用于納米管mosfet的端接設(shè)計(jì)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明主要關(guān)于半導(dǎo)體功率器件。更確切地說(shuō)是關(guān)于交替摻雜納米管的結(jié)構(gòu)和配置方法，以便利用簡(jiǎn)便的制備工藝，制備具有改良的擊穿電壓和顯著降低的電阻的可靈活擴(kuò)展的電荷平衡的半導(dǎo)體功率器件。
【背景技術(shù)】
[0002]半導(dǎo)體器件包括金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)器件，而帶有垂直超級(jí)結(jié)這一結(jié)構(gòu)的功率半導(dǎo)體器件，其電學(xué)性能已為人們所熟知，并且在多項(xiàng)專利文件或其他公開文獻(xiàn)中都有相關(guān)論述。這些公開的專利文件譬如包括:美國(guó)專利號(hào)US5438215、US5216275、US4754310、US6828631等等。此外撰稿人FUJIHIRA還在《半導(dǎo)體超級(jí)結(jié)器件理論》(載于《日本應(yīng)用物理快報(bào)》1979年10月第36卷23S-241頁(yè))一文中提出了垂直超級(jí)結(jié)器件的結(jié)構(gòu)。確切地說(shuō)，圖1C表示FUJIHIRA提出的垂直溝槽MOSFET超級(jí)結(jié)器件(FUJIHIRA文章中的圖2A)。FUJIHIRA還在美國(guó)專利號(hào)US6097063中提出了一種具有漂流區(qū)的垂直半導(dǎo)體器件，如果器件處于導(dǎo)通模式，則漂移電流流動(dòng)，如果器件處于斷開模式，則漂移電流耗盡。漂流區(qū)作為具有多個(gè)第一導(dǎo)電類型分立的漂流區(qū)以及多個(gè)第二導(dǎo)電類型的間隔區(qū)，其中每個(gè)間隔區(qū)都平行位于鄰近的漂流區(qū)之中，從而可以分別形成P-N結(jié)。在美國(guó)專利號(hào)US6608350中，提出了一種配有電介質(zhì)材料層填充溝槽的垂直超級(jí)結(jié)器件。然而，如下文所闡述的那樣，這些超級(jí)結(jié)器件的結(jié)構(gòu)和工作性能仍然遇到許多技術(shù)局限，從而限制了這些器件的廣泛實(shí)際應(yīng)用。
[0003]確切地說(shuō)，傳統(tǒng)的制備工藝和器件結(jié)構(gòu)用低串聯(lián)電阻進(jìn)一步降低擊穿電壓，包括配有超級(jí)結(jié)這一結(jié)構(gòu)的器件，仍然面臨制造困難。傳統(tǒng)的高功率器件通常需要多個(gè)耗時(shí)、復(fù)雜、昂貴的制備工藝才能制成結(jié)構(gòu)，限制了高壓半導(dǎo)體功率器件的實(shí)際應(yīng)用和用途。更確切地說(shuō)，制備高壓功率器件的某些工藝非常復(fù)雜，產(chǎn)量和產(chǎn)率都很低。
[0004]與傳統(tǒng)技術(shù)相比，超級(jí)結(jié)技術(shù)具有不需要過(guò)度增加漏極源極間的電阻RDS0N，就能獲得較高擊穿電壓(BV)的優(yōu)勢(shì)。對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)的功率晶體管晶胞來(lái)說(shuō)，擊穿電壓很大程度上取決于晶片的低摻雜的漂流層。因此，漂流層具有較大的厚度和相對(duì)較低的摻雜濃度，可以獲得較高的額定電壓。然而這也將大幅提高RDS0N電阻的效果。在傳統(tǒng)的功率器件中，電阻RDS0N具有以下函數(shù)關(guān)系:RDS0N ^ BV2.5。
[0005]與之相比，具有超級(jí)結(jié)這一結(jié)構(gòu)的器件配置電荷平衡漂流區(qū)。則電阻RDS0N與擊穿電壓具有理想的函數(shù)關(guān)系，表示為:RDS0N BV。
[0006]對(duì)于高壓應(yīng)用來(lái)說(shuō)，必須通過(guò)設(shè)計(jì)和制備具有超級(jí)結(jié)結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體功率器件，改善器件性能，以降低電阻RDS0N，獲得高擊穿電壓。靠近漂流區(qū)中通道的區(qū)域具有相反的導(dǎo)電類型。漂流區(qū)可以相對(duì)重?fù)诫s，只要用類似相反導(dǎo)電類型的摻雜物摻雜靠近通道的區(qū)域即可。在斷開狀態(tài)時(shí)，兩個(gè)區(qū)域的電荷平衡，使漂流區(qū)耗盡，可以承受高電壓。這稱為超級(jí)結(jié)效應(yīng)。在接通狀態(tài)時(shí)，由于摻雜濃度較高，因此漂流區(qū)具有較低的電阻RDS0N。研究表明lE12/cm2的區(qū)域摻雜濃度對(duì)于超級(jí)結(jié)器件的漂流區(qū)來(lái)說(shuō)最佳。
[0007]然而，傳統(tǒng)的超級(jí)結(jié)技術(shù)用于制備功率器件時(shí)，仍然具有技術(shù)局限和困難。另外這些器件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和制備工藝不利于低壓至高壓應(yīng)用的擴(kuò)展性。換言之，一些方法用于較高額定電壓的話，成本過(guò)高而且/或者過(guò)于冗長(zhǎng)。而且，在原有技術(shù)的器件中，難以制備超級(jí)結(jié)區(qū)域的薄垂直通道。下文將進(jìn)一步討論，這些通過(guò)各種制備方法制成的具有不同結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的傳統(tǒng)器件，每種都有局限和困難，阻礙這些器件在市場(chǎng)上的實(shí)際應(yīng)用。
[0008]高壓應(yīng)用的半導(dǎo)體功率器件結(jié)構(gòu)有三種基本類型。對(duì)于未引入電荷平衡功能特點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)的VDM0S，第一種類型包括利用如圖1A所示的標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)制成的器件?；谏鲜鲈?，根據(jù)這種類型器件的ι-ν性能測(cè)量和模擬分析的進(jìn)一步確認(rèn)，它沒有增大到超過(guò)性能一維理論圖(即Johnson極限)的擊穿電壓。帶有該結(jié)構(gòu)的器件由于具有很低的漏極漂流區(qū)摻雜濃度，通常具有比較高的導(dǎo)通電阻，以滿足高擊穿電壓的要求。如果為了降低器件的導(dǎo)通電阻RDS0N，這種類型的器件通常需要具備很大的晶片尺寸。盡管該器件擁有簡(jiǎn)便的制備工藝和很低的制造成本等優(yōu)勢(shì)，但是在標(biāo)準(zhǔn)封裝中并不適用于高電流低電阻應(yīng)用，其主要不足在于:晶片成本價(jià)格昂貴(因?yàn)槊科A上的晶片或芯片過(guò)少)，不太可能在標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)可的封裝中容納較大的晶片。
[0009]第二種類型的器件包括具有二維電荷平衡的結(jié)構(gòu)，為指定電阻獲得高于Johnson極限的擊穿電壓，或者為指定擊穿電壓獲得低于Johnson極限的比電阻(RDS0N *面積產(chǎn)品)。該類型的器件結(jié)構(gòu)通常稱為具有超級(jí)結(jié)技術(shù)的器件。在超級(jí)結(jié)結(jié)構(gòu)中，電荷平衡沿著與垂直器件的漂流漏極區(qū)中電流流動(dòng)相平行的方向，根據(jù)氧化物旁路器件中配置的PN結(jié)或用場(chǎng)板技術(shù)，使器件獲得較高的擊穿電壓。第三種類型的器件包括三維電荷平衡，水平和垂直方向上都發(fā)生耦合。由于本發(fā)明的目的在于改善用超級(jí)結(jié)技術(shù)配置的器件結(jié)構(gòu)和制備工藝，以獲得二維電荷平衡，因此下文將討論帶有超級(jí)結(jié)器件的局限和困難。
[0010]圖1B表示超級(jí)結(jié)器件的剖面圖，通過(guò)增大漂流區(qū)中的漏極摻雜濃度，同時(shí)保持特定的擊穿電壓，降低器件的比電阻(Rsp，電阻乘以有源區(qū)面積)。通過(guò)形成在漏極中的P-型垂直立柱獲得電荷平衡，導(dǎo)致高壓下漏極的橫向完全耗盡，從而在N+襯底處夾斷并保護(hù)通道不受高壓漏極影響。譬如歐洲專利0053854(1982)、美國(guó)專利號(hào)US4754310中的圖13以及美國(guó)專利號(hào)US5216275提出了這種技術(shù)。在上述文件中，垂直超級(jí)結(jié)是作為N和P型摻雜物的垂直立柱。在垂直DM0S器件中，通過(guò)側(cè)壁垂直結(jié)構(gòu)，獲得垂直電荷平衡，構(gòu)成摻雜立柱中的一個(gè)，如圖所示。除摻雜立柱之外，可配置了摻雜浮動(dòng)島，以增大擊穿電壓或降低電阻，如同美國(guó)專利號(hào)US4134123和美國(guó)專利號(hào)US6037632所述的那樣。這種超級(jí)結(jié)器件結(jié)構(gòu)仍然依靠P-區(qū)的耗盡保護(hù)柵極/通道不受漏極的影響。浮動(dòng)島的結(jié)構(gòu)受到電荷儲(chǔ)存和開關(guān)問題的技術(shù)困難等局限。要制備交替導(dǎo)電類型的垂直立柱非常困難，尤其是當(dāng)立柱很深并且/或者立柱寬度比較小時(shí)。對(duì)于超級(jí)結(jié)的這種類型的器件來(lái)說(shuō)，由于方法需要多個(gè)步驟，而且部分步驟非常緩慢、產(chǎn)量很低，因此制備方法通常很復(fù)雜、昂貴，需要很長(zhǎng)的處理時(shí)間。
[0011]另外，對(duì)于垂直超級(jí)結(jié)器件(VSJD)來(lái)說(shuō)，制備工藝在刻蝕或填充溝槽方面很困難。主要問題包括需要用外延層填充溝槽，在利用外延層填充溝槽時(shí)需要避免覆蓋著溝槽側(cè)壁的外延層在于溝槽的中心位置進(jìn)行合并的交界面處產(chǎn)生空洞。在附圖1D(美國(guó)專利號(hào)US6608350)中表示材料填滿縫隙時(shí)(圖1D)，當(dāng)側(cè)壁大約呈90°時(shí)會(huì)產(chǎn)生空洞而導(dǎo)致的縫隙填充困難。另外，電荷平衡和擊穿電壓對(duì)于溝槽的側(cè)壁角度非常敏感。根據(jù)傳統(tǒng)方法的工藝，多個(gè)外延及硼元素注入物，造成較寬的P立柱和N立柱，降低器件性能。這些制造工藝也提高了制造成本?；谏鲜鲈?，傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和制備方法受到緩慢、昂貴的制造工藝限制，對(duì)于廣泛應(yīng)用來(lái)說(shuō)并不經(jīng)濟(jì)。
[0012]因此，必須在功率半導(dǎo)體設(shè)計(jì)和制造領(lǐng)域中提出制造功率器件的新型器件結(jié)構(gòu)和制造方法，以解決上述困難和局限。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0013]先行聲明，本申請(qǐng)是于2012年8月26日遞交的美國(guó)專利申請(qǐng)?zhí)枮閁S13/594，837的待決美國(guó)申請(qǐng)案的部分連續(xù)申請(qǐng)(CIP)，上述申請(qǐng)案為2011年3月31日遞交的美國(guó)專利號(hào)US13/065，880的連續(xù)申請(qǐng)，現(xiàn)美國(guó)專利號(hào)為US8263482，是于2008年12月31日遞交的美國(guó)專利申請(qǐng)?zhí)朥S12/319，164的分案申請(qǐng)。特此引用其全文以作參考。
[0014]因此，本發(fā)明的一個(gè)方面在于提出一種新型改良的器件結(jié)構(gòu)和制造方法，在漂流區(qū)中制備摻雜立柱，用簡(jiǎn)單、方便的處理工藝實(shí)現(xiàn)電荷平衡。通過(guò)堆棧多個(gè)在刻蝕溝槽中作為納米管的外延層，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)化工藝，刻蝕溝槽具有較大的開口，約為5至10微米，被3至5微米的立柱包圍。生長(zhǎng)不同厚度的外延層，從1微米以下至幾微米，帶有交替的N和P型摻雜物構(gòu)成納米管，用小于特定填充工藝設(shè)置的寬度(多數(shù)情況下為1微米或1微米以下)的中心縫隙，填充溝槽。然后，用縫隙填充層填充中心縫隙，縫隙填充層可以是絕緣的，例如熱生長(zhǎng)氧化物、沉積氧化物、沉積電介質(zhì)材料或本征生長(zhǎng)或沉積硅(最好在沉積的硅之上再生長(zhǎng)硅)?？p隙填充電介質(zhì)層可以具有極其輕摻雜或未摻雜的電介質(zhì)層。作為示例，縫隙填充的摻雜濃度等于或小于鄰近納米管摻雜濃度的10%。剩余縫隙作為納米管填充，但是很難準(zhǔn)確地制備，并且可能無(wú)法實(shí)現(xiàn)電荷平衡。因此，必須配置一種更加靈活的縫隙填充。簡(jiǎn)化制備工藝，利用標(biāo)準(zhǔn)的工藝模塊和設(shè)備，即可方便地進(jìn)行大多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)制備工藝。從而解決上述技術(shù)困難與局限。
[0015]確切地說(shuō)，本發(fā)明的一個(gè)方面在于提出了一種新型的改良的器件結(jié)構(gòu)和制造方法，在幾乎垂直的溝槽中制備多個(gè)交替導(dǎo)電類型的納米管，在溝槽刻蝕和外延填充之前先用原始的外延層摻雜。并調(diào)節(jié)納米管和立柱的摻雜濃度，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)電荷平衡。而多個(gè)納米管具有2E12/cm2 (可以看作兩半，每半為lE12/cm2) /納米管的區(qū)域摻雜濃度，以優(yōu)化電荷平衡。多個(gè)納米管作為小區(qū)域中的通道(N-型摻雜納米管作為N-型器件的導(dǎo)電通道)，以形成低Rdson的半導(dǎo)體功率器件。
[0016]本發(fā)明的另一方面在于提出了一種新型改良的器件結(jié)構(gòu)和制造方法，在垂直的溝槽中制備多個(gè)交替導(dǎo)電類型的納米管，納米管厚度約為1微米以下至幾微米。作為示例，每個(gè)溝槽都可以容納5至20個(gè)導(dǎo)電通道(納米管)。與一個(gè)導(dǎo)電通道超級(jí)結(jié)功率器件的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)相比，本發(fā)明的納米管結(jié)構(gòu)的電阻可以比傳統(tǒng)的超級(jí)結(jié)器件的電阻降低5至10倍。
[0017]本發(fā)明的另一方面在于提出了一種新型改良的器件結(jié)構(gòu)和制造方法，通過(guò)刻蝕帶有相當(dāng)大的傾斜角(傾斜角根據(jù)垂直線確定)側(cè)壁的溝槽，在垂直的溝槽中制備多個(gè)交替導(dǎo)電類型的納米管。硅溝槽常用的傾斜角約為1° (如果相對(duì)于溝槽底部平面測(cè)量，角度則應(yīng)當(dāng)為89° )。作為示例，傾斜角可以為5°至1°，不會(huì)明顯降低功率半導(dǎo)體器件的性能。
[0018]可以從溝槽底部開始向表面增大溝槽的寬度；可以有多個(gè)溝槽寬度(溝槽階梯寬度變化約為0.5至2微米)，因此可以配置不同寬度的立柱，使填充更加簡(jiǎn)便。
[0019]由于利用極其輕摻雜的起始材料可以靈活調(diào)節(jié)電荷平衡，因此可以使用很大的傾斜角，刻蝕大溝槽，形成立柱，并且調(diào)節(jié)納米管的摻雜濃度，無(wú)需嚴(yán)格要求溝槽側(cè)壁的角度。由于立柱為輕摻雜，只對(duì)電荷平衡產(chǎn)生很小的影響，因此立柱的不同寬度將不會(huì)顯著影響電荷平衡。而且由于管在生長(zhǎng)，無(wú)論傾斜角如何變化，每個(gè)納米管的厚度都保持一致。因此，可以實(shí)現(xiàn)一種更加方便、經(jīng)濟(jì)的制備工藝。
[0020]本發(fā)明的另一方面在于提出了一種新型改良的器件結(jié)構(gòu)和制造方法，在垂直的溝槽中制備多個(gè)交替導(dǎo)電類型的納米管，作為導(dǎo)電通道獲得電荷平衡?？梢耘渲蒙鲜龌境?jí)結(jié)結(jié)構(gòu)，以制備多種不同類型的垂直器件，包括但不限于M0SFET、雙極結(jié)型晶體管(BJT)、二極管、結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管(JFET)、絕緣柵雙極晶體管(IGBT)等器件。
[0021]本發(fā)明的較佳實(shí)施例中主要提出了一種半導(dǎo)體功率器件，沉積在含有多個(gè)溝槽的半導(dǎo)體襯底中。每個(gè)溝槽都用多個(gè)交替導(dǎo)電類型的外延層填充，構(gòu)成用作導(dǎo)電通道的納米管，從而堆棧成是沿側(cè)壁方向延伸的層，絕緣層填充每個(gè)溝槽中的合并縫隙。在一個(gè)典型實(shí)施例中，納米管之間的多個(gè)溝槽合并縫隙基本沉積在溝槽中心處，溝槽中心被立柱隔開，每個(gè)立柱的寬度約為溝槽寬度的一半至1/3。
[0022]在另一個(gè)典型實(shí)施例中，多個(gè)溝槽中的每個(gè)溝槽都具有10微米左右的寬度，通過(guò)立柱與周圍的溝槽隔開，周圍溝槽的寬度約為3至5微米。在另一個(gè)典型實(shí)施例中，多個(gè)溝槽中的每個(gè)溝槽都具有10微米左右的寬度，并用交替導(dǎo)電類型的外延層填充，構(gòu)成納米管，納米管的層厚約為0.2至2微米。在一個(gè)典型