超级结结构、超级结MOS晶体管及其制造方法技术

本发明专利技术公开了一种超级结结构，其p型立柱和n型立柱都呈现非均匀的杂质分布方式。其中n型立柱的杂质分布在纵向上是不均匀的，p型立柱的杂质分布在纵向和横向上都采用两种或更多的掺杂浓度。最终保证接近于n型重掺杂衬底区域中，p型立柱中的p型杂质总量低于n型立柱中的n型杂质总量；接近于器件顶部区域中，p型立柱中的p型杂质总量高于n型立柱中的n型杂质总量。本发明专利技术还公开了应用了所述超级结结构的超级结MOS晶体管及其制造方法。本发明专利技术所述超级结结构提高了器件关断过程中的耐电流冲击能力，提高了器件耐电流冲击能力的稳定性，且不影响、甚至还会减少器件的比导通电阻。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种功率半导体器件，特别是涉及一种超级结半导体器件。
技术介绍
超级结(super juction)结构就是交替排列的η型立柱和p型立柱的结构。如果用超级结结构来取代VDMOS (Vertical Double-diffused MOSFET，垂直双扩散MOS晶体管) 器件中的η型漂移区，就形成了超级结MOS晶体管。超级结MOS晶体管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。超级结结构中，η型立柱中的η型杂质分布、P型立柱中的P型杂质分布、以及交替排列的η型立柱和P型立柱中η型杂质分布与P型杂质分布的匹配，会影响超级结半导体器件的特性，包括其反向击穿电压和电流处理能力。一般的超级结半导体器件都采用使交替排列的η型立柱和P型立柱达到最佳电荷平衡的设计，以取得最大的反向击穿电压，但这样的条件下器件的电流处理能力不够。为了改善电流处理能力，有一种做法是在超级结结构中使P型立柱中的P型杂质浓度在垂直于硅片表面的方向上呈现一种不均匀的分布，而η型立柱中的η型杂质浓度分布均匀。当P型立柱的宽度等于η型立柱的宽度时，使P型立柱中的P型杂质浓度在上部区域大于η型立柱中的η型杂质浓度，使P型立柱中的P型杂质浓度在在下部区域小于η 型立柱中的η型杂质浓度。英飞凌(INFINEON)公司对此提出了一种具体方案。其建议将超级结结构中的P型立柱分为六段，从上部到底部采用的P型杂质浓度依次在最佳电荷平衡时的P型杂质浓度上增加30%,20%,10%,0%,-10%,-20% ο目前超级结半导体器件中的超级结结构的制造方法可以分为两大类。第一类是在一种掺杂类型的区域采用多步刻蚀、外延、离子注入工艺，每步形成立柱的一部分，多步累加在一起形成另一种掺杂类型的立柱。第二类是在一种掺杂类型的区域刻蚀沟槽，往沟槽中填充、或外延、或离子注入，一次性地形成另一种掺杂类型的立柱。上述改善电流处理能力的超级结结构，要求P型立柱中的杂质浓度呈现多样变化。目前只能采用第一类制造方法，而无法采用第二类制造方法予以实施。第一类制造方法具有工艺成本高、生产时间长、控制难度大的缺点。
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新型的超级结结构，在保证器件的反向击穿电压的前提下，还可以提高器件在关断过程中的耐电流冲击能力。为此，本专利技术还要提供所述超级结结构的制造方法。为解决上述技术问题，本专利技术超级结结构是在η型外延层中具有多根P型立柱，每相邻的两根P型立柱之间的η型外延层作为一根η型立柱；这 样在η型外延层中便形成了交替排列的多根P型立柱和η型立柱，即超级结结构；每根P型立柱中的掺杂浓度在纵向和横向上均呈不均匀分布，且下方的掺杂浓度小于或等于上方的掺杂浓度；每根η型立柱中的掺杂浓度在纵向上呈不均匀分布，且下方的掺杂浓度大于或等于上方的掺杂浓度；在超级结结构的底部，P型立柱中P型杂质总量小于η型立柱中η型杂质总量；在超级结结构的顶部，P型立柱中P型杂质总量大于η型立柱中η型杂质总量。将上述各结构的掺杂类型相反，本专利技术超级结结构仍成立。所述P型立柱的掺杂浓度在纵向和横向上均呈不均匀分布，例如可通过这样的结构来实现所述P型立柱在纵向上包括多段，其中从上往下的第二段结构在顶部具有一个上宽下窄的凹槽，从上往下的第一段结构就在该凹槽内，也呈上宽下窄；所述P型立柱的每一段中，P型杂质的掺杂浓度是均匀的，从上往下每一段中的掺杂浓度递减。所述超级结结构的制造方法包括如下步骤第I步，利用光刻和刻蚀工艺在η型外延层中刻蚀出多个沟槽，两个相邻的沟槽之间的η型外延层就作为η型立柱；第2步，在沟槽中分多次填充P型硅，每次填充的P型硅的掺杂浓度递增，其中倒数第二次填充的P型硅在顶部具有一个向下的凹槽，该凹槽的剖面形状为上宽下窄；最后一次填充的P型硅在所述倒数第二次填充的P型硅的顶部凹槽内；第3步，去除倒数第二次填充的P型硅和最后一次填充的P型硅位于η型外延层上表面之上的部分，剩余的最后一次填充的P型硅作为P型立柱的最上一段结构，剩余的倒数第二次填充的P型硅作为P型立柱从上往下的第二段结构。本专利技术的超级结结构具有这样的特点，P型立柱和η型立柱都呈现非均匀的杂质分布方式。其中η型立柱的杂质分布在纵向上是不均匀的，P型立柱的杂质分布在纵向和横向上都采用两种或更多的掺杂浓度。最终保证接近于η型重掺杂衬底区域(超级结结构的底部)中，P型立柱中的P型杂质总量低于η型立柱中的η型杂质总量；接近于器件顶部区域(超级结结构的顶部)中，P型立柱中的P型杂质总量高于η型立柱中的η型杂质总量。由于器件顶部区域中，P型杂质总量高于η型杂质总量，提高了器件关断过程中的耐电流冲击能力。由于P型立柱在纵向和横向均为非均匀掺杂，使得P型立柱中的区域电场较大，从而使器件的击穿发生在P型立柱，提高了器件耐电流冲击能力的稳定性。由于P型立柱中靠近接近于η型重掺杂衬底区域的部分的掺杂浓度不大于P型立柱均匀掺杂时的浓度，从而不影响、甚至还会减少器件的比导通电阻。所述超级结结构的制造方法还具有工艺周期短，生产成本低的优点。附图说明 图1是本专利技术超级结MOS晶体管的一个实施例的剖面图2a 图2d是本专利技术超级结结构的制造方法各步骤剖面图3a 图3f是本专利技术超级结结构的P型立柱和η型立柱的掺杂浓度对应关系各实施例示意图4、图5是本专利技术超级结结构中P型立柱的各种实现方式。图中附图标记说明I为η型重掺杂硅衬底；2为η型外延层；2a为η型立柱；3为沟槽；4为ρ型立柱； 4a为ρ型立柱主体；4b为ρ型立柱附加结构；5为栅氧化层；6为多晶硅栅极；7为ρ阱；8 为η型重掺杂源区；9、9a为介质层；10为接触孔电极；11为P型重掺杂接触区；12为表面金属层；13为背面金属层；21为源极；22为栅极；23为漏极。具体实施方式请参阅图1，这是本专利技术超级结结构的一个具体实施例，为一个应用了该超级结结构的超级结MOS晶体管。在η型重掺杂硅衬底I之上为η型外延层2，η型外延层2中具有多根P型立柱4。每相邻的两根ρ型立柱4之间的η型外延层2可视为一根η型立柱2a。 这样在η型外延层2中便形成了交替排列的多根ρ型立柱4和η型立柱2a，即超级结结构。由于图1展示的是硅片的剖面图，因而ρ型立柱4和η型立柱2a都呈现为矩形。 就立体而言，一种实现方式是P型立柱4和η型立柱2a在剖面为矩形的基础上沿纸面方向延展较长的长度，大致像一堵墙；另一种实现方式是P型立柱4和η型立柱2a在剖面为矩形的基础上沿纸面方向仅延展较短的长度，大致像一根柱。在墙的实现方式中，其总体形状大致为长方体，但在边缘处可能有倒角结构、圆弧结构等。在柱的实现方式中，其水平横截面形状可以是长方形、正方形、六边形、八边形等多边形。每根P型立柱4包括两个部分，一个是主体4a，另一个是附加结构4b。所述ρ型立柱4和ρ型立柱主体4a的高度均为hl+h2’，在ρ型立柱主体4a的顶部具有一个向下的凹槽，该凹槽为上宽下窄的剖面形状。该凹槽底部距离P型 立柱4的底部的距离为hl，例如为25 30 μ m。所述ρ型立柱附加结构4b在所述ρ型立柱主体4a的顶部凹槽内并将其完全填充，因而也呈现为上宽下窄的剖面形状，其高度为h2’，例如为2 8 μ本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种超级结结构，其特征是，在n型外延层中具有多根p型立柱，每相邻的两根p型立柱之间的n型外延层作为一根n型立柱；这样在n型外延层中便形成了交替排列的多根p型立柱和n型立柱，即超级结结构；每根p型立柱在纵向上包括多段，其中从上往下的第二段结构在顶部具有一个上宽下窄的凹槽，从上往下的第一段结构就在该凹槽内，也呈上宽下窄；所述p型立柱的每一段中，p型杂质的掺杂浓度是均匀的，从上往下每一段中的掺杂浓度递减；每根n型立柱中的掺杂浓度在纵向上呈不均匀分布，且下方的掺杂浓度大于或等于上方的掺杂浓度；在超级结结构的底部，p型立柱中p型杂质总量小于n型立柱中n型杂质总量；在超级结结构的顶部，p型立柱中p型杂质总量大于n型立柱中n型杂质总量。

【技术特征摘要】
1.一种超级结结构，其特征是，在η型外延层中具有多根P型立柱，每相邻的两根P型立柱之间的η型外延层作为一根η型立柱；这样在η型外延层中便形成了交替排列的多根P型立柱和η型立柱，即超级结结构； 每根P型立柱在纵向上包括多段，其中从上往下的第二段结构在顶部具有一个上宽下窄的凹槽，从上往下的第一段结构就在该凹槽内，也呈上宽下窄； 所述P型立柱的每一段中，P型杂质的掺杂浓度是均匀的，从上往下每一段中的掺杂浓度递减； 每根η型立柱中的掺杂浓度在纵向上呈不均匀分布，且下方的掺杂浓度大于或等于上方的掺杂浓度； 在超级结结构的底部，P型立柱中P型杂质总量小于η型立柱中η型杂质总量； 在超级结结构的顶部，P型立柱中P型杂质总量大于η型立柱中η型杂质总量。2.根据权利要求1所述的超级结结构，其特征是，每根P型立柱在纵向上包括两段，从下往上分别称作主体和附加结构,所述P型立柱主体的底部与顶部凹槽的底部之间的距离为25 30 μ m,所述p型立柱附加结构的高度为2 8 μ m。3.根据权利要求2所述的超级结结构，其特征是，所述P型立柱主体的掺杂浓度小于或等于P型立柱的均匀掺杂浓度，所述P型立柱附加结构的掺杂浓度大于或等于3倍的P型立柱的均匀掺杂浓度； 所述P型立柱的均匀掺杂浓度是指，当P型立柱均匀掺杂，使P型立柱中的P型杂质总量等于η型立柱中的η型杂质总量时，P型立柱中的掺杂浓度。4.根据权利要求3所述的超级结结构，其特征是，所述P型立柱主体的掺杂浓度为O.5 I倍的P型立柱的均匀掺杂浓度，所述P型立柱附加结构的掺杂浓度为3 10倍的P型立柱的均匀掺杂浓度。5.根据权利要求1所述的超级结结构，其特征是，各部分的掺杂类型相反。6.一种超级结MOS晶体管，其特征是，在η型重掺杂硅衬底之上为η型外延层，η型外延层中具有多根P型立柱；每相邻的两根P型立柱之间的η型外延层作为一根η型立柱；这样在η型外延层中便形成了交替排列的多根P型立柱和η型立柱，即超级结结构； 所述P型立柱在纵向上包括多段，其中从上往下的第二段结构在顶部具有一个上宽下窄的凹槽，从上往下的第一段结构就在该凹槽内，也呈上宽下窄； 所述P型立柱的每一段中，P型杂质的掺杂浓度是均匀的，从上往下每一段中的掺杂浓度递减； 每根η型立柱中，下方的掺杂浓度总是大于或等于上方的掺杂浓度； 与各η型立柱的顶端相接触的是碗状的栅氧化层，其中包围有多晶硅栅极； 与各P型立柱的顶端、及部分型立柱的顶端相接触的是P阱，P阱的表面部分还具有η型重掺杂源区和P型重掺杂接触区； 栅氧化层和多晶硅栅极之上为介质层； P...

【专利技术属性】
技术研发人员：肖胜安，
申请(专利权)人：上海华虹NEC电子有限公司，
类型：发明
国别省市：