CN102254937A - 垂直双扩散金属氧化物半导体场效应器件及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种垂直双扩散金属氧化物半导体场效应器件，包括如下结构：衬底；外延层，设于衬底上；阱区，由外延层背对衬底的一面延伸至外延层内部；源区，由阱区表面延伸至内部；栅氧层，设于外延层上且仅覆盖外延层的一部分；栅极区，设于栅氧层上；玻璃层，设于栅极区和阱区上，且仅覆盖栅极区和阱区的一部分；以及金属电极层，覆盖于外延层、栅极区及玻璃层上；外延层包括设于衬底上的第一外延层和设于第一外延层上的第二外延层；第一外延层的多数载流子浓度小于第二外延层的多数载流子浓度。上述垂直双扩散金属氧化物半导体场效应器件，采用多层外延的结构，通过调整外延层的浓度关系，在保证器件耐压的基础上降低了器件的导通电阻。

Description

垂直双扩散金属氧化物半导体场效应器件及其制造方法
【技术领域】
本发明涉及半导体制造领域，尤其涉及一种垂直双扩散金属氧化物半导体场效应器件，还涉及一种垂直双扩散金属氧化物半导体场效应器件的制造方法。
【背景技术】
垂直双扩散金属氧化物半导体场效应(VDMOS)器件的导通电阻Ron＝Rcs+Rbs+Rch+Ra+Rj+Re+Rbd+Red；其各部分的含义为：Rcs为源极引线与N+源区接触电阻；Rbs为源区串联电阻；Rch为沟道电阻；Ra为栅电极正下方N-区表面积累层电阻；Rj为相邻两P阱间形成的J型管区电阻；Re为高阻外延层的导通电阻；Rbd为漏极N+层(即衬底)的导通电阻；Red为漏极接触电阻。VDMOS器件正常工作时的功耗主要来自器件的导通电阻，导通电阻越大，VDMOS器件功耗越大，器件的使用局限性也就越大，器件的性能也就越差，为提高器件的性能需要尽可能低的导通电阻。
【发明内容】
基于此，有必要提供一种低导通电阻的垂直双扩散金属氧化物半导体场效应器件。
一种垂直双扩散金属氧化物半导体场效应器件，包括如下结构：衬底；外延层，设于所述衬底上；阱区，由所述外延层背对衬底的一面延伸至外延层内部；源区，由所述阱区表面延伸至内部；栅氧层，设于所述外延层上且仅覆盖外延层的一部分；栅极区，设于所述栅氧层上；玻璃层，设于所述栅极区和所述阱区上，且仅覆盖所述栅极区和阱区的一部分；以及金属电极层，覆盖于所述外延层、栅极区及玻璃层上；所述外延层包括设于所述衬底上的第一外延层和设于所述第一外延层上的第二外延层；所述第一外延层的多数载流子浓度小于所述第二外延层的多数载流子浓度。
优选的，所述衬底的多数载流子浓度大于所述第二外延层的多数载流子浓度。
优选的，所述衬底、外延层及源区均为N型，所述阱区为P型。
优选的，所述衬底和外延层的材料为硅，所述栅氧层的材料为二氧化硅，所述栅极区的材料为多晶硅，所述玻璃层的材料为磷硅玻璃或硼磷硅玻璃，所述金属电极层的材料为铝或铝硅。
优选的，所述阱区包括靠近所述外延层表面的浅结区和靠近所述衬底的深阱区。
还有必要提供一种上述垂直双扩散金属氧化物半导体场效应器件的制造方法。
一种垂直双扩散金属氧化物半导体场效应器件的制造方法，包括下列步骤：在N型的衬底上外延生长N型的外延层；在所述外延层内掺杂形成P型区；在所述外延层上热氧化生长栅氧层，所述栅氧层仅覆盖外延层的一部分；在所述栅氧层上淀积形成栅极区；对所述P型区进行推进，并通过掺杂工艺在所述外延层内形成阱区；通过掺杂在所述阱区内形成N型的源区；在所述栅极区和阱区上淀积形成玻璃层，所述玻璃层且仅覆盖所述栅极区和阱区的一部分；在所述外延层、栅极区及玻璃层上淀积形成金属电极层；所述在N型的衬底上外延生长N型的外延层的步骤，是在所述衬底上外延生长第一外延层，在所述第一外延层上外延生长第二外延层；所述第一外延层的多数载流子浓度小于所述第二外延层的多数载流子浓度。
优选的，所述衬底的多数载流子浓度大于所述第二外延层的多数载流子浓度。
优选的，所述衬底和外延层的材料为硅，所述栅氧层的材料为二氧化硅，所述栅极区的材料为多晶硅，所述玻璃层的材料为磷硅玻璃或硼磷硅玻璃，所述金属电极层的材料为铝或铝硅。
上述垂直双扩散金属氧化物半导体场效应器件，采用多层外延的结构，通过调整外延层的浓度关系，在保证器件耐压的基础上降低了器件的导通电阻。
【附图说明】
图1是一实施例中步骤S110完成后垂直双扩散金属氧化物半导体场效应器件的剖面图；
图2是一实施例中步骤S120完成后垂直双扩散金属氧化物半导体场效应器件的剖面图；
图3是一实施例中步骤S140完成后垂直双扩散金属氧化物半导体场效应器件的剖面图；
图4是一实施例中步骤S150完成后垂直双扩散金属氧化物半导体场效应器件的剖面图；
图5是一实施例中步骤S160完成后垂直双扩散金属氧化物半导体场效应器件的剖面图；
图6是一实施例中步骤S170完成后垂直双扩散金属氧化物半导体场效应器件的剖面图；
图7是一实施例中垂直双扩散金属氧化物半导体场效应器件的剖面图；
图8是一实施例中垂直双扩散金属氧化物半导体场效应器件的制造方法的流程图。
【具体实施方式】
为使本发明的目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
图7是一实施例中垂直双扩散金属氧化物半导体场效应器件的剖面图。该VDMOS器件包括衬底10，设于衬底10上的外延层(外延层包括层叠的第一外延层20和第二外延层30，其中第一外延层20靠近衬底10)，由外延层背对衬底的一面延伸至外延层内部的阱区40，由阱区40表面延伸至阱区40内部的源区70，设于第二外延层30上且仅覆盖第二外延层30的一部分的栅氧层50，设于栅氧层50上的栅极区60，设于栅极区60和阱区40上、且仅覆盖栅极区60和阱区40的一部分的玻璃层80，以及覆盖于外延层、栅极区60及玻璃层80上的金属电极层90。第一外延层20的多数载流子浓度小于第二外延层30的多数载流子浓度。
本实施例中的器件为P型阱，N型源区的结构。外延层为N型外延层，即第一外延层20为N-外延层，第二外延层30为N+外延层。采用该结构可以降低栅电极正下方外延层表面积累层电阻Ra，以及两相邻阱区40间形成的J型管区电阻Rj。另外第一外延层20为低浓度的N-外延层，可以提高器件的耐压。
在优选的实施例中，衬底10为高浓度的N++衬底，衬底10的多数载流子浓度大于第二外延层30的多数载流子浓度，这样可以进一步降低器件的导通电阻。
阱区40包括靠近外延层表面的浅结区(附图中以填充斜杠来标示)和靠近衬底10的深阱区。阱区40的阱深可以大于、小于或等于第二外延层30的厚度。
衬底10和外延层的材料为硅，栅氧层50的材料为二氧化硅，栅极区60的材料为多晶硅，玻璃层80的材料为磷硅玻璃(PSG)或硼磷硅玻璃(BPSG)，金属电极层90的材料为铝或铝硅。
在一个实施例中，衬底10的电阻率为0.018欧姆·厘米，第一外延层20的电阻率为21欧姆·厘米，第二外延层的电阻率为12欧姆·厘米。器件的导通电阻比传统技术低10％左右。
图8是一实施例中垂直双扩散金属氧化物半导体场效应器件的制造方法的流程图。
S110，在N型的衬底10上外延生长N型的外延层。
图1是一实施例中步骤S110完成后垂直双扩散金属氧化物半导体场效应器件的剖面图。外延层包括第一外延层20和第二外延层30。在衬底10上外延生长第一外延层20，再在第一外延层20上外延生长第二外延层30。第一外延层20的多数载流子浓度小于第二外延层30的多数载流子浓度。在优选的实施例中，衬底10的多数载流子浓度大于第二外延层20的多数载流子浓度。
S120，在外延层内掺杂形成P型区42。掺杂可以使用离子注入等工艺。图2是一实施例中步骤S120完成后垂直双扩散金属氧化物半导体场效应器件的剖面图。
S130，在外延层上热氧化生长栅氧层50。
S140，在栅氧层50上淀积形成栅极区60。图3是一实施例中步骤S140完成后垂直双扩散金属氧化物半导体场效应器件的剖面图。
S150，对P型区42进行推进(drive in)，并通过掺杂工艺在外延层内形成阱区40。
阱区40包括靠近外延层表面的浅结区(附图中以填充斜杠来标示)和靠近衬底10的深阱区，深阱区由P型区42推进后形成。掺杂可以使用离子注入等工艺。图4是一实施例中步骤S150完成后垂直双扩散金属氧化物半导体场效应器件的剖面图。
S160，通过掺杂工艺在阱区40内形成N型的源区70。图5是一实施例中步骤S160完成后垂直双扩散金属氧化物半导体场效应器件的剖面图。
S170，在栅极区60和阱区40上淀积形成玻璃层80。图6是一实施例中步骤S170完成后垂直双扩散金属氧化物半导体场效应器件的剖面图。
S180，在栅极区60和阱区40上淀积形成玻璃层80。在外延层、栅极区60及玻璃层80上淀积形成金属电极层90。图7是一实施例中垂直双扩散金属氧化物半导体场效应器件的剖面图，也即步骤S180完成后的剖面图。
衬底10和外延层的材料为硅，栅氧层50的材料为二氧化硅，栅极区60的材料为多晶硅，玻璃层80的材料为磷硅玻璃(PSG)或硼磷硅玻璃(BPSG)，金属电极层90的材料为铝或铝硅。
上述垂直双扩散金属氧化物半导体场效应器件，采用多层外延的结构，通过调整外延层的浓度关系，在保证器件耐压的基础上降低了器件的导通电阻。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (8)

1.一种垂直双扩散金属氧化物半导体场效应器件，包括如下结构：
衬底；
外延层，设于所述衬底上；
阱区，由所述外延层背对衬底的一面延伸至外延层内部；
源区，由所述阱区表面延伸至内部；
栅氧层，设于所述外延层上且仅覆盖外延层的一部分；
栅极区，设于所述栅氧层上；
玻璃层，设于所述栅极区和所述阱区上，且仅覆盖所述栅极区和阱区的一部分；以及
金属电极层，覆盖于所述外延层、栅极区及玻璃层上；其特征在于，所述外延层包括设于所述衬底上的第一外延层和设于所述第一外延层上的第二外延层；所述第一外延层的多数载流子浓度小于所述第二外延层的多数载流子浓度。
2.根据权利要求1所述的垂直双扩散金属氧化物半导体场效应器件，其特征在于，所述衬底的多数载流子浓度大于所述第二外延层的多数载流子浓度。
3.根据权利要求1所述的垂直双扩散金属氧化物半导体场效应器件，其特征在于，所述衬底、外延层及源区均为N型，所述阱区为P型。
4.根据权利要求1所述的垂直双扩散金属氧化物半导体场效应器件，其特征在于，所述衬底和外延层的材料为硅，所述栅氧层的材料为二氧化硅，所述栅极区的材料为多晶硅，所述玻璃层的材料为磷硅玻璃或硼磷硅玻璃，所述金属电极层的材料为铝或铝硅。
5.根据权利要求1所述的垂直双扩散金属氧化物半导体场效应器件，其特征在于，所述阱区包括靠近所述外延层表面的浅结区和靠近所述衬底的深阱区。
6.一种垂直双扩散金属氧化物半导体场效应器件的制造方法，包括下列步骤：
在N型的衬底上外延生长N型的外延层；
在所述外延层内掺杂形成P型区；
在所述外延层上热氧化生长栅氧层，所述栅氧层仅覆盖外延层的一部分；
在所述栅氧层上淀积形成栅极区；
对所述P型区进行推进，并通过掺杂工艺在所述外延层内形成阱区；
通过掺杂在所述阱区内形成N型的源区；
在所述栅极区和阱区上淀积形成玻璃层，所述玻璃层且仅覆盖所述栅极区和阱区的一部分；
在所述外延层、栅极区及玻璃层上淀积形成金属电极层；
其特征在于，所述在N型的衬底上外延生长N型的外延层的步骤，是在所述衬底上外延生长第一外延层，在所述第一外延层上外延生长第二外延层；所述第一外延层的多数载流子浓度小于所述第二外延层的多数载流子浓度。
7.根据权利要求6所述的垂直双扩散金属氧化物半导体场效应器件的制造方法，其特征在于，所述衬底的多数载流子浓度大于所述第二外延层的多数载流子浓度。
8.根据权利要求6所述的垂直双扩散金属氧化物半导体场效应器件的制造方法，其特征在于，所述衬底和外延层的材料为硅，所述栅氧层的材料为二氧化硅，所述栅极区的材料为多晶硅，所述玻璃层的材料为磷硅玻璃或硼磷硅玻璃，所述金属电极层的材料为铝或铝硅。
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