一种场效应晶体管结构及其制作方法

xiaoxiao2020-8-1  7

一种场效应晶体管结构及其制作方法
【专利摘要】本发明揭示了一种场效应晶体管的外延结构,它包括:N+衬底、形成在衬底上的N-外延层、形成在N-外延层中并且填充有P-外延层的倾斜沟槽、形成在P-外延层中的P+阱、形成在P+阱中的N+源区;以及形成在P-沟槽以外区域的N-外延层上的多晶硅栅极。其中,N-外延层的掺杂浓度从N+衬底向着远离衬底的方向是缓变的。本发明的场效应晶体管的外延结构击穿电压较高而导通电阻同时较小。
【专利说明】一种场效应晶体管结构及其制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及半导体技术,本发明尤其涉及一种场效应晶体管结构及其制作方法。
【背景技术】
[0002]众所周知,功率场效应晶体管的漂移层击穿电压是受制于漂移层的掺杂浓度和漂移层的厚度的。而在通常情况下,人们希望功率场效应晶体管具有较高的击穿电压和较低的漂移层导通电阻。较高的击穿电压要求漂移层的厚度较大,但较大的厚度却使得漂移层的电阻较大。
[0003]为了解决这一矛盾,使得功率场效应晶体管即具有较高的击穿电压,又使得漂移层电阻尽可能较低,人们开展了大量的研究、开发工作,力图研制出一种即具有较高的击穿电压,又使得漂移层的导通电阻较低的功率场效应晶体管。
[0004]本发明揭示了一种满足这种需求的沟槽填充型超结功率场效应晶体管的外延结构。
[0005]采用本发明的沟槽填充型超结功率场效应晶体管的外延结构,可以使得制成的场效应晶体管具有较高的击穿电压,同时其导通电阻也较低。

【发明内容】

[0006]本发明的一个目的是提供一种击穿电压较高而导通电阻同时较小的沟槽填充超结场效应晶体管结构。
`[0007]本发明的另一个目的是提供一种击穿电压较高而导通电阻同时较小的沟槽填充超结场效应晶体管的制作方法。
[0008]按照本发明的一个方面,本发明提供了一种场效应晶体管的外延结构,其它包括:N+衬底,作为场效应晶体管的漏极;形成在衬底上的【外延层;形成在N_外延层中沟槽,并且沟槽中填充有P 一外延层;形成在P_外延层中的P+阱;形成在P+阱中的N+源区;以及形成在P_沟槽以外区域的N_外延层上的多晶硅栅极,其中,N_外延层的掺杂浓度从N+衬底向着远离衬底的方向是缓变的。
[0009]在按照本发明的第一个方面中的场效应晶体管的外延结构中,f外延层的厚度可以是30 μ m — 60 μ m,并且N_外延层的掺杂浓度在30 μ m — 60 μ m的厚度范围内,从N+衬底向着远离衬底的方向,从4.9e15-9.5e15的起始浓度线性缓变到起始浓度的1.15倍。
[0010]在按照本发明第一个方面中的场效应晶体管的外延结构中,填充有P.外延层的沟槽的边缘相对于垂直于衬底顶面有一个倾斜角,并且倾斜角使得沟槽呈现位于N+衬底的一侧较窄而远离N+衬底的一侧较宽的形状。
[0011]在按照本发明第一个方面中的场效应晶体管的外延结构中,沟槽的倾斜角是85 — 89 度。
[0012]在按照本发明第一个方面中的场效应晶体管的外延结构中,在N—外延层和多晶硅栅极之间,还形成有一层栅氧化层,栅氧化层的厚度是800 - 1200A。[0013]在按照本发明第一个方面中的场效应晶体管的外延结构中,沟槽的深度为30 μ m — 50 μ m0
[0014]按照本发明的第二个方面,提供了一种制作场效应晶体管结构的外延工艺,它包含下述步骤:步骤a):在N+衬底上生长一层N_外延层;步骤b):在N_外延层中刻蚀沟槽;步骤c):在沟槽中填充P —外延层;步骤d):在由步骤c)形成的填充有P—外延层的沟槽以外区域的N_外延层表面上,形成一层栅氧化层;步骤e):在由步骤c)形成的栅氧化层上生长一层重掺杂的N+多晶硅层,或者在淀积一层非掺杂的多晶硅之后在非掺杂的多晶硅中注入杂质以形成N+多晶硅栅极;步骤f):在形成的P_外延层中进行P +阱的注入和退火;步骤g):在形成的P +阱中进行N+源区的注入和退火;以及步骤h):在所形成的P +阱上方形成金属源极,并在N+衬底上进行金属铝的淀积以形成漏极,其中,N—外延层中的掺杂浓度从N+衬底向着远离衬底的方向是缓变的。
[0015]在按照本发明第二个方面的制作场效应晶体管结构的外延工艺中,N_外延层的厚度是30 μ m — 60 μ m,并且N_外延层的掺杂浓度在30 μ m — 60 μ m的厚度范围内,从N+衬底向着远离衬底的方向,从4.9e15-9.5e15的起始浓度线性缓变到该起始浓度的1.15倍。
[0016]在按照本发明第二个方面的制作场效应晶体管结构的外延工艺中,在步骤b)对N_外延层进行沟槽刻蚀之前,还包括首先在N_外延层上生长一层氧化层,然后再以所形成的氧化层为掩膜板,进行沟槽的刻蚀。
[0017]在按照本发明第二个方面的制作场效应晶体管结构的外延工艺中,在完成步骤c)对沟槽进行了 P—外延层的填充之后和在进行步骤d)形成栅氧化层之前,还包括下述步骤:
步骤c -1):采用CMP即化学机械平坦化技术或硅回刻技术,对经P—外延层填充后的衬底表面进行平坦化处理;以及
步骤c - 2):生长一层牺牲氧化层,然后再去除所生长的牺牲氧化层,以便使器件表面更清洁。
[0018]在按照本发明第二个方面的制作场效应晶体管结构的外延工艺中,栅氧化层的厚度是 800 — 1200A。
[0019]在按照本发明第二个方面的制作场效应晶体管结构的外延工艺中,填充有?_外延层的沟槽的边缘相对于垂直于衬底顶面有一个倾斜角,并且倾斜角使得沟槽呈现位于N+衬底的一侧较窄而远离N+衬底的一侧较宽的形状。
[0020]在按照本发明第二个方面的制作场效应晶体管结构的外延工艺中,沟槽的倾斜角是85 — 89度。
【专利附图】

【附图说明】
[0021]图1是高压平面功率场效应晶体管的纵向双扩散结构示意图;
图2示出是的所谓超结器件结构的示意图;
图3a至3e示出的是通过多次外延和注入方式来实现图2所示超结器件结构的工艺过程原理示意图;
图4a至4c示出的是通过沟槽刻蚀再填充工艺,来制成超结器件结构的工艺过程的原理示意图;
图5a和5b是说明P区掺杂浓度缓变情况下进一步提高击穿电压的原理图;图6a至6h是举例说明本发明实施例的形成变掺杂沟槽填充超结场效应晶体管结构的具体工艺过程示意图;
图7a和7b示出的是在N型外延层掺杂浓度恒定而深沟槽侧壁是90度直角的情况下,电场在击穿时N型外延层掺杂浓度的纵向分布图;
图8a和Sb示出的是在N型外延层掺杂浓度恒定而深沟槽侧壁是89度倾角的情况下,电场在击穿时N型外延层掺杂浓度的纵向分布图;而
图9a和9b示出的是在N型外延层掺杂浓度缓变而深沟槽侧壁是89度倾角的情况下,电场在击穿时N型外延层掺杂浓度的纵向分布图。
【具体实施方式】
[0022]如图1中示出的高压平面功率场效应晶体管被设计成是一种纵向双扩散结构。
[0023]所谓的纵向双扩散结构,就是利用多晶硅的边缘作为掩膜来实现纵向的双扩散,以形成P+区和n+区。击穿电压主要体现在P+区与漂移层(即n_外延层)所形成的PN结上。
[0024]从图1中可以看出,击穿电压主要是由漂移层决定的。为了得到较高的击穿电压,一种考虑是使漂移层的掺杂浓度较低,并同时增大漂移层的厚度。
[0025]但是,为了提高击穿电压的目的而不断降低漂移层的掺杂浓度和不断增大厚度,会使得作为电流通路的漂移层电阻升高,从而导致导通电阻的增加,进而使得通态功耗增大。因此,击穿电压的提高和导通电阻的降低是一对矛盾。
[0026]对于理想的N沟道功率场效应晶体管,即在导通电阻^只考虑漂移层电阻Rd的情况下,导通电阻Rav和击穿电压Vs之间存在如下的关系:
Rs, =5.93 XlO''Fl5(式 O
从上式I中可以看到,导通电阻因受击穿电压的限制而存在一个称之为“硅限(silicon limit)”的极限。因而,导通电阻是无法继续降低的。
[0027]为了突破这一极限,可以采用图2所示的超结器件结构。
[0028]图2所示的所谓超结器件结构,是其导通过程中只有多数载流子(即电子)而没有少数载流子参与的过程。
[0029]这种超结结构的开关损耗和其它的金属氧化物场效应晶体管相同,并且这种超结结构的电压支持层的掺杂浓度对于相同的击穿电压来说可以提高将近一个数量级。
[0030]此外,由于垂直方向上插入了 P型区,可以补偿过量的电流导通电荷。在向漂移层施加反向偏置电压时,将产生一个横向电场,使得P — η结耗尽。当电压加大到一定值时,漂移层将完全耗尽,起到电压支持层的作用。
[0031]由于这种超结结构可以使得掺杂浓度大大提高,从而在相同的击穿电压下,可以大大降低导通电阻Ron,使之突破硅限值。
[0032]同时,在相同击穿电压、相同导通电阻Rm的情况下,可以使管芯面积做得更小,从而减小棚电荷、提闻开关频率。
[0033]另外,由于超结结构的器件是多数载流子器件,器件不会有双极型晶体管的电流拖尾现象。因此,超结结构的器件具有较低的通态功耗和较高的开关速度。[0034]在超结结构的器件中,由于N区和P区中的电荷相互平衡,使得电场分布和传统的金属氧化物场效应晶体管中的电场分布不同。超结结构的器件中,临界场强几乎是恒定的。这就使得击穿电压仅仅依赖于外延层的厚度,而与掺杂浓度无关,从而使得导通电阻Ron与击穿电压Vb之间的关系由传统的平方关系变为线性关系:
【权利要求】
1.一种场效应晶体管的外延结构,其特征在于,它包括: N+衬底,作为所述场效应晶体管的漏极; 形成在所述衬底上的N_外延层; 形成在所述N_外延层中沟槽,并且所述沟槽中填充有P 一外延层; 形成在所述P—外延层中的P+阱; 形成在所述P+阱中的N+源区;以及 形成在所述P_沟槽以外区域的所述N_外延层上的多晶硅栅极, 其中,所述^外延层的掺杂浓度从所述N+衬底向着远离所述衬底的方向是缓变的。
2.如权利要求1所述的场效应晶体管的外延结构,其特征在于,所述N—外延层的厚度是30 μ m — 60 μ m,并且所述N_外延层的掺杂浓度在所述30 μ m — 60 μ m的厚度范围内,从所述N+衬底向着远离所述衬底的方向,从4.9e15-9.5e15的起始浓度线性缓变到所述起始浓度的1.15倍。
3.如权利要求1所述的场效应晶体管的外延结构,其特征在于,填充有所述P—外延层的沟槽的边缘相对于垂直于所述衬底顶面有一个倾斜角,并且所述倾斜角使得所述沟槽呈现位于所述N+衬底的一侧较窄而远离所述N+衬底的一侧较宽的形状。
4.如权利要求2所述的场效应晶体管的外延结构,其特征在于,所述沟槽的倾斜角是.85 — 89 度。
5.如权利要求1所述的场效应晶体管的外延结构,其特征在于,在所述N—外延层和所述多晶硅栅极之间,还形成有一层栅氧化层,所述栅氧化层的厚度是800 - 1200A。
6.如权利要求1至5中任一权利要求所述的场效应晶体管的外延结构,其特征在于,所述沟槽的深度为30 μ m — 50 μ m。
7.一种制作如权利要求1所述的场效应晶体管结构的外延工艺,其特征在于,它包含下述步骤: 步骤a):在N+衬底上生长一层N—外延层; 步骤b):在所述N—外延层中刻蚀沟槽; 步骤c):在所述沟槽中填充P—外延层; 步骤d):在由步骤c)形成的填充有P—外延层的所述沟槽以外区域的N—外延层表面上,形成一层栅氧化层; 步骤e):在由步骤c)形成的所述栅氧化层上生长一层重掺杂的N+多晶硅层,或者在淀积一层非掺杂的多晶硅之后在非掺杂的多晶硅中注入杂质以形成N+多晶硅栅极; 步骤f):在形成的所述P—外延层中进行P +阱的注入和退火; 步骤g):在形成的所述P +阱中进行N+源区的注入和退火;以及步骤h):在所形成的P +阱上方形成金属源极,并在所述N+衬底上进行金属铝的淀积以形成漏极, 其中,所述N_外延层中的掺杂浓度从所述N+衬底向着远离所述衬底的方向是缓变的。
8.如权利要求7所述的外延工艺,其特征在于,所述K外延层的厚度是30μπι—.60 μ m,并且所述N_外延层的掺杂浓度在所述30 μ m — 60 μ m的厚度范围内,从所述N+衬底向着远离所述衬底的方向,从4.9e15-9.5e15的起始浓度线性缓变到所述起始浓度的1.15倍。
9.如权利要求7所述的外延工艺,其特征在于,在步骤b)对所述N—外延层进行沟槽刻蚀之前,还包括首先在所述N_外延层上生长一层氧化层,然后再以所形成的氧化层为掩膜板,进行所述沟槽的刻蚀。
10.如权利要求7所述的外延工艺,其特征在于,在完成步骤c)对所述沟槽进行了P—外延层的填充之后和在进行步骤d)形成所述栅氧化层之前,还包括下述步骤: 步骤c 一 I):采用CMP即化学机械平坦化技术或硅回刻技术,对所述经P_外延层填充后的衬底表面进行平坦化处理;以及 步骤c - 2):生长一层牺牲氧化层,然后再去除所生长的牺牲氧化层。
11.如权利要求7所述的外延工艺,其特征在于,所述栅氧化层的厚度是800— 1200A。
12.如权利要求7至11中任一权利要求所述的外延工艺,其特征在于,填充有所述P—外延层的沟槽的边缘相对于垂直于所述衬底顶面有一个倾斜角,并且所述倾斜角使得所述沟槽呈现位于所述N+衬底的一侧较窄而远离所述N+衬底的一侧较宽的形状。
13.如权利要求12所述的外延工艺,其特征在于,所述沟槽的倾斜角是85- 89度。
【文档编号】H01L29/06GK103681779SQ201210333874
【公开日】2014年3月26日 申请日期:2012年9月11日 优先权日:2012年9月11日
【发明者】周宏伟, 阮孟波, 吴宗宪, 孙晓儒 申请人:无锡华润上华半导体有限公司

最新回复(0)