專利名稱：帶表面緩沖環終端結構的超結金屬氧化物場效應晶體管的制作方法
技術領域：
本發明屬于半導體功率器件技術領域，涉及一種縱向高壓功率器件，更具體的說， 是關于一種同時具有快速開關和低導通電阻的帶表面緩沖環終端結構的縱向超結金屬氧 化物場效應晶體管。
背景技術：
超結金屬氧化物場效應晶體管是一種具有金屬氧化物半導體晶體管的絕緣柵結 構優點同時具有高電流密度低導通電阻優點的新型器件，它是一種能用于有效地降低傳統 的功率金屬氧化物半導體場效應晶體管的導電損耗的功率半導體器件。它是基于電荷平衡 原理的電荷補償型器件。傳統高壓功率金屬氧化物半導體場效應晶體管器件采用低摻雜的外延漂移層作 電壓支持層，其導通電阻主要就是漂移層電阻。漂移層的耐壓能力由其厚度和摻雜濃度決 定，所以，為了提高擊穿電壓，必須同時增加漂移層厚度和降低其摻雜濃度，這就使得漂移 層的電阻不斷增加，在導通狀態時(尤其是高壓時)，漂移層電阻占導通電阻的絕大部分。超結金屬氧化物場效應晶體管的基本特點是其由間隔η-和ρ-摻雜的區域構成 的漂移區來實現耐壓。傳統高壓功率金屬氧化物半導體場效應晶體管器件在承受反向高 壓時，其主要依靠PN結的縱向耗盡來實現耐壓，在整個器件的PN結處會出現電場強度峰 值，而超結金屬氧化物場效應晶體管由于引入了電荷補償機制，其內部在耗盡耐壓時，電場 分布更加均勻，與傳統高壓功率金屬氧化物半導體場效應晶體管器件的三角形峰值電場分 布，超結金屬氧化物場效應晶體管的器件內部電場在縱向耐壓方向為矩形分布。矩形電場 強度分布，使其整個器件在耗盡耐壓過程中，不出現個別電場峰值。由于垂直方向上插入P 型區，可以補償過量的電流導通電荷。在漂移層加反向偏置電壓，將產生一個橫向電場，使 PN結耗盡。當電壓達到一定值時，漂移層完全耗盡，將起到電壓支持層的作用，因此其電壓 支持層的雜質摻雜濃度可以提高將近一個數量級，由于摻雜濃度的大幅提高，在相同的擊 穿電壓下，導通電阻可以大大降低。因此經過不斷的演化和完善，超結金屬氧化物場效應晶 體管的新結構不斷出現。針對超結金屬氧化物場效應晶體管終端結構的設計也一直是研究者關的焦點。超 結金屬氧化物場效應晶體管終端結構有別于傳統高壓功率金屬氧化物半導體場效應晶體 管器件，其結構的設計可以與內部的超結結構相結合。在相關技術中，有人提出變化PN摻 雜區域的比例，也有人提出按倍率縮小PN摻雜區域的周期等。這些方法都是為了能夠實現 超結金屬氧化物場效應晶體管終端結構更好的耐壓，然而這些方法都會增加額外的工藝制 造過程，使工藝難度和成本增加。
發明內容
本發明提供了一種帶表面緩沖環終端結構的超結金屬氧化物場效應晶體管，其在 不增加工藝難度和成本的前提下，能夠保證耐壓要求的同時，不會增加額外的工藝制造過程，不會加長終端結構的原來尺寸，并且可以更好的優化終端結構的表面電勢分布，有效降低表面的電場強度。本發明采用如下技術方案一種帶表面緩沖環終端結構的超結金屬氧化物場效應晶體管，包括N型摻雜半 導體襯底，在所述N型摻雜半導體襯底上面設有N型摻雜外延層，在所述N型摻雜外延層的 內部設有P型摻雜深阱區，在所述P型摻雜深阱區的上側設有P型摻雜區和P型摻雜緩沖 區，在所述P型摻雜區中設有N型摻雜區，所述P型摻雜區、所述N型摻雜區和部分所述N 型摻雜外延層共同構成所述超結金屬氧化物場效應晶體管的內部原胞源極區域，所述P型 摻雜深阱區、所述P型摻雜緩沖區和部分所述N型摻雜外延層共同構成所述超結金屬氧化 物場效應晶體管的終端耐壓結構區域，在部分所述N型摻雜外延層、部分所述P型摻雜區和 P型摻雜深阱區的上方設有柵氧化層，在部分所述柵氧化層的上方設有多晶硅，所述多晶 硅在所述內部原胞源極區域中構成了所述超結金屬氧化物場效應晶體管的柵電極，所述多 晶硅在所述終端耐壓結構區域中構成了多晶硅場板結構和，在所述內部原胞源極區域的上 方設有金屬層，構成了所述超結金屬氧化物場效應晶體管的源極金屬電極，在所述N型摻 雜半導體襯底的下方設有金屬層，構成了所述超結金屬氧化物場效應晶體管的漏極金屬電 極，在部分所述終端耐壓結構區域的上方設有金屬場板，所述P型摻雜緩沖區附加在所述P 型摻雜深阱區的兩側，所述多晶硅場板結構從所述P型摻雜深阱區的中心向耐壓方向終端 外側延伸，并終止于相鄰兩個P型摻雜深阱區的中間位置，所述多晶硅場板結構位于所述 終端耐壓結構區域的最外側。更進一步，所述多晶硅場板結構的長度與所述多晶硅場板相等。更進一步，所述P型摻雜緩沖區位于P型摻雜深阱區的上表面兩側，且擴散后所述 P型摻雜緩沖區之間彼此不相連。更進一步，所述多晶硅場板結構與所述金屬場板所形成的場板結構是雙層場板結 構。更進一步，所述P型摻雜深阱區是采用深槽腐蝕和硅回填工藝并經過表面平坦化 處理后形成的。與現有技術相比，本發明具有如下優點(1)本發明結構中，在終端耐壓結構區域，P型摻雜的深阱區的上部兩側，設有P型 摻雜的表面緩沖環。當器件反向耐壓時，此表面緩沖環增大了深阱區表面PN結的表面曲率 半徑，優化了表面電勢分布，降低了表面電場，使終端耐壓結構擊穿不會出現表面漏電。并 且只是附加在P型摻雜深阱區的兩側，不影響P型摻雜的深阱區的內部濃度分布，不會破壞 電荷平衡關系。(2)本發明結構中，表面緩沖環結構的設置不會增加器件制造工藝步驟，其使用與 原胞區域的P型摻雜區相同的阱結構，并且不影響P型摻雜深阱區的結構和濃度。(3)本發明結構采用了多晶硅場板結構及金屬場板的雙層場板結構。在終端耐壓 結構區域內部，多晶場板從P型深阱的中心向耐壓向終端外側延伸，并終止于兩個P型摻雜 深阱區的中間位置。多晶場板的位置布局使與之有交疊的P型摻雜深阱區的電勢向終端結 構耐壓方向延伸，但又不影響到與之相鄰的另一個P型摻雜深阱區，從而降低表面電場強 度，從而增大了器件的橫向耐壓。
圖1是本發明的一種帶表面緩沖環終端結構的超結金屬氧化物場效應晶體管的一實施例的剖面圖。圖2是圖1中本發明的一種帶表面緩沖環終端結構的超結金屬氧化物場效應晶體 管的表面俯視示意圖。圖3是圖1中本發明的超結金屬氧化物場效應晶體管的不包含表面緩沖環的終端 結構的耐壓耗盡圖。圖4是圖1中本發明的超結金屬氧化物場效應晶體管的包含表面緩沖環的終端結 構的耐壓耗盡圖。等勢線分布與圖3相比更加均勻。圖5是圖1中本發明的超結金屬氧化物場效應晶體管的不包含表面緩沖環的終端 結構的表面電勢圖。圖6是圖1中本發明的超結金屬氧化物場效應晶體管的包含表面緩沖環的終端結 構的表面電勢圖。
具體實施例方式參照圖1，一種帶表面緩沖環終端結構的超結金屬氧化物場效應晶體管，包括N 型摻雜半導體襯底1，在所述N型摻雜半導體襯底1上面設有N型摻雜外延層2，在所述N 型摻雜外延層2的內部設有P型摻雜深阱區3，在所述P型摻雜深阱區3的上側設有P型 摻雜區4和P型摻雜緩沖區5，在所述P型摻雜區4中設有N型摻雜區6，所述P型摻雜區 4、所述N型摻雜區6和部分所述N型摻雜外延層2共同構成所述超結金屬氧化物場效應晶 體管的內部原胞源極區域11，所述P型摻雜深阱區3、所述P型摻雜緩沖區5和部分所述N 型摻雜外延層2共同構成所述超結金屬氧化物場效應晶體管的終端耐壓結構區域12，在部 分所述N型摻雜外延層2、部分所述P型摻雜區4和P型摻雜深阱區3的上方設有柵氧化 層，在部分所述柵氧化層的上方設有多晶硅，所述多晶硅在所述內部原胞源極區域11中構 成了所述超結金屬氧化物場效應晶體管的柵電極7，所述多晶硅在所述終端耐壓結構區域 12中構成了多晶硅場板結構8和14，在所述內部原胞源極區域11的上方設有金屬層，構成 了所述超結金屬氧化物場效應晶體管的源極金屬電極9，在所述N型摻雜半導體襯底1的 下方設有金屬層，構成了所述超結金屬氧化物場效應晶體管的漏極金屬電極10，在部分所 述終端耐壓結構區域12的上方設有金屬場板13，所述P型摻雜緩沖區5附加在所述P型 摻雜深阱區3的兩側，所述多晶硅場板結構8從所述P型摻雜深阱區3的中心向耐壓方向 終端外側延伸，并終止于相鄰兩個P型摻雜深阱區3的中間位置，所述多晶硅場板結構14 位于所述終端耐壓結構區域12的最外側。所述多晶硅場板結構的長度與所述多晶硅場板 相等。所述P型摻雜緩沖區位于P型摻雜深阱區的上表面兩側，且擴散后所述P型摻雜緩 沖區之間彼此不相連。所述多晶硅場板結構與所述金屬場板所形成的場板結構是雙層場板 結構。本發明中，P型摻雜深阱區3的濃度高于N型摻雜外延層2的濃度，P型摻雜緩沖區 5的濃度高于P型摻雜深阱區3的濃度，所述器件結構的內部原胞源極區域11在器件的長 度方向上是由P型摻雜深阱區3和N型摻雜外延層2交替排列形成的，且P型摻雜深阱區 3和N型摻雜外延層2之間的寬度比例和濃度比例由該器件所應滿足的導通電流的大小和最低耐壓要求共同決定。參照圖2，該圖為該發明的一種帶表面緩沖環終端結構的超結金屬氧化物場效應 晶體管的表面俯視示意圖，圖中AA’代表圖1所示終端耐壓結構區域12區域的橫切截面位置。本發明的具體實驗效果如圖3-圖6所示，其中圖3是圖1中本發明的超結金屬氧 化物場效應晶體管的不包含表面緩沖環的終端結構的耐壓耗盡圖。圖4是圖1中本發明的 超結金屬氧化物場效應晶體管的含表面緩沖環的終端結構的耐壓耗盡圖，圖3和圖4中的 橫坐標表示器件結構的橫向尺寸坐標，縱坐標表示器件結構的縱向尺寸坐標。圖4中的等 勢線分布與圖3相比更加均勻，不出現集中漏電。圖5和圖6中的橫坐標表示器件結構的 橫向尺寸坐標，縱坐標表示器件的表面電勢。圖5是圖1中本發明的超結金屬氧化物場效 應晶體管的不包含表面緩沖環的終端結構的表面電勢圖，電勢分布不均勻。圖6是圖1中 本發明的超結金屬氧化物場效應晶體管的包含表面緩沖環的終端結構的表面電勢圖，電勢 分布與圖5相比更加均勻。
本發明采用如下方法來制備1、取一塊N型高濃度摻雜硅片1，外延生長N型外延層2，然后采用離子注入和后 續的退火工藝形成P型摻雜區4和P型摻雜緩沖區5 ；2、采用深槽腐蝕和硅回填工藝，表面平坦化處理后形成P型摻雜深阱區3，然后經 過熱生長生成柵氧化層；3、接著淀積多晶硅，并進行刻蝕形成多晶硅柵7和多晶硅場板結構8、14，然后經 過離子注入和退火工藝形成N型摻雜源極接觸區域6 ；4、經過淀積鋁和刻蝕鋁工藝，形成金屬層9作為器件的源極，金屬層10作為器件 的漏極，金屬層13作為器件的金屬場板，最后進行后續鈍化處理。
權利要求
一種帶表面緩沖環終端結構的超結金屬氧化物場效應晶體管，包括N型摻雜半導體襯底(1)，在所述N型摻雜半導體襯底(1)上面設有N型摻雜外延層(2)，在所述N型摻雜外延層(2)的內部設有P型摻雜深阱區(3)，在所述P型摻雜深阱區(3)的上側設有P型摻雜區(4)和P型摻雜緩沖區(5)，在所述P型摻雜區(4)中設有N型摻雜區(6)，所述P型摻雜區(4)、所述N型摻雜區(6)和部分所述N型摻雜外延層(2)共同構成所述超結金屬氧化物場效應晶體管的內部原胞源極區域(11)，所述P型摻雜深阱區(3)、所述P型摻雜緩沖區(5)和部分所述N型摻雜外延層(2)共同構成所述超結金屬氧化物場效應晶體管的終端耐壓結構區域(12)，在部分所述N型摻雜外延層(2)、部分所述P型摻雜區(4)和P型摻雜深阱區(3)的上方設有柵氧化層，在部分所述柵氧化層的上方設有多晶硅，所述多晶硅在所述內部原胞源極區域(11)中構成了所述超結金屬氧化物場效應晶體管的柵電極(7)，所述多晶硅在所述終端耐壓結構區域(12)中構成了多晶硅場板結構(8)和(14)，在所述內部原胞源極區域(11)的上方設有金屬層，構成了所述超結金屬氧化物場效應晶體管的源極金屬電極(9)，在所述N型摻雜半導體襯底(1)的下方設有金屬層，構成了所述超結金屬氧化物場效應晶體管的漏極金屬電極(10)，在部分所述終端耐壓結構區域(12)的上方設有金屬場板(13)，其特征在于，所述P型摻雜緩沖區(5)附加在所述P型摻雜深阱區(3)的兩側，所述多晶硅場板結構(8)從所述P型摻雜深阱區(3)的中心向耐壓方向終端外側延伸，并終止于相鄰兩個P型摻雜深阱區(3)的中間位置，所述多晶硅場板結構(14)位于所述終端耐壓結構區域(12)的最外側。
2.根據權利要求1所述的帶表面緩沖環終端結構的超結金屬氧化物場效應晶體管，其 特征在于，所述多晶硅場板結構(14)的長度與所述多晶硅場板(8)相等。
3.根據權利要求1所述的帶表面緩沖環終端結構的超結金屬氧化物場效應晶體管，其 特征在于，所述P型摻雜緩沖區(5)位于P型摻雜深阱區(3)的上表面兩側，且擴散后所述 P型摻雜緩沖區(5)之間彼此不相連。
4.根據權利要求1所述的帶表面緩沖環終端結構的超結金屬氧化物場效應晶體管，其 特征在于，所述多晶硅場板結構(8)與所述金屬場板(13)所形成的場板結構是雙層場板結 構。
5.根據權利要求1所述的帶表面緩沖環終端結構的超結金屬氧化物場效應晶體管，其 特征在于，所述P型摻雜深阱區(3)是采用深槽腐蝕和硅回填工藝并經過表面平坦化處理 后形成的。
全文摘要
本發明公開了一種帶表面緩沖環終端結構的超結金屬氧化物場效應晶體管，包括N型摻雜半導體襯底，在所述N型摻雜半導體襯底上面設有N型摻雜外延層，在N型摻雜外延層的內部設有P型摻雜深阱區，在所述P型摻雜深阱區的上側設有P型摻雜區和P型摻雜緩沖區，在所述P型摻雜區中設有高濃度的N型摻雜區，在部分柵氧化層的上方設有多晶硅，多晶硅在終端結構區域構成了多晶硅場板結構，并且與該帶表面緩沖環終端結構的超結金屬氧化物場效應晶體管中源端延伸到過渡區的金屬場板，共同構成雙層場板，其能夠降低表面電場峰值，優化表面電勢分布，有效的提高器件的橫向耐壓水平。
文檔編號H01L29/78GK101840933SQ201010146489
公開日2010年9月22日 申請日期2010年4月13日 優先權日2010年4月13日
發明者劉俠, 易揚波, 李海松, 王欽 申請人:蘇州博創集成電路設計有限公司