一種具有埋層結(jié)構(gòu)的槽柵型mos的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于功率半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種具有埋層結(jié)構(gòu)的槽柵型MOS。相比傳統(tǒng)的槽柵型，本發(fā)明通過引入在示意圖的x方向和y方向具有不同深度的P型體區(qū)，使得槽柵的下方仍為P型區(qū)域，降低了該結(jié)構(gòu)的柵漏電容(Cgd)和柵源電容(Cgs)的比值，在x方向的倒梯形P型體區(qū)還改善了槽柵拐角區(qū)域的峰值電場(chǎng)。通過在外延層區(qū)域加入適當(dāng)?shù)姆葱吐駥訁^(qū)域，引入了橫向電場(chǎng)，有效地提高其耐壓能力，加入的埋層結(jié)構(gòu)使得槽柵下方的N?外延層區(qū)域可以提高摻雜濃度，降低導(dǎo)通電阻。
【專利說明】
一種具有埋層結(jié)構(gòu)的槽柵型MOS
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于功率半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種具有埋層結(jié)構(gòu)的槽柵型M0S。
【背景技術(shù)】
[0002]功率VDMOS器件通?？梢苑譃槠矫鏂判蚔DMOS和槽柵型VDMOS器件。其中槽柵型VDMOS器件的柵極位于硅片體內(nèi)，在形成反型層溝道后，為載流子提供了一條低阻通道，進(jìn)入漂移區(qū)后，電流在整個(gè)元胞橫截面擴(kuò)展開，由于沒有JFET區(qū)域，槽柵型VDMOS和平面柵型VDMOS比較具有更小的導(dǎo)通電阻。但槽柵型VDMOS和平面柵型VDMOS相比，其可靠性會(huì)較差。主要因?yàn)楫?dāng)功率槽柵VDMOS在感性負(fù)載下開關(guān)工作時(shí)，其槽柵結(jié)構(gòu)的尖銳邊角處會(huì)有電場(chǎng)尖峰產(chǎn)生而導(dǎo)致失效。
[0003]目前，槽柵型MOS通過引入浮空?qǐng)霭褰Y(jié)構(gòu)，體區(qū)深注入等方式提高了其耐壓和可靠性。美國(guó)專利US 7,279,743 B2提出了一種閉合元胞結(jié)構(gòu)的槽柵型MOS，該結(jié)構(gòu)通過體區(qū)的不同深度摻雜，降低了MOS結(jié)構(gòu)的柵漏電容(Cgd)，改善了槽柵邊角處的峰值電場(chǎng)。然而，由于器件導(dǎo)通時(shí)，部分溝道區(qū)的電流流通路徑增長(zhǎng)，使得其溝道電阻增加較明顯，器件的導(dǎo)通電阻也會(huì)提高。針對(duì)該問題，本專利引入了埋層結(jié)構(gòu)，使得外延層的濃度設(shè)定可以提高，從而在改善器件整體的導(dǎo)通電阻的同時(shí)不會(huì)影響其耐壓和電容。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為了更好的降低槽柵MOS拐角處的峰值電場(chǎng)，同時(shí)不會(huì)引起器件結(jié)構(gòu)導(dǎo)通電阻的大幅度提升，本發(fā)明提出一種具有埋層結(jié)構(gòu)的槽柵型M0S。
[0005]本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
[0006]—種具有埋層結(jié)構(gòu)的槽柵型M0S，包括從下至上依次層疊設(shè)置的漏極電極1、N型重?fù)诫s單晶硅襯底2和N-外延層3;所述N-外延層3上層具有第一槽柵結(jié)構(gòu)61、第二槽柵結(jié)構(gòu)62和P型體區(qū)4;沿器件橫向方向，所述P型體區(qū)4的兩側(cè)為第一槽柵結(jié)構(gòu)61，沿器件縱向方向，所述P型體區(qū)4的兩側(cè)為第二槽柵結(jié)構(gòu)62，所述器件橫向方向和器件縱向方向位于同一水平面且相互垂直，所述第一槽柵結(jié)構(gòu)61和第二槽柵結(jié)構(gòu)62均由柵氧化層7及位于柵氧化層7中的柵電極構(gòu)成，所述柵氧化層7與P型體區(qū)4接觸;所述P型體區(qū)4上層具有N+重?fù)诫s區(qū)5，所述N+重?fù)诫s區(qū)5為閉環(huán)結(jié)構(gòu)，在器件的俯視圖中呈“口”字形，所述N+重?fù)诫s區(qū)5的側(cè)面與柵氧化層7接觸;所述N+重?fù)诫s區(qū)5的部分上表面及N+重?fù)诫s區(qū)5之間的P型體區(qū)4上表面具有源極電極8;所述N-外延層3中具有多個(gè)P+重?fù)诫s埋層結(jié)構(gòu)9，沿器件橫向方向和器件縱向方向，所述P+重?fù)诫s埋層結(jié)構(gòu)9呈垂直交叉的網(wǎng)格狀分布，且P+重?fù)诫s埋層結(jié)構(gòu)9位于柵氧化層7與P型體區(qū)4接觸面的正下方;沿器件橫向方向和器件縱向方向，所述P型體區(qū)4的寬度從中部到下部逐漸縮小。
[0007]進(jìn)一步的，所述P型體區(qū)4結(jié)深大于第一槽柵結(jié)構(gòu)和第二槽柵結(jié)構(gòu)的結(jié)深。
[0008]進(jìn)一步的，所述P+重?fù)诫s埋層結(jié)構(gòu)9的摻雜濃度大于N-外延層3的摻雜濃度兩個(gè)數(shù)量級(jí)。
[0009]進(jìn)一步的，所述P+重?fù)诫s埋層結(jié)構(gòu)9的切面形狀為橢圓形、圓形、長(zhǎng)方形中的一種，其分布為網(wǎng)格狀分布和塊狀分布中的一種。
[0010]由于P+埋層結(jié)構(gòu)9引入了橫向電場(chǎng)以改善耐壓，因此在保證耐壓的情況下，所述N-外延層3的摻雜濃度可以適當(dāng)提高，以減弱由于P+埋層結(jié)構(gòu)9限制了正向?qū)〞r(shí)的電流通道而可能引起的導(dǎo)通電阻增加。
【附圖說明】
[0011]圖1是本發(fā)明的一種具有埋層結(jié)構(gòu)的槽柵型MOS三維立體示意圖；
[0012]圖2是本發(fā)明的一種具有埋層結(jié)構(gòu)的槽柵型MOS的俯視圖；
[0013]圖3是本發(fā)明的一種具有埋層結(jié)構(gòu)的槽柵型MOS正向?qū)〞r(shí)的電流路徑示意圖；
[0014]圖4是本發(fā)明的一種具有埋層結(jié)構(gòu)的槽柵型MOS在反向耐壓時(shí)的耗盡線示意圖；
[0015]圖5是本發(fā)明的具有埋層結(jié)構(gòu)的槽柵型MOS的另一種結(jié)構(gòu)的三維示意圖；
[0016]圖6是本發(fā)明的具有埋層結(jié)構(gòu)的槽柵型MOS的另一種結(jié)構(gòu)的俯視圖；
[0017]圖7是本發(fā)明的具有埋層結(jié)構(gòu)的槽柵型MOS的一種P型體區(qū)掩膜版示意圖；
[0018]圖8是本發(fā)明的具有埋層結(jié)構(gòu)的槽柵型MOS的另一種P型體區(qū)掩膜版示意圖，(a)是低劑量低能量注入掩膜版，(b)是高劑量高能量注入掩膜版。
【具體實(shí)施方式】
[0019]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)描述
[0020]需要說明的是，如附圖中的坐標(biāo)軸，本發(fā)明中與坐標(biāo)軸相對(duì)應(yīng)的描述為，器件橫向方向?qū)?yīng)X軸方向，器件縱向方向?qū)?yīng)y方向，器件垂直方向?qū)?yīng)z方向。
[0021]如圖1所示，本發(fā)明的一種具有埋層結(jié)構(gòu)的槽柵型M0S，包括從下至上依次層疊設(shè)置的漏極電極1、N型重?fù)诫s單晶硅襯底2和N-外延層3;所述N-外延層3上層具有第一槽柵結(jié)構(gòu)61、第二槽柵結(jié)構(gòu)62和P型體區(qū)4;沿器件橫向方向，所述P型體區(qū)4的兩側(cè)為第一槽柵結(jié)構(gòu)61，沿器件縱向方向，所述P型體區(qū)4的兩側(cè)為第二槽柵結(jié)構(gòu)62，所述器件橫向方向和器件縱向方向位于同一水平面且相互垂直，所述第一槽柵結(jié)構(gòu)61和第二槽柵結(jié)構(gòu)62均由柵氧化層7及位于柵氧化層7中的柵電極構(gòu)成，所述柵氧化層7與P型體區(qū)4接觸;所述P型體區(qū)4上層具有N+重?fù)诫s區(qū)5，所述N+重?fù)诫s區(qū)5為閉環(huán)結(jié)構(gòu)，在器件的俯視圖中呈“口”字形，所述N+重?fù)诫s區(qū)5的側(cè)面與柵氧化層7接觸;所述N+重?fù)诫s區(qū)5的部分上表面及N+重?fù)诫s區(qū)5之間的P型體區(qū)4上表面具有源極電極8;所述N-外延層3中具有多個(gè)P+重?fù)诫s埋層結(jié)構(gòu)9，沿器件橫向方向和器件縱向方向，所述P+重?fù)诫s埋層結(jié)構(gòu)9呈垂直交叉的網(wǎng)格狀分布，且P+重?fù)诫s埋層結(jié)構(gòu)9位于柵氧化層7與P型體區(qū)4接觸面的正下方;沿器件橫向方向和器件縱向方向，所述P型體區(qū)4的寬度從中部到下部逐漸縮小。
[0022]本發(fā)明的工作原理為:
[0023](I)器件的正向?qū)?
[0024]本發(fā)明所提供的一種具有閉合元胞結(jié)構(gòu)的高可靠性的槽柵M0S，其正向?qū)〞r(shí)的電極連接方式為:源極電極8接低電位，漏極電極I接高電位，柵極6外加?xùn)烹妷骸?br>[0025]當(dāng)源極8相對(duì)于漏極I加零電壓，柵極6也未加電壓時(shí)，P型體區(qū)4和柵氧化層6交界處沒有形成反型層，無電流通道形成，因此此時(shí)沒有電流流過。
[0026]當(dāng)漏極I相對(duì)于源極8加正電壓時(shí)，柵極6外加正電壓，P型體區(qū)4與柵氧化層7相接觸的表面區(qū)域形成耗盡層。當(dāng)提高加在柵極6上的正電壓時(shí)，P型體區(qū)4與柵氧化層7相接觸的表面區(qū)域形成反型層，為載流子提供一條流動(dòng)通道。如圖3所示，其中在X軸方向剖面上，所述P型體區(qū)4呈倒梯形，P型體區(qū)4與柵氧化層7相接觸形成的反型層載流子通道直接連通N+摻雜區(qū)5和N-外延層區(qū)3。在外加源漏電壓的作用下，反型層通道內(nèi)部會(huì)有導(dǎo)通電流通過。
[0027]在y軸方向剖面上，由于僅在柵氧化層7和P型體區(qū)4相接觸的表面形成反型層，而在該剖面上P型體區(qū)4為等深度且位于槽柵6的下方，反型層通道不會(huì)直接連通N+摻雜區(qū)5和N-外延層區(qū)3。載流子將沿著所述網(wǎng)格狀槽柵6和柵氧化層7的表面反型層，在結(jié)構(gòu)體內(nèi)，順著所述槽柵結(jié)構(gòu)(6-2)方向的通道流通，在P型體區(qū)4邊界處，連接N-外延層區(qū)3。由于正向?qū)〞r(shí)的電流路徑橫截面擴(kuò)大，因此電流集中效應(yīng)導(dǎo)致的熱效應(yīng)降低，提高了器件的可靠性。
[0028](2)器件的反向阻斷:
[0029]本發(fā)明所提供的一種具有閉合元胞結(jié)構(gòu)的高可靠性的槽柵M0S，其反向阻斷時(shí)的電極連接方式為:漏極電極I接高電位，源極電極8與柵極6短接，且接零電位。
[0030]當(dāng)柵極6外加零偏壓時(shí)，電子的導(dǎo)電通路已經(jīng)不存在，繼續(xù)增加反向電壓時(shí)，P型體區(qū)4下方的N-外延層區(qū)3將被進(jìn)一步耗盡，耗盡層將向靠近漏極I 一側(cè)擴(kuò)展以承受反向電壓。圖4為該結(jié)構(gòu)在反向偏壓狀態(tài)時(shí)的耗盡線示意圖，與普通槽柵MOS對(duì)比，倒梯形狀的P型體區(qū)4的深度比槽柵6更大，使得槽柵結(jié)構(gòu)6拐角處的電場(chǎng)線集中程度降低，從而降低拐角處的電場(chǎng)峰值。N-外延層3中的P+埋層結(jié)構(gòu)9引入了橫向電場(chǎng)，也將提高器件的耐壓。
[0031]本發(fā)明結(jié)構(gòu)可以用以下方法制備得到，工藝步驟為:
[0032 ] 1、單晶硅準(zhǔn)備。采用N型重?fù)诫s單晶硅襯底2，晶向?yàn)椤?00>。
[0033]2、外延生長(zhǎng)。采用氣相外延VPE等方法生長(zhǎng)一定厚度和摻雜濃度的N-外延層3。
[0034]3、P+埋層注入。在整個(gè)硅片表面淀積一層Ium厚的光刻膠，用掩模版光刻出P+埋層9的圖形然后高能硼離子注入，注入角度可根據(jù)要求改變，通過調(diào)整注入能量和劑量改變摻雜濃度和結(jié)深。
[0035]4、P型體區(qū)注入。得到本發(fā)明中的倒梯形體區(qū)有兩種制作方法:第一種是通過設(shè)置掩膜板的形狀控制雜質(zhì)離子的擴(kuò)散，雜質(zhì)擴(kuò)散深度與掩膜版上孔的密度有關(guān)，密度越大，注入雜質(zhì)濃度越高，擴(kuò)散深度越大，使用第一種方式掩膜版的形狀具體如圖7所示。第二種是通過分步注入，先通過第一道掩膜版小范圍高劑量高能量注入，再通過第二道掩膜版大范圍低劑量注入，使用第二種方式掩膜版的形狀具體如圖8所示。
[0036]5、深槽刻蝕，制備柵結(jié)構(gòu)。熱生長(zhǎng)柵氧化層7，淀積多晶硅柵電極。
[0037]6、淀積柵電極6，表面平坦化。
[0038]7、注入N+重?fù)诫s區(qū)5。
[0039]8、P型重?fù)诫s注入。
[0040]9、正面金屬化源極。在整個(gè)器件表面濺射一層金屬鋁，形成金屬區(qū)8。
[0041 ] 10、背面減薄、金屬化，形成漏極I。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種具有埋層結(jié)構(gòu)的槽柵型MOS，包括從下至上依次層疊設(shè)置的漏極電極(1)、N型重?fù)诫s單晶硅襯底(2)和N-外延層(3);所述N-外延層(3)上層具有第一槽柵結(jié)構(gòu)(61)、第二槽柵結(jié)構(gòu)(62)和P型體區(qū)(4);沿器件橫向方向，所述P型體區(qū)(4)的兩側(cè)為第一槽柵結(jié)構(gòu)(61)，沿器件縱向方向，所述P型體區(qū)(4)的兩側(cè)為第二槽柵結(jié)構(gòu)(62)，所述器件橫向方向和器件縱向方向位于同一水平面且相互垂直，所述第一槽柵結(jié)構(gòu)(61)和第二槽柵結(jié)構(gòu)(62)均由柵氧化層(7)及位于柵氧化層(7)中的柵電極構(gòu)成，所述柵氧化層(7)與P型體區(qū)(4)接觸;所述P型體區(qū)(4)上層具有N+重?fù)诫s區(qū)(5)，所述N+重?fù)诫s區(qū)(5)為閉環(huán)結(jié)構(gòu)，在器件的俯視圖中呈“口”字形，所述N+重?fù)诫s區(qū)(5)的側(cè)面與柵氧化層(7)接觸;所述N+重?fù)诫s區(qū)(5)的部分上表面及N+重?fù)诫s區(qū)(5)之間的P型體區(qū)(4)上表面具有源極電極(8);所述N-外延層(3)中具有多個(gè)P+重?fù)诫s埋層結(jié)構(gòu)(9)，沿器件橫向方向和器件縱向方向，所述P+重?fù)诫s埋層結(jié)構(gòu)(9)呈垂直交叉的網(wǎng)格狀分布，且P+重?fù)诫s埋層結(jié)構(gòu)(9)位于柵氧化層(7)與P型體區(qū)(4)接觸面的正下方;沿器件橫向方向和器件縱向方向，沿器件垂直方向，所述P型體區(qū)(4)的寬度從中部到下部逐漸縮小。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有埋層結(jié)構(gòu)的槽柵型M0S，其特征在于，所述P型體區(qū)(4)結(jié)深大于第一槽柵結(jié)構(gòu)和第二槽柵結(jié)構(gòu)的結(jié)深。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種具有埋層結(jié)構(gòu)的槽柵型M0S，其特征在于，所述P+重?fù)诫s埋層結(jié)構(gòu)(9)的摻雜濃度大于N-外延層(3)的摻雜濃度兩個(gè)數(shù)量級(jí)。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種具有埋層結(jié)構(gòu)的槽柵型M0S，其特征在于，所述P+重?fù)诫s埋層結(jié)構(gòu)(9)的切面形狀為橢圓形、圓形、長(zhǎng)方形中的一種，其分布為網(wǎng)格狀分布和塊狀分布中的一種。
【文檔編號(hào)】H01L29/78GK105977302SQ201610532263
【公開日】2016年9月28日
【申請(qǐng)日】2016年7月6日
【發(fā)明人】李澤宏, 陳哲, 曹曉峰, 李爽, 陳文梅, 任敏
【申請(qǐng)人】電子科技大學(xué)