优化体二极管反向恢复特性的超结vdmos及制备方法
【专利摘要】本发明涉及一种优化体二极管反向恢复特性的超结VDMOS及制备方法。常规的超结VDMOS的结构中本征地寄生着双极型晶体管NPN结构和体二极管结构，为避免该寄生NPN晶体管开启，必须减小流过P柱或体二极管上部的反向恢复电流，降低寄生NPN管基极电阻RB的两端的压降使其无法开启。本发明包括P柱及位于P柱顶部的Pbody区，其特征在于：所述P柱上部的侧壁设置有氧化层。本发明的P柱侧壁具有二氧化硅氧化层，避免了寄生的双极型NPN晶体管的开启引起的器件失效；本发明兼容超结的深槽刻蚀与深槽外延工艺，在提升体二极管反向恢复能力的同时没有增加工艺制造成本。
【专利说明】优化体二极管反向恢复特性的超结VDMOS及制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于半导体器件与工艺制造领域，具体涉及一种优化体二极管反向恢复特性的超结VDMOS及制备方法。
【背景技术】
[0002]在高压开关应用中，需要采用具有良好特性的体二极管且耐用性强的VDMOSdM是常规的VDMOS器件较高的导通电阻增加了开关电路的静态功耗，依照超结理论(SuperJunction)电荷平衡概念所设计的器件在90年代末被引入市场，它具有比常规VDMOS低得多的RDS(on)而得到广泛应用。由于它的RDS(on)与BV13成比例，而普通器件的Rds (on)是与BV2 5成比例，它的Rds (on)比普通MOSFET低很多，因此这类超结器件在高电压时的应用非常吸引人。
[0003]二极管由通态到反向阻断状态的开关过程称为反向恢复，如附图1所示，超结VDMOS的P柱与N外延层形成的本征二极管称为体二极管，在开关应用尤其电桥电路中，需要体二极管提供的反向漏极电流为电路续流，而体二极管导通后反向关断，将产生极高的电压变化率(dv/dt)，这可能会造成寄生NPN晶体管开启，因而体二极管的反向恢复过程的可靠性在该应用中极其关键。
[0004]超结VDMOS器件通过众多PN柱状结构来获得电荷平衡，这种结构同时给超结VDMOS器件的体二极管带来两个后果，一是PN结的面积大了许多，导致较大注入时Irrm和Qrr升高；二是由于PN柱结的快速耗尽带来了 dv/dt的增大，导致寄生的NPN晶体管开通或是很快恢复过来。因而，普通超结VDMOS的一个缺点就是它的体二极管的反向恢复特性较差。超结VDMOS器件有着较大的反向恢复电流，并且在某些反向恢复的情况下易于失效。此外，应用电路要求体二极管还应能够承受较高的di/dt和dv/dt。即使施加缓和上升的di/dt，普通超结VDMOS器件的体二极管有时也会失效。如果体二极管的反向恢复特性较差，那么将会增加MOSFET的开通损耗，因此，对于这些应用都需要具有特性良好、耐用性强的体二极管的MOSFET。
[0005]在超结VDMOS器件中，由于制造工艺的偏差，N柱和P柱电荷的完全平衡是不可能完全实现的。Praveen M.Shenoy等人针对N柱和P柱的电荷不平衡给器件特性所带来的影口向在文献〈〈Analysis of the effect of charge imbalance on the static and dynamiccharacteristics of the super junction M0SFET》中进行了细致的讨论，如附图1 所不，共分析了三种情况N柱和P柱的电荷完全平衡(Qp=Qn), P柱电荷数少于N柱电荷数(Qp〈Qn)以及P柱电荷数多于N柱电荷数(Qp>Qn)。在Qp= Qn电荷平衡的情况下，电场峰值是在PN柱结约为结深一半的位置处，大部分电流直接流向PBODY区的接触部位，其余的电流在N+源极下面流过。对于Qp〈Qn的情况下，峰值电场在结的P阱顶部，大部分电流在N+源区下面流过。源极下面的大电流会导致寄生NPN晶体管的开启，并且强电场和源极下的电流会导致该面积内局部过热，随着温度的升高，Rb的增大和Vbe的减小会进一步加速该寄生双极晶体管的开通问题，因此，在施加大电流或高di/dt的反向恢复期间，Qp〈Qn的情况更容易使寄生的双极晶体管开启进而失效。当QP>QN，峰值电场处在PN柱结的底部，全部电流直接流入Pbody区的源金属电极接触区。在N+源区下面没有电流流过，热点处在P柱底部距离源极区很远的地方。因此这种设计使得寄生的双极晶体管最不受影响，并且在反向恢复时的耐用性也好得多，但是，这种设计的过量(P柱的电荷数超过N柱的电荷数10%)QP使得比导通电阻增大及击穿电压明显地下降。
【发明内容】
[0006]本发明提供了一种优化体二极管反向恢复特性的超结VDMOS及制备方法，能够避免寄生的双极型NPN晶体管受到体二极管反向恢复电流的影响，因而在反向恢复时的耐用性非常强。
[0007]为解决上述的技术问题，本发明采取的技术方案:一种优化体二极管反向恢复特性的超结VDM0S，包括P柱及位于P柱顶部的Pbody区，其特别之处在于:所述P柱上部的
侧壁设置有氧化层。
[0008]所述氧化层厚度为5(T200nm，并由Pbody区底端延伸至P柱的1/3~1/2处。
[0009]所述氧化层为二氧化硅层。
[0010]所述氧化层的形成过程包括以下步骤:
步骤一、利用外延工艺，在N+衬底上外延一层30-50 μ m的N型外延层；
步骤二、在N型外延层上淀积Si3N4保护层，并利用P柱光刻掩膜板对Si3N4保护层进行刻蚀；
步骤三、利用P柱光刻掩膜板掩膜，对在N型外延层进行深槽刻蚀，然后刻蚀出深为25~45 μ m的深槽；
步骤四、在深槽中外延生长出P柱，即P型外延层，其厚度为15~25 μ m，其中P柱的掺杂浓度为 I X IO15~5 X IO15CnT3 ；
步骤五、在100(Tl20(rC 温度下干氧氧化60-120分钟，在深槽侧壁及P型外延层的上表面处生长出5(T200nm厚的氧化层；
步骤六、使用干法刻蚀，将深槽内P柱表面上方的氧化层刻蚀掉；
步骤七、在深槽中外延生长P柱，使P柱顶端与N型外延层的顶端高度相差5 μ m，其中P柱的掺杂浓度与步骤四相同；
步骤八、采用干法刻蚀，使最上面5 μ m深的氧化层及N型外延层上淀积Si3N4保护层完全刻蚀掉；
步骤九、在深槽中外延生长P柱5 μ m，其中P柱的掺杂浓度与步骤四相同，P柱与N型外延层上表面平齐。
[0011]与现有技术相比，本发明的有益效果:
本发明的超结VDMOS的P柱侧壁具有二氧化硅阻挡层，在体二极管反向恢复期间，有效地阻止了反向恢复电流通过P柱上部，使得所有反向恢复电流通过P柱的下部并贯穿P柱直接流入Pbody区的接触区，避免了寄生的双极型NPN晶体管的开启引起的器件失效；超结VDMOS的P柱与N柱电荷平衡受到工艺的波动，出现P柱电荷数量大于N柱即Qp〈Qn时，由于侧壁薄氧化层的阻止，反向恢复电流仍然必须通过P柱的下部并贯穿P柱直接流入Pbody区的接触区，因而提高了工艺的稳定性与器件良率；本发明结构显著的降低了体二极管的反向恢复时间，并且使得反向恢复电流峰值Irrm降低10% ;本发明兼容现有超结的深槽刻蚀与深槽外延工艺，在提升体二极管反向恢复能力的同时没有增加工艺制造成本。
【专利附图】
【附图说明】
[0012]图1是常规的超结VDMOS的结构及寄生三极管和体二极管等效结构示意图；
图2是本发明的一种优化体二极管反向恢复特性的超结VDMOS的剖面结构示意图；
图3(a)~ 3(m)是具有侧壁氧化层结构的一种优化体二极管反向恢复特性的超结VDMOS的工艺制作示意图；
图4是本发明的一种优化体二极管反向恢复特性的超结VDMOS与常规超结VDMOS的仿真效果图。
[0013]其中，1、N+衬底、2、N型外延层、3、P柱、4、Pbody区、5、N+源区、6、栅氧化层、7、多晶硅栅电极、8、BPSG介质层、9、源金属电极、10、氧化层、11、Si3N4保护层。
【具体实施方式】
[0014]下面结合附图和【具体实施方式】对本发明进行详细说明。
[0015]参见图2，一种优化体二极管反向恢复特性的超结VDM0S，包括P柱3及位于P柱3顶部的Pbody区4，所述P柱3上部的侧壁设置有二氧化硅氧化层。
[0016]所述二氧化硅氧化层厚度为5(T200nm，并由Pbody区4底端延伸至P柱的1/3~1/2处。
[0017]上述优化体二极管反向恢复特性的超结VDMOS的制备方法，二氧化硅氧化层的形成过程包括以下步骤:`
步骤一、利用外延工艺，在N+衬底I上外延一层30-50 μ m的N型外延层2 ；
步骤二、在N型外延层2上淀积Si3N4保护层11，并利用P柱光刻掩膜板对Si3N4保护层11进行刻蚀；
步骤三、利用P柱光刻掩膜板掩膜，对在N型外延层2进行深槽刻蚀，然后刻蚀出深为25~45 μ m的深槽；
步骤四、在深槽中外延生长出P柱3，即P型外延层，其深度为15~25 μ m，其中P柱3的掺杂浓度为I X IO15~5 X IO15CnT3 ；
步骤五、在100(Tl20(rC温度下干氧氧化60-120分钟，在深槽侧壁及P型外延层的上表面处生长出5(T200nm厚的氧化层10 ；
步骤六、使用干法刻蚀，将深槽内P柱3表面上方的氧化层刻蚀掉；
步骤七、在深槽中外延生长P柱，使P柱3顶端与N型外延层2的顶端高度相差5 μ m,其中P柱3的掺杂浓度与步骤四相同；
步骤八、采用干法刻蚀，使最上面5 μ m深的氧化层及N型外延层2上淀积Si3N4保护层11完全刻蚀掉；
步骤九、在深槽中外延生长P柱35 μ m，其中P柱3的掺杂浓度与步骤四相同，P柱3与N型外延层2上表面平齐；
本发明的原理是:超结VDMOS具有一种用来优化体二极管反向恢复特性的P柱侧壁具有二氧化硅氧化层，在体二极管反向恢复期间，该侧壁二氧化硅层有效地阻止了反向恢复电流通过P柱上部，避免了寄生的双极型NPN晶体管受到体二极管反向恢复电流的影响，因而在反向恢复时的耐用性非常强，从而极大程度地抑制了寄生BJT的发射结的开启；本发明兼容现有的深槽刻蚀与深槽外延工艺，在提升体二极管反向恢复能力的同时没有增加工艺制造成本；本发明的侧壁氧化层可以用局部氧化工艺，在没有Si3N4保护的P柱侧壁生长二氧化硅层。
[0018]参见图1，常规的超结VDMOS的结构中本征地寄生着双极型晶体管NPN结构和体二极管结构，为避免该寄生NPN晶体管开启，在体二极管反向恢复期间，必须减小流过P柱或体二极管上部的反向恢复电流，从而降低寄生NPN管基极电阻Rb的两端的压降使其无法开
启O
[0019]实施例:
一、衬底材料准备，采用电阻率为0.001 Ω --cm的N+区熔单晶硅衬底1，其晶向为〈100〉；
二、在N+衬底上外延生长45μ m电阻率为4 Q--cm的N型外延层，作为N柱层，如图3 (a)所示；
三、淀积Si3N4保护层，并利用P柱光刻掩膜板对Si3N4保护层进行刻蚀；
四、利用P柱光刻掩膜板掩膜，对N型外延层深槽刻蚀出深为40μ m的深槽，如图3(b)所示；
五、在深槽中外延生长P柱20μ m，其中P柱的掺杂浓度为3.2 X IO15CnT3,如图3(c)所
示；` 六、在1100°C温度下干氧生长90分钟，在深槽侧壁及P型外延层的上表面处生长出IOOnm厚的氧化层,如图3(d)所示；
七、使用干法刻蚀，使深槽中P柱上表面的氧化层完全刻蚀掉，如图3(e)所示
八、在深槽中外延生长P柱15μ m，其中P柱的掺杂浓度为3.2X1015cm_3，如图3(f)所
示；
九、采用干法刻蚀，使最上面5μ m深的氧化层及Si3N4保护层完全刻蚀掉，如图3 (g)所
示；
十、在深槽中外延生长P柱5 μ m，其中P柱的掺杂浓度为3.2X IO1W3, P柱与N柱上表面平齐，如图3(h)所示；
十一、采用120KeV的能量注入剂量为5.2 X IO13CnT2硼离子，并在1000°C的高温下推结120分钟形成Pbody区4，如图3 (i)所示；
十二、在1100°C温度下90分钟干氧生长IOOnm厚的栅氧化层6，之后淀积400nm厚的多晶硅，并使用干法刻蚀多晶硅形成多晶硅栅电极7，如图3 (j)所示；
十三、采用80KeV的能量注入剂量为3 X IO15CnT2的砷离子，并在900°C的温度下推结30分钟形成N+源区5，如图3 (k)所示；
十四、淀积2 μ m厚的BPSG层8，在950°C氮气氛围下回流30分钟，并刻蚀形成接触孔，如图3(1)所示；
在整个器件的上表面淀积一层铝，并刻蚀铝形成源电极9，钝化，背面金属化形成漏电极，如图3(m)所示。
【权利要求】
1.一种优化体二极管反向恢复特性的超结VDMOS，包括P柱(3)及位于P柱(3)顶部的Pbody区(4 )，其特征在于:所述P柱(3 )上部的侧壁设置有氧化层(10 )。
2.根据权利要求1所述的优化体二极管反向恢复特性的超结VDM0S，其特征在于:所述氧化层(10)厚度为50~200nm，并由Pbody区(4)底端延伸至P柱(3)的1/3~1/2处。
3.根据权利要求1或2所述的优化体二极管反向恢复特性的超结VDM0S，其特征在于:所述氧化层为二氧化硅层。
4.根据权利要求3所述的优化体二极管反向恢复特性的超结VDMOS的制备方法，其特征在于:所述氧化层的形成过程包括以下步骤: 步骤一、利用外延工艺，在N+衬底(I)上外延一层30~50 μ m的N型外延层(2)； 步骤二、在N型外延层(2)上淀积Si3N4保护层(11)，并利用P柱光刻掩膜板对Si3N4保护层(11)进行刻蚀； 步骤三、利用P柱光刻掩膜板掩膜，对在N型外延层(2)进行深槽刻蚀，然后刻蚀出深为25~45 μ m的深槽； 步骤四、在深槽中外延生长出P柱(3)，即P型外延层，其厚度为15~25 μ m，其中P柱(3)的掺杂浓度为I X IO15^XIOiW3 ； 步骤五、在100(Tl20(rC温度下干氧氧化60-120分钟，在深槽侧壁及P型外延层的上表面处生长出5(T200nm厚的氧化层(10)； 步骤六、使用干法刻蚀，将深槽内P柱(3)表面上方的氧化层(10)刻蚀掉； 步骤七、在深槽中外延生长P柱，使P柱(3)顶端与N型外延层(2)的顶端高度相差.5 μ m，其中P柱(3)的掺杂浓度与步骤四相同； 步骤八、采用干法刻蚀，使最上面5 μ m深的氧化层及N型外延层(2)上淀积Si3N4保护层(11)完全刻蚀掉； 步骤九、在深槽中外延生长P柱(3)5 μ m，其中P柱(3)的掺杂浓度与步骤四相同，P柱(3)与N型外延层(2)上表面平齐。
【文档编号】H01L29/78GK103560151SQ201310489831
【公开日】2014年2月5日 申请日期:2013年10月18日 优先权日:2013年10月18日
【发明者】姜贯军, 陈桥梁, 陈仕全, 马治军, 任文珍, 杜忠鹏 申请人:西安龙腾新能源科技发展有限公司