超結(jié)半導(dǎo)體器件的終端結(jié)構(gòu)及其制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種超結(jié)半導(dǎo)體器件，特別是涉及一種超結(jié)半導(dǎo)體器件的終端結(jié)構(gòu)及其制造方法。
【背景技術(shù)】
[0002]自1991年發(fā)明超結(jié)半導(dǎo)體器件以來(lái)(參見美國(guó)專利US5216275)，經(jīng)過(guò)20多年的技術(shù)改進(jìn)，已成功開發(fā)出600V-900V的超結(jié)金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(SuperJunct1n M0SFET)，廣泛用于電力電子設(shè)備，例如電源開關(guān)、馬達(dá)驅(qū)動(dòng)、DC-DC變換器等領(lǐng)域。
[0003]超結(jié)器件的核心結(jié)構(gòu)是垂直于器件表面下方(以下稱縱向)相互交替排列的P型摻雜半導(dǎo)體柱(簡(jiǎn)稱P柱)和N型摻雜半導(dǎo)體柱(簡(jiǎn)稱N柱)，這2種柱滿足電荷平衡條件。其原理是當(dāng)縱向加電壓時(shí)，P柱區(qū)和N柱區(qū)完全耗盡，該結(jié)構(gòu)的擊穿電壓僅與耗盡層高度(近視P柱或N柱高度)成正比，與P柱和N柱摻雜濃度無(wú)關(guān)。這樣在不改變器件擊穿電壓條件下，通過(guò)提高P柱或N柱的摻雜濃度降低器件的導(dǎo)通電阻。
[0004]超結(jié)MOSFET—般劃分為四個(gè)區(qū)域，元胞區(qū)、柵壓焊區(qū)、過(guò)渡區(qū)和終端區(qū)(國(guó)外許多文獻(xiàn)將過(guò)渡區(qū)和終端區(qū)統(tǒng)稱終端區(qū)或peripheral區(qū))。元胞區(qū)和柵壓焊區(qū)位于芯片中央，并由過(guò)渡區(qū)和終端區(qū)環(huán)繞著。元胞區(qū)是器件核心工作區(qū)域，開通后電阻低，大電流通過(guò)，關(guān)斷后承受較高的縱向阻斷電壓。柵壓焊區(qū)用作柵電極壓焊線引出，器件開通時(shí)沒(méi)大電流通過(guò)，但關(guān)斷后需要承受和元胞區(qū)同樣的縱向電壓。元胞區(qū)和柵壓焊區(qū)下方排列相互交替的P柱和N柱，滿足電荷平衡時(shí)，縱向阻斷電壓與P柱(或N柱)高度近似成正比。過(guò)渡區(qū)連接元胞區(qū)和終端區(qū)，在元胞區(qū)開通時(shí)也無(wú)大電流通過(guò)，在其上方通常有g(shù)ate bus(柵極)，有場(chǎng)氧化層以及多晶硅和金屬布線，過(guò)渡區(qū)一般不承受橫向電壓。終端區(qū)則不同，不僅承受縱向電壓，還需要承受橫向電壓，數(shù)值和縱向電壓相同。
[0005]終端的設(shè)計(jì)原則一般要求其阻斷電壓大于其它區(qū)域，在接近發(fā)生雪崩倍增的大電壓下，雪崩電流發(fā)生在占芯片面積比例較大的元胞區(qū)域或過(guò)渡區(qū)，以便非箝位感性負(fù)載下的開關(guān)過(guò)程(Unclamped Inductive Switching，UIS)能釋放較大的瞬態(tài)能量(稱為雪崩耐量)。另一個(gè)原則是額定阻斷電壓下終端區(qū)域硅表面電場(chǎng)強(qiáng)度盡量小，一般小于2.5X 15V/cm，以便獲得良好的高溫反偏(High Temperature Reverse Bias, HTRB)性能。
[0006]人們提出了許多種終端結(jié)構(gòu)和制造方法。美國(guó)專利US6844592提出在終端區(qū)增加一個(gè)三臺(tái)階場(chǎng)板的方法，但該方法需要多層介質(zhì)淀積和蝕刻，工藝成本高。美國(guó)專利US6512268提出每個(gè)終端區(qū)P柱連接一個(gè)金屬場(chǎng)板(稱為接觸式金屬場(chǎng)板)或P柱上設(shè)置浮空金屬場(chǎng)板。中國(guó)專利CN201210443873提出降低過(guò)渡終端區(qū)內(nèi)N柱摻雜濃度。中國(guó)專利CN201210371525提出一種降低P柱摻雜濃度的方法。
[0007]上述現(xiàn)有技術(shù)可歸納為如圖1所示的終端結(jié)構(gòu)。如圖1所示，區(qū)域I代表元胞區(qū)，區(qū)域II代表過(guò)渡區(qū)，區(qū)域III代表終端區(qū)。結(jié)構(gòu)包括底部漏電極金屬1，硅襯底N型重?fù)诫s半導(dǎo)體層2，N型輕摻雜半導(dǎo)體外延層3，超結(jié)P柱4和終端區(qū)P柱4a，超結(jié)N柱5和終端區(qū)N柱5a，硅片正面元胞的MOS結(jié)構(gòu)區(qū)域6，終端區(qū)半導(dǎo)體表面上方的場(chǎng)氧化層7，跨越P柱4和N柱5a的浮空金屬場(chǎng)板8，連接P柱4a和設(shè)置在N柱5a上方的接觸式金屬場(chǎng)板9。區(qū)域I和區(qū)域II的超結(jié)P柱4和N柱5交替等步長(zhǎng)重復(fù)排列，摻雜濃度達(dá)到電荷平衡。其中，中國(guó)專利CN201210443873的發(fā)明核心是降低終端區(qū)III內(nèi)N柱5a的摻雜濃度，中國(guó)專利CN201210371525的發(fā)明核心是降低P柱4a掩膜板有效注入面積，形成離遠(yuǎn)元胞方向P柱橫向摻雜逐漸降低的終端結(jié)構(gòu)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是為了克服現(xiàn)有技術(shù)中的超結(jié)半導(dǎo)體器件的終端結(jié)構(gòu)復(fù)雜度高因而制造工藝實(shí)現(xiàn)難度大、工藝標(biāo)準(zhǔn)高的缺點(diǎn)，提供一種超結(jié)半導(dǎo)體器件的終端結(jié)構(gòu)及其制造方法。
[0009]本發(fā)明是通過(guò)下述技術(shù)方案來(lái)解決上述技術(shù)問(wèn)題的:
[0010]一種超結(jié)半導(dǎo)體器件的終端結(jié)構(gòu)，具有若干超結(jié)P柱(P型摻雜半導(dǎo)體柱)，其特點(diǎn)在于，每個(gè)超結(jié)P柱包括一頂部P柱和一底部P柱，每個(gè)超結(jié)P柱中頂部P柱的寬度不小于底部P柱的寬度。
[0011 ] 容易理解地，這里所說(shuō)的頂部P柱和底部P柱分別處于超結(jié)P柱的頂部和底部。對(duì)應(yīng)的頂部P柱和底部P柱可連接或結(jié)合為一體，以構(gòu)成一超結(jié)P柱。
[0012]較佳地，所述若干超結(jié)P柱中，位于所述終端結(jié)構(gòu)的過(guò)渡區(qū)的頂部P柱相互連接。所述終端結(jié)構(gòu)的過(guò)渡區(qū)得以避免承受橫向電壓。
[0013]較佳地，所述若干超結(jié)P柱中，位于所述終端結(jié)構(gòu)的終端區(qū)的頂部P柱之間的間距，沿遠(yuǎn)離所述終端結(jié)構(gòu)的過(guò)渡區(qū)的方向逐漸變寬，以保證較小尺寸的終端結(jié)構(gòu)能承受較大的擊穿電壓。
[0014]較佳地，每個(gè)頂部P柱高度為2-6微米。本發(fā)明中的高度單位微米，縮寫為um。當(dāng)頂部P柱在該高度范圍內(nèi)時(shí)，通過(guò)精確設(shè)計(jì)P柱之間的橫向距離，可獲得抗UIS (非箝位感性負(fù)載下的開關(guān)過(guò)程)能力高、HTRB (高溫反偏壓)可靠性高且總尺寸小的終端結(jié)構(gòu)。
[0015]較佳地，所述若干超結(jié)P柱的頂部P柱由離子注入和退火激活形成。申請(qǐng)人發(fā)現(xiàn)，采用這種工藝形成本發(fā)明中的頂部P柱，其工藝方法最為簡(jiǎn)單，資源的利用率最高而資源耗損最少。
[0016]本發(fā)明還提供了一種包含上述終端結(jié)構(gòu)的超結(jié)半導(dǎo)體器件。
[0017]本發(fā)明還提供了一種超結(jié)半導(dǎo)體器件的終端結(jié)構(gòu)的制造方法，其特點(diǎn)在于，包括以下步驟:
[0018]步驟一、采用外延工藝，在N型重?fù)诫s硅襯底上外延一層N型外延層；
[0019]步驟二、重復(fù)執(zhí)行以下操作多次直至獲得具有預(yù)設(shè)高度的底部P柱:用預(yù)設(shè)的底部P柱掩膜板進(jìn)行光刻掩膜及P型離子注入，去膠清洗后，繼續(xù)外延所述N型外延層；
[0020]步驟三、再外延一層所述N型外延層；
[0021]步驟四、用預(yù)設(shè)的一頂部P柱掩膜板進(jìn)行光刻掩膜、P型離子注入和去膠；
[0022]步驟五、高溫退火形成一一對(duì)應(yīng)的若干底部P柱和若干頂部P柱，每對(duì)底部P柱和頂部P柱共同構(gòu)成一超結(jié)P柱，其中頂部P柱的寬度不小于底部P柱的寬度；
[0023]步驟六、高溫氧化形成所述若干頂部P柱上方表面的二氧化硅場(chǎng)氧化層；
[0024]步驟七、制作元胞區(qū)MOS結(jié)構(gòu)(M0S即金屬(metal)—氧化物(oxid)—半導(dǎo)體(semiconductor)場(chǎng)效應(yīng)晶體管中的金屬_氧化物_半導(dǎo)體的縮寫)。
[0025]應(yīng)當(dāng)理解的是，步驟二中重復(fù)執(zhí)行特定操作多次，其含義是指，在一次執(zhí)行操作至“去膠清洗后，繼續(xù)外延所述N型外延層”之后，若底部P柱未達(dá)到預(yù)設(shè)高度，則再次用預(yù)設(shè)的底部P柱掩膜板進(jìn)行光刻掩膜及P型離子注入，然后去膠清洗，并繼續(xù)外延所述N型外延層O
[0026]較佳地，步驟四中的所述頂部P柱掩膜板使得，在步驟五中形成的所述若干頂部P柱中位于過(guò)渡區(qū)的頂部P柱相互連接。
[0027]較佳地，步驟四中的所述頂部P柱掩膜板使得，在步驟五中形成的所述若干頂部P柱中位于終端區(qū)的頂部P柱之間的間距，沿遠(yuǎn)離過(guò)渡區(qū)的方向逐漸變寬。
[0028]較佳地，在步驟五中形成的所述若干頂部P柱的高度為2-6微米。
[0029]本發(fā)明還提供了一種超結(jié)半導(dǎo)體器件的制造方法，其中采用上述的制造方法制造所述超結(jié)半導(dǎo)體器件的終端結(jié)構(gòu)。
[0030]應(yīng)當(dāng)理解的是，在上述說(shuō)明中涉及的超結(jié)半導(dǎo)體器件、超結(jié)半導(dǎo)體器件的終端結(jié)構(gòu)及其制造方法中，終端結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體材料不局限單晶硅材料，還包括鍺以及砷化鎵或硅鍺等化合物半導(dǎo)體材料。本發(fā)明的終端結(jié)構(gòu)適用于各種半導(dǎo)體功率器件，例如超結(jié)二極管器件、半超結(jié)二極管和半超結(jié)IGBT(絕緣柵雙極型晶體管)的終端結(jié)構(gòu)。
[0031]在符合本領(lǐng)域常識(shí)的基礎(chǔ)上，上述各優(yōu)選條件，可任意組合，即得本發(fā)明各較佳實(shí)例。
[0032]本發(fā)明的積極進(jìn)步效果在于:本發(fā)明的超結(jié)半導(dǎo)體器件、超結(jié)半導(dǎo)體器件的終端結(jié)構(gòu)及其制造方法，能夠提供高可靠小尺寸的半導(dǎo)體器件終端結(jié)構(gòu)，并具有成本低、工藝簡(jiǎn)單容易實(shí)現(xiàn)和工藝窗口寬的優(yōu)點(diǎn)。
【附圖說(shuō)明】
[0033]圖1為現(xiàn)有技術(shù)中的超結(jié)MOSFET (M0SFET即金屬-氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管，簡(jiǎn)稱金氧半場(chǎng)效晶體管)的終端結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0034]圖2是本發(fā)明實(shí)施例1的超結(jié)半導(dǎo)體器件的終端結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0035]圖3-9是本發(fā)明實(shí)施例2的制造方法中各個(gè)工藝步驟中相應(yīng)的終端結(jié)構(gòu)示意圖。
[0036]圖10是采用本發(fā)明實(shí)施例2的制造方法仿真模擬得到的終端結(jié)構(gòu)的電流-電壓曲線。
[0037]圖11為采用本發(fā)明實(shí)施例2的制造方法仿真模擬得到的終端結(jié)構(gòu)在700V電壓時(shí)雪崩電流分布圖。
[0038]圖12為采用本發(fā)明實(shí)施例2的制造方法仿真模擬得到的終端結(jié)構(gòu)在700V電壓時(shí)，硅表面下1um處的雪崩電流密度分布圖。
[0039]圖13為采用本發(fā)明實(shí)施例2的制造方法仿真模擬得到的終端結(jié)構(gòu)，在元胞區(qū)和終端區(qū)擊穿電壓隨電荷失衡的變化關(guān)系。
[0040]圖14-16是本發(fā)明實(shí)施例3的制造方法中各個(gè)工藝步驟中相應(yīng)的終端結(jié)構(gòu)示意圖。
[0041]圖17為本發(fā)明實(shí)施例4中的超結(jié)器件芯片邊緣和拐角處的終端結(jié)構(gòu)的俯視圖。
[0042]圖18為本發(fā)明實(shí)施例5中的六角形P柱和六角形排布陣列的終端結(jié)構(gòu)的俯視圖。
[0043]圖19為本發(fā)明實(shí)施例2的制造方法的工藝流程圖。
[0044]附圖標(biāo)記說(shuō)明
[0045]元胞區(qū):區(qū)域I ;
[0046]過(guò)渡區(qū):區(qū)域II;
[0047]終端區(qū):區(qū)域III;
[0048]漏電極金屬
[0049]N型重?fù)诫s層硅襯底:2 ；
[0050]N 型輕摻雜娃外延層:3、3-l、3-2、3-n、3_m ;
[0051]超結(jié)P 柱:4、4a;
[0052]超結(jié)N 柱:5、5a;
[0053]元胞MOS結(jié)構(gòu):6;
[0054]場(chǎng)氧化層:7 ；
[0055]超結(jié)底部P柱離子注入后P型摻雜區(qū):4b-l、4b-2、4b-n ；
[0056]超結(jié)底部P柱:4b ;
[0057]超結(jié)頂部P柱離子注入后P型摻雜區(qū):4c_l ；
[0058]超結(jié)頂部P柱:4c ；
[0059]超結(jié)P柱深溝槽:4d-l ；
[0060]超結(jié)深溝P型摻雜槽填充物:4d ;
[0061]光刻掩膜膠:PR;
[0062]浮空金屬場(chǎng)板:8 ；
[0063]接觸式金屬場(chǎng)板:9。
【具體實(shí)施方式】
[0064]下面通過(guò)實(shí)