的摻雜技術(shù)將外延層轉(zhuǎn)變成更高摻雜的區(qū)域，這無疑增加了工藝的復雜程度及制造成本。如果使超結(jié)器件的終端也具有超結(jié)結(jié)構(gòu)，一般為了改善終端結(jié)曲率效應，獲得良好的終端電場分布，終端Pcolumn (或Ncolumn)的濃度將會不同于有源區(qū)Pcolumn (或Ncolumn)濃度；或者，終端Pcolumn(或Ncolumn)的寬度將會不同于有源區(qū)Pcolumn(或Ncolumn)的寬度；或者,終端各個Pcolumn (或Ncolumn)之間的間距將會各不相同。所以，為了獲得所需的耐壓，一般需要調(diào)整Pcolumn(或Ncolumn)的寬度，濃度或間距才能達到器件所需的耐壓，此種做法會增加工藝的難度，并使制造成本增加。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所解決的技術(shù)問題是提供一種以使器件終端承受足夠高的耐壓即與元胞區(qū)相近的耐壓，并且這種結(jié)構(gòu)可以用傳統(tǒng)的半導體制造工藝實現(xiàn)，不會增加工藝的難度及生產(chǎn)成本的超結(jié)高壓功率器件結(jié)構(gòu)。為解決上述的技術(shù)問題，本發(fā)明采取的技術(shù)方案
一種超結(jié)高壓功率器件結(jié)構(gòu)，其特殊之處在于包括有源區(qū)和有源區(qū)外圍的終端區(qū)有源區(qū)由重復排列的元胞構(gòu)成的，單個元胞包括源區(qū)η+、柵氧化層、柵電極、漏極、BPSG層、源極、一個第一導電類型材料的襯底層；在襯底層上設置第一導電類型材料的外延層；每一個元胞的器件特征區(qū)域的器件特征層與外延層之間設置有一個復合緩沖層，復合緩沖層中含有第一種導電類型材料構(gòu)成的 第一半導體區(qū)和第二種導電類型材料構(gòu)成的第二半導體區(qū)；
終端區(qū)包括位于半導體材料上的場氧化層、位于有源區(qū)與終端過渡區(qū)域的主結(jié)、位于器件最外圍的截止環(huán)、BPSG層、一個第一導電類型材料的襯底層、至少一個第二導電類型的阱區(qū)、位于主結(jié)處氧化層之上的第一金屬場板、位于截止環(huán)上的第二金屬場板、位于主結(jié)場板與截止環(huán)場板之間的第三金屬場板，在襯底層上設置第一導電類型材料的外延層，在外延層上形成復合緩沖層，復合緩沖層中含有交替排列的第一種導電類型材料構(gòu)成的第一半導體區(qū)和第二種導電類型材料構(gòu)成的第二半導體區(qū)；第二導電類型的阱區(qū)位于第二半導體區(qū)的表面，處于兩個第一半導體區(qū)之間或最后一個第一半導體區(qū)與截止環(huán)之間。上述的終端區(qū)的第一半導體區(qū)和相鄰第二半導體區(qū)的寬度和濃度與元胞區(qū)的寬度和濃度完全相同或者任意寬度和濃度。上述的第二導電類型的阱區(qū)的寬度及相鄰第二導電類型的阱區(qū)之間的間距根據(jù)器件終端的擊穿電壓及電場分布情況調(diào)整設置。上述的第二導電類型的阱區(qū)的個數(shù)根據(jù)器件終端的擊穿電壓及電場分布情況設置。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果
本發(fā)明可以提高超結(jié)器件終端的耐壓和可靠性，能使終端承受與元胞區(qū)相近的耐壓，并且這種結(jié)構(gòu)可以用傳統(tǒng)的超結(jié)半導體制造工藝實現(xiàn)，不會增加工藝的難度及生產(chǎn)成本。


圖I為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意 圖2為本發(fā)明的整體俯視 圖3為沒有設置第二導電類型阱區(qū)的700ν超結(jié)MOSFET的終端結(jié)構(gòu)示意 圖4為沒有設置第二導電類型阱區(qū)的700ν超結(jié)MOSFET的終端擊穿電壓曲線；
圖5為設置有第二導電類型阱區(qū)的700ν超結(jié)MOSFET的終端結(jié)構(gòu)示意 圖6為設置有第二導電類型阱區(qū)的700ν超結(jié)MOSFET的終端擊穿電壓曲線。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明進行詳細說明。
參見圖I、圖2，本發(fā)明的由重復排列的元胞構(gòu)成的，單個元胞包括源區(qū)η+、柵氧化層、柵電極、漏極、BPSG層、源極、一個第一導電類型材料的襯底層,第一導電類型材料的襯底層是η型半導體也可以是ρ型半導體，但在η型半導體來加以說明，稱其為η+襯底，在η+襯底上生長第一導電類型材料的外延層，它可以是η型半導體也可以是ρ型半導體，以η型半導體來加以說明，稱其為η外延層，在η外延層上造有許多個元胞，每一個元胞具有一個含器件特征區(qū)域的器件特征層，器件特征層起第二種導電類型材料的作用，它可以起η型半導體的作用，也可以起P型半導體的作用，以P+型半導體來加以說明，稱其為P+講，在P+講與η外延層之間有一個復合緩沖層(Composi te Buffer Layer),簡稱CB層,CB層中含有第一種導電類型材料構(gòu)成的第一半導體區(qū)，此第一種導電類型的材料可以是η型半導體也可以是P型半導體，以η型導電材料來說明，CB層中還含有第二種導電類型材料構(gòu)成的第二半導體區(qū)，此第二種導電類型的材料可以是P型半導體也可以是η型半導體，以P型導電材料來說明，CB層中的第一種半導體區(qū)和第二種半導體區(qū)是交替排列的，將CB層中的第一種半導體區(qū)稱為Ncolumndf CB層中的第二種半導體區(qū)成為Pcolumn。若以MOSFET為例，如圖五所示，有源區(qū)部分除了包含Pcolumn、Ncolumn, ρ+阱外，在有源區(qū)硅片的表面還需要形成源區(qū)η+、柵氧化層(gate oxide)、柵電極(poly)、漏極(drain)、BPS G層、源極(source)。如圖I所示，本發(fā)明的器件的終端包括位于半導體材料上的場氧化層、位于有源區(qū)與終端過渡區(qū)域的主結(jié)、位于器件最外圍的截止環(huán)、BPSG層、一個第一導電類型材料的襯底層、至少一個第二導電類型的阱區(qū)、位于主結(jié)處氧化層之上的第一金屬場板、位于截止環(huán)上的第二金屬場板、位于主結(jié)場板與截止環(huán)場板之間的第三金屬場板，在襯底層上設置第一導電類型材料的外延層，第一導電類型材料的襯底層，它可以是η型半導體也可以是ρ型半導體，在此發(fā)明中以η型半導體來加以說明，稱其為η+襯底，在N+襯底上形成外延層，可以是η型半導體也可以是ρ型半導體，此發(fā)明中以η型半導體來加以說明，稱其為η外延層；第二導電類型的阱區(qū)可以起η型半導體的作用，也可以起ρ型半導體的作用，但在本發(fā)明中用P+型半導體來加以說明，稱其為P+環(huán)；在外延層上形成復合緩沖層，復合緩沖層簡稱CB層，CB層中含有第一種導電類型材料構(gòu)成的第一半導體區(qū)，此第一種導電類型的材料可以是η型半導體也可以是ρ型半導體，以η型導電材料來說明，CB層中還含有第二種導電類型材料構(gòu)成的第二半導體區(qū)，此第二種導電類型的材料可以是P型半導體也可以是η型半導體，以ρ型導電材料來說明，CB層中的第一種半導體區(qū)和第二種半導體區(qū)是交替排列的，將CB層中的第一種半導體區(qū)稱為Ncolumndf CB層中的第二種半導體區(qū)稱為Pcolumn, ρ+環(huán)位于Ncolumn的表面，處于兩個Pcolumn之間，也可位于最后一個Pcolumn與η+截止環(huán)之間，該終端結(jié)構(gòu)還包含位于半導體材料上的氧化層，還包括位于主結(jié)處氧化層之上的第一金屬場板；位于截止環(huán)上的第二金屬場板；也可以包括位于主結(jié)場板與截止環(huán)場板之間的第三金屬場板；各個場板之間都是斷開的；也可以用多晶硅來做場板。
在本發(fā)明中終端終端區(qū)的Ncolumn、Pcolumn的寬度和濃度可以和與元胞區(qū)的寬度和濃度完全相同，也可以做成任意制造商容易實現(xiàn)的寬度和濃度；
利用注入第二導電類型的阱區(qū)來實現(xiàn)終端電場的優(yōu)化；在本發(fā)明中，第二導電類型的阱區(qū)利用有源區(qū)的P+阱的光刻版來實現(xiàn)，不會增加額外的制造費用；
第二導電類型的阱區(qū)的寬度及相鄰第二導電類型的阱區(qū)之間的間距可根據(jù)器件終端的擊穿電壓及電場分布情況，使用仿真軟件進行優(yōu)化調(diào)節(jié)；
第二導電類型的阱區(qū)的個數(shù)也可根據(jù)器件終端的擊穿電壓及電場分布情況，使用仿真軟件進行優(yōu)化調(diào)節(jié)。實施例
用具有超結(jié)結(jié)構(gòu)的MOSFET來說明，但本發(fā)明不局限于MOSFET。一、在晶圓上形成超結(jié)結(jié)構(gòu)；
二、形成場氧化層；
三、形成柵氧化層，形成多晶硅層；
四、注入P+講，形成P+環(huán)； 五、形成n+source區(qū)、η+截止環(huán)、淀積BPSG層、并刻蝕引線孔；
六、淀積金屬層，并刻蝕。在本發(fā)明中ρ+環(huán)的形成與ρ阱是同一層光刻版，并不限制與本實施例中所述的順序。以700ν 超結(jié) mosfet 為例
在本例中第一導電類型的半導體用η型半導體表示，第二導電類型的半導體用ρ型半導體表示。η型襯底電阻率為O. 05ohm ；n型外延電阻率為4. 5ohm ； Ncolumn的寬度取12um、濃度取9el4 ；Pcolumn的寬度取5um、濃度取2. 5el5、p+阱注入劑量取5el3。上述工藝條件下的器件元胞仿真擊穿電壓可達到720v。我們對上述工藝件下器件終端做仿真如圖3為沒有設置第二導電類型阱區(qū)的終端結(jié)構(gòu)，如圖4為沒有設置第二導電類型阱區(qū)的終端結(jié)構(gòu)的擊穿電壓曲線，從圖中可以看重這種沒有加第二導電類型的阱區(qū)的結(jié)構(gòu)的擊穿電壓比較低，約為640v，這種結(jié)構(gòu)的終端不能滿足器件耐藥達到700v的要求。如圖5應用了本發(fā)明的終端結(jié)構(gòu)，即設置了第二導電類型的阱區(qū)的結(jié)構(gòu)，在本例中第二導電類型的阱區(qū)利用元胞區(qū)的P+阱的光刻版來實現(xiàn)；圖6為設置了第二導電類型的阱區(qū)的結(jié)構(gòu)的擊穿電壓曲線，從中可以看出這種加了第二導電類型的阱區(qū)的結(jié)構(gòu)的擊穿電壓可以達到705v ;通過圖4與圖6的仿真結(jié)果對比可知，本發(fā)明的終端結(jié)構(gòu)可以提高超結(jié)器件終端的耐壓和可靠性，能使終端承受與元胞區(qū)相近的耐壓，并且這種結(jié)構(gòu)可以用傳統(tǒng)的超結(jié)半導體制造工藝實現(xiàn)，不會增加工藝的難度及生產(chǎn)成本。
權(quán)利要求
1.一種超結(jié)高壓功率器件結(jié)構(gòu)，其特征在于包括有源區(qū)和有源區(qū)外圍的終端區(qū) 有源區(qū)由重復排列的元胞構(gòu)成的，單個元胞包括源區(qū)η+、柵氧化層、柵電極、漏極、BPSG層、源極、一個第一導電類型材料的襯底層；在襯底層上設置第一導電類型材料的外延層；每一個元胞的器件特征區(qū)域的器件特征層與外延層之間設置有一個復合緩沖層，復合緩沖層中含有第一種導電類型材料構(gòu)成的第一半導體區(qū)和第二種導電類型材料構(gòu)成的第二半導體區(qū)； 終端區(qū)包括位于半導體材料上的場氧化層、位于有源區(qū)與終端過渡區(qū)域的主結(jié)、位于器件最外圍的截止環(huán)、BPSG層、一個第一導電類型材料的襯底層、至少一個第二導電類型的阱區(qū)、位于主結(jié)處氧化層之上的第一金屬場板、位于截止環(huán)上的第二金屬場板、位于主結(jié)場板與截止環(huán)場板之間的第三金屬場板，在襯底層上設置第一導電類型材料的外延層，在外延層上形成復合緩沖層，復合緩沖層中含有交替排列的第一種導電類型材料構(gòu)成的第一半導體區(qū)和第二種導電類型材料構(gòu)成的第二半導體區(qū)；第二導電類型的阱區(qū)位于第二半導體區(qū)的表面，處于兩個第一半導體區(qū)之間或最后一個第一半導體區(qū)與截止環(huán)之間。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的超結(jié)高壓功率器件結(jié)構(gòu)，其特征在于所述的終端區(qū)的第一半導體區(qū)和相鄰第二半導體區(qū)的寬度和濃度與元胞區(qū)的寬度和濃度完全相同或者任意寬度和濃度。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的超結(jié)高壓功率器件結(jié)構(gòu)，其特征在于所述的第二導電類型的阱區(qū)的寬度及相鄰第二導電類型的阱區(qū)之間的間距根據(jù)器件終端的擊穿電壓及電場分布情況調(diào)整設置。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的超結(jié)高壓功率器件結(jié)構(gòu)，其特征在于所述的第二導電類型的阱區(qū)的個數(shù)根據(jù)器件終端的擊穿電壓及電場分布情況設置。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種超結(jié)高壓功率器件結(jié)構(gòu)。功率半導體器件會受到結(jié)曲率效應的影響而導致電場在結(jié)附近聚集，使器件極易發(fā)生擊穿，需要改善器件的耐壓程度。本發(fā)明包括有源區(qū)和終端區(qū)，終端區(qū)在襯底層上設置第一導電類型材料的外延層，在外延層上形成復合緩沖層，復合緩沖層中含有交替排列的第一種導電類型材料構(gòu)成的第一半導體區(qū)和第二種導電類型材料構(gòu)成的第二半導體區(qū)；第二導電類型的阱區(qū)位于第二半導體區(qū)的表面，處于兩個第一半導體區(qū)之間或最后一個第一半導體區(qū)與截止環(huán)之間。本發(fā)明可以提高超結(jié)器件終端的耐壓和可靠性，能使終端承受與元胞區(qū)相近的耐壓，并且這種結(jié)構(gòu)可以用傳統(tǒng)的超結(jié)半導體制造工藝實現(xiàn)，不會增加工藝的難度及生產(chǎn)成本。
文檔編號H01L29/78GK102683408SQ20121000918
公開日2012年9月19日 申請日期2012年1月13日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月13日
發(fā)明者任文珍 申請人:西安龍騰新能源科技發(fā)展有限公司