一种含有反向导电槽栅结构的超结MOSFET制造技术

本发明专利技术提供了一种超结MOSFET（Metal‑Oxide‑Semiconductor Field Effect Transistor，金属‑氧化物‑半导体场效应晶体管）器件，其耐压层中第二导电类型的半导体区采用非均匀掺杂以提高该区电阻，并且引入了反向导电的槽型栅极结构以降低体二极管的空穴注入效率。用于反向导电的槽型栅极结构中的导体材料引出端为器件的源极，其侧面与源区以及较轻掺杂的第二导电类型的基区直接接触，底部与耐压层直接接触。与传统超结MOSFET器件相比，本发明专利技术的超结MOSFET器件具有更为优异的体二极管反向恢复特性。

【技术实现步骤摘要】
一种含有反向导电槽栅结构的超结MOSFET
本专利技术属于半导体器件，特别是半导体功率器件。
技术介绍
超结金属-氧化物-半导体场效应晶体管器件（SuperjunctionMetal-Oxide-SemiconductorFieldEffectTransistor,超结MOSFET）是一种低导通功耗的功率开关器件，在400V至1200V电压范围内有广泛应用。超结MOSFET中采用了n柱/p柱交替排列的耐压层结构。当n柱和p柱的有效掺杂浓度相等或接近相等时，耐压层中的电场分布整体上会表现出未掺杂半导体的情形，即电场斜率为0。这使得n柱区与p柱区在较高的掺杂浓度情形下仍可获得较高的击穿电压，并获得优异的导通电阻与击穿电压的折衷关系。然而，超结MOSFET的体二极管的反向恢复特性通常比较差。在体二极管反向恢复过程中电流从最大负电流恢复至0的时间极为短暂，这很容易引起电流和电压震荡。这对器件的可靠性以及EMI（电磁干扰）表现都是不利的。改进体二极管的缺点的思路有两个，一是降低体二极管体内的非平衡载流子的数量，二是提高软度。前者可以采用寿命控制技术或集成反向的肖特基二极管来实现，但这些方法会增加漏电。后者可在n柱区/p柱区下方引入一个n区（通常具有与n柱区相同的掺杂浓度）来存储一些非平衡载流子来实现。当然，这在一定程度会增加电阻和降低反向恢复速度。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种超结金属-氧化物-半导体场效应晶体管器件（超结MOSFET）。相比于传统超结MOSFET，本专利技术提供的超结MOSFET器件的体二极管的反向恢复电荷更少，电流和电压震荡更小。本专利技术提供一种金属-氧化物-半导体场效应晶体管器件，其元胞结构包括：重掺杂的第一导电类型的衬底层10，第一导电类型的辅助层20，耐压层（由21和22构成），第二导电类型的基区（31、32和33构成），重掺杂的第一导电类型的源区34，槽型栅极结构（由41和43，以及42和43构成），其特征在于：所述衬底层10的上表面与所述辅助层20的下表面直接接触，所述衬底层10的引出端为器件的漏极D；所述辅助层20的上表面与所述耐压层（由21和22构成）的下表面直接接触，所述辅助层20的掺杂浓度小于所述衬底层10的掺杂浓度，所述辅助层20在器件阻断态下承受小于50%的外加电压；所述耐压层（由21和22构成）由至少一个柱状的第一导电类型半导体区21与至少一个柱状的第二种半导体区22构成，所述耐压层中的第一导电类型的半导体区21与所述耐压层中的第二导电类型的半导体区22的侧面相互接触；所述耐压层（由21和22构成）在器件阻断态下承受大于50%的外加电压；所述耐压层中的第二导电类型的半导体区22的掺杂为非均匀掺杂分布；所述基区（31、32和33构成）包含至少一个较重掺杂的第二导电类型的基区31，至少一个较轻掺杂的第二导电类型的基区32以及至少一个重掺杂的第二导电类型的基区33；所述较重掺杂的第二导电类型的基区31以及所述较轻掺杂的第二导电类型的基区32的下表面与所述耐压层（由21和22构成）的上表面直接接触；所述较重掺杂的第二导电类型的基区31的侧面与所述较轻掺杂的第二导电类型的基区32的侧面直接接触；所述较重掺杂的第二导电类型的基区31以及所述较轻掺杂的第二导电类型的基区32的上表面与所述重掺的第二导电类型的基区33以及所述源区34的下表面直接接触；所述重掺的第二导电类型的基区33以及所述源区34的共同引出端为器件的源极S；所述槽型栅极结构（由41和43，以及42和44构成）包含至少一个用于控制开关的槽型栅极结构（由41和43构成）和至少一个用于反向导电的槽型栅极结构（由42和44构成）；所述用于控制开关的槽型栅极结构（由41和43构成）由绝缘介质层43以及位于绝缘介质层之中的导电材料41构成，所述导电材料41引出端为器件的栅极G；所述用于控制开关的槽型栅极结构（由41和43构成）从器件上表面垂直穿过所述基区（31、32和33构成）后延伸入所述耐压层（由21和22构成）中；所述用于控制开关的槽型栅极结构（由41和43构成）的侧面与所述源区34以及所述较重掺杂的第二导电类型的基区31直接接触，所述用于控制开关的槽型栅极结构（由41和43构成）的底部至少有一部分与所述耐压层中的第一导电类型的半导体区21直接接触；所述用于反向导电的槽型栅极结构（由42和44构成）由绝缘介质层44以及位于绝缘介质层之中的导电材料42构成，所述导电材料42引出端为器件的源极S；所述用于反向导电的槽型栅极结构（由42和44构成）从器件上表面垂直穿过所述基区（31、32和33构成）后延伸入所述耐压层（由21和22构成）中；所述用于反向导电的槽型栅极结构（由42和44构成）的侧面与所述源区34、所述较轻掺杂的第二导电类型的基区32直接接触，所述用于反向导电的槽型栅极结构（由42和44构成）的底部与所述耐压层中的第一导电类型的半导体区21以及所述耐压层中的第二导电类型的半导体区21均直接接触；所述第一导电类型为n型时，所述的第二导电类型为p型；所述第一导电类型为p型时，所述的第二导电类型为p型。进一步，所述耐压层中的第一导电类型的半导体区21与所述耐压层中的第二导电类型的半导体区22的排列方式和所述基区（31、32和33构成）与所述槽型栅极结构（由41和43，以及42和44构成）的排列方式相同或不同；当所述耐压层中的第一导电类型的半导体区21与所述耐压层中的第二导电类型的半导体区22的排列方式和所述基区（31、32和33构成）与所述槽型栅极结构（由41和43，以及42和44构成）的排列方式不同时，所述基区（31、32和33构成）与所述槽型栅极结构（由41和43，以及42和44构成）的延伸方向和所述耐压层中的第一导电类型的半导体区21与所述耐压层中的第二导电类型的半导体区22的延伸方向不平行，即所述两个延伸方向的夹角不是0°，而是大于0°且小于等于90°。进一步，所述第一导电类型为n型时，所述耐压层中的第一导电类型的半导体区21中的有效施主杂质总电荷与所述耐压层中的第二导电类型的半导体区22中的有效受主杂质总电荷相等或相接近，两者之差的绝对值不超过两者之和的20%；所述第一导电类型为p型时，所述耐压层中的第一导电类型的半导体区21中的有效受主杂质总电荷与所述耐压层中的第二导电类型的半导体区22中的有效施主杂质总电荷相等或相接近，两者之差的绝对值不超过两者之和的20%。进一步，所述耐压层中的第二导电类型的半导体区22中从上至下的掺杂分布为周期性变掺杂分布，所述周期性的变掺杂分布中的最高掺杂浓度与最低掺杂浓度的比值大于等于3。进一步，所述用于反向导电的槽型栅极结构（由42和44构成）中的绝缘介质层44厚度的取值与所述较轻掺杂的第二导电类型的基区32的最高掺杂浓度的取值须保证所述用于反向导电的槽型栅极结构（由42和44构成）的阈值电压小于等于1V。进一步，所述用于反向导电的槽型栅极结构中的绝缘介质层44的厚度与所述用于控制开关的槽型栅本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种超结金属-氧化物-半导体场效应晶体管器件，其元胞结构包括：重掺杂的第一导电类型的衬底层，第一导电类型的辅助层，耐压层，第二导电类型的基区，重掺杂的第一导电类型的源区，槽型栅极结构，其特征在于：/n所述衬底层的上表面与所述辅助层的下表面直接接触，所述衬底层的引出端为器件的漏极；/n所述辅助层的上表面与所述耐压层的下表面直接接触，所述辅助层的掺杂浓度小于所述衬底层的掺杂浓度，所述辅助层在器件阻断态下承受小于50%的外加电压；/n所述耐压层由至少一个柱状的第一导电类型半导体区与至少一个柱状的第二种半导体区构成，所述耐压层中的第一导电类型的半导体区与所述耐压层中的第二导电类型的半导体区的侧面相互接触；所述耐压层在器件阻断态下承受大于50%的外加电压；/n所述耐压层中的第二导电类型的半导体区的掺杂为非均匀掺杂分布；/n所述基区包含至少一个较重掺杂的第二导电类型的基区，至少一个较轻掺杂的第二导电类型的基区以及至少一个重掺杂的第二导电类型的基区；所述较重掺杂的第二导电类型的基区以及所述较轻掺杂的第二导电类型的基区的下表面与所述耐压层的上表面直接接触；所述较重掺杂的第二导电类型的基区的侧面与所述较轻掺杂的第二导电类型的基区的侧面直接接触；所述较重掺杂的第二导电类型的基区以及所述较轻掺杂的第二导电类型的基区的上表面与所述重掺的第二导电类型的基区以及所述源区的下表面直接接触；所述重掺的第二导电类型的基区以及所述源区的共同引出端为器件的源极；/n所述槽型栅极结构包含至少一个用于控制开关的槽型栅极结构和至少一个用于反向导电的槽型栅极结构；/n所述用于控制开关的槽型栅极结构由绝缘介质层以及位于绝缘介质层之中的导电材料构成，所述导电材料引出端为器件的栅极；所述用于控制开关的槽型栅极结构从器件上表面垂直穿过所述基区后延伸入所述耐压层中；所述用于控制开关的槽型栅极结构的侧面与所述源区以及所述较重掺杂的第二导电类型的基区直接接触，所述用于控制开关的槽型栅极结构的底部至少有一部分与所述耐压层中的第一导电类型的半导体区直接接触；/n所述用于反向导电的槽型栅极结构由绝缘介质层以及位于绝缘介质层之中的导电材料构成，所述导电材料引出端为器件的源极；所述用于反向导电的槽型栅极结构从器件上表面垂直穿过所述基区后延伸入所述耐压层中；所述用于反向导电的槽型栅极结构的侧面与所述源区以及所述较轻掺杂的第二导电类型的基区直接接触，所述用于反向导电的槽型栅极结构的底部与所述耐压层中的第一导电类型的半导体区以及所述耐压层中的第二导电类型的半导体区均直接接触；/n所述第一导电类型为n型时，所述的第二导电类型为p型；所述第一导电类型为p型时，所述的第二导电类型为p型。/n...

【技术特征摘要】
1.一种超结金属-氧化物-半导体场效应晶体管器件，其元胞结构包括：重掺杂的第一导电类型的衬底层，第一导电类型的辅助层，耐压层，第二导电类型的基区，重掺杂的第一导电类型的源区，槽型栅极结构，其特征在于：
所述衬底层的上表面与所述辅助层的下表面直接接触，所述衬底层的引出端为器件的漏极；
所述辅助层的上表面与所述耐压层的下表面直接接触，所述辅助层的掺杂浓度小于所述衬底层的掺杂浓度，所述辅助层在器件阻断态下承受小于50%的外加电压；
所述耐压层由至少一个柱状的第一导电类型半导体区与至少一个柱状的第二种半导体区构成，所述耐压层中的第一导电类型的半导体区与所述耐压层中的第二导电类型的半导体区的侧面相互接触；所述耐压层在器件阻断态下承受大于50%的外加电压；
所述耐压层中的第二导电类型的半导体区的掺杂为非均匀掺杂分布；
所述基区包含至少一个较重掺杂的第二导电类型的基区，至少一个较轻掺杂的第二导电类型的基区以及至少一个重掺杂的第二导电类型的基区；所述较重掺杂的第二导电类型的基区以及所述较轻掺杂的第二导电类型的基区的下表面与所述耐压层的上表面直接接触；所述较重掺杂的第二导电类型的基区的侧面与所述较轻掺杂的第二导电类型的基区的侧面直接接触；所述较重掺杂的第二导电类型的基区以及所述较轻掺杂的第二导电类型的基区的上表面与所述重掺的第二导电类型的基区以及所述源区的下表面直接接触；所述重掺的第二导电类型的基区以及所述源区的共同引出端为器件的源极；
所述槽型栅极结构包含至少一个用于控制开关的槽型栅极结构和至少一个用于反向导电的槽型栅极结构；
所述用于控制开关的槽型栅极结构由绝缘介质层以及位于绝缘介质层之中的导电材料构成，所述导电材料引出端为器件的栅极；所述用于控制开关的槽型栅极结构从器件上表面垂直穿过所述基区后延伸入所述耐压层中；所述用于控制开关的槽型栅极结构的侧面与所述源区以及所述较重掺杂的第二导电类型的基区直接接触，所述用于控制开关的槽型栅极结构的底部至少有一部分与所述耐压层中的第一导电类型的半导体区直接接触；
所述用于反向导电的槽型栅极结构由绝缘介质层以及位于绝缘介质层之中的导电材料构成，所述导电材料引出端为器件的源极；所述用于反向导电的槽型栅极结构从器件上表面垂直穿过所述基区后延伸入所述耐压层中；所述用于反向导电的槽型栅极结构的侧面与所述源区以及所述较轻掺杂的第二导电类型的基区直接接触，所述用于反向导电的槽型栅极结构的底部与所述耐压层中的第一导电类型的半导体区以及所述耐压层中的第二导电类型的半导体区均直接接触；
所述第一导电类型...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄铭敏，李睿，李芸，
申请(专利权)人：四川大学，
类型：发明
国别省市：四川;51