高K介质沟槽横向超结双扩散金属氧化物宽带隙半导体场效应管及其制作方法技术

本发明专利技术提出了一种高K介质(High‑K Dielectric Pillar，HK)沟槽横向超结双扩散金属氧化物宽带隙半导体场效应管(SJ‑LDMOS)及其制作方法。该器件主要是在SJ‑LDMOS器件的漏端区域形成具有深沟槽的高K介质层，深沟槽的高K介质层下端深入器件衬底上的外延层，上端与器件表面的漏电极相连接。在器件关断时高K介质层上具有均匀的电场从而可以调制器件的体内的电场分布，降低了器件漏端的纵向高峰电场，优化了器件的纵向电场分布；同时，高K介质层与宽带隙半导体材料衬底形成MIS电容结构，器件关断时能够有效地辅助耗尽衬底中的电荷，从而进一步优化了器件击穿电压与比导通电阻之间的矛盾关系。

【技术实现步骤摘要】
高K介质沟槽横向超结双扩散金属氧化物宽带隙半导体场效应管及其制作方法
本专利技术涉及功率半导体器件领域，特别是涉及一种横向超结双扩散金属氧化物半导体场效应管。
技术介绍
宽带隙半导体材料具有大的禁带宽度、高临界击穿电场、高热导率和高电子饱和漂移速度等特点，因此其在大功率、高温以及高频的电力电子领域有非常广阔的应用前景。目前在以宽带隙半导体(典型SiC)为衬底的场效应管中，以横向双扩散MOS(LateralDouble-diffusedMOS，简称LDMOS)为代表的横向功率器件广泛应用在高压集成电路(HighVoltageIntegratedCircuit，简称HVIC)和智能功率集成电路(SmartPowerIntegratedCircuit，简称SPIC)中。为了进一步优化LDMOS器件中击穿电压(BreakdownVoltage，简称BV)和比导通电阻(SpecificOnResistance，简称RON,sp)的矛盾关系。将超结(SuperJunction，简称SJ)技术用于LDMOS形成SJ-LDMOS结构打破了传统功率MOS器件的极限关系。然而在宽带隙半导体SJ-LDMOS实现的过程中遇到了许多问题，包括衬底辅助耗尽效应SAD(SubstrateAssistedDepletion)等问题。随之国际上提出了一些消除SAD的器件结构，其中采用缓冲层结构的BufferedSJ-LDMOS器件能够有效地消除器件本身的SAD问题。然而随着SJ-LDMOS器件漂移区长度的增加，在器件表面电场采用降低表面电场(ReducedSurfaceField，简称RESURF)等技术优化的条件下，器件的纵向电场分布并没有优化，从而限制了SJ-LDMOS器件的BV。由于横向功率器件的耐压是由横向和纵向电场综合决定的，为了提高SJ-LDMOS的击穿电压，器件的横向电场和纵向电场需要同时优化。目前，优化SJ-LDMOS器件纵向电场的技术较少。
技术实现思路
本专利技术提出了一种高K介质(High-KDielectricPillar，HK)沟槽横向超结双扩散金属氧化物宽带隙半导体场效应管，旨在优化SJ-LDMOS器件击穿电压与比导通电阻的矛盾关系。本专利技术的技术方案如下：高K介质沟槽横向超结双扩散金属氧化物宽带隙半导体场效应管，包括：半导体材料的衬底；在衬底上生长的外延层；在所述外延层上形成的基区和缓冲层；缓冲层掺杂的浓度与缓冲层厚度的乘积满足电荷平衡原理以消除衬底辅助耗尽效应；在所述缓冲层上形成的超结漂移区，超结漂移区由若干相间排列的N柱和P柱构成；在所述基区上临近超结漂移区的一侧形成的源区和沟道，在超结漂移区的另一侧形成的漏区；在基区中源区外侧形成的沟道衬底接触；在源区和沟道衬底接触表面短接形成的源电极；对应于沟道形成的栅绝缘层以及栅电极；在漏区上形成的漏电极；其特殊之处在于：所述衬底为宽带隙半导体材料，部分漏区刻蚀形成深沟槽，该深沟槽下端穿过超结漂移区以及缓冲层并深入到衬底上方的外延层，深沟槽内填充有高K介质，高K介质的深宽比主要根据器件耐压等级确定，高K介质的上端经多晶硅接触层与所述漏电极相接。在以上方案的基础上，本专利技术还作了如下优化：多晶硅接触层和漏电极的整体厚度与栅电极的厚度相当。高K介质的相对介电常数是100～2000。高K介质的深度(即深沟槽的深度)与漂移区长度相关，较佳的取值为：高K介质的深度是超结漂移区长度的1/4～2倍。高K介质的深宽比(即深沟槽的深宽比)根据器件耐压等级和实际宽带隙材料的工艺进行确定。例如：器件耐压为600V时，高K介质的深宽比为5/1-20/1。宽带隙半导体材料的衬底的掺杂浓度为1×1013cm-3～1×1015cm-3。缓冲层的掺杂浓度为1×1014cm-3～1×1016cm-3。超结漂移区的掺杂浓度为1×1015cm-3～1×1017cm-3。宽带隙半导体材料为氮化镓、碳化硅或金刚石。高K介质沟槽横向超结双扩散金属氧化物宽带隙半导体场效应管的制备方法，包括以下步骤：1)取宽带隙半导体材料的衬底；2)在衬底上生长外延层；3)在外延层上通过高温离子注入和高温激活等工艺形成基区和缓冲层；4)分别通过N型和P型高温离子注入和高温激活等工艺在所述缓冲层上形成超结漂移区，超结漂移区由若干相间排列的N柱和P柱构成；5)在基区和漂移区上通过钝化工艺形成有源区；6)有源区上生长栅氧化层并淀积多晶硅，再刻蚀多晶硅形成栅电极；7)然后通过高温离子注入和高温激活等工艺在基区临近漂移区的一侧形成源区和沟道，同时在漂移区的另一侧形成漏区；8)在所述基区中源区外侧通过高温离子注入和高温激活等工艺形成沟道衬底接触；9)在部分漏区通过沟槽刻蚀工艺形成深沟槽，然后淀积高K介质材料；10)在高K介质沟槽表面淀积多晶硅形成与HK材料的接触；11)在器件表面淀积钝化层，然后刻蚀接触孔；12)在器件上表面淀积金属；13)在所述源区和沟道衬底接触上方通过接触孔短接形成源极；14)在漏区上方通过接触孔形成漏电极；本专利技术技术方案的有益效果如下：利用深沟槽技术在器件漏端区域形成高深宽比的沟槽，沟槽中淀积高K介质材料。通过器件漏端的深槽高K介质层可以有效地降低器件体内由于漏区柱面结产生的高峰电场，并且在器件关断时高K介质层上具有均匀的电场，可以有效地调制器件的体电场优化器件的纵向电场分布。深沟槽的高K介质层下端深入到器件的宽带隙半导体衬底中，上端与器件表面的漏电极相连接。高K介质层与宽带隙半导体材料衬底形成MIS电容结构，在器件关断时能够有效地辅助耗尽中的电荷，提高了器件衬底的掺杂浓度，使得具有低阻衬底的SJ-LDMOS可以获得高的击穿电压。总之，深槽高K介质层解决了横向SJ-LDMOS器件随着器件漂移区长度击穿电压易饱和的问题，从而进一步优化了器件击穿电压与比导通电阻之间的矛盾关系。附图说明图1为本专利技术实施例的器件三维结构示意图。图2为本专利技术实施例的器件正面示意图。附图标号说明：1-源电极；2-栅电极；3-栅绝缘层；4-超结漂移区；41-N柱；42-P柱；5-漏电极；6-多晶硅接触层；7-高K介质(填充于深沟槽)；8-漏区；9-缓冲层；10-外延层；11-衬底；12-基区；13-源区；14-沟道衬底接触；15-沟道。具体实施方式如图1、图2所示，本专利技术的提出的高K介质沟槽的横向超结双扩散金属氧化物宽带隙半导体场效应管，包括：宽带隙半导体材料(例如氮化镓、碳化硅或金刚石)的衬底11(衬底的掺杂浓度为1×1013cm-3～1×1015cm-3)；在衬底上生长的外延层10；在外延层上形成的基区12和缓冲层9；缓冲层掺杂的浓度与缓冲层厚度的乘积满足电荷平衡原理以消除衬底辅助耗尽效应；缓冲层的掺杂浓度为1×1014cm-3～1×1016cm-3；在缓冲层上形成的超结漂移区4，超结漂移区由若干相间排列的N柱41和P柱42构成；超结漂移区的掺杂浓度为1×1015cm-3～1×1017cm-3；在基区12上临近超结漂移区的一侧形成的源区13和沟道15，在超结漂移区的另一侧形成的漏区8；在基区中源区外侧形成的沟道衬底接触14；在源区和沟道衬底接触表面短接形成的源电极1；对应于沟道形成的栅绝缘层3以及栅电极2；在漏区上形成的漏电极5；部分漏区刻蚀本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.高K介质沟槽横向超结双扩散金属氧化物宽带隙半导体场效应管，包括：半导体材料的衬底；在衬底上生长的外延层；在所述外延层上形成的基区和缓冲层；缓冲层掺杂的浓度与缓冲层厚度的乘积满足电荷平衡原理以消除衬底辅助耗尽效应；在所述缓冲层上形成的超结漂移区，超结漂移区由若干相间排列的N柱和P柱构成；在所述基区上临近超结漂移区的一侧形成的源区和沟道，在超结漂移区的另一侧形成的漏区；在基区中源区外侧形成的沟道衬底接触；在源区和沟道衬底接触表面短接形成的源电极；对应于沟道形成的栅绝缘层以及栅电极；在漏区上形成的漏电极；其特征在于：所述衬底为宽带隙半导体材料，部分漏区刻蚀形成深沟槽，该深沟槽下端穿过超结漂移区以及缓冲层并深入到衬底上方的外延层，深沟槽内填充有高K介质，高K介质的深宽比主要根据器件耐压等级确定，高K介质的上端经多晶硅接触层与所述漏电极相接。

【技术特征摘要】
1.高K介质沟槽横向超结双扩散金属氧化物宽带隙半导体场效应管，包括：半导体材料的衬底；在衬底上生长的外延层；在所述外延层上形成的基区和缓冲层；缓冲层掺杂的浓度与缓冲层厚度的乘积满足电荷平衡原理以消除衬底辅助耗尽效应；在所述缓冲层上形成的超结漂移区，超结漂移区由若干相间排列的N柱和P柱构成；在所述基区上临近超结漂移区的一侧形成的源区和沟道，在超结漂移区的另一侧形成的漏区；在基区中源区外侧形成的沟道衬底接触；在源区和沟道衬底接触表面短接形成的源电极；对应于沟道形成的栅绝缘层以及栅电极；在漏区上形成的漏电极；其特征在于：所述衬底为宽带隙半导体材料，部分漏区刻蚀形成深沟槽，该深沟槽下端穿过超结漂移区以及缓冲层并深入到衬底上方的外延层，深沟槽内填充有高K介质，高K介质的深宽比主要根据器件耐压等级确定，高K介质的上端经多晶硅接触层与所述漏电极相接。2.根据权利要求1所述的高K介质沟槽横向超结双扩散金属氧化物宽带隙半导体场效应管，其特征在于：高K介质的相对介电常数是100～2000。3.根据权利要求1所述的高K介质沟槽横向超结双扩散金属氧化物宽带隙半导体场效应管，其特征在于：高K介质的深度是超结漂移区长度的1/4～2倍。4.根据权利要求1所述的高K介质沟槽横向超结双扩散金属氧化物宽带隙半导体场效应管，其特征在于：器件耐压为600V时，高K介质的深宽比为5/1-20/1。5.根据权利要求2所述的高K介质沟槽横向超结双扩散金属氧化物宽带隙半导体场效应管，其特征在于：多晶硅接触层和漏电极的整体厚度与栅电极的厚度相当。6.根据权利要求1所述的高K介质沟槽横向超结双扩散金属氧化物宽带隙半导体场效应管，其特征...

【专利技术属性】
技术研发人员：段宝兴，曹震，师通通，杨鑫，杨银堂，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61