CN104779296B - 一种非对称超结mosfet结构及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种非对称超结MOSFET结构及其制作方法，该结构包括至少一个晶体管单元，所述晶体管单元包括N型重掺杂衬底及形成于其上的N型轻掺杂外延层；所述N型轻掺杂外延层中形成有第一P柱及第二P柱，其中：第一P柱上部形成有P型体区，且P型体区朝第二P柱方向延伸，并与第二P柱之间具有预设距离；所述N型轻掺杂外延层表面形成有栅极结构，所述栅极结构位于所述第一P柱及第二P柱之间，且所述栅极结构的第一端重叠于所述P型体区之上；所述P型体区与所述多晶硅栅极重叠的部分作为沟道区。本发明采用非对称超结MOSFET结构，每个晶体管单元中，沟道仅位于一侧，可以提高沟道长度，获得更好的器件特性，且工艺上与常规对称型超结MOS完全兼容。

Description

一种非对称超结MOSFET结构及其制作方法

技术领域

本发明属于半导体技术领域，涉及一种非对称超结MOSFET结构及其制作方法。

背景技术

VDMOSFET(高压功率MOSFET)可以通过减薄漏端漂移区的厚度来减小导通电阻，然而，减薄漏端漂移区的厚度就会降低器件的击穿电压，因此在VDMOSFET中，提高器件的击穿电压和减小器件的导通电阻是一对矛盾，超结MOSFET采用新的耐压层结构，利用一系列的交替排列的P型和N型半导体薄层，在较低反向电压下将P型N型区耗尽，实现电荷相互补偿，从而使N型区在高掺杂浓度下实现高的击穿电压，从而同时获得低导通电阻和高击穿电压，打破传统功率MOSFET导通电阻的理论极限。

超结MOSFET具有导通损耗低，栅极电荷低，开关速度快，器件发热小，能效高的优点，产品可广泛用于个人电脑、笔记本电脑、上网本或手机、照明(高压气体放电灯)产品以及电视机(液晶或等离子电视机)和游戏机等高端消费电子产品的电源或适配器。

请参阅图1及图2，分别显示为常规的高压超结MOSFET结构(以下简称HV-MOS)及低压超结MOSFET结构(以下简称低压LV-MOS)。如图1所示，高压超结MOSFET包括N型重掺杂衬底101、N型轻掺杂外延层102及形成于所述N型轻掺杂外延层102中的P柱103和P型体区104，所述N型轻掺杂外延层102表面形成有栅氧化层105及多晶硅栅极106；图1中还示出了每一段沟道区的长度l。如图2所示，低压超结MOSFET包括形成于N型外延层中的多晶硅柱107及多晶硅栅极108。HV-MOS和LV-MOS都是在N型外延层上通过一定的工艺方式，形成一个纵向的沟槽结构，这样可以在器件耐压的同时，极大地降低导通电阻，提高器件性能。

但是高压MOS管和低压MOS管在器件结构和工艺方法上又有很多不同点：

1)器件横向尺寸上，HV-MOS的原胞尺寸(pitch)一般在十几微米，而LV-MOS的pitch一般只有几微米。在相同的芯片面积上，LV-MOS的原胞密度会比HV-MOS高出很多，所以低压器件对于工艺特征尺寸和光刻对准精度等要求更高，难度更大。

2)器件纵向尺寸上，HV-MOS的N型外延层厚度和沟槽深度一般有几十微米，而LV-MOS会在几个微米。对于引入的这样一个深槽结构，其深度越深，工艺难度越大，所以高压器件更加依赖于沟槽的深度和工艺；

3)沟槽的实现工艺上，HV-MOS的P柱(Ppillar-trench)是由P型杂质构成的，在N型外延层上首先利用深槽刻蚀工艺直接挖出沟槽结构，然后外延生长P型杂质层。而LV-MOS的多晶硅柱是由二氧化硅层和多晶硅层构成的，在N型外延层中挖出沟槽，然后热生长二氧化硅介质层，在进行多晶硅的淀积，形成所需的多晶硅柱。

在超结MOSFET尺寸缩小的趋势下，沟道长度也在缩短，甚至会进入亚微米区，短沟道效应越来越明显，对器件特性产生不良影响。

因此，提供一种非对称超结MOSFET结构及其制作方法以解决上述问题实属必要。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种非对称超结MOSFET结构及其制作方法，用于解决现有技术中随着器件尺寸的缩小，高压超结MOSFET面临沟道长度缩短，导致明显的短沟道效应的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种非对称超结MOSFET结构，包括至少一个晶体管单元，所述晶体管单元包括N型重掺杂衬底及形成于所述N型重掺杂衬底上的N型轻掺杂外延层；所述N型轻掺杂外延层中形成有第一P柱及第二P柱，其中：

所述第一P柱上部形成有P型体区，且所述P型体区朝所述第二P柱方向延伸，并与所述第二P柱之间具有预设距离；

所述N型轻掺杂外延层表面形成有栅极结构，所述栅极结构位于所述第一P柱及第二P柱之间，且所述栅极结构的第一端重叠于所述P型体区之上；所述P型体区与所述多晶硅栅极重叠的部分作为沟道区。

可选地，所述沟道区的长度为1～2微米。

可选地，所述栅极结构与所述第二P柱不相连。

可选地，所述第一P柱及第二P柱的深度为30～60微米。

可选地，所述第一P柱及第二P柱为P型单晶硅。

可选地，所述P型体区中还形成有N型重掺杂源区及P型重掺杂接触区；所述N型重掺杂源区及P型重掺杂接触区与器件表面的源极金属层接触；所述源极金属层与所述栅极结构之间通过绝缘层隔离。

可选地，所述栅极结构包括形成于所述N型轻掺杂外延层表面的栅氧化层及形成于所述栅氧化层表面的多晶硅栅极。

本发明还提供一种非对称超结MOSFET结构的制作方法，包括以下步骤：

提供一自下而上依次包括N型重掺杂衬底及N型轻掺杂外延层的半导体基片，在所述N型轻掺杂外延层上部进行注入和扩散，形成P型体区；

进行刻蚀，在所述N型轻掺杂外延层中形成第一沟槽及第二沟槽，其中，所述第一沟槽贯穿所述P型体区并往所述N型轻掺杂外延层底部方向延伸，且未贯穿所述N型轻掺杂外延层；所述第二沟槽与所述第一沟槽平行排列，且与所述P型体区之间具有预设距离；

在所述第一沟槽及第二沟槽中填充P型半导体层，形成第一P柱及第二P柱；

在所述N型轻掺杂外延层表面形成栅极结构；所述栅极结构位于所述第一P柱及第二P柱之间，且所述栅极结构的第一端重叠于所述P型体区之上；所述P型体区与所述多晶硅栅极重叠的部分作为沟道区。

可选地，所述沟道区的长度为1～2微米。

可选地，在所述N型轻掺杂外延层表面形成栅极结构之后，还包括以下步骤：

在所述P型体区中进行源区注入，形成N型重掺杂源区；

在所述N型轻掺杂外延层表面生长覆盖所述栅极结构的绝缘层，并在所述第一P柱及第二P柱上方分别形成贯穿所述绝缘层的接触孔，然后进行孔注入，分别在所述P型体区上部及所述第二P柱上部得到P型重掺杂接触区，其中，位于所述P型体区中的P型重掺杂接触区邻接所述N型重掺杂源区；

在所述绝缘层表面形成源极金属层，所述源极金属层填充进所述接触孔并与所述N型重掺杂源区及P型重掺杂接触区接触；所述源极金属层与所述栅极结构之间通过所述绝缘层隔离。

如上所述，本发明的非对称超结MOSFET结构及其制作方法，具有以下有益效果：本发明采用非对称超结MOSFET结构，每个晶体管单元中，沟道仅位于一侧，可以提高沟道长度，获得更好的器件特性，且工艺上与常规对称型超结MOS完全兼容。

附图说明

图1显示为现有技术中高压超结MOSFET的结构示意图。

图2显示为现有技术中低压超结MOSFET的结构示意图。

图3～图4显示为本发明的非对称超结MOSFET结构的结构示意图。

图5显示为本发明的非对称超结MOSFET结构的制作方法中在所述N型轻掺杂外延层上部进行注入和扩散，形成P型体区的示意图。

图6显示为本发明的非对称超结MOSFET结构的制作方法中进行刻蚀，在所述N型轻掺杂外延层中形成第一沟槽及第二沟槽的示意图。

图7显示为本发明的非对称超结MOSFET结构的制作方法中在所述第一沟槽及第二沟槽中填充P型半导体层，形成第一P柱及第二P柱的示意图。

图8显示为本发明的非对称超结MOSFET结构的制作方法中在所述N型轻掺杂外延层表面形成栅极结构，并在所述P型体区中进行源区注入，形成N型重掺杂源区的示意图。

图9显示为本发明的非对称超结MOSFET结构的制作方法中形成绝缘层、接触孔、P型重掺杂接触区及源极金属层的示意图。

元件标号说明

101，201 N型重掺杂衬底

102，202 N型轻掺杂外延层

103 P柱

104，205 P型体区

105，206 栅氧化层

106，108，207 多晶硅栅极

107 多晶硅柱

203 第一P柱

204 第二P柱

208 N型重掺杂源区

209 P型重掺杂接触区

210 源极金属层

211 绝缘层

212 第一沟槽

213 第二沟槽

214 接触孔

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅图3至图9。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

实施例一

本发明提供一种非对称超结MOSFET结构，请参阅图3，显示为该结构的示意图，包括至少一个晶体管单元，所述晶体管单元包括N型重掺杂衬底201及形成于所述N型重掺杂衬底201上的N型轻掺杂外延层202；所述N型轻掺杂外延层202中形成有第一P柱203及第二P柱204，其中：

所述第一P柱203上部形成有P型体区205，且所述P型体区205朝所述第二P柱204方向延伸，并与所述第二P柱204之间具有预设距离；

所述N型轻掺杂外延层202表面形成有栅极结构，所述栅极结构位于所述第一P柱203及第二P柱204之间，且所述栅极结构的第一端重叠于所述P型体区205之上；所述P型体区205与所述多晶硅栅极重叠的部分作为沟道区。

本实施例中，所述栅极结构包括形成于所述N型轻掺杂外延层202表面的栅氧化层206及形成于所述栅氧化层206表面的多晶硅栅极207。

需要指出的是，本实施例中，所述第一端为左端(图3所示情形)，相应的，后面所述与所述第一端相对的第二端指的是右端。在其它实施例中，所述第一端也可以为右端，相应的，所述第二端为左端。

具体的，本发明的非对称超结MOSFET为高压超结MOSFET，能够耐400V以上高压，其中，所述第一P柱203及第二P柱204的深度为30～60微米，且所述第一P柱203及第二P柱204为P型单晶硅。

如图4所示，所述P型体区205中还形成有N型重掺杂源区208及P型重掺杂接触区209；所述N型重掺杂源区208及P型重掺杂接触区209与器件表面的源极金属层210接触；所述源极金属层210与所述栅极结构之间通过绝缘层211隔离。

进一步的，所述栅极结构优选为与所述第二P柱204不相连。所述第二P柱204单独起到器件耐压作用。

对于常规的对称型高压超结MOSFET结构(如图1所示)，每个晶体管单元的沟道区由两段组成(分别位于栅极结构下方的两端)，从而每一段沟道区的长度l均较短。例如，若总沟道长度为1.5微米，则常规对称型高压超结MOSFET结构中，每段沟道区的长度均小于1微米，随着超结MOSFET尺寸进一步缩小的趋势，因而短沟道效应也越来越明显。而本发明的非对称超结MOSFET中，每个晶体管单元仅包括一段沟道区(如图3或图4所示)，其中，图3中示出了所述沟道区205的长度L，本实施例中，所述沟道区205的的长度L为1～2微米。本发明的非对称超结MOSFET结构可以使得沟道长度大幅提高，从而有效减少了短沟道效应，可以获得更好的器件特性。

实施例二

本发明还提供一种非对称超结MOSFET结构的制作方法，包括以下步骤：

首先请参阅图5，提供一自下而上依次包括N型重掺杂衬底201及N型轻掺杂外延层202的半导体基片，在所述N型轻掺杂外延层202上部进行注入和扩散，形成P型体区205。

然后请参阅图6，进行刻蚀，在所述N型轻掺杂外延层202中形成第一沟槽212及第二沟槽213，其中，所述第一沟槽212贯穿所述P型体区205并往所述N型轻掺杂外延层202底部方向延伸，且未贯穿所述N型轻掺杂外延层202；所述第二沟槽213与所述第一沟槽212平行排列，且与所述P型体区205之间具有预设距离，即所述第二沟槽213远离所述P型体区205。

本实施例中，所述第一沟槽212及第二沟槽213的深度为30～60微米，使得最终的MOSFET器件可以耐高压，如400V以上。

接着请参阅图7，在所述第一沟槽212及第二沟槽213中填充P型半导体层，形成第一P柱203及第二P柱204。

具体的，采用外延工艺生长所述P型半导体层，所述P型半导体层的材料为P型单晶硅。需要指出的是，填充于所述第一沟槽212顶部的P型半导体层亦复作为所述P型体区205的一部分。

再请参阅图8，在所述N型轻掺杂外延层202表面形成栅极结构；所述栅极结构位于所述第一P柱203及第二P柱204之间，且所述栅极结构的第一端重叠于所述P型体区205之上；所述P型体区205与所述多晶硅栅极重叠的部分作为沟道区。

具体的，首先在器件表面生长栅氧化层206、淀积多晶硅栅极207，并进行刻蚀，得到所述栅极结构。所述栅极结构优选为不与所述第二P柱204接触。所述沟道区的长度为1～2微米。

进一步的，在所述N型轻掺杂外延层202表面形成栅极结构之后，还包括以下步骤：

如图8所示，在所述P型体区205中进行源区注入，形成N型重掺杂源区208；

如图9所示，在所述N型轻掺杂外延层202表面生长覆盖所述栅极结构的绝缘层211，并在所述第一P柱203及第二P柱204上方分别形成贯穿所述绝缘层211的接触孔214，然后进行孔注入，分别在所述P型体区205上部及所述第二P柱204上部得到P型重掺杂接触区209，其中，位于所述P型体区205中的P型重掺杂接触区209邻接所述N型重掺杂源区208。

如图4所示，在所述绝缘层211表面形成源极金属层210，所述源极金属层210填充进所述接触孔214并与所述N型重掺杂源区208及P型重掺杂接触区209接触；所述源极金属层210与所述栅极结构之间通过所述绝缘层211隔离。

至此，制作得到了本发明的非对称超结MOSFET结构，该方法与原超结MOS的制作工艺完全兼容。

综上所述，本发明的非对称超结MOSFET结构及其制作方法，具有以下有益效果：本发明采用非对称超结MOSFET结构，每个晶体管单元中，沟道仅位于一侧，可以提高沟道长度，获得更好的器件特性，且工艺上与常规对称型超结MOS完全兼容。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (7)

1.一种非对称超结MOSFET结构，包括至少一个晶体管单元，所述晶体管单元包括N型重掺杂衬底及形成于所述N型重掺杂衬底上的N型轻掺杂外延层；所述N型轻掺杂外延层中形成有第一P柱及第二P柱，其特征在于：

所述第一P柱上部形成有P型体区，所述P型体区包含N型重掺杂源区及P型重掺杂接触区，所述第二P柱包含所述P型重掺杂接触区，且所述P型体区朝所述第二P柱方向延伸，并与所述第二P柱之间具有预设距离；

所述N型轻掺杂外延层表面形成有栅极结构，所述栅极结构位于所述第一P柱及第二P柱之间，且所述栅极结构与所述第二P柱不相连，所述栅极结构的第一端重叠于所述P型体区之上；所述P型体区与所述栅极结构重叠的部分作为沟道区；所述沟道区的长度为1～2微米。

2.根据权利要求1所述的非对称超结MOSFET结构，其特征在于：所述第一P柱及第二P柱的深度为30～60微米。

3.根据权利要求1所述的非对称超结MOSFET结构，其特征在于：所述第一P柱及第二P柱为P型单晶硅。

4.根据权利要求1所述的非对称超结MOSFET结构，其特征在于：所述N型重掺杂源区及P型重掺杂接触区与器件表面的源极金属层接触；所述源极金属层与所述栅极结构之间通过绝缘层隔离。

5.根据权利要求1所述的非对称超结MOSFET结构，其特征在于：所述栅极结构包括形成于所述N型轻掺杂外延层表面的栅氧化层及形成于所述栅氧化层表面的多晶硅栅极。

6.一种非对称超结MOSFET结构的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：

提供一自下而上依次包括N型重掺杂衬底及N型轻掺杂外延层的半导体基片，在所述N型轻掺杂外延层上部进行注入和扩散，形成P型体区；

进行刻蚀，在所述N型轻掺杂外延层中形成第一沟槽及第二沟槽，其中，所述第一沟槽贯穿所述P型体区并往所述N型轻掺杂外延层底部方向延伸，且未贯穿所述N型轻掺杂外延层；所述第二沟槽与所述第一沟槽平行排列，且与所述P型体区之间具有预设距离；

在所述第一沟槽及第二沟槽中填充P型半导体层，形成第一P柱及第二P柱；

在所述N型轻掺杂外延层表面形成栅极结构；所述栅极结构位于所述第一P柱及第二P柱之间，且所述栅极结构与所述第二P柱不相连，所述栅极结构的第一端重叠于所述P型体区之上；所述P型体区与所述栅极结构重叠的部分作为沟道区；所述沟道区的长度为1～2微米；

在所述P型体区中进行源区注入，形成N型重掺杂源区；

在所述N型轻掺杂外延层表面生长覆盖所述栅极结构的绝缘层，并在所述第一P柱及第二P柱上方分别形成贯穿所述绝缘层的接触孔，然后进行孔注入，分别在所述P型体区上部及所述第二P柱上部得到P型重掺杂接触区，其中，位于所述P型体区中的P型重掺杂接触区邻接所述N型重掺杂源区。

7.根据权利要求6所述的非对称超结MOSFET结构的制作方法，其特征在于：在所述N型轻掺杂外延层表面形成栅极结构之后，还包括以下步骤：

在所述绝缘层表面形成源极金属层，所述源极金属层填充进所述接触孔并与所述N型重掺杂源区及P型重掺杂接触区接触；所述源极金属层与所述栅极结构之间通过所述绝缘层隔离。