一種雙向mos型器件及其制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及功率半導(dǎo)體器件技術(shù)領(lǐng)域，具體的說是涉及一種具有雙向開關(guān)能力的橫向功率半導(dǎo)體器件。
【背景技術(shù)】
[0002]由于橫向功率半導(dǎo)體器件的易集成特性，使其成為功率集成電路中的核心電子器件之一，在中小功率領(lǐng)域獲得廣泛的應(yīng)用。電能變換是功率集成電路的基本功能之一，根據(jù)負(fù)載要求的不同，功率集成電路可以完成交流到直流(AC-DC)，直流到交流(DC-AC)，直流到直流(DC-DC)和交流到交流(AC-AC)的變換。AC-AC的變換可以采用間接變換即AC-DC-AC方式，也可以采用直接變換即AC-AC的方式。在傳統(tǒng)的AC-DC-AC間接變換系統(tǒng)中，需要有大容值的連接電容(電壓型變換)或大感值的連接電感(電流型變換)將兩部分相對獨(dú)立的變換系統(tǒng)相連，而大容值的電容和大感值的電感在集成電路中的實現(xiàn)是一大難以解決的問題，不僅需要占用較大的芯片面積而且獲得的品質(zhì)因素并不高；而通過外接大容值電容或大感值電感的方式則使功率集成電路的外部連接變的復(fù)雜，增加了電路的元器件數(shù)量及元器件之間的連線數(shù)量，增大了系統(tǒng)的體積和寄生效應(yīng)，降低了系統(tǒng)的可靠性。AC-AC直接轉(zhuǎn)換系統(tǒng)避免了傳統(tǒng)AC-DC-AC系統(tǒng)中大容值連接電容或大感值連接電感的使用，使得系統(tǒng)的單芯片集成成為可能，減小了系統(tǒng)的成本、體積和寄生效應(yīng)，并提高了系統(tǒng)的可靠性。
[0003]AC-AC直接轉(zhuǎn)換的交流特性要求功率開關(guān)具有雙向?qū)半p向阻斷的能力，就目前來說，主流的功率開關(guān)器件大多數(shù)是單向型器件，而雙向型器件較少。傳統(tǒng)上雙向晶閘管或兩個反并聯(lián)的晶閘管可作為雙向開關(guān)應(yīng)用于AC-AC直接轉(zhuǎn)換，但這兩種器件是靠電流控制，驅(qū)動電路復(fù)雜。為了獲得易驅(qū)動的MOS型雙向開關(guān)，可采用以下技術(shù)方案:1)兩個MOS型開關(guān)的背對背串聯(lián):將兩個相同的MOSFET的漏極和漏極或兩個相同的逆導(dǎo)型IGBT(RC-1GBT)的集電極和集電極背對背串連在一起使用以獲得雙向開關(guān)的功能；2)將兩個相同的逆阻型IGBT(RB-1GBT)反并聯(lián)連接以獲得雙向開關(guān)的功能；3)將常規(guī)IGBT與二極管串聯(lián)使用以確保雙向阻斷功能，將兩組上述IGBT與二極管串聯(lián)的結(jié)構(gòu)反向并聯(lián)以實現(xiàn)雙向?qū)p向阻斷功能。以上的三種技術(shù)方案需要使用多個功率器件的組合，增加了功率集成電路中芯片的面積和成本，并增大了器件的損耗，減低了器件的性能。
[0004]為了進(jìn)一步減小集成電路中橫向MOS型雙向功率開關(guān)的面積，減小器件的損耗，提高器件的性能，文獻(xiàn)(D.H.Lu, N.Fujishima, A.Sugi, etc.1ntegrated B1-direct1nalTrench Lateral Power MOSFETs for One Chip Lithium-1on Battery Protect1nICs，ISPSD，05，2005，pp.355-358)和文獻(xiàn)(Y.Fu，X.Cheng，Y.Chen，etc.A 20-VCMOS-Based Monol ithic Bidirect1nal Power Switch,IEEE Electron DevicesLetters, 2007，pp.174-176)分別通過將兩個共用漂移區(qū)(阱區(qū))的溝槽柵MOS結(jié)構(gòu)和平面柵MOS結(jié)構(gòu)背對背集成在一起在單一芯片中實現(xiàn)了具有雙向?qū)半p向阻斷功能的雙向MOS型功率開關(guān)，分別如圖1 (溝槽柵結(jié)構(gòu))和如圖2 (平面柵結(jié)構(gòu))所示。圖1和圖2結(jié)構(gòu)都是一種四端器件，通過分別控制兩個MOS結(jié)構(gòu)的柵電壓，可實現(xiàn)對稱的導(dǎo)通與關(guān)斷特性。與兩個獨(dú)立的背對背連接的MOS結(jié)構(gòu)相比，圖1和圖2雙向功率開關(guān)通過兩個MOS結(jié)構(gòu)共用輕摻雜漂移區(qū)(η型阱區(qū))可實現(xiàn)在一定的阻斷電壓下減小一半的漂移區(qū)長度，因此減小了芯片的面積、成本并降低了器件的損耗。然而對于上述兩種結(jié)構(gòu)，當(dāng)器件任一方向阻斷時，當(dāng)輕摻雜漂移區(qū)(η型阱區(qū))中的耗盡層從一個MOS結(jié)構(gòu)的P型體區(qū)擴(kuò)展到另一個MOS結(jié)構(gòu)的P型體區(qū)時，器件發(fā)生橫向穿通擊穿；同時，當(dāng)η型漂移區(qū)(η型阱區(qū))與背部P型襯底形成的反偏ρη結(jié)的耗盡層擴(kuò)展到高壓端MOS結(jié)構(gòu)的P型體區(qū)時，器件發(fā)生縱向穿通擊穿。因此上述兩種結(jié)構(gòu)均是漂移區(qū)(橫向和縱向)的非穿通型結(jié)構(gòu)。對于上述兩種結(jié)構(gòu)，為了防止器件漂移區(qū)的橫向穿通擊穿，在一定的器件耐壓下不得不采用較長的漂移區(qū)長度，這增大了器件的面積和漂移區(qū)電阻；同時為了防止器件漂移區(qū)的縱向穿通擊穿，不得不使用較大的漂移區(qū)摻雜劑量，這減弱了 P型襯底對η型漂移區(qū)的襯底輔助耗盡效應(yīng)(降低表面電場作用)，使器件的橫向和縱向雪崩擊穿電壓降低。因此，上述兩種結(jié)構(gòu)僅適用于阻斷電壓較低的情形，主要工作于雙向MOS模式，并且在一定的器件耐壓下具有大的器件面積和漂移區(qū)電阻，器件的性能不夠優(yōu)化。此外，圖1和圖2結(jié)構(gòu)均采用CMOS工藝在η型阱區(qū)中制備MOS結(jié)構(gòu)，考慮到η型阱區(qū)注入對器件的縱向穿通和雪崩擊穿電壓的限制，該工藝也僅適用于實現(xiàn)較低電壓器件的情形。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明針對功率集成電路中現(xiàn)有雙向MOS型器件存在的阻斷電壓低，在一定的阻斷電壓下器件面積和漂移區(qū)電阻大的技術(shù)問題，提供一種雙向MOS型器件，并提供所述器件的制造方法。為了簡化描述，下面僅以η溝道雙向MOS型器件為例來說明，但本發(fā)明同樣適用于P溝道雙向MOS型器件。
[0006]本發(fā)明解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:
[0007]一種雙向MOS型器件，元胞結(jié)構(gòu)如圖3所示，包括P型襯底101和設(shè)置在P型襯底101上的有源區(qū)；所述有源區(qū)包括漂移區(qū)和對稱設(shè)置在漂移區(qū)上層兩端的第一 MOS結(jié)構(gòu)和第二 MOS結(jié)構(gòu)；
[0008]所述第一 MOS結(jié)構(gòu)包括第一 P型體區(qū)209，設(shè)置于第一 P型體區(qū)209上表面的第一P+體接觸區(qū)207，設(shè)置于第一 P型體區(qū)209上表面的第一 N+源區(qū)211，設(shè)置在第一 P+體接觸區(qū)207和第一 N+源區(qū)211上表面的第一金屬電極203和第一柵結(jié)構(gòu)；所述第一 P+體接觸區(qū)207與第一 N+源區(qū)211相互獨(dú)立，且上表面均與第一金屬電極203相連；所述第一柵結(jié)構(gòu)為溝槽柵結(jié)構(gòu)，由第一溝槽柵介質(zhì)213和的第一柵電極205構(gòu)成；
[0009]所述第二 MOS結(jié)構(gòu)包括第二 P型體區(qū)210，設(shè)置于第二 P型體區(qū)210上表面的第二P+體接觸區(qū)208，設(shè)置于第二 P型體區(qū)210上表面的第二 N+源區(qū)212，設(shè)置在第二 P+體接觸區(qū)208和第二 N+源區(qū)212上表面的第二金屬電極204和第二柵結(jié)構(gòu)；所述第二 P+體接觸區(qū)208與第二 N+源區(qū)212相互獨(dú)立，且上表面均與第二金屬電極204相連；所述第二柵結(jié)構(gòu)為溝槽柵結(jié)構(gòu)，由第二溝槽柵介質(zhì)214和第二柵電極206構(gòu)成；
[0010]所述第一 MOS結(jié)構(gòu)和第二 MOS結(jié)構(gòu)之間具有介質(zhì)深槽215 ;所述第一柵結(jié)構(gòu)和第二柵結(jié)構(gòu)均設(shè)置在介質(zhì)深槽215中；所述第一溝槽柵介質(zhì)213的一側(cè)與第一 N+源區(qū)211和第一 P型體區(qū)209連接，其另一側(cè)與第一柵電極205連接；所述第二溝槽柵介質(zhì)214的一側(cè)與第二 N+源區(qū)212和第二 P型體區(qū)210連接，其另一側(cè)與第二柵電極206連接；所述第一柵電極205和第二柵電極206的深度和寬度均小于介質(zhì)深槽201的深度和寬度；
[0011]所述有漂移具有第一高摻雜N型層217、第二高摻雜N型層218和N型區(qū)201 ;所述第一 P型體區(qū)209的下表面與第一高摻雜N型層217連接；所述第二 P型體區(qū)210的下表面與第二高摻雜N型層218連接；所述第一高摻雜N型層217和第二高摻雜N型層218對稱設(shè)置在介質(zhì)深槽215的兩側(cè)并與介質(zhì)深槽215連接；所述介質(zhì)深槽215的下端嵌入N型區(qū)201 ;所述介質(zhì)深槽215的中線、所述N型區(qū)201的中線與元胞中線重合；所述N型區(qū)201的上表面分別與第一高摻雜N型層217和第二高摻雜N型層218連接，其下表面與P型襯底101連接；所述介質(zhì)深槽215的寬度和深度大于第一高摻雜N型層217和第二高摻雜N型層218的寬度和深度；所述介質(zhì)深槽215嵌入N型區(qū)201中部分的深度大于介質(zhì)深槽215的寬度，其嵌入N型區(qū)201中部分的深度還大于第一高摻雜N型層217和第二高摻雜N型層218的深度，其嵌入N型區(qū)201中部分的深度還大于介質(zhì)深槽215底部與P襯底101之間的N型區(qū)201的深度；
[0012]所述第一高摻雜N型層217與P型襯底101之間具有第一 P型區(qū)219 ;所述第二高摻雜N型層218與P型襯底101之間具有第二 P型區(qū)220 ;所述第一 P型區(qū)219和第二 P型區(qū)220對稱設(shè)置在N型區(qū)201的兩側(cè)并與N型區(qū)201連接；
[0013]所述介質(zhì)深槽215中靠近第一柵電極205的一側(cè)還設(shè)置有用于填充導(dǎo)電材料的第一填充槽221，靠近第二柵電極206的一側(cè)還設(shè)置有用于填充導(dǎo)電材料的第二填充槽222 ；所述第一填充槽221和第二填充槽222位置對稱且位于第一柵電極205和第二柵電極206之間；所述第一填充槽221和第二填充槽222的深度與寬度均小于介質(zhì)深槽215的深度和寬度；所述第一填充槽221和第二填充槽222的深度均大于第一高摻雜N型層217和第二高摻雜N型層218的深度；所述第一填充槽221和第二填充槽222的深度均大于第一柵電極205和第二柵電極206的深度；所述第一填充槽221的頂部連接有第三金屬電極223，所述第二填充槽222的頂部連接有第四金屬電極224 ;所述第三金屬電極223通過器件表面導(dǎo)電材料連線與第一金屬電極203或第一柵電極205短接，所述第四金屬電極224通過器件表面導(dǎo)電材料連線與第二金屬電極204或第二柵電極206短接。
[0014]一種雙向MOS型器件，元胞結(jié)構(gòu)如圖4所示，包括P型襯底101、設(shè)置在P型襯底101上表面的介質(zhì)埋層102和設(shè)置在介質(zhì)埋層102上表面的有源區(qū)；所述有源區(qū)包括漂移區(qū)和對稱設(shè)置在漂移區(qū)上層兩端的第一 MOS結(jié)構(gòu)和第二 MOS結(jié)構(gòu)；
[0015]所述第一 MOS結(jié)構(gòu)包括第一 P型體區(qū)209，設(shè)置于第一 P型體區(qū)209上表面的第一P+體接觸區(qū)207，設(shè)置于第一 P型體區(qū)209上表面的第一 N+源區(qū)211，設(shè)置在第一 P+體接觸區(qū)207和第一 N+源區(qū)211上表面的第一金屬電極203和第一柵結(jié)構(gòu)；所述第一 P+體接觸區(qū)207與第一 N+源區(qū)211相互獨(dú)立，且上表面均與第一金屬電極203相連；所述第一柵結(jié)構(gòu)為溝槽柵結(jié)構(gòu)，由第一溝槽柵介質(zhì)213和的第一柵電極205構(gòu)成；
[0016]所述第二 MOS結(jié)構(gòu)包括第二 P型體區(qū)210，設(shè)置于第二 P型體區(qū)210上表面的第二P+體接觸區(qū)208，設(shè)置于第二 P型體區(qū)210上表面的第二 N+源區(qū)212，設(shè)置在第二 P+體接觸區(qū)208和第二 N+源區(qū)212上表面的第二金屬電極204和第二柵結(jié)構(gòu)；所述第二 P+體接觸區(qū)208與第二 N+源區(qū)212相互獨(dú)立，且上表面均與第二金屬電極204相連；所述第二柵結(jié)構(gòu)為溝槽柵結(jié)構(gòu)，由第二溝槽柵介質(zhì)214和第二柵電極206構(gòu)成；
[0017]所述第一 MOS結(jié)構(gòu)和第二 MOS結(jié)構(gòu)之間具有介質(zhì)深槽215 ;所述第一柵結(jié)構(gòu)和第二柵結(jié)構(gòu)均設(shè)置在介質(zhì)深槽215中；所述第一溝槽柵介質(zhì)213的一側(cè)與第一 N+源區(qū)211和第一 P型體區(qū)209連接，其另一側(cè)與第一柵電極205連接；所述第二溝槽柵介質(zhì)214的一