[发明专利]超级结MOSFET的元胞结构

说明书

技术领域

本发明涉及半导体器件设计领域，特别是指一种超级结MOSFET的元胞结构。

背景技术

传统的超级结结构应用于N型纵向功率MOS器件，即N型COOLMOS结构，如图1所示，其是在重掺杂的N型硅衬底101上具有水平分布的两轻掺杂P型区102，两轻掺杂的P型区102之间具有一轻掺杂N型外延漂移区103，上部左右分别具有重掺杂的P型阱区104和位于P型阱区104中的重掺杂N型区105（源漏区），中间的沟道区上方淀积多晶硅栅极。该结构导通过程中只有多数载流子——电子，而没有少数载流子的参与，因此，其开关损耗与传统的功率MOSFET相同，而且其电压支持层的杂质掺杂浓度可以提高将近一个数量级；此外，由于垂直方向上插入P型区102，可以补偿过量的电流导通电荷。在漂移层加反向偏置电压，将产生一个横向电场，使PN结耗尽。当电压达到一定值时，漂移层完全耗尽，将起到电压支持层的作用。由于掺杂浓度的大幅提高，在相同的击穿电压下，导通电阻Ron可以大大降低，甚至突破硅限。此结构缩小P型区102的间距以及提高P型区102和N-型外延漂移区103的浓度，有利于增加器件整体的电流密度，以及进一步降低导通电阻Ron。但图1所示的传统超结结构由于采用平面栅，两侧P+阱区104之间存在JFET夹断效应，不利于器件的元胞阵列间距（Pitch）的缩小。所以采用沟槽栅是超结发展的必然趋势，如图2所示，在两P型半导体绝缘柱区203之间具有一沟槽204，栅极205淀积在沟槽204内，沟槽204左右两侧与P型半导体绝缘柱区203之间为阱区206，及位于阱区中的重掺杂N型区207。采用沟槽栅在解决了沟道夹断问题、提高Rdson的同时，又引入了新的问题：

沟槽栅增加了栅极205与N-外延漂移区202的耦合面积，从而增加了寄生电容，这对于器件的动态开关性能是不利的。如果为了减小寄生电容，而刻意降低沟槽栅204的深度或增加P+阱区206的驱入深度，在大电压工作时容易造成相邻P+阱区206之间的夹断，导致器件无法正常工作。

另外，由于P-半导体绝缘柱区203和N-外延漂移区202的浓度的提高，势必导致纵向电场承受的相对变小。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种超级结MOSFET的元胞结构，其具有电流密度高，反向恢复性好的特点。

为解决上述问题，本发明一种超级结MOSFET的元胞结构，其结构包括：

衬底重掺杂区。

位于衬底重掺杂区之上的第一外延漂移区和上层的第二外延漂移区。

位于第二外延漂移区中水平排布的两半绝缘柱区。

在所述半绝缘柱区之间具有一栅极沟槽。

所述沟槽内底部是浮空栅，浮空栅上为栅极导电多晶硅，所述沟槽内壁与浮空栅以及栅极导电多晶硅之间均有栅氧化膜隔离。

在所述栅极沟槽左右两侧与半绝缘柱区之间的区域形成两阱区，阱区上部为源区。

一接触孔将源区和阱区连通引出连接电位。

进一步地，所述半绝缘柱区是单一材料，或者是半导体绝缘材料和绝缘材料的复合结构。

进一步地，当半绝缘柱区是半导体绝缘材料和绝缘材料的复合结构时，半导体绝缘材料位于靠外延漂移区一侧。

进一步地，所述浮空栅可以由多晶硅或金属材质形成。

进一步地，所述接触孔可以穿透源区直接与阱区接触，使阱区和源区共用一接触孔；也可以是停止在源区，通过额外的P型孔注入，形成与阱区的接触。

进一步地，所述第一外延漂移区的体浓度比第二外延漂移区高。

本发明超级结MOSFET的元胞结构，通过浮空栅解决了沟道夹断的问题，同时减小了栅漏之间的寄生耦合电容，第一外延漂移区和第二外延漂移区的结构使器件的纵向电场得到增强。

附图说明

图1是传统N型CoolMOS器件；

图2是传统的沟槽型超级结MOSFET器件；

图3是本发明超级结MOSFET的元胞结构；

图4是单层外延漂移区与双层外延漂移区的电场分布图。

附图标记说明

101是重掺杂N型衬底        102是轻掺杂P型区

103是轻掺杂N型区          104是重掺杂P阱

105是重掺杂N型区          106是多晶硅栅极

201是重掺杂N型硅衬底

202是轻掺杂N型外延漂移区

203是P型半导体绝缘柱区