超结结构及其制造方法技术

本发明专利技术公开了一种超结结构，由两层超结子结构叠加而成，两层P型子柱都由填充于对应的子沟槽中的P型子外延层组成，每个子柱的顶部位置处的P型柱的宽度大于N型柱的宽度，能降低P型柱的掺杂浓度同时提高N型柱的掺杂浓度；P型柱和N型柱之间的电荷平衡根据使器件反偏时使整个所述超结单元结构中仅在一个纵向位置具有最大电场强度来设置。本发明专利技术还公开了一种超结结构的制造方法。本发明专利技术能提高器件性能如击穿电压和雪崩耐量的一致性；同时使器件的导通电阻得到保持或降低，有利于器件的高温应用。

Super junction structure and its manufacturing method

【技术实现步骤摘要】
超结结构及其制造方法
本专利技术涉及半导体集成电路制造领域，特别是涉及一种超结结构；本专利技术还涉及一种超结结构的制造方法。
技术介绍
超结结构就是交替排列的N型柱和P型柱的结构。如果用超结结构来取代垂直双扩散MOS晶体管(VerticalDouble-diffusedMetal-Oxide-Semiconductor，VDMOS)器件中的N型漂移区，在导通状态下提供导通通路，对于N型器件，只有N型柱提供通路，P型柱不提供；在截止状态下承受反偏电压，这时P型柱和N型柱互相横向耗尽而共同承受，就形成了超结金属-氧化物半导体场效应晶体管(Metal-Oxide-SemiconductorField-EffectTransistor，MOSFET)。超结MOSFET能在反向击穿电压与传统的VDMOS器件一致的情况下，通过使用低电阻率的外延层，而使器件的导通电阻大幅降低。通过在N型外延层中形成沟槽，通过在沟槽中填充P型外延层，形成交替排列的PN型柱，是一种可以批量生产的超结的制造方法。如果需要制造更高反偏击穿电压(BV)的器件或者更低比导通电阻(Rsp)的器件，都需要PN柱即一个P型柱和一个N型柱也即超结单元也的步进(pitch)更小，或者器件的PN柱深度加大，在采用沟槽填充P型外延的工艺时，上述要求都会造成下面的问题，P型柱的沟槽的高宽比太高，使得沟槽的刻蚀成为问题，特别时刻蚀后，沟槽底部的刻蚀残留物不能被清洗干净，造成器件失效；二是P型柱的沟槽的高宽比太大，使得器件的外延填充变得更加困难，造成存在外延空洞或者外延填充的时间过长而增加了制造成本。因此在这些情况下，一种方法是将P型柱的形成分成多次或两次，降低每次P型柱的高宽比，使得沟槽的刻蚀，清洗和填充工艺变得可以实现，且有成本优势。当沟槽是完全垂直时，可以做到没有水平位置上P-N柱得到很好的平衡，因此PN柱浓度的选择比较易于进行。但为了加快沟槽中外延的填充，会把沟槽做成一定的倾斜角，这时在PN柱的不同纵向位置上的各水平位置的P型柱的宽度和N柱型的宽度的比值都是变化的，因此不同位置完全实现平衡的P型柱浓度就不同，这里假设N型外延层的浓度均匀，这时这个P型柱的浓度的选择的有关内容，还没有披露。特别是，现有技术中，为了获得较低的比导通电阻，一般会设计PN柱的N型柱的宽度大于或等于P型柱宽度，这样可以保证增大N型区域的面积，降低器件的比导通电阻，例如现有实际使用中P型柱宽度和N型柱宽度为5微米(P型柱)/12微米(N型柱)，5微米/8微米，5微米/6微米，4微米/5微米，2微米/3微米。但是这样，P型杂质的浓度会被选取得高于N型杂质浓度以达到电荷平衡，这个在制造工艺中，特别是在沟槽工艺中，增加了工艺控制的难度，因为工艺控制一般是以中心线的偏移百分比进行管控，例如电阻率在正负3％之内变化，这样浓度绝对值的提高，同样百分比的工艺变化，带来的杂质总量的变化就加大，电荷失衡的程度就严重，器件性能的偏离，包括击穿电压的偏离就大，影响器件的一致性。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是提供一种超结结构，采用两层超结子结构叠加而成，从而能降低工艺难度，能提高器件的一致性，同时使器件导通电阻得到保持或降低。为此，本专利技术还提供一种超结结构的制造方法。为解决上述技术问题，本专利技术提供的超结结构包括：第一N型子外延层，在所述第一N型子外延层中形成有由第一P型子柱和第一N型子柱交替排列形成第一超结子结构。第二N型子外延层，形成于形成有所述第一超结子结构的所述第一N型子外延层的表面，在所述第二N型子外延层中形成有由第二P型子柱和第二N型子柱交替排列形成第二超结子结构。所述第一P型子柱由填充于第一子沟槽中的第一P型子外延层组成，所述第一子沟槽形成在所述第一N型子外延层中，所述第一子沟槽的底部表面位于所述第一N型子外延层的底部表面之上，由各所述第一P型子柱之间的所述第一N型子外延层组成对应的第一N型子柱。所述第二P型子柱由填充于第二子沟槽中的第二P型子外延层组成，所述第二子沟槽形成在所述第二N型子外延层中，所述第二子沟槽叠加在对应的所述第一子沟槽之上并保证将对应的所述第一P型子柱的顶部表面暴露；由所述第二P型子柱之间的所述第二N型子外延层组成第二N型子柱。所述第二P型子柱和底部对应的所述第一P型子柱相接触并纵向叠加形成P型柱；由所述第二N型子柱和底部对应的所述第一N型子柱纵向叠加形成N型柱；由所述P型柱和所述N型柱交替排列形成由所述第一超结子结构和所述第二超结子结构叠加而成的超结结构。由一个所述P型柱和一个相邻的所述N型柱形成一个超结单元结构。所述第一P型子柱的顶部宽度大于所述第一N型子柱的顶部宽度，所述第二P型子柱的顶部宽度大于所述第二N型子柱的顶部宽度，所述第一P型子柱的顶部宽度和所述第一N型子柱的顶部宽度的差值或所述第二P型子柱的顶部宽度和所述第二N型子柱的顶部宽度的差值越大，在保证所述超结单元电荷平衡的条件下所述P型柱的掺杂浓度越低以及所述N型柱的掺杂浓度越高，所述P型柱的掺杂浓度越低，越有利于一致性的提高；所述N型柱的掺杂浓度越高，导通电阻的温度敏感性越低，有利于器件的温度应用范围增加。在所述超结单元结构中，所述P型柱和所述N型柱之间的电荷平衡根据使器件反偏时使整个所述超结单元结构中仅在一个纵向位置具有最大电场强度并使最大电场强度对应的纵向位置为击穿位置，从而提高器件性能的一致性。进一步的改进是，所述第一子沟槽为顶部开口大于底部开口的侧面倾斜的沟槽，所述第二子沟槽为顶部开口大于底部开口的侧面倾斜的沟槽，所述第二子沟槽的底部表面位于所述第一子沟槽的顶部表面内。在所述超结单元结构中，所述P型柱和所述N型柱之间的电荷平衡设置为：所述第一超结子结构的顶部位置处所述第一P型子柱的掺杂浓度在最佳电荷平衡对应的掺杂浓度的正负5％的范围内变化或者所述第二超结子结构的底部位置处所述第二P型子柱的掺杂浓度在最佳电荷平衡对应的掺杂浓度的正负5％的范围内变化，使所述超结结构反偏时所述P型柱的最大电场强度位置趋于所述第一P型子柱和所述第二P型子柱的接触位置，提高器件性能的一致性。所述第二超结子结构的底部位置之上各纵向位置处的所述第二P型子柱的P型掺杂总量大于同一水平位置的所述第二N型子柱的N型掺杂总量，改善所述第二超结子结构的底部位置之上的区域在雪崩击穿时的电荷平衡。进一步的改进是，所述第二超结子结构的底部位置具有最佳电荷平衡，所述第一超结子结构的顶部位置具有最佳电荷平衡。或者，所述第二超结子结构的底部位置具有最佳电荷平衡，所述第一超结子结构的顶部位置处所述第一P型子柱的掺杂浓度在最佳电荷平衡对应的掺杂浓度的正负5％的范围内变化。或者，所述第一超结子结构的顶部位置具有最佳电荷平衡，所述第二超结子结构的底部位置处所述第二P型子柱的掺杂浓度在最佳电荷平衡对应的掺杂浓度的正负5％的范围内变化。或者，所述第一超结子结构的顶部位置以下各位置处的所述第一P型子柱的掺杂浓度在最佳电荷平衡对应的掺杂浓本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种超结结构，其特征在于，包括：/n第一N型子外延层，在所述第一N型子外延层中形成有由第一P型子柱和第一N型子柱交替排列形成第一超结子结构；/n第二N型子外延层，形成于形成有所述第一超结子结构的所述第一N型子外延层的表面，在所述第二N型子外延层中形成有由第二P型子柱和第二N型子柱交替排列形成第二超结子结构；/n所述第一P型子柱由填充于第一子沟槽中的第一P型子外延层组成，所述第一子沟槽形成在所述第一N型子外延层中，所述第一子沟槽的底部表面位于所述第一N型子外延层的底部表面之上，由各所述第一P型子柱之间的所述第一N型子外延层组成对应的第一N型子柱；/n所述第二P型子柱由填充于第二子沟槽中的第二P型子外延层组成，所述第二子沟槽形成在所述第二N型子外延层中，所述第二子沟槽叠加在对应的所述第一子沟槽之上并保证将对应的所述第一P型子柱的顶部表面暴露；由所述第二P型子柱之间的所述第二N型子外延层组成第二N型子柱；/n所述第二P型子柱和底部对应的所述第一P型子柱相接触并纵向叠加形成P型柱；由所述第二N型子柱和底部对应的所述第一N型子柱纵向叠加形成N型柱；由所述P型柱和所述N型柱交替排列形成由所述第一超结子结构和所述第二超结子结构叠加而成的超结结构；/n由一个所述P型柱和一个相邻的所述N型柱形成一个超结单元结构；/n所述第一P型子柱的顶部宽度大于所述第一N型子柱的顶部宽度，所述第二P型子柱的顶部宽度大于所述第二N型子柱的顶部宽度，所述第一P型子柱的顶部宽度和所述第一N型子柱的顶部宽度的差值或所述第二P型子柱的顶部宽度和所述第二N型子柱的顶部宽度的差值越大，在保证所述超结单元电荷平衡的条件下所述P型柱的掺杂浓度越低以及所述N型柱的掺杂浓度越高，所述P型柱的掺杂浓度越低，越有利于一致性的提高；所述N型柱的掺杂浓度越高，导通电阻的温度敏感性越低，有利于器件的温度应用范围增加；/n在所述超结单元结构中，所述P型柱和所述N型柱之间的电荷平衡根据使器件反偏时使整个所述超结单元结构中仅在一个纵向位置具有最大电场强度并使最大电场强度对应的纵向位置为击穿位置，从而提高器件性能的一致性。/n...

【技术特征摘要】
1.一种超结结构，其特征在于，包括：
第一N型子外延层，在所述第一N型子外延层中形成有由第一P型子柱和第一N型子柱交替排列形成第一超结子结构；
第二N型子外延层，形成于形成有所述第一超结子结构的所述第一N型子外延层的表面，在所述第二N型子外延层中形成有由第二P型子柱和第二N型子柱交替排列形成第二超结子结构；
所述第一P型子柱由填充于第一子沟槽中的第一P型子外延层组成，所述第一子沟槽形成在所述第一N型子外延层中，所述第一子沟槽的底部表面位于所述第一N型子外延层的底部表面之上，由各所述第一P型子柱之间的所述第一N型子外延层组成对应的第一N型子柱；
所述第二P型子柱由填充于第二子沟槽中的第二P型子外延层组成，所述第二子沟槽形成在所述第二N型子外延层中，所述第二子沟槽叠加在对应的所述第一子沟槽之上并保证将对应的所述第一P型子柱的顶部表面暴露；由所述第二P型子柱之间的所述第二N型子外延层组成第二N型子柱；
所述第二P型子柱和底部对应的所述第一P型子柱相接触并纵向叠加形成P型柱；由所述第二N型子柱和底部对应的所述第一N型子柱纵向叠加形成N型柱；由所述P型柱和所述N型柱交替排列形成由所述第一超结子结构和所述第二超结子结构叠加而成的超结结构；
由一个所述P型柱和一个相邻的所述N型柱形成一个超结单元结构；
所述第一P型子柱的顶部宽度大于所述第一N型子柱的顶部宽度，所述第二P型子柱的顶部宽度大于所述第二N型子柱的顶部宽度，所述第一P型子柱的顶部宽度和所述第一N型子柱的顶部宽度的差值或所述第二P型子柱的顶部宽度和所述第二N型子柱的顶部宽度的差值越大，在保证所述超结单元电荷平衡的条件下所述P型柱的掺杂浓度越低以及所述N型柱的掺杂浓度越高，所述P型柱的掺杂浓度越低，越有利于一致性的提高；所述N型柱的掺杂浓度越高，导通电阻的温度敏感性越低，有利于器件的温度应用范围增加；
在所述超结单元结构中，所述P型柱和所述N型柱之间的电荷平衡根据使器件反偏时使整个所述超结单元结构中仅在一个纵向位置具有最大电场强度并使最大电场强度对应的纵向位置为击穿位置，从而提高器件性能的一致性。


2.如权利要求1所述的超结结构，其特征在于：所述第一子沟槽为顶部开口大于底部开口的侧面倾斜的沟槽，所述第二子沟槽为顶部开口大于底部开口的侧面倾斜的沟槽，所述第二子沟槽的底部表面位于所述第一子沟槽的顶部表面内；
在所述超结单元结构中，所述P型柱和所述N型柱之间的电荷平衡设置为：
所述第一超结子结构的顶部位置处所述第一P型子柱的掺杂浓度在最佳电荷平衡对应的掺杂浓度的正负5％的范围内变化或者所述第二超结子结构的底部位置处所述第二P型子柱的掺杂浓度在最佳电荷平衡对应的掺杂浓度的正负5％的范围内变化，使所述超结结构反偏时所述P型柱的最大电场强度位置趋于所述第一P型子柱和所述第二P型子柱的接触位置，提高器件性能的一致性；
所述第二超结子结构的底部位置之上各纵向位置处的所述第二P型子柱的P型掺杂总量大于同一水平位置的所述第二N型子柱的N型掺杂总量，改善所述第二超结子结构的底部位置之上的区域在雪崩击穿时的电荷平衡。


3.如权利要求2所述的超结结构，其特征在于：所述第二超结子结构的底部位置具有最佳电荷平衡，所述第一超结子结构的顶部位置具有最佳电荷平衡；
或者，所述第二超结子结构的底部位置具有最佳电荷平衡，所述第一超结子结构的顶部位置处所述第一P型子柱的掺杂浓度在最佳电荷平衡对应的掺杂浓度的正负5％的范围内变化；
或者，所述第一超结子结构的顶部位置具有最佳电荷平衡，所述第二超结子结构的底部位置处所述第二P型子柱的掺杂浓度在最佳电荷平衡对应的掺杂浓度的正负5％的范围内变化；
或者，所述第一超结子结构的顶部位置以下各位置处的所述第一P型子柱的掺杂浓度在最佳电荷平衡对应的掺杂浓度的正负5％的范围内变化。


4.如权利要求3所述的超结结构，其特征在于：当所述第一超结子结构的顶部位置以下各位置处的所述第一P型子柱的掺杂浓度在最佳电荷平衡对应的掺杂浓度的正负5％的范围内变化时，所述第一P型子柱的各位置处的掺杂浓度均匀，从底部到顶部所述第一N型子柱的各位置处的掺杂浓度逐渐增加。


5.如权利要求2所述的超结结构，其特征在于：所述第一超结子结构的顶部位置以下各位置处的所述第一P型子柱的P型掺杂总量小于同一水平位置的所述第一N型子柱的N型掺杂总量，改善所述第一超结子结构的顶部位置之下的区域在雪崩击穿时的电荷平衡。


6.如权利要求5所述的超结结构，其特征在于：所述第一P型子柱的各位置处的掺杂浓度均匀，所述第一N型子柱的各位置处的掺杂浓度均匀。


7.如权利要求2所述的超结结构，其特征在于：所述第二P型子柱的各位置处的掺杂浓度均匀，所述第二N型子柱的各位置处的掺杂浓度均匀。


8.如权利要求2所述的超结结构，其特征在于：所述第一子沟槽为顶部开口大于底部开口的侧面倾斜的沟槽，所述第二子沟槽的侧面垂直，所述第二子沟槽的宽度等于所述第一子沟槽的顶部开口的宽度，所述第二子沟槽的底部表面和所述第一子沟槽的顶部表面对齐；
所述第一超结子结构的顶部位置处所述第一P型子柱的掺杂浓度在最佳电荷平衡对应的掺杂浓度的正负5％的范围内变化，所述第一P型子柱的各位置处的掺杂浓度均匀，所述第一N型子柱的各位置处的掺杂浓度均匀；
所述第二超结子结构的在纵向上的各位置处的所述第二P型子柱的掺杂浓度在最佳电荷平衡对应的掺杂浓度的正负5％的范围内变化。


9.如权利要求2所述的超结结构，其特征在于：所述第二子沟槽为顶部开口大于底部开口的侧面倾斜的沟槽，所述第一子沟槽的侧面垂直，所述第一子沟槽的宽度等于所述第二子沟槽的底部开口的宽度，所述第二子沟槽的底部表面和所述第一子沟槽的顶部表面对齐；
所述第一超结子结构的在纵向上的各位置处的所述第一P型子柱的掺杂浓度在最佳电荷平衡对应的掺杂浓度的正负5％的范围内变化；
所述第二超结子结构的底部位置处所述第二P型子柱的掺杂浓度在最佳电荷平衡对应的掺杂浓度的正负5％的范围内变化，所述第二P型子柱的各位置处的掺杂浓度均匀，所述第二N型子柱的各位置处的掺杂浓度均匀。


10.如权利要求1...

【专利技术属性】
技术研发人员：肖胜安，
申请(专利权)人：深圳尚阳通科技有限公司，
类型：发明
国别省市：广东;44