Mosfet功率器件的终端结构的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种MOSFET功率器件的终端结构，终端结构形成在终端区中，终端区环绕在主动区周侧；主动区中的P阱和N-外延层形成的PN结为主结；终端结构包括多晶硅场板、第一金属场板、第二金属场板和沟槽截止环；多晶硅场板由形成于主动区中的多晶硅栅延伸形成，且多晶硅场板下的第一介质层厚度大于多晶硅栅下的栅介质层厚度。沟槽截止环形成于终端区的最外侧；在第一介质层表面形成有第二介质层，第一和二金属场板形成于第二介质层表面；在横向上第一和二金属场板之间相隔一段距离，第一金属场板位于终端区的靠近P阱的一侧、第二金属场板位于终端区的靠近沟槽截止环的一侧。本实用新型能降低终端结构的占用面积、制作工艺难度和成本。
【专利说明】MOSFET功率器件的终端结构
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种半导体集成电路器件，特别是涉及一种金氧半场效晶体管(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor, MOSFET)功率器件的终端结构。
【背景技术】
[0002]功率器件是功率电子技术的核心器件，功率器件中的MOSFET功率器件被广泛应用于工业设备、汽车电子、家电等领域，为这些领域的节能提供了帮助。在世界都需要节能的情况下，功率器件的重要性将日益提高，发展前景将更加光明。
[0003]MOSFET功率器件的单元结构包括一个由N-外延层组成的漂移区，在N-外延层中形成有P阱，在P阱中形成有由N+区组成的源区，在P阱表面上形成有多晶硅栅，多晶硅栅和P阱之间隔离有栅介质层，被所述多晶硅栅所覆盖的P阱表面用于形成沟道，该沟道连通源区和N-外延层和形成于N-外延层表面或底部的漏区，漏区是由N+掺杂的半导体衬底组成。由P阱和N-外延层所形成的PN结组成主结，主结反偏时主要是通过P阱对N-外延层进行耗尽从而承受较大电压。MOSFET功率器件能够由多个单元结构组成，在MOSFET功率器件的最外侧位置处的主结会对MOSFET功率器件的击穿电压造成很大的影响，原因为最外侧的主结的PN结弯曲或PN结终止处的表面的非理想因素会使该处的电场集中从而降低最外侧的主结的击穿电压。
[0004]为了提高MOSFET功率器件的耐压能力，现有技术中都在MOSFET功率器件中设置终端结构，终端结构并不流动电流，而是用于耐压保护；一般令MOSFET功率器件中能够流动工作电流的功能区域称为主动区或有源区，设置终端结构的区域为终端区；终端区围绕在主动区的周侧并用于降低主动区中的最外侧的主结周侧的电场，从而提高器件的击穿电压。
[0005]所以为了确保MOSFET功率器件有足够高的耐压能力，一个重要前提条件是具有优良的终端结构。现有的终端结构包括延伸型终端和截断型终端。延伸型的如传统的场板结构、场限环(FLR)结构、场限环结合场板结构、结终端延伸结构(JTE)、横向变掺杂结构(VLD)、多级场板；截断型的是通过刻蚀深槽，截断曲面结或者耗尽层，影响电场分布，提高击穿电压。
[0006]对于现有由多级场板结构组成的延伸型终端结构，该终端结构包括内圈的分压保护区和外圈的截止环保护环。当偏压加在功率器件的电极上时，主结的P阱会对N-外延层进行耗尽，随着所加偏压的增大，N-外延层上方的场板也会对N-外延层表面进行耗尽，这样N-外延层中形成的耗尽层会沿着主结向外圈的截止环方向向外延伸，这样就减小了主结附近的最大电场；偏压的继续增加直到截止环区域，由截止环来阻挡耗尽层的进一步延伸，从而使器件达到足够的耐压。由此可见多级场板结构的终端结构存在以下弊端:
[0007]1、多级场板中每个场板的长度、场板之间的氧化层厚度以及场板本身的厚度等都会影响到功率器件器件的击穿电压的大小，设计时考虑因素复杂。
[0008]2、对于中低压MOSFET功率器件，中低压MOSFET功率器件是指击穿电压为20V至200V的功率器件，随着所采用的衬底电阻率即N-外延层的电阻率的增大，漂移区内耗尽层向纵向方向和远离主结的方向扩展得更多，这样终端结构占芯片总面积比重较大，芯片制造成本闻。
[0009]对于截断型终端，需要在终端区域刻蚀深槽，深槽位于最外侧的主结的附近，深槽的深度要求大于主结所形成的耗尽层的纵向深度，这样利用深槽来截断主结的外侧曲面完成所造成的电场集中即能够截断耗尽层以影响表面电场分布从而提高器件的击穿电压。截断型终端结构的优点在于所占芯片较小，节省成本；但是弊端在于，纵向耗尽层深度较深，这样所刻蚀的槽比较深，工艺上困难很大。
【发明内容】
[0010]本实用新型所要解决的技术问题是提供一种MOSFET功率器件的终端结构，能降低终端结构的占用面积、制作工艺难度和成本。
[0011]为解决上述技术问题，本实用新型提供的MOSFET功率器件的终端结构包括:
[0012]形成于N+掺杂的半导体衬底上的N-外延层，所述N-外延层包括主动区和终端区，所述终端区环绕在所述主动区周侧。
[0013]在所述主动区中形成有P阱，在所述P阱中形成有由N+区组成的源区，由所述P阱和所述N-外延层形成的PN结组成主结；在所述P阱上方形成有多晶硅栅，所述多晶硅栅和所述P阱之间隔离有栅介质层，所述多晶硅栅的一侧和所述源区对准、所述多晶硅栅的另一侧延伸到所述N-外延层上方。
[0014]在所述终端区中形成有终端结构，所述终端结构包括多晶硅场板、第一金属场板、第二金属场板和沟槽截止环。
[0015]所述多晶硅场板由所述多晶硅栅从所述主动区向所述终端区方向延伸的多晶硅组成，所述多晶硅场板和所述N-外延层之间隔离有第一介质层，所述第一介质层的厚度大于所述栅介质层的厚度。
[0016]所述沟槽截止环形成于所述终端区的最外侧。
[0017]在所述第一介质层表面形成有第二介质层，所述第一金属场板和所述第二金属场板形成于所述第二介质层表面；在横向上所述第一金属场板和所述第二金属场板相隔一段距离，所述第一金属场板位于所述终端区的靠近所述P阱的一侧、所述第二金属场板位于所述终端区的靠近所述沟槽截止环的一侧。
[0018]进一步的改进是，所述沟槽截止环的深度大于所述沟槽截止环所在位置处的耗尽层的深度。
[0019]进一步的改进是，所述第一金属场板和形成于所述源区的电极相连接。
[0020]进一步的改进是，所述第一金属场板从顶部将所述多晶硅场板完全覆盖、且所述第一金属场板所覆盖区域的面积大于等于所述多晶硅场板的区域面积。
[0021]进一步的改进是，所述栅介质层组成材料为氧化层；所述第一介质层组成材料为氧化层；所述第二介质层组成材料为氧化层。
[0022]进一步的改进是，所述沟槽截止环的沟槽的侧面和底部表面都覆盖有氧化层，在侧面和底部表面覆盖有氧化层的所述沟槽中填充由多晶硅。
[0023]进一步的改进是，所述第二金属场板和所述沟槽中填充的多晶硅接触。[0024]进一步的改进是，MOSFET功率器件的耐压为20V至200V。
[0025]进一步的改进是，N+掺杂的所述半导体衬底为MOSFET功率器件的漏区，由形成所述半导体衬底背面的背面金属形成漏极。
[0026]本实用新型具有如下有益效果:
[0027]本实用新型通过多级场板的设置能够将耗尽层从主结向终端区外侧方向扩展，从而能降低主结附近表面的电场强度、提高器件的耐压能力。
[0028]同时本实用新型通过在终端区的最外侧位置处设置沟槽截止环，沟槽截止环能够使耗尽层向终端区外侧方向的扩展终端，相对于现有没有设置沟槽截止环的多级场板结构，本实用新型能够大大减少耗尽区向终端区外侧方向的扩展宽度，从而能减少终端部分的占用面积，从而能增加主动区的占用面积，在同一芯片上能形成更多面积的主动区，从而能提闻芯片的利用率。
[0029]本实用新型的沟槽截止环中形成有氧化层和多晶硅层，在氧化层击穿后，多晶硅层能够继续起到阻断耗尽层延伸的作用，从而能进一步大大提高器件的击穿电压。
[0030]本实用新型通过在沟槽截止环和主结之间设置多级场板，相对于现有截断型终端中沟槽直接和主结相邻的设置，本实用新型的多级场板通过对耗尽层的延伸扩展，能够使得耗尽层的纵向深度逐渐减少，从而能使得沟槽截止环的沟槽深度大大小于现有截断型终端的沟槽深度，沟槽深度的减少，能够大大降低沟槽制作的工艺难度。
[0031]本实用新型通过对终端结构的占用面积降低以及制作工艺难度的降低，能使整个器件的成本降低。
【专利附图】
【附图说明】
[0032]下面结合附图和【具体实施方式】对本实用新型作进一步详细的说明:
[0033]图1是本实用新型实施例的结构示意图。
【具体实施方式】
[0034]如图1所示，是本实用新型实施例的结构示意图。本实用新型实施例MOSFET功率器件的耐压为20V至200V，属于中低压MOSFET功率器件，本实用新型MOSFET功率器件的终端结构包括:
[0035]形成于N+掺杂的半导体衬底I上的N-外延层2，所述N-外延层2为器件的漂移区。所述N-外延层2包括主动区和终端区。在图1中虚线AA两侧分别为主动区和终端区，在俯视面上，所述终端区环绕在所述主动区周侧。
[0036]在所述主动区中形成有P阱3，在所述P阱3中形成有由N+区组成的源区4，由所述P阱3和所述N-外延层2形成的PN结组成主结；在所述P阱3上方形成有多晶硅栅5，所述多晶硅栅5和所述P阱3之间隔离有栅介质层7，所述多晶硅栅5的一侧和所述源区4对准、所述多晶硅栅5的另一侧延伸到所述N-外延层2上方。在所述多晶硅栅5的顶部形成有栅极G，在所述源区4的顶部形成有源极S。由所述N+掺杂的半导体衬底I组成器件的漏区，由形成所述半导体衬底I背面的背面金属形成漏极D。
[0037]在所述终端区中形成有终端结构，所述终端结构包括多晶硅场板6、第一金属场板
10、第二金属场板11和沟槽截止环12。[0038]所述多晶硅场板6由所述多晶硅栅5从所述主动区向所述终端区方向延伸的多晶硅组成，所述多晶硅场板6和所述N-外延层2之间隔离有第一介质层8，所述第一介质层8的厚度大于所述栅介质层7的厚度。
[0039]所述沟槽截止环12形成于所述终端区的最外侧。所述沟槽截止环12的深度大于所述沟槽截止环12所在位置处的耗尽层的深度。所述沟槽截止环12的沟槽的侧面和底部表面都覆盖有氧化层12a，在侧面和底部表面覆盖有氧化层12a的所述沟槽中填充由多晶娃 12b。
[0040]在所述第一介质层8表面形成有第二介质层9，较佳为，所述栅介质层7组成材料为氧化层；所述第一介质层8组成材料为氧化层；所述第二介质层9组成材料为氧化层。
[0041]所述第一金属场板10和所述第二金属场板11形成于所述第二介质层9表面；在横向上所述第一金属场板10和所述第二金属场板11相隔一段距离，所述第一金属场板10位于所述终端区的靠近所述P阱3的一侧、所述第二金属场板11位于所述终端区的靠近所述沟槽截止环12的一侧。
[0042]较佳为，所述第一金属场板10和形成于所述源区4的电极即源极S相连接。所述第一金属场板10从顶部将所述多晶硅场板6完全覆盖、且所述第一金属场板10所覆盖区域的面积大于等于所述多晶硅场板6的区域面积。
[0043]所述第二金属场板11和所述沟槽中填充的多晶硅12b接触。
[0044]本实用新型实施例器件在反向偏置时所述半导体衬底I的背面电极即漏极D加正电压，源极S接地，这时由所述P阱3和所述N-外延层2组成的主结形成耗尽层，本实用新型实施例设置的多级场板即所述多晶硅场板6、所述第一金属场板10和所述第二金属场板11能对N-外延层2的表面进行耗尽从而能够将耗尽层向终端区的外侧延伸，从而能减少主结附近的表面电场强度并提高器件的击穿电压。沟槽截止环12能够将耗尽层的延伸阻断，从而能够在提高器件的击穿电压的同时大大减少终端区的面积，从而能消除现有技术中单独采用多级场板时需要将耗尽区横向延伸到较大区域的缺陷。本实用新型的沟槽截止环12通过氧化层12a和多晶硅12b的设置，在氧化层12a被耗尽层击穿时，多晶硅12b仍然能够起到截止环的作用，从而能进一步大大提高器件的击穿电压。
[0045]本实用新型通过多级场板的设置后在设置沟槽截止环12，耗尽层经过多级场板的设置而向终端区外侧延伸后，耗尽层的纵向深度会降低，这样沟槽截止环12的沟槽深度也会降低，沟槽深度的降低能够大大降低器件的制作工艺难度，降低器件的制造成本。另外，本实用新型实施例的终端区的占用面积减少，则主动区的可形成面积增加，也即芯片的集成度会增加，这也同样会大大降低工艺成本。
[0046]以上通过具体实施例对本实用新型进行了详细的说明，但这些并非构成对本实用新型的限制。在不脱离本实用新型原理的情况下，本领域的技术人员还可做出许多变形和改进，这些也应视为本实用新型的保护范围。
【权利要求】
1.一种MOSFET功率器件的终端结构，其特征在于，包括: 形成于N+掺杂的半导体衬底上的N-外延层，所述N-外延层包括主动区和终端区，所述终端区环绕在所述主动区周侧； 在所述主动区中形成有P阱，在所述P阱中形成有由N+区组成的源区，由所述P阱和所述N-外延层形成的PN结组成主结；在所述P阱上方形成有多晶硅栅，所述多晶硅栅和所述P阱之间隔离有栅介质层，所述多晶硅栅的一侧和所述源区对准、所述多晶硅栅的另一侧延伸到所述N-外延层上方； 在所述终端区中形成有终端结构，所述终端结构包括多晶硅场板、第一金属场板、第二金属场板和沟槽截止环； 所述多晶硅场板由所述多晶硅栅从所述主动区向所述终端区方向延伸的多晶硅组成，所述多晶硅场板和所述N-外延层之间隔离有第一介质层，所述第一介质层的厚度大于所述栅介质层的厚度； 所述沟槽截止环形成于所述终端区的最外侧； 在所述第一介质层表面形成有第二介质层，所述第一金属场板和所述第二金属场板形成于所述第二介质层表面；在横向上所述第一金属场板和所述第二金属场板相隔一段距离，所述第一金属场板位于所述终端区的靠近所述P阱的一侧、所述第二金属场板位于所述终端区的靠近所述沟槽截止环的一侧。
2.如权利要求1所述的MOSFET功率器件的终端结构，其特征在于:所述沟槽截止环的深度大于所述沟槽截止环所在位置处的耗尽层的深度。
3.如权利要求1所述的MOSFET功率器件的终端结构，其特征在于:所述第一金属场板和形成于所述源区的电极相连接。
4.如权利要求3所述的MOSFET功率器件的终端结构，其特征在于:所述第一金属场板从顶部将所述多晶硅场板完全覆盖、且所述第一金属场板所覆盖区域的面积大于等于所述多晶硅场板的区域面积。
5.如权利要求1或4所述的MOSFET功率器件的终端结构，其特征在于:所述栅介质层组成材料为氧化层；所述第一介质层组成材料为氧化层；所述第二介质层组成材料为氧化层。
6.如权利要求1或2所述的MOSFET功率器件的终端结构，其特征在于:所述沟槽截止环的沟槽的侧面和底部表面都覆盖有氧化层，在侧面和底部表面覆盖有氧化层的所述沟槽中填充由多晶硅。
7.如权利要求6所述的MOSFET功率器件的终端结构，其特征在于:所述第二金属场板和所述沟槽中填充的多晶硅接触。
8.如权利要求1所述的MOSFET功率器件的终端结构，其特征在于=MOSFET功率器件的耐压为20V至200V。
9.如权利要求1所述的MOSFET功率器件的终端结构，其特征在于:N+掺杂的所述半导体衬底为MOSFET功率器件的漏区，由形成所述半导体衬底背面的背面金属形成漏极。
【文档编号】H01L29/40GK203707142SQ201420050226
【公开日】2014年7月9日 申请日期:2014年1月26日 优先权日:2014年1月26日
【发明者】张海涛, 陈智勇, 孙娜 申请人:宁波达新半导体有限公司, 上海达新半导体有限公司