CN102231390B - 一种超结结构的纵向双扩散金属氧化物半导体功率器件 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及半导体器件技术领域，尤其涉及一种超结结构的纵向双扩散金属氧化物半导体功率器件，包括元胞区Ⅰ和包围元胞区的过渡区Ⅱ以及包围过渡区的终端区Ⅲ；其特点在于，所述的元胞区Ⅰ内的第二导电类型柱状半导体区底部设有绝缘介质材料。本发明的有益效果：本发明改进超结结构的纵向双扩散金属氧化物半导体功率器件结构，使得电场分布接近理想情况的均匀分布，提高实际超结结构器件的击穿电压，进一步提高器件的性能。
Description
技术领域
本发明涉及半导体器件技术领域，尤其涉及一种超结结构的纵向双扩散金属氧化物半导体功率器件。
背景技术
目前功率器件被广泛地应用于开关电源、汽车电子、工业控制等领域；纵向双扩散金属氧化物半导体场效应晶体管（Vertical Double-diffused MOSFET，简称VDMOS），与传统双极型功率晶体管相比具有许多优良性能，如输入阻抗高、开关速度快、工作频率高、电压控制性好、热稳定性好，没有二次击穿等特点，是较为优异的功率器件。尤其是超结结构VDMOS的发明，它克服了传统功率VDMOS导通电阻与击穿电压的矛盾；它改变了传统功率VDMOS器件依靠漂移层耐压的结构，采用一种“超结结构”——P型、N型硅半导体材料在漂移区相互交替排列的形式。这种结构改善了击穿电压和导通电阻不易同时兼顾的情况，既可提高击穿电压，又降低导通电阻。由于超结结构VDMOS的这种独特器件结构，使它的电性能明显优于传统功率VDMOS，因此这种技术被人们称为功率金属氧化物半导体场效应晶体管技术上的一个里程碑。
如图1所示为传统功率VDMOS器件的元胞结构示意图，N型外延层通过背面电极引出，作为漏电极（Drain）；P-body通过表面P+、n+引出，作为源电极（Source）；P-body之间的外延层上设有栅电极，与N型外延层 间有绝缘介质间隔。器件工作在截止态时，源极接地，漏极加正电压，所加电压主要由P-body/N外延形成的PN结承担；随着所加电压的增大，电场随之升高；当电场最高点达到击穿电场Ec时，器件就发生击穿；图2为图1所示器件击穿时沿a-c处的电场分布。由半导体物理可知，电压为电场的积分，因此，图2中的阴影部分的面积就是击穿电压的值。
如图3所示为超结结构的功率VDMOS器件的元胞结构示意图；在理论上的理想情况下，其击穿时沿a-b-c处的电场分布如图4所示，其电场成均匀分布；同样的，图4中阴影部分的面积就是其击穿电压的值。由于击穿电场Ec的值是基本固定的，因此，比较图2与图4可知，图4中阴影部分的面积明显大于图2中阴影部分的面积，即在相同掺杂浓度等相同条件下，超结结构的功率VDMOS器件的击穿电压会远远高于传统功率VDMOS器件的击穿电压。
但是，在目前实际的技术中，由于存在一种N+衬底耗尽效应，会对电场分布产出影响，使得无法达到图4所示的理想的均匀电场，即无法达到理想的击穿电压；具体表现为，会在P型柱状区域底部与N型外延交界处（图3中b处）产生一个电场峰值，从而使得击穿电压会比理想情况有所下降；目前技术的电场分布如图5所示，图中电场阴影部分的面积较图4有所减小，说明击穿电压有所不足。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提出了一种一种超结结构的纵向双扩散金属氧化物半导体功率器件，通过在第二导电类型柱状半导体区底部增加了一绝缘材料区域，消除这种N+衬底耗尽效应，消除了P型柱状区域底部与N型外延交界处（图3中b处）的电场峰值。
本发明通过以下技术方案来实现：
一种超结结构的纵向双扩散金属氧化物半导体功率器件，包括元胞区Ⅰ和包围元胞区的过渡区Ⅱ以及包围过渡区的终端区Ⅲ；
元胞区Ⅰ和过渡区Ⅱ及终端区Ⅲ底部和顶部设有金属层Ⅰ10和金属层Ⅱ15，底部金属层Ⅰ10上设有第一导电类型半导体材料衬底1，第一导电类型半导体材料衬底1上设有第一导电类型半导体材料漂移层2，第一导电类型半导体材料漂移层2中设有间断不连续的第二导电类型柱状半导体区３；
在元胞区Ⅰ中的第二导电类型柱状半导体区３上设有第二导电类型半导体区Ⅰ4，且第二导电类型半导体区Ⅰ4位于第一导电类型半导体材料漂移层2内，在第二导电类型半导体区Ⅰ4中设有第二导电类型重掺杂半导体区Ⅰ8和第一导电类型重掺杂半导体区Ⅰ7，在第二导电类型重掺杂半导体区Ⅰ8及第一导电类型重掺杂半导体区Ⅰ7以外区域上方设有绝缘介质材料Ⅰ6，绝缘介质材料Ⅰ6内设有多晶硅栅5，在第一导电类型重掺杂半导体区Ⅰ7和第二导电类型重掺杂半导体区Ⅰ8上连接金属层Ⅱ15;
在过渡区Ⅱ中的第一导电类型半导体材料漂移层2中设有第二导电类型半导体区Ⅱ9，且第二导电类型半导体区Ⅱ9覆盖了过渡区Ⅱ内全部的第二导电类型柱状半导体区3，在过渡区Ⅱ内的第二导电类型半导体区Ⅱ9中设有第二导电类型重掺杂半导体区Ⅱ14，第二导电类型重掺杂半导体区Ⅱ14位于过渡区Ⅱ中的与元胞区Ⅰ相邻的第二导电类型柱状半导体区3的上方，在过渡区Ⅱ的表面设有绝缘介质材料Ⅱ13，在第二导电类型半导体区Ⅱ9内的第二导电类型重掺杂半导体区Ⅱ14表面设有接触孔与金属层Ⅱ15相连;
在终端区Ⅲ中，在第一导电类型半导体材料衬底漂移层2的右上角设有第一导电类型重掺杂半导体区Ⅱ12,在终端区Ⅲ表面设有绝缘介质材料Ⅱ13;
所述的元胞区Ⅰ内的第二导电类型柱状半导体区3底部设有绝缘介质材料区域11。
作为优选，所述的第一导电类型为n型掺杂。
作为优选，所述的第二导电类型为p型掺杂。
本发明的有益效果：本发明改进超结结构的纵向双扩散金属氧化物半导体功率器件结构，使得电场分布接近理想情况的均匀分布，提高实际超结结构器件的击穿电压，进一步提高器件的性能。
附图说明
图1为传统的功率VDMOS器件的元胞结构示意图；
图2为图1所示器件击穿时沿图1结构中a-c处的电场分布；
图3为超结结构的功率VDMOS器件的元胞结构示意图；
图4为图3所示器件在理论理想情况下，其击穿时沿图3结构中a-b-c处的电场分布；
图5为图3所示器件在现有实际技术下，其击穿时沿图3结构中a-b-c处的电场分布；
图6为为本发明的功率VDMOS器件的结构示意图
1―第一导电类型半导体材料衬底
2－第一导电类型半导体材料衬底漂移层
3－第二导电类型柱状半导体区
4－第二导电类型半导体区Ⅰ
5－多晶硅栅
6－绝缘介质材料Ⅰ
7－第一导电类型重掺杂半导体区Ⅰ
8－第二导电类型重掺杂半导体区Ⅰ
9－第二导电类型半导体区Ⅱ
10－金属层Ⅰ
11－绝缘介质材料区域
12－第一导电类型重掺杂半导体区Ⅱ
13－绝缘介质材料Ⅱ
14－第二导电类型重掺杂半导体区Ⅱ
15－金属层Ⅱ
具体实施方式
如图６所示，一种超结结构的纵向双扩散金属氧化物半导体功率器件，包括元胞区Ⅰ和包围元胞区的过渡区Ⅱ以及包围过渡区的终端区Ⅲ；
元胞区Ⅰ和过渡区Ⅱ及终端区Ⅲ底部和顶部设有金属层Ⅰ10和金属层Ⅱ15，底部金属层Ⅰ10上设有n型掺杂半导体材料衬底1，n型掺杂半导体材料衬底1上设有n型掺杂半导体材料漂移层2，n型掺杂半导体材料漂移层2中设有间断不连续的p型掺杂柱状半导体区３；
在元胞区Ⅰ中的p型掺杂柱状半导体区３上设有p型掺杂半导体区Ⅰ4，且p型掺杂半导体区Ⅰ4位于n型掺杂半导体材料漂移层2内，在p型掺杂半导体区Ⅰ4中设有p型重掺杂半导体区Ⅰ8和n型重掺杂半导体区Ⅰ7，在p型重掺杂半导体区Ⅰ8及n型重掺杂半导体区Ⅰ7以外区域上方设有绝缘介质材料Ⅰ6，绝缘介质材料Ⅰ6内设有多晶硅栅5，在n型重掺杂半导体区Ⅰ7和p型重掺杂半导体区Ⅰ8上连接金属层Ⅱ15;
在过渡区Ⅱ中的n型掺杂半导体材料漂移层2中设有p型掺杂半导体区Ⅱ9，且p型掺杂半导体区Ⅱ9覆盖了过渡区Ⅱ内全部的p型掺杂柱状半导体区3，在过渡区Ⅱ内的p型掺杂半导体区Ⅱ9中设有p型重掺杂半导体区Ⅱ14，p型重掺杂半导体区Ⅱ14位于过渡区Ⅱ中的与元胞区Ⅰ相邻的p型掺杂柱状半导体区3的上方，在过渡区Ⅱ的表面设有绝缘介质材料Ⅱ13，在p型掺杂半导体区Ⅱ9内的p型重掺杂半导体区Ⅱ14表面设有接触孔与金属层Ⅱ15相连;
在终端区Ⅲ中，在n型掺杂半导体材料衬底漂移层2的右上角设有n型重掺杂半导体区Ⅱ12,在终端区Ⅲ表面设有绝缘介质材料Ⅱ13;
所述的元胞区Ⅰ内的p型掺杂柱状半导体区3底部设有绝缘介质材料。
以上的所述乃是本发明的具体实施例及所运用的技术原理，若依本发明的构想所作的改变，其所产生的功能作用仍未超出说明书及附图所涵盖的精神时，仍应属本发明的保护范围。
Claims (3)
1.一种超结结构的纵向双扩散金属氧化物半导体功率器件，包括元胞区Ⅰ和包围元胞区的过渡区Ⅱ以及包围过渡区的终端区Ⅲ；
元胞区Ⅰ和过渡区Ⅱ及终端区Ⅲ底部设有金属层Ⅰ（10），而顶部设有金属层Ⅱ（15），底部金属层Ⅰ(10)上设有第一导电类型半导体材料衬底(1)，第一导电类型半导体材料衬底(1)上设有第一导电类型半导体材料漂移层(2)，第一导电类型半导体材料漂移层(2)中设有间断不连续的第二导电类型柱状半导体区（３）；
在元胞区Ⅰ中的第二导电类型柱状半导体区（３）上设有第二导电类型半导体区Ⅰ(4)，且第二导电类型半导体区Ⅰ(4)位于第一导电类型半导体材料漂移层(2)内，在第二导电类型半导体区Ⅰ(4)中设有第二导电类型重掺杂半导体区Ⅰ(8)和第一导电类型重掺杂半导体区Ⅰ(7)，在第二导电类型重掺杂半导体区Ⅰ(8)及第一导电类型重掺杂半导体区Ⅰ(7)以外区域上方设有绝缘介质材料Ⅰ(6)，绝缘介质材料Ⅰ(6)内设有多晶硅栅(5)，在第一导电类型重掺杂半导体区Ⅰ(7)和第二导电类型重掺杂半导体区Ⅰ(8)上连接金属层Ⅱ(15);
在过渡区Ⅱ中的第一导电类型半导体材料漂移层(2)中设有第二导电类型半导体区Ⅱ(9)，且第二导电类型半导体区Ⅱ(9)覆盖了过渡区Ⅱ内全部的第二导电类型柱状半导体区(3) ，在过渡区Ⅱ内的第二导电类型半导体区Ⅱ(9)中设有第二导电类型重掺杂半导体区Ⅱ（14），第二导电类型重掺杂半导体区Ⅱ（14）位于过渡区Ⅱ中的与元胞区Ⅰ相邻的第二导电类型柱状半导体区 (3)的上方，在过渡区Ⅱ的表面设有绝缘介质材料Ⅱ(13)，在第二导电类型半导体区Ⅱ(9)内的第二导电类型重掺杂半导体区Ⅱ（14）表面设有接触孔与金属层Ⅱ(15)相连;
在终端区Ⅲ中，在第一导电类型半导体材料衬底漂移层(2)的右上角设有第一导电类型重掺杂半导体区Ⅱ（12）,在终端区Ⅲ表面设有绝缘介质材料Ⅱ(13);
其特征在于，所述的元胞区Ⅰ内的第二导电类型柱状半导体区(3)底部设有绝缘介质材料区域（11）。
2.根据权利要求１所述的一种超结结构的纵向双扩散金属氧化物半导体功率器件，其特征在于所述的第一导电类型为n型掺杂。
3.根据权利要求１或２所述的一种超结结构的纵向双扩散金属氧化物半导体功率器件，其特征在于所述的第二导电类型为p型掺杂。
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