CN101840933B - 带表面缓冲环终端结构的超结金属氧化物场效应晶体管 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带表面缓冲环终端结构的超结金属氧化物场效应晶体管，包括：N型掺杂半导体衬底，在所述N型掺杂半导体衬底上面设有N型掺杂外延层，在N型掺杂外延层的内部设有P型掺杂深阱区，在所述P型掺杂深阱区的上侧设有P型掺杂区和P型掺杂缓冲区，在所述P型掺杂区中设有高浓度的N型掺杂区，在部分栅氧化层的上方设有多晶硅，多晶硅在终端结构区域构成了多晶硅场板结构，并且与该带表面缓冲环终端结构的超结金属氧化物场效应晶体管中源端延伸到过渡区的金属场板，共同构成双层场板，其能够降低表面电场峰值，优化表面电势分布，有效的提高器件的横向耐压水平。

Description

带表面缓冲环终端结构的超结金属氧化物场效应晶体管

技术领域

本发明属于半导体功率器件技术领域，涉及一种纵向高压功率器件，更具体的说，是关于一种同时具有快速开关和低导通电阻的带表面缓冲环终端结构的纵向超结金属氧化物场效应晶体管。

背景技术

超结金属氧化物场效应晶体管是一种具有金属氧化物半导体晶体管的绝缘栅结构优点同时具有高电流密度低导通电阻优点的新型器件，它是一种能用于有效地降低传统的功率金属氧化物半导体场效应晶体管的导电损耗的功率半导体器件。它是基于电荷平衡原理的电荷补偿型器件。

传统高压功率金属氧化物半导体场效应晶体管器件采用低掺杂的外延漂移层作电压支持层，其导通电阻主要就是漂移层电阻。漂移层的耐压能力由其厚度和掺杂浓度决定，所以，为了提高击穿电压，必须同时增加漂移层厚度和降低其掺杂浓度，这就使得漂移层的电阻不断增加，在导通状态时(尤其是高压时)，漂移层电阻占导通电阻的绝大部分。

超结金属氧化物场效应晶体管的基本特点是其由间隔n-和p-掺杂的区域构成的漂移区来实现耐压。传统高压功率金属氧化物半导体场效应晶体管器件在承受反向高压时，其主要依靠PN结的纵向耗尽来实现耐压，在整个器件的PN结处会出现电场强度峰值，而超结金属氧化物场效应晶体管由于引入了电荷补偿机制，其内部在耗尽耐压时，电场分布更加均匀，与传统高压功率金属氧化物半导体场效应晶体管器件的三角形峰值电场分布，超结金属氧化物场效应晶体管的器件内部电场在纵向耐压方向为矩形分布。矩形电场强度分布，使其整个器件在耗尽耐压过程中，不出现个别电场峰值。由于垂直方向上***P型区，可以补偿过量的电流导通电荷。在漂移层加反向偏置电压，将产生一个横向电场，使PN结耗尽。当电压达到一定值时，漂移层完全耗尽，将起到电压支持层的作用，因此其电压支持层的杂质掺杂浓度可以提高将近一个数量级，由于掺杂浓度的大幅提高，在相同的击穿电压下，导通电阻可以大大降低。因此经过不断的演化和完善，超结金属氧化物场效应晶体管的新结构不断出现。

针对超结金属氧化物场效应晶体管终端结构的设计也一直是研究者关的焦点。超结金属氧化物场效应晶体管终端结构有别于传统高压功率金属氧化物半导体场效应晶体管器件，其结构的设计可以与内部的超结结构相结合。在相关技术中，有人提出变化PN掺杂区域的比例，也有人提出按倍率缩小PN掺杂区域的周期等。这些方法都是为了能够实现超结金属氧化物场效应晶体管终端结构更好的耐压，然而这些方法都会增加额外的工艺制造过程，使工艺难度和成本增加。

发明内容

本发明提供了一种带表面缓冲环终端结构的超结金属氧化物场效应晶体管，其在不增加工艺难度和成本的前提下，能够保证耐压要求的同时，不会增加额外的工艺制造过程，不会加长终端结构的原来尺寸，并且可以更好的优化终端结构的表面电势分布，有效降低表面的电场强度。

本发明采用如下技术方案：

一种带表面缓冲环终端结构的超结金属氧化物场效应晶体管，包括：N型掺杂半导体衬底，在所述N型掺杂半导体衬底上面设有N型掺杂外延层，在所述N型掺杂外延层的内部设有P型掺杂深阱区，在所述P型掺杂深阱区的上侧设有P型掺杂区和P型掺杂缓冲区，在所述P型掺杂区中设有N型掺杂区，所述P型掺杂区、所述N型掺杂区和部分所述N型掺杂外延层共同构成所述超结金属氧化物场效应晶体管的内部原胞源极区域，所述P型掺杂深阱区、所述P型掺杂缓冲区和部分所述N型掺杂外延层共同构成所述超结金属氧化物场效应晶体管的终端耐压结构区域，在部分所述N型掺杂外延层、部分所述P型掺杂区和P型掺杂深阱区的上方设有栅氧化层，在部分所述栅氧化层的上方设有多晶硅，所述多晶硅在所述内部原胞源极区域中构成了所述超结金属氧化物场效应晶体管的栅电极，所述多晶硅在所述终端耐压结构区域中构成了多晶硅场板结构和，在所述内部原胞源极区域的上方设有金属层，构成了所述超结金属氧化物场效应晶体管的源极金属电极，在所述N型掺杂半导体衬底的下方设有金属层，构成了所述超结金属氧化物场效应晶体管的漏极金属电极，在部分所述终端耐压结构区域的上方设有金属场板，所述P型掺杂缓冲区附加在所述P型掺杂深阱区的两侧，所述多晶硅场板结构从所述P型掺杂深阱区的中心向耐压方向终端外侧延伸，并终止于相邻两个P型掺杂深阱区的中间位置，所述多晶硅场板结构位于所述终端耐压结构区域的最外侧。

更进一步，所述多晶硅场板结构的长度与所述多晶硅场板相等。

更进一步，所述P型掺杂缓冲区位于P型掺杂深阱区的上表面两侧，且扩散后所述P型掺杂缓冲区之间彼此不相连。

更进一步，所述多晶硅场板结构与所述金属场板所形成的场板结构是双层场板结构。

更进一步，所述P型掺杂深阱区是采用深槽腐蚀和硅回填工艺并经过表面平坦化处理后形成的。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

(1)本发明结构中，在终端耐压结构区域，P型掺杂的深阱区的上部两侧，设有P型掺杂的表面缓冲环。当器件反向耐压时，此表面缓冲环增大了深阱区表面PN结的表面曲率半径，优化了表面电势分布，降低了表面电场，使终端耐压结构击穿不会出现表面漏电。并且只是附加在P型掺杂深阱区的两侧，不影响P型掺杂的深阱区的内部浓度分布，不会破坏电荷平衡关系。

(2)本发明结构中，表面缓冲环结构的设置不会增加器件制造工艺步骤，其使用与原胞区域的P型掺杂区相同的阱结构，并且不影响P型掺杂深阱区的结构和浓度。

(3)本发明结构采用了多晶硅场板结构及金属场板的双层场板结构。在终端耐压结构区域内部，多晶场板从P型深阱的中心向耐压向终端外侧延伸，并终止于两个P型掺杂深阱区的中间位置。多晶场板的位置布局使与之有交叠的P型掺杂深阱区的电势向终端结构耐压方向延伸，但又不影响到与之相邻的另一个P型掺杂深阱区，从而降低表面电场强度，从而增大了器件的横向耐压。

附图说明

图1是本发明的一种带表面缓冲环终端结构的超结金属氧化物场效应晶体管的一实施例的剖面图。

图2是图1中本发明的一种带表面缓冲环终端结构的超结金属氧化物场效应晶体管的表面俯视示意图。

图3是图1中本发明的超结金属氧化物场效应晶体管的不包含表面缓冲环的终端结构的耐压耗尽图。

图4是图1中本发明的超结金属氧化物场效应晶体管的包含表面缓冲环的终端结构的耐压耗尽图。等势线分布与图3相比更加均匀。

图5是图1中本发明的超结金属氧化物场效应晶体管的不包含表面缓冲环的终端结构的表面电势图。

图6是图1中本发明的超结金属氧化物场效应晶体管的包含表面缓冲环的终端结构的表面电势图。

具体实施方式

参照图1，一种带表面缓冲环终端结构的超结金属氧化物场效应晶体管，包括：N型掺杂半导体衬底1，在所述N型掺杂半导体衬底1上面设有N型掺杂外延层2，在所述N型掺杂外延层2的内部设有P型掺杂深阱区3，在所述P型掺杂深阱区3的上侧设有P型掺杂区4和P型掺杂缓冲区5，在所述P型掺杂区4中设有N型掺杂区6，所述P型掺杂区4、所述N型掺杂区6和部分所述N型掺杂外延层2共同构成所述超结金属氧化物场效应晶体管的内部原胞源极区域11，所述P型掺杂深阱区3、所述P型掺杂缓冲区5和部分所述N型掺杂外延层2共同构成所述超结金属氧化物场效应晶体管的终端耐压结构区域12，在部分所述N型掺杂外延层2、部分所述P型掺杂区4和P型掺杂深阱区3的上方设有栅氧化层，在部分所述栅氧化层的上方设有多晶硅，所述多晶硅在所述内部原胞源极区域11中构成了所述超结金属氧化物场效应晶体管的栅电极7，所述多晶硅在所述终端耐压结构区域12中构成了多晶硅场板结构8和14，在所述内部原胞源极区域11的上方设有金属层，构成了所述超结金属氧化物场效应晶体管的源极金属电极9，在所述N型掺杂半导体衬底1的下方设有金属层，构成了所述超结金属氧化物场效应晶体管的漏极金属电极10，在部分所述终端耐压结构区域12的上方设有金属场板13，所述P型掺杂缓冲区5附加在所述P型掺杂深阱区3的两侧，所述多晶硅场板结构8从所述P型掺杂深阱区3的中心向耐压方向终端外侧延伸，并终止于相邻两个P型掺杂深阱区3的中间位置，所述多晶硅场板结构14位于所述终端耐压结构区域12的最外侧。所述多晶硅场板结构的长度与所述多晶硅场板相等。所述P型掺杂缓冲区位于P型掺杂深阱区的上表面两侧，且扩散后所述P型掺杂缓冲区之间彼此不相连。所述多晶硅场板结构与所述金属场板所形成的场板结构是双层场板结构。本发明中，P型掺杂深阱区3的浓度高于N型掺杂外延层2的浓度，P型掺杂缓冲区5的浓度高于P型掺杂深阱区3的浓度，所述器件结构的内部原胞源极区域11在器件的长度方向上是由P型掺杂深阱区3和N型掺杂外延层2交替排列形成的，且P型掺杂深阱区3和N型掺杂外延层2之间的宽度比例和浓度比例由该器件所应满足的导通电流的大小和最低耐压要求共同决定。

参照图2，该图为该发明的一种带表面缓冲环终端结构的超结金属氧化物场效应晶体管的表面俯视示意图，图中AA’代表图1所示终端耐压结构区域12区域的横切截面位置。

本发明的具体实验效果如图3-图6所示，其中图3是图1中本发明的超结金属氧化物场效应晶体管的不包含表面缓冲环的终端结构的耐压耗尽图。图4是图1中本发明的超结金属氧化物场效应晶体管的含表面缓冲环的终端结构的耐压耗尽图，图3和图4中的横坐标表示器件结构的横向尺寸坐标，纵坐标表示器件结构的纵向尺寸坐标。图4中的等势线分布与图3相比更加均匀，不出现集中漏电。图5和图6中的横坐标表示器件结构的横向尺寸坐标，纵坐标表示器件的表面电势。图5是图1中本发明的超结金属氧化物场效应晶体管的不包含表面缓冲环的终端结构的表面电势图，电势分布不均匀。图6是图1中本发明的超结金属氧化物场效应晶体管的包含表面缓冲环的终端结构的表面电势图，电势分布与图5相比更加均匀。

本发明采用如下方法来制备：

1、取一块N型高浓度掺杂硅片1，外延生长N型外延层2，然后采用离子注入和后续的退火工艺形成P型掺杂区4和P型掺杂缓冲区5；

2、采用深槽腐蚀和硅回填工艺，表面平坦化处理后形成P型掺杂深阱区3，然后经过热生长生成栅氧化层；

3、接着淀积多晶硅，并进行刻蚀形成多晶硅栅7和多晶硅场板结构8、14，然后经过离子注入和退火工艺形成N型掺杂源极接触区域6；

4、经过淀积铝和刻蚀铝工艺，形成金属层9作为器件的源极，金属层10作为器件的漏极，金属层13作为器件的金属场板，最后进行后续钝化处理。

Claims (5)

1.一种带表面缓冲环终端结构的超结金属氧化物场效应晶体管，包括：N型掺杂半导体衬底(1)，在所述N型掺杂半导体衬底(1)上面设有N型掺杂外延层(2)，在所述N型掺杂外延层(2)的内部设有P型掺杂深阱区(3)，在所述P型掺杂深阱区(3)的上侧设有P型掺杂区(4)和P型掺杂缓冲区(5)，在所述P型掺杂区(4)中设有N型掺杂区(6)，所述P型掺杂区(4)、所述N型掺杂区(6)和部分所述N型掺杂外延层(2)共同构成所述超结金属氧化物场效应晶体管的内部原胞源极区域(11)，所述P型掺杂深阱区(3)、所述P型掺杂缓冲区(5)和部分所述N型掺杂外延层(2)共同构成所述超结金属氧化物场效应晶体管的终端耐压结构区域(12)，在部分所述N型掺杂外延层(2)、部分所述P型掺杂区(4)和P型掺杂深阱区(3)的上方设有栅氧化层，在部分所述栅氧化层的上方设有多晶硅，所述多晶硅在所述内部原胞源极区域(11)中构成了所述超结金属氧化物场效应晶体管的栅电极(7)，所述多晶硅在所述终端耐压结构区域(12)中构成了第一多晶硅场板结构(8)和第二多晶硅场板结构(14)，在所述内部原胞源极区域(11)的上方设有金属层，构成了所述超结金属氧化物场效应晶体管的源极金属电极(9)，在所述N型掺杂半导体衬底(1)的下方设有金属层，构成了所述超结金属氧化物场效应晶体管的漏极金属电极(10)，在部分所述终端耐压结构区域(12)的上方设有金属场板(13)，其特征在于，所述P型掺杂缓冲区(5)附加在所述P型掺杂深阱区(3)的两侧，所述第一多晶硅场板结构(8)从所述P型掺杂深阱区(3)的中心向终端耐压结构区域(12)的外侧延伸，并终止于相邻两个P型掺杂深阱区(3)的中间位置，所述第二多晶硅场板结构(14)位于所述终端耐压结构区域(12)的最外侧。

2.根据权利要求1所述的带表面缓冲环终端结构的超结金属氧化物场效应晶体管，其特征在于，所述第二多晶硅场板结构(14)的长度与所述第一多晶硅场板结构(8)相等。

3.根据权利要求1所述的带表面缓冲环终端结构的超结金属氧化物场效应晶体管，其特征在于，所述P型掺杂缓冲区(5)位于P型掺杂深阱区(3)的上表面两侧，且扩散后所述P型掺杂缓冲区(5)之间彼此不相连。

4.根据权利要求1所述的带表面缓冲环终端结构的超结金属氧化物场效应晶体管，其特征在于，所述第一多晶硅场板结构(8)与所述金属场板(13)所形成的场板结构是双层场板结构。

5.根据权利要求1所述的带表面缓冲环终端结构的超结金属氧化物场效应晶体管，其特征在于，所述P型掺杂深阱区(3)是采用深槽腐蚀和硅回填工艺并经过表面平坦化处理后形成的。

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