复合型沟槽MOS器件及其制造方法与流程

本发明涉及半导体功率器件技术领域，具体涉及一种复合型沟槽mos器件结构及其制造方法。

背景技术：

随着我国经济持续快速的迅猛发展，能源消耗也逐年增加，特别是在全球变暖的大背景下，“低碳经济”逐渐成为全球热点，因此节约能源已成为我国的基本国策之一。而新型电力电子器件在其中扮演者特别重要的角色，其中沟槽mos器件是作为如今发展迅速、市场前景好的半导体器件，它具有开关速度快、输入阻抗高、热稳定性好、可靠性强等优点，在计算机、通讯设备、普通办公设备的电源供应电路以及汽车电子电路领域有着广泛的应用。

大多数功率mosfet器件的一个特有之处是具有一个“寄生”的漏-源内置二极管。在许多应用场合中，漏-源内置二极管不会处于反偏状态，因此并不影响电路的工作。但随着近些年来微处理器时钟频率的提高，我们需要低电压、大电流和高电流摆率(di/dt>150a)的电压调制模块(vrm)，通常对于dc-dc变换器，工作频率需要提高到1mhz甚至更高。为满足这一要求，减小沟槽mos器件的反向恢复电荷qrr是十分有效的，而且可以阻止导通时的功耗损失和自开启。为了实现这一目的，其中一种做法就是在沟槽mosfet器件的源极s与漏极d之间并联一肖特基二极管sbd，其发展主要经历了如下历程：

第一阶段是将独立封装的肖特基二极管与独立封装的沟槽mosfet并联安装在电路板上。缺点是成本高，占用电路板更多面积以及由于较长走线引入寄生电感的影响，带来额外损耗以及emc和emi问题。

第二阶段是将独立的肖特基芯片与独立的沟槽mosfet芯片并联封装在同一半导体器件封装内，依靠打线是沟槽mosfet芯片和肖特基芯片实现并联。缺点依然是成本高，并且对封装要求高，以及封装后整体面积大。

第三阶段是将沟槽mosfet与肖特基二极管设计设计制作在同一芯片中，在处理沟槽mosfet与肖特基二极管的方式上都是采用分区设计加区分制作的方案，而通过打线实现互联，还是占据了大量的芯片面积和成本。因此存在的缺点总是：1、肖特基二极管结构占用了大量硅表面面积，导致芯片面积大，成本高；2、工艺复杂，导致制造成本高。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种复合型沟槽mos器件结构及其制造方法。

本发明实施例提供一种复合型沟槽mos器件，该器件包括第一导电类型漏极区、位于所述第一导电类型漏极区上方的n+单晶硅衬底和n-外延层、位于所述n-外延层上方的第一导电类型p型阱区层、位于所述第一导电类型p型阱区层上方的第二导电类型源极区层、位于所述第二导电类型源极区层上方的绝缘介质层、和位于所述绝缘介质层上方的源极金属区层，还包括：

沟槽，其穿过所述第一导电类型p型阱区层，延伸至所述n-外延层的内部；

栅氧化层，其与所述沟槽接触；

多晶硅层，其与栅氧化层接触，顶部与所述绝缘介质层接触；

接触孔，所述接触孔穿过所述绝缘介质层和所述第一导电类型p型阱区层，延伸至所述n-外延层，所述接触孔内填充有金属，所述金属的顶端连接所述金属区层；

接触孔底部氧化层，其位于所述接触孔底部，与所述n-外延层；

接触孔底部多晶层，其与所述接触孔底部氧化层接触，形成tmbs结构；

接触金属层，所述接触金属层底部与所述接触孔底部多晶层接触，所述接触金属层顶部与所述源极金属区层接触，所述接触金属层包括肖特基接触层和欧姆接触层，所述肖特基接触层是所述接触金属层在源极接触孔的侧壁与所述n-外延层接触，所述欧姆接触层是所述接触金属层在源极接触孔的侧壁与所述n+源极和所述第一导电类型p型阱区层接触；

其中，所述源极金属区层为mos管源极金属电极，即肖特基的阳极金属电极，所述第一导电类型漏极区为mos管漏极金属电极，即肖特基的阴极金属电极。

上述方案中，所述肖特基接触层包括金属钨连接层、氮化钛阻挡层与金属钛粘结层，所述金属钨连接层与所述源极金属电极层的底部接触，所述氮化钛阻挡层与所述金属钨连接层的侧面端接触，所述金属钛粘结层与所述氮化钛阻挡层的侧面端接触，所述金属钛粘结层在所述接触孔的侧面端与所述n-外延层形成肖特基接触。

上述方案中，所述欧姆接触层所述欧姆接触层位于所述接触孔的侧壁处，所述金属钛粘结层与第二导电类型源极区层形成n+源极欧姆接触；所述金属钛粘结层与p+接触区形成p型阱的欧姆接触。

上述方案中，所述接触孔底部氧化层与所述n-外延层连接，所述接触孔底部多晶层底部与所述接触孔底部氧化层连接，而顶部与源极金属电极层的底端接触，最终形成tmbs结构。

上述方案中，所述接触孔底部多晶层为n型重掺杂的多晶硅。

本发明实施例还提供一种制造上述方案中任意一项所述的复合型沟槽mos器件的制造方法，其特征在于，该方法通过以下步骤实现：

在第一导电类型的n型高掺杂浓度的n+单晶硅衬底上，生长第一导电类型的n型低掺杂浓度的n-外延层；

在n-外延层表面上生长第一介质层后，对所述第一介质层进行光刻，定义出mos管单胞阵列的沟槽区图形；

通过干法刻蚀，去除未被光刻胶保护的第一介质层，曝露出沟槽区图形对应的n-外延层，再去除光刻胶后，保留下来的第一介质层作为第一硬掩膜；

以所述第一硬掩膜作为阻挡层，在n-外延层中的表面形成沟槽，在所述沟槽和n-外延层的表面淀积一层为二氧化硅的第二介质层，形成栅氧化层；

在所述栅氧化层上淀积导电多晶硅层，通过干法刻蚀去掉n-外延层顶部的导电多晶硅层以及栅氧化层；

将p型杂质离子注入到所述n-外延层内，然后通过快速退火处理，在所述n-外延层内形成第一导电类型p型阱区层；

在所述第一导电类型p型阱区层的上方定义出第二导电类型源极区层；

在第二导电类型源极区层的表面淀积第三介质层，该第三介质层为二氧化硅层，或者氮化硅层，或者二氧化硅层和氮化硅层的复合层；

位于所述第二导电类型源极区层上方的第三介质层形成绝缘介质层，对作为绝缘介质层的第三介质层实施干法刻蚀，穿透所述绝缘介质层和所述第一导电类型p型阱区层，延伸至所述n-外延层，形成接触孔；

在所述接触孔中淀积一层氧化层和一层多晶硅，通过干法蚀刻形成所述接触孔底部氧化层和所述接触孔底部多晶层的tmbs结构；

对接触孔进行金属填充，先沉积金属钛粘结层，在金属钛粘结层上淀积氮化钛阻挡层，再接着沉积钨金属层以及铝金属层，靠近所述接触孔侧面端的所述第一导电类型p型阱区层处设有p+接触区，位于所述接触孔侧面端的金属钛粘结层和氮化钛阻挡层与第二导电类型源极区层形成n+源极欧姆接触，位于所述接触孔的侧壁的金属钛粘结层和氮化钛阻挡层与p+接触区形成p型阱的欧姆接触层；

在所述欧姆接触层下方金属钛粘结层与所述n-外延层侧面接触，在接触孔侧壁形成肖特基接触，在金属钛粘结层上淀积氮化钛阻挡层，在氮化钛阻挡层上淀积金属钨连接层，金属钛粘结层、氮化钛阻挡层及金属钨连接层形成肖特基接触层；

在所述欧姆接触层和肖特基接触层的侧面淀积钨金属形成接触金属层；而在所述接触金属层的下方形成由所述接触孔底部氧化层和所述接触孔底部多晶层组成的tmbs结构。

在所述绝缘介质层的上表面淀积的金属，形成源极金属区层，所述接触孔通过接触金属层与所述源极金属区层连接，形成源极金属电极；

对金属区层实施光刻，用光刻胶保护mos管单胞阵列区的源极金属电极区域和mos管单胞阵列区外围的栅极金属电极区域，即定义源极金属电极区域和栅极金属电极区域图形；

采用干法刻蚀方法，选择性去除未被光刻胶保护的金属区层，曝露出作为绝缘介质层的第三介质层，去除光刻胶后，留下的位于单胞阵列区域的金属区层形成mos管源极金属电极，同时也是肖特基二极管的阳极金属电极，留下的位于单胞阵列区域外围的金属区层形成mos管栅极金属电极；

在n+单晶硅衬底的底面沉积金属层，形成漏极区，该金属层形成mos管漏极金属电极，同时也是肖特基二极管的阴极金属电极。

上述方案中，所述多晶硅层的掺杂类型为n型掺杂或者p型掺杂。

上述方案中，所述在绝缘介质层的上表面淀积金属，形成金属区层，具体为：在绝缘介质层的上表面淀积金属钨，金属钨填满接触孔，然后采用干法刻蚀方法，选择性去除金属钨，使作为绝缘介质层的第三介质层曝露出来，接触孔中依然填满钨，然后再淀积铝层，或者掺杂有铜的铝层，或者掺杂有铜和硅的铝层。

上述方案中，所述在绝缘介质层的上表面淀积金属，形成金属区层，具体步骤为：在绝缘介质层的上表面淀积铝层，或者掺杂有铜的铝层，或者掺杂有铜和硅的铝层，并填满接触孔。

上述方案中，所述接触孔底部氧化层与所述接触孔底部氧多晶硅层接触，所述多晶硅层顶端与所述接触金属层底部接触，所述接触金属层与所述源极金属区层接触。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

1、本发明提供的一种复合型沟槽mos器件，其在每个单胞源极的接触孔侧壁集成tmbs结构，达到平衡器件内部电场的目的，有效提升器件的击穿特性，增加器件的耐压。

2、本发明提供的一种复合型沟槽mos器件，其在每个单胞源极的接触孔侧壁集成肖特基二极管结构，其有效且极大地降低开关损耗，抑制尖峰电压和尖峰电流。

3、本发明提供的一种复合型沟槽mos器件，在接触孔的底部集成tmbs结构，且肖特基二极管的接触金属层位于接触孔侧壁。使得器件不仅拥有tmbs结构和肖特基二极管的优势，而且有效地节约硅表面面积，降低器件的成本。

4、本发明提供的一种复合型沟槽mos器件，其结构新颖，产品性能高。

5、本发明提供的一种复合型沟槽mos器件的制造方法，制作工艺简单，与传统方式相比，制造成本降低，单胞集成度高。

附图说明

图1是本发明的结构剖面示意图。

图1中，1为n+单晶硅衬底；2为n-外延层；3为第一导电类型p型阱区层；4为第二导电类型源极区层；5为沟槽；6为栅氧化层；7为多晶硅层；8为接触孔；9为接触孔底部氧化层；10为接触孔底部多晶硅层；11为肖特基接触层；12为欧姆接触层；13为绝缘介质氧化层；14为源区金属电极层；15为背面漏区金属电极层。

图2～11是本发明的工艺步骤示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明实施例提供一种复合型沟槽mos器件，如图1所示，该器件包括第一导电类型漏极区、位于所述第一导电类型漏极区上方的n+单晶硅衬底1和n-外延层2、位于所述n-外延层2上方的第一导电类型p型阱区层3、位于所述第一导电类型p型阱区层3上方的第二导电类型源极区层4、位于所述第二导电类型源极区层4上方的绝缘介质层13、和位于所述绝缘介质层13上方的源极金属区层14，还包括：

沟槽5，其穿过所述第一导电类型p型阱区层3，延伸至所述n-外延层2的内部；

栅氧化层6，其与所述沟槽5接触；

多晶硅层7，其与栅氧化层6接触，顶部与所述绝缘介质层接触；

接触孔8，所述接触孔8穿过所述绝缘介质层和所述第一导电类型p型阱区层3，延伸至所述n-外延层2，所述接触孔8内填充有金属，所述金属的顶端连接所述金属区层；

接触孔底部氧化层9，其位于所述接触孔8底部，与所述n-外延层2；

接触孔底部多晶层10，其与所述接触孔底部氧化层9接触，形成tmbs结构；

接触金属层，所述接触金属层底部与所述接触孔底部多晶层10接触，所述接触金属层顶部与所述源极金属区层接触，所述接触金属层包括肖特基接触层11和欧姆接触层12，所述肖特基接触层11是接触金属层在源极接触孔的侧壁与所述n-外延层2接触，所述欧姆接触层12是接触金属层在源极接触孔的侧壁与所述第一导电类型p型阱区层3接触；

其中，所述源极金属区层为mos管源极金属电极，即肖特基的阳极金属电极，所述第一导电类型漏极区为mos管漏极金属电极，即肖特基的阴极金属电极。

所述肖特基接触层11包括金属钨连接层、氮化钛阻挡层与金属钛粘结层，所述金属钨连接层与所述源极金属电极层的底部接触，所述氮化钛阻挡层与所述金属钨连接层的侧面端接触，所述金属钛粘结层与所述氮化钛阻挡层的侧面端接触，所述金属钛粘结层在所述接触孔8的侧面端与所述n-外延层2形成肖特基接触。

所述欧姆接触层12位于所述接触孔8的侧壁处，所述金属钛粘结层与第二导电类型源极区层4形成n+源极欧姆接触；所述金属钛粘结层与p+接触区形成p型阱的欧姆接触。

所述接触孔底部氧化层9与所述n-外延层2连接，所述接触孔底部多晶层10底部与所述接触孔底部氧化层9连接，而顶部与源极金属电极层的底端接触，最终形成tmbs结构。

所述接触孔底部多晶层10为n型重掺杂的多晶硅。

本发明实施例还提供一种复合型沟槽mos器件的制造方法，如图1-11所示，具体实施步骤：

在第一导电类型的n型高掺杂浓度的n+单晶硅衬底1上，生长第一导电类型的n型低掺杂浓度的n-外延层2；

在n-外延层2表面上生长第一介质层后，对所述第一介质层进行光刻，定义出mos管单胞阵列的沟槽区图形；

通过干法刻蚀，去除未被光刻胶保护的第一介质层，曝露出沟槽5区图形对应的n-外延层2，再去除光刻胶后，保留下来的第一介质层作为第一硬掩膜；

以所述第一硬掩膜作为阻挡层，在n-外延层2中的表面形成沟槽5，在所述沟槽5和n-外延层2的表面淀积一层为二氧化硅的第二介质层，形成栅氧化层6；

在所述栅氧化层6上淀积导电多晶硅层7，通过干法刻蚀去掉n-外延层2顶部的导电多晶硅层7以及栅氧化层6；

将p型杂质离子注入到所述n-外延层2内，然后通过快速退火处理，在所述n-外延层2内形成第一导电类型p型阱区层3；

在所述第一导电类型p型阱区层3的上方定义出第二导电类型源极区层4；

在第二导电类型源极区层4的表面淀积第三介质层，该第三介质层为二氧化硅层，或者氮化硅层，或者二氧化硅层和氮化硅层的复合层；

位于所述第二导电类型源极区层4上方的第三介质层形成绝缘介质层，对作为绝缘介质层的第三介质层实施干法刻蚀，穿透所述绝缘介质层和所述第一导电类型p型阱区层3，延伸至所述n-外延层2，形成接触孔8；

在所述接触孔8中淀积一层氧化层和一层多晶硅，通过干法蚀刻形成所述接触孔底部氧化层9和所述接触孔底部多晶层10的tmbs结构；

对接触孔8进行金属填充，先沉积金属钛粘结层，在金属钛粘结层上淀积氮化钛阻挡层，再接着沉积钨金属层以及铝金属层，靠近所述接触孔8侧面端的所述第一导电类型p型阱区层3处设有p+接触区，位于所述接触孔8侧面端的金属钛粘结层和氮化钛阻挡层与第二导电类型源极区层4形成n+源极欧姆接触，位于所述接触孔8的侧壁的金属钛粘结层和氮化钛阻挡层与p+接触区形成p型阱的欧姆接触层12；

在所述欧姆接触层12下方金属钛粘结层与所述n-外延层2侧面接触，在接触孔8侧壁形成肖特基接触，在金属钛粘结层上淀积氮化钛阻挡层，在氮化钛阻挡层上淀积金属钨连接层，金属钛粘结层、氮化钛阻挡层及金属钨连接层形成肖特基接触层11；

在所述欧姆接触层12和肖特基接触层11的侧面淀积钨金属形成接触金属层；而在所述接触金属层的下方形成由所述接触孔底部氧化层9和所述接触孔底部多晶层组成的tmbs结构。

在所述绝缘介质层的上表面淀积的金属，形成源极金属区层，所述接触孔8通过接触金属层与所述源极金属区层连接，形成源极金属电极；

对金属区层实施光刻，用光刻胶保护mos管单胞阵列区的源极金属电极区域和mos管单胞阵列区外围的栅极金属电极区域，即定义源极金属电极区域和栅极金属电极区域图形；

采用干法刻蚀方法，选择性去除未被光刻胶保护的金属区层，曝露出作为绝缘介质层的第三介质层，去除光刻胶后，留下的位于单胞阵列区域的金属区层形成mos管源极金属电极，同时也是肖特基二极管的阳极金属电极，留下的位于单胞阵列区域外围的金属区层形成mos管栅极金属电极；

在n+单晶硅衬底1的底面沉积金属层，形成漏极区，该金属层形成mos管漏极金属电极，同时也是肖特基二极管的阴极金属电极。

所述多晶硅层7的掺杂类型为n型掺杂或者p型掺杂。

所述在绝缘介质层的上表面淀积金属，形成金属区层，具体为：在绝缘介质层的上表面淀积金属钨，金属钨填满接触孔8，然后采用干法刻蚀方法，选择性去除金属钨，使作为绝缘介质层的第三介质层曝露出来，接触孔8中依然填满钨，然后再淀积铝层，或者掺杂有铜的铝层，或者掺杂有铜和硅的铝层。

所述在绝缘介质层的上表面淀积金属，形成金属区层，具体步骤为：在绝缘介质层的上表面淀积铝层，或者掺杂有铜的铝层，或者掺杂有铜和硅的铝层，并填满接触孔8。

所述接触孔底部氧化层9与所述接触孔8底部多晶硅层7接触，所述多晶硅层7顶端与所述接触金属层底部接触，所述接触金属层与所述源极金属区层接触。

最后采用干法刻蚀方法，选择性去除未被光刻胶保护的金属区层，，形成mos管源区金属电极层14，同时也是肖特基二极管的阳极金属电极，留下的位于单胞阵列区域外围的金属区层形成mos管栅极金属电极；在n+单晶硅衬底的底面沉积金属层，形成漏极区，该金属层形成mos管背面漏区金属电极层15，同时也是肖特基二极管的阴极金属电极。

本发明原理是：n型沟槽mofet器件的硅片由n型高掺杂浓度的n+单晶硅衬底1上生长n型低掺杂浓度的n-外延层2构成，mosfet漏极位于硅片底面高掺杂部分，源极位于硅片表面较低掺杂的外延层部分，栅极则由垂直于硅片表面的沟槽5构成，沟槽mosfet芯片所能承受的最大反向偏置电压由外延层的厚度和掺杂浓度决定，而导通电流的大小则由导电沟道的宽度，即沟槽的总边长决定，在接触孔8侧壁的肖特基接触势垒由肖特基金属和n-外延层2来决定，在接触孔8底部的tmbs结构由接触孔底部氧化层9和多晶硅层7决定，在有限面积下，沟槽周期排列以期获得最大的有效边长。包含有沟槽、源极的最小重复单元称为单胞，每个单胞即为一个完整的mosfet器件。这些单胞并联在一起，构成mosfet芯片。

本发明在每个沟槽mosfet单胞中的接触孔侧壁集成肖特基二极管结构，具有这种结构的沟槽mosfet在功率应用中可以有效降低开关损耗和抑制尖峰电压和尖峰电流。同时在接触孔的底部形成tmbs结构达到平衡器件体内电场的目的，能有效提升器件的击穿特性，提高器件击穿电压。而且，本发明工艺步骤简单，能大批量投入生产，降低成本，增加市场竞争力，使得本发明具有突出的实质性特点和显著的进步。

本发明将肖特基二极管结构和tmbs结构集成在源极接触孔内部，制造的mos器件能有效地节约硅表面面积，与传统方式相比，降低了芯片成本低，单胞集成度高。

总之，本发明中的沟槽mos器件，可以用低成本、工艺步骤简单的方式实现，并且可以获得高性能和高可靠型的沟槽mosfet器件，达到节能减排的目的。

本发明还有其他供选择的实施例，这里就不再做详细说明。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。