專利名稱：一種超結(jié)結(jié)構(gòu)的縱向雙擴(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體功率器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體器件技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種超結(jié)結(jié)構(gòu)的縱向雙擴(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體功率器件。
背景技術(shù)：
目前功率器件被廣泛地應(yīng)用于開關(guān)電源、汽車電子、工業(yè)控制等領(lǐng)域；縱向雙擴(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(Vertical Double-diffused MOSFET，簡稱VDMOS)，與傳統(tǒng)雙極型功率晶體管相比具有許多優(yōu)良性能，如輸入阻抗高、開關(guān)速度快、工作頻率高、電壓控制性好、熱穩(wěn)定性好，沒有二次擊穿等特點，是較為優(yōu)異的功率器件。尤其是超結(jié)結(jié)構(gòu) VDMOS的發(fā)明，它克服了傳統(tǒng)功率VDMOS導(dǎo)通電阻與擊穿電壓的矛盾；它改變了傳統(tǒng)功率 VDMOS器件依靠漂移層耐壓的結(jié)構(gòu)，采用一種“超結(jié)結(jié)構(gòu)”——P型、N型硅半導(dǎo)體材料在漂移區(qū)相互交替排列的形式。這種結(jié)構(gòu)改善了擊穿電壓和導(dǎo)通電阻不易同時兼顧的情況，既可提高擊穿電壓，又降低導(dǎo)通電阻。由于超結(jié)結(jié)構(gòu)VDMOS的這種獨特器件結(jié)構(gòu)，使它的電性能明顯優(yōu)于傳統(tǒng)功率VDM0S，因此這種技術(shù)被人們稱為功率金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管技術(shù)上的一個里程碑。如錯誤！未找到引用源。所示為傳統(tǒng)功率VDMOS器件的元胞結(jié)構(gòu)示意圖，N型外延層通過背面電極引出，作為漏電極(Drain) ；P-body通過表面P+、η+引出，作為源電極 (Source) ；P-body之間的外延層上設(shè)有柵電極，與N型外延層間有絕緣介質(zhì)間隔。器件工作在截止態(tài)時，源極接地，漏極加正電壓，所加電壓主要由P-body/N外延形成的PN結(jié)承擔(dān)； 隨著所加電壓的增大，電場隨之升高；當(dāng)電場最高點達(dá)到擊穿電場Ec時，器件就發(fā)生擊穿； 圖2為圖1所示器件擊穿時沿a-c處的電場分布。由半導(dǎo)體物理可知，電壓為電場的積分， 因此，圖2中的陰影部分的面積就是擊穿電壓的值。如圖3錯誤！未找到引用源。所示為超結(jié)結(jié)構(gòu)的功率VDMOS器件的元胞結(jié)構(gòu)示意圖；在理論上的理想情況下，其擊穿時沿a-b-c處的電場分布如圖4所示，其電場成均勻分布；同樣的，圖4中陰影部分的面積就是其擊穿電壓的值。由于擊穿電場Ec的值是基本固定的，因此，比較圖2與圖4可知，圖4中陰影部分的面積明顯大于圖2中陰影部分的面積， 即在相同摻雜濃度等相同條件下，超結(jié)結(jié)構(gòu)的功率VDMOS器件的擊穿電壓會遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)功率VDMOS器件的擊穿電壓。但是，在目前實際的技術(shù)中，由于存在一種N+襯底耗盡效應(yīng)，會對電場分布產(chǎn)出影響，使得無法達(dá)到圖4所示的理想的均勻電場，即無法達(dá)到理想的擊穿電壓；具體表現(xiàn)為，會在P型柱狀區(qū)域底部與N型外延交界處(圖3中b處)產(chǎn)生一個電場峰值，從而使得擊穿電壓會比理想情況有所下降；目前技術(shù)的電場分布如圖5所示，圖中電場陰影部分的面積較圖4有所減小，說明擊穿電壓有所不足。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出了一種一種超結(jié)結(jié)構(gòu)的縱向雙擴(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體功率器件，通過在第二導(dǎo)電類型柱狀半導(dǎo)體區(qū)底部增加了一絕緣材料區(qū)域，消除這種N+襯底耗盡效應(yīng)，消除了 P型柱狀區(qū)域底部與N型外延交界處(圖3中b處)的電場峰值。本發(fā)明通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)一種超結(jié)結(jié)構(gòu)的縱向雙擴(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體功率器件，包括元胞區(qū)I和包圍元胞區(qū)的過渡區(qū)II以及包圍過渡區(qū)的終端區(qū)III ；元胞區(qū)I和過渡區(qū)II及終端區(qū)III底部和頂部設(shè)有金屬層IlO和金屬層1115，底部金屬層110上設(shè)有第一導(dǎo)電類型半導(dǎo)體材料襯底1，第一導(dǎo)電類型半導(dǎo)體材料襯底1上設(shè)有第一導(dǎo)電類型半導(dǎo)體材料漂移層2，第一導(dǎo)電類型半導(dǎo)體材料漂移層2中設(shè)有間斷不連續(xù)的第二導(dǎo)電類型柱狀半導(dǎo)體區(qū)3 ；在元胞區(qū)I中的第二導(dǎo)電類型柱狀半導(dǎo)體區(qū)3上設(shè)有第二導(dǎo)電類型半導(dǎo)體區(qū)14， 且第二導(dǎo)電類型半導(dǎo)體區(qū)14位于第一導(dǎo)電類型半導(dǎo)體材料漂移層2內(nèi)，在第二導(dǎo)電類型半導(dǎo)體區(qū)14中設(shè)有第二導(dǎo)電類型重?fù)诫s半導(dǎo)體區(qū)18和第一導(dǎo)電類型重?fù)诫s半導(dǎo)體區(qū)17，在第二導(dǎo)電類型重?fù)诫s半導(dǎo)體區(qū)18及第一導(dǎo)電類型重?fù)诫s半導(dǎo)體區(qū)17以外區(qū)域上方設(shè)有絕緣介質(zhì)材料16，絕緣介質(zhì)材料16內(nèi)設(shè)有多晶硅柵5，在第一導(dǎo)電類型重?fù)诫s半導(dǎo)體區(qū)17和第二導(dǎo)電類型重?fù)诫s半導(dǎo)體區(qū)18上連接金屬層1115 ；在過渡區(qū)II中的第一導(dǎo)電類型半導(dǎo)體材料漂移層2中設(shè)有第二導(dǎo)電類型半導(dǎo)體區(qū)119，且第二導(dǎo)電類型半導(dǎo)體區(qū)119覆蓋了過渡區(qū)II內(nèi)全部的第二導(dǎo)電類型柱狀半導(dǎo)體區(qū)3，在過渡區(qū)II內(nèi)的第二導(dǎo)電類型半導(dǎo)體區(qū)119中設(shè)有第二導(dǎo)電類型重?fù)诫s半導(dǎo)體區(qū) 1114，第二導(dǎo)電類型重?fù)诫s半導(dǎo)體區(qū)1114位于過渡區(qū)II中的與元胞區(qū)I相鄰的第二導(dǎo)電類型柱狀半導(dǎo)體區(qū)3的上方，在過渡區(qū)II的表面設(shè)有絕緣介質(zhì)材料1113，在第二導(dǎo)電類型半導(dǎo)體區(qū)119內(nèi)的第二導(dǎo)電類型重?fù)诫s半導(dǎo)體區(qū)1114表面設(shè)有接觸孔與金屬層1115相連；在終端區(qū)III中，在第一導(dǎo)電類型半導(dǎo)體材料襯底漂移層2的右上角設(shè)有第一導(dǎo)電類型重?fù)诫s半導(dǎo)體區(qū)1112，在終端區(qū)III表面設(shè)有絕緣介質(zhì)材料1113 ；所述的元胞區(qū)I內(nèi)的第二導(dǎo)電類型柱狀半導(dǎo)體區(qū)3底部設(shè)有絕緣介質(zhì)材料區(qū)域 11。作為優(yōu)選，所述的第一導(dǎo)電類型為η型摻雜。作為優(yōu)選，所述的第二導(dǎo)電類型為ρ型摻雜。本發(fā)明的有益效果本發(fā)明改進(jìn)超結(jié)結(jié)構(gòu)的縱向雙擴(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體功率器件結(jié)構(gòu)，使得電場分布接近理想情況的均勻分布，提高實際超結(jié)結(jié)構(gòu)器件的擊穿電壓，進(jìn)一步提高器件的性能。


圖1為傳統(tǒng)的功率VDMOS器件的元胞結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為圖1所示器件擊穿時沿圖1結(jié)構(gòu)中a-c處的電場分布；圖3為超結(jié)結(jié)構(gòu)的功率VDMOS器件的元胞結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為圖3所示器件在理論理想情況下，其擊穿時沿圖3結(jié)構(gòu)中a-b-c處的電場分布；
圖5為圖3所示器件在現(xiàn)有 實際技術(shù)下，其擊穿時沿圖3結(jié)構(gòu)中a-b-c處的電場分布；圖6為為本發(fā)明的功率VDMOS器件的結(jié)構(gòu)示意圖1-第一導(dǎo)電類型半導(dǎo)體材料襯底2-第一導(dǎo)電類型半導(dǎo)體材料襯底漂移層3-第二導(dǎo)電類型柱狀半導(dǎo)體區(qū)4-第二導(dǎo)電類型半導(dǎo)體區(qū)I5-多晶硅柵6-絕緣介質(zhì)材料I7-第一導(dǎo)電類型重?fù)诫s半導(dǎo)體區(qū)I8-第二導(dǎo)電類型重?fù)诫s半導(dǎo)體區(qū)I9-第二導(dǎo)電類型半導(dǎo)體區(qū)II10-金屬層 I11-絕緣介質(zhì)材料區(qū)域12-第一導(dǎo)電類型重?fù)诫s半導(dǎo)體區(qū)II13-絕緣介質(zhì)材料II14-第二導(dǎo)電類型重?fù)诫s半導(dǎo)體區(qū)II15-金屬層 II
具體實施例方式如圖6所示，一種超結(jié)結(jié)構(gòu)的縱向雙擴(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體功率器件，包括元胞區(qū)I和包圍元胞區(qū)的過渡區(qū)II以及包圍過渡區(qū)的終端區(qū)III ；元胞區(qū)I和過渡區(qū)II及終端區(qū)III底部和頂部設(shè)有金屬層IlO和金屬層1115，底部金屬層IlO上設(shè)有Π型摻雜半導(dǎo)體材料襯底1，η型摻雜半導(dǎo)體材料襯底1上設(shè)有η型摻雜半導(dǎo)體材料漂移層2，η型摻雜半導(dǎo)體材料漂移層2中設(shè)有間斷不連續(xù)的ρ型摻雜柱狀半導(dǎo)體區(qū)3 ；在元胞區(qū)I中的ρ型摻雜柱狀半導(dǎo)體區(qū)3上設(shè)有ρ型摻雜半導(dǎo)體區(qū)14，且ρ型摻雜半導(dǎo)體區(qū)I 4位于η型摻雜半導(dǎo)體材料漂移層2內(nèi)，在ρ型摻雜半導(dǎo)體區(qū)14中設(shè)有ρ型重?fù)诫s半導(dǎo)體區(qū)18和η型重?fù)诫s半導(dǎo)體區(qū)17，在ρ型重?fù)诫s半導(dǎo)體區(qū)18及η型重?fù)诫s半導(dǎo)體區(qū)17以外區(qū)域上方設(shè)有絕緣介質(zhì)材料16，絕緣介質(zhì)材料16內(nèi)設(shè)有多晶硅柵5，在η型重?fù)诫s半導(dǎo)體區(qū)17和ρ型重?fù)诫s半導(dǎo)體區(qū)18上連接金屬層1115 ；在過渡區(qū)II中的η型摻雜半導(dǎo)體材料漂移層2中設(shè)有ρ型摻雜半導(dǎo)體區(qū)119，且 P型摻雜半導(dǎo)體區(qū)119覆蓋了過渡區(qū)II內(nèi)全部的P型摻雜柱狀半導(dǎo)體區(qū)3，在過渡區(qū)II內(nèi)的P型摻雜半導(dǎo)體區(qū)Π9中設(shè)有ρ型重?fù)诫s半導(dǎo)體區(qū)II14，ρ型重?fù)诫s半導(dǎo)體區(qū)II14位于過渡區(qū)II中的與元胞區(qū)I相鄰的P型摻雜柱狀半導(dǎo)體區(qū)3的上方，在過渡區(qū)II的表面設(shè)有絕緣介質(zhì)材料1113，在ρ型摻雜半導(dǎo)體區(qū)119內(nèi)的ρ型重?fù)诫s半導(dǎo)體區(qū)1114表面設(shè)有接觸孔與金屬層Π15相連；在終端區(qū)III中，在η型摻雜半導(dǎo)體材料襯底漂移層2的右上角設(shè)有η型重?fù)诫s半導(dǎo)體區(qū)1112，在終端區(qū)III表面設(shè)有絕緣介質(zhì)材料1113 ；所述的元胞區(qū)I內(nèi)的ρ型摻雜柱狀半導(dǎo)體區(qū)3底部設(shè)有絕緣介質(zhì)材料。
以上的所述乃 是本發(fā)明的具體實施例及所運(yùn)用的技術(shù)原理，若依本發(fā)明的構(gòu)想所作的改變，其所產(chǎn)生的功能作用仍未超出說明書及附圖所涵蓋的精神時，仍應(yīng)屬本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種超結(jié)結(jié)構(gòu)的縱向雙擴(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體功率器件，包括元胞區(qū)I和包圍元胞區(qū)的過渡區(qū)II以及包圍過渡區(qū)的終端區(qū)III ；元胞區(qū)I和過渡區(qū)II及終端區(qū)III底部和頂部設(shè)有金屬層I (10)和金屬層II (15)，底部金屬層1(10)上設(shè)有第一導(dǎo)電類型半導(dǎo)體材料襯底(1)，第一導(dǎo)電類型半導(dǎo)體材料襯底 (1)上設(shè)有第一導(dǎo)電類型半導(dǎo)體材料漂移層O)，第一導(dǎo)電類型半導(dǎo)體材料漂移層( 中設(shè)有間斷不連續(xù)的第二導(dǎo)電類型柱狀半導(dǎo)體區(qū)(3)；在元胞區(qū)I中的第二導(dǎo)電類型柱狀半導(dǎo)體區(qū)C3)上設(shè)有第二導(dǎo)電類型半導(dǎo)體區(qū)K4)， 且第二導(dǎo)電類型半導(dǎo)體區(qū)I (4)位于第一導(dǎo)電類型半導(dǎo)體材料漂移層O)內(nèi)，在第二導(dǎo)電類型半導(dǎo)體區(qū)I (4)中設(shè)有第二導(dǎo)電類型重?fù)诫s半導(dǎo)體區(qū)I (8)和第一導(dǎo)電類型重?fù)诫s半導(dǎo)體區(qū)I (7)，在第二導(dǎo)電類型重?fù)诫s半導(dǎo)體區(qū)1(8)及第一導(dǎo)電類型重?fù)诫s半導(dǎo)體區(qū)1(7)以外區(qū)域上方設(shè)有絕緣介質(zhì)材料I (6)，絕緣介質(zhì)材料I (6)內(nèi)設(shè)有多晶硅柵(5)，在第一導(dǎo)電類型重?fù)诫s半導(dǎo)體區(qū)1(7)和第二導(dǎo)電類型重?fù)诫s半導(dǎo)體區(qū)1(8)上連接金屬層11(15)；在過渡區(qū)II中的第一導(dǎo)電類型半導(dǎo)體材料漂移層O)中設(shè)有第二導(dǎo)電類型半導(dǎo)體區(qū) II (9)，且第二導(dǎo)電類型半導(dǎo)體區(qū)11(9)覆蓋了過渡區(qū)II內(nèi)全部的第二導(dǎo)電類型柱狀半導(dǎo)體區(qū)(3)，在過渡區(qū)II內(nèi)的第二導(dǎo)電類型半導(dǎo)體區(qū)11(9)中設(shè)有第二導(dǎo)電類型重?fù)诫s半導(dǎo)體區(qū)II (14)，第二導(dǎo)電類型重?fù)诫s半導(dǎo)體區(qū)11(14)位于過渡區(qū)II中的與元胞區(qū)I相鄰的第二導(dǎo)電類型柱狀半導(dǎo)體區(qū)(3)的上方，在過渡區(qū)II的表面設(shè)有絕緣介質(zhì)材料II (13)，在第二導(dǎo)電類型半導(dǎo)體區(qū)11(9)內(nèi)的第二導(dǎo)電類型重?fù)诫s半導(dǎo)體區(qū)11(14)表面設(shè)有接觸孔與金屬層II (15)相連；在終端區(qū)III中，在第一導(dǎo)電類型半導(dǎo)體材料襯底漂移層O)的右上角設(shè)有第一導(dǎo)電類型重?fù)诫s半導(dǎo)體區(qū)II (12)，在終端區(qū)III表面設(shè)有絕緣介質(zhì)材料II (13)；其特征在于，所述的元胞區(qū)I內(nèi)的第二導(dǎo)電類型柱狀半導(dǎo)體區(qū)( 底部設(shè)有絕緣介質(zhì)材料區(qū)域(11)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種超結(jié)結(jié)構(gòu)的縱向雙擴(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體功率器件，其特征在于所述的第一導(dǎo)電類型為η型摻雜。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種超結(jié)結(jié)構(gòu)的縱向雙擴(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體功率器件，其特征在于所述的第二導(dǎo)電類型為P型摻雜。
全文摘要
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體器件技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種超結(jié)結(jié)構(gòu)的縱向雙擴(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體功率器件，包括元胞區(qū)Ⅰ和包圍元胞區(qū)的過渡區(qū)Ⅱ以及包圍過渡區(qū)的終端區(qū)Ⅲ；其特點在于，所述的元胞區(qū)Ⅰ內(nèi)的第二導(dǎo)電類型柱狀半導(dǎo)體區(qū)底部設(shè)有絕緣介質(zhì)材料。本發(fā)明的有益效果本發(fā)明改進(jìn)超結(jié)結(jié)構(gòu)的縱向雙擴(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體功率器件結(jié)構(gòu)，使得電場分布接近理想情況的均勻分布，提高實際超結(jié)結(jié)構(gòu)器件的擊穿電壓，進(jìn)一步提高器件的性能。
文檔編號H01L29/78GK102231390SQ20111016399
公開日2011年11月2日 申請日期2011年6月17日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月17日
發(fā)明者張世峰, 張斌, 胡佳賢, 韓雁 申請人:浙江大學(xué)