CN103730506A - 一种低栅极电荷功率器件及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种低栅极电荷功率器件，栅区中的栅氧化层采用由主栅氧化层与次栅氧化层构成的组合式栅氧化层，其中，次栅氧化层与主栅氧化层之间形成台阶结构，且主栅氧化层的宽度小于等于N-型漂移区顶面的宽度，可单独增大主栅氧化层的厚度以增大栅氧化层的整体厚度而不影响与沟道接触的次栅极氧化层的垂直厚度，从而在不影响器件开关速度的前提下，降低栅区与漏极之间的电容，以达到减小栅极电荷的目的，降低开关器件的驱动功耗。本发明还公开了一种低栅极电荷功率器件的制备方法，在兼容现有工艺的情况下，分两步先后形成主栅氧化层与次栅氧化以得到组合式栅氧化层，工艺步骤简单，可操作性强。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，尤其是涉及一种低栅极电荷功率器件及其制备方法。
背景技术
功率金属-氧化物-半导体场效应管（Power MOSFET）结构由于功能上的特殊性，在非常广阔的领域有着广泛的应用。例如，磁盘驱动、汽车电子以及功率器件等方面。以功率器件为例，如VDMOS（Vertical double-diffused metal oxide semiconductor，垂直双扩散MOS），VDMOS是一种电压控制型器件，在合适的栅极电压的控制下，半导体表面反型，形成导电沟道，于是漏极和源极之间纵向流过适量的电流。
传统的VDMOS器件在工作时，沟道形成于栅区两侧，该结构由于多晶硅栅与漏极之间有较大的接触部分，即栅区与漏极的相对的非沟道面积较大，导致栅极电荷（Qg）较高，栅区与漏极之间的电容大，这会显著增加开关器件的驱动功耗。
目前通常通过增大栅氧化层整体厚度的方式来降低栅区与漏极之间的电容，以减小栅极电荷（Qg），传统功率器件中栅区的栅氧化层为平面结构的一体式栅氧化层，即栅氧化层的截面为矩形，由于传统的一体式栅极氧化层是经一次生长、刻蚀后得到，因此，在增大栅氧化层厚度的同时也会增加与沟道接触的栅极氧化层垂直厚度，而与沟道接触的栅极氧化层垂直厚度增加，会增大器件的开关电压，从而会影响功率器件的开关速度。
发明内容
本发明是为了解决现有技术的功率器件栅极电荷（Qg）较高，栅区与漏极之间的电容大，会显著增加开关器件的驱动功耗的问题，提供了一种低栅极电荷功率器件，本发明器件中的栅氧化层包括主栅氧化层与次栅氧化层，且次栅氧化层与主栅氧化层之间形成台阶结构，通过增加主栅氧化层的厚度，在不影响器件开关速度的情况下，以降低栅区与漏极之间的电容，达到减小栅极电荷的目的。
本发明还提供了一种低栅极电荷功率器件的制备方法，该制备方法工艺步骤简单，能在兼容现有工艺的情况下，降低栅区与漏极之间的电容，有效减小器件的栅极电荷。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种低栅极电荷功率器件，包括漏极、位于漏极上的N+型衬底及位于N+型衬底上的N-型漂移区，所述N-型漂移区的两侧肩部位置设有P+型沟道区域，P+型沟道区域顶面设有N+型源极区域，所述N-型漂移区上设有栅区，所述栅区上设有源极，所述栅区包括位于N-型漂移区上的栅氧化层，所述栅氧化层上设有多晶硅栅，所述多晶硅栅上设有ILD绝缘层，所述栅氧化层包括主栅氧化层以及位于主栅氧化层两侧的次栅氧化层，所述主栅氧化层位于N-型漂移区上方并与N-型漂移区接触，且主栅氧化层的宽度小于等于N-型漂移区顶面的宽度，所述次栅氧化层的外侧边缘延伸至与之邻近的N+型源极区域顶面上方，并与N+型源极区域接触，次栅氧化层与主栅氧化层之间形成台阶结构。由公式C=εS/4πkd（ε、4πk为常数，S为与沟道接触的栅极氧化层面积，d为栅极氧化层的整体厚度）可知，为降低栅区与漏极之间的电容，需增大栅氧化层的整体厚度，但是传统的栅氧化层为一体式栅氧化层，在增大整体厚度时的同时也会增大与沟道接触的栅极氧化层的垂直厚度，而与沟道接触的栅极氧化层的垂直厚度增大会提高器件的开关电压，会影响功率器件的开关速度。因此，本发明的器件摒弃传统的平面结构的一体式栅氧化层，采用由主栅氧化层与次栅氧化层构成的组合式栅氧化层，由于本发明中的次栅氧化层与主栅氧化层之间形成台阶结构，且主栅氧化层的宽度小于等于N-型漂移区顶面的宽度，可单独增大主栅氧化层的厚度以增大栅氧化层的整体厚度而不影响与沟道接触的次栅极氧化层的垂直厚度，从而在不影响器件开关速度的前提下，降低栅区与漏极之间的电容，以达到减小栅极电荷，降低开关器件的驱动功耗的目的，本发明中的栅氧层为常规的SiO2层。
作为优选，所述主栅氧化层的厚度为3000~8000埃米。
作为优选，所述次栅氧化层的厚度为800~1500埃米。
作为优选，所述漏极的厚度为5000～15000埃米。
一种低栅极电荷功率器件的制备方法，包括以下步骤：
（1）在N+型衬底上形成N-型外延层。
（2）在N-型外延层上生长主栅氧化层结构，主栅氧化层结构经刻蚀后形成主栅氧化层。本发明中必须先形成主栅氧化层，再形成次栅氧化层，才能保证次栅氧化层与主栅氧化层之间形成台阶结构，否则得不到的台阶结构不完整。
（3）在N-型外延层上生长次栅氧化层结构。
（4）在整个结构表面沉积多晶硅，多晶硅经刻蚀后形成多晶硅栅。
（5）通过沉积，在整个结构表面形成ILD绝缘层结构，同时对ILD绝缘层结构与次栅氧化层结构进行刻蚀以形成ILD绝缘层与次栅氧化层。
（6）通过硼离子和磷离子注入，在次栅氧化层外侧的N-型外延层中分别形成P+型沟道区域和N+型源极区域，剩余N-型外延层形成N-型漂移区。
（7）通过金属溅射，在整个结构表面形成金属层，金属层经刻蚀后形成源极。
（8）通过金属蒸发，在N+型衬底底面形成金属层作为漏极，即得低栅极电荷功率器件。
作为优选，步骤（1）中N-型外延层的厚度为10~60μm，电阻率为10～40 Ω/□。
作为优选，步骤（6）中，硼离子注入的离子源为11B+、注入能量为70～120KeV、注入剂量为3.0E13～6.0E13 ions/cm2。
作为优选，步骤（6）中，磷离子注入的离子源为31P+、注入能量为120～160KeV、注入剂量为1.0E15～8.0E15 ions/cm2。
因此，本发明具有如下有益效果：
（1）本发明的器件采用由主栅氧化层与次栅氧化层构成的组合式栅氧化层，次栅氧化层与主栅氧化层之间形成台阶结构，且主栅氧化层的宽度小于等于N-型漂移区顶面的宽度，可单独增大主栅氧化层的厚度以增大栅氧化层的整体厚度而不影响与沟道接触的次栅极氧化层的垂直厚度，从而在不影响器件开关速度的前提下，降低栅区与漏极之间的电容，以达到减小栅极电荷的目的，降低开关器件的驱动功耗；
（2）本发明的制备方法在兼容现有工艺的情况下，分两步形成主栅氧化层与次栅氧化以得到组合式栅氧化层，工艺步骤简单，可操作性强，可降低器件栅区与漏极之间的电容，有效减小器件的栅极电荷。
附图说明
图1是本发明低栅极电荷功率器件的一种结构示意图。
图2~ 6是实施例1中低栅极电荷功率器件的制备方法工艺示意图。
图中：漏极1，N+型衬底2，N-型漂移区3，P+型沟道区域4，N+型源极区域5，源极6，主栅氧化层7，次栅氧化层8，多晶硅栅9，ILD绝缘层10，台阶结构11。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的描述。
下述实施例中的方法，如无特别说明，均为本领域常规方法。
实施例1
如图1所示，一种低栅极电荷功率器件，包括厚度为5000埃米的漏极1、位于漏极1上的N+型衬底2及位于N+型衬底2上的N-型漂移区3，N-型漂移区3的两侧肩部位置设有P+型沟道区域4，P+型沟道区域4顶面设有N+型源极区域5， N-型漂移区3上设有栅区，栅区上设有源极6，栅区包括位于N-型漂移区3上的栅氧化层，栅氧化层上设有多晶硅栅9，多晶硅栅9上设有ILD绝缘层10，栅氧化层包括厚度为3000埃米的主栅氧化层7以及位于主栅氧化层7两侧，厚度为800埃米的次栅氧化层8，主栅氧化层7位于N-型漂移区3上方并与N-型漂移区3接触，且主栅氧化层7的宽度等于N-型漂移区3顶面的宽度，次栅氧化层8的外侧边缘延伸至与之邻近的N+型源极区域3顶面上方，并与N+型源极区域3接触，次栅氧化层8与主栅氧化层7之间形成台阶结构11。
该低栅极电荷功率器件的制备方法包括以下步骤：
（1）在N+型衬底2上形成厚度为10μm，电阻率为10 Ω/□的N-型外延层。
（2）在N-型外延层2上生长主栅氧化层结构，主栅氧化层结构经刻蚀后形成主栅氧化层7（见图2）。
（3）在N-型外延层2上生长次栅氧化层结构。
（4）在整个结构表面沉积多晶硅，多晶硅经刻蚀后形成多晶硅栅9（见图3）。
（5）通过沉积，在整个结构表面形成ILD绝缘层结构，同时对ILD绝缘层结构与次栅氧化层结构进行刻蚀以形成ILD绝缘层10与次栅氧化层8（见图4）。
（6）通过硼离子和磷离子注入，在次栅氧化层外侧的N-型外延层中分别形成P+型沟道区域4和N+型源极区域5，剩余N-型外延层形成N-型漂移区3（见图5），其中，硼离子注入的离子源为11B+、注入能量为70KeV、注入剂量为3.0E13 ions/cm2，磷离子注入的离子源为31P+、注入能量为120KeV、注入剂量为1.0E15 ions/cm2。
（7）通过金属溅射，在整个结构表面形成金属层，金属层经刻蚀后形成源极6（见图6）。
（8）通过金属蒸发，在N+型衬底2底面形成金属层作为漏极1（见图1），即得低栅极电荷功率器件。
实施例2
本实施例的低栅极电荷功率器件结构与实施例1完全相同，不同之处在于：漏极1的厚度为12000埃米，主栅氧化层7的厚度为4000埃米，次栅氧化层8的厚度为900埃米，主栅氧化层7的宽度小于N-型漂移区3顶面的宽度。
本实施例低栅极电荷功率器件的制备方法与实施例1完全相同，不同之处在于：N+型衬底2上形成厚度为20μm，电阻率为30 Ω/□的N-型外延层，硼离子注入的离子源为11B+、注入能量为100KeV、注入剂量为4.0E13 ions/cm2，磷离子注入的离子源为31P+、注入能量为130KeV、注入剂量为3.0E15 ions/cm2。
实施例3
本实施例的低栅极电荷功率器件结构与实施例1完全相同，不同之处在于：漏极1的厚度为15000埃米，主栅氧化层7的厚度为8000埃米，次栅氧化层8的厚度为1500埃米，主栅氧化层7的宽度等于N-型漂移区3顶面的宽度。
本实施例低栅极电荷功率器件的制备方法与实施例1完全相同，不同之处在于：N+型衬底2上形成厚度为60μm，电阻率为40 Ω/□的N-型外延层，硼离子注入的离子源为11B+、注入能量为120KeV、注入剂量为6.0E13 ions/cm2，磷离子注入的离子源为31P+、注入能量为160KeV、注入剂量为8.0E15 ions/cm2。
以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，并非对本发明作任何形式上的限制，在不超出权利要求所记载的技术方案的前提下还有其它的变体及改型。
Claims (8)
1. 一种低栅极电荷功率器件，包括漏极、位于漏极上的N+型衬底及位于N+型衬底上的N-型漂移区，所述N-型漂移区的两侧肩部位置设有P+型沟道区域，P+型沟道区域顶面设有N+型源极区域，所述N-型漂移区上设有栅区，所述栅区上设有源极，所述栅区包括位于N-型漂移区上的栅氧化层，所述栅氧化层上设有多晶硅栅，所述多晶硅栅上设有ILD绝缘层，其特征在于，所述栅氧化层包括主栅氧化层以及位于主栅氧化层两侧的次栅氧化层，所述主栅氧化层位于N-型漂移区上方并与N-型漂移区接触，且主栅氧化层的宽度小于等于N-型漂移区顶面的宽度，所述次栅氧化层的外侧边缘延伸至与之邻近的N+型源极区域顶面上方，并与N+型源极区域接触，次栅氧化层与主栅氧化层之间形成台阶结构。
2. 根据权利要求1所述的一种低栅极电荷功率器件，其特征在于，所述主栅氧化层的厚度为3000~8000埃米。
3. 根据权利要求1所述的一种低栅极电荷功率器件，其特征在于，所述次栅氧化层的厚度为800~1500埃米。
4. 根据权利要求1所述的一种低栅极电荷功率器件，其特征在于，所述漏极的厚度为5000～15000埃米。
5. 一种如权利要求1所述的低栅极电荷功率器件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）在N+型衬底上形成N-型外延层；
（2）在N-型外延层上生长主栅氧化层结构，主栅氧化层结构经刻蚀后形成主栅氧化层；
（3）在N-型外延层上生长次栅氧化层结构；
（4）在整个结构表面沉积多晶硅，多晶硅经刻蚀后形成多晶硅栅；
（5）通过沉积，在整个结构表面形成ILD绝缘层结构，同时对ILD绝缘层结构与次栅氧化层结构进行刻蚀以形成ILD绝缘层与次栅氧化层；
（6）通过硼离子和磷离子注入，在次栅氧化层外侧的N-型外延层中分别形成P+型沟道区域和N+型源极区域，剩余N-型外延层形成N-型漂移区；
（7）通过金属溅射，在整个结构表面形成金属层，金属层经刻蚀后形成源极；
（8）通过金属蒸发，在N+型衬底底面形成金属层作为漏极，即得低栅极电荷功率器件。
6. 根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤（1）中N-型外延层的厚度为10~60μm，电阻率为10～40 Ω/□。
7. 根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤（6）中，硼离子注入的离子源为11B+、注入能量为70～120KeV、注入剂量为3.0E13～6.0E13 ions/cm2。
8. 根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤（6）中，磷离子注入的离子源为31P+、注入能量为120～160KeV、注入剂量为1.0E15～8.0E15 ions/cm2。
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