CN201146191Y - 一种深沟槽大功率n型mos器件 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种深沟槽大功率N型MOS器件。这种MOS器件在俯视平面上，中心区设有并联单胞组成的阵列，单胞阵列的外围设有终端保护结构，终端保护结构由位于内圈的至少一个保护环和位于外圈的一个截止环组成，由于保护环和截止环均采用沟槽型导电多晶硅，在器件制造过程中，单胞栅电极引线采用直接在沟槽多晶硅上开孔引线，因此与现有普通平面式场板结构的深沟槽大功率MOS器件制造方法相比，在不影响器件性能的前提下，减少了两块光刻版及相应工艺，大大降低制造成本。

Description

一种深沟槽大功率N型MOS器件

技术领域

本实用新型涉及一种大功率MOS器件，特别涉及一种深沟槽大功率N型MOS器件。这种MOS器件采用沟槽导电多晶硅保护环和沟槽导电多晶硅截止环的结构设计，可以在不影响器件性能(如特征导通电阻(Specific Rdson)、耐压、器件电容等)的前提下减少光刻版数量，从而降低器件的制造成本。

背景技术

现代深沟槽大功率器件的基本要求是能够耐高压且大电流工作。其中，深沟槽MOSFET通常是通过并联大量的沟槽MOS单胞以实现大电流工作。但是，对于高压深沟槽MOSFET来说，位于器件中间的各并联单胞间的表面电位大致相同，而位于边界(即终端)的单胞与衬底表面的电位却相差很大，往往引起表面电场过于集中造成了器件的边缘击穿。因此为了保证大功率沟槽MOSFET在高压下正常工作，通常需要在器件单胞边界处采取措施即终端保护技术，来减小表面电场强度，提高大功率沟槽MOSFET的击穿电压。终端保护结构一般由位于内圈的保护环和位于外圈的截止环组成，现有终端保护结构通常采用平面型保护环结构，见图1所示。从图1可以看出保护环和截止环的平面导电多晶硅16覆盖在场氧化隔离层15上，金属连线6从场氧化隔离层15上的平面导电多晶硅16引出。该结构器件在制作场氧化隔离层15时需要有源区光刻，且需增加场限环注入以及高温推结。在制作导电多晶硅7时需要多晶硅光刻，同时因其为平面型结构，也占用了较大面积，芯片成本较高。按照这种要求制作深沟槽型大功率MOS器件，目前需要使用七块光刻版，并按以下工艺流程来完成：

第一步，场氧化层成长；

第二步，有源区光刻/刻蚀(光刻版1)；

第三步，硬掩膜生长(光刻版2)；

第四步，深沟槽刻蚀；

第五步，栅氧化/多晶淀积；

第六步，多晶光刻/刻蚀(光刻版3)；

第七步，P阱层注入；

第八步，源极光刻(光刻版4)；

第九步，层间介质淀积；

第十步，孔光刻/刻蚀(光刻版5)；

第十一步，铝金属淀积/光刻/刻蚀(光刻版6)；

第十二步，钝化层淀积/光刻/刻蚀(光刻版7)。

另一方面，随着深沟槽大功率MOS技术日趋成熟，市场竞争日趋激烈，因此如何在保证器件性能的前提下降低制造成本已成为本领域技术人员普遍关注的问题。提高集成度(即提高单位面积里单胞个数)和减少光刻次数均可以降低器件的制造成本，其中，提高集成度主要通过缩小单胞间距(Pitch)来实现，然而缩小单胞间距(Pitch)主要受制于光刻机的对位能力以及结形貌的控制。目前国内外单胞间距(Pitch)的大批量生产能力能达到1.2um～1.7um，与之对应的沟槽尺寸为0.4um，步进光刻机对位精度要求为+/-0.12um，0.9～1.1um单胞间距(Pitch)工艺正在开发之中，再向下延伸，将受到光刻机工艺极限的限制，同时存在器件电容增大，导致器件开关速度降低等难题。减少光刻版数可以在不影响器件性能的前提下，降低制造成本。这是本实用新型着重研究的问题。

发明内容

本实用新型提供一种深沟槽大功率N型MOS器件，其目的是要在保证不影响器件性能(如特征导通电阻(Specific Rdson)、耐压和器件电容等)的前提下，通过终端保护结构以及单胞栅电极引线结构的改进设计来减少两块光刻版，从而降低器件的制造成本。

为达到上述目的，本实用新型MOS器件采用的技术方案是：一种深沟槽大功率N型MOS器件，在俯视平面上，中心区由并联的单胞组成阵列，单胞阵列的外围设有终端保护结构；所述阵列内单胞通过沟槽导电多晶硅而并联成整体，终端保护结构由位于内圈的至少一个保护环和位于外圈的一个截止环组成。其创新在于：P阱层存在于整个终端保护区域；

在截面上保护环采用沟槽结构，沟槽位于轻掺杂P阱层，其深度伸入P阱层下方的轻掺杂N型外延层，沟槽壁表面生长有绝缘栅氧化层，沟槽内淀积有导电多晶硅，沟槽顶部的槽口由绝缘介质覆盖，以此构成沟槽型导电多晶硅浮置场板结构的保护环；

在截面上截止环采用沟槽结构，该沟槽宽度大于单胞的沟槽宽度，沟槽位于轻掺杂P阱层，其深度伸入P阱层下方的轻掺杂N型外延层，沟槽壁表面生长有绝缘栅氧化层，沟槽内淀积有导电多晶硅，沟槽顶部设置金属连线，沟槽外侧为P阱层或者上方带N+注入区的P阱层，该金属连线将沟槽内的导电多晶硅与沟槽外侧的P阱层连接成等电位，或者将沟槽内的导电多晶硅同时与沟槽外侧的N+注入区及P阱层连接成等电位，沟槽顶部的槽口由绝缘介质覆盖，以此构成沟槽型导电多晶硅的截止环。

上述技术方案中的有关内容解释如下：

1、上述方案中，为了配合保护环和截止环的设计，达到节省一块多晶硅光刻的目的，单胞栅电极引线直接从沟槽导电多晶硅上的引线结构，具体为：单胞阵列的沟槽导电多晶硅向保护环与单胞阵列之间的区域延伸，延伸端为一个直径大于沟槽宽度的圆形引线终端，或者顶角连线大于沟槽宽度的多边形引线终端，栅电极引线孔开设在该引线终端位置上，使金属连线直接与沟槽导电多晶硅相连。

2、上述方案中，所述沟槽型浮置场板结构保护环和截止环作用机理是：P阱层存在于整个终端保护区域，沟槽保护环将其隔离，当该器件正常偏置时(漏极加上正向电压，源极接地)时，最大电场点，即电力线最密区存在于主结(最外侧单胞P阱/N-外延层所组成的PN结)与其相对应的单胞沟槽的交叉处。除了漏极到源极的纵向电场外，还有从器件最外侧到单胞方向的电场。当主结反偏电压之值大到使耗尽区扩展到沟槽保护环时，主结电子流入到沟槽保护环，使该保护环由电中性变成带负电荷，该负电荷分布在保护环沟槽一侧(靠近单胞)的一个表面薄区内，负电荷在表面产生的电场在主结到保护环的区域中与原有电场方向(从器件最外侧到单胞方向)相反，因此使该区域，尤其主结与沟槽的交叉处的电场减弱。沟槽保护环外侧区域则正好相反。由于电力线都会汇集到截止环，截止环采用宽度较大的沟槽，起到稀释电力线的作用，达到提高击穿电压的效果；同时在截止环制作过程中，在接触孔蚀刻完毕后有一次较高浓度硼注入，使得金属连线与P阱和导电多晶形成良好接触，沟槽导电多晶硅和P阱区等电位，因而在它侧面(垂直面)不会形成反型层，而且它可收集SiO2表面沾污的正离子，而这些正离子也是引起表面反型的因素，所以截止环还有提高表面稳定性的作用。

由于上述技术方案运用，本实用新型与现有技术相比具有下列优点和效果：

1、本实用新型的MOS器件保护环和截止环场板均采用沟槽型导电多晶硅，无需形成场氧隔离层，节省一块有源区光刻版。相比较平面型多晶硅场板结构，还节约了面积，提高了集成度，降低了制造成本。

2、为了达到节省一块多晶硅光刻版的目的，除了采用沟槽多晶硅场板，本实用新型还对截止环和单胞栅电极引线进行改进，均采用沟槽多晶硅上方直接开孔引线的金属互联结构。而现有技术，见图2所示，由于单胞阵列中沟槽型导电多晶硅7顶部设有延伸的平面导电多晶硅16，在制作平面导电多晶硅16时需要增加多晶硅光刻版。因此，本实用新型的MOS器件结构总共可以节约两块光刻版，降低生产成本。

3、现将本实用新型器件制造方法与现有制造方法对比如下：

从以上对比的表格中，可以清楚的看出以下效果：

第一，本实用新型器件制造方法省去了有源区光刻版及相应工艺；

第二，本实用新型器件制造方法省去了多晶光刻版及相应工艺；

第三，本实用新型器件制造方法省去了成长氧化层工艺和场限环注入以及高温推结工艺。

一般而言，深沟槽大功率器件的制造成本可以简化成以光刻层数来计算，增加一层光刻约增加15％的成本，因此在本实用新型器件制造过程中，减少了两次光刻大约可以降低30％左右的成本，这对于批量生产深沟槽型大功率MOS器件来说效果是显著的。

附图说明

附图1为现有普通平面式场板结构的深沟槽大功率MOS器件示意图；

附图2为现有深沟槽大功率MOS器件普通引线结构示意图；

附图3为本实用新型实施例深沟槽大功率MOS器件俯视平面示意图；

附图4为图3的A-A剖面图；

附图5为图3的B-B剖面图。

以上附图中：1、单胞阵列；2、保护环；3、截止环；4、绝缘介质层；5、钝化层；6、金属连线；7、沟槽型导电多晶硅；8、P-阱；9、N-型外延层；10、N+衬底；11、绝缘栅氧化层；12、现有保护环；13、现有截止环；14、单胞；15、场氧化隔离层；16、平面导电多晶硅；17、栅电极引线终端。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本实用新型作进一步描述：

实施例：一种深沟槽大功率N型MOS器件

图3为一种深沟槽大功率N型MOS器件俯视状态平面示意图。从图中可以看出，MOS器件中心区设有单胞阵列1，该单胞阵列1的外围设有终端保护结构。单胞阵列1由沟槽型导电多晶硅7将各单胞并联成整体。终端保护结构由位于内圈的一个保护环2和位于外圈的一个截止环3组成。本实施例保护环为一个，但也可以采用两个或两个以上保护环结构，这由实际需要来确定。

图4为图3的A-A剖面图，该图是本实用新型实施例深沟槽大功率MOS器件截面示意图。从图中可以看出，在截面上保护环2采用沟槽结构，沟槽位于轻掺杂P阱层8，其深度伸入P阱层8下方的轻掺杂N型外延层9，沟槽壁表面生长有绝缘栅氧化层11，沟槽内淀积有导电多晶硅形成沟槽型导电多晶硅7，沟槽顶部的槽口由绝缘介质层4覆盖，以此构成沟槽型导电多晶硅浮置场板结构的保护环。

在截面上截止环3采用沟槽结构，该沟槽比单胞沟槽宽度大，沟槽位于轻掺杂P阱层8，其深度伸入P阱层8下方的轻掺杂N型外延层9，沟槽壁表面生长有绝缘栅氧化层11，沟槽内淀积有导电多晶硅形成沟槽型导电多晶硅7，沟槽顶部设置金属连线6，该金属连线6将沟槽内的导电多晶硅7与沟槽外侧的P阱层8连接成等电位，沟槽顶部的槽口由绝缘介质层4覆盖，以此构成沟槽型导电多晶硅的截止环。这里需要说明：如果截止环3的沟槽外侧的P阱层上方外加N+注入区时，该金属连线将沟槽内的导电多晶硅同时与沟槽外侧的N+注入区及P阱层连接成等电位。图4中，截止环3沟槽外侧的P阱层没有外加N+注入区。

图5为图3的B-B剖面图，该图是本实用新型实施例直接在栅电极引线终端17的沟槽多晶硅上开孔引线示意图。从图3中可以看出，单胞阵列的沟槽导电多晶硅向保护环与单胞阵列之间的区域延伸，延伸端为一个边长大于沟槽宽度的矩形作为栅电极引线终端17。从图5中可以看出，各栅电极引线终端17顶部开孔，并淀积有互连金属，使沟槽导电多晶硅7直接与金属连线6相连。

本实用新型制造上述深沟槽大功率N型MOS器件的方法，包括以下步骤：

第一步，硅硬掩膜生长。其中硬掩膜可以采用LPTEOS或热氧化二氧化硅加化学气相沉积二氧化硅或热氧化二氧化硅加氮化硅，其后通过光刻和各向异性刻蚀形成硬掩模。

第二步，深沟槽刻蚀。沟槽采用各向异性刻蚀形成垂直侧壁(通常在88度左右)。

第三步，栅氧化/多晶硅淀积。栅氧化/多晶硅淀积采用现有普通工艺。

第四步，多晶硅刻蚀。多晶硅刻蚀是圆片全面性各向异性刻蚀。

第五步，P阱层注入。其中P阱层覆盖整个终端保护结构之区域。

第六步，源极光刻。源极利用众所周知的光刻加离子注入形成，通常注入的离子为砷。

第七步，层间介质淀积。层间介质淀积可以选取硼磷硅玻璃(BPSG)或磷硅玻璃(PSG)或硅玻璃(USG)等。

第八步，孔光刻/刻蚀。

第九步，铝金属淀积/光刻/刻蚀。孔及金属互连线的形成，采用现有技术，金属填充可以采用钨塞工艺或直接金属填充工艺。

第十步，钝化层淀积/光刻/刻蚀。

本实用新型深沟槽大功率MOS器件采用沟槽型浮置保护环和沟槽型截止环，在保证产品性能的前提下，减少了两次光刻，节约了芯片面积，大大降低制造成本，可适用于大批量低成本制造深沟槽大功率MOS器件。

上述实施例只为说明本实用新型的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本实用新型的内容并据以实施，并不能以此限制本实用新型的保护范围。凡根据本实用新型精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。

Claims (2)

1、一种深沟槽大功率N型MOS器件，在俯视平面上，中心区由并联的单胞组成阵列，单胞阵列的外围设有终端保护结构；所述阵列内单胞通过沟槽导电多晶硅而并联成整体，终端保护结构由位于内圈的至少一个保护环和位于外圈的一个截止环组成，其特征在于：

P阱层存在于整个终端保护区域；

在截面上保护环采用沟槽结构，沟槽位于轻掺杂P阱层，其深度伸入P阱层下方的轻掺杂N型外延层，沟槽壁表面生长有绝缘栅氧化层，沟槽内淀积有导电多晶硅，沟槽顶部的槽口由绝缘介质覆盖，以此构成沟槽型导电多晶硅浮置场板结构的保护环；

在截面上截止环采用沟槽结构，该沟槽宽度大于单胞的沟槽宽度，沟槽位于轻掺杂P阱层，其深度伸入P阱层下方的轻掺杂N型外延层，沟槽壁表面生长有绝缘栅氧化层，沟槽内淀积有导电多晶硅，沟槽顶部设置金属连线，沟槽外侧为P阱层或者上方带N+注入区域的P阱层，该金属连线将沟槽内的导电多晶硅与沟槽外侧的P阱层连接成等电位，或者将沟槽内的导电多晶硅同时与沟槽外侧的N+注入区及P阱层连接成等电位，沟槽顶部的槽口由绝缘介质覆盖，以此构成沟槽型导电多晶硅的截止环。

2、根据权利要求1所述的深沟槽大功率N型MOS器件，其特征在于：所述单胞阵列的沟槽导电多晶硅向保护环与单胞阵列之间的区域延伸，延伸端为一个直径大于沟槽宽度的圆形引线终端，或者边长大于沟槽宽度的多边形引线终端，栅电极引线孔开设在该引线终端位置上，使金属连线直接与沟槽导电多晶硅相连。

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