[发明专利]沟槽填充式超级结功率器件及工艺方法

说明书

本发明公开了一种沟槽填充式超级结功率器件的工艺方法，其漂移区采用沟槽工艺来形成，与沟槽外围的外延层形成超级结结构，沟槽型漂移区剖面结构为倒梯形结构，其上端横向宽度大于下端的横向宽度，使浅表层的漂移区具有尽可能大的杂质浓度，在超级结结构中更有利于浅表层漂移区的全耗尽，能降低导通电阻。本发明还公开了所述功率器件的工艺方法，采用现有的沟槽刻蚀及填充工艺，降低了工艺难度，实现器件更好的性能。

技术领域

本发明涉及半导体器件设计及制造领域，具体是指一种沟槽填充式超级结功率器件。

本发明还涉及上述器件的制造工艺方法。

背景技术

超级结功率器件是一种发展迅速、应用广泛的新型功率半导体器件。它是在双扩散金属氧化物半导体(DMOS)的基础上，通过引入超级结(Super Junction)结构，除了具备DMOS输入阻抗高、开关速度快、工作频率高、热稳定好、驱动电路简单、易于集成等特点外，还克服了DMOS的导通电阻随着击穿电压成2.5次方关系增加的缺点。目前超级结DMOS已广泛应用于面向个人电脑、笔记本电脑、上网本、手机、照明(高压气体放电灯)产品以及电视机(液晶或等离子电视机)和游戏机等消费电子产品的电源或适配器。

超级结器件采用新的耐压层结构，即利用一系列的交替排列的P型和N型半导体薄层来在截止状态下、在较低电压下就将由P型和N型半导体薄层(柱状区域Pillar)组成的P型、N型区耗尽,实现电荷相互补偿。超级结器件结合业内熟知的VDMOS工艺，就可以制作得到超级结结构的MOSFET，它能在反向击穿电压与传统的VDMOS—致的情况下，通过使用低电阻率的外延层，使器件的导通电阻大幅降低。该薄层中P型杂质的载流子分布和N型杂质的载流子分布以及它们的匹配会影响器件的特性包括其反向击穿电压和电流处理能力。一般器件设计中都采用使交替的P/N薄层即P型薄层和N型薄层中达到最佳的电荷平衡以得到器件的最大的反向击穿电压。因此，超级结器件是一种利用PN电荷平衡的体内Resurf技术来提升器件反向击穿电压BV的同时又保持较小的导通电阻的MOSFET结构。Resurf原理是利用器件中电场分布的二维效应，当垂直方向的P衬底/N外延结附近电场尚未达到临界电场时，由于其和横向N外延/P阱结的作用，即利用横向结和纵向结的相互作用使外延层在横向结达到临界雪崩击穿电场之前就完全耗尽，通过合理优化器件参数让器件的击穿发生在纵向结，从而起到降低表面电场的作用。

超级结器件的超级结形成工艺主要有两种：一种是外延工艺，利用多次外延和注入的方式在N型外延衬底上形成P柱(P-Pillar)；另外一种是沟槽填充式，其是先在低阻衬底上生长均匀掺杂的漂移区层，然后刻蚀出多条的平行沟槽，然后在平行沟槽中填充P型外延材质而成，形成交替重复排列的P、N、P、N的结构。

沟槽填充式的超级结制作工艺相比较多次外延加多次离子注入的工艺，是非常高效、低成本的制作方法。

沟槽刻蚀工艺的特点以及沟槽填充的需要决定了沟槽的形貌是开口大、底部小的倒梯形形状，这样更加有利于沟槽的填充。

而倒梯形的P柱形貌决定了越往器件表面，漂移区和P柱就越难以耗尽。但在超级结结构的DMOS器件中，漂移区和P柱本是横向突变结，从底部到表面的漂移区与P柱横向电势差逐渐减小。在漂移区均匀掺杂的情况下，希望表面的P柱横向宽度小于底部的P柱横向宽度，这样最有利于漂移区和P柱的全耗尽，并实现漂移区掺杂浓度的最大化。但倒梯形的P柱形貌期望与沟槽填充的要求正好相反，这对提高超级结性能不利。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种沟槽填充式超级结功率器件，形成具有理想效果的超级结结构。

本发明所要解决的另一技术问题在于提供所述沟槽填充式超级结功率器件的工艺方法。

为解决上述问题，本发明所述的沟槽填充式超级结功率器件的工艺方法，包含如下的工艺步骤：