專利名稱：一種低壓埋溝vdmos器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
一種低壓埋溝VDMOS器件，屬于半導(dǎo)體器件技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
功率MOSFET (金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管)是在MOS集成電路工藝基礎(chǔ)上發(fā) 展起來(lái)的新一代電力開(kāi)關(guān)器件。垂直雙擴(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體(VDM0Q器件具有輸入阻抗 高、開(kāi)關(guān)速度快、工作頻率高、電壓控制、熱穩(wěn)定性好等一系列獨(dú)特特點(diǎn)，目前已在開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓 電源、高頻加熱、計(jì)算機(jī)接口電路以及功率放大器等方面獲得了廣泛的應(yīng)用。VDMOS (垂直雙擴(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管)器件雖然在低壓應(yīng)用領(lǐng)域， 可以得到較理想的導(dǎo)通電阻和開(kāi)關(guān)特性，但是隨著集成電路應(yīng)用的電源電壓不斷降低，由 功率器件導(dǎo)通電阻產(chǎn)生的導(dǎo)通損耗成為制約整個(gè)電路系統(tǒng)能效的一個(gè)瓶頸，所以使低壓功 率器件獲得較低的導(dǎo)通損耗一直是功率器件不斷向前發(fā)展的一個(gè)方向。傳統(tǒng)的VDMOS器件，如圖1所示，其中多晶硅柵電極極9采用的是平面柵結(jié)構(gòu)，電 流在流向與柵表面平行的溝道時(shí)，多晶硅柵電極9下面的P型體區(qū)5由半導(dǎo)體表面反型 形成的反型層溝道是電流的必經(jīng)之路，它成為電流通道上的一個(gè)串聯(lián)電阻，并且在低壓時(shí) VDMOS溝道電阻遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于JFET電阻，成為VDMOS導(dǎo)通電阻最大組成部分。正是由于這個(gè)反 型層溝道形成的溝道電阻的存在，使得傳統(tǒng)低壓VDMOS器件難以獲得較低的導(dǎo)通損耗。文獻(xiàn) B. Jayant Baliga,Fellow IEEE, Tsengyou Syau and Prasad Venkatraman, TheAccumulation-Mode Field-Effect Transistor A New Ultralow On—Resistance MOSFET，IEEEELECTRON DEVICE LETTERS, VOL. 13, NO. 8, AUGUST 1992，提供了一種溝槽柵積 累型超低導(dǎo)通電阻MOSFET器件，如圖2所示，其中多晶硅柵采用了溝槽柵3結(jié)構(gòu)代替平面 柵結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)中不存在P型體區(qū)并且溝槽柵3—直延伸到N+漏區(qū)1，通過(guò)側(cè)壁氧化等一系 列特殊加工，側(cè)壁氧化層外側(cè)的N—外延層區(qū)2內(nèi)形成了垂直于硅片表面的溝道。工作時(shí)電 流從N+源區(qū)4直接流進(jìn)垂直溝道而進(jìn)入N+漏區(qū)1，使得原胞密度增加，改善了器件的導(dǎo)通 特性，降低了導(dǎo)通電阻，從而獲得了較低的導(dǎo)通損耗。但是此種結(jié)構(gòu)對(duì)制造工藝提出了更高 的要求，并且反向漏電流大。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種低壓埋溝VDMOS器件，該器件結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的VDMOS結(jié)構(gòu)類似，采 用平面工藝制作，并且在制備深P體去時(shí)使用高能離子注入取代傳統(tǒng)的雙擴(kuò)散工藝，僅使 用4張光刻版。耐壓可達(dá)30V以上，泄漏電流水平與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)基本相當(dāng)，而比導(dǎo)通電阻僅為 95μ Ω · cm2，遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的600μ Ω · cm2。本發(fā)明技術(shù)方案如下一種低壓埋溝VDMOS器件，其基本結(jié)構(gòu)如圖3所示，包括金屬化漏極1、N+襯底2、 N_外延層3、深P體區(qū)5、N型重?fù)诫s區(qū)6、P型重?fù)诫s區(qū)7、柵氧化層8、多晶硅柵電極9、金 屬化源極10。金屬化漏極1位于N+襯底2背面，N—外延層3位于N+襯底2正面。兩個(gè)深P體區(qū)5位于N—外延層3上部的兩側(cè)，深P體區(qū)5的外側(cè)部分通過(guò)P型重?fù)诫s區(qū)7與金屬 化源極10相連；深P體區(qū)5的內(nèi)側(cè)部分通過(guò)N型重?fù)诫s區(qū)6與金屬化源極10相連。兩個(gè) N型重?fù)诫s區(qū)6之間的N—外延層3的表面是柵氧化層8，柵氧化層8的表面是多晶硅柵電 極9，多晶硅柵電極9與金屬化源極10之間是隔離介質(zhì)。所述深P體區(qū)5采用高能離子注 入工藝制作；所述柵氧化層8的厚度在5 30納米之間。上述技術(shù)方案中深P體區(qū)5采用高能硼離子注入，注入能量為50KeV 150KeV且注入劑量在 3 X IO12 5 X IO13CnT2之間；N型重?fù)诫s區(qū)6采用砷離子注入或砷離子擴(kuò)散，砷離子能量為 IOKeV 30KeV且劑量為2X IO19 9X IO19CnT3之間；P型重?fù)诫s區(qū)7采用硼離子注入或硼 離子擴(kuò)散，硼離子能量為20 40KeV且劑量為2 X IO19 2X 102°cnT3之間。本發(fā)明所提供的一種低壓埋溝VDMOS器件，采用與常規(guī)CMOS工藝相兼容的制造工 藝，在滿足擊穿電壓且泄漏電流很小的情況下，可得到極小的比導(dǎo)通電阻?，F(xiàn)以圖3為例， 說(shuō)明本發(fā)明的工作原理。本發(fā)明所提供的一種低壓埋溝VDMOS器件，柵氧化層8厚度非常薄(僅有幾納米 到幾十納米)，而兩個(gè)深P體區(qū)5之間距離為1微米左右。本發(fā)明結(jié)構(gòu)在不加任何電壓時(shí)， 由柵氧化層8、N_外延層3和深P體區(qū)5構(gòu)成的兩個(gè)埋溝結(jié)構(gòu)11被上下兩個(gè)耗盡區(qū)完全交 疊耗盡上面為柵氧化層8和N—外延層3構(gòu)成的金屬氧化物半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)耗盡區(qū)，下面為深P 體區(qū)5和其上方N_外延層3所構(gòu)成的PN結(jié)耗盡區(qū)。當(dāng)多晶硅柵電極9和金屬化源極10接 地，金屬化漏極1加正電壓測(cè)試耐壓時(shí)，埋溝結(jié)構(gòu)11和結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管區(qū)4(由兩個(gè)深P 體區(qū)5和之間的N—外延層幻同時(shí)起作用，使得漏極到源極的電流通路被完全夾斷，泄漏電 流很小，擊穿發(fā)生在深P體區(qū)5和其下方N_外延層3構(gòu)成的PN結(jié)處；當(dāng)金屬化源極10接 地，多晶硅柵電極9加正電壓時(shí)，埋溝結(jié)構(gòu)11中形成多少載流子積累層，溝道開(kāi)啟，金屬化 漏極1加正電壓時(shí)，形成正向?qū)?。由于結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管區(qū)4相對(duì)較寬(1微米左右)，所以在器件不加任何偏置的 情況下，結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管區(qū)4不完全耗盡，即此區(qū)可為載流子提供通路；由于埋溝區(qū)11非 常薄，所以此區(qū)在器件不加任何偏置下完全耗盡，載流子不能通過(guò)，對(duì)于埋溝區(qū)11，其耗盡 情況取決于柵氧化層8的厚度和N—外延層3及深P體區(qū)5的濃度。所以器件的導(dǎo)通與開(kāi) 啟主要取決于埋溝結(jié)構(gòu)11的狀況，即柵電壓的偏置情況。由于柵氧化層8厚度非常薄(僅 有幾納米到幾十納米)，所以器件的柵控能力非常強(qiáng)，這使得器件在開(kāi)啟與耗盡狀態(tài)之間的 轉(zhuǎn)換非常容易。這樣，器件的導(dǎo)通電阻主要取決外延層3的濃度及厚度，所以在滿足器 件耐壓的情況，為了減小導(dǎo)通電阻，應(yīng)盡量增加N—外延層3的濃度及減小N—外延層3的厚 度。此外，由于柵氧化層極薄，所以器件的閾值電壓較低。所提供的如圖3所示的一種低壓埋溝VDMOS進(jìn)行了仿真。仿真器件參數(shù)為N+襯 底區(qū)2摻雜1. 8 X IO19CnT3 ;N_外延層3摻雜2 X 1016cm_3，厚度為3 μ m ；結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管區(qū) 4寬度(即兩個(gè)深P體區(qū)5之間的距離)為1. 4um ；P體區(qū)5摻雜濃度為3 X 1017cm_3，厚度為 0. 45 μ m ；N型重?fù)诫s區(qū)6摻雜8 X IO1W3,寬度為0. Ium ；P型重?fù)诫s區(qū)7摻雜1. 8 X 102°cm_3， 寬度為0. Ium ；柵氧化層8厚度為8nm，寬度為1. 4um ；埋溝區(qū)11厚度為0. 05um ；仿真元胞 寬度為2 μ m。圖4是上述一種低壓埋溝VDMOS的擊穿電壓仿真曲線圖，由圖4可知，器件 的擊穿特性良好，擊穿電壓可達(dá)31V，并且泄漏電流非常小。圖5是其閾值電壓特性仿真曲線，由圖5可知，該器件的閾值電壓較小，器件的轉(zhuǎn)移特性在較小的柵源電壓下達(dá)到飽和。 圖6是導(dǎo)通電阻特性仿真曲線圖，其中柵源電壓等于IOV0由圖6可知，器件的導(dǎo)通電阻為 95 μ Ω κπι2。綜上所述，本發(fā)明提供的一種低壓埋溝VDM0S，其工藝相對(duì)于常規(guī)VDMOS結(jié)構(gòu) 極為簡(jiǎn)單，且由于結(jié)合了結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管結(jié)構(gòu)和埋溝結(jié)構(gòu)，在滿足耐壓的情況下，使得器件的 泄漏電流較小，導(dǎo)通電阻極小。


圖1是傳統(tǒng)的VDMOS器件結(jié)構(gòu)示意圖其中，1是金屬化漏極，2是N+襯底區(qū)，3是N—外延層，4是結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管區(qū)，5 是P體區(qū)，6是N型重?fù)诫s區(qū)，7是P型重?fù)诫s區(qū)，8是柵氧化層，9是多晶硅柵電極，10是金 屬化源極。圖2是一種溝槽柵積累型超低導(dǎo)通電阻MOSFET器件結(jié)構(gòu)示意圖。其中，1是金屬化漏極，2是N+襯底區(qū)，3是N_外延層，4是溝槽多晶硅柵，5是N型 重?fù)诫s區(qū)，6是柵氧化層，7是金屬化源極。圖3是本發(fā)明提供的一種低壓埋溝VDMOS結(jié)構(gòu)示意圖。其中，1是金屬化漏極，2是N+襯底區(qū)，3是N_外延層，4是結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管區(qū)，5 是深P體區(qū)，6是N型重?fù)诫s區(qū)，7是P型重?fù)诫s區(qū)，8是柵氧化層，9是多晶硅柵電極，10是 金屬化源極，11是埋溝結(jié)構(gòu)。圖4是本發(fā)明所提供的一種低壓埋溝VDMOS擊穿電壓仿真曲線圖。從圖中可以看出本發(fā)明結(jié)構(gòu)的擊穿電壓在31V以上。圖5是本發(fā)明所提供的一種低壓埋溝VDMOS的閾值電壓特性仿真曲線圖。圖6是本發(fā)明所提供的一種低壓埋溝VDMOS的柵極電壓等于IOV時(shí)的導(dǎo)通電阻特 性仿真曲線圖。
具體實(shí)施例方式一種低壓埋溝VDM0S，如圖3所示，包括金屬化陰極1，N+襯底區(qū)2，N_外延層3，結(jié) 型場(chǎng)效應(yīng)晶體管區(qū)4，深P體區(qū)5，P型重?fù)诫s區(qū)6，N型重?fù)诫s區(qū)7，柵氧化層8，多晶硅柵電 極9，金屬化陽(yáng)極10，埋溝結(jié)構(gòu)11。一種低壓埋溝VDMOS器件，其實(shí)施例可以采用以下方法制備得到，工藝步驟為一、單晶硅準(zhǔn)備，采用N型重?fù)诫s區(qū)熔單晶硅(N型雜質(zhì))襯底2，摻雜濃度為 1. 8X1019cm_3，其晶向?yàn)?<100>，厚度為 5μπι。二、外延層生長(zhǎng)，采用氣相外延VPE方法在溫度1000°C、真空條件下，在襯底2上生 長(zhǎng)3 μ m的N_外延層3，磷摻雜濃度為2 X 1016cm_3。三、深P體區(qū)注入硼，在整個(gè)硅片表面淀積一層4μπι厚的光刻膠，用Poly光刻版 進(jìn)行光刻深P體區(qū)5的圖形，然后高能硼離子注入，劑量為6. 5Χ 1012cm_2，能量為80KeV，形 成深P體區(qū)5，摻雜濃度為3 X IO1W,深P體區(qū)5上表面結(jié)深為0. 05 μ m，深P體區(qū)5下表 面結(jié)深為0. 5μπι。四、制備多晶硅柵，使用干氧方法，在1000°C時(shí)，2. 5slm O2和67sCCmHCl氛圍條件 下干氧氧化2. 5分鐘，生長(zhǎng)厚度為8nm的柵氧化層，在635°C時(shí)klm SiH4氣氛條件下化學(xué)
5氣相淀積15分鐘，淀積厚度為0. 4 μ m的多晶硅，用多晶硅區(qū)Poly光刻版，采用現(xiàn)有技術(shù)對(duì) 多晶硅和柵氧化層進(jìn)行金屬氧化物半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)圖形的光刻，得到多晶硅柵電極9和二氧化 硅柵氧化層8。五、制備N型重?fù)诫s區(qū)NSD，使用多晶硅區(qū)Poly光刻版進(jìn)行重?fù)诫s區(qū)砷注入，劑 量為7X 1013cm_2，能量為20KeV，得到N型重?fù)诫s區(qū)7，峰值摻雜濃度為8X 1019cm_3，結(jié)深為 0. 1 μ m。六、制備P型重?fù)诫s區(qū)PSD，使用多晶硅區(qū)PSD光刻版進(jìn)行重?fù)诫s區(qū)硼注入，劑量 為4X IO1W2,能量為30KeV,得到N型重?fù)诫s區(qū)7，峰值摻雜濃度為SXlO1W,結(jié)深為 0. 3 μ m0七、制備接觸孔，在520°C時(shí) 5slm SiH4,15slm 02，33sccm B2Hf^nZSsccm PH3 氣氛 條件下化學(xué)氣相淀積35分鐘，淀積厚度為3um的SiO2，采用Contact光刻版進(jìn)行刻蝕多晶 硅電極和金屬化源極接觸孔。八、正面金屬化，在整個(gè)器件表面濺射一層厚度為4 μ m的金屬鋁，采用Metal光刻 版進(jìn)行刻蝕金屬鋁，形成柵電極金屬壓焊點(diǎn)和金屬化陽(yáng)極10金屬壓焊點(diǎn)。九、背面減薄及金屬化，對(duì)器件背面進(jìn)行機(jī)械減薄處理，將器件減薄至15 μ m左 右，之后按現(xiàn)有技術(shù)在器件背面濺射厚度為4μπι的金屬鋁，形成金屬化漏極1引線。再按現(xiàn)有技術(shù)進(jìn)行初測(cè)、劃片、燒結(jié)、引線鍵合、中測(cè)、封裝和總測(cè)，得到本發(fā)明低 壓埋溝VDMOS器件。按上述制備過(guò)程所制備的低壓埋溝VDMOS器件的擊穿電壓仿真曲線如 圖4所示，由圖4可知，器件的擊穿特性良好，擊穿電壓可達(dá)31V，并且泄漏電流非常小。圖 5是其閾值電壓特性仿真曲線，由圖5可知，該器件的閾值電壓較小，器件的轉(zhuǎn)移特性在較 小的柵源電壓下達(dá)到飽和。圖6是導(dǎo)通電阻特性仿真曲線圖，其中柵源電壓等于10V。由圖 6可知，器件的導(dǎo)通電阻為95μ Ω · cm2。本實(shí)施例的方法中共采用4張光刻版，按照版號(hào)的順序依次為Poly光刻版，PSD光 刻版，Contact光刻版和Metal光刻版。本實(shí)施例的方法進(jìn)行的離子注入過(guò)程有深P體區(qū)硼注入，NSD磷注入，PSD硼注 入。采用本發(fā)明的一種低壓埋溝VDM0S，可以實(shí)現(xiàn)低的導(dǎo)通壓降。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā) 展，采用本發(fā)明還可以制作更多的快速低功耗器件。
權(quán)利要求
1.一種低壓埋溝VDMOS器件，包括金屬化漏極(1)、N+襯底⑵、N_外延層(3)、深P體 區(qū)(5)、N型重?fù)诫s區(qū)(6)、P型重?fù)诫s區(qū)(7)、柵氧化層(8)、多晶硅柵電極(9)、金屬化源 極(10)；金屬化漏極⑴位于N+襯底⑵背面，N_外延層(3)位于N+襯底⑵正面；兩個(gè) 深P體區(qū)( 位于N—外延層( 上部的兩側(cè)，深P體區(qū)(5)的外側(cè)部分通過(guò)P型重?fù)诫s區(qū) (7)與金屬化源極(10)相連；深P體區(qū)(5)的內(nèi)側(cè)部分通過(guò)N型重?fù)诫s區(qū)(6)與金屬化源 極(10)相連；兩個(gè)N型重?fù)诫s區(qū)(6)之間的N—外延層(3)的表面是柵氧化層(8)，柵氧化 層⑶的表面是多晶硅柵電極(9)，多晶硅柵電極(9)與金屬化源極(10)之間是隔離介質(zhì)； 所述深P體區(qū)( 采用高能離子注入工藝制作；所述柵氧化層(8)的厚度在5 30納米之 間。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種低壓埋溝VDMOS器件，其特征是，深P體區(qū)( 采用高 能硼離子注入，注入能量為50KeV 150KeV且注入劑量在3X IO12 5X IO13CnT2之間，N 型重?fù)诫s區(qū)(6)采用砷離子注入或砷離子擴(kuò)散，砷離子能量為IOKeV 30KeV且劑量為 2X IO19 9X IO19CnT3之間，P型重?fù)诫s區(qū)(7)采用硼離子注入或硼離子擴(kuò)散，硼離子能量 為20 40KeV且劑量為2 X IO19 2 X IO2W之間。
全文摘要
一種低壓埋溝VDMOS器件，屬于半導(dǎo)體器件技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明利用掩埋層溝道結(jié)構(gòu)大大降低了溝道電阻，并且金屬氧化物半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的柵氧化層非常薄，利用金屬氧化物半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)表面電場(chǎng)效應(yīng)，柵源極間加正向電壓時(shí)形成積累層而加反向電壓時(shí)形成耗盡層，在很小的正向柵電壓下柵氧化層的下半導(dǎo)體表面發(fā)生電子或者空穴積累，從而獲得極低的導(dǎo)通電阻和良好的開(kāi)關(guān)特性。該結(jié)構(gòu)器件可廣泛應(yīng)用于便攜式電源和CPU電源系統(tǒng)。
文檔編號(hào)H01L21/336GK102097479SQ20101059445
公開(kāi)日2011年6月15日 申請(qǐng)日期2010年12月19日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月19日
發(fā)明者任敏, 余士江, 姜貫軍, 張波, 李吉, 李婷, 李澤宏, 肖璇, 謝加雄 申請(qǐng)人:電子科技大學(xué)