专利名称：一种超结结构的纵向双扩散金属氧化物半导体功率器件的制作方法
技术领域：
本发明涉及半导体器件技术领域，尤其涉及一种超结结构的纵向双扩散金属氧化物半导体功率器件。
背景技术：
目前功率器件被广泛地应用于开关电源、汽车电子、工业控制等领域；纵向双扩散金属氧化物半导体场效应晶体管(Vertical Double-diffused MOSFET，简称VDMOS)，与传统双极型功率晶体管相比具有许多优良性能，如输入阻抗高、开关速度快、工作频率高、电压控制性好、热稳定性好，没有二次击穿等特点，是较为优异的功率器件。尤其是超结结构 VDMOS的发明，它克服了传统功率VDMOS导通电阻与击穿电压的矛盾；它改变了传统功率 VDMOS器件依靠漂移层耐压的结构，采用一种“超结结构”——P型、N型硅半导体材料在漂移区相互交替排列的形式。这种结构改善了击穿电压和导通电阻不易同时兼顾的情况，既可提高击穿电压，又降低导通电阻。由于超结结构VDMOS的这种独特器件结构，使它的电性能明显优于传统功率VDM0S，因此这种技术被人们称为功率金属氧化物半导体场效应晶体管技术上的一个里程碑。如错误！未找到引用源。所示为传统功率VDMOS器件的元胞结构示意图，N型外延层通过背面电极引出，作为漏电极(Drain) ；P-body通过表面P+、η+引出，作为源电极 (Source) ；P-body之间的外延层上设有栅电极，与N型外延层间有绝缘介质间隔。器件工作在截止态时，源极接地，漏极加正电压，所加电压主要由P-body/N外延形成的PN结承担； 随着所加电压的增大，电场随之升高；当电场最高点达到击穿电场Ec时，器件就发生击穿； 图2为图1所示器件击穿时沿a-c处的电场分布。由半导体物理可知，电压为电场的积分， 因此，图2中的阴影部分的面积就是击穿电压的值。如图3错误！未找到引用源。所示为超结结构的功率VDMOS器件的元胞结构示意图；在理论上的理想情况下，其击穿时沿a-b-c处的电场分布如图4所示，其电场成均勻分布；同样的，图4中阴影部分的面积就是其击穿电压的值。由于击穿电场Ec的值是基本固定的，因此，比较图2与图4可知，图4中阴影部分的面积明显大于图2中阴影部分的面积， 即在相同掺杂浓度等相同条件下，超结结构的功率VDMOS器件的击穿电压会远远高于传统功率VDMOS器件的击穿电压。但是，在目前实际的技术中，由于存在一种N+衬底耗尽效应，会对电场分布产出影响，使得无法达到图4所示的理想的均勻电场，即无法达到理想的击穿电压；具体表现为，会在P型柱状区域底部与N型外延交界处(图3中b处)产生一个电场峰值，从而使得击穿电压会比理想情况有所下降；目前技术的电场分布如图5所示，图中电场阴影部分的面积较图4有所减小，说明击穿电压有所不足。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提出了一种一种超结结构的纵向双扩散金属氧化物半导体功率器件，通过在第二导电类型柱状半导体区底部增加了一绝缘材料区域，消除这种N+衬底耗尽效应，消除了 P型柱状区域底部与N型外延交界处(图3中b处)的电场峰值。本发明通过以下技术方案来实现一种超结结构的纵向双扩散金属氧化物半导体功率器件，包括元胞区I和包围元胞区的过渡区II以及包围过渡区的终端区III ；元胞区I和过渡区II及终端区III底部和顶部设有金属层IlO和金属层1115，底部金属层110上设有第一导电类型半导体材料衬底1，第一导电类型半导体材料衬底1上设有第一导电类型半导体材料漂移层2，第一导电类型半导体材料漂移层2中设有间断不连续的第二导电类型柱状半导体区3 ；在元胞区I中的第二导电类型柱状半导体区3上设有第二导电类型半导体区14， 且第二导电类型半导体区14位于第一导电类型半导体材料漂移层2内，在第二导电类型半导体区14中设有第二导电类型重掺杂半导体区18和第一导电类型重掺杂半导体区17，在第二导电类型重掺杂半导体区18及第一导电类型重掺杂半导体区17以外区域上方设有绝缘介质材料16，绝缘介质材料16内设有多晶硅栅5，在第一导电类型重掺杂半导体区17和第二导电类型重掺杂半导体区18上连接金属层1115 ；在过渡区II中的第一导电类型半导体材料漂移层2中设有第二导电类型半导体区119，且第二导电类型半导体区119覆盖了过渡区II内全部的第二导电类型柱状半导体区3，在过渡区II内的第二导电类型半导体区119中设有第二导电类型重掺杂半导体区 1114，第二导电类型重掺杂半导体区1114位于过渡区II中的与元胞区I相邻的第二导电类型柱状半导体区3的上方，在过渡区II的表面设有绝缘介质材料1113，在第二导电类型半导体区119内的第二导电类型重掺杂半导体区1114表面设有接触孔与金属层1115相连；在终端区III中，在第一导电类型半导体材料衬底漂移层2的右上角设有第一导电类型重掺杂半导体区1112，在终端区III表面设有绝缘介质材料1113 ；所述的元胞区I内的第二导电类型柱状半导体区3底部设有绝缘介质材料区域 11。作为优选，所述的第一导电类型为η型掺杂。作为优选，所述的第二导电类型为ρ型掺杂。本发明的有益效果本发明改进超结结构的纵向双扩散金属氧化物半导体功率器件结构，使得电场分布接近理想情况的均勻分布，提高实际超结结构器件的击穿电压，进一步提高器件的性能。
图1为传统的功率VDMOS器件的元胞结构示意图；图2为图1所示器件击穿时沿图1结构中a-c处的电场分布；图3为超结结构的功率VDMOS器件的元胞结构示意图；图4为图3所示器件在理论理想情况下，其击穿时沿图3结构中a-b-c处的电场分布；
图5为图3所示器件在现有 实际技术下，其击穿时沿图3结构中a-b-c处的电场分布；图6为为本发明的功率VDMOS器件的结构示意图1-第一导电类型半导体材料衬底2-第一导电类型半导体材料衬底漂移层3-第二导电类型柱状半导体区4-第二导电类型半导体区I5-多晶硅栅6-绝缘介质材料I7-第一导电类型重掺杂半导体区I8-第二导电类型重掺杂半导体区I9-第二导电类型半导体区II10-金属层 I11-绝缘介质材料区域12-第一导电类型重掺杂半导体区II13-绝缘介质材料II14-第二导电类型重掺杂半导体区II15-金属层 II
具体实施例方式如图6所示，一种超结结构的纵向双扩散金属氧化物半导体功率器件，包括元胞区I和包围元胞区的过渡区II以及包围过渡区的终端区III ；元胞区I和过渡区II及终端区III底部和顶部设有金属层IlO和金属层1115，底部金属层IlO上设有Π型掺杂半导体材料衬底1，η型掺杂半导体材料衬底1上设有η型掺杂半导体材料漂移层2，η型掺杂半导体材料漂移层2中设有间断不连续的ρ型掺杂柱状半导体区3 ；在元胞区I中的ρ型掺杂柱状半导体区3上设有ρ型掺杂半导体区14，且ρ型掺杂半导体区I 4位于η型掺杂半导体材料漂移层2内，在ρ型掺杂半导体区14中设有ρ型重掺杂半导体区18和η型重掺杂半导体区17，在ρ型重掺杂半导体区18及η型重掺杂半导体区17以外区域上方设有绝缘介质材料16，绝缘介质材料16内设有多晶硅栅5，在η型重掺杂半导体区17和ρ型重掺杂半导体区18上连接金属层1115 ；在过渡区II中的η型掺杂半导体材料漂移层2中设有ρ型掺杂半导体区119，且 P型掺杂半导体区119覆盖了过渡区II内全部的P型掺杂柱状半导体区3，在过渡区II内的P型掺杂半导体区Π9中设有ρ型重掺杂半导体区II14，ρ型重掺杂半导体区II14位于过渡区II中的与元胞区I相邻的P型掺杂柱状半导体区3的上方，在过渡区II的表面设有绝缘介质材料1113，在ρ型掺杂半导体区119内的ρ型重掺杂半导体区1114表面设有接触孔与金属层Π15相连；在终端区III中，在η型掺杂半导体材料衬底漂移层2的右上角设有η型重掺杂半导体区1112，在终端区III表面设有绝缘介质材料1113 ；所述的元胞区I内的ρ型掺杂柱状半导体区3底部设有绝缘介质材料。
以上的所述乃 是本发明的具体实施例及所运用的技术原理，若依本发明的构想所作的改变，其所产生的功能作用仍未超出说明书及附图所涵盖的精神时，仍应属本发明的保护范围。
权利要求
1.一种超结结构的纵向双扩散金属氧化物半导体功率器件，包括元胞区I和包围元胞区的过渡区II以及包围过渡区的终端区III ；元胞区I和过渡区II及终端区III底部和顶部设有金属层I (10)和金属层II (15)，底部金属层1(10)上设有第一导电类型半导体材料衬底(1)，第一导电类型半导体材料衬底 (1)上设有第一导电类型半导体材料漂移层O)，第一导电类型半导体材料漂移层( 中设有间断不连续的第二导电类型柱状半导体区(3)；在元胞区I中的第二导电类型柱状半导体区C3)上设有第二导电类型半导体区K4)， 且第二导电类型半导体区I (4)位于第一导电类型半导体材料漂移层O)内，在第二导电类型半导体区I (4)中设有第二导电类型重掺杂半导体区I (8)和第一导电类型重掺杂半导体区I (7)，在第二导电类型重掺杂半导体区1(8)及第一导电类型重掺杂半导体区1(7)以外区域上方设有绝缘介质材料I (6)，绝缘介质材料I (6)内设有多晶硅栅(5)，在第一导电类型重掺杂半导体区1(7)和第二导电类型重掺杂半导体区1(8)上连接金属层11(15)；在过渡区II中的第一导电类型半导体材料漂移层O)中设有第二导电类型半导体区 II (9)，且第二导电类型半导体区11(9)覆盖了过渡区II内全部的第二导电类型柱状半导体区(3)，在过渡区II内的第二导电类型半导体区11(9)中设有第二导电类型重掺杂半导体区II (14)，第二导电类型重掺杂半导体区11(14)位于过渡区II中的与元胞区I相邻的第二导电类型柱状半导体区(3)的上方，在过渡区II的表面设有绝缘介质材料II (13)，在第二导电类型半导体区11(9)内的第二导电类型重掺杂半导体区11(14)表面设有接触孔与金属层II (15)相连；在终端区III中，在第一导电类型半导体材料衬底漂移层O)的右上角设有第一导电类型重掺杂半导体区II (12)，在终端区III表面设有绝缘介质材料II (13)；其特征在于，所述的元胞区I内的第二导电类型柱状半导体区( 底部设有绝缘介质材料区域(11)。
2.根据权利要求1所述的一种超结结构的纵向双扩散金属氧化物半导体功率器件，其特征在于所述的第一导电类型为η型掺杂。
3.根据权利要求1或2所述的一种超结结构的纵向双扩散金属氧化物半导体功率器件，其特征在于所述的第二导电类型为P型掺杂。
全文摘要
本发明涉及半导体器件技术领域，尤其涉及一种超结结构的纵向双扩散金属氧化物半导体功率器件，包括元胞区Ⅰ和包围元胞区的过渡区Ⅱ以及包围过渡区的终端区Ⅲ；其特点在于，所述的元胞区Ⅰ内的第二导电类型柱状半导体区底部设有绝缘介质材料。本发明的有益效果本发明改进超结结构的纵向双扩散金属氧化物半导体功率器件结构，使得电场分布接近理想情况的均匀分布，提高实际超结结构器件的击穿电压，进一步提高器件的性能。
文档编号H01L29/78GK102231390SQ20111016399
公开日2011年11月2日 申请日期2011年6月17日 优先权日2011年6月17日
发明者张世峰, 张斌, 胡佳贤, 韩雁 申请人:浙江大学