專利名稱：一種垂直雙擴(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體器件技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種垂直雙擴(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體場
效應(yīng)管。
背景技術(shù)：
近年來，隨著微電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，以及汽車電子、航空航天、工業(yè)控制、電力運(yùn)輸?shù)认嚓P(guān)領(lǐng)域的迫切需求，發(fā)展新型大功率半導(dǎo)體器件越來越多的受到人們關(guān)注。功率 MOSFET (金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管)是在MOS集成電路工藝基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新一代電力電子器件。而VDMOS (垂直雙擴(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)管，具體結(jié)構(gòu)詳見圖1) 具有輸入阻抗大、開關(guān)速度快、工作頻率高、熱穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，目前已在開關(guān)穩(wěn)壓電源、功率放大器等方面獲得了廣泛應(yīng)用。另外，在功率器件中引入寬禁帶半導(dǎo)體材料成為一個(gè)重要的發(fā)展方向。寬禁帶半導(dǎo)體材料SiC材料與Si、GaAs等材料相比，具有高的禁帶寬度、高的飽和電子漂移速度、高的臨界擊穿電場以及高的熱導(dǎo)率，使其成為在高頻、高溫和大功率應(yīng)用場合下極為理想的半導(dǎo)體材料。又由于SiC是目前惟一一種可以用熱氧化法生成高品質(zhì)本征氧化物的化合物半導(dǎo)體，因此非常適于制造MOSFET (金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管)、IGBT (絕緣柵雙極型晶體管)等高頻功率器件。對(duì)于VDMOS器件而言，如何降低其通態(tài)電阻，從而減小通態(tài)損耗，是研究人員一直以來關(guān)注的問題。其中漂移區(qū)電阻的減小依賴于漂移區(qū)厚度和摻雜濃度的減小，與器件阻斷電壓對(duì)漂移區(qū)參數(shù)的要求相矛盾，因此如何減小溝道電阻一直是研究的重點(diǎn)。尤其對(duì)于SiC VDMOS器件，由于采用高能量離子注入工藝，加劇了溝道表面粗糙度散射，在高柵壓下呈現(xiàn)明顯的溝道載流子遷移率退化，使得溝道導(dǎo)通電阻占到器件總導(dǎo)通電阻相當(dāng)大的比例。另外，熱生長形成的柵氧化層與半導(dǎo)體界面處存在大量界面態(tài)，比較準(zhǔn)確的測量結(jié)果表明，η型SiC/Si02界面的態(tài)密度一般在7X1011 SXlO1W2eV^10這些界面態(tài)在SiC的禁帶上部靠近導(dǎo)帶邊的地方引入電子陷阱，陷阱密度隨柵壓升高而指數(shù)上升。電子陷阱不僅降低了反型層中電子的密度，從而通過增大閾值電壓使導(dǎo)通電流減小，而且對(duì)溝道電子起到散射中心的作用，大大降低了溝道電子的遷移率，增大了溝道導(dǎo)通電阻。為了改善SiC MOSFET的導(dǎo)通特性，Baliga曾提出積累層溝道MOSFET的概念， 即 ACCUFET，見于 The Planar 6H_SiC ACCUFET: A New High-Voltage Power MOSFET Structure, IEEE ELECTRON DEVICE LETTERS, VOL. 18，NO. 12，DECEMBER 1997。這種結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是用P型重?fù)诫s掩埋層在柵氧化層層下的N型輕摻雜外延層表面產(chǎn)生一個(gè)極薄的耗盡區(qū)(具體結(jié)構(gòu)詳見圖2)。埋層的深度和N型輕摻雜區(qū)的雜質(zhì)濃度經(jīng)過精心設(shè)計(jì)，以至于能使氧化層與埋層之間的N型輕摻雜區(qū)完全被P+N結(jié)的內(nèi)建電勢所耗盡，從而形成一個(gè)常關(guān)器件。開通時(shí)，用正柵壓將N型輕摻雜耗盡層轉(zhuǎn)換成電子積累層，形成源極到漏極的導(dǎo)電通道。具有此種結(jié)構(gòu)的器件，閾值電壓低，正向電流大，導(dǎo)通電阻低，而且由于PN結(jié)對(duì)柵氧化層下半導(dǎo)體層的電場屏蔽，有效地限制了氧化層中的電場強(qiáng)度，保證了柵氧化層的可靠性。在文獻(xiàn) Development of High-Current 4H - SiC ACCUFET, IEEE TRANSACTIONS ON ELECTRON DEVICES, VOL. 50，NO. 2，^BRUARY 2003 中，提出了優(yōu)化后的平面埋層 MOSFET結(jié)構(gòu)，導(dǎo)通電阻為22 πιΩ · cm2，耐壓為550V。但作為常關(guān)型器件，埋層溝道MOSFET 只是利用Pn結(jié)的自耗盡來維持溝道的阻斷，所以漏電流較大，難以得到高的耐壓水平，限制了其在高電壓場合的應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的問題是如何提供一種垂直雙擴(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)管，該半導(dǎo)體場效應(yīng)管克服了背景技術(shù)中所提到的界面缺陷，實(shí)現(xiàn)了較低的導(dǎo)通電阻。本發(fā)明所提出的技術(shù)問題是這樣解決的提供一種垂直雙擴(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)管，包括金屬化漏極1、N+襯底2、N_漂移區(qū)3、深P體區(qū)5、N型重?fù)诫s源區(qū)6、P型重?fù)诫s區(qū)7、N型埋層溝道8、P型外延層9、柵氧化層10、多晶硅柵電極11和金屬化源極12， 金屬化漏極1位于N+襯底2背面，N—漂移區(qū)3位于N+襯底2正面，N—漂移區(qū)3的上部為結(jié)型場效應(yīng)晶體管區(qū)4 (或稱為JFET區(qū))，其特征在于
①深P體區(qū)5位于N—漂移區(qū)3上方兩側(cè)，通過P型重?fù)诫s區(qū)7、金屬化源極12與N型
重?fù)诫s源區(qū)6相連，抑制器件的寄生三極管效應(yīng)，柵氧化層10生長于P外延層9和結(jié)型場效應(yīng)晶體管區(qū)4之上，柵氧化層10的表面是多晶硅柵電極11，所述多晶硅柵電極11與金屬化源極12之間設(shè)置了隔離介質(zhì)；
在N型重?fù)诫s源區(qū)6與結(jié)型場效應(yīng)管區(qū)4之間設(shè)置有兩層導(dǎo)電溝道結(jié)構(gòu)N型埋層
溝道8和P型外延層9，所述N型埋層溝道8設(shè)置在下方，所述P型外延層9放在上方，用于形成反型溝道。按照本發(fā)明所提供的垂直雙擴(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)管，其特征在于，P型外延層9和N型埋層溝道8均為外延生長層，其中P型外延層9厚度為0. IMfli, N型埋層溝道 8的厚度為0. 2Mm。按照本發(fā)明所提供的垂直雙擴(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)管，其特征在于，P型外延層9在導(dǎo)通時(shí)形成反型溝道，N型埋層溝道8提供額外電子源，產(chǎn)生電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)。按照本發(fā)明所提供的垂直雙擴(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)管，其特征在于，結(jié)型場效應(yīng)晶體管區(qū)4的表面進(jìn)行了離子注入，使其表面摻雜濃度高于下方的漂移區(qū)。本發(fā)明提供了一種反型層溝道和埋層溝道相結(jié)合的VDMOS結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)在導(dǎo)通時(shí)通過兩個(gè)溝道的共同導(dǎo)電機(jī)制，大大減小器件的導(dǎo)通電阻；在阻斷時(shí)通過PN結(jié)勢壘對(duì)溝道的電場屏蔽，實(shí)現(xiàn)較高的耐壓水平，達(dá)到1000V以上。本發(fā)明的半導(dǎo)體材料為碳化硅、硅、砷化鎵或者氮化鎵。


圖1為基本的VDM0SFET (垂直雙擴(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管)器件結(jié)構(gòu)。其中，101為背面金屬化漏電極，102為N型重?fù)诫s襯底，103為N型漂移區(qū)，104為P型體區(qū)，105為N型重?fù)诫s源區(qū)，106為P型重?fù)诫s接觸區(qū)，107為柵氧化層，108為多晶硅柵電極，109為金屬化源電極；
圖2為Baliga等人提出的ACCUFET (積累型溝道金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管)，其中，201為背面金屬化漏電極，202為N型重?fù)诫s襯底，203為N型漂移區(qū)，204為P型重?fù)诫s體區(qū)，205為N型重?fù)诫s源區(qū)，206為積累層溝道區(qū)，207為柵氧化層，208為多晶硅柵電極， 209為金屬化源電極。圖3為本發(fā)明的平面柵器件結(jié)構(gòu)圖，一種埋層溝道與表面反型溝道結(jié)合的VDMOS 器件。其中，1為金屬化漏極，2為N+襯底，3為N—漂移區(qū)，4為結(jié)型場效應(yīng)晶體管區(qū)，5為深 P體區(qū)，6為N型重?fù)诫s源區(qū)，7為P型重?fù)诫s區(qū)，8為N型埋層溝道，9為P型外延層，10為柵氧化層，11為多晶硅柵電極，12為金屬化源極。圖4為本發(fā)明的溝槽柵器件結(jié)構(gòu)圖。其中，1為金屬化漏極，2為N+襯底，3為N—漂移區(qū)，4為P型體區(qū)，5為N型重?fù)诫s源區(qū)，6為P型重?fù)诫s區(qū)，7為N型埋層溝道，8為P型外延層，9為柵氧化層，10為多晶硅柵電極，11為N型重?fù)诫s區(qū)，12為金屬化源極。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖以及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明
本發(fā)明技術(shù)方案如下，其基本結(jié)構(gòu)如圖3所示，包括金屬化漏極1、N+襯底2、N_漂移區(qū) 3、結(jié)型場效應(yīng)晶體管區(qū)4、深P體區(qū)5、N型重?fù)诫s源區(qū)6、P型重?fù)诫s區(qū)7、N型埋層溝道8、 P型外延層9、柵氧化層10、多晶硅柵電極11、金屬化源極12。金屬化漏極1位于N+襯底2 背面，N_漂移區(qū)3位于N+襯底2正面；深P體區(qū)5位于N_漂移區(qū)3上方兩側(cè)，通過P型重?fù)诫s區(qū)7、金屬化源極12與N型重?fù)诫s源區(qū)6相連，抑制器件的寄生三極管效應(yīng)；N_漂移區(qū) 3的上部習(xí)慣上稱為VDMOS的JFET區(qū)，在N型重?fù)诫s源區(qū)6與JFET區(qū)4之間存在兩層導(dǎo)電結(jié)構(gòu)，下方為N型埋層溝道8，上方為P型外延層9，用于形成反型溝道；柵氧化層10生長于 P外延層9和JFET區(qū)4之上，柵氧化層10的表面是多晶硅柵電極11，多晶硅柵電極11與金屬化源極12之間是隔離介質(zhì)。在此技術(shù)方案中，P型外延層9和N型埋層溝道8均為很薄的外延層，厚度分別為0. IMffl和0. 2Mm。本發(fā)明所提供的VDMOS器件中，存在一個(gè)由多晶硅柵11、柵氧化層10和P型外延層9構(gòu)成的MIS結(jié)構(gòu)，其下方又存在由P型外延層9、埋層溝道8和深P體區(qū)5構(gòu)成的兩個(gè) PN結(jié)結(jié)構(gòu)。兩個(gè)深P體區(qū)5和夾在其中的N型漂移區(qū)構(gòu)成JFET(結(jié)型場效應(yīng)晶體管)結(jié)構(gòu)。 在設(shè)計(jì)中，N型漂移區(qū)3的厚度與濃度直接影響器件的阻斷電壓，一般來說，厚度越厚，濃度越低，阻斷電壓越高，但同時(shí)漂移區(qū)電阻越大。因此對(duì)漂移區(qū)參數(shù)的設(shè)計(jì)必須考慮折中。在器件各電極不加任何電壓時(shí)，夾在P型外延層9和JFET區(qū)4之間的很薄的N型埋層溝道8被上下兩個(gè)PN結(jié)自耗盡區(qū)共同夾斷，沒有漏極到源極的電流通路。當(dāng)柵電極和源極接地，漏極加高壓時(shí)，器件工作在阻斷狀態(tài)，此時(shí)兩個(gè)深P體區(qū)5與N—漂移區(qū)3形成的 PN結(jié)耗盡區(qū)結(jié)合在一起，將漏極到源極的導(dǎo)電路徑完全夾斷，泄漏電流很小，同時(shí)又對(duì)上方的溝道區(qū)產(chǎn)生電場屏蔽作用，防止溝道穿通與氧化層擊穿現(xiàn)象，直到PN結(jié)處發(fā)生雪崩擊穿。當(dāng)多晶硅柵電極11加正偏壓并達(dá)到閾值電壓時(shí)，P型外延層9表面反型，產(chǎn)生大量電子。柵氧化層厚度很薄，只有幾十個(gè)納米，器件的柵控能力很強(qiáng)，同時(shí)由于P型外延層 9厚度很薄，僅為0. !Mm,如若選取合適的摻雜濃度，則該層厚度會(huì)小于理論計(jì)算的MOS結(jié)構(gòu)最大耗盡層寬度，尤其對(duì)于禁帶較寬、本征載流子濃度較低的材料。此時(shí)，柵電勢繼續(xù)增大， 便會(huì)影響到P型外延層9與N型埋層溝道8形成的PN結(jié)勢壘，使其降低，N型埋層溝道8中的電子便會(huì)大量注入到P型外延層9中，大大提高載流子濃度，形成電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，從而降低器件導(dǎo)通電阻。由于柵氧化層10是在P型外延層9上生長獲得，所以氧化層與半導(dǎo)體材料界面的粗糙度較低，表面散射對(duì)載流子遷移率的影響較小。再采用新的柵氧化層生長后的退火工藝，使得界面陷阱密度較低，進(jìn)一步提高了溝道載流子遷移率。此外，對(duì)JFET區(qū)進(jìn)行一次后續(xù)的離子注入，增大了 JFET區(qū)的摻雜濃度，在導(dǎo)通時(shí)擴(kuò)展了電子的遷移路徑，減小了 JFET區(qū)電阻。該表面反型溝道與埋層溝道相結(jié)合的高壓VDMOS器件，采用離子注入與外延層生長的工藝，在滿足高耐壓水平的前提下，實(shí)現(xiàn)較低的導(dǎo)通電阻。作為一個(gè)實(shí)施例，本發(fā)明——表面反型溝道與埋溝相結(jié)合的VDMOS器件，以SiC材料制造，如圖3所示，可通過以下方法制備得到，工藝步驟為
一、SiC基底準(zhǔn)備，采用N型重?fù)诫s4H-SiC襯底，摻雜濃度為1 X 1019cm_3，其晶向?yàn)?(0001)，厚度為 5Mm。二、N漂移區(qū)生長，采用氣相外延法，利用偏晶軸技術(shù)，在1600°C下在襯底上生長 7Mm的N外延層，摻雜濃度為1.2X1016cm_3。三、用P埋層掩膜版，注入鋁形成深P體區(qū)，摻雜濃度為3X 1018cm_3。四、外延生長η埋層，摻雜濃度為2Χ 1017cm_3，厚度為0. 2Mm。五、生長ρ外延層，摻雜濃度為3X1017cm_3，厚度為0. lMm。六、用源區(qū)掩膜版，注入磷形成N型重?fù)诫s源區(qū)，峰值摻雜濃度為1 X 1019cm_3。七、用重?fù)诫sP接觸掩膜版，注入鋁形成P型重?fù)诫s區(qū)，峰值摻雜濃度為 IXio1W3O八、用JFET區(qū)掩膜版，在JFET區(qū)表面注入鋁，峰值濃度為2X 1016cm_3。九、在氬氣氛圍中，1600°C下快速熱退火5分鐘，激活注入離子。十、在1150°C下采用加熱合成氧化技術(shù)，用2. 5小時(shí)生成50nm厚的薄氧化層，隨后在一氧化氮氛圍中，1175°C下退火2小時(shí)。氣相淀積0. 6Μπι的多晶硅，注入磷形成N型重?fù)诫s，峰值濃度為lX102°cm_3。用多晶硅柵掩膜版光刻并刻蝕形成柵氧化層和多晶硅柵電極。十一、淀積隔離二氧化硅層，用接觸掩膜版光刻并刻蝕形成源區(qū)接觸孔，淀積金屬化源極，電極材料為鎳。十二、背面淀積鎳形成金屬化漏極。此外，本發(fā)明中的雙溝道結(jié)構(gòu)還可應(yīng)用于溝槽柵M0SFET，如圖4中所示。其工作原理與平面柵VDMOS器件相似，溝槽結(jié)構(gòu)利用RIE (反應(yīng)離子刻蝕)形成，溝槽柵下的薄P層和薄N層均可利用外延生長得到。相比于平面柵VDMOS器件，溝槽柵MOSFET中沒有JFET區(qū)， 導(dǎo)通時(shí)電子直接從源區(qū)通過溝道流入漂移區(qū)，縮短了流通路徑，導(dǎo)通電阻更小；同時(shí)溝槽柵下的N薄層和P薄層形成的PN結(jié)勢壘區(qū)，一定程度上減弱了槽柵底部尖角處的電場集中， 提高了柵氧化層的可靠性。作為一個(gè)實(shí)施例，溝槽柵MOSFET可通過以下方法制備得到，工藝步驟為
一、SiC基底準(zhǔn)備，采用N型重?fù)诫s4H-SiC襯底，摻雜濃度為1 X 1019cm_3，其晶向?yàn)?(0001)。
二、N漂移區(qū)生長，采用氣相外延法，利用偏晶軸技術(shù)，在1600°C下在襯底上生長 9Mm的N外延層，摻雜濃度為1.0X1016cm_3。三、采用氣相外延法生長1. 5Mffl的P型外延層，用以生成P型體區(qū)，摻雜濃度為 3 X IO1W30四、用源區(qū)掩膜版，注入磷形成N型重?fù)诫s源區(qū)，峰值摻雜濃度為1 X IO19Cm-3,結(jié)深控制為0. 5Mm。五、用重?fù)诫sP接觸掩膜版，注入鋁形成P型重?fù)诫s區(qū)，峰值摻雜濃度為 1 X IO19CnT3，結(jié)深控制為 0. 5Mm0六、在氬氣氛圍中，1600°C下快速熱退火5分鐘，激活注入離子。七、使用鎳金屬掩膜版，利用反應(yīng)離子刻蝕(RIE)，用SF6刻出2Mm深的柵極溝槽。八、在950°C下利用濕氧氧化對(duì)晶片熱處理15分鐘，并去除氧化層，以改善溝槽表面粗糙度。九、外延生長N型外延層，摻雜濃度為2\10、111_3，厚度為0.2|^。十、外延生長P型外延層，摻雜濃度為3父1017(^_3，厚度為0. lMm。十一、在1150°C下采用加熱合成氧化技術(shù)，用2. 5小時(shí)生成50nm厚的薄氧化層，隨后在一氧化氮氛圍中，1175°C下退火2小時(shí)。氣相淀積0.6Mm的多晶硅。用多晶硅柵掩膜版光刻并刻蝕形成柵氧化層和多晶硅柵電極。十二、注入磷形成N型接觸區(qū)，并對(duì)多晶硅柵電極進(jìn)行摻雜，峰值濃度為 IX IO20CnT3。十三、刻蝕溝槽外多余薄層外延結(jié)構(gòu)，淀積金屬化源極并圖形化，電極材料為鎳。十四、在晶片表面淀積二氧化硅鈍化層。十五、背面淀積鎳形成金屬化漏極。
權(quán)利要求
1.一種垂直雙擴(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)管，包括金屬化漏極(1)、N+襯底(2)、N_漂移區(qū)(3)、深P體區(qū)(5)、N型重?fù)诫s源區(qū)(6)、P型重?fù)诫s區(qū)(7)、柵氧化層(10)、多晶硅柵電極(11)和金屬化源極(12)，金屬化漏極(1)位于N+襯底(2)背面，N_漂移區(qū)(3)位于N+襯底(2)正面，N—漂移區(qū)(3)的上部為結(jié)型場效應(yīng)晶體管區(qū)(4)，其特征在于①深P體區(qū)(5) 位于N—漂移區(qū)(3)上方兩側(cè)，通過P型重?fù)诫s區(qū)(7)、金屬化源極(12)與N型重?fù)诫s源區(qū) (6)相連，抑制器件的寄生三極管效應(yīng)，柵氧化層(10)生長于P外延層(9)和結(jié)型場效應(yīng)晶體管區(qū)(4)之上，柵氧化層(10)的表面是多晶硅柵電極(11)，所述多晶硅柵電極(11)與金屬化源極(12)之間設(shè)置了隔離介質(zhì)；②在N型重?fù)诫s源區(qū)(6)與結(jié)型場效應(yīng)管區(qū)(4)之間設(shè)置有兩層導(dǎo)電溝道結(jié)構(gòu)N型埋層溝道(8 )和P型外延層(9 )，所述N型埋層溝道(8 )設(shè)置在下方，所述P型外延層(9 )放在上方，用于形成反型溝道。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的垂直雙擴(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)管，其特征在于，P型外延層(9)和N型埋層溝道(8)均為外延生長層，其中P型外延層(9)厚度為0. lMm，N型埋層溝道(8)的厚度為0. 2Mm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的垂直雙擴(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)管，其特征在于，P型外延層(9)在導(dǎo)通時(shí)形成反型溝道，N型埋層溝道(8)提供額外電子源，產(chǎn)生電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的垂直雙擴(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)管，其特征在于，結(jié)型場效應(yīng)晶體管區(qū)(4)的表面進(jìn)行了離子注入，使其表面摻雜濃度高于下方的漂移區(qū)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種垂直雙擴(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)管，包括金屬化漏極1、N+襯底2、N-漂移區(qū)3、深P體區(qū)5、N型重?fù)诫s源區(qū)6、P型重?fù)诫s區(qū)7、N型埋層溝道8、P型外延層9、柵氧化層10、多晶硅柵電極11和金屬化源極12。該垂直雙擴(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)管在導(dǎo)通時(shí)通過兩個(gè)溝道的共同導(dǎo)電機(jī)制，大大減小器件的導(dǎo)通電阻；在阻斷時(shí)通過P+N結(jié)勢壘對(duì)溝道的電場屏蔽，實(shí)現(xiàn)較高的耐壓水平，達(dá)到1000V以上。
文檔編號(hào)H01L29/78GK102364688SQ201110351748
公開日2012年2月29日 申請日期2011年11月9日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月9日
發(fā)明者劉影, 張有潤, 張波, 高云斌 申請人:電子科技大學(xué)