TW201435988A - 晶圓結構以及應用其的功率元件 - Google Patents
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Abstract
依據本發明的一種晶圓結構以及應用其的功率元件，其中晶圓結構包括高濃度摻雜的第一摻雜層以及依次位於所述第一摻雜層上的第二摻雜層和第三摻雜層；其中，所述第三摻雜層的摻雜濃度大於所述第二摻雜層的摻雜濃度。在功率元件中，MOSFET元件在第三摻雜層上形成的有源區由於體區之間的磊晶部分為高濃度摻雜，在對元件的擊穿電壓沒有影響的情況下，能夠大大降低導通電阻；在IGBT元件的有源區中，體區之間的高濃度磊晶層利於調整發射極側電洞密度形成高電洞濃度阻擋層，從而降低元件的飽和壓降參數。
Description
本發明涉及半導體功率元件技術領域，更具體的說，是關於一種晶圓結構以及應用其的功率元件。
在功率元件製造程序中，一般採用的晶圓結構為：在原始的低阻半導體基底上向外延伸一層高阻層，即磊晶層，用來耐受高壓，低阻基底作為支撐而不增加更多的電阻。圖1(a)所示為現有技術中通常採用的晶圓結構的示意圖，其中1'為半導體基底，2'為單一層次、均勻摻雜的磊晶層，而圖1(b)所示為對應的磊晶層2'摻雜濃度示意圖，其中橫坐標C表示摻雜濃度的大小，縱坐標Y表示縱向深度。但是這種晶圓結構在功率元件的製造中存在導通電阻較大或飽和壓降較高的問題。
對於VDMOS元件而言，比較重要的參數有擊穿電壓和導通電阻，一般要求擊穿電壓盡可能的高，導通電阻則越小越好。因此VDMOS的製造過程中，最佳化設計其導通電阻(R ds(on) )的數值變得尤為重要。參考圖2，所示為現有的晶圓結構應用在VDMOS(垂直雙擴散金屬氧化
物半導體場效應電晶體)中的結構示意圖。其中VDMOS的有源區形成於均勻摻雜的磊晶層2'上，VDMOS的導通電阻主要由以下幾個部分構成：溝道電阻R CH 、積累層電阻R A 、JFET電阻R J 以及擴散電阻R D ，其中JFET電阻R J 佔據的比例最大，尤其是在耐壓低於100V的MOS電晶體中其佔據比例甚至達到50%以上。如果不對JFET電阻R J 的大小進行最佳化，則很難將VDMOS的導通電阻降低到合適的數值。
有鑒於現有技術的上述缺陷，本發明的目的在於提供一種晶圓結構以及應用其的功率元件，以克服現有技術中功率元件的導通電阻較大或飽和壓降較高的問題。
為實現上述目的，本發明提供如下技術方案：依據本發明一實施例的一種晶圓結構，包括高濃度摻雜的第一摻雜層以及依次位於所述第一摻雜層上的第二摻雜層和第三摻雜層；其中，所述第三摻雜層的摻雜濃度大於所述第二摻雜層的摻雜濃度。
較佳的，所述第二摻雜層在所述第一摻雜層上磊晶生長形成。
較佳的，所述第三摻雜層在第二摻雜層上磊晶生長形成或在第二摻雜層的表面透過離子注入的方式形成。
較佳的，所述第二摻雜層和第三摻雜層的材質與第一
摻雜層的材質相同。
較佳的，所述第二摻雜層的雜質摻雜濃度為均勻分佈。
較佳的，所述第三摻雜的雜質摻雜濃度為均勻分佈或梯度分佈。
依據本發明一實施例的一種功率元件，包括依據本發明的任一晶圓結構。
較佳的，所述功率元件為絕緣閘雙極型電晶體(IGBT)或金屬氧化層半導體場效電晶體(MOSFET)。
較佳的，所述金屬氧化層半導體場效電晶體(MOSFET)為垂直雙擴散金屬氧化物半導體場效應電晶體(VDMOS)。
經由上述的技術方案可知，與現有技術相比，本發明提供了一種新的晶圓結構，其中摻雜濃度較高的第一摻雜層作為基底結構，而第三摻雜層的摻雜濃度大於第二摻雜層，這樣由第二摻雜層和第三摻雜層作為雙層的磊晶結構應用在功率元件中，MOSFET元件在第三摻雜層上形成的有源區由於體區之間的磊晶部分為高濃度摻雜，在對元件的擊穿電壓沒有影響的情況下，能夠大大降低導通電阻；在IGBT元件的有源區中，體區之間的高濃度磊晶層利於調整發射極側電洞密度形成高電洞濃度阻擋層，從而降低元件的飽和壓降參數。透過下文較佳的實施例的具體描述，本發明的上述和其他優點更顯而易見。
1'‧‧‧半導體基底
2'‧‧‧磊晶層
1‧‧‧第一摻雜層
2‧‧‧第二摻雜層
3‧‧‧第三摻雜層
4‧‧‧N+型源極
5‧‧‧多晶矽閘極
6‧‧‧氧化層
7‧‧‧金屬源極
8‧‧‧P型體區
為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的圖式作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的圖式僅僅是本發明的實施例，對於本領域具有通常知識者來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據提供的圖式獲得其他的圖式。
圖1所示為現有晶圓結構中的磊晶結構和摻雜濃度分佈的示意圖；圖2所示為現有的晶圓結構應用在VDMOS的結構示意圖；圖3所示為依據本發明的晶圓結構及其摻雜濃度分佈的示意圖；圖4所示為依據本發明的晶圓結構應用在VDMOS中的結構示意圖；圖5A所示為依據本發明的晶圓結構應用在IGBT中的平面結構示意圖；圖5R所示為依據本發明的晶圓結構應用在IGBT中的閘槽結構示意圖。
以下結合圖式對本發明的幾個較佳的實施例進行詳細描述，但本發明並不僅僅限於這些實施例。本發明涵蓋任何在本發明的精髓和範圍上做的替代、修改、等效方法以
及方案。為了使公眾對本發明有徹底的瞭解，在以下本發明較佳的實施例中詳細說明了具體的細節，而對本領域具有通常知識者來說沒有這些細節的描述也可以完全理解本發明。
圖3中所示的依據本發明的晶圓結構，其包括第一摻雜層1以及依次位於其上的第二摻雜層2和第三摻雜層3；其中所述第一摻雜層1為高濃度摻雜，所述第三摻雜層3的摻雜濃度大於所述第二摻雜層2的摻雜濃度。
其中第二摻雜層2的摻雜濃度較佳為均勻分佈，而第三摻雜層3中摻雜雜質的濃度可以如圖3(a)中所示為均勻分佈，也可以如圖3(b)中的摻雜濃度連續梯度變化。
在實際應用中，一般可將第一摻雜層1作為半導體基底，所述第二摻雜層2在其上磊晶生長形成，而第三摻雜層3可以在第二摻雜層上透過磊晶生長的方式或向第二摻雜層表面進行離子注入形成。所述第二摻雜層和第三摻雜層可以作為磊晶層。其中晶圓結構中各摻雜層的基礎材質保持一致，如比較常用的半導體基底材料為重摻雜砷或磷的矽材料，而第二摻雜層和第三摻雜層的部分分別為不同摻雜濃度的矽磊晶。
本發明還提供一種功率元件，其包括依據本發明實現的任一晶圓結構。其中所述功率元件可以為金屬氧化層半導體場效電晶體(MOSFET)或絕緣閘雙極型電晶體(IGBT)。下面以VDMOS(垂直雙擴散金屬氧化物半導
體場效應電晶體)和IGBT為例對依據本發明的功率元件的結構和優點進行具體說明。
參考圖4，所示為依據本發明的晶圓結構應用在VDMOS的結構示意圖；其中第一摻雜層1為N型重摻雜的矽基底，第二摻雜層2為N型輕摻雜，其摻雜濃度為均勻分佈，第三摻雜層3位於第二摻雜層2之上，且摻雜濃度高於第二摻雜層2，4為形成於P型體區8之上的N+型源極；5、6、和7分別為元件的多晶矽閘極、氧化層和金屬源極。從圖中結構可以明顯看出，在P型體區8之間的部分由於第三摻雜層3的高濃度摻雜，其JFET電阻極大的降低，從而降低了元件的導通電阻。同時，這部分區域中摻雜濃度的升高不會引起擊穿電壓的下降。對於擊穿電壓小於100V的VDMOS，導通電阻的下降尤為明顯。
參考圖5A和5B，所示為依據本發明的晶圓結構應用在IGBT的平面結構示意圖和閘槽結構示意圖。與圖4所示結構不同的是：第一摻雜層1為P型重摻雜的矽基底。由於第三摻雜層3位於P型體區8之間，因此從集電極注入的載流子聚集在P型體區8之下，調整了發射極側的電洞密度，形成一高電洞密度阻擋層，從而降低了IGBT的飽和壓降VCE(sat)。
另外，還需要說明的是，在本文中，術語“包括”、“包含”或者其任何其他變體意在涵蓋非排他性的包含，從而使得包括一系列要素的過程、方法、物品或者設備不僅包括那些要素，而且還包括沒有明確列出的其他要素，或
者是還包括為這種過程、方法、物品或者設備所固有的要素。在沒有更多限制的情況下，由語句“包括一個......”限定的要素，並不排除在包括所述要素的過程、方法、物品或者設備中還存在另外的相同要素。
依照本發明的實施例如上文所述，這些實施例並沒有詳盡敘述所有的細節，也不限制該發明僅為所述的具體實施例。顯然，根據以上描述，可作很多的修改和變化。本說明書選取並具體描述這些實施例，是為了更好地解釋本發明的原理和實際應用，從而使所屬技術領域具有通常知識者能很好地利用本發明以及在本發明基礎上的修改使用。本發明僅受申請專利範圍及其全部範圍和等效物的限制。
1‧‧‧第一摻雜層
2‧‧‧第二摻雜層
3‧‧‧第三摻雜層
4‧‧‧N+型源極
5‧‧‧多晶矽閘極
6‧‧‧氧化層
7‧‧‧金屬源極
8‧‧‧P型體區
Claims (9)
- 一種晶圓結構，其特徵在於，包括高濃度摻雜的第一摻雜層以及依次位於該第一摻雜層上的第二摻雜層和第三摻雜層；其中，該第三摻雜層的摻雜濃度大於該第二摻雜層的摻雜濃度。
- 根據申請專利範圍第1項所述的晶圓結構，其中，該第二摻雜層在該第一摻雜層上磊晶生長形成。
- 根據申請專利範圍第1項所述的晶圓結構，其中，該第三摻雜層在第二摻雜層上磊晶生長形成或在第二摻雜層的表面透過離子注入的方式形成。
- 根據申請專利範圍第1項所述的晶圓結構，其中，該第二摻雜層和第三摻雜層的材質與第一摻雜層的材質相同。
- 根據申請專利範圍第1項所述的晶圓結構，其中，該第二摻雜層的雜質摻雜濃度為均勻分佈。
- 根據申請專利範圍第1項所述的晶圓結構，其中，該第三摻雜的雜質摻雜濃度為均勻分佈或梯度分佈。
- 一種功率元件，其特徵在於，包括申請專利範圍第1至6項中任一項所述的晶圓結構。
- 根據申請專利範圍第7項所述的功率元件，其中，該功率元件為絕緣閘雙極型電晶體(IGBT)或金屬氧化層半導體場效電晶體(MOSFET)。
- 根據申請專利範圍第8項所述的功率元件，其 中，該金屬氧化層半導體場效電晶體(MOSFET)為垂直雙擴散金屬氧化物半導體場效應電晶體(VDMOS)。
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