一种超结场效应晶体管结构及其制作方法与流程

本发明属于半导体器件及制造，涉及一种超结场效应晶体管结构及其制作方法。

背景技术：

1、功率半导体器件是电能转换与控制的核心器件，所有电子产品均离不开功率半导体器件，无论是毫瓦级的便携式终端，还是兆瓦级的轨道交通。目前常用的功率半导体器件包括双极型晶体管、金属氧化物场效应晶体管、绝缘栅双极晶体管等，其中，超结场效应晶体管(super junction trench mosfet，简称sj mosfet)作为一种先进的功率器件，将异型掺杂引入到耐压层内部形成周期性交替掺杂的耐压层结构，其比导通电阻大幅下降，相比较其他晶体管结构，表现更加优越，更符合市场需求，已被广泛应用于工业电子、信息通讯、通行工具以及智能电网等相关领域。

2、请参阅图1，显示为一种超结场效应晶体管结构的剖面结构示意图，sj mosfet的工作原理是n型外延层101中引入多个掺杂柱102，形成由平行交错的n柱区和掺杂柱区构成的形貌，掺杂柱区与n柱区相互耗尽形成空间电荷区，在受到反向电压时n柱区与掺杂柱区电荷平衡使空间电荷区展开，达到提高击穿电压的作用，因此，在保证击穿电压的情况下允许调节n型外延层的掺杂浓度，降低器件的导通电阻，提高器件系统的使用效率。由于sjmosfet需要掺杂柱区和n柱区完全耗尽达到完美电荷平衡状态，此时击穿电压达到峰值，但是此时表面电场强度高，器件的单脉冲雪崩耐量不高，因此在实际生产过程中，通常选择提高掺杂柱区的整体掺杂浓度来达到完全耗尽状态。但是，单纯的调节掺杂柱区的整体掺杂浓度虽然能够达到较好的单脉冲雪崩耐量，但是会以牺牲形成掺杂柱时的离子注入工艺窗口(离子注入时的注入剂量受离子注入机机台工况影响在量产过程中会存在一定波动，波动较大时会导致器件失效，离子注入时能够被允许的波动范围即为离子注入工艺窗口)为代价，并同时对器件的击穿电压造成较大损失，对器件的性能造成较为不利的影响。

3、因此，如何提供一种超结场效应晶体管结构及其制作方法，以提高单脉冲雪崩耐量的同时保证击穿电压的水平，并且不会降低掺杂柱区形成时的工艺窗口，成为本领域技术人员亟待解决的一个重要技术问题。

4、应该注意，上面对技术背景的介绍只是为了方便对本技术的技术方案进行清楚、完整的说明，并方便本领域技术人员的理解而阐述的。不能仅仅因为这些方案在本技术的背景技术部分进行了阐述而认为上述技术方案为本领域技术人员所公知。

技术实现思路

1、鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种超结场效应晶体管结构及其制作方法，用于解决现有技术中通过提高掺杂柱区掺杂浓度达到较好的单脉冲雪崩耐量时会导致击穿电压损失和工艺窗口降低的问题。

2、为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种超结场效应晶体管结构的制作方法，包括以下步骤：

3、提供一衬底；

4、形成掺杂层于所述衬底上，所述掺杂层包括第一导电类型外延层，所述外延层包括有源区及位于所述有源区外围的终端区，所述掺杂层还包括位于所述外延层中的多个第二导电类型有源区掺杂柱及多个第二导电类型终端区掺杂柱，多个所述有源区掺杂柱于所述有源区内间隔排列，多个所述终端区掺杂柱于所述终端区区域内间隔排列，所述有源区掺杂柱包括有源区下掺杂柱及位于所述有源区下掺杂柱上方的有源区上掺杂柱，所述终端区掺杂柱包括终端区下掺杂柱及位于所述终端区下掺杂柱上方的终端区上掺杂柱，所述有源区上掺杂柱的浓度大于所述有源区下掺杂柱的浓度，所述终端区上掺杂柱的浓度大于所述终端区下掺杂柱的浓度。

5、可选地，形成所述有源区下掺杂柱及所述终端区下掺杂柱的方法包括以下步骤：

6、a、形成底部外延层于所述衬底上，对所述底部外延层的预设区域进行第二导电类型离子注入以于所述底部外延层中得到多个位于所述有源区的有源区下掺杂单元及多个位于所述终端区的终端区下掺杂单元；

7、b、形成中部外延层于所述底部外延层上，对所述中部外延层的预设区域进行第二导电类型离子注入以于所述中部外延层中得到多个所述有源区下掺杂单元及多个所述终端区下掺杂单元，所述中部外延层的厚度小于所述底部外延层的厚度；

8、c、重复所述步骤b至少一次以在所述底部外延层上形成自下而上依次堆叠的m层所述中部外延层，每一所述中部外延层中均形成有所述有源区下掺杂单元及所述终端区下掺杂单元，m为大于1的整数。

9、可选地，形成所述有源区上掺杂柱及所述终端区上掺杂柱的方法包括以下步骤：

10、d、形成上部外延层于所述中部外延层上，对所述上部外延层的预设区域进行第二导电类型离子注入以于所述上部外延层中得到多个位于所述有源区的有源区上掺杂单元及多个位于所述终端区的所述终端区上掺杂单元，所述有源区上掺杂单元的掺杂浓度大于所述有源区下掺杂单元的掺杂浓度，所述终端区上掺杂单元的掺杂浓度大于所述终端区下掺杂单元的掺杂浓度；

11、e、重复所述步骤d至少一次以在所述中部外延层上形成自下而上依次堆叠的n层所述上部外延层，每一所述上部外延层中均形成有所述有源区上掺杂单元及所述终端区上掺杂单元，n为大于1的整数；

12、f、进行退火以使所述底部外延层及所述中部外延层中的在同一堆叠方向上的所述有源区下掺杂单元连成所述有源区下掺杂柱，使所述底部外延层及所述中部外延层中的在同一堆叠方向上的所述终端区下掺杂单元连成所述终端区下掺杂柱，使所述上部外延层中的在同一堆叠方向上的所述有源区上掺杂单元连成所述有源区上掺杂柱，使所述上部外延层中的在同一堆叠方向上的所述终端上掺杂单元连成所述终端区上掺杂柱。

13、可选地，所述有源区上掺杂柱的掺杂浓度比所述有源区下掺杂柱的掺杂浓度高0.5％～1.5％；所述终端区上掺杂柱的掺杂浓度比所述终端区下掺杂柱的掺杂浓度高0.5％～1.5％。

14、可选地，相邻两个所述终端区掺杂柱之间的间距比相邻两个所述有源区掺杂柱之间的间距大10％～20％。

15、可选地，还包括以下步骤：

16、形成场氧层于所述掺杂层的上方，所述场氧层覆盖所述终端区；

17、依次形成氧化层及多晶硅层于所述有源区上，所述多晶硅层还延伸至部分所述场氧层上；

18、形成多个开口于所述氧化层及所述多晶硅层中，所述开口显露出所述有源区掺杂柱；

19、基于所述开口形成多个阱区于所述外延层中，所述阱区与所述有源区掺杂柱一一对应且连接；

20、基于所述开口形成多个源区，所述源区与所述阱区一一对应且所述源区位于所述阱区内；

21、形成介质层于所述外延层上方；

22、形成多个接触孔于所述介质层中，所述接触孔与所述源区一一对应且显露出所述源区；

23、形成第一金属层于所述介质层上，所述第一金属层还填充进所述接触孔内，所述第一金属层包括位于所述有源区上方的第一金属部及所述终端区上方的第二金属部，所述第一金属部与所述第二金属部间隔排列。

24、可选地，所述介质层包括硼磷硅玻璃层及二氧化硅层中的至少一种。

25、本发明还提供一种超结场效应晶体管结构，包括：

26、衬底；

27、掺杂层，位于所述衬底上，所述掺杂层包括第一导电类型外延层，所述外延层包括有源区及位于所述有源区外围的终端区，所述掺杂层还包括位于所述外延层中的多个第二导电类型有源区掺杂柱及多个第二导电类型终端区掺杂柱，多个所述有源区掺杂柱于所述有源区内间隔排列，多个所述终端区掺杂柱于所述终端区区域内间隔排列，所述有源区掺杂柱包括有源区下掺杂柱及位于所述有源区下掺杂柱上方的有源区上掺杂柱，所述终端区掺杂柱包括终端区下掺杂柱及位于所述终端区下掺杂柱上方的终端区上掺杂柱，所述有源区上掺杂柱的浓度大于所述有源区下掺杂柱的浓度，所述终端区上掺杂柱的浓度大于所述终端区下掺杂柱的浓度。

28、可选地，相邻两个所述终端区掺杂柱之间的间距比相邻两个所述有源区掺杂柱之间的间距大10％～20％。

29、可选地，所述有源区上掺杂柱的掺杂浓度比所述有源区下掺杂柱的掺杂浓度高0.5％～1.5％；所述终端区上掺杂柱的掺杂浓度比所述终端区下掺杂柱的掺杂浓度高0.5％～1.5％。

30、如上所述，本发明的超结场效应晶体管结构的制作方法，通过形成有掺杂浓度高的上掺杂柱及掺杂浓度低的下掺杂柱构成的掺杂柱，使制作得到的器件表面处于杂质元素富余的状态，并在此基础上调整相邻两终端区掺杂柱之间间距，使得终端区仍处于掺杂柱和外延层之间电荷平衡的电学状态，将原本集中在器件表面的电场导向器件体内，从而获得更大的雪崩耐量，并且能够保证器件具有足够高的击穿电压，对于掺杂柱形成时的工艺窗口没有损失。本发明的超结场效应晶体管相较于现有的超结场效应晶体管结构具有更大的雪崩耐量的同时能够保证器件具有足够高的击穿电压和制作工艺窗口。

技术特征：

1.一种超结场效应晶体管结构的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的超结场效应晶体管结构的制作方法，其特征在于，形成所述有源区下掺杂柱及所述终端区下掺杂柱的方法包括以下步骤：

3.根据权利要求2所述的超结场效应晶体管结构的制作方法，其特征在于，形成所述有源区上掺杂柱及所述终端区上掺杂柱的方法包括以下步骤：

4.根据权利要求1所述的超结场效应晶体管结构的制作方法，其特征在于：所述有源区上掺杂柱的掺杂浓度比所述有源区下掺杂柱的掺杂浓度高0.5％～1.5％；所述终端区上掺杂柱的掺杂浓度比所述终端区下掺杂柱的掺杂浓度高0.5％～1.5％。

5.根据权利要求1所述的超结场效应晶体管结构的制作方法，其特征在于：相邻两个所述终端区掺杂柱之间的间距比相邻两个所述有源区掺杂柱之间的间距大10％～20％。

6.根据权利要求1所述的超结场效应晶体管结构的制作方法，其特征在于，还包括以下步骤：

7.根据权利要求6所述的超结场效应晶体管结构的制作方法，其特征在于：所述介质层包括硼磷硅玻璃层及二氧化硅层中的至少一种。

8.一种超结场效应晶体管结构，其特征在于，包括：

9.根据权利要求8所述的超结场效应晶体管结构，其特征在于：相邻两个所述终端区掺杂柱之间的间距比相邻两个所述有源区掺杂柱之间的间距大10％～20％。

10.根据权利要求8所述的超结场效应晶体管结构，其特征在于：所述有源区上掺杂柱的掺杂浓度比所述有源区下掺杂柱的掺杂浓度高0.5％～1.5％；所述终端区上掺杂柱的掺杂浓度比所述终端区下掺杂柱的掺杂浓度高0.5％～1.5％。

技术总结
本发明提供一种超结场效应晶体管结构及其制作方法，包括以下步骤：提供一衬底；形成掺杂层于衬底上，掺杂层包括第一导电类型外延层，外延层包括有源区及位于有源区外围的终端区，掺杂层还包括多个第二导电类型有源区掺杂柱及终端区掺杂柱，多个有源区掺杂柱及终端区掺杂柱分别于有源区及终端区内间隔排列，有源区掺杂柱包括有源区下掺杂柱及有源区上掺杂柱，终端区掺杂柱包括终端区下掺杂柱及终端区上掺杂柱，有源区上掺杂柱的浓度大于有源区下掺杂柱的浓度，终端区上掺杂柱的浓度大于终端区下掺杂柱的浓度。本发明的制作方法制作得到的晶体管同时具有更大的雪崩耐量和足够高的击穿电压，并且对于掺杂柱形成时的工艺窗口没有损失。

技术研发人员：陈开宇
受保护的技术使用者：瑶芯微电子科技（上海）有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23