专利名称：超级结mosfet的元胞结构的制作方法
技术领域：
本发明涉及半导体器件设计领域，特别是指一种超级结MOSFET的元胞结构。
背景技术：
传统的超级结结构应用于N型纵向功率MOS器件，即N型C00LM0S结构，如图1所示，其是在重掺杂的N型硅衬底101上具有水平分布的两轻掺杂P型区102，两轻掺杂的P型区102之间具有一轻掺杂N型外延漂移区103，上部左右分别具有重掺杂的P型阱区104和位于P型阱区104中的重掺杂N型区105 (源漏区)，中间的沟道区上方淀积多晶硅栅极。该结构导通过程中只有多数载流子——电子，而没有少数载流子的参与，因此，其开关损耗与传统的功率MOSFET相同，而且其电压支持层的杂质掺杂浓度可以提高将近一个数量级；此外，由于垂直方向上插入P型区102，可以补偿过量的电流导通电荷。在漂移层加反向偏置电压，将产生一个横向电场，使PN结耗尽。当电压达到一定值时，漂移层完全耗尽，将起到电压支持层的作用。由于掺杂浓度的大幅提高，在相同的击穿电压下，导通电阻Ron可以大大降低，甚至突破硅限。此结构缩小P型区102的间距以及提高P型区102和N-型外延漂移区103的浓度，有利于增加器件整体的电流密度，以及进一步降低导通电阻Ron。但图1所示的传统超结结构由于采用平面栅，两侧P+阱区104之间存在JFET夹断效应，不利于器件的元胞阵列间距(Pitch)的缩小。所以采用沟槽栅是超结发展的必然趋势，如图2所示，在两P型半导体绝缘柱区203之间具有一沟槽204，栅极205淀积在沟槽204内，沟槽204左右两侧与P型半导体绝缘柱区203之间为阱区206，及位于阱区中的重掺杂N型区207。采用沟槽栅在解决了沟道夹断问题、提高Rdson的同时，又引入了新的问题沟槽栅增加了栅极205与N-外延漂移区202的耦合面积，从而增加了寄生电容，这对于器件的动态开关性能是不利的。如果为了减小寄生电容，而刻意降低沟槽栅204的深度或增加P+阱区206的驱入深度，在大电压工作时容易造成相邻P+阱区206之间的夹断，导致器件无法正常工作 。另外，由于P-半导体绝缘柱区203和N-外延漂移区202的浓度的提高，势必导致纵向电场承受的相对变小。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种超级结MOSFET的元胞结构，其具有电流密度高，反向恢复性好的特点。为解决上述问题，本发明一种超级结MOSFET的元胞结构，其结构包括衬底重掺杂区。位于衬底重掺杂区之上的第一外延漂移区和上层的第二外延漂移区。位于第二外延漂移区中水平排布的两半绝缘柱区。在所述半绝缘柱区之间具有一栅极沟槽。所述沟槽内底部是浮空栅，浮空栅上为栅极导电多晶硅，所述沟槽内壁与浮空栅以及栅极导电多晶硅之间均有栅氧化膜隔离。在所述栅极沟槽左右两侧与半绝缘柱区之间的区域形成两阱区，阱区上部为源区。一接触孔将源区和阱区连通引出连接电位。进一步地,所述半绝缘柱区是单一材料,或者是半导体绝缘材料和绝缘材料的复合结构。进一步地，当半绝缘柱区是半导体绝缘材料和绝缘材料的复合结构时，半导体绝缘材料位于靠外延漂移区一侧。进一步地，所述浮空栅可以由多晶硅或金属材质形成。进一步地，所述接触孔可以穿透源区直接与阱区接触，使阱区和源区共用一接触孔；也可以是停止在源区，通过额外的P型孔注入，形成与阱区的接触。进一步地，所述第一外延漂移区的体浓度比第二外延漂移区高。本发明超级结MOSFET的元胞结构，通过浮空栅解决了沟道夹断的问题，同时减小了栅漏之间的寄生耦合电容，第一外延漂移区和第二外延漂移区的结构使器件的纵向电场得到增强。
图1是传统N型CooIMOS器件；图2是传统的沟槽型超级结MOSFET器件；图3是本发明超级结MOSFET的元胞结构；图4是单层外延漂移区与双层外延漂移区的电场分布图。附图标记说明101是重掺杂N型衬底102是轻掺杂P型区103是轻掺杂N型区104是重掺杂P阱105是重掺杂N型区106是多晶硅栅极201是重掺杂N型硅衬底202是轻掺杂N型外延漂移区203是P型半导体绝缘柱区204是沟槽205是多晶硅栅极206是重掺杂P阱207是重掺杂N型区I是衬底重掺杂区21是第一外延漂移区22是第二外延漂移区3是半绝缘柱区4是栅极沟槽61是浮空栅62是多晶硅栅极5是栅氧化膜7是阱区8是源区9是接触孔
具体实施例方式本发明所述的超级结MOSFET的元胞结构，其主要构成现结合附图3所示具体说明如下在一衬底重掺杂区I上依次形成第一外延漂移区21和第二外延漂移区22，第二外延漂移区22位于第一外延漂移区21之上，且第二外延漂移区22的掺杂浓度低于第一外延漂移区21。 在第二外延漂移区22中，具有水平排布的两半绝缘柱区3，所述的半绝缘柱区3可以是单一材料，也可以是半导体绝缘材料和绝缘材料的复合机构，当半绝缘柱区3是半导体绝缘材料和绝缘材料的复合结构时，半导体绝缘材料位于靠近第一外延漂移区21 —侧。在两半绝缘柱区3之间，刻蚀有一沟槽4，沟槽4内底部填充有浮空栅61，此浮空栅61可以为多晶硅，也可以为金属材质，浮空栅61上面淀积栅极导电多晶硅62，填充满整个沟槽4，其中，沟槽4内壁与栅极导电多晶硅62、浮空栅61之间均具有栅氧化膜5，以将彼此互相隔离。在沟槽4左右两侧与半绝缘柱区3之间的区域为阱区7，阱区中注入形成源区8于
娃表面。一接触孔9将源区8及阱区I连通导出连结电位，此接触孔9可以直接贯通源区8到达阱区7，使源区8和阱区7公用此接触孔，引出连结电位，也可以接触孔9只接触停止在源区8，通过额外的P型孔注入，形成与阱区7的接触。沟槽4内浮空栅61位于沟槽4的底部，有效地解决了栅极导电多晶硅62两侧的阱区7在大电压下的沟道夹断问题，同时减小了栅漏之间的寄生耦合电容，第一外延漂移区21的掺杂浓度大于第二外延漂移区22的浓度，这使的器件的纵向电场得到增强。如图4所示，为不同第二外延漂移区22的浓度电阻率下，击穿电压随第二外延漂移区22厚度的变化曲线，其中BV19 40的数`字，表示第二外延漂移区22电阻率从19 Q -cm 40 Q -cm。可以看到第二外延漂移区22的效果，随着第二外延漂移区22浓度的降低(电阻率上升)和厚度的增加，器件的纵向击穿电压大幅度提高。
权利要求
1.一种超级结MOSFET的元胞结构，其特征在于，该结构包括衬底重掺杂区及第一外延漂移区和第二外延漂移区，其中 衬底重掺杂区之上是第一外延漂移区，第二外延漂移区位于最上层； 位于第二外延漂移区中水平排布的两个半绝缘柱区； 在所述半绝缘柱区之间具有一栅极沟槽； 所述沟槽内底部是浮空栅，浮空栅上为栅极导电多晶硅，所述栅极沟槽内壁与浮空栅和栅极导电多晶硅之间有栅氧化膜； 在所述栅极沟槽左右两侧与半绝缘柱区之间的区域形成两阱区，阱区上部为源区； 一接触孔将源区和阱区连通引出连接电位。
2.如权利要求1所述的超级结MOSFET的元胞结构，其特征在于，所述第一外延漂移区的体浓度高于第二外延漂移区的体浓度。
3.如权利要求1所述的超级结MOSFET的元胞结构，其特征在于，所述半绝缘柱区是单一材料，或者是半导体绝缘材料和绝缘材料的复合结构。
4.如权利要求2所述的超级结MOSFET的元胞结构，其特征在于，半绝缘柱区是半导体绝缘材料和绝缘材料的复合结构时，半导体绝缘材料位于靠外延漂移区的一侧。
5.如权利要求1所述的超级结MOSFET的元胞结构，其特征在于，所述浮空栅由多晶硅或者金属材质形成。
6.如权利要求1所述的超级结MOSFET的元胞结构，其特征在于，所述接触孔能穿透源区直接与阱区接触，使阱区和源区共用一接触孔；或者是停止在源区，通过额外的P型孔注入，形成与阱区的接触。
全文摘要
本发明公开了一种超级结MOSFET的元胞结构，该结构包括衬底重掺杂区，位于衬底重掺杂区之上的外延漂移区，位于外延漂移区中水平排布的两个半绝缘柱区；在所述半绝缘柱区之间有栅极沟槽；所述沟槽底部填充浮空栅，浮空栅上为栅极导电多晶硅；所述栅极沟槽内壁与浮空栅和栅极导电多晶硅之间有栅氧化膜；在所述栅极沟槽左右分别与半绝缘柱区之间形成阱区；在阱区上部形成源区；源区和阱区通过接触孔连接电位。本发明解决了传统超级结MOSFET的电流密度低，反向恢复特性不好的问题，同时更好的优化了导通电阻和击穿电压之间的关系。
文档编号H01L29/423GK103035714SQ20121020661
公开日2013年4月10日 申请日期2012年6月21日 优先权日2012年6月21日
发明者胡晓明 申请人:上海华虹Nec电子有限公司