CN102522338A - 高压超结mosfet结构及p型漂移区形成方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种高压超结MOSFET的P型漂移区形成方法,包括如下步骤:提供半导体衬底,在所述半导体衬底上生长第一N型外延层;向所述第一N型外延层进行硼离子注入,形成硼注入区;在已注入离子的第一N型外延层上由下至上依次生长第二N型外延层和氧化膜;依次蚀刻氧化膜、第二N型外延层,在对应于硼注入区部位形成沟槽,蚀刻停止在所述第一N型外延层上;对所述沟槽的侧壁进行倾角注入,形成掺杂层;去除氧化膜后,在第二N型外延层上和所述沟槽中生长第三N型外延层;将上述结构进行退火工艺,形成P型漂移区。通过采用外延与沟槽相结合技术,在显著降低导通电阻和提高击穿电压的基础上,简化了工艺又降低了工艺难度,适宜批量生成。
Description
技术领域
本发明属于功率半导体器件制造领域,尤其涉及一种超结MOSFET的P型漂移区的形成方法以及一种形成有P型漂移区的超结MOSFET结构。
背景技术
功率半导体器件总是不断朝着大的功率控制容量(高压大电流)和高速方向发展。功率集成电路中的高压MOS器件中,由于垂直双扩散金属氧化物半导体场效应晶体管(VDMOS)兼具双极晶体管和普通MOS器件的优点,无论是开关应用还是线性应用,VDMOS都是理想的功率器件。
导通电阻(RON)是衡量VDMOS性能的重要指标。按照导电沟道相对于硅片表面的方向不同,VDMOS技术大致可分成平面型(Planar)和沟槽型(Trench)两大类。由于平面型技术受外延电阻率的影响,对于高压产品其击穿电压(VBR)与导通电阻的关系近似2.5次方的指数关系,导通电阻很难做的很小,虽然可以通过增减元胞数量以减少导通电阻,但势必增大芯片面积,由于最终受限于由栅电容决定的开关损耗,因此,VDMOS器件设计需要折衷考虑导通电阻和开关损耗,以及对外延层厚度、掺杂浓度、元胞结构、栅氧厚度、面积等参数进行优化,也只能获得导通电阻相对较小的产品;而沟槽技术虽然能够有效降低产品的导通电阻,并且具有较大电流处理能力,但由于沟槽型VDMOS器件结构的特点,即沟槽底部拐点区域固有的电场集中效应,使得其在击穿电压上的承受能力较小,主要应用于数十伏的低压领域。
现在为了解决高压MOS器件中导通电阻过大的问题,现以比较通用的一种超结MOSFET器件为例,可见参见图1:
该超结MOSFET器件在原来常规MOSFET结构中增加P型漂移(P-drift)区106的制造工艺,所述P-drift区为柱形,因此,所述P-drift区与岛间漂移区(P-body)108相连并贯穿整个N-外延层102,采用此结构N-外延层102的浓度可以提高一个数量级,从而使N-外延层102的导通电阻明显降低。当器件处于导通状态时,电子从源极110经反型层沟道114、通过N-外延层102到达漏极112,此时,形成的高压MOSFET的导通电阻由N+扩散阱118、P-body以及P-drift之间的N型外延层102等多个电阻串联组成,而在多个电阻串联组成的导通电阻中,所述N-外延层102电阻的贡献率高达90%以上,因此,超结MOSFET器件的导通电阻也明显降低,从而使击穿电压与导通电阻的关系由原来近似2.5次方的指数关系变为近似线性关系;当器件处于阻断状态时,使N-外延层102与所述P-drift区106之间形成的PN结116处于反偏状态,随着反向电压的增大耗尽区也逐渐展宽,最终导致整个N-外延层102完全耗尽,此时阻断电压不仅建立力了纵向电场,而且建立了横向电场,所述P-drift区106与所述N-外延层102的电荷相互补偿,形成耐压支持层,通过改变所述P-drift区106与所述N-外延层102的宽度,可以在不改变N-外延层掺杂浓度的情况下,调整击穿电压。
然而,现有许多形成所述P型漂移区的工艺,主要为多层外延多层注入技术、深沟槽填埋技术、高能离子注入技术等。对于600V以上高压产品,多层外延多次注入技术至少要分别进行6次以上外延和注入,参见图2,形成外延层202,并在所述外延层202上形成P型漂移区204,因此,多层外延多次注入技术工艺复杂成本过高;而深沟槽填埋技术至少需要刻蚀50um以上的沟槽,工艺难度大;同样高能离子注入技术,需要特殊的离子屏蔽技术,不易实现。
为了解决上述问题,需要在现有的超结MOSFET中的P型漂移区形成工艺的基础上形成具有导通电阻小、击穿电压承受能力大的功率器件,促使高压MOS器件的广泛应用。另一方面,在实际的实施过程中仍然存在问题,亟待引进能有效改善上述缺陷的新方法,以解决现有的P型漂移区形成的成本高、工艺复杂的最主要的问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种高压超结MOSFET的P型漂移区形成方法,通过采用外延与沟槽相结合技术,在显著降低导通电阻和提高击穿电压的基础上,即简化了工艺又降低了工艺的难度,适宜批量生成。
为解决上述问题,本发明提出的一种高压超结MOSFET的P型漂移区形成方法,包括如下步骤:
提供半导体衬底,在所述半导体衬底上生长第一N型外延层;
向所述第一N型外延层进行硼离子注入,形成硼注入区;
在已注入离子的第一N型外延层上由下至上依次生长第二N型外延层和氧化膜;
依次蚀刻氧化膜、第二N型外延层,在对应于硼注入区部位形成沟槽,蚀刻停止在所述第一N型外延层上;
对所述沟槽的侧壁进行硼离子倾角注入,形成掺杂层;
去除氧化膜后,在第二N型外延层上和所述沟槽中生长第三N型外延层;
将上述结构进行退火工艺,使硼注入区和掺杂层中的硼离子进行扩散,形成P型漂移区。
基于上述一种高压超结MOSFET的P型漂移区形成方法,还提出了一种形成有P型漂移区的超结MOSFET结构,至少包括;
半导体衬底;
形成所述半导体衬底上的第一N型外延层;
形成所述第一N型外延层上的第二N型外延层;
形成所述第二N型外延层上和所述第二N型外延层的沟槽中的第三N型外延层;以及,
由形成所述第一N型外延层上的硼注入区和形成所述第二N型外延层中的沟槽侧壁上的掺杂层中的硼离子扩散形成的P型漂移区。
由上述技术方案可见,与传统通用的超结MOSFET中的P型漂移区形成方法相比,本发明公开的一种高压超结MOSFET的P型漂移区形成方法,首先,通过在半导体衬底上生长第一N型外延层,并在第一N型外延层上进行硼离子注入,接着,在第一N型外延层上由下至上依次进行第二N型外延层和氧化膜的生长,然后,依次蚀刻氧化膜和第二N型外延层,在对应于硼注入区部位形成沟槽,并对沟槽的侧壁进行硼离子倾角注入,以便在沟槽的侧壁上形成掺杂层,紧接着,去除氧化膜,在第二N型外延层上和所述沟槽中生长第三N型外延层,并将上述结构进行退火工艺,使硼注入区和掺杂层中的硼离子进行扩散,形成P型漂移区。由此可见,利用本发明用以制备后续的超结MOSFET,不仅降低了导通电阻和提高了击穿电压,而且由于采用了外延与沟槽相结合技术,使得工艺简单,又降低了工艺难度。
附图说明
图1为现有技术中一种通用的超结MOSFET器件的示意图;
图2为图1之P型漂移区采用多层外延多次注入技术的示意图;
图3为本发明一种高压超结MOSFET的P型漂移区形成方法流程;
图4A至图4H为本发明一种高压超结MOSFET的P型漂移区形成方法。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂,下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施,本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广,因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。
其次,本发明利用示意图进行详细描述,在详述本发明实施例时,为便于说明,表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大,而且所述示意图只是实例,其在此不应限制本发明保护的范围。此外,在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。
参见图3,本发明所提供的一种高压超结MOSFET的P型漂移区形成方法流程为:
S100:提供半导体衬底,在所述半导体衬底上生长第一N型外延层;
S101:向所述第一N型外延层进行硼离子注入,形成硼注入区;
S102:在已注入离子的第一N型外延层上由下至上依次生长第二N型外延层和氧化膜;
S103:依次蚀刻氧化膜、第二N型外延层,在对应于硼注入区部位形成沟槽,蚀刻停止在所述第一N型外延层上;
S104:对所述沟槽的侧壁进行硼离子倾角注入,形成掺杂层;
S105:去除氧化膜后,在第二N型外延层上和所述沟槽中生长第三N型外延层;
S106:将上述结构进行退火工艺,使硼注入区和掺杂层中的硼离子进行扩散,形成P型漂移区。
下面以图3所示的方法流程为例,结合附图4A至4H,对一种高压超结MOSFET的P型漂移区形成方法的制作工艺进行详细描述。
S100:提供半导体衬底,在所述半导体衬底上生长第一N型外延层。
参见图4A,提供一半导体衬底400,所述半导体衬底400为重掺杂的N型半导体衬底,在所述半导体衬底400上生长第一N型外延层402,所述第一N型外延层402的厚度为15~20um、外延电阻率为1~5Ω·cm。所述第一N型外延层402的厚度可以根据产品的要求在15~20um之间选择,其对应的外延电阻率可在1~5Ω·cm之间选择。
S101:向所述第一N型外延层进行硼离子注入,形成硼注入区。
参见图4B,可以对所述第一N型外延层402采用掩膜版做离子注入,注入离子可以为硼离子,注入能量为1200~200KEV、注入剂量为1E12~1E13/cm2,形成硼注入区404。
S102:在已注入离子的第一N型外延层上由下至上依次生长第二N型外延层和氧化膜。
参见图4C,在已注入离子的第一N型外延层402上生长第二N型外延层406,所述第二N型外延层406的厚度为20~30um、外延电阻率为1~5Ω·cm;然后,在所述第二N型外延层406生长氧化膜408,所述氧化膜408可以为二氧化硅(SiO2),所述氧化膜408的厚度为
S103:依次蚀刻氧化膜、第二N型外延层,在对应于硼注入区部位形成沟槽,蚀刻停止在所述第一N型外延层上。
参见图4D,依次蚀刻所述氧化膜408、所述第二N型外延层406,在对应于硼注入区部位形成沟槽410,蚀刻停止在所述第一N型外延层402上,所述沟槽410的宽度为2~4um。
S104:对所述沟槽的侧壁进行硼离子倾角注入,形成掺杂层。
首先,参见图4E,在所述沟槽410的侧壁上对第二N型外延层406采用离子注入技术进行硼离子注入,选用倾角注入,注入角度θ为7~20度、注入能量为50~200KEV,然后,参见图4F,从而在所述沟槽410的侧壁上形成掺杂层412。
S105:去除氧化膜后,在第二N型外延层上和所述沟槽中生长第三N型外延层。
参见图4G,清洗去除所述第二N型外延层406上生长的所述氧化膜408后,在所述第二N型外延层406上和所述沟槽410中继续进行第三N型外延层414的生长,所述第三N型外延层414在所述第二N型外延层406上方的厚度为4~6um、外延电阻率为1~5Ω·cm。
S106:将上述结构进行退火工艺,使硼注入区和掺杂层中的硼离子进行扩散,形成P型漂移区。
参见图4H,将上述结构进行退火工艺,退火温度为1150~1250℃、退火时间为120~240分钟,从而使硼注入区404和掺杂层412中的硼离子均向所述第一N型外延层402、所述第二N型外延层406和所述第三N型外延层414中扩散,从而与所述第一N型外延层中的硼注入区404和所述第二N型外延层406中的掺杂层412形成了P型漂移区416。因此,所述P型漂移区416包括第一扩散区和第二扩散区,此时,所述第一扩散区由掺杂层412和由掺杂层412中的硼离子向所述第一N型外延层402、所述第二N型外延层406和所述沟槽410中的第三N型外延层414区域进行扩散形成,所述第二扩散区由第一N型外延层的硼注入区和由硼注入区的硼离子向所述第一N型外延层402、所述第二N型外延层406和所述沟槽410中的第三N型外延层414区域进行扩散形成。
进一步地,将形成有P型漂移区416的器件按照通常MOSFET制造工艺流程,形成有P型漂移区416的高压超结MOSFET,其结构至少包括:
半导体衬底;
形成所述半导体衬底上的第一N型外延层;
形成所述第一N型外延层上的第二N型外延层;
形成所述第二N型外延层上和所述第二N型外延层的沟槽中的第三N型外延层;以及,
由形成所述第一N型外延层上的硼注入区和形成所述第二N型外延层中的沟槽侧壁上的掺杂层中的硼离子扩散形成的P型漂移区。
由上述技术方案可见,与传统通用的超结MOSFET中的P型漂移区形成方法相比,本发明公开的一种高压超结MOSFET的P型漂移区形成方法,首先,通过在半导体衬底上生长第一N型外延层,并在第一N型外延层上进行硼离子注入,接着,在第一N型外延层上由下至上依次进行第二N型外延层和氧化膜的生长,然后,依次蚀刻氧化膜和第二N型外延层,在对应于硼注入区部位形成沟槽,并对沟槽的侧壁进行硼离子倾角注入,以便在沟槽的侧壁上形成掺杂层,紧接着,去除氧化膜,在第二N型外延层上和所述沟槽中生长第三N型外延层,并将上述结构进行退火工艺,使硼注入区和掺杂层中的硼离子进行扩散,形成P型漂移区。由此可见,利用本发明用以制备后续的超结MOSFET,不仅降低了导通电阻和提高了击穿电压,而且由于采用了外延与沟槽相结合技术,使得工艺简单,又降低了工艺难度。
本发明虽然以较佳实施例公开如上,但其并不是用来限定权利要求,任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内,都可以做出可能的变动和修改,因此本发明的保护范围应当以本发明权利要求所界定的范围为准。
Claims (16)
1.一种高压超结MOSFET的P型漂移区形成方法,其特征在于,包括如下步骤:
提供半导体衬底,在所述半导体衬底上生长第一N型外延层;
向所述第一N型外延层进行硼离子注入,形成硼注入区;
在已注入离子的第一N型外延层上由下至上依次生长第二N型外延层和氧化膜;
依次蚀刻氧化膜、第二N型外延层,在对应于硼注入区部位形成沟槽,蚀刻停止在所述第一N型外延层上;
对所述沟槽的侧壁进行硼离子倾角注入,形成掺杂层;
去除氧化膜后,在第二N型外延层上和所述沟槽中生长第三N型外延层;
将上述结构进行退火工艺,使硼注入区和掺杂层中的硼离子进行扩散,形成P型漂移区。
2.根据权利要求1所述的高压超结MOSFET的P型漂移区形成方法,其特征在于:所述半导体衬底为重掺杂的N型半导体衬底。
3.根据权利要求1所述的高压超结MOSFET的P型漂移区形成方法,其特征在于:所述第一N型外延层的厚度为15~20um、外延电阻率为1~5Ω·cm。
4.根据权利要求1所述的高压超结MOSFET的P型漂移区形成方法,其特征在于:所述硼离子注入的注入能量为1200~200KEV、注入剂量为1E12~1E13/cm2。
5.根据权利要求1所述的高压超结MOSFET的P型漂移区形成方法,其特征在于:所述第二N型外延层的厚度为20~30um、外延电阻率为1~5Ω·cm。
6.根据权利要求1所述的高压超结MOSFET的P型漂移区形成方法,其特征在于:所述氧化膜为二氧化硅,厚度为
7.根据权利要求1所述的高压超结MOSFET的P型漂移区形成方法,其特征在于:所述沟槽的宽度为2~4um。
8.根据权利要求1所述的高压超结MOSFET的P型漂移区形成方法,其特征在于:所述硼离子倾角注入的角度为7~20度、注入能量为50~200KEV。
9.根据权利要求1所述的高压超结MOSFET的P型漂移区形成方法,其特征在于:所述第三N型外延层在所述第二N型外延层上的厚度为4~6um、外延电阻率为1~5Ω·cm。
10.根据权利要求1所述的高压超结MOSFET的P型漂移区形成方法,其特征在于:所述退火工艺所进行的温度为1150~1250℃、时间为120~240分钟。
11.根据权利要求1所述的高压超结MOSFET的P型漂移区形成方法,其特征在于:所述P型漂移区包括第一扩散区和第二扩散区,所述第一扩散区包括掺杂层和由掺杂层中的硼离子向所述第一N型外延层、所述第二N型外延层和所述沟槽中的第三N型外延层区域进行扩散形成,所述第二扩散区由所述硼注入区和由硼注入区的硼离子向所述第一N型外延层、所述第二N型外延层和所述沟槽中的第三N型外延层区域进行扩散形成。
12.高压超结MOSFET,其特征在于,至少包括:
半导体衬底;
形成所述半导体衬底上的第一N型外延层;
形成所述第一N型外延层上的第二N型外延层;
形成所述第二N型外延层上和所述第二N型外延层的沟槽中的第三N型外延层;以及,
由形成所述第一N型外延层上的硼注入区和形成所述第二N型外延层中的沟槽侧壁上的掺杂层中的硼离子扩散形成的P型漂移区。
13.根据权利要求12所述的高压超结MOSFET,其特征在于:所述第一N型外延层的厚度为15~20um、外延电阻率为1~5Ω·cm。
14.根据权利要求12所述的高压超结MOSFET,其特征在于:所述第二N型外延层的厚度为20~30um、外延电阻率为1~5Ω·cm。
15.根据权利要求12所述的高压超结MOSFET,其特征在于:所述第三外延层在所述第二N型外延层上的厚度为4~6um、外延电阻率为1~5Ω·cm。
16.根据权利要求12所述的高压超结MOSFET,其特征在于:所述P型漂移区包括第一扩散区和第二扩散区,所述第一扩散区包括掺杂层和由掺杂层中的硼离子向所述第一N型外延层、所述第二N型外延层和所述沟槽中的第三N型外延层区域进行扩散形成,所述第二扩散区由所述硼注入区和由硼注入区的硼离子向所述第一N型外延层、所述第二N型外延层和所述沟槽中的第三N型外延层区域进行扩散形成。
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Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
C06 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
C10 | Entry into substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
C14 | Grant of patent or utility model | ||
GR01 | Patent grant |