專利名稱：垂直超結雙擴散金屬氧化物半導體器件及制造方法
技術領域：
本發明涉及功率半導體器件，尤其涉及一種垂直超結雙擴散金屬氧化物半導體器 件及制造方法。
背景技術：
垂直雙擴散金屬氧化物半導體(vertical double-diffusedmetal-oxide-semico nductor, VDM0S)器件作為功率電子的重要基礎，以其高耐壓、高頻等特性常用于功率集成 電路和功率集成系統中。垂直雙擴散金屬氧化物半導體的耐壓區決定著垂直雙擴散金屬氧化物半導體的 一些電學性能，例如，耐壓區的耐壓能力與它的摻雜濃度及厚度有關，垂直雙擴散金屬氧化 物半導體的導通電阻也與耐壓區的摻雜濃度及厚度有關，摻雜濃度愈低，厚度愈大，耐壓能 力愈高，導通電阻愈大。對于垂直雙擴散金屬氧化物半導體，一方面期望提高垂直雙擴散金屬氧化物半導 體的耐壓區的摻雜濃度，以降低垂直雙擴散金屬氧化物半導體的導通電阻，另一方面又期 望降低垂直雙擴散金屬氧化物半導體的耐壓區的摻雜濃度，以提高耐壓區的耐壓能力。圖1所示為美國專利US005216275A(
公開日1993年6月1日)披露的一種垂直 雙擴散金屬氧化物半導體，該VDMOS包括N+(或P+)襯底4、形成于所述N+(或P+)襯底4上 的復合緩沖層(composite buffer layer)(該復合緩沖層就是耐壓區)、形成于所述復合緩 沖層上的P (或N)擴散層3、在所述P (或N)擴散層3內形成的N+(或P+)源區2、形成于所 述P (或N)擴散層3上的柵極1以及金屬電極G、S、D。所述復合緩沖層由兩種導電類型的材料相間排列組成——P區和N區相間排列， 所述復合緩沖層中的每個P區6被相鄰的N區7包圍，每個N區7被相鄰的P區6包圍。圖2A 圖2C所示為圖1中復合緩沖層的俯視圖(top view)，所述復合緩沖層的 橫截面可以呈條狀結構(如圖2A)，即在所述復合緩沖層的橫截面上，每個長條狀N區的兩 旁是P區，每個長條狀P區的兩旁是N區；可以呈六角形單元、方形單元、長方形單元或三 角形單元密堆集結構，每個單元的中央是圓形、六角形、方形、長方形或三角形的N區(或P 區)，其他部分是P區(或N區)，如圖2B所示，所述復合緩沖層的橫截面呈六角形單元密 堆集結構，每個單元的中央是圓形N區(或P區)，其他部分是P區(或N區)；還可以呈鑲 嵌式結構，即在所述復合緩沖層的橫截面上，P區及N區或者都是方形、或者都是正三角形、 或者都是正六角形，P區與N區間隔排列，如圖2C所示，所述復合緩沖層的橫截面呈方形P 區與方形N區間隔排列的鑲嵌式結構。再參見圖1，所述復合緩沖層中每個P區或N區的直徑沿縱向相等。現簡單說明所述復合緩沖層的制作方法一種方法是，在N+(或P+)襯底4上淀積N(或P)外延層(印i)5，在所述N(或P) 外延層5內進行選擇開垂直槽51，如圖3A所示；用P (或N)半導體材料填充所述垂直槽51即得復合緩沖層，如圖3B所示；
另一種方法是，在N+(或P+)襯底4上淀積N(或P)外延層(印i)5，通過光刻，在 所述N(或P)外延層(印i) 5的表面上形成圖案化的光刻膠層52，如圖4A所示；采用離子注入法向選擇區域內注入PS (或N型)雜質，使得所述選擇區域由N 區(或P區)變成P區(或N區)，即得復合緩沖層，如圖4B所示。具有復合緩沖層的垂直雙擴散金屬氧化物半導體，在所述復合緩沖層耗盡時，兩 種導電類型的材料(P區和N區)提供符號相反的電荷，其產生的電場大部分被互相抵消， 因此，采用復合緩沖層作耐壓區可以提高耐壓區的摻雜濃度，降低導通電阻，如何在不影響 耐壓區的耐壓能力下提高耐壓區的摻雜濃度是本領域技術人員一直探索的問題，而現有技 術的復合緩沖層中每個P區或N區的直徑沿縱向相等，每個P區及N區的摻雜濃度沒有達 到最大化。
發明內容
本發明的目的在于提供一種垂直超結雙擴散金屬氧化物半導體器件及制造方法， 在不影響耐壓區的耐壓能力下，進一步提高耐壓區的摻雜濃度。為了達到上述的目的，本發明提供一種垂直超結雙擴散金屬氧化物半導體器件， 包括P區與N區橫向相間密堆集形成的復合緩沖層、所述復合緩沖層位于襯基及擴散層之 間，其特征在于，所述復合緩沖層中每個P區和每個N區的直徑沿縱向漸變。上述垂直超結雙擴散金屬氧化物半導體器件，其中，所述復合緩沖層的厚度為 6 u m ~ 70 u m上述垂直超結雙擴散金屬氧化物半導體器件，其中，所述復合緩沖層中每個P區 和每個N區的縱截面呈梯形。上述垂直超結雙擴散金屬氧化物半導體器件，其中，沿縱向，每個區的最小直徑與 最大直徑之比為1 3 1 2。上述垂直超結雙擴散金屬氧化物半導體器件，其中，所述復合緩沖層中每個N區 和每個P區內的雜質分布不均勻。上述垂直超結雙擴散金屬氧化物半導體器件，其中，若所述襯基為重摻雜N型半 導體材料，N區靠近所述襯基處的雜質濃度大于靠近所述擴散層處的雜質濃度，P區靠近所 述襯基處的雜質濃度小于靠近所述擴散層處的雜質濃度；若所述襯基為重摻雜P型半導體 材料，N區靠近所述襯基處的雜質濃度小于靠近所述擴散層處的雜質濃度，P區靠近所述襯 基處的雜質濃度大于靠近所述擴散層處的雜質濃度。上述垂直超結雙擴散金屬氧化物半導體器件，其中，所述復合緩沖層中，N區有效 施主總電荷與P區有效受主總電荷相等。本發明提供的另一種技術方案是，一種垂直超結雙擴散金屬氧化物半導體器件的 制造方法，包括以下步驟在襯基的表面上形成第一外延薄膜，該第一外延薄膜為第一導電 類型材料；通過光刻，在所述第一外延薄膜內定義第二導電類型材料區；對定義的第二導 電類型材料區進行摻雜，使所述第一外延薄膜變成第一導電類型材料區與第二導電類型材 料區相間的薄膜；重復上述步驟，制作出第一導電類型材料區與第二導電類型材料區相間 的第i外延薄膜，使第i外延薄膜內的第一導電類型材料區疊加在第i_l外延薄膜內的第 一導電類型材料區上，第i外延薄膜內的第二導電類型材料區疊加在第i_l外延薄膜內的第二導電類型材料區上，且各層第一導電類型材料區和第二導電類型材料區的直徑沿縱向 漸變，其中，i = 2,3,......，m。上述垂直超結雙擴散金屬氧化物半導體器件的制造方法，其中，各層外延薄膜滿 足p PivPi = p NivNi，其中，p Pi表示第i外延薄膜內P區的雜質濃度，VPi表示第i外延薄 膜內P區的體積，p Ni表示第i外延薄膜內N區的雜質濃度，VNi表示第i外延薄膜內N區 的體積，則P PiVPi等于或近似等于PNiVNi。上述垂直超結雙擴散金屬氧化物半導體器件的制造方法，其中，對定義的第二導 電類型材料區進行摻雜時，摻雜濃度為2E15/cm3 lE17/cm3。本發明的垂直超結雙擴散金屬氧化物半導體器件及制造方法，復合緩沖層(即耐 壓區)中每個N區和P區采用直徑沿縱向漸變的結構，能提高復合緩沖層的摻雜濃度，降低 垂直超結雙擴散金屬氧化物半導體器件的導通電阻，提高垂直超結雙擴散金屬氧化物半導 體器件的擊穿電壓。
本發明的垂直超結雙擴散金屬氧化物半導體器件及制造方法由以下的實施例及 附圖給出。圖1是現有技術的垂直雙擴散金屬氧化物半導體器件的縱向剖視圖。圖2A 圖2C是圖1中復合緩沖層的俯視圖。圖3A 圖3B是圖1中復合緩沖層的一種制作流程圖。圖4A 圖4B是圖1中復合緩沖層的另一種制作流程圖。圖5是本發明垂直超結雙擴散金屬氧化物半導體器件的縱向剖視圖。圖6A 圖61是本發明垂直超結雙擴散金屬氧化物半導體器件的制造流程圖。
具體實施例方式以下將結合圖5及圖6A 圖61對本發明的垂直超結雙擴散金屬氧化物半導體器 件及制造方法作進一步的詳細描述。參見圖5，本發明垂直超結雙擴散金屬氧化物半導體器件包括多個垂直雙擴散金 屬氧化物半導體單元，相鄰的兩個垂直雙擴散金屬氧化物半導體單元共柵極，相鄰垂直雙 擴散金屬氧化物半導體單元之間相互隔離；每一個垂直雙擴散金屬氧化物半導體單元包括N+(或P+)襯基101、形成于所述 N+(或P+)襯基101上的復合緩沖層102、形成于所述復合緩沖層102上的P (或N)擴散層 103、形成于所述P (或N)擴散層103內的P (或N)阱104、形成于所述P (或N)阱104內的 N+(或P+)源區105及形成于所述P_(或N_)擴散層103上的多晶硅柵極106，所述多晶硅柵 極106覆蓋所述P (或N)阱104;所述復合緩沖層102由兩種導電類型的材料橫向相間密堆集排列組成，即P區與 N區橫向相間密堆集排列，所述復合緩沖層102中每個P區和每個N區均與所述N+(或P+) 襯基101及P (或N)擴散層103相交，所述復合緩沖層102中的每個P區被相鄰的N區包 圍，每個N區被相鄰的P區包圍；每個P區(或N區)的直徑R沿縱向漸變，如圖5所示，所述復合緩沖層102中每個P區(或N區)的縱截面呈梯形，沿縱向，每個P區(或N區)的最小直徑與最大直徑之 比為1 3 1 2，優先地，每個P區(或N區)的最大直徑與最小直徑之比為1 2。以下說明本發明垂直超結雙擴散金屬氧化物半導體器件的制造方法參見圖6A，在襯基101的表面上形成第一外延薄膜210 ；所述襯基101為重摻雜N型(或P型)半導體材料，如N+(或P+)硅襯基；所述第一外延薄膜210為N型(或PS)半導體材料，如，N(或P)硅；形成所述第一外延薄膜210可以先采用化學氣相淀積CVD法淀積一半導體材料薄 膜，再對該半導體材料薄膜進行摻雜；參見圖6B，通過光刻，在所述第一外延薄膜210表面上形成圖案化的光刻膠層 310，定義P (或N)區107 ；所述光刻膠層310掩蔽的區域為N(或P)區108，定義的P (或N)區107的直徑 R1與相鄰的N (或P)區108的直徑R2不相等；參見圖6C，采用離子注入法對選定區域進行PS (或N型)雜質摻雜，使所述第一 外延薄膜210變成N區與P區相間的薄膜；摻雜濃度為2E15/cm3 lE17/cm3 ；參見圖6D，在所述第一外延薄膜210的表面上形成第二外延薄膜220 ；所述第二外延薄膜220為N型(或P型)半導體材料，如，N(或P)硅；形成所述第二外延薄膜220可以先采用化學氣相淀積CVD法淀積一半導體材料薄 膜，再對該半導體材料薄膜進行摻雜；參見圖6E，通過光刻，在所述第二外延薄膜220表面上形成圖案化的光刻膠層 320，定義P (或N)區109 ；所述光刻膠層320掩蔽的區域為N(或P)區110，定義的P (或N)區109的直徑R 3與相鄰的N(或P)區110的直徑R4不相等；在所述第二外延薄膜220內定義的P (或N)區109疊加在所述第一外延薄膜210 內的P(或N)區107上，所述光刻膠層320掩蔽的N(或P)區110疊加在所述第一外延薄 膜210內的N (或P)區108上；所述光刻膠層320掩蔽的N(或P)區110的直徑R4大于所述第一外延薄膜210 內的N (或P)區108的直徑R2 ；所述光刻膠層320定義的P (或N)區109的直徑R3小于所述第一外延薄膜210 內的P(或N)區107的直徑R1 ；參見圖6F，采用離子注入法對選定區域進行PS (或N型)雜質摻雜，使所述第二 外延薄膜220變成N區與P區相間的薄膜；摻雜濃度為2E15/cm3 lE17/cm3 ；采用相同的方法制作N區與P區相間的第三外延薄膜、N區與P區相間的第四外
延薄膜.......N區與P區相間的第i外延薄膜，直至第i外延薄膜內P(或N)區的直徑為
所述第一外延薄膜210內P (或N)區107的直徑的1/3 1/2，如圖6G所示，其中i = 2， 3,......, m ；這樣就制作出N區與P區相間的復合緩沖層；所述復合緩沖層中每個N區和每個P區內的雜質分布是不均勻的，若襯基為重摻
6雜N型半導體材料，N區靠近襯基處的雜質濃度大于靠近擴散層處的雜質濃度，P區靠近襯基處的雜質濃度小于靠近擴散層處的雜質濃度；若襯基為重摻雜P型半導體材料，N區靠近 襯基處的雜質濃度小于靠近擴散層處的雜質濃度，P區靠近襯基處的雜質濃度大于靠近擴 散層處的雜質濃度；用ρ Pi表示第i外延薄膜內P區的雜質濃度，Vpi表示第i外延薄膜內P區的體積， P Ni表示第i外延薄膜內N區的雜質濃度，VNi表示第i外延薄膜內N區的體積，則P PiVPi
等于或近似等于PNiVNi，其中i = 2,3,......，m，即所述復合緩沖層中，N區有效施主總電
荷與P區有效受主總電荷相等或近似相等；所述復合緩沖層的厚度為6μπι 70μπι;參見圖6Η，在N區與P區相間的第η外延薄膜的外表面上形成一 P(或N)擴散層 103，并在所述P (或N)擴散層103內制作出隔離槽111 ；參見圖61，通過選擇性摻雜，在所述P (或N)擴散層103內形成P (或N)阱104 ；接著通過選擇性摻雜，在所述P (或N)阱104內形成N+(或P+)源區105，通過掩 蔽，在所述P (或N)擴散層103的外表面上形成多晶硅柵極106，如圖5所示。垂直超結雙擴散金屬氧化物半導體器件在關閉(off)時，P區/N區必須完全耗盡 才能獲得最高可能的擊穿電壓，由于所述N(或P)區靠近所述襯基101的一端比較窄，在所 需擊穿電壓相同時，所述N(或P)區靠近所述襯基101的一端耗盡會比靠近所述柵極106 的一端快，因此，對該N(或P)區而言，可以適當提高底部的摻雜濃度，從而降低導通電阻， 另外，所述N(或P)區的摻雜濃度從所述柵極106到所述襯基101逐漸提高，可以獲得最大 可能的擊穿電壓。
權利要求
一種垂直超結雙擴散金屬氧化物半導體器件，包括P區與N區橫向相間密堆集形成的復合緩沖層、所述復合緩沖層位于襯基及擴散層之間，其特征在于，所述復合緩沖層中每個P區和每個N區的直徑沿縱向漸變。
2.如權利要求1所述的垂直超結雙擴散金屬氧化物半導體器件，其特征在于，所述復 合緩沖層的厚度為6 μ m 70 μ m。
3.如權利要求1所述的垂直超結雙擴散金屬氧化物半導體器件，其特征在于，所述復 合緩沖層中每個P區和每個N區的縱截面呈梯形。
4.如權利要求1所述的垂直超結雙擴散金屬氧化物半導體器件，其特征在于，沿縱向， 每個區的最小直徑與最大直徑之比為1 3 1 2。
5.如權利要求1所述的垂直超結雙擴散金屬氧化物半導體器件，其特征在于，所述復 合緩沖層中每個N區和每個P區內的雜質分布不均勻。
6.如權利要求5所述的垂直超結雙擴散金屬氧化物半導體器件，其特征在于，若所述 襯基為重摻雜N型半導體材料，N區靠近所述襯基處的雜質濃度大于靠近所述擴散層處的 雜質濃度，P區靠近所述襯基處的雜質濃度小于靠近所述擴散層處的雜質濃度；若所述襯 基為重摻雜P型半導體材料，N區靠近所述襯基處的雜質濃度小于靠近所述擴散層處的雜 質濃度，P區靠近所述襯基處的雜質濃度大于靠近所述擴散層處的雜質濃度。
7.如權利要求1所述的垂直超結雙擴散金屬氧化物半導體器件，其特征在于，所述復 合緩沖層中，N區有效施主總電荷與P區有效受主總電荷相等。
8.—種垂直超結雙擴散金屬氧化物半導體器件的制造方法，其特征在于，包括以下步驟在襯基的表面上形成第一外延薄膜，該第一外延薄膜為第一導電類型材料；通過光刻，在所述第一外延薄膜內定義第二導電類型材料區；對定義的第二導電類型材料區進行摻雜，使所述第一外延薄膜變成第一導電類型材料 區與第二導電類型材料區相間的薄膜；重復上述步驟，制作出第一導電類型材料區與第二導電類型材料區相間的第i外延薄 膜，使第i外延薄膜內的第一導電類型材料區疊加在第i_l外延薄膜內的第一導電類型材 料區上，第i外延薄膜內的第二導電類型材料區疊加在第i_l外延薄膜內的第二導電類型 材料區上，且各層第一導電類型材料區和第二導電類型材料區的直徑沿縱向漸變，其中，i =2,3,......, m0
9.如權利要求8所述的垂直超結雙擴散金屬氧化物半導體器件的制造方法，其特征在 于，各層外延薄膜滿足P PiVPi = pNiVNi，其中，P Pi表示第i外延薄膜內P區的雜質濃度， Vpi表示第i外延薄膜內P區的體積，P Ni表示第i外延薄膜內N區的雜質濃度，VNi表示第 i外延薄膜內N區的體積，則P PiVpi等于或近似等于P NiVNi。
10.如權利要求8所述的垂直超結雙擴散金屬氧化物半導體器件的制造方法，其特征 在于，對定義的第二導電類型材料區進行摻雜時，摻雜濃度為2E15/cm3 lE17/cm3。
全文摘要
本發明涉及垂直超結雙擴散金屬氧化物半導體器件及制造方法，該垂直超結雙擴散金屬氧化物半導體器件包括P區與N區相間密堆集形成的復合緩沖層，所述復合緩沖層中每個P區和每個N區的直徑沿縱向漸變。本發明垂直超結雙擴散金屬氧化物半導體器件及制造方法在不影響耐壓區的耐壓能力下，進一步提高耐壓區的摻雜濃度，從而降低了垂直超結雙擴散金屬氧化物半導體器件的導通電阻，提高了垂直超結雙擴散金屬氧化物半導體器件的擊穿電壓。
文檔編號H01L29/36GK101872783SQ20101018736
公開日2010年10月27日 申請日期2010年5月28日 優先權日2010年5月28日
發明者劉正超 申請人:上海宏力半導體制造有限公司