专利名称：一种Super Junction VDMOS器件的制作方法
技术领域：
本发明属于电子技术领域，涉及功率半导体器件，具体涉及一种Super Junction VDMOS器件。
背景技术：
Super Junction VDMOS是一种发展迅速、应用广泛的新型功率半导体器件。它是 在普通垂直双扩散金属氧化物半导体(VDMOS)的基础上，通过引入SJ(Super Junction)结 构，除了具备VDMOS输入阻抗高、开关速度快、工作频率高、电压控制、热稳定性好、驱动电 路简单、易于集成等特点外，还克服了 VDMOS的导通电阻随着击穿电压成2. 5次方关系增加 的缺点。目前Super Junction VDMOS已广泛应用于面向个人电脑、笔记本电脑、上网本或 手机、照明(高压气体放电灯)产品以及电视机(液晶或等离子电视机)和游戏机等消费 电子产品的电源或适配器。1988 年，飞利浦公司的 D.J. Coe 申请美国专利(David J. Coe，High voltage semiconductor device[P], US Patent 4，754，310. 1988.)，第一次给出了在横向高 压M0SFET(LD M0SFET)中用交替的pn结结构代替传统功率器件中低掺杂漂移层作为 电压支持层(耐压层)的方法。1993年，电子科技大学的陈星弼教授申请的美国专利 (Xingbi Chen, Semiconductor power devices with alternating conductivity type high-voltage breakdown regions [P]. US Patent 5，216，275. 1993.)，提出 了在纵向功率 器件(尤其是纵向M0SFET)中用多个pn结结构作为漂移层的思想，并把这种结构称之为 “复合缓冲层” (Composite Buffer Layer)。1995年，西门子公司的J. Tihanyi申请的美国 专利(Tihanyi J.Power MOSFET [P]. US Patent 5，438，215. 1995.)，提出了类似的思路和 应用。1997年Tatsuhiko等人在对上述概念的总结下，提出了“超结理论”。结合该理论， 1998年Infineon公司首次推出了 Super Junction VDM0S，也称为“CoolMOS ”，其基本结构 如图1所示。其最初的P柱区3是采用多次外延和多次离子注入的方式实现的。“CoolMOS ” 显著地降低了导通电阻，但在该结构内存在一个体二极管，它由P+区、N外延层和N+衬底构 成。当该体二极管处于导通状态时，大量过剩载流子贮存在电压支持层中，使“CoolMOS ” 具有很大的反向恢复电荷Q ，而且由于横向pn结的存在会使这些载流子迅速排出，这使得 “CoolMOS ”具有较差的反向恢复特性。文献Xu CHENG, Xing-Ming LIU, Johnny K. 0. SIN, Bao-ffei KANG, Improving the CoolMOS Body-Diode Switching Performance with Integrated Schottky Contacts, ISPSD 2003提供了一种带有肖特基接触结构的平面栅Super Junction VDM0S，如图2所 示，在栅下的N型区4表面做成肖特基接触结构11。在体二极管开启时，一部分电流将由流 过肖特基接触结构的多数载流子提供，这种带有肖特基接触结构的平面栅Super Junction VDMOS器件明显消除了器件中过剩载流子存储效应的作用，从而有效地改善了器件的反向 恢复特性。在阻挡状态时，漏源之间存在一个高压，使得P区、N区完全耗尽成为电压支持 层。在N区中电场存在一个来自临近P区的很强的横向分量，而它带来的二维效应降低了肖特基接触结构下的电场密度，这就是所谓的“JFET效应”或者叫“夹断效应”，从而克服了 肖特基接触结构11击穿电压低的问题。但是，由于肖特基接触结构11的引入，使器件泄漏 电流增加，而且由于肖特基接触改变了原来的栅结构，使得原先正栅偏压时在N区外延层 表面处形成的多子积累层不复存在，使得器件导通电阻增加。要改善这些缺点需要更好的 工艺线宽，增加了器件的制造成本。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有较好反向恢复特性的Super Junction VDMOS器 件，且对工艺线宽的要求较低。本发明的核心思想是在现有的带有肖特基接触的平面栅Super Junction VDMOS 器件基础上，在多晶硅栅下的N型JFET区中引入一沟槽式肖特基接触，当二极管开启时， 通过肖特基接触，使得部分电流由多子电流来实现，因此少子电流减少，从而使得过剩载流 子的存储效应减弱，达到改善器件的反向恢复特性的目的。同时，肖特基接触做成沟槽式 结构，与文献 Xu CHENG, Xing-Ming LIU, Johnny K. 0. SIN, Bao-ffei KANG, Improving the CoolMOS Body-Diode Switching Performance with Integrated Schottky Contacts, ISPSD 2003相比，在获得相同反向恢复特性的情况下，可以降低器件制备时对工艺线宽的 要求，使器件尺寸更小；而源金属电极做成沟槽式，可进一步降低器件接触电阻，并改善器 件散热性能，获得优越的高温工作特性。本发明技术方案如下一种Super Junction VDMOS器件，如图3所示，包括N+衬底2、位于N+衬底2背底 表面的金属漏极1、位于N+衬底2表面的Super Junction结构、多晶硅栅电极9和金属源 电极10。所述Super Junction结构由两个P型柱区3中间夹一个N型柱区4形成。Super Junction结构顶部两侧分别具有一个P型基区5，P型基区5分别与P型柱区3和N型柱 区4接触；两个P型基区5中分别具有N+源区6和P+体区7。所述多晶硅栅电极9位于P 型基区5和N型柱区4的上方，与P型基区5和N型柱区4之间通过栅氧化层相绝缘。所 述金属源电极10位于器件的最上层，两端分别与两个P型基区5中的N+源区6和P+体区 7相接触，与多晶硅栅电极9之间通过隔离介质8相绝缘。所述多晶硅栅电极9在N型柱区 4上方分成两段；所述金属源电极10在两段多晶硅栅电极9之间的区域向下延伸进N型柱 区4，并在与N型柱区4相接触的表面形成沟槽式肖特基接触结构11。上述技术方案中所述沟槽式肖特基接触结构11的肖特基势垒高度、槽的深度、槽的长度可以根据 器件所要求的导通特性以及体二极管的反向恢复特性进行调节。所述金属源电极10两端与两个P型基区5中的N+源区6和P+体区7相欧姆接触 的部分也可以做成沟槽式结构，该沟槽式欧姆接触结构向下延伸进N+源区6和P+体区7， 甚至延伸进P型基区5。所述金属源极10两端的沟槽式欧姆接触结构可进一步降低器件接 触电阻，并改善器件散热性能，获得优越的高温工作特性。上述方案中，所述金属源极10中间的沟槽式肖特基接触结构11和两端的沟槽式 欧姆接触结构通过刻槽和金属淀积的工艺即可实现。本发明的工作原理
本发明提供的一种Super Junction VDM0S，能有效地改善体二极管的反向恢复特 性，并且具有好的散热特性，使得器件的靠性得到增加。下面以本发明提供的图3所述的N 沟道Super Junction VDMOS为例说明本发明的工作原理。当沟道开启后，电子由源极流经沟道，N型柱区4，N+衬底2，最后流向漏极1，此过 程中，P型柱区3不起作用；而当器件加反偏压时，不仅存在纵向的电场，同时还存在横向 的电场使PN结耗尽，这与传统结构只存在纵向电场不同。所以，如果在击穿之前，P型柱区 3和N型柱区4都完全耗尽，则其击穿电压只与漂移区厚度有关而与漂移区掺杂浓度无关。 这样，SJ(Super Junction)结构中的漂移区掺杂浓度可以比传统结构漂移区的掺杂浓度高 出一个数量级，使导通电阻大大降低，进而改善导通电阻与器件耐压之间的矛盾。然而，在 体二极管被正向偏置时，P型柱区3与N型柱区4之间的大面积PN结会相互注入大量的少 子到对方区域，当器件要恢复到正向阻断时，体二极管需要经历一个反向恢复过程，以扫出 P型柱区3、N型柱区4中的少数载流子Q 。由于引入了 P型柱区3，使得Super Junction VDMOS的体二极管的反向恢复过程与普通VDMOS相比较有更大的Q ，并且di/dt也要大得 多，从而导致其反向恢复特性较差。而本发明所述的一种Super Junction VDM0S，引入沟 槽式肖特基接触结构来改善体二极管的反向恢复特性。肖特基接触结构11与体二极管并 联，当体二极管开启时，一部分电流将以多数载流子电流的形式流过肖特基接触结构11，使 得N柱区4中注入的少数载流子以及存储的过剩载流子将减少，进而在体二极管关断时有 更快的反向恢复速度；在阻断情况下，当漏电极1加上高电压时，肖特基接触结构11周围的 N区将被两边的P型基区5夹断，削弱了肖特基接触结构11处的电场，使得肖特基接触结构 11的击穿电压增大，从而可在不影响器件耐压的情况下，有效地改善器件的反向恢复特性。 本发明中的沟槽式肖特基接触结构11与图2所示的平面肖特基接触结构11相比，在有相 同肖特基接触面积的情况下，可降低对工艺线宽的要求。且本发明中，金属源电极10的沟 槽式欧姆接触结构增大了源极的接触面积，降低了器件的接触电阻，而且使得器件更容易 散热。另外，本发明中的沟槽式肖特基接触结构11和沟槽式欧姆接触结构可采用同一张掩 膜版，使得器件的制造成本不会明显增加。综上所述，本发明提供的Super Junction VDMOS器件，由于金属源电极与N型柱 区4之间具有沟槽式肖特基接触结构，使得器件具有较好的反向恢复特性；在同等反向恢 复特性要求的情况下，可以降低器件制备时对工艺线宽的要求，使器件尺寸更小；而金属源 电极的沟槽式欧姆接触结构，可进一步降低器件接触电阻，并改善器件散热性能，获得优越 的高温工作特性。
图1是传统的Super Junction VDMOS器件结构示意图。其中，1是漏极金属、2是N+衬底、3是P型柱区、4是N型柱区、5是P型基区、6是 N+源区、7是P+体区、8是隔离介质、9是多晶硅栅、10是金属源极。图2是现有的一种带有平面肖特基接触结构的Super Junction VDMOS器件结构 示意图。其中，11是肖特基接触结构。图3是本发明提供的一种带有沟槽式肖特基接触的Super Junction VDMOS器件
5结构示意图。图4是本发明提供的另一种带有沟槽式肖特基接触的Super Junction VDMOS器 件结构示意图。
具体实施例方式一种Super Junction VDMOS器件，如图3所示，包括N+衬底2、位于N+衬底2背底 表面的金属漏极1、位于N+衬底2表面的Super Junction结构、多晶硅栅电极9和金属源 电极10。所述Super Junction结构由两个P型柱区3中间夹一个N型柱区4形成。Super Junction结构顶部两侧分别具有一个P型基区5，P型基区5分别与P型柱区3和N型柱 区4接触；两个P型基区5中分别具有N+源区6和P+体区7。所述多晶硅栅电极9位于P 型基区5和N型柱区4的上方，与P型基区5和N型柱区4之间通过栅氧化层相绝缘。所 述金属源电极10位于器件的最上层，两端分别与两个P型基区5中的N+源区6和P+体区 7相接触，与多晶硅栅电极9之间通过隔离介质8相绝缘。所述多晶硅栅电极9在N型柱区 4上方分成两段；所述金属源电极10在两段多晶硅栅电极9之间的区域向下延伸进N型柱 区4，并在与N型柱区4相接触的表面形成沟槽式肖特基接触结构11。上述技术方案中所述沟槽式肖特基接触结构11的肖特基势垒高度、槽的深度、槽的长度可以根据 器件所要求的导通特性以及体二极管的反向恢复特性进行调节。所述金属源电极10两端与两个P型基区5中的N+源区6和P+体区7相欧姆接触 的部分也可以做成沟槽式结构，该沟槽式欧姆接触结构向下延伸进N+源区6和P+体区7， 甚至延伸进P型基区5。所述金属源极10两端的沟槽式欧姆接触结构可进一步降低器件接 触电阻，并改善器件散热性能，获得优越的高温工作特性。上述方案中，所述金属源极10中间的沟槽式肖特基接触结构11和两端的沟槽式 欧姆接触结构通过刻槽和金属淀积的工艺即可实现。器件制备时，其主要工艺步骤包括(1)在N+衬底上生长N柱，P型基区光刻及硼 注入；(2)P型柱区深槽刻蚀并退火，槽内各向异性外延并CMP ； (3)栅氧化，淀积多晶硅，多 晶硅掺杂及光刻，形成多晶硅栅电极；(4)光刻N+源区，源区注入磷或砷；(5)刻蚀源极和肖 特基接触Trench ； (6)光刻P+体区，体区注入硼；(7)淀积二氧化硅，退火致密并光刻引线 孔；(7)淀积金属，反刻金属，钝化，光刻钝化孔等。在实施过程中，可以根据具体情况，在基 本结构不变的情况下，进行一定的变通设计。
权利要求
一种Super Junction VDMOS器件，包括N+衬底(2)、位于N+衬底(2)背底表面的金属漏极(1)、位于N+衬底(2)表面的Super Junction结构、多晶硅栅电极(9)和金属源电极(10)；所述Super Junction结构由两个P型柱区(3)中间夹一个N型柱区(4)形成；Super Junction结构顶部两侧分别具有一个P型基区(5)，P型基区(5)分别与P型柱区(3)和N型柱区(4)接触；两个P型基区(5)中分别具有N+源区(6)和P+体区(7)；所述多晶硅栅电极(9)位于P型基区(5)和N型柱区(4)的上方，与P型基区(5)和N型柱区(4)之间通过栅氧化层相绝缘；所述金属源电极(10)位于器件的最上层，两端分别与两个P型基区(5)中的N+源区(6)和P+体区(7)相接触，与多晶硅栅电极(9)之间通过隔离介质(8)相绝缘；其特征在于，所述多晶硅栅电极(9)在N型柱区(4)上方分成两段；所述金属源电极(10)在两段多晶硅栅电极(9)之间的区域向下延伸进N型柱区(4)，并在与N型柱区(4)相接触的表面形成沟槽式肖特基接触结构(11)。
2.根据权利要求1所述的SuperJunction VDMOS器件，其特征在于，所述金属源电极 (10)两端与两个P型基区(5)中的N+源区(6)和P+体区(7)相欧姆接触的部分为沟槽式 结构，该沟槽式欧姆接触结构向下延伸进N+源区(6)和P+体区(7)。
3.根据权利要求2所述的SuperJunction VDMOS器件，其特征在于，所述沟槽式欧姆 接触结构向下延伸进N+源区(6)和P+体区(7)，并延伸进P型基区(5)。
4.根据权利要求1至3中任一所述SuperJunction VDMOS器件，其特征在于，所述沟 槽式肖特基接触结构(11)的肖特基势垒高度、槽的深度、槽的长度根据器件所要求的导通 特性以及寄生体二极管的反向恢复特性进行调节。
5.根据权利要求1至3中任一所述SuperJunction VDMOS器件，其特征在于，所述沟 槽式肖特基接触结构(11)通过刻槽和金属淀积工艺实现。
全文摘要
一种Super Junction VDMOS器件，属于半导体功率器件技术领域。本发明在具有平面肖特基接触结构的Super Junction VDMOS器件基础上，引入沟槽式肖特基接触结构即将多晶硅栅电极在N型柱区上方分成两段；同时将金属源电极在两段多晶硅栅电极之间的区域向下延伸进N型柱区，并在与N型柱区相接触的表面形成沟槽式肖特基接触结构。另外，金属源电极两端也可做成沟槽式欧姆接触结构。本发明提供的Super Junction VDMOS器件，具有较好的反向恢复特性；在同等反向恢复特性要求下，可降低器件制备时对工艺线宽的要求，使器件尺寸更小；而沟槽式欧姆接触结构，可降低器件接触电阻，并改善器件散热性能。两个沟槽式结构可采用同一张掩模板，使得器件的制造成本不会明显增加。
文档编号H01L29/47GK101950759SQ20101026477
公开日2011年1月19日 申请日期2010年8月27日 优先权日2010年8月27日
发明者张波, 李泽宏, 洪辛, 胡涛, 邓光平, 钱振华 申请人:电子科技大学