一种分裂栅型功率mos器件的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种分裂栅型功率MOS器件，特别设计器件元胞中有源区中包含P柱。该版图中P柱位于每个独立台面结构中心，且为与台面边界平行的六边形柱体，被有源区中深沟槽包围。在不增加工艺难度的基础上，保证器件的击穿电压，改善器件导通电阻，提高器件的工作可靠性。
【专利说明】一种分裂栅型功率MOS器件
【技术领域】
[0001]本发明涉及半导体领域，尤其涉及一种分裂栅型功率MOS器件。
【背景技术】
[0002]在20世纪九十年代，功率沟槽MOS场效应晶体管(Power Trench MOSFET)的发展和工业化技术的主要研究方向，主要在最小化低压功率器件的正向导通电阻(Rm)。今天，功率沟槽MOS器件的结构已经适用于大多数功率MOSFET的应用中，并且器件的特性不断地接近硅材料的一维限制(表述了器件漂移区特征导通电阻和关断态时击穿电压的理论关系)。降低表面电场REduced SURface Field (RESURF)技术的提出，可以令击穿电压为600V的功率沟槽MOS器件超过硅材料的一维限制。接着依据RESURF的工作原理，又出现分裂栅型沟槽Split-Gate Trench MOS器件结构,可以在等比例缩小的30V左右的低压下超过娃材料的一维限制。因此，分裂栅型沟槽MOS器件在低、中压(20?200V)范围内，拥有较低的正向导通电阻，占有明显的优势。
[0003]但是，当前的分裂栅型沟槽MOSFET器件版图设计却不能令分裂栅器件结构的优势充分发挥，不仅增加了器件的制作成本，还降低了器件的工作可靠性。目前分裂栅型功率MOS器件的元胞结构设计及器件版图设计的基本原则包括以下两种方案:1，有源区中每个深沟槽结构为六边形结构，且被台面结构包围，终端结构为深沟槽结构，且始终与台面结构保持临近边平行，具体结构如图1所示，其中101为六边形台面结构，102为深沟槽结构，ABCD梯形为元胞结构单元，图3是现有技术中的第一种分裂栅型功率MOS器件版图元胞结构截面示意图，其中，元胞结构单元，01为栅电极，02为漂移区，03为衬底，04为深沟槽厚氧，05为分裂栅电极，06为沟道，07为金属源电极，08为N+区；2有源区中每个台面结构为六边形结构，且被深沟槽结构包围，终端结构为深沟槽结构，且始终与台面结构保持临近边平行，具体结构如图2所示，其中101为台面结构，102为深沟槽结构，103为终端深沟槽结构，图4是现有技术中的第二种分裂栅型功率MOS器件版图结构示意图，其中201为深沟槽结构，202为台面结构，ABCD梯形为元胞结构单元；图5是现有技术中的第二种分裂栅型功率MOS器件版图终端结构示意图，其中201为深沟槽结构，202为台面结构203为终端深沟槽结构；图6是现有技术中的第二种分裂栅型功率MOS器件版图元胞结构截面示意图，其中，元胞结构单元，01为栅电极，02为漂移区，03为衬底，04为深沟槽厚氧，05为分裂栅电极，06为沟道，07为金属源电极，08为N+区。图7是现有技术中的第一种分裂栅型功率MOS器件漂移区掺杂浓度变化对器件击穿电压及品质因数的影响的示意图；在漂移区浓度为2.2 X IOlfVcm3时，拥有最大品质因数，约160。图8是现有技术中的第二种分裂栅型功率MOS器件漂移区掺杂浓度变化对器件击穿电压及品质因数的影响的示意图；在漂移区浓度为8.0XlO1Vcm3时，拥有最大品质因数，约160。
[0004]该两种版图分别存在的问题是:1，第一种版图结构，由于在器件终端位置处台面结构复杂，因此容易发生电场集中效应而导致器件提前击穿；2，第二种版图结构虽能很好解决电场集中效应，但是在器件关断态时，有源区台面中垂直电场分布不够均匀；若通过减小台面宽度方法提升器件优值，但工艺条件却限制了器件特性的进一步优化。
【发明内容】
[0005]本发明提供了一种分裂栅型功率MOS器件，用于解决现有技术中MOS器件可靠性差的问题。
[0006]根据上述【背景技术】中器件版图设计存在的缺点， 申请人:提出本发明，提出了一种分裂栅型功率MOS器件版图设计，特别设计器件元胞中有源区中包含P柱。该版图中P柱位于每个独立台面结构中心，且为与台面边界平行的六边形柱体，被有源区中深沟槽包围。在不增加工艺难度的基础上，保证器件的击穿电压，改善了器件导通电阻，提高了器件的工作可靠性。
[0007]在分裂栅型功率MOS器件的研究中发现，器件有源区中台面宽度及台面浓度对器件击穿电压及导通电阻影响较大，且随着台面宽度变窄，漂移区浓度可以得到提高，且漂移区浓度提高的比例要大于台面宽度变窄的比例，也就是说随着台面宽度变窄，器件导通电阻越低，并且还不影响器件的击穿电压。但是对分裂栅功率器件来说，台面两侧为深沟槽结构，且深沟槽结构中包含栅电极，而源电极位于台面顶端，为预留出栅源电极之间的间距，因此台面宽度不能过小，具体需要根据具体工艺线而定，这样一来，就限制了器件性能的进一步优化。而本发明中分裂栅功率MOS器件版图结构，不改变有源区中台面尺寸，只在台面结构中加入P柱结构，增强了器件电场调制效应，等效的减小了器件台面宽度，从而提高漂移区掺杂浓度，降低器件导通电阻。
【专利附图】
【附图说明】
[0008]图1是现有技术中的第一种分裂栅型功率MOS器件版图结构俯视示意图；
[0009]图2是现有技术中的第一种分裂栅型功率MOS器件版图终端结构示意图；
[0010]图3是现有技术中的第一种分裂栅型功率MOS器件版图元胞结构截面示意图；
[0011]图4是现有技术中的第二种分裂栅型功率MOS器件版图结构示意图；
[0012]图5是现有技术中的第二种分裂栅型功率MOS器件版图终端结构示意图；
[0013]图6是现有技术中的第二种分裂栅型功率MOS器件版图元胞结构截面示意图；
[0014]图7是现有技术中的第一种分裂栅型功率MOS器件漂移区掺杂浓度变化对器件击穿电压及品质因数的影响的示意图。
[0015]图8是现有技术中的第二种分裂栅型功率MOS器件漂移区掺杂浓度变化对器件击穿电压及品质因数的影响的示意图。
[0016]图9是本发明实施例的一种分裂栅型功率MOS器件版图结构示意图；
[0017]图10是本发明实施例的一种分裂栅型功率MOS器件版图终端结构示意图；
[0018]图11是本发明实施例的一种分裂栅型功率MOS器件版图元胞结构截面示意图；
[0019]图12是本发明实施例的一种分裂栅型功率MOS器件漂移区掺杂浓度变化对器件击穿电压及品质因数的影响的示意图。
【具体实施方式】
[0020]下面结合附图对本发明进行描述。[0021]在【背景技术】中提到的第二种技术方案的基础上，本发明实施例提出了一种分裂栅型功率MOS器件版图设计，特别设计器件元胞中有源区中包含P柱。该版图中P柱位于每个独立台面结构中心，且为与台面边界平行的六边形柱体，被有源区中深沟槽包围。这样，在不增加工艺难度的基础上，保证器件的击穿电压，改善了器件导通电阻，提高了器件的工作可靠性。
[0022]在分裂栅型功率MOS器件的研究中发现，器件有源区中台面宽度及台面浓度对器件击穿电压及导通电阻影响较大，且随着台面宽度变窄，漂移区浓度可以得到提高，且漂移区浓度提高的比例要大于台面宽度变窄的比例，也就是说随着台面宽度变窄，器件导通电阻越低，并且还不影响器件的击穿电压。但是对分裂栅型功率MOS器件来说，台面两侧为深沟槽结构，且深沟槽结构中包含栅电极，而源电极位于台面顶端，为预留出栅源电极之间的间距，因此台面宽度不能过小，具体需要根据具体工艺线而定，这样一来，就限制了器件性能的进一步优化。而本发明中分裂栅型功率MOS器件版图结构，不改变有源区中台面尺寸，只在台面结构中加入P柱结构，增强了器件电场调制效应，等效的减小了器件台面宽度，从而提高漂移区掺杂浓度，降低器件导通电阻。 [0023]本发明实施例提供了一种分裂栅型功率MOS器件版图结构，其中，器件元胞中有源区台面中包含P柱结构，该版图中P柱位于每个独立台面结构中心，且为与台面边界平行的六边形柱体，被有源区中深沟槽包围。
[0024]优选的，该版图结构中P柱结构纵向深度同深沟槽的深度相同，有源区中深沟槽结构、台面结构和P柱结构保持电荷量平衡。其中，深沟槽结构和P柱结构中包含空穴，台面结构包含电子。
[0025]本发明实施例提供了一种具体的MOS器件结构，图9是本发明实施例的一种分裂栅型功率MOS器件版图结构示意图，其中301为台面结构，302为P柱结构，303为深沟槽结构，ABCD梯形为元胞结构单元，如图9所示，本发明中设计特点为器件元胞中有源区台面中包含P柱302结构。该版图中P柱位于每个独立台面301结构中心，且为与台面边界平行的六边形柱体，被有源区中深沟槽303包围。具体参照图9、10、11。图10是本发明实施例的一种分裂栅型功率MOS器件版图终端结构示意图，其中，301为台面结构，302为P柱结构，303为终端深沟槽结构；图11是本发明实施例的一种分裂栅型功率MOS器件版图元胞结构截面示意图，01为栅电极，02为漂移区，03为衬底，04为深沟槽厚氧，05为分裂栅型电极，06为P住结构，07为沟道，08金属源电极，09为N+区，如图11所示，该版图结构中P柱06结构纵向深度同深沟槽04结构相当，有源区中深沟槽04结构、台面02结构和P柱06结构保持电荷量平衡。图12示出了本发明实施例的分裂栅型功率MOS器件台面结构掺杂浓度变化对器件击穿电压及品质因数的影响，在漂移区浓度为3.7X IO1Vcm3时，拥有最大品质因数，约240。从图中可以看出，本发明实施例提供的分裂栅型功率MOS器件在保证击穿电压的基础上，品质因数最大可以达到240V2/mQ ? mm2，相对已有分裂栅型功率MOS器件版图结构，本发明实施例提供的器件的性能提升了约50%。
[0026]本发明实施例还提供了一种分裂栅型功率MOS器件版图设计。该版图中P柱位于每个独立台面结构中心，且为与台面边界平行的六边形柱体，被有源区中深沟槽包围。该版图结构中P柱结构纵向深度同深沟槽结构相当，有源区中深沟槽结构、台面结构和P柱结构保持电荷量平衡。对比仿真的器件结构如图11所示，具体结构参数为:P柱06及沟槽04深度为7.4 ii m，P柱06宽1.4 ii m，外延层02厚度7.1 y m，N型杂质浓度为3.7 X IO1Vcm3,P柱06内杂质浓度为6.3 X IO1Vcm3,沟道区07厚度为0.5 y m，P型杂质浓度为1.0 X IO17/cm3 ;N+源区09为0.3 ii m,杂质浓度为1.0X 102°/cm3 ;其中厚氧04厚度为0.8 y m，栅氧厚度为400A ;元胞间距为5.6 u m,台面宽度W/2为1.4y m。
[0027]上述为本发明特举之实施例，并非用以限定本发明。本发明提供分裂栅型功率MOS器件版图设计同样适用于普通超结结构器件以及它们的变体。在不脱离本发明的实质和范围内，可做些许的调整和优化，该调整和优化也应在本发明的保护范围。
【权利要求】
1.一种分裂栅型功率金属氧化物半导体MOS器件，其特征在于:所述器件的元胞中的有源区台面中包含P柱结构，所述P柱结构位于所述台面中心。
2.根据权利要求1所述的分裂栅型功率MOS器件，其特征在于， 所述P柱结构为与所述台面的边界平行的六边形柱体，且被有源区中深沟槽包围。
3.根据权利要求2所述的分裂栅型功率MOS器件，其特征在于:所述P柱结构的深度同所述深沟槽的深度相同，在所述有源区中，所述深沟槽结构、台面结构和P柱结构之间保持电荷量平衡。
4.根据权利要求3所述的分裂栅型功率MOS器件，其特征在于，所述P柱结构的深度为7.4 u m0
【文档编号】H01L29/78GK103579306SQ201310556342
【公开日】2014年2月12日 申请日期:2013年11月11日 优先权日:2013年11月11日
【发明者】王颖, 胡海帆, 曹菲, 刘云涛 申请人:哈尔滨工程大学