具有平面沟道的垂直功率金属氧化物半导体场效应晶体管制造技术

本实用新型专利技术公开了一种功率金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)单体，包括一N+硅基板，其具有漏极电极。低掺杂物浓度N型漂移层生长在该基板上面。具有比该漂移区更高掺杂物浓度的N型层随后形成及刻蚀，以具有侧壁。P‑井形成在该N型层中，而N+源极区形成在该P‑井中。栅极形成在该P‑井的侧向沟道上面，并在该等侧壁的顶端部分旁边具有垂直延伸物。正栅极电压反转该侧向沟道并沿着该等侧壁提高该传导，以减小导通电阻。垂直屏蔽场板也位于该等侧壁旁边，并几乎延伸该等侧壁的整个长度。当该装置为关断以提高该击穿电压时，该场板侧向耗尽该N型层。

A vertical power metal oxide semiconductor field effect transistor with a planar channel

The utility model discloses a power metal oxide semiconductor field effect transistor (MOSFET) monomer, including a N+ silicon substrate, which has a drain electrode. The N type drift layer of low dopant concentration grows on the substrate. The N type layer with higher dopant concentration than the drift region is subsequently formed and etched to have the side wall. P wells formed in the N layer, N+ source region is formed on the P wells. The gate electrode is formed on the lateral channel above the P wells, and in the side wall of the top part of the side with a vertical extension. The positive gate voltage reverses the lateral channel and increases the conduction along the equal side wall to reduce the conduction resistance. The vertical shielded field plate is also located next to the equal side wall and extends almost the entire length of the equal side wall. When the device is turned off to increase the breakdown voltage, the field plate is laterally depleted of the N layer.

【技术实现步骤摘要】
具有平面沟道的垂直功率金属氧化物半导体场效应晶体管
本技术涉及功率金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)，尤其涉及一种具有平面双扩散金属氧化物半导体(DMOS)部分和垂直传导部分的垂直晶体管。
技术介绍
垂直MOSFET因提供厚的低掺杂物浓度漂移层以在该关断状态下达成高击穿电压的能力，而普遍作为高电压、高功率晶体管。通常，该MOSFET包括一高度掺杂N型基板；一厚的低掺杂物浓度N型漂移层；一P型主体层，其形成在该漂移层中；一N型源极，其在该主体层的顶端；以及一栅极，其藉由薄栅极氧化物与该沟道区隔开。源极电极形成在该顶端表面上，而漏极电极形成在该底面上。当该栅极相对于该源极足够正值时，介于该N型源极与该N型漂移层之间的P型主体的沟道区反转，以在该源极与漏极之间建立传导路径。在该装置的关断状态下，当该栅极短路至该源极或为负值时，该漂移层耗尽，并可在该源极与漏极之间保持高击穿电压(例如超过600伏特)。然而，因所需该厚的漂移层低掺杂，而使该导通电阻受到影响。提高该漂移层的掺杂减小该导通电阻，但降低该击穿电压。图1是在单体的数组中的惯用平面垂直DMOS晶体管单体10的剖面图。平面DMOS晶体管因其相较于沟槽MOSFET的耐用性，而广泛使用在众多功率切换应用中。然而，该惯用平面DMOS晶体管具有较高的指定导通电阻(Rsp,specificon-resistance)，其为导通电阻与有效面积的乘积。所需为具有减小Rsp和较低输入电容(Ciss,inputcapacitances)、输出电容(Coss,outputcapacitances)及转移电容(Crss,transfercapacitances)或门极电荷(Qg,gatecharge)的DMOS晶体管，以降低该晶体管的传导和切换损耗。在图1所示该惯用DMOS结构中的重要电阻组件会在沿着反转沟道12和在P-井16区旁边的接面场效晶体管(JFET)区14的该电压降时出现。当足够正值的电压施加于栅极17时，栅极17反转沟道12。源极电极18通过P+接点区22接触N++源极区20和P-井16。介电体53隔离栅极17和源极电极18。当栅极17反转沟道12时，在源极区20与低掺杂物密度N--漂移区24之间形成水平电流路径，然后该电流垂直流经N--漂移区24、N++基板26和漏极电极28。N--漂移区24需要相对较厚以具有高击穿电压，但N--漂移区24的低掺杂物密度和厚度提高导通电阻。JFET区14限制该电流流动，而使用足够宽的P-井间距(2Y)以最小化该JFET电阻分量很重要。然而，提高该间距Y导致单体间距和该有效面积增加。因此，这种权衡利弊导致Rsp的改善有限。本领域极需具有良好Rsp和相较于图1较小表面积以提高单体密度的平面、垂直DMOS晶体管。又，该晶体管应具有高击穿电压和高切换速度。
技术实现思路
所揭示为具有减小Rsp和栅极电荷Qg的全新DMOS晶体管结构，同时具有高击穿电压和高切换速度。所形成的MOSFET具有用于侧向电流流动的平面沟道区，以及用于垂直电流流动的垂直传导路径。在一个具体实施例中，P-井(本体区)形成在N型层中，其中有比该P-井更深的沟槽形成在该N型层中，产生该N型层的垂直侧壁。该N型层比该N型层下方的N型漂移层更高度掺杂。该N型漂移层可以在惯用垂直MOSFET中制作得比该漂移层更薄，同时仍达成相同击穿电压。该栅极的第一部分迭置该顶端平面沟道区，而该栅极的第二部分垂直延伸至在该N型层的垂直侧壁旁边的沟槽中。该MOSFET包括一垂直屏蔽场板，其由传导材料(例如掺杂多晶硅)形成、填充该沟槽并藉由介电材料(例如氧化物)与该等侧壁隔离。该场板比该P-井更深，以通过在该关断状态下侧向耗尽该N型层而在该N型层中提供有效电场缩减。该场板可能连接至该源极、或至该栅极、或为浮接。当该MOSFET为关断以提高该击穿电压时，该栅极的垂直部分和该场板两者皆有助于侧向耗尽该N型层。当该MOSFET为接通以减小该导通电阻时，该栅极的垂直部分也沿着在该P-井对面的该等N型层侧壁积聚电子。因此，由于该JFET区(介于该P-井与沟槽之间)可以制作得较窄而不会过度约束该电流路径，故该等单体可能较小型。另外，由于该N型层可以相对较高度掺杂而不会降低该击穿电压，故该导通电阻进一步减小。该栅极的垂直部分、该场板、该相对较重掺杂的N型层和缩减厚度的N型漂移层的复合作用，提供提高的击穿电压、减小导通电阻和每晶粒较低的成本(由于每单位面积的导通电阻较低，故允许每个晶粒制作得较小型)。该结构因每单位面积的导通电阻较低而允许较高的单体密度(包括条带(strips))，从而实现每单位面积较大的电流处理能力。由于介于该N型层与该漏极电极之间的低掺杂物浓度漂移区可以制作得较薄而不会降低该击穿电压，故每单位面积导通电阻(指定导通电阻Ron*面积)低于该惯用垂直功率MOSFET。为加速切换而减小该栅极-漏极电容，该垂直场板可以连接至该源极电极(而非至该栅极)，且该水平栅极部分不会延伸至该场板上面。在一个具体实施例中，该栅极、该垂直场板和该N型层掺杂及厚度选择，使得该N型层在击穿开始时完全耗尽。在一个应用中，负载耦合于该底部漏极电极与正电压供应之间，且该晶体管的顶端表面上的源极电极为接地。当该栅极相对于该源极电极足够正值偏压时，电流供应给该负载。若该MOSFET与交流电压共享，则该MOSFET的PN二极管将在该漏极比该源极更负值时传导。当该极性反向且该二极管反向偏压时，在该栅极偏压至关断状态之后、该MOSFET完全关断之前有必须去除的储存电荷。由于该N型层中有较高掺杂物程度，故此储存电荷较快去除，从而实现切换时间加速。换言之，该MOSFET结构在该PN二极管偏压接通之后缩减该回复时间。绝缘栅极双极性晶体管(IGBT,Insulatedgatebipolartransistor)结构也通过使用P+基板而形成。说明其他具体实施例。附图说明图1是在相同的相连单体的数组中的惯用平面垂直DMOS晶体管单体的剖面图。根据本专利技术的一个具体实施例，图2A是在并联所连接相同的相连单体的数组中单一的垂直DMOS晶体管单体(其可能为条带的一部分)的剖面图，其中该栅极导体包括一垂直部分，其围绕沟槽垂直侧壁的一部分以改善导通电阻，且其中垂直屏蔽场板也在沟槽中以提高击穿电压。根据本专利技术的其他具体实施例，图2B至图7C和图9A至图10W也是在并联所连接相同的相连单体的数组中单一的DMOS晶体管单体的剖面图。图2B例示在该沟槽下方使用P-屏蔽区以提高击穿电压。图2C例示使用相对较高度掺杂的P-纵列和N-纵列以减小导通电阻。图2D例示使用相邻该P-井的增强N型表面区(N-Surf)以减小导通电阻。图2E例示在该沟槽底部与P-屏蔽区之间使用增强N型区(N-顶端)以改善关断切换时间。图2F例示使用相对较高度掺杂的P-纵列和N-纵列而无P-屏蔽区以减小导通电阻和关断切换时间。图3A例示延伸至该沟槽以改善耐用性并缩减每个单体的大小的P-井，其中该栅极的垂直部分反转紧邻该沟槽的P-井。图3B例示使用增强N型表面区(N-Surf)以减小导通电阻。图3C例示在该沟槽下方使用P-屏蔽区以提高击穿电压。图3D例示使用相对较高度掺杂的P本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种具有平面沟道的垂直功率金属氧化物半导体场效应晶体管，其特征在于，包含：一半导体基板，在其底面上具有一第一电极；在该基板上方一第一导电类型的一第一层，该第一层具有一第一掺杂物浓度；在该第一层上方该第一导电类型的一第二层，该第二层具有高于该第一掺杂物浓度的一第二掺杂物浓度，该第二层具有一顶端表面；一沟槽，其具有联接该第二层的一垂直侧壁；在该第二层的顶端表面上一第二导电类型的一井区，该井区具有一顶端表面；在该井区的顶端表面上该第一导电类型的一第一区，其中介于该第一区与该井区的一边缘之间的一区域包含一沟道，其用于由一栅极反转；一传导栅极，其覆盖该沟道以在该栅极偏压高于一临界电压时，在该沟道中建立一侧向导电路径，该栅极，其具有面向该垂直侧壁并与该侧壁隔离的一垂直延伸物；一垂直场板，其面向该第二层的垂直侧壁并与该侧壁隔离；一第二区，其为该第一导电类型，围绕及隔绝该井区并延伸至垂直侧壁的该沟槽，该第二区具有高于该第二掺杂物浓度的一掺杂物浓度，其为减小导通电阻；以及一第二电极，其电接触该井区和该第一区，其中当一电压施加于该第一电极与该第二电极之间且该栅极偏压高于该临界电压时，一侧向电流流经该沟道且一电流流动于该沟道与该基板之间。...

【技术特征摘要】
1.一种具有平面沟道的垂直功率金属氧化物半导体场效应晶体管，其特征在于，包含：一半导体基板，在其底面上具有一第一电极；在该基板上方一第一导电类型的一第一层，该第一层具有一第一掺杂物浓度；在该第一层上方该第一导电类型的一第二层，该第二层具有高于该第一掺杂物浓度的一第二掺杂物浓度，该第二层具有一顶端表面；一沟槽，其具有联接该第二层的一垂直侧壁；在该第二层的顶端表面上一第二导电类型的一井区，该井区具有一顶端表面；在该井区的顶端表面上该第一导电类型的一第一区，其中介于该第一区与该井区的一边缘之间的一区域包含一沟道，其用于由一栅极反转；一传导栅极，其覆盖该沟道以在该栅极偏压高于一临界电压时，在该沟道中建立一侧向导电路径，该栅极，其具有面向该垂直侧壁并与该侧壁隔离的一垂直延伸物；一垂直场板，其面向该第二层的垂直侧壁并与该侧壁隔离；一第二区，其为该第一导电类型，围绕及隔绝该井区并延伸至垂直侧壁的该沟槽，该第二区具有高于该第二掺杂物浓度的一掺杂物浓度，其为减小导通电阻；以及一第二电极，其电接触该井区和该第一区，其中当一电压施加于该第一电极与该第二电极之间且该栅极偏压高于该临界电压时，一侧向电流流经该沟道且一电流流动于该沟道与该基板之间。2.如权利要求1所述的具有平面沟道的垂直功率金属氧化物半导体场效应晶体管，其特征在于，还包含：该第一导电类型的一第三层，其介于该第一层与该第二层之间并位于该沟道下方；以及该第二导电类型的一第四层，其在该第三层的相对侧上侧向邻接该第三层，在该第三层和第四层中的一掺杂物浓度高于该第一掺杂物浓度。3.如权利要求2所述的具有平面沟道的垂直功率金属氧化物半导体场效应晶体管，其特征在于，还包含该第二导电类型的一第五层，其在该沟槽下方并侧向紧邻该第二层。4.如权利要求3所述的具有平面沟道的垂直功率金属氧化物半导体场效应晶体管，其特征在于，该第五层邻接该第四层。5.如权利要求3所述的具有平面沟道的垂直功率金属氧化物半导体场效应晶体管，其特征在于，该第一层与该第四层垂直隔开。6.如权利要求1所述的具有平面沟道的垂直功率金属氧化物半导体场效应晶体管，其特征在于，该垂直场板电连接至该第二电极。7.如权利要求1所述的具有平面沟道的垂直功率金属氧化物半导体场效应晶体管，其特征在于，将该栅极具有一垂直延伸物，其面对该垂直侧壁并从该侧壁隔绝，以及其中该栅极的垂直延伸物中至少有部分是面对该第二区。8.如权利要求1所述的具有平面沟道的垂直功率金属氧化物半导体场效应晶体管，其特征在于，该垂直场板电连接至该栅极。9.如权利要求1所述的具有平面沟道的垂直功率金属氧化物半导体场效应晶体管，其特征在于，该垂直场板比该井区更深。10.如权利要求1所述的具...

【专利技术属性】
技术研发人员：穆罕默德·恩·达维希，曾军，苏世宗，
申请(专利权)人：马克斯半导体股份有限公司，
类型：新型
国别省市：美国,US