具有圓柱形區(qū)域的縱向晶體管器件結構的制作方法
【專利說明】具有圓柱形區(qū)域的縱向晶體管器件結構
[0001]相關申請的交叉參引
[0002]本申請要求享有于2013年12月13日提交的標題為“Vertical Trans is torDevice Structure Wi th Cylindrically-Shaped Reg1ns” 的美國臨時專利申請序列號N0.61/915,772的優(yōu)先權和權益，該美國臨時專利申請以整體引用的方式納入本文。
技術領域
[0003]本公開內(nèi)容涉及制造在硅襯底中的半導體器件。更具體地，本發(fā)明涉及能夠承受高電壓的縱向場效應晶體管器件結構。
【背景技術】
[0004]高電壓場效應晶體管(HVFET)也被稱作功率晶體管，在半導體領域是眾所周知的。通常，HVFET包括縱向晶體管器件結構，該縱向晶體管器件結構包括一個延伸的漏極區(qū)域，當該器件處于“斷開(off)”狀態(tài)時該延伸的漏極區(qū)域支持施加的高電壓。此類型的HVFET通常被用在功率轉換應用中，諸如，用于離線電源、馬達控制等的AC/DC轉換器。這些功率晶體管器件可以在高電壓下被切換，并能夠在“斷開”狀態(tài)實現(xiàn)高阻塞電壓，同時使得在“導通(on) ”狀態(tài)時漏極和源極之間的電流流動的阻力最小，該阻力通常被稱作特定導通電阻(Rdson) ο

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供一種縱向功率晶體管器件，包括:
[0006]第一導電類型的半導體層；
[0007]多個圓柱形電介質區(qū)域，位于所述半導體層中，所述圓柱形電介質區(qū)域在縱向方向上從所述半導體層的頂部表面向下延伸，相鄰的圓柱形電介質區(qū)域沿著一個公共直徑軸線被所述半導體層的具有第一寬度的窄區(qū)域橫向隔開；
[0008]每個圓柱形電介質區(qū)域具有位于其中央的圓柱形導電場板構件，所述圓柱形導電場板構件在所述縱向方向上從所述頂部表面向下延伸至所述圓柱形電介質區(qū)域的底部附近，所述圓柱形電介質區(qū)域將所述圓柱形導電場板構件與所述窄區(qū)域橫向隔開；
[0009]所述第一導電類型的源極區(qū)域，位于所述窄區(qū)域的頂部表面處；以及
[0010]所述第一導電類型的漏極區(qū)域，位于所述半導體層下方。
[0011]根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供一種高電壓晶體管，包括:
[0012]—個襯底；
[0013]一個陣列的圓柱形電介質區(qū)域，位于所述襯底中并被布置成三角形布局，每個圓柱形電介質區(qū)域在縱向方向上從所述半導體層的頂部表面向下延伸，相鄰的圓柱形電介質區(qū)域沿著一個公共直徑軸線被所述襯底的具有第一寬度的窄區(qū)域橫向隔開；
[0014]每個圓柱形電介質區(qū)域具有位于其中央的圓柱形導電場板構件，所述圓柱形導電場板構件在所述縱向方向上從所述頂部表面向下延伸至所述圓柱形電介質區(qū)域的底部附近，所述圓柱形電介質區(qū)域將所述圓柱形導電場板構件與所述窄區(qū)域橫向隔開；
[0015]—個源極，位于所述窄區(qū)域的頂部表面處；以及
[0016]—個漏極，位于所述襯底的底部處。
[0017]根據(jù)本發(fā)明的第三方面，提供一種方法，包括:
[0018]在第一導電類型的半導體襯底中形成被所述半導體襯底的窄區(qū)域橫向隔開的多個第一圓柱形溝槽和多個第二圓柱形溝槽，每個所述圓柱形溝槽在縱向方向上從所述半導體襯底的頂部表面向下延伸；
[0019]用電介質材料填充每個所述圓柱形溝槽的至少一部分；
[0020]在所述第一圓柱形溝槽的所述電介質材料中形成導電材料的第一圓柱形場板，在所述第二圓柱形溝槽的所述電介質材料中形成導電材料的第二圓柱形場板，所述第一場板位于所述第一圓柱形溝槽中央，所述第二場板位于所述第二圓柱形溝槽中央，所述第一場板從所述半導體襯底的頂部表面附近縱向向下延伸到所述第一圓柱形溝槽的底部附近，所述第二場板從所述半導體襯底的頂部表面附近縱向向下延伸到所述第二圓柱形溝槽的底部附近；
[0021]在所述窄區(qū)域的上部中形成源極區(qū)域和體區(qū)，所述源極區(qū)域是所述第一導電類型并且所述體區(qū)是所述第一導電類型相對(opposite)的第二導電類型，所述體區(qū)將所述源極與所述窄區(qū)域的下部隔開，所述窄區(qū)域的所述下部包括漂移區(qū)域；以及
[0022]形成嵌入在所述電介質材料中、鄰近所述體區(qū)的柵極，所述柵極與所述體區(qū)、所述第一場板和所述第二場板絕緣(insulate)。
【附圖說明】
[0023]參照附圖描述本發(fā)明的非限制性和非窮舉性實施方案，其中，除非另有指定，否則在所有多種附圖中相同的參考數(shù)字指代相同的部分。
[0024]圖1是具有圓柱形區(qū)域的示例縱向晶體管器件結構的截面立體視圖。
[0025]圖2是圖1中示出的縱向晶體管器件結構的示例布局的俯視圖。
[0026]圖3A是沿切割線A-A’截取的圖2中示出的縱向晶體管器件結構布局的一個實施方案的示例截面?zhèn)纫晥D。
[0027]圖3B是沿切割線A-A’截取的圖2中示出的縱向晶體管器件結構布局的另一個實施方案的示例截面?zhèn)纫晥D。
[0028]圖4是圖3A的實施方案的截面?zhèn)纫晥D，其中曲線圖例示了器件的不同區(qū)域中的電場(E場)分布。
[0029]圖5A-圖5B例示了一個仿真結果，該仿真結果示出對于一個示例縱向晶體管器件對于不同摻雜和電壓條件，電勢等值線與距離的關系。
[0030]在附圖的所有若干視圖中，相應的參考字符指示相應的部件。本領域技術人員將理解，圖中的元件是為了簡化和清楚而例示的從而不必按比例繪制。例如，圖中的某些元件的尺度相對于其它元件可能被夸大，以有助于更好地理解本發(fā)明的多種實施方案。另外，為了便于較少地遮擋本發(fā)明的這些多種實施方案的示圖，通常不描繪出在商業(yè)上可行的實施方案中有用的或必需的通用但熟知的元件。
【具體實施方式】
[0031]在下面的描述中闡述了許多具體的細節(jié)，以提供對本發(fā)明的透徹理解。然而，本領域的普通技術人員應明了，不需要采用具體細節(jié)來實踐本發(fā)明。在其它實例中，為了避免模糊本發(fā)明，沒有詳細描述公知的系統(tǒng)、器件或方法。
[0032]貫穿本說明書引用的“一個實施方案”、“一實施方案”、“一個實施例”或者“一實施例”意味著針對該實施方案或實施例描述的具體特征、結構或者特性包括在本發(fā)明的至少一個實施方案中。因此，在貫穿本說明書的各個位置出現(xiàn)的措辭“在一個實施方案中”、“在一實施方案中”、“一個實施例”或“一實施例”未必全部指的是相同的實施方案或實施例。此外，所述具體特征、結構或特性可以通過任何合適的組合和/或子組合被合并在一個或多個實施方案或實施例中。特定特征、結構或特性可被包括在集成電路、電子電路、組合邏輯電路或提供描述的功能的其它合適的部件中。另外，應理解，隨此提供的附圖用于向本領域普通技術人員進行解釋的目的，并且所述附圖未必按比例繪制。
[0033]出于本公開內(nèi)容的目的，“接地”或“接地電勢”指的是參考電壓或參考電勢，相對于該參考電壓或參考電勢來限定或測量電路或集成電路(IC)的所有其它電壓或電勢。
[0034]描述了具有圓柱形區(qū)域的縱向功率晶體管器件結構。該縱向功率晶體管器件結構具有低的特定導通狀態(tài)電阻并且在斷開狀態(tài)時支持高電壓。在其它實施方案中，相同的器件結構和布局可被用于實現(xiàn)各種不同的器件，包括P-N 二極管、高電壓肖特基二極管、結型場效應晶體管(JFET)、絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)等。
[0035]該高電壓縱向功率晶體管可利用場板，該場板有助于重新成形中央半導體柱或臺面周圍的電場從而增大擊穿電壓。在本申請中描述的縱向功率晶體管器件中的不同區(qū)域的圓柱形結構允許具有增加的電壓額定值的緊湊尺寸和對硅體積的有效利用。
[0036]圖1是具有圓柱形區(qū)域的縱向晶體管器件100的示例截面立體視圖。圖1的縱向晶體管器件結構包括位于半導體層105 (例如，硅)中的多個圓柱形電介質區(qū)域130 (例如，氧化物)，在一個實施方案中半導體層105包括η型外延層。位于每個區(qū)域130 (例如，氧化物電介質區(qū)域)中央并且與半導體層105完全絕緣的是圓柱形導電場板構件150，在一個實施方案中，圓柱形導電場板構件150包括多晶硅。應注意，圓柱形電介質區(qū)域130被布置成由相互偏移的相鄰行組成的布局，使得在沿著區(qū)域130的電介質材料和層105的半導體材料之間的側壁界面的所有點處，任何兩個相鄰的圓柱形電介質區(qū)域130之間的橫向距離是相等的，如通過虛線155Α、155Β和155C的相等長度所例示的。
[0037]如圖1中示出的，圓柱形電介質區(qū)域130在縱向方向上從半導體層105的頂部表面朝向襯底(未示出)向下延伸。圓柱形電介質區(qū)域130的相鄰的圓柱形電介質區(qū)域沿著一個公共直徑軸線(common diametrical axi