一种高频低功耗的功率mos场效应管器件的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种高频低功耗的功率MOS场效应管器件，在第一导电类型的外延层(2)内刻蚀沟槽，并在该沟槽内填充厚氧化硅层(7)和多晶硅(6)的混合填充物，从而形成具有提升耐压功能的场结构，沟槽的深度与外延层的厚度比在0.5～0.8范围内，形成的场结构反向低电压时完全耗尽，形成高阻层，与外延层共同组成电压支持层，主要利用电荷补偿原理，来维持器件的反向耐压。本发明所述的高频低功耗的功率MOS场效应管器件，可降低功率MOS场效应管的导通电阻，提高器件的工作频率，改善功率MOS场效应管的反向恢复时间。
【专利说明】一种高频低功耗的功率MOS场效应管器件
【技术领域】
[0001]本发明涉及功率MOS场效应管器件，特别涉及一种高频低功耗的功率MOS场效应管器件。所述功率MOS场效应管即金属-氧化物-半导体型场效应管，英文缩写为MOSFET(metal-oxide-semiconductor field effect transistor)。
【背景技术】
[0002]在功率MOS场效应管的性能指标中，导通电阻(Rdson)是一个非常重要的参数，它的大小直接关系到器件(指功率MOS场效应管)的能量损耗大小，而且随着器件尺寸的缩小，导通电阻的重要性就更加突出，导通电阻变大时，器件的通态损耗相应的增加。
[0003]在传统的功率MOSFET (功率MOS场效应管)器件中，尤其是高压器件，导通电阻主要由器件的外延层厚度和浓度决定，器件的导通电阻和耐压间存在着trade off关系，SPRon, sp = 5.93X10_9BV2 5，随着耐压的升高，导通电阻迅速增加，要求器件的外延层厚度和电阻率也在增加，因此再减小导通电阻成为一种不可能的事情，并且随着市场应用技术的提升，对能效的要求越来越高，整机逐渐向高频方面发展，随着频率的提升，对功率MOSFET器件的开关损耗要求越来越高，在高频应用时，除导通损耗外，开关损耗所占比例越来越大，因此需要一个具有开关频率高的功率MOSFET器件来完成，在传统器件结构下，制造低导通电阻，高频率功率MOSFET器件，几乎成为不可能。
[0004]但是，随着市场竞争的加剧，对半导体器件制造成本控制的要求也越来越高，如何在不增加制造成本的前提下，提高器件性能(如特征导通电阻(Specific Rdson)、AC参数、DC参数等)是企业和生产厂商的努力方向，因此能否设计和制造出一种低成本和高性能的功率MOS场效应管器件是相关企业所面临的最主要问题。
【发明内容】
[0005]针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种高频低功耗的功率MOS场效应管器件，可降低功率MOS场效应管的导通电阻，提高器件的工作频率，改善功率MOS场效应管的反向恢复时间。
[0006]为达到以上目的，本发明采取的技术方案是:
[0007]一种高频低功耗的功率MOS场效应管器件，其特征在于，包括:
[0008]位于硅片背面的第一导电类型的衬底层1，
[0009]位于所述第一导电类型的衬底层I上方的第一导电类型的外延层2，
[0010]位于所述第一导电类型的外延层2内上部的第二导电类型的阱层3，
[0011]若干沟槽4，各沟槽4均穿过所述第二导电类型的阱层3并延伸至第一导电类型的外延层2内，
[0012]在沟槽4内装填有填充物5，
[0013]沟槽4与所述第一导电类型的外延层2之间设有第二导电类型的扩散区，
[0014]沟槽4的开口处设有绝缘介质层12，相邻的绝缘介质层12之间留有间隙13，
[0015]金属层14覆盖在绝缘介质层12及第一导电类型的外延层2之上，
[0016]在所述第二导电类型的阱层3内上部且位于所述沟槽4开口的周边设有第一导电类型的源极区8，第一导电类型的源极区8的一部分位于间隙13处，另一部分位于绝缘介质层12内，
[0017]第一导电类型的源极区8与第一导电类型的外延层2之间的第二导电类型的阱层3区域作为沟道区9。
[0018]在上述技术方案的基础上，所述填充物5包括:
[0019]厚氧化硅层7，
[0020]多晶硅6，居中埋设于厚氧化硅层7内，且从沟槽4的底部一直延伸到沟槽4的表面，多晶娃6为导电多晶娃，
[0021]多晶硅6的上部11的左右两侧设有作为栅极的多晶硅15，作为栅极的多晶硅15的长度和第二导电类型的阱层3的厚度相同，
[0022]作为栅极的多晶硅15和沟槽4之间填充有栅极氧化硅层10，作为栅极的多晶硅15和多晶娃6之间填充有栅极氧化娃层10,
[0023]栅极氧化硅层10和作为栅极的多晶硅15共同组成栅极。
[0024]在上述技术方案的基础上，第二导电类型的阱层3和第一导电类型的源极区8的电极通过金属层14实现连接。
[0025]在上述技术方案的基础上，所述沟槽4的深度与第一导电类型的外延层2的厚度之比在0.5?0.8之间的范围。
[0026]在上述技术方案的基础上，所述功率MOS场效应管为N或P型沟槽式功率MOS场效应管，或为N或P型平面式功率MOS场效应管,或为绝缘栅双极晶体管。
[0027]在上述技术方案的基础上，对于N型MOS场效应管,第一导电类型指N型,第二导电类型指P型；对于P型MOS场效应管，第一导电类型指P型，第二导电类型指N型。
[0028]在上述技术方案的基础上，所述高频低功耗的功率MOS场效应管器件的制造过程为:
[0029]在硅片背面设有第一导电类型的衬底层1，第一导电类型的衬底层I上方设有第一导电类型的外延层2，在第一导电类型的外延层2内刻蚀沟槽4 ；
[0030]在第一导电类型的外延层2内上部形成第二导电类型的阱层3，在沟槽4内填充厚氧化娃层7和多晶娃6的混合填充物,多晶娃6为导电多晶娃,居中埋设于厚氧化娃层7内，且从沟槽4的底部一直延伸到沟槽4的表面。多晶硅6的上部11的左右两侧设置作为栅极的多晶硅15，作为栅极的多晶硅15和沟槽4之间填充有栅极氧化硅层10，作为栅极的多晶硅15和多晶硅6之间也填充有栅极氧化硅层10 ；
[0031]沟槽4的开口处填充绝缘介质层12，并在相邻的绝缘介质层12之间留有间隙13，在所述第二导电类型的阱层3内上部且位于所述沟槽4开口的周边制作第一导电类型的源极区8，第一导电类型的源极区8与第一导电类型的外延层2之间的第二导电类型的阱层3区域作为沟道区9 ；
[0032]将金属层14覆盖在绝缘介质层12及第一导电类型的外延层2之上，第二导电类型的阱层3和第一导电类型的源极区8的电极通过金属层14实现连接。
[0033]由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点和效果:
[0034]1、本发明在第一导电类型的外延层2内刻蚀沟槽，并在该沟槽内填充厚氧化硅层7和多晶硅6的混合填充物，从而形成具有提升耐压功能的场结构，沟槽的深度与外延层的厚度比在0.5?0.8范围内，形成的场结构反向低电压时完全耗尽，形成高阻层，与外延层共同组成电压支持层，主要利用电荷补偿原理，来维持器件的反向耐压，同时沟槽深度与外延层厚度比在0.5?0.8范围内变化，可以通过调整沟槽深度来减少制造工艺的难度，可控制性好。
[0035]2、本发明在制造方法上采用挖深沟槽工艺后，对深沟槽内进行厚氧化硅层及多晶硅复合层填充，这样的制造工艺简单，并能有效降低器件的导通电阻和电极间电容，从而提升开关频率。
[0036]3、本发明能使器件的反向恢复时间得到充分的改善，主要是沟槽深度可以根据器件性能做调整，使器件的耐压分别由作为超结部分的长结构部分和作为非超结部分的外延层共同承担，即在耐压条件下通过调整外延层浓度和深度，来改变器件中空穴量，来改变反向恢复时间，反向恢复时间主要是把P型区和N型区的空穴和电子，恢复到原始状态；作为超结部分的长结构部分的耗尽层全部耗尽后，耗尽层才逐步扩展到非超结部分的外延层内区域，直至达到最大耐压，这样使器件内寄生的二极管特性更接近传统MOS器件，具有更好的反向恢复特性，同时还可以通过调整非超结部分的浓度，而调整器件的耐压和寄生二极管的反向恢复特性。
[0037]4、本发明的器件结构，还有能扩大器件工作的安全区的功效，增加场结构部分后，能使器件的最大电场(Ec)下降，从而使器件在高电压下，在漏极处的电场强度降低，使其工作的安全区增加。
【专利附图】
【附图说明】
[0038]本发明有如下附图:
[0039]图1为本发明结构示意图，
[0040]图2?5为功率MOS场效应管制造流程示意图。
【具体实施方式】
[0041]以下结合附图对本发明作进一步详细说明。
[0042]如图1所示，本发明所述的高频低功耗的功率MOS场效应管器件，包括:
[0043]位于硅片背面的第一导电类型的衬底层1，
[0044]位于所述第一导电类型的衬底层I上方的第一导电类型的外延层2，
[0045]位于所述第一导电类型的外延层2内上部的第二导电类型的阱层3，
[0046]若干沟槽4，各沟槽4均穿过所述第二导电类型的阱层3并延伸至第一导电类型的外延层2内，
[0047]在沟槽4内装填有填充物5，图1所示实施例中设置了两个沟槽4，但并非限定沟槽4的数量只有两个，
[0048]沟槽4与所述第一导电类型的外延层2之间设有第二导电类型的扩散区，
[0049]沟槽4的开口处设有绝缘介质层12，相邻的绝缘介质层12之间留有间隙13，
[0050]金属层14覆盖在绝缘介质层12及第一导电类型的外延层2之上，
[0051]在所述第二导电类型的阱层3内上部且位于所述沟槽4开口的周边设有第一导电类型的源极区8，第一导电类型的源极区8的一部分位于间隙13处，另一部分位于绝缘介质层12内，
[0052]第一导电类型的源极区8与第一导电类型的外延层2之间的第二导电类型的阱层3区域作为沟道区9。
[0053]在上述技术方案的基础上，所述填充物5包括:
[0054]厚氧化硅层7，
[0055]多晶娃6,居中埋设于厚氧化娃层7内，且从沟槽4的底部一直延伸到沟槽4的表面，多晶娃6为导电多晶娃，
[0056]多晶硅6的上部11的左右两侧设有作为栅极的多晶硅15，作为栅极的多晶硅15的长度和第二导电类型的阱层3的厚度相同，
[0057]作为栅极的多晶硅15和沟槽4之间填充有栅极氧化硅层10，作为栅极的多晶硅15和多晶娃6之间填充有栅极氧化娃层10,
[0058]栅极氧化硅层10和作为栅极的多晶硅15共同组成栅极。
[0059]在上述技术方案的基础上，第二导电类型的阱层3和第一导电类型的源极区8的电极通过金属层14实现连接。
[0060]在上述技术方案的基础上，所述沟槽4的深度与第一导电类型的外延层2的厚度之比在0.5?0.8之间的范围。例如:0.5、0.6、0.7或0.8。在取值范围内每递增或递减
0.01均可作为一个可选择的实施例。
[0061]本发明工作原理是:
[0062]通过在外延层2内刻蚀沟槽4，并在该沟槽4内填充多晶硅6和厚氧化硅层7，从而可保持器件的耐压性能，降低器件的导通电阻；同时，由于厚氧化硅层7的存在，减少了器件漏极与栅极间电容，从而可提升器件的开关频率，或可保持器件的导通电阻，减小芯片面积，提升开关频率，从而降低器件的成本。
[0063]本发明的方案适用于N或P型沟槽式功率MOS场效应管，适用于N或P型平面式功率MOS场效应管，也适用于沟槽式或平面式绝缘栅双极晶体管(IGBT)，比如穿通型(PT型)、非穿通型(NPT型)和场截止型(FS型)，也适用于SBD器件(肖特基势垒二极管)。
[0064]对于N型MOS场效应管，第一导电类型指N型，第二导电类型指P型；对于P型MOS场效应管，第一导电类型指P型，第二导电类型指N型。
[0065]本发明通过深沟槽及厚氧化硅层的结构，提高器件的耐压，减少器件的电容，从而提升器件的开关频率，降低开关损耗，从而降低器件的导通电阻，减少导通损耗，相比之下本发明是以低成本的方式同样获得了低导通电阻，高开关频率，减少能量损耗，改善器件性倉泛。
[0066]本发明所述的高频低功耗的功率MOS场效应管器件的制造过程，可参见图2?5所示:
[0067]图2，在硅片背面设有第一导电类型的衬底层1，第一导电类型的衬底层I上方设有第一导电类型的外延层2，在第一导电类型的外延层2内刻蚀沟槽4。
[0068]图3，在第一导电类型的外延层2内上部形成第二导电类型的阱层3，在沟槽4内填充厚氧化硅层7和多晶硅6的混合填充物，多晶硅6为导电多晶硅，居中埋设于厚氧化硅层7内，且从沟槽4的底部一直延伸到沟槽4的表面。多晶硅6的上部11的左右两侧设置作为栅极的多晶硅15，作为栅极的多晶硅15和沟槽4之间填充有栅极氧化硅层10，作为栅极的多晶娃15和多晶娃6之间也填充有栅极氧化娃层10。
[0069]图4，沟槽4的开口处填充绝缘介质层12，并在相邻的绝缘介质层12之间留有间隙13，在所述第二导电类型的阱层3内上部且位于所述沟槽4开口的周边制作第一导电类型的源极区8，第一导电类型的源极区8与第一导电类型的外延层2之间的第二导电类型的阱层3区域作为沟道区9。
[0070]图5，将金属层14覆盖在绝缘介质层12及第一导电类型的外延层2之上，第二导电类型的阱层3和第一导电类型的源极区8的电极通过金属层14实现连接。
[0071]上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
[0072]本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
【权利要求】
1.一种高频低功耗的功率MOS场效应管器件，其特征在于，包括: 位于硅片背面的第一导电类型的衬底层(1)， 位于所述第一导电类型的衬底层(I)上方的第一导电类型的外延层(2)， 位于所述第一导电类型的外延层(2)内上部的第二导电类型的阱层(3)， 若干沟槽(4)，各沟槽(4)均穿过所述第二导电类型的阱层(3)并延伸至第一导电类型的外延层(2)内， 在沟槽(4)内装填有填充物(5)， 沟槽(4)与所述第一导电类型的外延层(2)之间设有第二导电类型的扩散区， 沟槽⑷的开口处设有绝缘介质层(12)，相邻的绝缘介质层(12)之间留有间隙(13)， 金属层(14)覆盖在绝缘介质层(12)及第一导电类型的外延层(2)之上， 在所述第二导电类型的阱层(3)内上部且位于所述沟槽(4)开口的周边设有第一导电类型的源极区(8)，第一导电类型的源极区(8)的一部分位于间隙(13)处，另一部分位于绝缘介质层(12)内， 第一导电类型的源极区(8)与第一导电类型的外延层(2)之间的第二导电类型的阱层(3)区域作为沟道区(9)。
2.如权利要求1所述的高频低功耗的功率MOS场效应管器件，其特征在于:所述填充物(5)包括: 厚氧化硅层(7)， 多晶硅(6)，居中埋设于厚氧化硅层(7)内，且从沟槽(4)的底部一直延伸到沟槽(4)的表面，多晶娃(6)为导电多晶娃， 多晶硅(6)的上部(11)的左右两侧设有作为栅极的多晶硅(15)，作为栅极的多晶硅(15)的长度和第二导电类型的阱层(3)的厚度相同， 作为栅极的多晶硅(15)和沟槽(4)之间填充有栅极氧化硅层(10)，作为栅极的多晶硅(15)和多晶娃(6)之间填充有栅极氧化娃层(10), 栅极氧化硅层(10)和作为栅极的多晶硅(15)共同组成栅极。
3.如权利要求1所述的高频低功耗的功率MOS场效应管器件，其特征在于:第二导电类型的阱层⑶和第一导电类型的源极区⑶的电极通过金属层(14)实现连接。
4.如权利要求1所述的高频低功耗的功率MOS场效应管器件，其特征在于:所述沟槽(4)的深度与第一导电类型的外延层(2)的厚度之比在0.5?0.8之间的范围。
5.如权利要求1所述的高频低功耗的功率MOS场效应管器件，其特征在于:所述功率MOS场效应管为N或P型沟槽式功率MOS场效应管，或为N或P型平面式功率MOS场效应管，或为绝缘栅双极晶体管。
6.如权利要求5所述的高频低功耗的功率MOS场效应管器件，其特征在于:对于N型MOS场效应管，第一导电类型指N型，第二导电类型指P型；对于P型MOS场效应管，第一导电类型指P型，第二导电类型指N型。
7.如权利要求2所述的高频低功耗的功率MOS场效应管器件，其特征在于:所述高频低功耗的功率MOS场效应管器件的制造过程为: 在硅片背面设有第一导电类型的衬底层(I)，第一导电类型的衬底层(I)上方设有第一导电类型的外延层(2)，在第一导电类型的外延层(2)内刻蚀沟槽⑷； 在第一导电类型的外延层(2)内上部形成第二导电类型的阱层(3)，在沟槽(4)内填充厚氧化硅层(7)和多晶硅(6)的混合填充物，多晶硅(6)为导电多晶硅，居中埋设于厚氧化硅层(7)内，且从沟槽⑷的底部一直延伸到沟槽⑷的表面。多晶硅(6)的上部(11)的左右两侧设置作为栅极的多晶硅(15)，作为栅极的多晶硅(15)和沟槽(4)之间填充有栅极氧化硅层(10)，作为栅极的多晶硅(15)和多晶硅(6)之间也填充有栅极氧化硅层(10)；沟槽(4)的开口处填充绝缘介质层(12)，并在相邻的绝缘介质层(12)之间留有间隙(13)，在所述第二导电类型的阱层(3)内上部且位于所述沟槽(4)开口的周边制作第一导电类型的源极区(8)，第一导电类型的源极区(8)与第一导电类型的外延层(2)之间的第二导电类型的阱层(3)区域作为沟道区(9)； 将金属层(14)覆盖在绝缘介质层(12)及第一导电类型的外延层(2)之上，第二导电类型的阱层⑶和第一导电类型的源极区⑶的电极通过金属层(14)实现连接。
【文档编号】H01L29/78GK104241341SQ201310314820
【公开日】2014年12月24日 申请日期:2013年7月25日 优先权日:2012年7月27日
【发明者】俞国庆, 吴勇军 申请人:俞国庆