充層的N-立柱包圍，位于N++襯底上。
[0072]圖4A是利用圖4所示納米管單位晶胞301結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體功率器件300的一部分有源區(qū)390的透視圖。
[0073]圖4A-1是本發(fā)明所述的半導(dǎo)體器件300布局的俯視圖。
[0074]圖4B是如圖4所示，帶有垂直納米管的半導(dǎo)體功率器件300的端接區(qū)閉合剖面圖。
[0075]圖5是配有圖4-4B所示的納米管結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體功率器件整個(gè)端接區(qū)399的剖面圖。
[0076]圖6是在最終的端接結(jié)構(gòu)中帶有可選場(chǎng)板設(shè)計(jì)，類(lèi)似于圖5所示端接區(qū)的剖面圖。
[0077]圖6A是一種可選端接區(qū)399”結(jié)構(gòu)的剖面圖。
[0078]圖6B是一種可選端接區(qū)399”’結(jié)構(gòu)的剖面圖。
[0079]圖6C是一種可選端接區(qū)399””結(jié)構(gòu)的剖面圖。
[0080]圖7A-7E是用于制備本發(fā)明所述的半導(dǎo)體功率器件的可選制備工藝的剖面圖。
[0081]圖8A-8G是在分析填充工藝中，用于解決形成空洞這一難題的處理工藝的剖面圖。
[0082]圖9A是封閉式晶胞結(jié)構(gòu)的俯視圖，包括有源區(qū)中的多個(gè)納米管單位晶胞，設(shè)置在半導(dǎo)體襯底中間部分。
[0083]圖9B-1是半導(dǎo)體器件的端接區(qū)的第一端接環(huán)的俯視圖。
[0084]圖9B是單位晶胞的可選、交錯(cuò)的矩形俯視圖。
[0085]圖9C是單位晶胞的可選、六角形俯視圖。
【具體實(shí)施方式】
[0086]參見(jiàn)圖2，展示了垂直納米管高壓(Vertical nano-tube High voltage，簡(jiǎn)稱(chēng)HV)二極管器件100的單位晶胞(Unit Cell) 101的剖面圖，用于闡釋包括本發(fā)明所述的新型結(jié)構(gòu)和制備特點(diǎn)的新概念。HV 二極管器件100位于重?fù)诫sN型底部襯底105 (例如N+紅磷襯底)上，底部襯底105位于N+納米管合并區(qū)105-B下方，該合并區(qū)105-B可以是擴(kuò)散底區(qū)105-B，及N+圓柱擴(kuò)散區(qū)105-C也可以通過(guò)擴(kuò)散工藝形成，下文將詳細(xì)介紹。HV器件還包括多個(gè)N-型納米管和P-型納米管，作為N-型薄外延層115-N和P-型薄外延層115-P。這些納米管作為交替的N-外延層115-N和P-外延層115-P，位于兩個(gè)P-型立柱110之間，作為垂直納米管，從P-注入頂層130延伸到底部N+區(qū)105-B。HV納米管二極管器件100還包括一個(gè)縫隙填充物120—一一個(gè)極其輕摻雜濃度的硅或氧化物(或其他電介質(zhì))區(qū)一一它大體位于每個(gè)單位晶胞101的中心，即納米管中心。納米管形成在半導(dǎo)體襯底頂部。半導(dǎo)體襯底還包括一個(gè)輕摻雜外延層，由立柱110構(gòu)成。還可選擇，立柱110由輕摻雜的單晶襯底構(gòu)成，不帶初始外延層，下文將詳細(xì)介紹。
[0087]在一個(gè)典型的作為示范性但不構(gòu)成任何特定限制的實(shí)施例中，每個(gè)N-型納米管都可以具有0.25微米的寬度，其區(qū)域摻雜濃度約為2E12/cm2 (對(duì)于8E16/cm3的每體積濃度來(lái)說(shuō))，大多數(shù)的P-型納米管寬度約為0.5微米，其區(qū)域摻雜濃度約為2E12/cm2。然而，最靠近縫隙填充物120的P-型納米管的區(qū)域摻雜濃度約為lE12/cm2。最靠近P-型立柱110的P-型納米管的寬度約為0.5微米，區(qū)域摻雜濃度約為8.5Ell/cm2。周?chē)腜_型立柱110的寬度大約為1.5微米，其區(qū)域摻雜濃度約為1.5E1 Ι/cm2 (每體積濃度在2E14/cm3至1E15/cm3之間)。在這種情況下，P-型立柱110和最靠近P-型立柱110的P-型納米管的總的區(qū)域濃度約為lE12/cm2。每個(gè)P-型納米管和N-型納米管的區(qū)域摻雜濃度可以是2E12/cm2，可以看作兩個(gè)相鄰的部分構(gòu)成，每一半的區(qū)域摻雜濃度為lE12/cm2，將帶有互補(bǔ)相反電荷和相同電荷的兩個(gè)相鄰的納米管組合成電荷平衡的納米管。利用上述典型的摻雜濃度，相反導(dǎo)電類(lèi)型的納米管為相互電荷平衡的，并且與P-型立柱110電荷平衡，實(shí)現(xiàn)超級(jí)結(jié)效應(yīng)。圖2中只表示一個(gè)單獨(dú)的單位晶胞101。圖2-1表示多個(gè)單位晶胞101在整個(gè)半導(dǎo)體晶片上重復(fù)出現(xiàn)的HV 二極管器件100的剖面圖。因此，利用這兩個(gè)相互靠近的單位晶胞101，相鄰的P-型立柱110結(jié)合起來(lái)，總寬度約為3微米，結(jié)合后的每一半立柱結(jié)構(gòu)在1.5微米上的區(qū)域摻雜濃度仍然是1.5Ell/cm2，因此P-型立柱的每體積摻雜濃度約為lE15/cm3。作為示例，立柱的寬度約為1/4溝槽寬度的一半。圖2-2表示單位晶胞101的透視圖，不帶P-注入頂層130。圖2A表示單位晶胞101的透視圖，不帶P-注入頂層130，帶有N-型立柱110’。
[0088]如圖2所示的高壓(HV)納米管二極管器件100可以通過(guò)多個(gè)納米管N-通道和P-通道制成，以降低電阻，獲得很低的漏源電阻(Rds)。例如，帶有N-型納米管的器件寬度為0.25微米，總區(qū)域摻雜濃度為lE12/cm2，它的電阻與通道寬度為5微米、區(qū)域摻雜濃度為lE12/cm2的器件的Rds —樣。傳統(tǒng)的超級(jí)結(jié)器件的漏源電阻約為25-30毫歐-cm2，上述配有10個(gè)納米管的器件對(duì)于600V BV來(lái)說(shuō)，預(yù)計(jì)Rds為2-4毫歐-cm2。
[0089]如圖2所示的垂直結(jié)這一結(jié)構(gòu)可以用于制備諸多不同類(lèi)型的器件，例如MOSFET晶體管、雙極結(jié)型晶體管(BJT)、二極管、結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管(JFET)以及絕緣柵雙極晶體管(IGBT)等。納米管可以由薄外延層構(gòu)成，作為示范但不限制于如包括厚度約為0.5微米的P-層，用0.6-0.8E12cm-2摻雜，形成在厚度為0.25至0.5微米的N-層附近，N-層則最好用1.6-2E12cm-2范圍內(nèi)的砷或銻摻雜。然后形成0.5至1微米寬度范圍內(nèi)的P-型立柱，用1.6E12至2E12/cm2的范圍摻雜。這些薄N-型和P-型立柱分別形成在溝槽中，直到這些層與溝槽的中心部分合并為止。然后，形成電介質(zhì)或極其輕摻雜濃度的硅的縫隙填充層120，來(lái)填充合并該納米管立柱之間的縫隙。如上所述，縫隙填充層可以生長(zhǎng)氧化物、沉積的電介質(zhì)材料或本征硅。
[0090]如圖2-1所述的垂直超級(jí)結(jié)結(jié)構(gòu)，利用以下工藝制成，通過(guò)2至5微米寬的P-型立柱/立柱結(jié)構(gòu)制成，并且在N++襯底上進(jìn)行0.1-0.2E12cm-2范圍內(nèi)的輕摻雜。代替使用P-型立柱/立柱，這些立柱可以為N-型，在N++襯底上使用輕摻雜(2E14-lE15cm-3)的N-外延作為初始材料。圖2A表示納米管的一種可選結(jié)構(gòu)，N-型立柱110’形成在溝槽之間。與圖2相比，立柱和納米管的導(dǎo)電類(lèi)型可以互換，但是襯底105仍然為N-型，就像N-型擴(kuò)散底部和立柱區(qū)105-B和105-C—樣。摻雜濃度表示在圖2A-1中，仍然處于電荷平衡。立柱和N-型、P-型納米管的導(dǎo)電類(lèi)型、厚度、數(shù)量和排布都可以重新配置，只要仍然處于電荷平衡。
[0091]圖2A-2表示本發(fā)明的一個(gè)可選實(shí)施例的高壓(HV)納米管二極管器件100’，類(lèi)似于圖2A-1所示，但是溝槽的中心用中心納米管115’摻雜填充，而不是絕緣縫隙填充物。例如一個(gè)溝槽的一對(duì)側(cè)壁中的一個(gè)側(cè)壁上附著第一組P和N型交替設(shè)置的外延層，該一對(duì)側(cè)壁中相對(duì)的另一個(gè)側(cè)壁上附著另一個(gè)第二組P和N型交替設(shè)置的外延層，那么分別附著于兩個(gè)側(cè)壁上的第一、第二組P和N型交替設(shè)置的外延層之間可以預(yù)留一個(gè)大體位于溝槽中心位置處的縫隙，中心納米管115’填充于該縫隙之中?？梢酝庋由L(zhǎng)N型外延材料的該中心納米管115，以完全填充周?chē){米管之間的剩余縫隙。在本例中，中心納米管115’的厚度約為1微米，區(qū)域摻雜濃度約為2E12/cm2，獲得與周?chē){米管的電荷平衡。由于公差、電荷平衡和縫隙填充等問(wèn)題，本實(shí)施例可能實(shí)現(xiàn)起來(lái)略微困難。
[0092]在整個(gè)器件的頂面或表面上可以形成各種不同結(jié)構(gòu)，與P和N型立柱呈90°，下文將詳細(xì)介紹；這些結(jié)果的橫截面如圖2A中的平面111所示，這將在以下實(shí)施例中說(shuō)明。在圖2B所示的一個(gè)典型實(shí)施例中，N+型表面層130’電連接到所有的N-型立柱。頂部表面層130’可以通過(guò)摻雜物注入或生長(zhǎng)形成。在另一個(gè)典型實(shí)施例中，器件還包括一個(gè)由平面多晶硅柵極150構(gòu)成的垂直平面M0SFET，柵極墊有柵極氧化層155，沿著與P和N型立柱呈90°的方向延伸，其意思可理解為沿著與立柱所在平面相垂直的方向延伸。P-本體區(qū)160包圍N+源極區(qū)170，P-本體區(qū)160中的P+本體接觸區(qū)180形成在源極區(qū)170之間的頂面附近，如圖2C所示。N+襯底105用作MOSFET的漏極。圖2C所示的MOSFET結(jié)構(gòu)疊加在圖2A所示的平面111上。圖2D表示除了 N-型表面層130’電連接到所有的N-型立柱115-N之外，其他都與圖2C類(lèi)似的另一個(gè)典型實(shí)施例。將η-型立柱115-Ν與Ν-型表面層130’短接，有助于降低Rds和擴(kuò)散電阻。與圖2C類(lèi)似，圖2D所示器件也包括一個(gè)垂直平面MOSFET，沿著與P和N型立柱呈90°的方向形成，所有的P立柱115-P都電連接到P-本體區(qū)160。N-型納米管115-N和N-型立柱110’連接到N-型表面層130’，并且作為超級(jí)結(jié)漂流區(qū)。圖2E表示另一個(gè)典型實(shí)施例，還包括一個(gè)肖特基金屬131沉積在納米管和立柱的頂面上，用于連接所有的N-立柱115-N?？梢赃x擇包含P+摻雜的歐姆接觸區(qū)181，以便在P立柱115-P和肖特基金屬131之間提供歐姆接觸，例如形成在納米管和立柱頂部的歐姆接觸區(qū)181可沿著與外延層115-P或115-N所在平面相垂直的方向延伸。圖2E-1表示除了除去肖特基金屬131以顯示下方結(jié)構(gòu)之外，其他都與圖2E所示相同的實(shí)施例。除了圖2E-2中的縫隙填充物120由錫氧化物構(gòu)成，而不是輕摻雜(或本征)硅材質(zhì)構(gòu)成之外，圖2E-2其他地方都與圖2E-1相同。圖2F表示本發(fā)明所述的另一個(gè)實(shí)施例，其中器件還具有P+型襯底105’，在P立柱115-P和N立柱115-N以及N-型立柱110’下方帶有N-型緩沖層105-B’和105-C’，以構(gòu)成IGBT器件。IGBT器件還包括平面柵極191、N+發(fā)射極/源極區(qū)192、P-本體區(qū)193、P+本體接頭194以及柵極下方的柵極氧化物195。P+襯底105’作為集電極。圖2F-1表示另一種類(lèi)似的IGBT器件，但是歸為溝槽型的器件，是帶有柵極溝槽191’，而不是平面柵極。圖2G-2H表示其他的附加實(shí)施例，其中各種器件結(jié)構(gòu)沿著與P和N型立柱115-P和115-N呈90°的方向形成在圖2A所示平面111上。圖2G表示一個(gè)就像圖2A所示平面111上將出現(xiàn)的結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管(JFET)，其中器件還包括P型柵極區(qū)151、N+源極接觸區(qū)152、N-區(qū)153，形成JFET器件。N+襯底105作為漏極。圖2H表示雙極結(jié)型晶體管(BJT)，其中器件還包括一個(gè)N+發(fā)射極區(qū)161和P-型基極區(qū)162，構(gòu)成BJT器件。N+襯底105作為集電極。
[0093]圖21表示另一個(gè)典型實(shí)施例，其中器件還包括一個(gè)由溝槽多晶硅柵極150’構(gòu)成的溝槽MOSFET，柵極墊有柵極氧化層155，沿著與P和N型立柱呈90°的方向延伸，即多晶硅柵極150’沿著與納米管的P和N立柱所在平面相垂直的方向延伸。P-本體區(qū)160包圍N+源極區(qū)170，P-本體區(qū)160內(nèi)的P+本體接觸區(qū)180形成在源極區(qū)170之間的頂面附近。N+襯底105作為漏極。圖2J表示類(lèi)似于圖21的另一個(gè)典型實(shí)施例，其中柵極墊150”的起始形成在場(chǎng)氧化層165上方。與圖21類(lèi)似，器件還包括一個(gè)溝槽M0SFET，沿著與P和N型立柱呈90°的方向形成，所有的P立柱都電連接到P-本體區(qū)160。
[0094]參見(jiàn)圖3A至3E的一系列側(cè)剖面圖，表示如圖2所示配有納米管的半導(dǎo)體功率器件的制備工藝。圖3A表示初始的N+紅磷硅襯底205，即重N+摻雜的硅襯底，承載P-型外延層210，P-型外延層210和襯底205可以統(tǒng)稱(chēng)為一個(gè)襯底或晶圓。P_型外延層210的厚度例如約為40微米，P-摻雜濃度約為lel5/cm3。在圖3B-1和3B-2中，進(jìn)行刻蝕工藝，在外延層210和底部襯底205中打開(kāi)溝槽212-1和212-2，它們可以向下延伸至貫穿外延層到達(dá)底部襯底205內(nèi)。溝槽寬度約為