[发明专利]电荷平衡器件的结构及其制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及垂直半导体功率器件，特别的，本发明涉及使用改善工艺的单层薄外延层，以简单的独立于目标击穿电压的制造工艺灵活的制造具有超级结点结构的规格可变的电荷平衡垂直半导体功率器件及其制造方法。 

背景技术

传统的制造技术及器件结构希望通过降低电阻以提高击穿电压，但仍面临着许多制造上的困难。由于传统的高功率器件在制造时需要花费很多的时间、制程复杂、且制造成本昂贵，因此高电压半导体功率器件的实际和实质应用受到限制。就如同下面所要说明的，某些制造高电压功率器件的制程十分复杂，而且生产力低(low throughput)、产量低(low yields)。另外，半导体功率器件在被制造时，使用经过预处理后的在其上形成有外延层的晶圆(preprocessed wafer)，以替代裸晶圆(raw semiconductor wafer)。半导体功率器件的制造成本因此而上升。并且，半导体功率器件的功能与性能受形成外延层的制程因素支配。基于以上理由，此预处理后的晶圆(preprocessed wafer)的应用，进一步限制了功率器件的可制造性及生产的便利性，功率器件现在取决于用于制造半导体功率器件的原始预处理晶圆。 

和现有技术相比，超级结点技术(super-junction technologies)的优点在于无须过度地增加导通电阻(Rdson resistance)的情况下，可实现高击穿电压(breakdown voltage，BV)。对于标准的功率晶体管单元(cells)来说，击穿电压主要设置在低掺杂漂移层(low-doped drift layer)。因此，漂移层使用较大的厚度，并且相对较低的掺杂率，以实现高电压率。然而，此也有大幅增加导通电阻(Rdson resistance)的影响。传统的功率器件，导通电阻具有一个大约如下的公式： 

Rdson∝BV^2.5

相比之下，具有超级结点(super-junction)结构的器件具有电荷平衡漂移 区域。导通电阻(Rdson resistance)与击穿电压之间有一个更有利的公式，这个公式可表示为： 

Rdson∝BV 

对高电压应用来讲，最好可以通过设计和制造具有超级结点结构的半导体功率器件来改善器件性能以降低导通电阻，并实现高击穿电压。与漂移区域内的沟道区域紧邻，形成具有相反的导电类型的区域。由于漂移区域可能为高掺杂，因此紧邻沟道的区域亦需要为导电类型相反的类似的高掺杂。在关断状态(off state)时，漂移区域与沟道区域电荷平衡，因此漂移区域处于耗尽(depleted)状态以支持高电压。此称为超级结点效应。在开启状态(on state)时，因为较高掺杂浓度的关系，漂移区域具有较低的导通电阻。 

然而，当用于制造功率器件时，传统的超级结点技术仍有技术上的限制以及困难。明确地来说，在某些传统的结构中，多外延层(multiple epitaxiallayers)及/或多埋藏层(buried layers)是必须具备的。根据前述制造工艺，在许多器件结构中，多次的回蚀刻(etch back)及化学机械研磨(chemical mechanicalpolishing，CMP)工艺都是必须的。再者，这些制造过程所需要的设备，与标准的晶圆代工制程设备并不兼容。举例来说，许多标准的高体积半导体晶圆代工公司(high-volume semiconductor foundries)，其有针对氧化层的化学机械研磨(chemical mechanical polishing，CMP)设备，但是并没有针对硅晶圆的化学机械研磨设备，但是硅晶圆的化学机械研磨设备却是某些超级结点方案所必须具备的。另外，这些设备的结构都很特别，且制程上并无助于低电压到高电压的应用。换言之，某些方案，将会太浪费及/或太冗长(lengthy)而不能应用于高电压率。如以下将会进一步检视和讨论，这些传统功率器件有不同结构特征及不同的制造方法，每一种传统功率器件在制作上都有其受限的地方及困难之处，以至于防碍现在市场上需要的这些器件在实际上的应用。