鰭式快恢復超結功率半導體晶體管及其制備方法
【專利摘要】一種鰭式快恢復超結功率半導體晶體管及其制備方法，包括N型襯底，在N型襯底上設有N型外延層，在N型外延層的內設有柱狀第二P型體區，在N型外延層的頂部設有第一P型體區且區位于兩柱狀第二P型體區之間，其表面設有N型重摻雜源區和P型重摻雜半導體接觸區，在N型重摻雜源區、P型重摻雜半導體接觸區和第二P型體區上連接有源極金屬，在第一P型體區的兩側分別設有多晶硅柵，柱狀第二P型體區止于多晶硅柵的下表面，且柱狀第二P型體區低于第一P型體區，在多晶硅柵與第一P型體區、N型外延層及第二P型體區之間設有柵氧化層，在多晶硅柵與源極金屬之間設有絕緣層，并且，柵氧化層使第一P型體區與第二P型體區相互分離。
【專利說明】
鰭式快恢復超結功率半導體晶體管及其制備方法
技術領域
[0001]本發明主要涉及功率半導體器件技術領域，具體涉及一種鰭式快恢復超結功率半導體晶體管及其制備方法，該晶體管特別適用于橋式整流系統。
【背景技術】
[0002]功率半導體器件是不斷發展的功率-電子系統的內在驅動力，尤其在節約能源、動態控制、噪音減少等方面。在過去的三十年里，功率器件取得了飛躍式的發展，特別是功率金屬氧化物半導體場效應管(Meta I Oxide Semi conduct or FieldEffect Transistor，M0SFET)，為了拓寬其應用領域，滿足低功耗需求，必須有效的降低導通電阻，在保證擊穿電壓的前提下，為了獲得較大的導通電流，20世紀90年代初提出了 “超結”概念，利用相互交替的P柱與N柱代替傳統的功率器件的N型漂移區，成功的打破了“娃限”，它可以在保證擊穿電壓的前提下，同時得到低導通功耗和高的開關速度。但是相比于傳統M0SFET，超結結構具一個顯著的缺點:體二極管反向恢復硬度高，時間長。由于在超結結構PN結結面積比較大，在其反向恢復過程中，反向恢復峰值電流大，會導致較大的反向恢復損耗，且容易導致芯片寄生三極管開啟失效。為了避免超結MOSFET的寄生三極管開啟失效，需要在P柱上方制備P型重摻雜半導體接觸區，但這會進一步增加反向恢復電荷及反向恢復電流，從而進一步增大反向恢復損耗。傳統方法通過電子輻照或者重金屬摻雜進行少子壽命控制，減小反向恢復電荷，降低反向恢復峰值電流，但這樣會增加器件的制造成本并導致漏電大，長程可靠性降低。本發明提出一種鰭式快恢復超結功率半導體晶體管及其制備方法，在不采用少子壽命控制技術的前提下，可以降低反向恢復電荷，減小反向恢復峰值電流，抑制寄生三極管開啟，提高器件可靠性，降低系統中的損耗。

【發明內容】

[0003]本發明針對上述不足，提出一種能夠改變空穴電流路徑、抑制了寄生三極管開啟并能有效改善體二極管反向恢復特性的鰭式快恢復超結功率半導體晶體管及其制備方法。
[0004]本發明提供如下結構技術方案:
[0005]—種鰭式快恢復超結功率半導體晶體管，包括:N型襯底，在N型襯底上設有N型外延層，在N型外延層的內設有柱狀第二P型體區，在N型外延層的頂部設有第一P型體區且所述第一 P型體區位于兩柱狀第二 P型體區之間，在第一 P型體區的表面設有N型重摻雜源區和P型重摻雜半導體接觸區，在N型重摻雜源區、P型重摻雜半導體接觸區和第二P型體區上連接有源極金屬，其特征在于，在第一 P型體區的兩側分別設有多晶硅柵，所述柱狀第二 P型體區止于多晶硅柵的下表面，且所述柱狀第二P型體區低于第一P型體區，在多晶硅柵與第一P型體區、N型外延層及第二 P型體區之間設有柵氧化層，在多晶硅柵與源極金屬之間設有絕緣層，并且，所述柵氧化層使第一 P型體區與第二 P型體區相互分離，第二 P型體區的表面與源極金屬為高阻歐姆接觸或者肖特基接觸。
[0006]本發明提供如下方法技術方案:
[0007]第一步:首先選取N型硅材料作為襯底并外延生長N型外延層；
[0008]第二步:先利用一塊掩膜板在N型外延層選擇刻蝕出深溝槽，并外延生長形成第二P型體區；
[0009]第三步:選擇性刻蝕N型外延層形成凸形外延層；
[0010]第四步:在凸形外延層表面熱生長形成柵氧化層，再淀積多晶硅，將N型外延層凹下部分填滿；
[0011]第五步:刻蝕多晶硅至N型外延層凸起部分的表面，并離子注入硼，退火形成第一P型體區；
[0012]第六步:選擇性離子注入砷或磷形成N型源極，高能量(80kev?200kev)注入硼形成P型重摻雜半導體接觸區；
[0013]第七步:選擇性刻蝕N型外延層凹下部分的多晶硅和柵氧化層，形成多晶硅柵極；
[0014]第八步:淀積一層氧化層作為接觸絕緣層，選擇性刻蝕絕緣層，在N型外延層表面形成接觸孔；
[0015]第九步:淀積鋁制作源極金屬，且源極金屬與第二P型體區形成高阻歐姆接觸或者肖特基接觸。
[0016]與現有技術相比，本發明具有如下優點:
[0017]1、本發明器件利用柵氧化層7及多晶硅柵8的隔離作用，并通過改變空穴電流路徑，抑制了寄生三極管的開啟。由于傳統結構中第一P型體區與第二P型體區相連，在器件體二極管反向恢復過程中，第一P型體區下方的N型外延層接高電位，第二P型體區接低電位，在第一P型體區底部與N外延層交界處，形成一個至下而上指向第一P型體區內部的內建電場，該內建電場會使大量空穴電流流經第一P型體區，導致寄生三極管開啟，器件失效;而本發明將柵氧化層7及多晶硅柵8設置在第一P型體區與第二P型體區之間，由此將第一P型體區與第二P型體區隔離開來，且將第二P型體區低于第一P型體區，在器件體二極管反向恢復過程中，第一P型體區下方的N型外延層接高電位，第二P型體區接低電位，在第一P型體區底部與N外延層交界處，會形成一個至上而下的指向第二 P型體區內部的內建電場(為了便于理解，在圖9中添加虛線箭頭來示意內建電場方向和內建電場區域)，該內建電場對空穴具有排斥作用，使得該內建電場區域的空穴被迫流入第二P型體區，從而阻止空穴流入第一P型體區，改變了空穴電流路徑，并有效抑制寄生三極管開啟的效果。
[0018]2、本發明器件利用柵的隔離作用有效地改善了體二極管的反向恢復特性。由于傳統結構中第一 P型體區與第二 P型體區相連，大量空穴電流流經第一 P型體區時，為減小寄生三極管開啟導致器件失效的風險，必須在第二 P型上方做高濃度的P型注入;而本發明因為利用柵將第二 P型體區與第一 P型體區隔離，如優點I所述會形成一個至上而下的指向第二 P型體區內部的內建電場，阻止空穴電流流入第一 P型體區，達到改變空穴電流路徑、有效抑制寄生三極管開啟的效果，所以在第二 P型體區表面不需要高濃度P型注入，從而減少了器件在體二極管正向導通時向N型漂移區內注入的少子空穴，即減少了反向恢復過程中所需抽取的載流子數目(Qrr)，改善超結體二極管的反向恢復特性。
[0019]3、本發明器件結構設計工藝保留了傳統溝槽金屬氧化物半導體型場效應晶體管結構的設計工藝，工藝簡單，可行性高。
【附圖說明】
[0020]圖1所示為傳統溝槽超結功率半導體晶體管的器件剖面結構圖。
[0021]圖2所示為本發明提出的新型鰭式快恢復超級功率半導體晶體管的器件剖面結構圖。
[0022]圖3所示為本發明提出的新型鰭式快恢復超結功率半導體晶體管與傳統超結溝槽功率半導體晶體管擊穿電壓的特性曲線對比圖。
[0023]圖4所示為本發明新型鰭式快恢復超級功率半導體晶體管與傳統溝槽超結功率半導體晶體管導通時的電流-電壓的特性曲線對比圖。
[0024]圖5所示為本發明提出的新型鰭式快恢復超結功率半導體晶體管與傳統溝槽超結功率半導體晶體管體二極管反向恢復特性曲線對比圖。
[0025]圖6所示為本發明提出的新型鰭式快恢復超結功率半導體晶體管與傳統溝槽超結功率半導體晶體管體二極管正向導通時空穴載流子濃度分度對比圖。
[0026]圖7所示為本發明提出的新型鰭式快恢復超結功率半導體晶體管的體二極管在反向恢復狀態下的局部電場分布不意圖。
[0027]圖8所示為傳統溝槽超結功率半導體晶體管的體二極管在反向恢復狀態下的空穴電流的路徑。
[0028]圖9所示為本發明提出的新型鰭式快恢復超結功率半導體晶體管的體二極管在反向恢復狀態下的空穴電流路徑。
[0029]圖10?圖18所示為本發明提出的新型鰭式快恢復超結功率半導體晶體管結構的制備方法的工藝流程圖。
【具體實施方式】
[0030]本發明器件利用柵將第一P型體區與第二 P型體區隔離，且第二 P型體區處于第一 P型體區下方，在器件體二極管反向恢復過程中，第一P型體區下方的N型外延層接高電位，第二 P型體區接低電位，在第一 P型體區底部與N外延層交界處，會形成一個至上而下的指向第二P型體區內部的內建電場，該內建電場對空穴具有排斥作用，使得該內建電場區域的空穴被迫流入第二P型體區，從而阻止空穴流入第一P型體區，達到改變空穴電流路徑、有效抑制寄生三極管開啟的效果。正因為抑制了寄生三極管的開啟，所以在第二P型體區表面不需要高濃度P型注入，從而減少了器件在體二極管正向導通時向N型漂移區內注入的少子空穴，即減少了反向恢復過程中所需抽取的載流子數目(Qrr)，改善超結體二極管的反向恢復特性。所述器件制備方法保留了傳統溝槽金屬氧化物半導體型場效應晶體管結構的設計工藝，工藝簡單，可行性高。
[0031]實施例1
[0032]下面結合圖2，對本發明做詳細說明，一種鰭式快恢復超結功率半導體晶體管，包括:N型襯底I，在N型襯底I上設有N型外延層2，在N型外延層2的內設有柱狀第二P型體區3，在N型外延層2的頂部設有第一 P型體區4且所述第一 P型體區4位于兩柱狀第二 P型體區3之間，在第一P型體區4的表面設有N型重摻雜源區5和P型重摻雜半導體接觸區6，在N型重摻雜源區5、P型重摻雜半導體接觸區6和第二 P型體區3上連接有源極金屬10，其特征在于，在第一 P型體區4的兩側分別設有多晶硅柵8，所述柱狀第二 P型體區3止于多晶硅柵8的下表面，且所述柱狀第二 P型體區3低于第一 P型體區4，在多晶硅柵8與第一 P型體區4、N型外延層2及第二 P型體區3之間設有柵氧化層7，在多晶硅柵8與源極金屬10之間設有絕緣層9，并且，所述柵氧化層7使第一 P型體區4與第二 P型體區3相互分離。
[0033]實施例2
[0034]下面結合圖10?圖18，對本發明做詳細說明，一種鰭式快恢復超結功率半導體晶體管的制備方法，其特征在于:
[0035]第一步:首先選取N型硅材料作為襯底并外延生長N型外延層；
[0036]第二步:先利用一塊掩膜板在N型外延層選擇刻蝕出深溝槽，并外延生長形成第二P型體區3;
[0037]第三步:選擇性刻蝕N型外延層形成凸形外延層2;
[0038]第四步:在凸形外延層2表面熱生長形成柵氧化層7，再淀積多晶硅，將N型外延層2凹下部分填滿；
[0039]第五步:刻蝕多晶硅至N型外延層2凸起部分的表面，并離子注入硼，退火形成第一P型體區4;
[°04°] 第六步:選擇性離子注入砷或磷形成N型源極5，高能量(80kev?200kev)注入硼形成P型重摻雜半導體接觸區6;
[0041]第七步:選擇性刻蝕N型外延層2凹下部分的多晶硅和柵氧化層7，形成多晶硅柵極8；
[0042]第八步:淀積一層氧化層作為接觸絕緣層9，選擇性刻蝕絕緣層9，在N型外延層表面形成接觸孔；
[0043]第九步:淀積鋁制作源極金屬10，且源極金屬10與第二P型體區形成高阻歐姆接觸或者肖特基接觸。
[0044]下面結合附圖對本發明進行進一步說明。
[0045]本發明的工作原理:
[0046]導通原理:柵極接高電位，漏極接高電位，源極接低電位，電子溝道開啟，在漏極高電位的作用下，形成從漏極流向源極的電子電流。
[0047]正向關斷:柵極接低電位，漏極接高電位，源極接低電位，P型體區保持低電位，溝道關斷，P型體區與其下方的N型外延層形成耗盡區承受正向電壓。
[0048]體二極管正向導通:柵極接低電位，漏極接低電位，源極接高電位，溝道關斷，體二極管PN結正向導通，大量空穴注入N型外延層中。
[0049]體二極管反向恢復:柵極與源極短接，并接低電位，漏極接高電位，體二極管由正向導通狀態進入反向恢復過程，在第一P型體區與N型外延層處形成空間電荷區，并逐漸擴展，同時較高的反向電壓對通態時所存儲的空穴從漏極向源極進行抽取，經過空間電荷區，形成反向恢復電流。由于本發明器件中第一 P型體區與第二 P型體區相互隔離，且第二 P型體區處于第一 P型體區下方，在器件體二極管反向恢復過程中，第一 P型體區下方的N型外延層接高電位，第二 P型體區接低電位，在第一 P型體區底部與N外延層交界處，會形成一個至上而下的指向第二 P型體區內部的內建電場，該內建電場對空穴具有排斥作用，使得該內建電場區域的空穴被迫流入第二P型體區，從而阻止空穴流入第一P型體區，達到改變空穴電流路徑、消除寄生三極管開啟的影響的效果。正因為本發明器件中不需要考慮寄生三極管開啟的影響，所以第二 P型體區上部不需要高濃度的P型注入。在體二極管正向導通時，第二 P型體區空穴發射效率低，注入N型外延層中的空穴總量少，反向恢復過程中抽取的空穴數目就少，從而加快了反向恢復速度，改善了體二極管反向恢復特性。
[0050]為了驗證本發明結構的好處，本專利對器件結構進行了流片驗證，如圖3?圖6所示。在對器件結構進行了實測后，本專利通過半導體器件仿真軟件Sentaurus TCAD對結構進行了對比仿真，如圖7?圖8所示。圖3所示為本發明提出的新型鰭式快恢復超結功率半導體晶體管與傳統超結溝槽功率半導體晶體管擊穿電壓BV特性曲線對比圖，從圖中可以看出，新型鰭式快恢復超結功率半導體晶體管與傳統超結溝槽功率半導體晶體管在相同條件下擊穿電壓有所增加；圖4所示為本發明新型鰭式快恢復超級功率半導體晶體管與傳統溝槽超結功率半導體晶體管導通時的1-V特性曲線對比圖，從圖中可以看出新型鰭式快恢復超級功率半導體晶體管與傳統溝槽超結功率半導體晶體管在相同電流條件下導通壓降幾乎相當，即導通電阻幾乎不變；圖5所示為本發明提出的新型鰭式快恢復超結功率半導體晶體管與傳統溝槽超結功率半導體晶體管體二極管反向恢復特性曲線對比圖，從圖中可以發現，新型鰭式快恢復超結功率半導體晶體管的體二極管在反向恢復狀態下相比于傳統溝槽超結功率半導體晶體管的反向恢復時間(trr)減小，峰值電流降低，體二極管反向恢復過程中所需抽取的空穴總量(Qrr)也相應減少，即額外損耗減少，體二極管的反向恢復特性得到改善；圖6所示為本發明提出的新型鰭式快恢復超結功率半導體晶體管與傳統溝槽超結功率半導體晶體管體二極管正向導通時空穴濃度分度對比圖，從圖中可以看出，新型鰭式快恢復超結功率半導體晶體管的體二極管工作在正向導通狀態下時，第二P型體區的表面空穴注入效率相比于傳統溝槽超結功率半導體晶體管低，即注入到N型外延層的空穴數目也相應減少，從而可以使體二極管在反向恢復過程中所需抽取的空穴數目(Qrr)減少，抽取速度加快，反向恢復時間縮短，體二極管的反向恢復特性得到改善，額外損耗降低；圖7所示為本發明提出的新型鰭式快恢復超結功率半導體晶體管的體二極管在反向恢復狀態下局部電場分布，從圖中可以發現，由于第一P型體區下方的N型外延層電勢高于第二P型體區，在第一P型體區底部與N外延層交界處，形成一個至上而下的指向第二P型體區內部的內建電場，該內建電場對空穴具有排斥作用，使得該內建電場區域的空穴被迫流入第二P型體區，從而阻止空穴流入第一P型體區，有效抑制寄生三極管的開啟；圖8、圖9所示分別為傳統溝槽超結功率半導體晶體管、新型鰭式快恢復超結功率半導體晶體管的體二極管在反向恢復狀態下的空穴電流的路徑，從圖中可以發現，傳統的溝槽超結功率半導體晶體管的體二極管在反向恢復過程中的空穴均從第一P型體區與第二P型體區流出，且由于溝槽與第一P型體區、第二P型體區之間設有重摻雜N型源極，較易引起寄生三極管的開啟，損壞晶體管，而新型鰭式快恢復超結功率半導體晶體管的體二極管在反向恢復過程中的空穴幾乎全部從第二P型體區流出，而不從第一P型體區流出，從而很好地抑制了寄生三極管的開啟。
[0051 ]本發明采用如下方法來制備:
[0052]第一步:首先選取N型硅材料作為襯底并外延生長N型外延層；
[0053]第二步:先利用一塊掩膜板在N型外延層選擇刻蝕出深溝槽，并外延生長形成第二P型體區3;
[0054]第三步:選擇性刻蝕N型外延層形成凸形外延層2;
[0055]第四步:在凸形外延層2表面熱生長形成柵氧化層7，再淀積多晶硅，將N型外延層2凹下部分填滿；
[0056]第五步:刻蝕多晶硅至N型外延層2凸起部分的表面，并離子注入硼，退火形成第一P型體區4;
[°°57] 第六步:選擇性離子注入砷或磷形成N型源極5，高能量(80kev?200kev)注入硼形成P型重摻雜半導體接觸區6;
[0058]第七步:選擇性刻蝕N型外延層2凹下部分的多晶硅和柵氧化層7，形成多晶硅柵極8；
[0059]第八步:淀積一層氧化層作為接觸絕緣層9，選擇性刻蝕絕緣層9，在N型外延層表面形成接觸孔；
[0060]第九步:淀積鋁制作源極金屬10，且源極金屬10與第二P型體區形成高阻歐姆接觸或者肖特基接觸。
【主權項】
1.一種鰭式快恢復超結功率半導體晶體管，包括:N型襯底(I)，在N型襯底(I)上設有N型外延層(2)，在N型外延層(2)的內設有柱狀第二 P型體區(3)，在N型外延層(2)的頂部設有第一 P型體區(4)且所述第一 P型體區(4)位于兩柱狀第二 P型體區(3)之間，在第一 P型體區(4)的表面設有N型重摻雜源區(5)和P型重摻雜半導體接觸區(6)，在N型重摻雜源區(5)、P型重摻雜半導體接觸區(6)和第二 P型體區(3)上連接有源極金屬(10)，其特征在于，在第一P型體區(4)的兩側分別設有多晶硅柵(8)，所述柱狀第二 P型體區(3)止于多晶硅柵(8)的下表面，且所述柱狀第二P型體區(3)低于第一P型體區(4)，在多晶硅柵(8)與第一P型體區(4)、N型外延層(2)及第二P型體區(3)之間設有柵氧化層(7)，在多晶硅柵(8)與源極金屬(10)之間設有絕緣層(9)，并且，所述柵氧化層(7)使第一 P型體區(4)與第二 P型體區(3)相互分離。2.根據權利要求1所述的一種鰭式快恢復超結功率半導體晶體管，其特征在于，第二P型體區(3)的表面與源極金屬(10)為高阻歐姆接觸或者肖特基接觸。3.一種權利要求1所述鰭式超結快恢復功率半導體晶體管的制備方法，其特征在于: 第一步:首先選取N型硅材料作為襯底并外延生長N型外延層； 第二步:先利用一塊掩膜板在N型外延層選擇刻蝕出深溝槽，并外延生長形成第二 P型體區(3); 第三步:選擇性刻蝕N型外延層形成凸形外延層(2); 第四步:在凸形外延層(2)表面熱生長形成柵氧化層(7)，再淀積多晶硅，將N型外延層(2)凹下部分填滿； 第五步:刻蝕多晶硅至N型外延層(2)凸起部分的表面，并離子注入硼，退火形成第一P型體區(4); 第六步:選擇性離子注入砷或磷形成N型源極(5)，高能量(80kev?200kev)注入硼形成P型重摻雜半導體接觸區(6); 第七步:選擇性刻蝕N型外延層(2)凹下部分的多晶硅和柵氧化層(7)，形成多晶硅柵極(8)； 第八步:淀積一層氧化層作為接觸絕緣層(9)，選擇性刻蝕絕緣層(9)，在N型外延層表面形成接觸孔； 第九步:淀積鋁制作源極金屬(10)，且源極金屬(10)與第二 P型體區形成高阻歐姆接觸或者肖特基接觸。
【文檔編號】H01L21/336GK106024910SQ201610363983
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年5月26日
【發明人】孫偉鋒, 童鑫, 楊卓, 宋慧濱, 祝靖, 陸生禮, 時龍興
【申請人】東南大學