CN103137688B - 一种沟槽mos结构半导体装置及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明主要涉及到一种沟槽MOS结构半导体装置，并将超结结构引入到半导体装置中，本发明的沟槽MOS结构半导体装置是超级势垒整流器和功率MOSFET的基础结构，本发明还涉及沟槽MOS结构半导体装置的制造工艺。
Description
技术领域
本发明主要涉及到一种沟槽MOS结构半导体装置，并将超结结构引入到半导体装置中，本发明的沟槽MOS结构半导体装置是超级势垒整流器和功率MOSFET，本发明还涉及沟槽MOS结构半导体装置的制造工艺。
背景技术
具有沟槽结构和超结结构的半导体器件，已成为器件发展的重要趋势。对于功率半导体器件，不断降低导通电阻和不断提高电流密度的要求成为器件发展的重要趋势。
传统沟槽MOS器件在沟槽内壁生长有栅氧，沟槽内填充有多晶硅，沟槽边侧半导体材料依次设置有源区、体区和漏区。器件开通状态下的导通电阻主要受到漏区的漂移层电阻影响。
发明内容
本发明提供一种新型的沟槽MOS结构半导体装置，其具有低的导通电阻。
一种沟槽MOS结构半导体装置，其特征在于：包括：
衬底层，为半导体材料；漂移层，为第一传导类型的半导体材料，位于衬底层之上；体区，为第二传导类型的半导体材料，位于漂移层之上；多个沟槽，位于漂移层和体区中，沟槽侧壁表面上部有绝缘层，沟槽底部表面没有绝缘层，同时沟槽内填充有半导体材料；多个源区，为第一传导类型的半导体材料，临靠沟槽和体区。
其中所述的沟槽内填充的半导体材料可以为多晶第二传导类型的半导体材料，也可以为单晶半导体材料，且上部区域为高浓度杂质掺杂，下部区域为低浓度杂质掺杂。或者所述的沟槽内填充的半导体材料，上部可以为多晶第二传导类型半导体材料，且为高浓度杂质掺杂，下部区域可以为单晶第二传导类型半导体材料，且为低浓度杂质掺杂。当器件接反向偏压时，所述的漂移层的第一传导类型的半导体材料和沟槽内填充第二传导类型的半导体材料可以形成超结结构，产生电荷补偿，电场相对均匀分布，即可以提高漏区的漂移层杂质掺杂浓度，从而实现极大的降低漏区的漂移层电阻。
提供了另一种沟槽MOS结构半导体装置的制造方法，其特征在于：包括如下步骤：在衬底层上通过外延生产形成第一传导类型的半导体材料漂移层和第二传导类型的半导体材料体区；在表面形成钝化层，在待形成沟槽区域表面去除钝化层；进行第一传导类型杂质扩散；进行刻蚀半导体材料，形成沟槽；在沟槽内壁形成绝缘层；腐蚀去除沟槽底部绝缘层；在沟槽内形成栅电极半导体材料，包括高浓度杂质掺杂单晶第二传导类型半导体材料、多晶第二传导半导体材料或多晶第一传导半导体材料。
本发明的沟槽MOS结构半导体装置，通过栅极将超结结构引入到沟槽MOS结构中，与传统的沟槽MOS器件相比，降低了器件的导通电阻。
附图说明
图1为本发明沟槽MOS结构半导体装置第一种实施方式剖面示意图；
图2为本发明沟槽MOS结构半导体装置第二种实施方式剖面示意图；
图3为本发明实施例1中工艺制造第二步的剖面示意图；
图4为本发明实施例2中工艺制造第七步的剖面示意图；
图5为本发明实施例2中工艺制造第八步的剖面示意图。
其中，1、衬底层；2、漂移层；3、体区；4、源区；5、氧化层；6、P型单晶半导体材料；8、N型多晶半导体材料；9、P型多晶半导体材料。
具体实施方式
实施例1
图1示出了本发明第一例半导体装置的示意性剖面图，下面结合图1详细说明本发明的沟槽MOS结构半导体装置制造MOSFET器件。
一种沟槽MOS结构半导体装置包括：衬底层1，为N导电类型半导体硅材料，磷原子掺杂浓度为1E19cm-3；漂移层2，位于衬底层1之上，为N传导类型的半导体硅材料，磷原子掺杂浓度为1E16cm-3，厚度为20um；体区3，位于漂移层2之上，为P传导类型的半导体材料，体区3的表面具有硼原子重掺杂接触区，体区3厚度为4um；源区4，临靠沟槽和体区3，为磷原子重掺杂N传导类型的半导体材料，源区4厚度为1.5um；氧化层5，为硅材料的氧化物，位于沟槽侧壁上部；P型单晶半导体材料6，为P型单晶半导体硅材料，位于沟槽内，硼原子掺杂浓度为2E16cm-3；P型多晶半导体材料9，为P型多晶半导体硅材料，位于沟槽的上部，具有高浓度的硼原子掺杂；沟槽的宽度为2um，沟槽之间的间距为4um，沟槽贯穿整个漂移层2，且沟槽底部和侧壁下部无氧化层5。
本实施例中沟槽MOS结构半导体装置的工艺制造流程如下：
第一步，在具有超结结构的半导体晶片(包含了衬底层1、漂移层2和P型单晶半导体材料6)上通过外延生产形成体区3；
第二步，在表面热氧化形成氧化层5，在待形成沟槽区域表面去除氧化层5，如图3所示；
第三步，进行磷扩散，形成源区4，然后腐蚀去除待形成沟槽区域表面氧化层5；
第四步，进行干法刻蚀，去除半导体材料，形成沟槽；
第五步，在沟槽内壁热氧化形成氧化层5；
第六步，干法腐蚀去除沟槽底部氧化层5；
第七步，在沟槽内淀积P型多晶半导体材料9，进行反刻蚀，腐蚀去除表面部分氧化层5，如图1所示。
然后在此基础上，在表面淀积钝化层，腐蚀去除表面部分钝化层，再淀积金属铝，然后反刻铝，为器件引出源极和栅极。通过背面金属化工艺为器件引出漏极。
如上所述，器件加反偏电压时，栅极电势与源极相当，所以漂移层2和P型单晶半导体材料6可以形成超结结构，产生电荷补偿，电场相对均匀分布，即可以实现漂移层2杂质高浓度掺杂，从而极大的降低器件的导通电阻。
实施例2
图2示出了本发明第二例半导体装置的示意性剖面图，下面结合图2详细说明本发明的沟槽MOS结构半导体装置制造MOSFET器件。
一种沟槽MOS结构半导体装置包括：衬底层1，为N导电类型半导体硅材料，磷原子掺杂浓度为1E19cm-3；漂移层2，位于衬底层1之上，为N传导类型的半导体硅材料，磷原子掺杂浓度为1E16cm-3，厚度为20um；体区3，位于漂移层2之上，为P传导类型的半导体材料，体区3的表面具有硼原子重掺杂接触区，体区3厚度为4um；源区4，临靠沟槽和体区3，为磷原子重掺杂N传导类型的半导体材料，源区4厚度为1.5um；氧化层5，为硅材料的氧化物，位于沟槽侧壁上部；P型单晶半导体材料6，为P型单晶半导体硅材料，位于沟槽内，下部硼原子掺杂浓度为2E16cm-3，上部具有高浓度的硼原子掺杂；N型多晶半导体材料8，为N型多晶半导体硅材料，位于沟槽的上部，具有高浓度的磷原子掺杂；沟槽的宽度为2um，沟槽之间的间距为4um，沟槽贯穿整个漂移层2，且沟槽底部和侧壁下部无氧化层5。
本实施例中沟槽MOS结构半导体装置的工艺制造流程如下：
第一步，在具有超结结构的半导体晶片(包含了衬底层1、漂移层2和P型单晶半导体材料6)上通过外延生产形成体区3；
第二步，在表面热氧化形成氧化层5，在待形成沟槽区域表面去除氧化层5；
第三步，进行磷扩散，形成源区4，然后腐蚀去除待形成沟槽区域表面氧化层5；
第四步，进行干法刻蚀，去除半导体材料，形成沟槽；
第五步，在沟槽内壁热氧化形成氧化层5；
第六步，干法腐蚀去除沟槽底部氧化层5；
第七步，在沟槽内淀积N型多晶半导体材料8，如图4所示；
第八步，进行N型多晶半导体材料8反刻蚀，如图5所示；
第九步，在沟槽内淀积P型单晶半导体材料6，进行反刻蚀，腐蚀去除表面部分氧化层5，如图2所示。
然后在此基础上，在表面淀积钝化层，腐蚀去除表面部分钝化层，再淀积金属铝，然后反刻铝，为器件引出源极和栅极。通过背面金属化工艺为器件引出漏极。
如上所述，器件加反偏电压时，栅极电势与源极相当，所以漂移层2和P型单晶半导体材料6可以形成超结结构，产生电荷补偿，电场相对均匀分布，即可以实现漂移层2杂质高浓度掺杂，从而极大的降低器件的导通电阻。
通过上述实例阐述了本发明，同时也可以采用其它实例实现本发明。本发明不局限于上述具体实例，例如本发明还可应用于制造超级势垒整流器器件，因此本发明由所附权利要求范围限定。
Claims (5)
1.一种沟槽MOS结构半导体装置，其特征在于：包括：
衬底层，为半导体材料；
漂移层，为第一传导类型的半导体材料，位于衬底层之上；
体区，为第二传导类型的半导体材料，位于漂移层之上；多个
沟槽，位于漂移层和体区中，沟槽侧壁上部表面有绝缘层，沟槽侧壁下部表面没有绝缘层，沟槽底部表面没有绝缘层，同时沟槽内填充有第二传导类型半导体材料，且上部区域为高浓度杂质掺杂栅极材料，下部区域为低浓度杂质掺杂；多个
源区，为第一传导类型的半导体材料，临靠沟槽和体区；
从栅极材料到源区体区之间设置有栅极材料、漂移层材料、体区材料和源区材料形成放电晶体管；
漂移层的第一传导类型的半导体材料和沟槽内填充第二传导类型的半导体材料形成超结结构，当器件接反向偏压时，形成电荷补偿。
2.如权利要求1所述的半导体装置，其特征在于：所述的沟槽内填充的半导体材料为多晶第二传导类型的半导体材料，且上部区域为高浓度杂质掺杂，下部区域为低浓度杂质掺杂。
3.如权利要求1所述的半导体装置，其特征在于：所述的沟槽内填充第二传导类型的半导体材料为单晶半导体材料，且上部区域为高浓度杂质掺杂，下部区域为低浓度杂质掺杂。
4.如权利要求1所述的半导体装置，其特征在于：所述的沟槽内填充的半导体材料，上部为多晶第二传导类型半导体材料，且为高浓度杂质掺杂，下部区域为单晶第二传导类型半导体材料，且为低浓度杂质掺杂。
5.一种如权利要求1所述的沟槽MOS结构半导体装置的制造方法，其特征在于：包括如下步骤：
1)在具有超结结构半导体晶片上外延生产形成第二传导类型的半导体材料体区，其中超结结构半导体晶片为衬底层和漂移层构成，漂移层中设置有填充第二传导类型单晶半导体材料的多个无绝缘层隔离沟槽；
2)在表面形成钝化层，在第二传导类型单晶半导体材料上方待形成沟槽区域表面去除钝化层；
3)进行第一传导类型杂质扩散，形成源区；
4)进行刻蚀半导体材料至漂移层中，形成沟槽；
5)在沟槽内壁形成绝缘层；
6)干法腐蚀去除沟槽底部绝缘层；
7)在沟槽内形成高浓度掺杂第二传导类型多晶半导体材料。
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