[发明专利]带有沟槽-氧化物-纳米管超级结的器件结构及制备方法

说明书

技术领域

本发明主要涉及半导体功率器件，更确切地说，本发明涉及带有沟槽侧壁的沟槽纳米管的结构和制备方法，其中用掺杂的外延层覆盖沟槽侧壁，然后用绝缘材料填充沟槽侧壁，以便用简化的制备工艺灵活地制备可测量的电荷平衡的半导体功率器件，同时获得高击穿电压以及很低的电阻。

背景技术

尽管关于带有垂直超级结结构的半导体器件，为了改善其电学特性，已有许多专利信息以及公开的技术文件，但是在超级结半导体器件的设计和制备的相关领域，仍然存在许多技术难题与制备局限。更确切地说，最常见的超级结器件包含金属氧化物半导体场效应管(MOSFET)和绝缘栅双极晶体管，关于这些器件，已有许多已公开的专利信息，包含美国专利5,438,215、5,216,275、4,754,310、6,828,631。藤平(Fujihira)在《半导体超级结器件理论》(日本应用物理快报，36卷，1997年10月，6254-6262页)一书中，提出了垂直超级结器件的结构。更确切地说，藤平发表的论文中的图2表示了一种垂直沟槽MOSFET超级结器件，在此引用为图1(1A)。藤平还在美国专利6,097,063中提出了一种具有漂流区的垂直半导体器件，当器件处于闭合模式时，漂流区中有漂流电流流过，当器件处于断开模式时，漂流区中的漂流电流耗尽。所形成的漂流区结构是具有多个第一导电类型的分立的漂流区，以及多个第二导电类型的分隔区，其中每个分隔区都位于分别相邻的漂流区中，并联形成p-n结。美国专利6,608,350提出了一种垂直超级结器件，带有介质材料层填充在沟槽中，美国专利5,981,996如图2(1B)所示，提出了一种垂直沟槽MISFET器件。

然而，在这些专利技术和公开内容中所述的超级结器件的结构和工作性能中，仍然存在诸多技术局限，从而限制了这些器件在实际应用中的有效性。传统超级结器件的难题与局限包含深沟槽的填充、形成在沟槽中的纳米管的尺寸限制、保持终止区附近的台面区域处电荷平衡、超级结器件的非箝位感应开关(UIS)能力不足、超级结功率器件的振荡问题、由于外延生长速度缓慢造成超级结器件的高制造成本、超级结结构中的N和P杂质在高温下相互扩散、在同一芯片上难以集成不同的器件、以及高压应用时的终止区域很大等相关技术问题。

因此，在功率半导体器件的设计和制备领域中，有必要提出形成功率器件的新颖的器件结构和制备方法，从而解决上述困难与局限。

发明内容

因此，本发明的一个方面是提出一种新型的、改良的器件结构和制备方法，通过在沟槽侧壁和底部，生长一个薄的N型掺杂外延层(例如砷外延层)，没有完全填充或部分填充沟槽，然后在第一外延层上方生长第二外延层，并用非掺杂的介质材料填充剩余的构成缝隙，从而解决用外延层填充深沟槽时，传统的制备方法中经常遇到的问题。第二外延层可以充分填充其余沟槽缝隙的底部，从而可以在缝隙中更加方便地沉积介质材料。

本发明的另一方面在于，提出了一种带有超级结结构的新型的、改良的器件结构和制备方法，利用电荷平衡原理，通过纳米管结构，降低Rds，并且元件间距很小，以获得6微米间距的600V MOSFET，其导通电阻率小于9豪欧/cm²。这就解决了用于高压器件时对于高Rds的限制。

本发明的另一方面在于，提出了一种带有超级结结构的新型的、改良的器件结构和制备方法，该结构利用较大的间距以及狭窄的N-外延层，并利用在每个有源元件叉指末端具有较大半径的单一元件，在有源区域台面结构的末端保持电荷平衡。

本发明的另一方面在于，提出了一种带有超级结结构的新型的、改良的器件结构和制备方法，在一个带有掺杂浓度分级的外延层中制备超级结结构，例如在一个N+衬底上用三个步骤形成P外延层，迫使击穿发生在漂流区较低的部分中，从而改善超级结MOSEFT器件的UIS性能。

本发明的另一方面在于，提出了一种带有超级结结构的新型的、改良的器件结构和制备方法，厚介质区位于栅电极以下，以降低栅-漏电容Crss，从而解决超级结功率器件的振荡问题。

本发明的另一方面在于，提出了一种带有超级结结构的新型的、改良的器件结构和制备方法，通过生长一个薄的单一层N-外延层(0.1-1.0微米的厚度范围)，部分填充沟槽，并用电介质/氧化物填充剩余的深沟槽，从而解决由于深沟槽中外延生长缓慢，而造成的超级结器件的高制造成本问题。此外，轻掺杂的N型外延层可以在N-外延层之后生长，在用电介质/氧化物填充剩余的深沟槽之前，充分填充沟槽，这有利于更加方便地用氧化物填充沟槽。