CN108807506A - 带沟槽栅结构的深槽超结mosfet器件及其加工工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及功率器件技术领域，尤其涉及一种带沟槽栅结构的深槽超结MOSFET器件，其结构包括N+型衬底、N‑型外延层、P型柱深槽结构、P型体区、P+有源区、N+有源区、栅极氧化层、多晶硅栅极、介质层、源极金属；本发明所述的带沟槽栅结构的深槽超结MOSFET器件采用沟槽栅结构，且沟槽栅位于P型柱深槽结构正上方，P型柱深槽结构位于N‑外延层内，该结构既保留了深槽超结MOSFET器件横向耗尽快，耐压高的特点，同时又具有沟槽栅屏蔽JFET电阻的特点，从而提高了超结MOSFET器件的功率密度。

Description

带沟槽栅结构的深槽超结MOSFET器件及其加工工艺
技术领域
本发明涉及功率器件技术领域，尤其涉及一种带沟槽栅结构的深槽超结MOSFET器件及其加工工艺。
背景技术
目前现有的普通VDMOS器件，其结构如图1所示，包括N+型衬底11、N-型外延层12、P型体区(即pbody)13、P+有源区14、N+有源区15、栅氧化层16、多晶硅栅极(即poly gate)17、介质层18和源极金属19，这种结构的VDMOS器件需要提高耐压值时，一般通过增加N-型外延层的电阻率和N-型外延层的厚度实现，但这种方法会导致导通电阻的增加，降低器件的性能。因此，在需要较高耐压的场合，普遍用平面栅深槽超结MOSFET器件代替普通的VDMOS器件。
目前现有的平面栅深槽超结MOSFET器件的结构如图2所示，包括N+型衬底21、N-型外延层22、P型柱深槽结构(即Ptype trench pillar)23、P型体区(pbody)24、P+有源区25、N+有源区26、平面栅氧化层27、多晶硅栅极(即poly gate)28、介质层29和源极金属20。平面栅深槽超结通过在器件内部引入P型柱深槽结构，P型柱深槽结构与N-型外延层之间的PN结反偏时，P型柱深槽结构可以加速N-型外延层耗尽速度，从而可以在更低电阻率的N-外延层中实现高耐压低导通的效果。但平面栅深槽超结的P型体区引入了JFET电阻，P型体区之间的距离越近，JFET电阻对导通电阻的影响越大，需要通过增加注入的方式来缓解导通电阻的升高。P型体区之间的JFET效应制约了P型柱深槽结构的间距减小，制约了N-外延电阻率的进一步减小，制约了同等耐压下导通电阻的进一步降低，制约了超结功率密度的提升。
发明内容
针对现有技术中的问题，本发明提供一种带沟槽栅结构的深槽超结MOSFET器件及其加工工艺。
为实现以上技术目的，本发明的技术方案是：
一种带沟槽栅结构的深槽超结MOSFET器件，包括N+型衬底；
所述N+型衬底上表面形成有N-型外延层；
所述N-型外延层内部中部形成有多个P型柱深槽结构，所述P型柱深槽结构包括柱形深槽结构和位于柱形深槽结构内的P型多晶硅，所述P型柱深槽结构的方向为自N-型外延层顶部向下，相邻的P型柱深槽结构之间相分离；
所述N-型外延层内部上部形成有多个沟槽栅结构，每个沟槽栅结构位于P形柱深槽结构的上方且相邻的沟槽栅结构之间相分离，所述沟槽栅结构包括沟槽结构和N型多晶硅栅极，所述沟槽结构的内表面形成有栅极氧化层，所述N型多晶硅栅极位于沟槽结构内；
所述N-型外延层内部上部形成有P型体区，所述P型体区位于相邻的沟槽栅结构之间，所述P型体区的结深不超过沟槽栅结构的底部，所述P型体区的顶部沿水平方向依次形成有N+有源区、P+有源区、N+有源区；
所述沟槽栅结构、N+有源区、P+有源区的上方形成有金属层，所述金属层与沟槽栅结构之间形成有介质层，所述金属层与N+有源区、P+有源区连接，形成源极金属。
一种带沟槽栅结构的深槽超结MOSFET器件的加工工艺，具体步骤包括：
步骤A：准备EPI衬底，EPI衬底包括N+型衬底及位于N+型衬底上表面的N-型外延层；
步骤B：对N-型外延层表面进行牺牲氧化，形成牺牲氧化层；
步骤C：去除上表面的牺牲氧化层；
步骤D：在N-型外延层上表面沉积薄膜；
步骤E：利用光刻工艺对沉积薄膜后的N-型外延层上表面的部分区域进行光刻处理，利用刻蚀工艺自上而下形成多个柱形深槽结构，柱形深槽结构之间相分离；
步骤F：将P型多晶硅填入柱形深槽结构并填平，形成P型柱深槽结构；
步骤G：填平后，在N-型外延层上表面和P型柱深槽结构的上表面沉积薄膜；
步骤H：利用光刻工艺对沉积薄膜后的N-型外延层上表面的部分区域进行光刻处理，刻蚀形成多个沟槽结构，每个沟槽结构位于一个P型柱深槽结构的上方，相邻的沟槽结构之间相分离；
步骤I：对沟槽结构的内表面进行热氧化处理，形成栅极氧化层；
步骤J：将N型多晶硅填入沟槽结构内且填平,形成多晶硅栅极，进而形成沟槽栅结构；
步骤K：在相邻沟槽结构之间的区域内通过注入P型杂质并推阱形成P型体区，P型体区的结深不超过沟槽结构底部，形成P型体区；
步骤L：在PB的上表面沿水平方向依次注入N型重掺杂、P型重掺杂、N型重掺杂，依次形成N+有源区、P+有源区和N+有源区；
步骤M：在多晶硅栅极、P+有源区和N+有源区的上表面沉积绝缘层，作为介质层；
步骤N：利用光刻工艺对介质层的部分区域进行光刻处理，刻蚀去除位于P+有源区和N+有源区的上表面的绝缘层，以形成金属接触孔区域；
步骤O：在介质层表面和金属接触孔区域表面沉积金属层，所述金属层通过金属接触孔区域与P+有源区和N+有源区连接形成源极金属；
步骤P：减薄背金，加工完成。
从以上描述可以看出，本发明具备以下优点：
本发明所述的带沟槽栅结构的深槽超结MOSFET器件采用沟槽栅结构，沟槽栅位于P型柱深槽结构正上方，P型柱深槽结构位于N-外延层内，该结构既保留了深槽超结MOSFET器件横向耗尽快、耐压高的特点，同时又具有沟槽栅屏蔽JFET电阻的特点，从而提高了超结MOSFET器件的功率密度。
附图说明
图1是现有的普通VDMOS器件的结构示意图；
图2是现有的平面栅深槽超结器件结构示意图；
图3是本发明的结构示意图；
附图标记：
图1中：11.N+型衬底、12.N-型外延层、13.P型体区、14.P+有源区、15.N+有源区、16.栅氧化层、17.多晶硅栅极、18.介质层、19.源极金属；
图2中：21.N+型衬底、22.N-型外延层、23.P型柱深槽结构、24.P型体区、25.P+有源区、26.N+有源区、27.平面栅氧化层、28.多晶硅栅极、29.介质层、20.源极金属；
图3中：31.N+型衬底、32.N-型外延层、33.P型柱深槽结构、34.P型体区、35.P+有源区、36.N+有源区、37.栅极氧化层、38.多晶硅栅极、39.介质层、30.源极金属。
具体实施方式
结合图3，详细说明本发明的一个具体实施例，但不对本发明的权利要求做任何限定。
如图3所示，一种带沟槽栅结构的深槽超结MOSFET器件，包括N+型衬底31，N+型衬底31上表面形成有N-型外延层32，N-型外延层32内部中部形成有多个P型柱深槽结构33，P型柱深槽结构33包括柱形深槽结构和位于柱形深槽结构内的P型多晶硅，P型柱深槽结构33的方向为自N-型外延层顶部向下，相邻的P型柱深槽结构33之间相分离，N-型外延层32内部上部形成有多个沟槽栅结构，每个沟槽栅结构位于P形柱深槽结构33的上方且相邻的沟槽栅结构之间相分离，沟槽栅结构包括沟槽结构和N型多晶硅栅极38，沟槽结构的内表面形成有栅极氧化层37，N型多晶硅栅极38位于沟槽结构内，N-型外延层内部上部形成有P型体区34，P型体区34位于相邻的沟槽栅结构之间，P型体区34的结深不超过沟槽栅结构的底部，P型体区34的顶部沿水平方向依次形成有N+有源区35、P+有源区36、N+有源区35，沟槽栅结构、N+有源区、P+有源区的上方形成有金属层，金属层与沟槽栅结构之间形成有介质层39，金属层与N+有源区、P+有源区连接，形成源极金属30。
上述带沟槽栅结构的深槽超结MOSFET器件的加工工艺为：
步骤A：准备EPI衬底，EPI衬底包括N+型衬底及位于N+型衬底上表面的N-型外延层；
步骤B：对N-型外延层表面进行牺牲氧化，形成牺牲氧化层；
步骤C：去除上表面的牺牲氧化层；
步骤D：在N-型外延层上表面沉积薄膜；
步骤E：利用光刻工艺对沉积薄膜后的N-型外延层上表面的部分区域进行光刻处理，利用刻蚀工艺自上而下形成多个柱形深槽结构，柱形深槽结构之间相分离，多个柱形深槽结构形成的布局可以为品字形、田字形、六边形、长条形等常用的半导体行业的布局设计；
步骤F：将P型多晶硅填入柱形深槽结构并填平，形成P型柱深槽结构；
步骤G：填平后，在N-型外延层上表面和P型柱深槽结构的上表面沉积薄膜；
步骤H：利用光刻工艺对沉积薄膜后的N-型外延层上表面的部分区域进行光刻处理，刻蚀形成多个沟槽结构，每个沟槽结构位于一个P型柱深槽结构的上方，相邻的沟槽结构之间相分离；
步骤I：对沟槽结构的内表面进行热氧化处理，形成栅极氧化层；
步骤J：将N型多晶硅填入沟槽结构内且填平,形成多晶硅栅极，进而形成沟槽栅结构；
步骤K：在相邻沟槽结构之间的区域内通过注入P型杂质并推阱形成P型体区，P型体区的结深不超过沟槽结构底部，形成P型体区；
步骤L：在PB的上表面沿水平方向依次注入N型重掺杂、P型重掺杂、N型重掺杂，依次形成N+有源区、P+有源区和N+有源区；
步骤M：在多晶硅栅极、P+有源区和N+有源区的上表面沉积绝缘层，作为介质层；
步骤N：利用光刻工艺对介质层的部分区域进行光刻处理，刻蚀去除位于P+有源区和N+有源区的上表面的绝缘层，以形成金属接触孔区域；
步骤O：在介质层表面和金属接触孔区域表面沉积金属层，所述金属层通过金属接触孔区域与P+有源区和N+有源区连接形成源极金属；
步骤P：减薄背金，加工完成。
本发明所述的带沟槽栅结构的深槽超结MOSFET器件采用沟槽栅结构，且沟槽栅位于P型柱深槽结构正上方，P型柱深槽结构位于N-外延层内，该结构既保留了深槽超结MOSFET器件横向耗尽快、耐压高的特点，同时又具有沟槽栅屏蔽JFET电阻的特点，从而提高了超结MOSFET器件的功率密度。
综上所述，本发明具有以下优点：
本发明所述的带沟槽栅结构的深槽超结MOSFET器件既具有深槽超结MOSFET器件横向耗尽快、耐压高的特点，又具有沟槽栅屏蔽JFET电阻的特点，进而提高了超结MOSFET器件的功率密度。
可以理解的是，以上关于本发明的具体描述，仅用于说明本发明而并非受限于本发明实施例所描述的技术方案。本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或等同替换，以达到相同的技术效果；只要满足使用需要，都在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种带沟槽栅结构的深槽超结MOSFET器件，其特征在于：包括N+型衬底；
所述N+型衬底上表面形成有N-型外延层；
所述N-型外延层内部中部形成有多个P型柱深槽结构，所述P型柱深槽结构包括柱形深槽结构和位于柱形深槽结构内的P型多晶硅，所述P型柱深槽结构的方向为自N-型外延层顶部向下，相邻的P型柱深槽结构之间相分离；
所述N-型外延层内部上部形成有多个沟槽栅结构，每个沟槽栅结构位于P形柱深槽结构的上方且相邻的沟槽栅结构之间相分离，所述沟槽栅结构包括沟槽结构和N型多晶硅栅极，所述沟槽结构的内表面形成有栅极氧化层，所述N型多晶硅栅极位于沟槽结构内；
所述N-型外延层内部上部形成有P型体区，所述P型体区位于相邻的沟槽栅结构之间，所述P型体区的结深不超过沟槽栅结构的底部，所述P型体区的顶部沿水平方向依次形成有N+有源区、P+有源区、N+有源区；
所述沟槽栅结构、N+有源区、P+有源区的上方形成有金属层，所述金属层与沟槽栅结构之间形成有介质层，所述金属层与N+有源区、P+有源区连接，形成源极金属。
2.一种带沟槽栅结构的深槽超结MOSFET器件的加工工艺，具体步骤包括：
步骤A：准备EPI衬底，EPI衬底包括N+型衬底及位于N+型衬底上表面的N-型外延层；
步骤B：对N-型外延层表面进行牺牲氧化，形成牺牲氧化层；
步骤C：去除上表面的牺牲氧化层；
步骤D：在N-型外延层上表面沉积薄膜；
步骤E：利用光刻工艺对沉积薄膜后的N-型外延层上表面的部分区域进行光刻处理，利用刻蚀工艺自上而下形成多个柱形深槽结构，柱形深槽结构之间相分离；
步骤F：将P型多晶硅填入柱形深槽结构并填平，形成P型柱深槽结构；
步骤G：填平后，在N-型外延层上表面和P型柱深槽结构的上表面沉积薄膜；
步骤H：利用光刻工艺对沉积薄膜后的N-型外延层上表面的部分区域进行光刻处理，刻蚀形成多个沟槽结构，每个沟槽结构位于一个P型柱深槽结构的上方，相邻的沟槽结构之间相分离；
步骤I：对沟槽结构的内表面进行热氧化处理，形成栅极氧化层；
步骤J：将N型多晶硅填入沟槽结构内且填平,形成多晶硅栅极，进而形成沟槽栅结构；
步骤K：在相邻沟槽结构之间的区域内通过注入P型杂质并推阱形成P型体区，P型体区的结深不超过沟槽结构底部，形成P型体区；
步骤L：在PB的上表面沿水平方向依次注入N型重掺杂、P型重掺杂、N型重掺杂，依次形成N+有源区、P+有源区和N+有源区；
步骤M：在多晶硅栅极、P+有源区和N+有源区的上表面沉积绝缘层，作为介质层；
步骤N：利用光刻工艺对介质层的部分区域进行光刻处理，刻蚀去除位于P+有源区和N+有源区的上表面的绝缘层，以形成金属接触孔区域；
步骤O：在介质层表面和金属接触孔的区域表面沉积金属层，所述金属层通过金属接触孔区域与P+有源区和N+有源区连接形成源极金属；
步骤P：减薄背金，加工完成。
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