專利名稱：超結高壓功率器件結構的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種超結高壓功率器件結構。
背景技術：
器件的導通電阻Ron和器件的擊穿電壓(breakdown voltage)是衡量器件性能的重要因素，在許多功率半導體器件中，需要具有高的擊穿電壓和低的導通電阻，傳統的功率器件，加在η+襯底和P+阱間的反向電壓是由一個摻雜較輕而較厚的半導體層來承受的，通常將此層稱為耐壓區(η-外延)，對于高壓功率器件，導通電阻Ron(或導通壓降)也主要由耐壓區(η-外延)來決定，此區域摻雜愈輕，或厚度愈大，或兩者都是，則擊穿電壓愈高，而隨著擊穿電壓的提高，導通電阻以2. 5次方增長，所以擊穿電壓與導通電阻的關系成為功率半導體制造的重要難點。

中國發明專利ZL91101845.X及美國發明專利5216275解決了上述問題。其解決方法是在η+襯底和ρ+講之間用一個復合緩沖層(Composite Buffer Layer ,或簡稱CB層)來耐壓，在CB層中含有兩種導電類型相反的區域(Pcolumn和Ncolumn),這兩種區域從平行于CB層與η+襯底界面的任一剖面來講，都是相間排列的，我們將這種結構稱為超結結構，而在此之前所用的耐壓層都是單一導電類型的半導體，在該發明中還公布了具有超結結構的MOSFET，單位面積的導通電阻Ron正比于擊穿電壓凡的I. 3次方，這代表對通常耐壓層關系的一個突破，而MOSFET其它的電性能也很好。功率半導體器件的元胞區(有源區)是由多個重復排列的元胞構成的，在耗盡的狀態下，元胞區的電場在耐壓層中分布是處處相等的，因此元胞區中不會發生因電場集中導致的擊穿。但是在元胞區的邊界處，器件通常會受到結曲率效應的影響而導致電場在結附近聚集，使器件極易發生擊穿，所以需要特殊的terminal (終端結構)來改善結曲率效應對器件耐壓的影響。目前，傳統的高壓功率器件中有許多的終端技術來改善器件終端的耐壓例如，場限環，場板技術、JTE(junction terminal extension)等。但是傳統的終端結構不適用于具有超結結構的器件，因為外延層濃度很高時，擊穿會在低電壓下的終端提前發生。若要利用現有的終端技術設計超結器件的終端，則在器件邊緣終止區域中需要形成輕摻雜外延區域(典型地為η型，寫作n_)以獲得高擊穿電壓，制造商被迫從輕摻雜外延層或外延工藝開始將有源區中使用不同的摻雜技術將外延層轉變成更高摻雜的區域，這無疑增加了工藝的復雜程度及制造成本。如果使超結器件的終端也具有超結結構，一般為了改善終端結曲率效應，獲得良好的終端電場分布，終端Pcolumn (或Ncolumn)的濃度將會不同于有源區Pcolumn (或Ncolumn)濃度；或者，終端Pcolumn(或Ncolumn)的寬度將會不同于有源區Pcolumn(或Ncolumn)的寬度；或者,終端各個Pcolumn (或Ncolumn)之間的間距將會各不相同。所以，為了獲得所需的耐壓，一般需要調整Pcolumn(或Ncolumn)的寬度，濃度或間距才能達到器件所需的耐壓，此種做法會增加工藝的難度，并使制造成本增加。

發明內容
本發明所解決的技術問題是提供一種以使器件終端承受足夠高的耐壓即與元胞區相近的耐壓，并且這種結構可以用傳統的半導體制造工藝實現，不會增加工藝的難度及生產成本的超結高壓功率器件結構。為解決上述的技術問題，本發明采取的技術方案
一種超結高壓功率器件結構，其特殊之處在于包括有源區和有源區外圍的終端區有源區由重復排列的元胞構成的，單個元胞包括源區η+、柵氧化層、柵電極、漏極、BPSG層、源極、一個第一導電類型材料的襯底層；在襯底層上設置第一導電類型材料的外延層；每一個元胞的器件特征區域的器件特征層與外延層之間設置有一個復合緩沖層，復合緩沖層中含有第一種導電類型材料構成的 第一半導體區和第二種導電類型材料構成的第二半導體區；
終端區包括位于半導體材料上的場氧化層、位于有源區與終端過渡區域的主結、位于器件最外圍的截止環、BPSG層、一個第一導電類型材料的襯底層、至少一個第二導電類型的阱區、位于主結處氧化層之上的第一金屬場板、位于截止環上的第二金屬場板、位于主結場板與截止環場板之間的第三金屬場板，在襯底層上設置第一導電類型材料的外延層，在外延層上形成復合緩沖層，復合緩沖層中含有交替排列的第一種導電類型材料構成的第一半導體區和第二種導電類型材料構成的第二半導體區；第二導電類型的阱區位于第二半導體區的表面，處于兩個第一半導體區之間或最后一個第一半導體區與截止環之間。上述的終端區的第一半導體區和相鄰第二半導體區的寬度和濃度與元胞區的寬度和濃度完全相同或者任意寬度和濃度。上述的第二導電類型的阱區的寬度及相鄰第二導電類型的阱區之間的間距根據器件終端的擊穿電壓及電場分布情況調整設置。上述的第二導電類型的阱區的個數根據器件終端的擊穿電壓及電場分布情況設置。與現有技術相比，本發明的有益效果
本發明可以提高超結器件終端的耐壓和可靠性，能使終端承受與元胞區相近的耐壓，并且這種結構可以用傳統的超結半導體制造工藝實現，不會增加工藝的難度及生產成本。


圖I為本發明的結構示意 圖2為本發明的整體俯視 圖3為沒有設置第二導電類型阱區的700ν超結MOSFET的終端結構示意 圖4為沒有設置第二導電類型阱區的700ν超結MOSFET的終端擊穿電壓曲線；
圖5為設置有第二導電類型阱區的700ν超結MOSFET的終端結構示意 圖6為設置有第二導電類型阱區的700ν超結MOSFET的終端擊穿電壓曲線。
具體實施例方式下面結合附圖和具體實施方式
對本發明進行詳細說明。
參見圖I、圖2，本發明的由重復排列的元胞構成的，單個元胞包括源區η+、柵氧化層、柵電極、漏極、BPSG層、源極、一個第一導電類型材料的襯底層,第一導電類型材料的襯底層是η型半導體也可以是ρ型半導體，但在η型半導體來加以說明，稱其為η+襯底，在η+襯底上生長第一導電類型材料的外延層，它可以是η型半導體也可以是ρ型半導體，以η型半導體來加以說明，稱其為η外延層，在η外延層上造有許多個元胞，每一個元胞具有一個含器件特征區域的器件特征層，器件特征層起第二種導電類型材料的作用，它可以起η型半導體的作用，也可以起P型半導體的作用，以P+型半導體來加以說明，稱其為P+講，在P+講與η外延層之間有一個復合緩沖層(Composi te Buffer Layer),簡稱CB層,CB層中含有第一種導電類型材料構成的第一半導體區，此第一種導電類型的材料可以是η型半導體也可以是P型半導體，以η型導電材料來說明，CB層中還含有第二種導電類型材料構成的第二半導體區，此第二種導電類型的材料可以是P型半導體也可以是η型半導體，以P型導電材料來說明，CB層中的第一種半導體區和第二種半導體區是交替排列的，將CB層中的第一種半導體區稱為Ncolumndf CB層中的第二種半導體區成為Pcolumn。若以MOSFET為例，如圖五所示，有源區部分除了包含Pcolumn、Ncolumn, ρ+阱外，在有源區硅片的表面還需要形成源區η+、柵氧化層(gate oxide)、柵電極(poly)、漏極(drain)、BPS G層、源極(source)。如圖I所示，本發明的器件的終端包括位于半導體材料上的場氧化層、位于有源區與終端過渡區域的主結、位于器件最外圍的截止環、BPSG層、一個第一導電類型材料的襯底層、至少一個第二導電類型的阱區、位于主結處氧化層之上的第一金屬場板、位于截止環上的第二金屬場板、位于主結場板與截止環場板之間的第三金屬場板，在襯底層上設置第一導電類型材料的外延層，第一導電類型材料的襯底層，它可以是η型半導體也可以是ρ型半導體，在此發明中以η型半導體來加以說明，稱其為η+襯底，在N+襯底上形成外延層，可以是η型半導體也可以是ρ型半導體，此發明中以η型半導體來加以說明，稱其為η外延層；第二導電類型的阱區可以起η型半導體的作用，也可以起ρ型半導體的作用，但在本發明中用P+型半導體來加以說明，稱其為P+環；在外延層上形成復合緩沖層，復合緩沖層簡稱CB層，CB層中含有第一種導電類型材料構成的第一半導體區，此第一種導電類型的材料可以是η型半導體也可以是ρ型半導體，以η型導電材料來說明，CB層中還含有第二種導電類型材料構成的第二半導體區，此第二種導電類型的材料可以是P型半導體也可以是η型半導體，以ρ型導電材料來說明，CB層中的第一種半導體區和第二種半導體區是交替排列的，將CB層中的第一種半導體區稱為Ncolumndf CB層中的第二種半導體區稱為Pcolumn, ρ+環位于Ncolumn的表面，處于兩個Pcolumn之間，也可位于最后一個Pcolumn與η+截止環之間，該終端結構還包含位于半導體材料上的氧化層，還包括位于主結處氧化層之上的第一金屬場板；位于截止環上的第二金屬場板；也可以包括位于主結場板與截止環場板之間的第三金屬場板；各個場板之間都是斷開的；也可以用多晶硅來做場板。
在本發明中終端終端區的Ncolumn、Pcolumn的寬度和濃度可以和與元胞區的寬度和濃度完全相同，也可以做成任意制造商容易實現的寬度和濃度；
利用注入第二導電類型的阱區來實現終端電場的優化；在本發明中，第二導電類型的阱區利用有源區的P+阱的光刻版來實現，不會增加額外的制造費用；
第二導電類型的阱區的寬度及相鄰第二導電類型的阱區之間的間距可根據器件終端的擊穿電壓及電場分布情況，使用仿真軟件進行優化調節；
第二導電類型的阱區的個數也可根據器件終端的擊穿電壓及電場分布情況，使用仿真軟件進行優化調節。實施例
用具有超結結構的MOSFET來說明，但本發明不局限于MOSFET。一、在晶圓上形成超結結構；
二、形成場氧化層；
三、形成柵氧化層，形成多晶硅層；
四、注入P+講，形成P+環； 五、形成n+source區、η+截止環、淀積BPSG層、并刻蝕引線孔；
六、淀積金屬層，并刻蝕。在本發明中ρ+環的形成與ρ阱是同一層光刻版，并不限制與本實施例中所述的順序。以700ν 超結 mosfet 為例
在本例中第一導電類型的半導體用η型半導體表示，第二導電類型的半導體用ρ型半導體表示。η型襯底電阻率為O. 05ohm ；n型外延電阻率為4. 5ohm ； Ncolumn的寬度取12um、濃度取9el4 ；Pcolumn的寬度取5um、濃度取2. 5el5、p+阱注入劑量取5el3。上述工藝條件下的器件元胞仿真擊穿電壓可達到720v。我們對上述工藝件下器件終端做仿真如圖3為沒有設置第二導電類型阱區的終端結構，如圖4為沒有設置第二導電類型阱區的終端結構的擊穿電壓曲線，從圖中可以看重這種沒有加第二導電類型的阱區的結構的擊穿電壓比較低，約為640v，這種結構的終端不能滿足器件耐藥達到700v的要求。如圖5應用了本發明的終端結構，即設置了第二導電類型的阱區的結構，在本例中第二導電類型的阱區利用元胞區的P+阱的光刻版來實現；圖6為設置了第二導電類型的阱區的結構的擊穿電壓曲線，從中可以看出這種加了第二導電類型的阱區的結構的擊穿電壓可以達到705v ;通過圖4與圖6的仿真結果對比可知，本發明的終端結構可以提高超結器件終端的耐壓和可靠性，能使終端承受與元胞區相近的耐壓，并且這種結構可以用傳統的超結半導體制造工藝實現，不會增加工藝的難度及生產成本。
權利要求
1.一種超結高壓功率器件結構，其特征在于包括有源區和有源區外圍的終端區 有源區由重復排列的元胞構成的，單個元胞包括源區η+、柵氧化層、柵電極、漏極、BPSG層、源極、一個第一導電類型材料的襯底層；在襯底層上設置第一導電類型材料的外延層；每一個元胞的器件特征區域的器件特征層與外延層之間設置有一個復合緩沖層，復合緩沖層中含有第一種導電類型材料構成的第一半導體區和第二種導電類型材料構成的第二半導體區； 終端區包括位于半導體材料上的場氧化層、位于有源區與終端過渡區域的主結、位于器件最外圍的截止環、BPSG層、一個第一導電類型材料的襯底層、至少一個第二導電類型的阱區、位于主結處氧化層之上的第一金屬場板、位于截止環上的第二金屬場板、位于主結場板與截止環場板之間的第三金屬場板，在襯底層上設置第一導電類型材料的外延層，在外延層上形成復合緩沖層，復合緩沖層中含有交替排列的第一種導電類型材料構成的第一半導體區和第二種導電類型材料構成的第二半導體區；第二導電類型的阱區位于第二半導體區的表面，處于兩個第一半導體區之間或最后一個第一半導體區與截止環之間。
2.根據權利要求I所述的超結高壓功率器件結構，其特征在于所述的終端區的第一半導體區和相鄰第二半導體區的寬度和濃度與元胞區的寬度和濃度完全相同或者任意寬度和濃度。
3.根據權利要求I或2所述的超結高壓功率器件結構，其特征在于所述的第二導電類型的阱區的寬度及相鄰第二導電類型的阱區之間的間距根據器件終端的擊穿電壓及電場分布情況調整設置。
4.根據權利要求3所述的超結高壓功率器件結構，其特征在于所述的第二導電類型的阱區的個數根據器件終端的擊穿電壓及電場分布情況設置。
全文摘要
本發明涉及一種超結高壓功率器件結構。功率半導體器件會受到結曲率效應的影響而導致電場在結附近聚集，使器件極易發生擊穿，需要改善器件的耐壓程度。本發明包括有源區和終端區，終端區在襯底層上設置第一導電類型材料的外延層，在外延層上形成復合緩沖層，復合緩沖層中含有交替排列的第一種導電類型材料構成的第一半導體區和第二種導電類型材料構成的第二半導體區；第二導電類型的阱區位于第二半導體區的表面，處于兩個第一半導體區之間或最后一個第一半導體區與截止環之間。本發明可以提高超結器件終端的耐壓和可靠性，能使終端承受與元胞區相近的耐壓，并且這種結構可以用傳統的超結半導體制造工藝實現，不會增加工藝的難度及生產成本。
文檔編號H01L29/78GK102683408SQ20121000918
公開日2012年9月19日 申請日期2012年1月13日 優先權日2012年1月13日
發明者任文珍 申請人:西安龍騰新能源科技發展有限公司