CN101552291B - N沟道超结纵向双扩散金属氧化物半导体管 - Google Patents

Abstract

一种N沟道超结纵向双扩散金属氧化物半导体管，包括：兼做漏区的N型掺杂硅衬底、N型掺杂硅外延层、原胞区域和设在原胞区域周围的终端区域，所述的N型掺杂硅外延层设在N型掺杂硅衬底上，原胞区域和终端区域设在N型掺杂硅外延层上，所述的终端区域包括第一超结结构和N型硅掺杂半导体区，其中第一超结结构包括P型柱和N型柱，在N型硅掺杂半导体区中设有N型重掺杂半导体区，在第一超结结构和N型硅掺杂半导体区上设有场氧化层，在N型重掺杂半导体区上连接有金属层，其特征在于在第一超结结构和N型硅掺杂半导体区上设有场氧化层。

Description

N沟道超结纵向双扩散金属氧化物半导体管

技术领域：

本发明涉及一种硅制高压功率金属氧化物半导体器件，更准确的讲，涉及一种硅制高压超结纵向双扩散金属氧化物半导体场效应晶体管(super junctionVDMOS，即超结VDMOS，以下均简写为超结VDMOS)。

背景技术：

目前，功率器件在日常生活、生产等领域的应用越来越广泛，特别是功率金属氧化物半导体场效应晶体管，由于它们拥有较快的开关速度、较小的驱动电流、较宽的安全工作区，因此受到了众多研究者们的青睐。如今，功率器件正向着提高工作电压、增大工作电流、减小导通电阻和集成化的方向快速发展。在众多的功率金属氧化物半导体场效应晶体管器件中，尤其是在纵向功率金属氧化物半导体场效应晶体管中，超结半导体功率器件的发明，它克服传统功率MOS晶体管导通电阻与击穿电压之间的矛盾，改变了传统功率器件依靠漂移层耐压的结构，而是采用了一种“超结结构”--P型、N型硅半导体材料柱状相互交替排列的形式。这种结构改善了击穿电压和导通电阻不易同时兼顾的情况，在截止态时，由于P型柱和N型柱中的耗尽区电场产生相互补偿效应，使P型和N型柱的掺杂浓度可以做得很高而不会引起器件击穿电压的下降。导通时，这种高浓度的掺杂使器件的导通电阻明显降低。由于超结VDMOS的这种独特器件结构，使它的电性能明显优于传统功率金属氧化物半导体场效应晶体管，因此这种技术被人们称为功率金属氧化物半导体场效应晶体管技术上的一个里程碑。如今，功率器件的原胞区域已经可以能够通过设计使其达到上千伏的耐压水平，但是在实际的生产过程中，还需要考虑晶体管的边缘区域，对于垂直器件来说，一个芯片的边缘部分的原胞除了要承受垂直方向上的电压外还要承受水平方向上的电压，因此器件的终端边缘区域成为制约整个器件击穿电压的一个不可忽视的因素。因此，要使一个晶体管的整体耐压提高，终端边缘区域的结构也必须经过优化和改善。

对于传统的功率器件的终端结构来说，除了在体硅表面制作场板等终端结构之外，在体硅内部利用较低浓度的漂移层来保证耐压水平，但是由于超结器件特殊的原胞结构，漂移区的浓度较高，漂移层的厚度也较小，普通的高压功率器件的终端结构不再适合超结结构器件。因此在超结结构器件中，目前应用最为普遍的是附图2的结构，该结构将超结VDMOS的终端结构分成了两部分：一部分是过渡区域；另一部分是终端边缘区域，主要依据的设计原理仍是超结结构耐压原理。

发明内容：

本发明提出了一种N沟道超结纵向双扩散金属氧化物半导体管，该结构不仅保证了晶体管整体耐压水平，而且与同等耐压水平的传统超结VDMOS晶体管相比，面积大幅度减小，增大了晶体管的有效工作区域的面积，大幅度的增大了晶体管的工作电流。

本发明采用如下技术方案：

本发明提出的这种的N沟道超结纵向双扩散金属氧化物半导体管，是一种具有超结结构的纵向功率器件，这种晶体管结构的制造工艺除多了一次窗口深氧注入工艺外，兼顾了传统超结功率器件的制造工艺。

一种N沟道超结纵向双扩散金属氧化物半导体管，包括：兼做漏区的N型掺杂硅衬底、N型掺杂硅外延层、原胞区域和设在原胞区域周围的终端区域，所述的N型掺杂硅外延层设在N型掺杂硅衬底上，原胞区域和终端区域设在N型掺杂硅外延层上，所述的终端区域包括第一超结结构和N型硅掺杂半导体区，其中第一超结结构包括P型柱和N型柱，在N型硅掺杂半导体区中设有N型重掺杂半导体区，在第一超结结构和N型硅掺杂半导体区上设有场氧化层，在N型重掺杂半导体区上连接有金属层，在第一超结结构和N型硅掺杂半导体区下设有埋氧化层。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

1、本发明结构在晶体管的终端区域14中的第一超结结构和N型硅掺杂半导体区2的下方设置了埋氧化层15，该埋氧化层承担了一部分电场强度，使得在保证器件整体耐压水平的情况下，降低了晶体管的终端结构所承受的横向电场强度，即漏极电压一定时，N型硅掺杂半导体区2处的电势远低于外延层2处的电势，从而可以减少晶体管终端结构区域的长度，并且去除了传统终端结构中所具有的过渡区域，从而进一步减小了晶体管终端区域的面积，增大了晶体管有效工作区域的面积，大幅度的提高了晶体管的工作电流。

2、本发明结构采用的埋氧层15，从终端区域14中的第一超结结构的始端一直延伸到N型硅掺杂半导体区2的末端，从而降低了终端表面的漏电流的大小，提高了器件的可靠性和稳定性。

附图说明

图1是本发明的N沟道超结纵向双扩散金属氧化物半导体管的结构示意图。

图2是传统N沟道超结纵向双扩散金属氧化物半导体管的结构示意图。

图3a是通过仿真软件得出的采用传统终端区域结构的耐压为700V的晶体管的器件结构图，S1表示的是终端区域的长度；

图3b是通过仿真软件得出的采用本发明的终端区域结构的耐压为700V的晶体管的器件结构图，S2表示的是终端区域的长度，且S2为S1的28.1％。

图4是沿着AA’方向上的电势的分布图，虚线表示的是图3b结构，实线表示的是图3a结构，从图中可以看出图3b结构的横向峰值电势比图3a结构低了约120V。

具体实施方式

一种N沟道超结纵向双扩散金属氧化物半导体管，包括：兼做漏区的N型掺杂硅衬底1、N型掺杂硅外延层2、原胞区域13和设在原胞13周围的终端区域14，N型掺杂硅外延层2设在N型掺杂硅衬底1上，原胞区域13和终端区域14设在N型掺杂硅外延层2上，所述的终端区域14包括第一超结结构和N型硅掺杂半导体区2，在N型硅掺杂半导体区2中设有N型重掺杂半导体区16，在第一超结结构和N型硅掺杂半导体区2上设有场氧化层10，在N型重掺杂半导体区16上连接有金属层11，在N型掺杂硅外延层2下方设有埋氧化层15。

在本实施例中，

所述的埋氧化层15从N型硅掺杂半导体区2的下方区域一直延伸到第一超结结构的下方区域。

所述的原胞区域13包括第二超结结构，在第二超结结构的P型柱4上设有P型掺杂硅半导体区5且P型掺杂硅半导体区5延伸进入与所述P型柱4相邻的N型柱3内，在P型掺杂硅半导体区5中设有N型重掺杂源区6，在第二超结结构、P型掺杂硅半导体区5及N型重掺杂源区6表面设有栅氧化层7，在栅氧化层7上设有多晶硅栅8且多晶硅栅8位于第二超结结构的N型柱3上方，在多晶硅栅8上设有场氧化层10，在N型重掺杂源区6上连接有源极金属层9。在所述兼做漏区的N型掺杂硅衬底1的下方连接有漏极金属层12。

所述的原胞区域13中的P型柱4的宽度等于终端结构中的P型柱4的宽度。

此外，本实施例由N型掺杂硅衬底1、N型掺杂硅外延层2、原胞区域13和设在原胞13周围的终端区域14组成，即：本实施例所述晶体管的终端结构中不存在或去除了传统终端结构中的过渡区域(如附图2中的24)。

下面结合附图1，对本发明作详细说明，如附图1中所示，这个器件是一个垂直器件，总体结构包括两个部分，分别是晶体管的原胞区域13、晶体管的终端区域14，器件包括一个N型掺杂硅衬底1，在N型掺杂硅衬底1上生长一层低浓度N型掺杂硅外延层2，然后采用深氧注入的工艺或其他工艺在外延层上生长一层氧化层，氧化层的厚度由所设计的晶体管的耐压水平及工艺水平共同决定，接着采用多次外延和多次离子注入的方法生长上面的结构；其中每次外延的杂质类型和离子注入的杂质类型相异，对于N沟道器件来说，一般采用N型掺杂外延和P型离子注入，并且外延注入的次数由所设计的晶体管的耐压水平要求来决定，所要求的耐压水平越高，则需要外延注入的次数越多，附图1给出的是耐压水平为700V的晶体管，该晶体管结构采用的是四次外延离子注入，每外延生长一层外延层后就进行一次P型杂质离子注入形成P型掺杂硅材料的柱状结构4、4；

经过多次外延和离子注入工艺形成了晶体管原胞区域13的第二超结结构(包括N柱3和P型柱4)、晶体管终端区域14中的第一超结结构(包括N型柱3和P型柱4)；

再进行一次外延，并且外延之后同样再进行一次P型离子注入形成晶体管CE原胞区域中的P型掺杂硅半导体区5，P型掺杂硅半导体区5形成之后再采用一次离子注入形成N型掺杂源区6；

然后生长栅氧化层7、多晶硅栅8，接着在表面生长一层场氧化层10，最后在相应的位置N型掺杂源区6和P型掺杂硅半导体区5的上方及晶体管终端区域14的末端刻出接触孔，然后在正反两面都淀积铝并进行刻蚀形成源极金属接触并将其延伸形成金属场板9、漏极金属12和沟道截止环结构11，其中源极金属的延伸区金属场板结构能够有效的提高表面的击穿电压，沟道截止环结构11是一个等位环的结构，这可以有效的防止由于外加的电场使表面积累电荷从而造成不必要反型或是穿通。

上述晶体管结构的原胞区域由第二超结结构(包括N柱3和P型柱4)、P型掺杂硅半导体区5、N型掺杂半导体源区6及源极金属电极9共同构成。

上述晶体管结构的终端区域由第一超结结构(包括N型柱3和P型柱4)、埋氧层结构15及沟道截止环结构共同组成。

Claims (5)

1.一种N沟道超结纵向双扩散金属氧化物半导体管，包括：兼做漏区的N型掺杂硅衬底(1)、N型掺杂硅外延层(2)、原胞区域(13)和设在原胞区域(13)周围的终端区域(14)，所述的N型掺杂硅外延层(2)设在N型掺杂硅衬底(1)上，原胞区域(13)和终端区域(14)设在N型掺杂硅外延层(2)上，所述的终端区域(14)包括第一超结结构和N型硅掺杂半导体区(2)，其中第一超结结构包括P型柱(4)和N型柱(3)，在N型硅掺杂半导体区(2)中设有N型重掺杂半导体区(16)，在第一超结结构和N型硅掺杂半导体区(2)上设有场氧化层(10)，在N型重掺杂半导体区(16)上连接有金属层(11)，其特征在于在第一超结结构和N型硅掺杂半导体区(2)下设有埋氧化层(15)。

2.根据权利要求1所述的N沟道超结纵向双扩散金属氧化物半导体管，其特征在于埋氧化层(15)从N型硅掺杂半导体区(2)的下方区域一直延伸到第一超结结构的下方区域。

3.根据权利要求1所述的N沟道超结纵向双扩散金属氧化物半导体管，其特征在于原胞区域(13)包括第二超结结构，其中第二超结结构包括P型柱(4)和N型柱(3)，在第二超结结构的P型柱(4)上设有P型掺杂硅半导体区(5)且P型掺杂硅半导体区(5)延伸进入与第二超结结构的P型柱(4)相邻的第二超结结构的N型柱(3)内，在P型掺杂硅半导体区(5)中设有N型重掺杂源区(6)，在第二超结结构、P型掺杂硅半导体区(5)及N型重掺杂源区(6)表面设有栅氧化层(7)，在栅氧化层(7)上设有多晶硅栅(8)且多晶硅栅(8)位于第二超结结构的N型柱(3)上方，在多晶硅栅(8)上设有场氧化层(10)，在N型重掺杂源区(6)上连接有源极金属层(9)。

4.根据权利要求1所述的N沟道超结纵向双扩散金属氧化物半导体管，其特征在于原胞区域(13)中的P型柱(4)的宽度等于终端区域(14)中的P型柱(4)的宽度。

5.根据权利要求1所述的N沟道超结纵向双扩散金属氧化物半导体管，其特征在于该半导体管由N型掺杂硅衬底(1)、N型掺杂硅外延层(2)、原胞区域(13)和设在原胞区域(13)周围的终端区域(14)组成。

Images