一种极低反向恢复电荷超结功率VDMOS的制作方法

本发明涉及功率半导体器件领域，特别是涉及一种具有极低反向恢复电荷的超结功率vdmos器件的制备方法

背景技术：

超结纵向金属氧化物半导体场效应管(superjunctionverticaldouble-diffusionmetal-oxide-semiconductor简称sj-vdmos)因其打破硅极限，在实现极低导通电阻的同时，又维持了器件高的耐压性能，使其在脉冲宽度调制和电机控制电路中具有广泛地应用。

传统sj-vdmos引入高掺杂的p柱来和高浓度n型耐压层相互横向耗尽，以降低器件的纵向电场，实现器件高的耐压能力和低的导通电阻。但高掺杂的p柱，大幅地提升了sj-vdmos体二极管的阳极发射面积和空穴注入效率，造就了sj-vdmos体二极管极其恶劣的反向恢复特性，如过高的反向恢复电流(irrm)，过大的反向恢复电荷(qrr)和极低的软度因子(s)，进而降低器件工作的可靠性、增加系统的工作损耗和引起严重的电磁干扰(emi)噪声，严重制约了sj-vdmos在硬开关拓扑结构和高频开关运用领域中的应用。为克服传统sj-vdmos体二极管反向恢复特性差的问题，人们通常采用两种主要的技术手段：载流子寿命控制技术以及并联肖特基二极管技术。(一)载流子寿命控制技术，例如电子辐照技术和重金属掺杂技术，通过引入深能级复合中心，有效地降低n型耐压层中少数载流子的寿命来降低反向恢复电荷，但会导致器件漏电流的大幅增加，尤其在高温下，且电子辐照技术成本高、重金属掺杂技术工艺复杂。(二)并联肖特基二极管技术，使得续流电流大部分由肖特基二极管来导通，减少流经sj-vdmos体二极管的电流，从而显著地其改善反向恢复特性。但该方案不可避免地导致两方面尖锐的问题。一是，sj-vdmos的体二极管反向恢复特性改善和泄露电流水平高低，与肖特基二极管的面积大小存在折中关系，如面积越大，反向恢复特性改善效果越明显，但泄露电流也显著增加；二是，肖特基二极管的电流能力不及sj-vdmos体二极管，使得在流过高续流电流时，体二极管依然起续流的主导作用，大幅降低该方案对反向恢复特性的改善作用。上述可见，现有的并联肖特基方案无法在维持较低泄露电流水平的基础上，大幅地改善sj-vdmos体二极管反向恢复特性，且该技术方案受限于续流电流水平高低，仅在较低的续流电流下，能够起到很好的反向恢复改善。因此，我们提出了一种新型sj-vdmos新结构，在实现了良好的反向恢复特性的同时确保器件低的漏电特性，且在高续流电流下，该结构依然能够实现卓越的反向恢复特性。

技术实现要素：

本发明针对上述问题，提出了一种极低反向恢复电荷的sj-vdmos器件，该结构在保持高耐压、低漏电和低生产成本的同时，显著减小了sj-vdmos体二极管反向恢复电荷qrr，增加了反向恢复的软度因子s，且在大续流电流状况下，依然能够实现卓越的反向恢复特性，从而减小了器件在反向恢复期间的功耗以及电磁干扰噪声，进一步提高了器件的可靠性。

本发明的技术方案如下：

一种极低反向恢复电荷超结功率vdmos，包括一超结vdmos，所述超结vdmos包括兼做漏极的n型衬底和设在n型衬底上的n型漂移区，其特征在于，在超结vdmos的n型漂移区内设有第一p柱，在第一p柱的顶部设有第一p型体区且第一p型体区的顶面与n型漂移区的顶面平齐，在第一p型体区上设有nmos管，在所述nmos管与所述第一p型体区之间设有sio2隔离层，在所述第一p型体区上还设有第一p型重掺杂区，所述超结vdmos的源极金属、nmos管的源极金属及第一p型重掺杂区相连接；所述超结vdmos的漏极作为所述超结功率vdmos的漏极，所述超结vdmos的栅极与所述nmos管的栅极连接并作为所述超结功率vdmos的栅极，所述nmos管的漏极作为所述超结功率vdmos的源极；在超结vdmos的n型漂移区上还设有肖特基接触且肖特基接触与所述nmos管的漏极连接，并由此形成阴极连接于所述超结功率vdmos漏极、阳极连接于所述超结功率vdmos源极的肖特基二极管。

与传统sj-vdmos相比，本发明具有如下优点：

1、本发明利用集成的元胞分布式肖特基接触9来导通续流电流，大幅降低了续流期间n型耐压层中存储的空穴电荷总量。由于传统sj-vdmos器件的体二极管由高浓度的第一p型体区、p柱和n型耐压层所构成，当该体二极管正向导通时，会产生大量的空穴电流流经n型耐压层，致使大量的空穴存储在n型耐压层中，导致体二极管反向恢复特性极差，反向恢复电荷数目(qrr)总量大。肖特基二极管是一种多数载流子(电子)导电器件，使得正向导通期间，n型耐压层中几乎没有空穴载流子的存储，从而显著地提升sj-vdmos的反向恢复特性，大幅地降低qrr。

2、本发明利用由p型衬底区11、n型重掺杂漏区13、n型重掺杂源区51、p型重掺杂区10b和sio2隔离层12所构成的隔离型nmos管101中p型衬底区和n型重掺杂漏区组成的反偏pn结，对续流电流起阻断作用，迫使该电流只能通过肖特基二极管进行续流，有效地抑制sj-vdmos体二极管的开启，从而实现了在大续流电流情况下，器件卓越的反向恢复特性。传统并联肖特基二极管的sj-vdmos器件，利用肖特基二极管开启电压低和多子导电的特点，可以在较小的续流电流下，实现理想的反向恢复特性。然而当续流电流(if)较高时，sj-vdmos的体二极管对续流电流起主导作用，绝大部分续流电流流经该二极管，使得该方法对反向恢复的改善效果大幅降低。而本发明中，由于nmos的反偏pn结存在，在续流期间，使续流电流完全经由肖特基二极管流出漏极，从而显著改善传统并联肖特基二极管的sj-vdmos器件在大续流电流下较差的反向恢复特性。如电路图3所示，nmos器件串联在sj-vdmos器件下方，两个mos器件的源极短接、栅极电压相同，且两个mos器件的体二极管pn结方向相反。故而当环路续流时，nmos管沟道没有导通且体二极管反偏，电流无法从nmos管流过，迫使电流只流向多子导电的肖特基二极管而并不流经sj-vdmos的体二极管，从而实现了器件在大续流电流情况下卓越的反向恢复特性，如图6两种结构反向恢复对比图所示。此外，肖特基接触的引入不仅导致极低的反向恢复存储电荷qrr，还导致正向导通时特征导通电阻ron，sp的增大，这意味着对于sj-vdmos其反向恢复存储电荷和特征导通电阻之间存在折中关系，如图8所示。品质因数是个权衡反向恢复存储电荷和特征导通电阻之间关系优劣的重要参数，如图9所示，所提结构的品质因数比传统结构的品质因数下降了94.9％，体现所提结构在正向导通和反向恢复中总体的优越性。

3、本发明利用集成的nmos和sj-vdmos具有相同的栅极和源极，使得在本发明结构，可以像使用传统sj-vdmos一样进行驱动。正向导通时，在图3电路示意图中，栅极接高电位，源极(nmos的漏极)接0电位，sj-vdmos的漏极接高电位，此时nmos和sj-vdmos的沟道同时开启，漏极电流从漏极流向源极；反向耐压时，栅极和源极短接接地，漏极接高电位，由n型耐压层、p-pillar和p-body构成的反偏pn结，进行耐压。

4、本发明利用在极小的肖特基接触面积下就可以大幅地改善反向恢复特性的特点，实现了优异的漏电特性。传统并联肖特基二极管的sj-vdmos器件需要较大的肖特基接触面积才能取得良好的反向恢复效果，而较大的肖特基面积，会导致sj-vdmos的反偏泄露电流显著增加。而本发明结构，利用续流电流只能流过肖特基二极管的特点，只需极小的肖特基面积，就可以实现续流，从而实现了优异的漏电特性，如图7传统sj-vmos与肖特基面积在整个元胞中的占比k为9.9％的所提新结构的反偏特性对比图中所示。

附图说明

图1所示为传统sj-mosfet结构图。

图2所示为所提sj-mosfet结构图，其中，图2-1为所提sj-mosfet的整体结构图，图2-2为所提sj-mosfet中nmos管的局部放大结构图。

图3所示为所提sj-mosfet电路结构图。

图4所示为所提结构工作原理图，其中，图4-1为所提sj-vdmos器件续流阶段的等效电路图，图4-2为所提sj-vdmos器件反向恢复过程的等效电路图

图5-1所示为两种结构正向导通时空穴浓度分布对比图。

图5-2所示为两种结构正向导通时电子浓度分布对比图。

图6所示为两种结构的体二极管电流反向恢复波形对比图。

图7所示为两种结构反偏特性对比图。

图8所示为所提结构的qrr与ron，sp的折中关系对比图。

图9所示为两种结构的品质因数对比图。

具体实施方式

一种极低反向恢复电荷超结功率vdmos，包括一超结vdmos，所述超结vdmos包括兼做漏极的n型衬底1和设在n型衬底1上的n型漂移区2，其特征在于，在超结vdmos的n型漂移区2内设有第一p柱31，在第一p柱31的顶部设有第一p型体区41且第一p型体区41的顶面与n型漂移区2的顶面平齐，在第一p型体区41上设有nmos管101，在所述nmos管101与所述第一p型体区41之间设有sio2隔离层12，在所述第一p型体区41上还设有第一p型重掺杂区10a，所述超结vdmos的源极金属、nmos管101的源极金属及第一p型重掺杂区10a相连接；所述超结vdmos的漏极作为所述超结功率vdmos的漏极，所述超结vdmos的栅极与所述nmos管101的栅极连接并作为所述超结功率vdmos的栅极，所述nmos管101的漏极作为所述超结功率vdmos的源极；在超结vdmos的n型漂移区2上还设有肖特基接触9且肖特基接触9与所述nmos管101的漏极连接，并由此形成阴极连接于所述超结功率vdmos漏极、阳极连接于所述超结功率vdmos源极的肖特基二极管。在本实施例中，

所述超结vdmos还n型漂移区2内设有第二p柱32，在第二p柱32的顶部设有第二p型体区42且第二p型体区42的顶面与n型漂移区2的顶面平齐，在第二p型体区42内设有超结vdmos的n型重掺杂源区5，在超结vdmos的n型重掺杂源区5上连接有源极金属8，在超结vdmos的n型重掺杂源区5的上方设有内包第一栅极导电多晶硅7的栅氧化层6且第一栅极导电多晶硅7为所述超结vdmos的栅极，所述栅氧化层6和栅极导电多晶硅7延伸经过第二p型体区42并进入n型漂移区2的上方。

所述nmos管101包括p型衬底区11，在p型衬底区11顶部设有nmos管101的n型重掺杂漏区13n型重掺杂源区51以及与n型重掺杂源区51相接触的第二p型重掺杂区10b，在所述n型重掺杂漏区13上连接有漏极金属14，在所述n型重掺杂源区51和第二p型重掺杂区10b上设有连接有源极金属8，在n型重掺杂漏区13上设有内包第二栅极导电多晶硅72的第二栅氧化层62且第二栅极导电多晶硅72为所述nmos管101的栅极，所述第二栅氧化层62和第二栅极导电多晶硅72延伸经过p型衬底区11并进入n型重掺杂源区51的上方。

肖特基接触9分别位于第一p型体区41与第二p型体区42之间以及第一p型体区41和第二p型体区42的外侧，长度为2～3μm，并采用砷金属。

sio2隔离层12的深度为4.8μm～5.2μm，宽度为1.9μm～2.1μm，厚度为

nmos管的p型衬底区11的浓度为1e16ev，栅氧化层的长度为1.2μm～1.6μm。

下面结合附图对本发明做进一步说明。

本发明工作原理：

本发明所提出的sj-vdmos器件结构如图3所示。

正向导通：当所提结构栅极和漏极接高电位、源极接低电位时，其内部nmos和sj-vdmos中电子沟道同时开启，在漏极高电位的作用下，形成从漏极流向源极的电子电流。

反向关断：当所提结构栅极和源极短接在一起共接低电位、漏极接高电位时，由n型耐压层、p-pillar和p-body所构成的反偏pn结，承受该反偏耐压。

续流过程：图4-1所示电路示意图中，栅极、源极短接共接高电位，漏极接低电位，此时沟道关断，且nmos中存在的反偏pn结阻断续流电流流过传统sj-vdmos的体二极管，续流电流只经由肖特基电极流入n型耐压层，再经漏极流出。由于续流期间，sj-vdmos的体二极管不开启，所以续流期间，流经器件的续流电流几乎全由电子电流所组成，使得n型耐压层中存储的空穴总量几乎为0，如图5所示，耐压层中电子电流密度很高而空穴电流密度极低。

反向恢复过程：如图4-2所示，当外部电压条件，由续流过程中的状态逐渐转为栅极和源极短接共接低电位，漏极接高电位时，反向恢复过程发生。由于续流期间，存储在n型耐压层中的空穴总量几乎没有，导致n型耐压层中的空间电荷区可以快速地耗尽以进行耐压，实现卓越的反向恢复特性，如极快的反向恢复时间trr，极低的反向恢复存储电荷qrr，较高的软度因子s，如图6传统sj-vdmos与肖特基占比k为9.9％的所提结构的反向恢复波形对比所示。