CN103035677A - 超级结结构、超级结mos晶体管及其制造方法 - Google Patents

超级结结构、超级结mos晶体管及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种超级结结构,其p型立柱和n型立柱都呈现非均匀的杂质分布方式。其中n型立柱的杂质分布在纵向上是不均匀的,p型立柱的杂质分布在纵向和横向上都采用两种或更多的掺杂浓度。最终保证接近于n型重掺杂衬底区域中,p型立柱中的p型杂质总量低于n型立柱中的n型杂质总量;接近于器件顶部区域中,p型立柱中的p型杂质总量高于n型立柱中的n型杂质总量。本发明还公开了应用了所述超级结结构的超级结MOS晶体管及其制造方法。本发明所述超级结结构提高了器件关断过程中的耐电流冲击能力,提高了器件耐电流冲击能力的稳定性,且不影响、甚至还会减少器件的比导通电阻。

Description

超级结结构、超级结MOS晶体管及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种功率半导体器件,特别是涉及一种超级结半导体器件。
背景技术
超级结(super juction)结构就是交替排列的n型立柱和p型立柱的结构。如果用超级结结构来取代VDMOS(Vertical Double-diffused MOSFET,垂直双扩散MOS晶体管)器件中的n型漂移区,就形成了超级结MOS晶体管。超级结MOS晶体管能在反向击穿电压与传统的VDMOS器件一致的情况下,通过使用低电阻率的外延层,而使器件的导通电阻大幅降低。
超级结结构中,n型立柱中的n型杂质分布、p型立柱中的p型杂质分布、以及交替排列的n型立柱和p型立柱中n型杂质分布与p型杂质分布的匹配,会影响超级结半导体器件的特性,包括其反向击穿电压和电流处理能力。
一般的超级结半导体器件都采用使交替排列的n型立柱和p型立柱达到最佳电荷平衡的设计,以取得最大的反向击穿电压,但这样的条件下器件的电流处理能力不够。
为了改善电流处理能力,有一种做法是在超级结结构中使p型立柱中的p型杂质浓度在垂直于硅片表面的方向上呈现一种不均匀的分布,而n型立柱中的n型杂质浓度分布均匀。当p型立柱的宽度等于n型立柱的宽度时,使p型立柱中的p型杂质浓度在上部区域大于n型立柱中的n型杂质浓度,使p型立柱中的p型杂质浓度在在下部区域小于n型立柱中的n型杂质浓度。英飞凌(INFINEON)公司对此提出了一种具体方案。其建议将超级结结构中的p型立柱分为六段,从上部到底部采用的p型杂质浓度依次在最佳电荷平衡时的p型杂质浓度上增加30%、20%、10%、0%、-10%、-20%。
目前超级结半导体器件中的超级结结构的制造方法可以分为两大类。第一类是在一种掺杂类型的区域采用多步刻蚀、外延、离子注入工艺,每步形成立柱的一部分,多步累加在一起形成另一种掺杂类型的立柱。第二类是在一种掺杂类型的区域刻蚀沟槽,往沟槽中填充、或外延、或离子注入,一次性地形成另一种掺杂类型的立柱。
上述改善电流处理能力的超级结结构,要求p型立柱中的杂质浓度呈现多样变化。目前只能采用第一类制造方法,而无法采用第二类制造方法予以实施。第一类制造方法具有工艺成本高、生产时间长、控制难度大的缺点。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种新型的超级结结构,在保证器件的反向击穿电压的前提下,还可以提高器件在关断过程中的耐电流冲击能力。为此,本发明还要提供所述超级结结构的制造方法。
为解决上述技术问题,本发明超级结结构是在n型外延层中具有多根p型立柱,每相邻的两根p型立柱之间的n型外延层作为一根n型立柱;这样在n型外延层中便形成了交替排列的多根p型立柱和n型立柱,即超级结结构;
每根p型立柱中的掺杂浓度在纵向和横向上均呈不均匀分布,且下方的掺杂浓度小于或等于上方的掺杂浓度;
每根n型立柱中的掺杂浓度在纵向上呈不均匀分布,且下方的掺杂浓度大于或等于上方的掺杂浓度;
在超级结结构的底部,p型立柱中p型杂质总量小于n型立柱中n型杂质总量;
在超级结结构的顶部,p型立柱中p型杂质总量大于n型立柱中n型杂质总量。
将上述各结构的掺杂类型相反,本发明超级结结构仍成立。
所述p型立柱的掺杂浓度在纵向和横向上均呈不均匀分布,例如可通过这样的结构来实现:所述p型立柱在纵向上包括多段,其中从上往下的第二段结构在顶部具有一个上宽下窄的凹槽,从上往下的第一段结构就在该凹槽内,也呈上宽下窄;所述p型立柱的每一段中,p型杂质的掺杂浓度是均匀的,从上往下每一段中的掺杂浓度递减。
所述超级结结构的制造方法包括如下步骤:
第1步,利用光刻和刻蚀工艺在n型外延层中刻蚀出多个沟槽,两个相邻的沟槽之间的n型外延层就作为n型立柱;
第2步,在沟槽中分多次填充p型硅,每次填充的p型硅的掺杂浓度递增,其中倒数第二次填充的p型硅在顶部具有一个向下的凹槽,该凹槽的剖面形状为上宽下窄;
最后一次填充的p型硅在所述倒数第二次填充的p型硅的顶部凹槽内;
第3步,去除倒数第二次填充的p型硅和最后一次填充的p型硅位于n型外延层上表面之上的部分,剩余的最后一次填充的p型硅作为p型立柱的最上一段结构,剩余的倒数第二次填充的p型硅作为p型立柱从上往下的第二段结构。
本发明的超级结结构具有这样的特点,p型立柱和n型立柱都呈现非均匀的杂质分布方式。其中n型立柱的杂质分布在纵向上是不均匀的,p型立柱的杂质分布在纵向和横向上都采用两种或更多的掺杂浓度。最终保证接近于n型重掺杂衬底区域(超级结结构的底部)中,p型立柱中的p型杂质总量低于n型立柱中的n型杂质总量;接近于器件顶部区域(超级结结构的顶部)中,p型立柱中的p型杂质总量高于n型立柱中的n型杂质总量。
由于器件顶部区域中,p型杂质总量高于n型杂质总量,提高了器件关断过程中的耐电流冲击能力。
由于p型立柱在纵向和横向均为非均匀掺杂,使得p型立柱中的区域电场较大,从而使器件的击穿发生在p型立柱,提高了器件耐电流冲击能力的稳定性。
由于p型立柱中靠近接近于n型重掺杂衬底区域的部分的掺杂浓度不大于p型立柱均匀掺杂时的浓度,从而不影响、甚至还会减少器件的比导通电阻。
所述超级结结构的制造方法还具有工艺周期短,生产成本低的优点。
附图说明
图1是本发明超级结MOS晶体管的一个实施例的剖面图;
图2a~图2d是本发明超级结结构的制造方法各步骤剖面图;
图3a~图3f是本发明超级结结构的p型立柱和n型立柱的掺杂浓度对应关系各实施例示意图;
图4、图5是本发明超级结结构中p型立柱的各种实现方式。
图中附图标记说明:
1为n型重掺杂硅衬底;2为n型外延层;2a为n型立柱;3为沟槽;4为p型立柱;4a为p型立柱主体;4b为p型立柱附加结构;5为栅氧化层;6为多晶硅栅极;7为p阱;8为n型重掺杂源区;9、9a为介质层;10为接触孔电极;11为p型重掺杂接触区;12为表面金属层;13为背面金属层;21为源极;22为栅极;23为漏极。
具体实施方式
请参阅图1,这是本发明超级结结构的一个具体实施例,为一个应用了该超级结结构的超级结MOS晶体管。在n型重掺杂硅衬底1之上为n型外延层2,n型外延层2中具有多根p型立柱4。每相邻的两根p型立柱4之间的n型外延层2可视为一根n型立柱2a。这样在n型外延层2中便形成了交替排列的多根p型立柱4和n型立柱2a,即超级结结构。
由于图1展示的是硅片的剖面图,因而p型立柱4和n型立柱2a都呈现为矩形。就立体而言,一种实现方式是p型立柱4和n型立柱2a在剖面为矩形的基础上沿纸面方向延展较长的长度,大致像一堵墙;另一种实现方式是p型立柱4和n型立柱2a在剖面为矩形的基础上沿纸面方向仅延展较短的长度,大致像一根柱。在墙的实现方式中,其总体形状大致为长方体,但在边缘处可能有倒角结构、圆弧结构等。在柱的实现方式中,其水平横截面形状可以是长方形、正方形、六边形、八边形等多边形。
每根p型立柱4包括两个部分,一个是主体4a,另一个是附加结构4b。所述p型立柱4和p型立柱主体4a的高度均为h1+h2’,在p型立柱主体4a的顶部具有一个向下的凹槽,该凹槽为上宽下窄的剖面形状。该凹槽底部距离p型立柱4的底部的距离为h1,例如为25~30μm。所述p型立柱附加结构4b在所述p型立柱主体4a的顶部凹槽内并将其完全填充,因而也呈现为上宽下窄的剖面形状,其高度为h2’,例如为2~8μm。p型立柱的主体4a和附加结构4b的整体呈现为矩形的剖面形状。
图4展示了p型立柱主体4a和附加结构4b的多种实现方式,所述上宽下窄的形状从左到右可以为V字形、梯形、漏斗形等。
每根n型立柱2a中的掺杂浓度都是不均匀的,其下方的掺杂浓度总是大于或等于上方的掺杂浓度,因而底部掺杂浓度最大,顶部掺杂浓度最小。每根p型立柱4中,主体4a的掺杂浓度是均匀的,附加结构4b的掺杂浓度也是均匀的,主体4a的掺杂浓度总是小于附加结构4b的掺杂浓度。在立柱底部(靠近n型重掺杂硅衬底1的区域),p型立柱4中p型杂质总量小于n型立柱2a中n型杂质总量。在立柱顶部,p型立柱4中p型杂质总量大于n型立柱2a中n型杂质总量。
一种优选的实施方式是:p型立柱主体4a的掺杂浓度小于或等于p型立柱4的均匀掺杂浓度,p型立柱附加结构4b的掺杂浓度大于或等于3倍的p型立柱4的均匀掺杂浓度。所述p型立柱4的均匀掺杂浓度是指,当p型立柱4为均匀掺杂,使p型立柱4中的p型杂质总量等于n型立柱2a中的n型杂质总量时,p型立柱4中的掺杂浓度。
例如,p型立柱主体4a的掺杂浓度为0.5~1倍的p型立柱4的均匀掺浓度,p型立柱附加结构4b的掺杂浓度为3~10倍的p型立柱4的均匀掺杂浓度。
除上述新型的超级结结构外,图1中还包括一些常规的VDMOS器件结构。例如与各n型立柱2a的顶端相接触的是碗状的栅氧化层5,其中包围有多晶硅栅极6。与各p型立柱4的顶端、及部分n型立柱2的顶端相接触的是p阱7,p阱7的表面部分还具有n型重掺杂源区8和p型重掺杂接触区11。栅氧化层5和多晶硅栅极6之上为介质层9。p型重掺杂接触区11和n型重掺杂源区8之上为接触孔电极10。在介质层9和接触孔电极10之上为表面金属层12。从表面金属层12引出源极21。从多晶硅栅极6引出栅极22。在n型重掺杂硅衬底1之下为背面金属层13。从背面金属层13引出漏极23。这样便构成了一个完整的超级结MOS晶体管。
显然,将图1中各结构的掺杂类型(n型、p型)互换,也是可行的。
本发明的重点在于提供一种新的超级结结构,图1仅展示了将其应用于超级结MOS晶体管的实施例,这种新的超级结结构显然也适用于其他超级结半导体器件,例如IGBT(Insulated-gate bipolar transistor,绝缘栅双极晶体管)、二极管等。
下面将介绍本发明超级结结构的制造方法,仍以图1中具有该超级结结构的超级结MOS晶体管为例,包括如下步骤:
第1步,在n型重掺杂硅衬底1之上通过外延工艺生长一层n型外延层2,该n型外延层2的厚度例如为45μm,其掺杂浓度是非均匀的,下方的掺杂浓度总是大于或等于上方的掺杂浓度,这可以通过外延工艺实现,目前的外延设备已可以生长掺杂浓度可变(自定义)的外延层。
第2步,请参阅图2a,在外延寸上淀积一层介质膜9a(如氧化膜,厚500-300埃),利用光刻和刻蚀工艺在n型外延层2中刻蚀出多个沟槽3,用来制作p型立柱4。沟槽3的宽度例如为4μm。两个相邻的沟槽3之间的n型外延层2就作为n型立柱2a,n型立柱2a的宽度例如为4μm。
第3步,请参阅图2b,在沟槽3中填充p型单晶硅,形成沟槽第一填充层4a’。其填充高度为n型外延层2和介质层9的高度之和。所填充的p型硅在顶部具有一个凹槽,该凹槽为上宽下窄的剖面形状,可为图4中的任何一种形式。所述沟槽第一填充层4a’作为p型立柱主体4a的雏形。
第4步,请参阅图2c,在所述沟槽第一填充层4a’的顶部凹槽中继续填充掺杂浓度更高的p型单晶硅,从而在所述沟槽第一填充层4a’的顶部凹槽内形成沟槽第二填充层4b’,作为p型立柱附加结构4b的雏形。
上述第3、4步例如可采用外延工艺,现有工艺可实现所述的顶部凹槽结构。
第5步,请参阅图2d,将沟槽第一填充层4a’和沟槽第二填充层4b’位于n型外延层2之上的部分去除。这一步例如采用化学机械研磨(CMP)工艺或回刻工艺,使沟槽中的硅被研磨或回刻到n型外延层2的表面为止(或其下一定深度,例如最大深度小于3000埃为止),之后利用介质膜的干法或湿法刻蚀将表面介质膜去除。保留下来的沟槽第一填充层就是p型立柱主体4a,保留下来的沟槽第二填充层就是p型立柱附加结构4b。
所述p型立柱主体4a的底部与其顶部凹槽的底部之间的距离为h1,例如取值为25~30μm。所述p型立柱附加结构4b的高度为h2,例如取值为5~10μm。这样p型立柱4、p型立柱主体4a和n型立柱2a的高度均为h1+h2。
上述第2~5步介绍了本发明超级结结构的制作方法,下面各步骤为常规的VDMOS器件结构的制作方法,因此仅简单描述。
第6步,利用光刻和刻蚀工艺在n型立柱2a中刻蚀出沟槽,用来制作多晶硅栅极6。该沟槽的宽度例如小于2μm。
第7步,通过热氧化生长工艺在第6步刻蚀的沟槽侧壁和底部形成一层二氧化硅作为栅氧化层5。该栅氧化层5的厚度例如为
Figure BDA0000095099080000091
在p型立柱4的上表面也会热氧化形成二氧化硅(未图示),它在其后的多晶硅刻蚀中作为硅的保护层,在多晶硅刻蚀中会有一些被刻蚀掉,在一些湿法工艺中也可能厚度被减少,余下部分可以作为后续离子注入步骤的缓冲层,覆盖在接触孔区域的氧化膜至少在后续第12步刻蚀接触孔时被全部去除掉。
第8步,通过淀积工艺在第6步刻蚀的沟槽中填充多晶硅,并通过平坦化工艺或干法反刻工艺将n型外延层2之上的多晶硅除去,从而在第6步刻蚀的沟槽中形成多晶硅栅极6。
第9步,通过光刻和离子注入工艺在p型立柱4的上部形成p阱7。p阱7的p型杂质掺杂浓度例如为1×1017~9×1017atoms/cm3(原子每立方厘米)。p阱7的高度为h3,例如为1.5~3μm。并且p阱7的立体形状(墙或柱)与p型立柱4和n型立柱2a一致。因此此时p型立柱4和p型立柱主体4a的高度降为h1+h2’,p型立柱附加结构4b的高度降为h2’,其中h2’=h2-h3。
第10步,在p阱7的部分区域通过光刻和离子注入工艺形成n型重掺杂源区8。n型重掺杂源区8的n型杂质掺杂浓度大于1×1020atoms/cm3
第11步,在整个硅片淀积一层介质9。所述介质层9的厚度例如为
Figure BDA0000095099080000101
第12步,在介质层9中通过光刻和刻蚀工艺形成接触孔,接触孔下方为p阱7。
第13步,通过离子注入工艺在每个接触孔下方的p阱7中形成p型重掺杂接触区11。p型重掺杂接触区11中的p型杂质掺杂浓度例如大于1×1018atoms/cm3
第14步,通过淀积工艺在接触孔中填充金属,并通过平坦化工艺将介质层9之上的金属除去,从而在接触孔中形成接触孔电极10。
第15步,在整个硅片淀积一层表面金属12,并引出作为源极21。将多晶硅栅极6引出作为栅极22。该表面金属层12的厚度例如为
Figure BDA0000095099080000102
Figure BDA0000095099080000103
第16步,将n型重掺杂硅衬底1从背面(下方)减薄,例如采用化学机械研磨(CMP)工艺;并在n型重掺杂硅衬底1的背面淀积一层背面金属13,引出作为漏极23。
图1所示的超级结结构中,p型立柱4从上到下只分为两段。在其他实施例中,p型立柱4在纵向上可以分为多段,如图5所示。其中从上往下的第二段结构在顶部具有一个上宽下窄的凹槽(可为图4所示的多种形式),从上往下的第一段结构就在该凹槽内,也呈上宽下窄。至于从上到下的第三段往下的各段结构,其上表面可以是水平的,也可以具有凹槽,不作限制;其下表面总是配合其下方结构——如果其下方结构为水平,则下表面为水平;如果其下方结构具有凹槽,则下表面填充该凹槽。所述p型立柱的每一段中,p型杂质的掺杂浓度是均匀的,但从上往下每一段结构的掺杂浓度递减。
上述第2~5步所示的超级结结构的制造方法中,只是以p型立柱4分为两段为例。当p型立柱4分为图5所示的多段时,将上述方法第3步和第4步合并后改为:在沟槽中分多次填充p型硅,每次填充的p型硅的掺杂浓度递增,其中倒数第二次填充的p型硅在顶部具有一个向下的凹槽,该凹槽的剖面形状为上宽下窄;最后一次填充的p型硅在所述倒数第二次填充的p型硅的顶部凹槽内。将上述方法第5步改为:去除倒数第二次填充的p型硅和最后一次填充的p型硅位于n型外延层上表面之上的部分,剩余的最后一次填充的p型硅作为p型立柱的最上一段结构,剩余的倒数第二次填充的p型硅作为p型立柱从上往下的第二段结构。
下面将重点讨论本发明超级结结构中p型立柱的掺杂浓度与n型立柱的掺杂浓度之间的关系。为便于描述,兹举一个具体应用环境:如图1所示的超级结MOS晶体管,其反向击穿电压为600V,n型重掺杂硅衬底1的电阻率为0.001~0.003Ω·cm(欧姆·厘米),p型立柱4和n型立柱2a的宽度均为4μm,n型外延层2的厚度为45μm,p型立柱4的高度h1+h2’为35μm,其中h1=25μm,h2’=10μm。
例一,请参阅图3a,其中的横坐标表示n型立柱2a的高度,横坐标为0处对应于p型立柱4最底端的位置,横坐标为h1处对应于p型立柱附加结构4b最底端的位置,横坐标为h1+h2’处对应于p型立柱4最顶端的位置。n型立柱2a的掺杂浓度如实线所示,呈线性变化,其纵向中心位置(横坐标为(h1+h2’)/2处)的掺杂浓度为NnO,底部的掺杂浓度为NnO×130%,顶部的掺杂浓度为NnO×70%。NnO例如为3×1015atoms/cm3
此时,p型立柱4的最佳掺杂浓度PpO=NnO。所述PpO是假设p型立柱4在掺杂浓度完全均匀的情况下(即只有主体4a,没有附加结构4b,且主体4a中掺杂浓度均匀),使p型立柱4中的p型杂质总量等于n型立柱2a中的n型杂质总量时,p型立柱4中的掺杂浓度。本申请文件中PpO的含义保持不变。
对应于本发明超级结结构中的p型立柱4,其掺杂浓度有几种选择:
第一种选择,p型立柱主体4a的掺杂浓度小于PpO,p型立柱附加结构4b的掺杂浓度大于PpO。例如,如图3b所示,其横坐标含义与图3a相同,p型立柱4的掺杂浓度如实线所示。p型立柱主体4a的掺杂浓度为PpO×90%,p型立柱附加结构4b的掺杂浓度为PpO×300%。在高度为h1~h1+h2’的范围内,p型立柱4包括了主体4a和附加结构4b两部分,但图3b中只表示了附加结构4b中的掺杂浓度,以下图3c、图3d与之相同。
第二种选择,p型立柱主体4a的掺杂浓度等于PpO,p型立柱附加结构4b的掺杂浓度大于PpO。例如,如图3c所示,其横坐标含义与图3a相同,p型立柱4的掺杂浓度如实线所示。p型立柱主体4a的掺杂浓度为PpO,p型立柱附加结构4b的掺杂浓度为PpO×300%。
第三种选择,p型立柱主体4a的掺杂浓度大于PpO,但小于对应范围内n型立柱2a的最大掺杂浓度NnO×130%。p型立柱附加结构4b的掺杂浓度大于PpO。例如,如图3d所示,其横坐标含义与图3a相同,p型立柱4的掺杂浓度如实线所示。p型立柱主体4a的掺杂浓度为PpO×110%,p型立柱附加结构4b的掺杂浓度为PpO×300%。
例二,请参阅图3e,其横坐标含义与图3a相同,n型立柱2a的掺杂浓度如实线所示。在p型立柱4除附加结构4b以外的高度范围内(即0~h1的高度范围内),n型立柱2a的掺杂浓度呈线性变化。在p型立柱附加结构4b最下方的同等高度,n型立柱2a的掺杂浓度为NnO。n型立柱2a的底部的掺杂浓度为NnO×130%。在p型立柱附加结构4b的范围内(即h1~h1+h2’的高度范围内),n型立柱2a为固定的掺杂浓度NnO。NnO例如为3×1015atoms/cm3
此时,p型立柱4的最佳掺杂浓度PpO=(h1×1.15+h2’)×NnO/(h1+h2’)。其中1.15为呈线性变化的那部分n型立柱2a的平均掺杂浓度与NnO的比值。
对应于本发明超级结结构中的p型立柱4,其掺杂浓度可为:p型立柱主体4a的掺杂浓度等于PpO,p型立柱附加结构4b的掺杂浓度大于PpO。例如,如图3c所示,p型立柱主体4a的掺杂浓度为PpO,p型立柱附加结构4b的掺杂浓度为PpO×300%。
例三,请参阅图3f,其横坐标含义与图3a相同,n型立柱2a的掺杂浓度如实线所示。在p型立柱4除附加结构4b以外的高度范围内(即0~h1的高度范围内),n型立柱2a的掺杂浓度呈线性变化。在p型立柱附加结构4b最下方的同等高度,n型立柱2a的掺杂浓度为NnO。n型立柱2a的底部的掺杂浓度为NnO×130%。在p型立柱附加结构4b的范围内(即h1~h1+h2’的高度范围内),n型立柱2a为固定的掺杂浓度NnO×80%。NnO例如为3×1015atoms/cm3
此时,p型立柱4的最佳掺杂浓度PpO=(h1×1.15+h2’×0.8)×NnO/(h1+h2’)。其中1.15为呈线性变化的那部分n型立柱2a的平均掺杂浓度与NnO的比值。
对应于本发明超级结结构中的p型立柱4,其掺杂浓度可为:p型立柱主体4a的掺杂浓度等于PpO,p型立柱附加结构4b的掺杂浓度大于PpO。例如,如图3c所示,p型立柱主体4a的掺杂浓度为PpO,p型立柱附加结构4b的掺杂浓度为PpO×300%。
以上仅为本发明的优选实施例,并不用于限定本发明。对于本领域的技术人员来说,本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种超级结结构,其特征是,在n型外延层中具有多根p型立柱,每相邻的两根p型立柱之间的n型外延层作为一根n型立柱;这样在n型外延层中便形成了交替排列的多根p型立柱和n型立柱,即超级结结构;
每根p型立柱在纵向上包括多段,其中从上往下的第二段结构在顶部具有一个上宽下窄的凹槽,从上往下的第一段结构就在该凹槽内,也呈上宽下窄;
所述p型立柱的每一段中,p型杂质的掺杂浓度是均匀的,从上往下每一段中的掺杂浓度递减;
每根n型立柱中的掺杂浓度在纵向上呈不均匀分布,且下方的掺杂浓度大于或等于上方的掺杂浓度;
在超级结结构的底部,p型立柱中p型杂质总量小于n型立柱中n型杂质总量;
在超级结结构的顶部,p型立柱中p型杂质总量大于n型立柱中n型杂质总量。
2.根据权利要求1所述的超级结结构,其特征是,每根p型立柱在纵向上包括两段,从下往上分别称作主体和附加结构,所述p型立柱主体的底部与顶部凹槽的底部之间的距离为25~30μm,所述p型立柱附加结构的高度为2~8μm。
3.根据权利要求2所述的超级结结构,其特征是,所述p型立柱主体的掺杂浓度小于或等于p型立柱的均匀掺杂浓度,所述p型立柱附加结构的掺杂浓度大于或等于3倍的p型立柱的均匀掺杂浓度;
所述p型立柱的均匀掺杂浓度是指,当p型立柱均匀掺杂,使p型立柱中的p型杂质总量等于n型立柱中的n型杂质总量时,p型立柱中的掺杂浓度。
4.根据权利要求3所述的超级结结构,其特征是,所述p型立柱主体的掺杂浓度为0.5~1倍的p型立柱的均匀掺杂浓度,所述p型立柱附加结构的掺杂浓度为3~10倍的p型立柱的均匀掺杂浓度。
5.根据权利要求1所述的超级结结构,其特征是,各部分的掺杂类型相反。
6.一种超级结MOS晶体管,其特征是,在n型重掺杂硅衬底之上为n型外延层,n型外延层中具有多根p型立柱;每相邻的两根p型立柱之间的n型外延层作为一根n型立柱;这样在n型外延层中便形成了交替排列的多根p型立柱和n型立柱,即超级结结构;
所述p型立柱在纵向上包括多段,其中从上往下的第二段结构在顶部具有一个上宽下窄的凹槽,从上往下的第一段结构就在该凹槽内,也呈上宽下窄;
所述p型立柱的每一段中,p型杂质的掺杂浓度是均匀的,从上往下每一段中的掺杂浓度递减;
每根n型立柱中,下方的掺杂浓度总是大于或等于上方的掺杂浓度;
与各n型立柱的顶端相接触的是碗状的栅氧化层,其中包围有多晶硅栅极;
与各p型立柱的顶端、及部分型立柱的顶端相接触的是p阱,p阱的表面部分还具有n型重掺杂源区和p型重掺杂接触区;
栅氧化层和多晶硅栅极之上为介质层;
p型重掺杂接触区和n型重掺杂源区之上为接触孔电极;
在介质层和接触孔电极之上为表面金属层,从表面金属层引出源极;
从多晶硅栅极引出栅极;
在n型重掺杂硅衬底之下为背面金属层,从背面金属层引出漏极。
7.根据权利要求6所述的超级结MOS晶体管,其特征是,各部分的掺杂类型相反。
8.如权利要求1所述的超级结结构的制造方法,其特征是,包括如下步骤:
第1步,利用光刻和刻蚀工艺在n型外延层中刻蚀出多个沟槽,两个相邻的沟槽之间的n型外延层就作为n型立柱;
第2步,在沟槽中分多次填充p型硅,每次填充的p型硅的掺杂浓度递增,其中倒数第二次填充的p型硅在顶部具有一个向下的凹槽,该凹槽的剖面形状为上宽下窄;
最后一次填充的p型硅在所述倒数第二次填充的p型硅的顶部凹槽内;
第3步,去除倒数第二次填充的p型硅和最后一次填充的p型硅位于n型外延层上表面之上的部分,剩余的最后一次填充的p型硅作为p型立柱的最上一段结构,剩余的倒数第二次填充的p型硅作为p型立柱从上往下的第二段结构。
9.如权利要求6所述的超级结MOS晶体管的制造方法,其特征是,包括如下步骤:
第1步,在n型重掺杂硅衬底之上外延生长一层n型外延层;该n型外延层中,下方的掺杂浓度总是大于或等于上方的掺杂浓度;
第2步,在n型外延层中刻蚀出多个沟槽;两个相邻的沟槽之间的n型外延层就作为n型立柱;
第3步,在沟槽中分多次填充p型硅,所填充的p型硅的掺杂浓度递增,其中倒数第二次填充的p型硅在顶部具有一个向下的凹槽,该凹槽的剖面形状为上宽下窄;最后一次填充的p型硅在所述倒数第二次填充的p型硅的顶部凹槽内;
第4步,去除倒数第二次填充的p型硅和最后一次填充的p型硅位于n型外延层上表面之上的部分,剩余的最后一次填充的p型硅作为p型立柱的最上一段结构,剩余的倒数第二次填充的p型硅作为p型立柱从上往下的第二段结构。
第5步,在n型立柱的上部刻蚀出沟槽;
第6步,在第5步刻蚀的沟槽侧壁和底部形成一层二氧化硅作为栅氧化层;
第7步,在第5步刻蚀的沟槽中形成多晶硅栅极;
第8步,在p型立柱的上部形成p阱;
第9步,在p阱的部分表面形成n型重掺杂源区;
第10步,在整个硅片淀积一层介质;
第11步,在介质层形成接触孔,接触孔下方为p阱;
第12步,在每个接触孔下方的p阱中形成p型重掺杂接触区;
第13步,在接触孔中形成接触孔电极;
第14步,在整个硅片淀积一层表面金属并引出作为源极;将多晶硅栅极引出作为栅极;
第15步,将n型重掺杂硅衬底从背面减薄,并在n型重掺杂硅衬底的背面淀积一层背面金属,引出作为漏极。
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105118852A (zh) * 2015-07-22 2015-12-02 深圳尚阳通科技有限公司 超结结构、超结mosfet及其制造方法
CN108022924A (zh) * 2017-11-30 2018-05-11 上海华虹宏力半导体制造有限公司 沟槽型超级结及其制造方法
CN109729743A (zh) * 2016-11-11 2019-05-07 新电元工业株式会社 Mosfet以及电力转换电路

Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP6135178B2 (ja) * 2013-02-25 2017-05-31 富士電機株式会社 超接合半導体装置の製造方法
CN104183641B (zh) * 2013-05-24 2017-06-06 上海华虹宏力半导体制造有限公司 一种半导体器件及其形成方法
JP6649197B2 (ja) * 2016-07-14 2020-02-19 ルネサスエレクトロニクス株式会社 半導体装置の製造方法
CN111341830B (zh) * 2018-12-18 2022-08-30 深圳尚阳通科技有限公司 超结结构及其制造方法
CN109830532A (zh) * 2019-01-22 2019-05-31 上海华虹宏力半导体制造有限公司 超结igbt器件及其制造方法
DE112020005498T5 (de) * 2019-11-08 2022-09-15 Nisshinbo Micro Devices Inc. Halbleiterbauelement

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6495294B1 (en) * 1999-10-28 2002-12-17 Denso Corporation Method for manufacturing semiconductor substrate having an epitaxial film in the trench
CN1494160A (zh) * 2002-09-25 2004-05-05 ��ʽ���綫֥ 功率半导体元件
CN1638144A (zh) * 2003-12-25 2005-07-13 恩益禧电子股份有限公司 半导体器件及其制造方法
US20060284248A1 (en) * 2005-06-20 2006-12-21 Kabushiki Kaisha Toshiba Semiconductor device and method of fabricating the same
US20070018243A1 (en) * 2005-07-13 2007-01-25 Kabushiki Kaisha Toshiba Semiconductor element and method of manufacturing the same
CN101465370A (zh) * 2007-12-17 2009-06-24 株式会社电装 具有超级结的半导体器件

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8698229B2 (en) * 2011-05-31 2014-04-15 Infineon Technologies Austria Ag Transistor with controllable compensation regions

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6495294B1 (en) * 1999-10-28 2002-12-17 Denso Corporation Method for manufacturing semiconductor substrate having an epitaxial film in the trench
CN1494160A (zh) * 2002-09-25 2004-05-05 ��ʽ���綫֥ 功率半导体元件
CN1638144A (zh) * 2003-12-25 2005-07-13 恩益禧电子股份有限公司 半导体器件及其制造方法
US20060284248A1 (en) * 2005-06-20 2006-12-21 Kabushiki Kaisha Toshiba Semiconductor device and method of fabricating the same
US20070018243A1 (en) * 2005-07-13 2007-01-25 Kabushiki Kaisha Toshiba Semiconductor element and method of manufacturing the same
CN101465370A (zh) * 2007-12-17 2009-06-24 株式会社电装 具有超级结的半导体器件

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105118852A (zh) * 2015-07-22 2015-12-02 深圳尚阳通科技有限公司 超结结构、超结mosfet及其制造方法
CN105118852B (zh) * 2015-07-22 2018-07-06 深圳尚阳通科技有限公司 超结结构、超结mosfet及其制造方法
CN109729743A (zh) * 2016-11-11 2019-05-07 新电元工业株式会社 Mosfet以及电力转换电路
CN109729743B (zh) * 2016-11-11 2021-12-28 新电元工业株式会社 Mosfet以及电力转换电路
CN108022924A (zh) * 2017-11-30 2018-05-11 上海华虹宏力半导体制造有限公司 沟槽型超级结及其制造方法
CN108022924B (zh) * 2017-11-30 2020-08-07 上海华虹宏力半导体制造有限公司 沟槽型超级结及其制造方法

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