本發(fā)明涉及一種MOSFET器件及端接結(jié)構(gòu)，尤其涉及一種橫向超級結(jié)MOSFET器件及端接結(jié)構(gòu)。

背景技術(shù)：

眾所周知，引入超級結(jié)結(jié)構(gòu)可以改善半導(dǎo)體器件的電學(xué)性能。例如，金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFET)器件可以引入垂直或水平的超級結(jié)結(jié)構(gòu)，以優(yōu)化晶體管的導(dǎo)通電阻和擊穿電壓性能。作為示例，F(xiàn)ujihira在《半導(dǎo)體超級結(jié)器件理論》(日本應(yīng)用物理雜志1997年10月36卷6254-6262頁)文章中提出了垂直超級結(jié)器件的結(jié)構(gòu)。美國專利號6,097,063也提出了一種具有漂流區(qū)的垂直半導(dǎo)體器件，其中如果器件處于接通模式，則漂移電流流動(dòng)，如果器件處于斷開模式，則漂移電流耗盡。漂流區(qū)結(jié)構(gòu)具有多個(gè)第一導(dǎo)電類型的分立漂流區(qū)結(jié)構(gòu)，以及多個(gè)第二導(dǎo)電類型的間隔區(qū)，每個(gè)間隔區(qū)都分別位于鄰近的漂流區(qū)之間，平行構(gòu)成p-n結(jié)。

在制備超級結(jié)半導(dǎo)體器件的過程中仍然有許多挑戰(zhàn)。這些挑戰(zhàn)包括難以制備超級結(jié)結(jié)構(gòu)，難以提高可制造性，以及使用外延工藝時(shí)的高制造成本等等。另外，超級結(jié)結(jié)構(gòu)的端接對于確保魯棒的器件運(yùn)行來說十分重要。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供了一種橫向超級結(jié)MOSFET器件，包括：

一個(gè)半導(dǎo)體基極層，含有一個(gè)第一導(dǎo)電類型的重?fù)诫s半導(dǎo)體襯底，以及一個(gè)第一導(dǎo)電類型的輕摻雜半導(dǎo)體層形成在襯底上，襯底構(gòu)成MOSFET器件的底部源極電極；

一個(gè)半導(dǎo)體本體，形成在半導(dǎo)體基極層上，且包含一個(gè)橫向超級結(jié)結(jié)構(gòu)，橫向超級結(jié)結(jié)構(gòu)含有多個(gè)交替的N-型和P-型薄半導(dǎo)體區(qū)，與半導(dǎo)體本體的主表面基本平行，交替的N-型和P-型薄半導(dǎo)體區(qū)構(gòu)成MOSFET器件的漏極漂流區(qū)；

一個(gè)第一導(dǎo)電類型的本體區(qū)，形成在半導(dǎo)體本體的第一表面上，第一表面與半導(dǎo)體基極層相反；

一個(gè)導(dǎo)電柵極，形成在橫向超級結(jié)結(jié)構(gòu)近端處的半導(dǎo)體本體上，并且通過一柵極電介質(zhì)層與半導(dǎo)體本體絕緣；

一個(gè)與第一導(dǎo)電類型相反的第二導(dǎo)電類型的源極區(qū)，形成在本體區(qū)中，與導(dǎo)電柵極的第一端自對準(zhǔn)，源極區(qū)在導(dǎo)電柵極第一端的下方延伸，形成很小的重疊；

一個(gè)第一導(dǎo)電類型的本體接觸區(qū)，形成在本體區(qū)中，并鄰近源極區(qū)；

一個(gè)第二導(dǎo)電類型的漏極區(qū)，形成在橫向超級結(jié)結(jié)構(gòu)的遠(yuǎn)端，漏極區(qū)貫穿橫向超級結(jié)結(jié)構(gòu)；

一個(gè)第二導(dǎo)電類型的第一立柱，形成在導(dǎo)電柵極下方，且與源極區(qū)有一定距離，在源極區(qū)和第一立柱之間的導(dǎo)電柵極下方的半導(dǎo)體本體區(qū)域，構(gòu)成MOSFET器件的一個(gè)通道，第一立柱貫穿橫向超級結(jié)結(jié)構(gòu)，并且電無偏；以及

一個(gè)形成在本體接觸區(qū)下方并與本體接觸區(qū)電接觸的第一導(dǎo)電類型的第二立柱，第二立柱貫穿橫向超級結(jié)結(jié)構(gòu)；

其中第一立柱將電流從導(dǎo)通狀態(tài)下的MOSFET器件的通道，分發(fā)至橫向超級結(jié)結(jié)構(gòu)形成的漏極漂流區(qū)，并被漏極區(qū)收集起來，在MOSFET器件的斷開狀態(tài)下，第二立柱夾斷第一立柱，使導(dǎo)電柵極與漏極區(qū)的漏極電壓隔離。

優(yōu)選的，上述的橫向超級結(jié)MOSFET器件，還包括：

一個(gè)第二導(dǎo)電類型的掩埋區(qū)，形成在半導(dǎo)體基極層上且位于漏極區(qū)下方。

優(yōu)選的，上述的橫向超級結(jié)MOSFET器件，導(dǎo)電柵極包括一個(gè)低壓柵極，低壓柵極承受的電壓遠(yuǎn)小于漏極區(qū)承受的漏極電壓。

優(yōu)選的，上述的橫向超級結(jié)MOSFET器件，橫向超級結(jié)結(jié)構(gòu)中第二導(dǎo)電類型的薄半導(dǎo)體區(qū)構(gòu)成漏極電流通路，將MOSFET器件導(dǎo)通狀態(tài)下的漏極漂流電流從通道傳輸至漏極區(qū)；在MOSFET器件斷開狀態(tài)下，第二導(dǎo)電類型的薄半導(dǎo)體區(qū)構(gòu)成電荷平衡區(qū)，以閉鎖漏極電流通路。

優(yōu)選的，上述的橫向超級結(jié)MOSFET器件，第二導(dǎo)電類型的薄半導(dǎo)體區(qū)形成在第二立柱周圍。

優(yōu)選的，上述的橫向超級結(jié)MOSFET器件，布置導(dǎo)電柵極、源極區(qū)和第一立柱，使MOSFET器件通道中柵極下方的電流平行于漏極漂流區(qū)流動(dòng)。

優(yōu)選的，上述的橫向超級結(jié)MOSFET器件，第二立柱由多個(gè)第一導(dǎo)電類型的閉鎖立柱構(gòu)成，這些閉鎖立柱沿本體接觸區(qū)分開形成，在垂直于漏極漂流區(qū)的方向上延伸，每個(gè)閉鎖立柱都貫穿橫向超級結(jié)結(jié)構(gòu)。

優(yōu)選的，上述的橫向超級結(jié)MOSFET器件，布置導(dǎo)電柵極、源極區(qū)和第一立柱，使MOSFET器件通道中柵極下方的電流平行于漏極漂流區(qū)流動(dòng)。

優(yōu)選的，上述的橫向超級結(jié)MOSFET器件，第二立柱由多個(gè)第一導(dǎo)電類型的閉鎖立柱構(gòu)成，這些閉鎖立柱在導(dǎo)電柵極的任意一側(cè)分開形成，在垂直于漏極漂流區(qū)的方向上與導(dǎo)電柵極對準(zhǔn)。

優(yōu)選的，上述的橫向超級結(jié)MOSFET器件，每個(gè)漏極區(qū)、源極區(qū)和本體接觸區(qū)都含有一個(gè)形成在半導(dǎo)體本體中的摻雜區(qū)梳，摻雜區(qū)梳在其一端具有一個(gè)端接區(qū)，橫向超級結(jié)MOSFET器件還包括一個(gè)端接結(jié)構(gòu)，形成在每個(gè)摻雜區(qū)梳的端接區(qū)中，端接結(jié)構(gòu)含有一個(gè)或多個(gè)導(dǎo)電類型與摻雜區(qū)梳相同的端接立柱，位于摻雜區(qū)梳一端附近，一個(gè)或多個(gè)端接立柱貫穿橫向超級結(jié)結(jié)構(gòu)延伸，并且電無偏。

優(yōu)選的，上述的橫向超級結(jié)MOSFET器件，一個(gè)或多個(gè)端接立柱構(gòu)成端接立柱的一維陣列，在遠(yuǎn)離摻雜區(qū)梳末端的方向上延伸。

優(yōu)選的，上述的橫向超級結(jié)MOSFET器件，一個(gè)或多個(gè)端接立柱構(gòu)成一個(gè)端接立柱的二維陣列，位于摻雜區(qū)梳的末端，且具有一選定圖案以優(yōu)化MOSFET器件的擊穿特性。

優(yōu)選的，上述的橫向超級結(jié)MOSFET器件，端接結(jié)構(gòu)還包括一個(gè)導(dǎo)電場板，形成在半導(dǎo)體本體上，且包圍著端接立柱。

優(yōu)選的，上述的橫向超級結(jié)MOSFET器件，導(dǎo)電場板由一個(gè)多階場板構(gòu)成，多階場板含有一個(gè)導(dǎo)電場板作為第一階和后續(xù)階中的電介質(zhì)場板。

優(yōu)選的，上述的橫向超級結(jié)MOSFET器件，導(dǎo)電場板由一個(gè)多晶硅場板構(gòu)成。

優(yōu)選的，上述的橫向超級結(jié)MOSFET器件，端接結(jié)構(gòu)還包括一個(gè)降低表面場淺注入?yún)^(qū)，其導(dǎo)電類型與摻雜區(qū)梳相同，且位于摻雜區(qū)梳的末端附近，降低表面場淺注入?yún)^(qū)具有一選定形狀，以優(yōu)化MOSFET器件的場整型效應(yīng)。

優(yōu)選的，上述的橫向超級結(jié)MOSFET器件，降低表面場淺注入?yún)^(qū)具有一三角形狀或矩形狀。

優(yōu)選的，上述的橫向超級結(jié)MOSFET器件，第一導(dǎo)電類型包括P-型導(dǎo)電類型，第二導(dǎo)電類型包括N-型導(dǎo)電類型。

優(yōu)選的，上述的橫向超級結(jié)MOSFET器件，源極區(qū)、漏極區(qū)以及本體接觸區(qū)包括各自導(dǎo)電類型的重?fù)诫s區(qū)。

優(yōu)選的，上述的橫向超級結(jié)MOSFET器件，第一立柱和第二立柱由形成在半導(dǎo)體本體中的垂直摻雜區(qū)構(gòu)成。

附圖說明

以下的詳細(xì)說明及附圖提出了本發(fā)明的各個(gè)實(shí)施例。

圖1表示依據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，一種橫向MOSFET器件的剖面圖；

圖2表示依據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，圖1所示的橫向MOSFET器件沿線A-A’的剖面圖；

圖3表示依據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，圖1所示的橫向MOSFET器件沿線B-B’的剖面圖；

圖4表示在本發(fā)明的可選實(shí)施例中，橫向超級結(jié)MOSFET器件的透視圖；

圖5表示在本發(fā)明的實(shí)施例中，圖4所示橫向超級結(jié)MOSFET器件沿線C-C’的剖面圖；

圖6表示在本發(fā)明的實(shí)施例中，圖2所示橫向MOSFET器件的制備工藝步驟的流程圖；

圖7表示在本發(fā)明的實(shí)施例中，圖6所示的橫向超級結(jié)MOSFET引入端接立柱結(jié)構(gòu)后的俯視圖；

圖8和圖9表示端接立柱結(jié)構(gòu)的可選實(shí)施例，適用于N+摻雜區(qū)，例如高壓MOSFET器件中的漏極梳或本體梳；

圖10表示在本發(fā)明的實(shí)施例中，圖7所示的MOSFET器件80中的端接立柱結(jié)構(gòu)沿線D-D’的剖面圖；

圖11表示在本發(fā)明的實(shí)施例中，引入帶有降低表面電場表面注入物的圖7所示的橫向超級結(jié)MOSFET器件的俯視圖；

圖12A至12J表示在本發(fā)明的實(shí)施例中，利用離子注入制備方法制備橫向超級結(jié)結(jié)構(gòu)的制備工藝的剖面圖；

圖13A和13B表示在本發(fā)明的實(shí)施例中，退火之前和之后，本發(fā)明的橫向超級結(jié)結(jié)構(gòu)制備方法中的摻雜結(jié)構(gòu)。

其中，10為橫向超級結(jié)MOSFET器件，11為P+襯底，12為P-型外延層，13為P-型半導(dǎo)體基極層，14為柵極，15為柵極電介質(zhì)層，16為源極，18為P+本體接觸區(qū)，19為P-本體區(qū)(P-body)，20為N-型立柱，22、22a、22b均為P-型立柱，24為N-型掩埋層(NBL)，25為半導(dǎo)體本體，25a為P-型薄半導(dǎo)體區(qū)，25b為N-型薄半導(dǎo)體區(qū)，26為N+漏極區(qū)，28為多晶硅填充溝槽，30為絕緣電介質(zhì)層，32為金屬電極，34為漏極電極，50為橫向超級結(jié)MOSFET器件，51為P+襯底，52為輕摻雜P-型外延層，53為P-型半導(dǎo)體基極層，54為柵極結(jié)構(gòu)，55為柵極電介質(zhì)層，56為N+源極，58為P+本體接觸區(qū)，59為P-本體區(qū)，60為N+立柱，62、62a均為P-型立柱，64為N-型掩埋層，65為橫向超級結(jié)結(jié)構(gòu)，65a為N-型超級結(jié)層，65b為P-型超級結(jié)層，66為N+漏極區(qū)，70為絕緣電介質(zhì)層，72為金屬電極，80為高壓MOSFET器件，82為源極/本體墊，84為柵極墊，86為漏極墊，88為連接通孔，90、92為端接區(qū)，100為MOSFET集成電路，102為N-型端接立柱，104為P-型端接立柱，110、120均為端接結(jié)構(gòu)，160為場板結(jié)構(gòu)；170為絕緣電介質(zhì)層，180為端接立柱結(jié)構(gòu)，190為P-型RESURF表面注入?yún)^(qū)，195為N-型RESURF表面注入?yún)^(qū)，201為P+襯底，202為P-型外延層，204為覆蓋P層，205為半導(dǎo)體基極層，206為P-掩埋層，208為N-掩埋層，210為基極外延層，212為N型摻雜物，214為P型摻雜物，220為基極外延層，222為N型摻雜物，224為P型摻雜物，226為P-型掩埋層，228為N-型掩埋層，240為第三基極外延層，242為N型摻雜物，244為P型摻雜物，250為蓋帽外延層，260為N-型立柱，270為P-型立柱，280為橫向超級結(jié)結(jié)構(gòu)，280A為P-型超級結(jié)層，280B為N-型超級結(jié)層，302為外延摻雜水平用曲線，304為N-型摻雜物曲線，306為P-型摻雜物曲線，310為交替N和P層曲線。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明可以以各種方式實(shí)現(xiàn)，包括作為一個(gè)工藝，一種裝置，一個(gè)系統(tǒng)，和/或一種物質(zhì)合成物。在本說明書中，這些實(shí)現(xiàn)方式或本發(fā)明可能采用的任意一種其他方式，都可以稱為技術(shù)。一般來說，可以在本發(fā)明的范圍內(nèi)變換所述工藝步驟的順序。

本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例的詳細(xì)說明以及附圖解釋了本發(fā)明的原理。雖然，本發(fā)明與這些實(shí)施例一起提出，但是本發(fā)明的范圍并不局限于任何實(shí)施例。本發(fā)明的范圍僅由權(quán)利要求書限定，本發(fā)明包含多種可選方案、修正以及等效方案。在以下說明中，所提出的各種具體細(xì)節(jié)用于全面理解本發(fā)明。這些細(xì)節(jié)用于解釋說明，無需這些詳細(xì)細(xì)節(jié)中的部分細(xì)節(jié)或全部細(xì)節(jié)，依據(jù)權(quán)利要求書，就可以實(shí)現(xiàn)本發(fā)明。為了條理清晰，本發(fā)明對相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域中眾所周知的技術(shù)材料并沒有詳細(xì)說明，以免對本發(fā)明產(chǎn)生不必要的混淆。

依據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，橫向超級結(jié)MOSFET器件包括一個(gè)MOS柵極結(jié)構(gòu)、一個(gè)連接到橫向超級結(jié)結(jié)構(gòu)的N-型立柱以及一個(gè)沉積在N-型立柱周圍的P-型立柱。MOS柵極結(jié)構(gòu)可以是低壓柵極結(jié)構(gòu)，例如平面柵極，用于承受MOSFET器件承載的一部分電壓。橫向超級結(jié)MOSFET結(jié)構(gòu)包括N-型立柱，當(dāng)MOSFET器件開啟時(shí)，接收來自通道的電流，并將通道電流輸送至橫向超級結(jié)結(jié)構(gòu)中的N-型層。通道電流流經(jīng)N-型超級結(jié)層，并被橫向超級結(jié)結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)端的漏極端收集。沉積在N-型立柱附近的P-型立柱用于當(dāng)MOSFET器件斷開時(shí)，夾斷N-型立柱，并阻斷漏極端MOSFET器件承載的高壓接觸MOS柵極。P-型立柱可以連接到MOSFET器件的源極/本體電壓。

在本說明書中，超級結(jié)結(jié)構(gòu)是指含有第一導(dǎo)電類型的薄半導(dǎo)體區(qū)的半導(dǎo)體器件結(jié)構(gòu)，用作半導(dǎo)體器件的導(dǎo)電通道，并被相反的(第二)導(dǎo)電類型的薄半導(dǎo)體區(qū)毗鄰或夾住，以形成平衡的空間電荷區(qū)，以提高半導(dǎo)體器件的擊穿電壓性能。在某些應(yīng)用中，超級結(jié)結(jié)構(gòu)包括水平或垂直形成在交替導(dǎo)電類型的多個(gè)薄半導(dǎo)體區(qū)。也就是說，超級結(jié)結(jié)構(gòu)包括水平或垂直形成的交替的薄N-型半導(dǎo)體區(qū)和薄P-型半導(dǎo)體區(qū)。交替N和P導(dǎo)電類型的多個(gè)薄半導(dǎo)體區(qū)有時(shí)也稱為超級結(jié)層。在本說明書中，橫向超級結(jié)結(jié)構(gòu)包括在半導(dǎo)體芯片中接近水平延伸的超級結(jié)層，即與半導(dǎo)體芯片的主表面基本平行。因此，橫向超級結(jié)結(jié)構(gòu)中的電流水平流動(dòng)，穿過超級結(jié)層，或者與半導(dǎo)體芯片的主表面平行。另一方面，垂直超級結(jié)結(jié)構(gòu)包括在半導(dǎo)體芯片中接近垂直延伸的超級結(jié)層，也就是說與半導(dǎo)體芯片的主表面基本垂直。因此，垂直超級結(jié)結(jié)構(gòu)中的電流垂直流動(dòng)，穿過超級結(jié)層，或者與半導(dǎo)體芯片垂直。

橫向超級結(jié)MOSFET器件的顯著特征是表面柵極或平面柵極沒有延長橫向超級結(jié)結(jié)構(gòu)的整個(gè)深度。傳統(tǒng)的超級結(jié)MOSFET或JFET器件是利用延長超級結(jié)結(jié)構(gòu)的整個(gè)深度的溝槽柵極制備的。這些傳統(tǒng)的超級結(jié)MOSFET或JFET器件可以承受限制晶體管器件切換速度的高柵極電容。在本發(fā)明的實(shí)施例中，橫向超級結(jié)MOSFET器件是利用表面平面柵極制成的，以實(shí)現(xiàn)很小的柵極電容，確保較快的晶體管切換速度。

本發(fā)明所述的橫向超級結(jié)MOSFET器件的運(yùn)行情況如下所述。當(dāng)MOSFET接通時(shí)，通道形成在低壓MOS柵極下方的本體區(qū)中，通道電流從源極流出穿過通道。通道電流進(jìn)入N-型立柱，N-型立柱將電流輸送至N-型超級結(jié)層中，作為漏極漂流電流。漏極漂流電流流經(jīng)N-型超級結(jié)層，被形成在超級結(jié)結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)端的漏極端收集。因此當(dāng)MOSFET接通時(shí)，N-型立柱電連接到漏極，同時(shí)漏極偏向低漏極電壓。當(dāng)MOSFET斷開時(shí)，漏極端被驅(qū)動(dòng)至大漏極電壓(例如600V)。然而，連接到源極或本體或地電勢的P-立柱中斷了N-型立柱，使得N-型立柱浮動(dòng)，將不被驅(qū)動(dòng)至大漏極偏壓。在這種情況下，當(dāng)晶體管斷開時(shí)，P-立柱使MOS柵極和漏極端承受的高壓隔離，并且可以使用低壓柵極結(jié)構(gòu)。此時(shí)需要低壓MOS柵極結(jié)構(gòu)較低的柵極電容和較快的切換時(shí)間。

依據(jù)本發(fā)明的其他實(shí)施例，橫向超級結(jié)MOSFET器件為使用N或P型端接立柱的橫向超級結(jié)結(jié)構(gòu)，引入邊緣端接結(jié)構(gòu)。在其他實(shí)施例中，用于橫向超級結(jié)結(jié)構(gòu)的邊緣端接結(jié)構(gòu)還為N或P型端接立柱引入單獨(dú)或多級場板。在其他實(shí)施例中，用于橫向超級結(jié)結(jié)構(gòu)的邊緣端接結(jié)構(gòu)還包括降低表面電場淺表面注入物，以降低表面場強(qiáng)度，獲得MOSFET器件的擊穿電壓。

依據(jù)本發(fā)明的其他實(shí)施例，在半導(dǎo)體器件中制備橫向超級結(jié)結(jié)構(gòu)的方法，使用N和P型離子注入到基極外延層中。在一些實(shí)施例中，基極外延層為本征外延層或輕摻雜外延層。在一些實(shí)施例中，該方法還同時(shí)將N和P型離子同時(shí)注入到基極外延層中。連續(xù)重復(fù)進(jìn)行外延和注入工藝，以便在襯底上制備多個(gè)注入的基極外延層。制成所需數(shù)量的注入基極外延層之后，整個(gè)半導(dǎo)體襯底進(jìn)行高溫退火。使用不同擴(kuò)散速率的P型和N型摻雜物，制備含有交替N和P型薄半導(dǎo)體區(qū)的橫向超級結(jié)結(jié)構(gòu)。尤其是通過離子注入工藝和后續(xù)的退火，形成交替的N和P型薄超級結(jié)層。本發(fā)明的制備方法確保了在橫向超級結(jié)結(jié)構(gòu)中，很好地控制電荷。

確切地說，制備橫向超級結(jié)結(jié)構(gòu)傳統(tǒng)方法的特點(diǎn)是，使用交替導(dǎo)電類型的連續(xù)外延層。然而，外延工藝通常在厚度和摻雜濃度上具有很大的不同。因此，使用薄外延層制備的超級結(jié)結(jié)構(gòu)通常具有很差的電荷控制。也就是說，對于薄半導(dǎo)體層來說，無法獲得所需的層厚和摻雜濃度。本發(fā)明所述的制備方法使用摻雜注入到本征或輕摻雜外延層中，并退火，形成超級結(jié)結(jié)構(gòu)。注入工藝與外延工藝相比，可以更好地控制摻雜濃度。當(dāng)本征或輕摻雜外延層用作基極層時(shí)，外延摻雜和/或厚度變化對于超級結(jié)結(jié)構(gòu)的電荷平衡沒有影響。相反，超級結(jié)結(jié)構(gòu)的電荷平衡由制備N-型和P-型層的注入工藝控制，注入工藝可以控制得非常嚴(yán)格。例如，注入工藝通?？梢垣@得2％或更低的摻雜和厚度變化。使用外延工藝是無法實(shí)現(xiàn)對摻雜和厚度變化如此嚴(yán)格的控制的。

橫向超級結(jié)MOSFET器件

在本發(fā)明的實(shí)施例中，橫向超級結(jié)MOSFET器件使用低壓MOS柵極結(jié)構(gòu)。橫向超級結(jié)MOSFET器件包括一個(gè)N-型立柱，連接到橫向超級結(jié)結(jié)構(gòu)，以及一個(gè)P-型立柱，沉積在N-型立柱旁邊。N-型立柱和P-型立柱一起工作，使MOSFET器件可以承受高壓，同時(shí)使低壓MOS柵極結(jié)構(gòu)與所承受的高壓隔離。

圖1表示在本發(fā)明的實(shí)施例中，橫向超級結(jié)MOSFET器件的透視圖。圖2表示在本發(fā)明的實(shí)施例中，圖1所示的橫向超級結(jié)MOSFET器件沿線A-A’的剖面圖。圖3表示在本發(fā)明的實(shí)施例中，圖1所示的橫向超級結(jié)MOSFET器件沿線B-B’的剖面圖。參見圖1-3，橫向超級結(jié)MOSFET器件10形成在重?fù)诫sP-型襯底11(“P+襯底”)上。輕摻雜P-型外延層12形成在P+襯底(P+Sub)11上。P+襯底11和P-型外延層12構(gòu)成P-型半導(dǎo)體基極層13，其中MOSFET器件形成就形成在P-型半導(dǎo)體基極層13上。在本說明書中，P-型半導(dǎo)體基極層13將稱為“P-基極層”。在本實(shí)施例中，N-型掩埋層(NBL)24形成在P-基極層13上。使用輕摻雜P-型外延層12和N-型掩埋層24，具有提高M(jìn)OSFET器件擊穿可持續(xù)性的作用，這將在下文詳細(xì)介紹。

橫向超級結(jié)MOSFET器件10包括半導(dǎo)體本體25，其中橫向超級結(jié)結(jié)構(gòu)就形成在其中。更確切地說，半導(dǎo)體本體25包括交替N和P型導(dǎo)電性的半導(dǎo)體區(qū)。尤其是半導(dǎo)體本體25包括P-型薄半導(dǎo)體區(qū)25a和N-型薄半導(dǎo)體區(qū)25b，它們可以選擇形成在半導(dǎo)體本體中并且接近水平延伸。也就是說，P-型薄半導(dǎo)體區(qū)25a和N-型薄半導(dǎo)體區(qū)25b(也稱為超級結(jié)層)，與半導(dǎo)體本體25的主平面基本平行。在本說明書中，半導(dǎo)體本體25也稱為橫向超級結(jié)結(jié)構(gòu)25。

為了形成MOS晶體管結(jié)構(gòu)，橫向超級結(jié)MOSFET器件10包括一個(gè)低壓柵極結(jié)構(gòu)，形成在橫向超級結(jié)結(jié)構(gòu)近端的半導(dǎo)體本體25上或半導(dǎo)體本體25中。在本實(shí)施例中，平面柵極結(jié)構(gòu)用作低壓柵極結(jié)構(gòu)。如圖1所示，平面導(dǎo)電柵極14形成在半導(dǎo)體本體25的頂面上，通過薄柵極電介質(zhì)層15與半導(dǎo)體本體25絕緣。在一些實(shí)施例中，平面導(dǎo)電柵極14為多晶硅柵極，柵極電介質(zhì)層15為柵極氧化層。橫向超級結(jié)MOSFET器件10還包括N+源極區(qū)16，形成在P-型本體區(qū)(P-Body)19(“P-本體”)中，并且與導(dǎo)電柵極14的第一端自對準(zhǔn)。這樣一來，N+源極區(qū)16就在平面導(dǎo)電柵極14的第一端下方延伸，與導(dǎo)電柵極少量重疊。P+本體接觸區(qū)18形成在N+源極區(qū)16附近，以及P-本體區(qū)19中，用于提供到MOSFET器件P-本體區(qū)的歐姆接觸。柵極14和源極16形成在橫向超級結(jié)結(jié)構(gòu)25的一端。同時(shí)，N+漏極區(qū)26作為N+漏極立柱，形成在橫向超級結(jié)結(jié)構(gòu)25的遠(yuǎn)端，超級結(jié)層用作MOSFET器件的漏極漂流區(qū)。

絕緣電介質(zhì)層30形成在半導(dǎo)體本體25的頂面上方，在電介質(zhì)層30中形成開口，以便連接到MOSFET器件10的源極(Source)、本體和漏極(Drain)。在本實(shí)施例中，形成到N+源極16和P+本體接觸區(qū)18的接觸開口，金屬電極32形成在接觸開口中，作為源極/本體電極。形成到N+漏極區(qū)26的另一個(gè)接觸開口，金屬電極34形成在接觸開口中，作為漏極電極。重?fù)诫sP+襯底11構(gòu)成MOSFET器件的第二源極電極，形成底部源極電極。P+襯底11提供到接地端的低電容路徑，可以顯著提高晶體管的轉(zhuǎn)換波形。底部源極電極(Bottom Source Electrode)還為雪崩電流提供通路，通過N+漏極立柱26和N-型掩埋層(NBL)24形成的垂直二極管，直接流至接地端，到P-型外延層12和P+襯底11。在本實(shí)施例中，為了降低漏極電阻，摻雜的多晶硅填充溝槽28形成在N+漏極立柱26中。在本發(fā)明的其他實(shí)施例中，摻雜的多晶硅填充溝槽28可選，并且可以省略。

在橫向超級結(jié)MOSFET器件10中，超級結(jié)層25a、25b用作MOSFET器件的漏極漂流區(qū)，一種導(dǎo)電類型的薄半導(dǎo)體區(qū)用作漏極電流通路，以承載晶體管導(dǎo)通狀態(tài)下的漏極漂流電流，另一種導(dǎo)電類型的薄半導(dǎo)體區(qū)用作電荷平衡分區(qū)，在晶體管斷開狀態(tài)下夾斷或耗盡漏極電流通路。對于N-型MOSFET器件10來說，N-型薄半導(dǎo)體區(qū)25b構(gòu)成漏極電流通路，以承載從源極區(qū)16到漏極區(qū)26的漏極電流，而P-型薄半導(dǎo)體區(qū)25a構(gòu)成電荷平衡分區(qū)，在晶體管斷開狀態(tài)下耗盡，以便耗盡并夾斷N-型薄半導(dǎo)體區(qū)25b。

在本發(fā)明的實(shí)施例中，橫向超級結(jié)MOSFET器件10包括一個(gè)N-型立柱20，處于柵極14下方，與源極區(qū)16隔開，源極區(qū)16和N-型立柱20之間的間隔為MOSFET器件的通道區(qū)。N-型立柱(N-Column)20是電無偏的。N-型立柱20在垂直方向上延伸，穿過橫向超級結(jié)結(jié)構(gòu)25。在一些實(shí)施例中，N-型立柱20為重?fù)诫sN+區(qū)，并且當(dāng)MOSFET接通時(shí)，在低漏極偏壓狀態(tài)下通過N-型超級結(jié)層，電連接到漏極立柱。然而，當(dāng)MOSFET斷開時(shí)，N-型立柱20在高漏極偏壓狀態(tài)下是電浮動(dòng)的。尤其是，在50V及以上較高的漏極偏壓下，超級結(jié)層25a和25b將耗盡，從而消除N-型立柱20和N+漏極立柱26之間的連接。在這種情況下，N-型立柱20與高漏極電壓隔離。

在本發(fā)明的實(shí)施例中，橫向超級結(jié)MOSFET器件10包括一個(gè)P-型立柱22，形成在間隔中，但卻非?？拷麼-型立柱20。P-型立柱22也稱為P-型閉鎖柱。在本實(shí)施例中，所形成的P-型立柱22垂直對準(zhǔn)到P+本體接觸區(qū)18，并且電連接到MOSFET器件的P-本體區(qū)19。因此，P-型立柱22偏置到與MOSFET器件本體區(qū)相同的電勢。P-型立柱22不是穿過半導(dǎo)體本體25寬度連續(xù)的摻雜區(qū)，而是作為單獨(dú)立柱或柱子，沿超級結(jié)結(jié)構(gòu)的寬度在z-方向上，占據(jù)一部分半導(dǎo)體本體25，如圖1所示。還可選擇，制備P-型立柱22，以容納單獨(dú)的P-型立柱或柱子，例如P-型立柱22a和22b，在z方向上沿超級結(jié)結(jié)構(gòu)的寬度，如圖1所示。因此，雖然P-立柱22打斷了在某些位置上形成在N-型薄半導(dǎo)體區(qū)25b中的漏極電流通路(圖2)，但是N-型薄半導(dǎo)體區(qū)25b保持連續(xù)，并且沿超級結(jié)結(jié)構(gòu)的寬度在其他位置上連接(圖3)。

因此，這樣配置的本發(fā)明所述的橫向超級結(jié)MOSFET器件10可以承受高擊穿電壓，同時(shí)使晶體管的導(dǎo)通電阻達(dá)到最優(yōu)。橫向超級結(jié)MOSFET器件10的運(yùn)行方式如下所述。MOSFET器件的N+以及和P-本體區(qū)連接到地電勢或負(fù)電源電勢。當(dāng)MOSFET器件10接通時(shí)，利用相對于源極區(qū)16的柵極(Gate)14正電壓，該正電壓大于晶體管的閾值電壓，通道形成在源極區(qū)16和N-型立柱20之間的柵極14相反的P-本體區(qū)19中。通道將N+源極區(qū)連接到N-型立柱20。當(dāng)漏極電極34上加載正電壓時(shí)，電流從源極區(qū)(Source)16流至漏極區(qū)(Drain)26。尤其是通道電流從源極區(qū)16開始流經(jīng)柵極14相反的通道，進(jìn)入N-型立柱20。N-型立柱20將電流分布到N-型超級結(jié)層25b中，所連接的電流作為漏極漂流電流。漏極漂流電流流經(jīng)N-型超級結(jié)層25b，在超級結(jié)結(jié)構(gòu)25的遠(yuǎn)端被漏極區(qū)26收集。在這種情況下，橫向超級結(jié)MOSFET器件10可以獲得很低的導(dǎo)通電阻。

當(dāng)柵極14加載的電壓小于晶體管器件的閾值電壓，橫向超級結(jié)MOSFET器件10斷開時(shí)，偏向本體電勢的P-型立柱22耗盡，并且耗盡區(qū)延伸，以夾斷N-型立柱20。超級結(jié)層25a和25b也完全耗盡，使P-型立柱20和N+漏極立柱26隔開。因此，由于N-型立柱20被P-型立柱22和超級結(jié)層隔開，它將不會被驅(qū)動(dòng)至高漏極電壓(例如600V)。在一些實(shí)施例中，N-型立柱被嵌制在10V或10V以下的電壓，而漏極端承受很大的漏極電壓(例如600V)，晶體管被斷開。

在這種情況下，P-型立柱22保護(hù)MOS柵極14不被漏極區(qū)26處的高電壓損壞，在MOSFET器件10中可以使用低電壓柵極結(jié)構(gòu)。尤其是，低電壓MOS柵極結(jié)構(gòu)因其較低的柵極電容和較快的切換時(shí)間，受到歡迎。在一些實(shí)施例中，可以配置MOSFET器件10的柵極14，承受20V的低電壓，同時(shí)可以配置漏極，承受600V的高電壓。

這樣形成的橫向超級結(jié)MOSFET器件10，通過使用橫向超級結(jié)結(jié)構(gòu)，可以承受高擊穿電壓。此外，在本發(fā)明的實(shí)施例中，橫向超級結(jié)MOSFET器件10包括形成在漏極區(qū)26下方的N-型掩埋層24。N-型掩埋層24還提高了MOSFET器件的垂直擊穿電壓。

圖4表示在本發(fā)明的可選實(shí)施例中，橫向超級結(jié)MOSFET器件的透視圖。圖5表示在本發(fā)明的實(shí)施例中，圖4所示的橫向超級結(jié)MOSFET器件沿線C-C’的剖面圖。參見圖4-5，橫向超級結(jié)MOSFET器件50的配置方式除了替換MOS柵極結(jié)構(gòu)和N-型立柱之外，其他都與圖1所示的橫向超級結(jié)MOSFET器件10相同。確切地說，橫向超級結(jié)MOSFET器件50包括一個(gè)形成在輕摻雜P-型外延層52上的橫向超級結(jié)結(jié)構(gòu)65，輕摻雜P-型外延層52形成在P+襯底51上，以構(gòu)成橫向超級結(jié)MOSFET器件50的P-型半導(dǎo)體基極層53，柵極結(jié)果54通過柵極電介質(zhì)層55與N+立柱60及P-本體區(qū)59絕緣。橫向超級結(jié)結(jié)構(gòu)65用作MOSFET器件的漏極漂流區(qū)。N+漏極區(qū)66形成在橫向超級結(jié)結(jié)構(gòu)65的遠(yuǎn)端。N-型掩埋層(NBL)64形成在N+漏極區(qū)66下方，以便提高M(jìn)OSFET器件的擊穿電壓。

絕緣電介質(zhì)層70形成在半導(dǎo)體本體65的頂面上方，并且在電介質(zhì)層70中形成開口，以便連接到MOSFET器件50的源極、本體和漏極。在圖5中，形成連接到N+源極56和P+本體接觸區(qū)58的接觸開口，在接觸開口中形成金屬電極72，作為源極/本體電極。

在圖1中，橫向超級結(jié)MOSFET器件10具有柵極結(jié)構(gòu)和N-型立柱，以致于當(dāng)晶體管的通道接通時(shí)，通道電流沿平行于超級結(jié)層形成的漏極電流通路平行的方向流動(dòng)。在圖4所示的實(shí)施例中，橫向超級結(jié)MOSFET器件50具有柵極結(jié)構(gòu)54和N-型立柱60，以至于當(dāng)晶體管的通道接通時(shí)，通道電流沿垂直于超級結(jié)層形成的漏極電流通路方向流動(dòng)。更確切地說，從源極區(qū)56流出的電流，通過柵極54下方的通道，被N-型立柱60收集起來，N-型立柱60將電流分配至N-型超級結(jié)層65a及P-型超級結(jié)層65b。從N-型立柱60流出的漏極漂流電流，通過橫向超級結(jié)結(jié)構(gòu)65形成在漏極漂流區(qū)，沿垂直于通道電流的方向流動(dòng)。然后，漏極漂流電流在橫向超級結(jié)結(jié)構(gòu)65另一端的N+漏極電極66收集起來。

在圖4和圖5所示的實(shí)施例中，MOSFET器件50的柵極54以及N+立柱60的旁邊是P-型立柱62和62a。P-型立柱62和62a形成在隔開但靠近N-型立柱50處。在本實(shí)施例中，P-型立柱62與P+本體接觸區(qū)58相接觸，并且電連接到MOSFET器件的P-本體區(qū)59。因此，P-型立柱62偏向與MOSFET器件50的本體區(qū)相同的電勢。在本實(shí)施例中，N+立柱60兩側(cè)的旁邊是P-型立柱。在其他實(shí)施例中，可以只使用一個(gè)P-型立柱，例如P-型立柱62。當(dāng)MOSFET器件50將要斷開時(shí)，P-型立柱62、62a開始工作，夾斷N+立柱60，使晶體管的柵極54不受晶體管漏極端承受的高電壓影響。

圖1-5表示低壓MOS柵極結(jié)構(gòu)、N-型立柱和P-型立柱的兩種不同結(jié)構(gòu)。本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)理解上述MOSFET器件中低壓MOS柵極結(jié)構(gòu)、N-型立柱和P-型立柱的具體結(jié)構(gòu)，僅用于解釋說明，不用于局限。在本發(fā)明的橫向超級結(jié)MOSFET器件中，低壓MOS柵極結(jié)構(gòu)、N-型立柱和P-型立柱可以使用其他的結(jié)構(gòu)，只要當(dāng)晶體管接通時(shí)，N-型立柱用于將電流從晶體管的通道分配至橫向超級結(jié)結(jié)構(gòu)，當(dāng)晶體管斷開時(shí)，P-型立柱用于耗盡并夾斷N-型立柱，并且隔離低壓MOS柵極就可以。

端接結(jié)構(gòu)

在上述橫向超級結(jié)MOSFET器件中，利用邊緣端接技術(shù)，管理MOSFET器件的漏極和/或源極區(qū)的末端或一端可能產(chǎn)生的高電場。

圖6表示在本發(fā)明的實(shí)施例中，使用橫向超級結(jié)MOSFET晶胞制成的高壓MOSFET器件的俯視圖。在本發(fā)明的實(shí)施例中，圖1-5所示的上述橫向超級結(jié)MOSFET器件可以用作一個(gè)基本的MOSFET晶胞，復(fù)制MOSFET晶胞，形成一個(gè)MOSFET器件的陣列，MOSFET晶胞并聯(lián)，形成一個(gè)高壓MOSFET器件。在一些實(shí)施例中，可以重復(fù)基本的MOSFET晶胞，形成MOSFET晶胞的并聯(lián)，實(shí)現(xiàn)高壓MOSFET集成電路。圖6表示高壓MOSFET器件80的一部分，圖1所示的MOSFET器件10用作基本MOSFET晶胞，復(fù)制并鏡像基本MOSFET晶胞，形成一個(gè)并聯(lián)的MOSFET器件陣列。這樣形成的MOSFET晶胞N+漏極區(qū)26(該MOSFET晶胞N+漏極區(qū)26通過連接通孔88與漏極墊86連接)從漏極墊(Drain Pad)86開始延伸到有源晶胞區(qū)中，P+本體接觸區(qū)18從源極/本體墊(Source/Body Pad)82開始延伸到有源晶胞區(qū)中。P-型立柱22可以與P+本體接觸區(qū)18堆棧。多晶硅柵極14形成在本體區(qū)和N+立柱(圖中沒有表示出)上方，并且連接到柵極墊(Gate Pad)84。源極區(qū)形成在柵極14附近，為了簡便，圖6沒有表示出。

這樣配置，N+漏極區(qū)26在MOSFET器件80中形成長梳(“漏極梳”)。漏極梳的末端構(gòu)成端接區(qū)90，由于漏極梳的幾何結(jié)構(gòu)，端接區(qū)90可能經(jīng)歷集中的電場。類似地，P+本體接觸區(qū)18在MOSFET器件80中構(gòu)成長梳(“本體接觸梳”)。本體區(qū)梳的末端構(gòu)成端接區(qū)92，由于本體區(qū)梳的幾何結(jié)構(gòu)，端接區(qū)92可能經(jīng)歷集中的電場。

在本發(fā)明的實(shí)施例中，由于橫向超級結(jié)MOSFET器件的端接結(jié)構(gòu)，在各自N+或P+摻雜區(qū)的端接區(qū)，使用N-型或P-型端接立柱或柱。尤其是N-型或P-型端接立柱或柱是形成在半導(dǎo)體本體中的垂直摻雜區(qū)，延伸到半導(dǎo)體本體中，其深度接近于受保護(hù)的N+或P+摻雜區(qū)的深度。在一些實(shí)施例中，端接柱或立柱是電浮動(dòng)的，也就是說沒有電連接到特定的電勢。在其他實(shí)施例中，端接立柱可以偏向從物理接觸的周圍的摻雜區(qū)指定的電壓。例如，在一些實(shí)施例中，P-型端接立柱弱連接到源極電勢，N-型端接立柱在零漏極偏壓下，可以弱連接到漏極電勢。然而，一旦漏極偏壓足以夾斷超級結(jié)層，N-型端接立柱將浮動(dòng)，達(dá)到中間電勢，形成端接電場。圖7表示在本發(fā)明的實(shí)施例中，引入端接立柱結(jié)構(gòu)的圖6所示的橫向超級結(jié)MOSFET器件的俯視圖。在圖7中，為了簡化，并且更好地表示本發(fā)明所述的端接結(jié)構(gòu)，省去了柵極層14。參見圖7，端接結(jié)構(gòu)包括N-型端接立柱102，形成在N+漏極梳26的端接區(qū)中。同時(shí)，P-型端接立柱104形成在P+本體接觸梳18的端接區(qū)中。端接立柱102和104改善了MOSFET集成電路100的擊穿特性。

在本發(fā)明所述的實(shí)施例中，選擇端接立柱的數(shù)量和位置，以優(yōu)化MOSFET器件的擊穿特性。在圖7所示的實(shí)施例中，在每個(gè)摻雜區(qū)梳的端接區(qū)中，使用一對線性對準(zhǔn)的端接立柱。圖7所示的端接立柱結(jié)構(gòu)的數(shù)量和布局僅用于解釋說明，不用于局限。在其他實(shí)施例中，可以使用一個(gè)或多個(gè)立柱。另外，可以使用指定模式或布局的立柱，以優(yōu)化MOSFET器件的擊穿特性。圖8和圖9表示在高壓MOSFET器件中，用于N+摻雜區(qū)的端接立柱結(jié)構(gòu)的可選實(shí)施例，例如一個(gè)漏極梳或本體梳。參見圖8，用于N+漏極梳26的端接結(jié)構(gòu)110，包括布置在N+漏極梳26的端接區(qū)中，四個(gè)N-型端接立柱的線性序列。參見圖9，用于N+漏極梳26的端接結(jié)構(gòu)120，包括在N+漏極梳26的端接區(qū)中，N-型端接立柱的二維布局。端接區(qū)中端接立柱的實(shí)際數(shù)量和布局，對于本發(fā)明的實(shí)施并不重要。

圖10表示在本發(fā)明的實(shí)施例中，圖7所示的MOSFET器件80中端接立柱結(jié)構(gòu)沿線D-D’的剖面圖。參見圖10，P-型端接立柱104形成在本體接觸梳18的端接區(qū)中。P-型端接立柱104形成在半導(dǎo)體本體25中，橫向超級結(jié)結(jié)構(gòu)形成在其中。另外，P-型端接立柱104穿過半導(dǎo)體本體25，延伸到P-型外延層12。在一些實(shí)施例中，P-型端接立柱104的制備方式與P-型圓柱22相同。

另外，在本發(fā)明的實(shí)施例中，用于橫向超級結(jié)MOSFET器件的端接結(jié)構(gòu)，還包括一個(gè)形成在半導(dǎo)體本體25的頂面上的場板，包圍著端接立柱104，形成表面電場，以便進(jìn)一步提高擊穿特性。參見圖10，場板結(jié)構(gòu)160形成在半導(dǎo)體本體25的頂面上，包圍著每個(gè)P-型端接立柱104，絕緣電介質(zhì)層170覆蓋上述的場板結(jié)構(gòu)160。在本實(shí)施例中，使用一個(gè)多階場板。在其他實(shí)施例中，可以使用單獨(dú)或多階場板，以形成端接立柱的表面電場。在一些實(shí)施例中，利用多晶硅或金屬層，制備場板。另外，可以使用帶有疊加氧化硅或氮化硅層的多晶硅或金屬，制備多階場板，以形成多階場板結(jié)構(gòu)。

在本發(fā)明的實(shí)施例中，用于橫向超級結(jié)MOSFET器件的端接結(jié)構(gòu)，還包括降低表面電場(RESURF)表面注入物。RESURF表面注入物為淺注入，在端接區(qū)中半導(dǎo)體本體的表面上，以形成表面電場，并降低表面場強(qiáng)。圖11表示在本發(fā)明的實(shí)施例中，圖7所示的橫向超級結(jié)MOSFET器件引入帶有RESURF表面注入物的端接立柱結(jié)構(gòu)的俯視圖。參見圖11，P-型RESURF表面注入?yún)^(qū)190形成在本體接觸梳18的端接區(qū)中，同時(shí)N-型RESURF表面注入?yún)^(qū)195形成在漏極梳26的端接區(qū)中。除了端接立柱之外，還可以使用RESURF表面注入物，形成一個(gè)更加堅(jiān)實(shí)的端接結(jié)構(gòu)。

另外，在本發(fā)明的實(shí)施例中，可以改變RESURF表面注入?yún)^(qū)190/195的形狀，以優(yōu)化場整型效應(yīng)。在本說明書中，P-型RESURF表面注入?yún)^(qū)190呈三角形，而N-型RESURF表面注入?yún)^(qū)195呈矩形。在本發(fā)明的其他實(shí)施例中，可以使用其他形狀的RESURF表面注入?yún)^(qū)，以便根據(jù)電場形狀，形成表面電場。

制備橫向超級結(jié)結(jié)構(gòu)的方法

制備橫向超級結(jié)結(jié)構(gòu)傳統(tǒng)的制備方法，通常使用交替導(dǎo)電類型的連續(xù)的外延層，以形成很薄的N和P型半導(dǎo)體層。然而，外延工藝通常與厚度和摻雜濃度很大的變化有關(guān)。例如，外延工藝的厚度變化可以是+/-5％。因此，利用薄外延層制成的超級結(jié)結(jié)構(gòu)通常具有很弱的電荷控制。也就是說，無法獲得所需層厚和摻雜濃度的薄半導(dǎo)體層。因此，利用N和P型外延層制備的橫向超級結(jié)結(jié)構(gòu)，無法獲得優(yōu)化工藝所需水平的電荷平衡。

在本發(fā)明的實(shí)施例中，在半導(dǎo)體器件中制備橫向超級結(jié)結(jié)構(gòu)的方法，使用N和P型離子注入到基極外延層中。在一些實(shí)施例中，該方法同時(shí)進(jìn)行N和P型離子注入到基極外延層中。在一些實(shí)施例中，基極外延層為本征外延層或輕摻雜外延層。外延和注入工藝連續(xù)重復(fù)，以便在襯底上形成多個(gè)注入的基極外延層。制成所需數(shù)量的注入基極外延層之后，對整個(gè)半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)進(jìn)行高溫退火。使用擴(kuò)散速度不同的P型和N型摻雜物，將P和N型摻雜物分開，以便形成含有交替N和P型薄半導(dǎo)體區(qū)的橫向超級結(jié)結(jié)構(gòu)。確切地說，通過離子注入工藝和之后的退火，制備交替的N和P型薄超級結(jié)層。通過離子注入制備N和P型超級結(jié)層，本發(fā)明的制備方法確保橫向超級結(jié)結(jié)構(gòu)中良好的電荷控制。更確切地說，離子注入工藝可以更好地控制摻雜濃度和摻雜結(jié)構(gòu)，因此確保嚴(yán)格的控制橫向超級結(jié)結(jié)構(gòu)中的摻雜濃度分布。

本發(fā)明的制備方法使用離子注入到本征或輕摻雜外延層中，退火形成橫向超級結(jié)結(jié)構(gòu)。離子注入工藝比外延工藝更好地控制垂直濃度。當(dāng)使用本征或輕摻雜外延層作為基極層時(shí)，外延摻雜和/或厚度變化對橫向超級結(jié)結(jié)構(gòu)的電荷平衡沒有影響。相反，超級結(jié)結(jié)構(gòu)的電荷平衡由構(gòu)成N-型和P-型層的離子注入工藝控制，其中離子注入工藝可以很嚴(yán)格地控制。例如，注入工藝可以獲得摻雜和厚度的變化為2％或更低。如果僅使用外延工藝制備N和P型薄半導(dǎo)體層，無法獲得對摻雜和厚度變化如此嚴(yán)格的控制。

圖12A至12J表示在本發(fā)明的實(shí)施例中，使用離子注入制備方法，橫向超級結(jié)結(jié)構(gòu)制備工藝的剖面圖。參見圖12A，制備工藝從重?fù)诫s的P-型半導(dǎo)體襯底201開始。輕摻雜的P-型外延層202生長在重?fù)诫sP+襯底201上。P+襯底201和P-型外延層202構(gòu)成半導(dǎo)體基極層205，橫向超級結(jié)結(jié)構(gòu)將形成在上面。在其他實(shí)施例中，可以使用輕摻雜的N-型(N-)硅襯底。

通過全面的P-型離子注入，在半導(dǎo)體基極層205上形成一個(gè)覆蓋P層(P Blanket)204?？梢栽谕庋訉?02的頂面上形成襯墊氧化層之后，進(jìn)行全面的P-型離子注入。然后，通過帶圖案的N-型注入工藝，制備N-掩埋層(NBL)208，并且通過帶圖案的P-型注入工藝，制備P-掩埋層(PBL)206。

形成半導(dǎo)體基極層205之后，可以開始制備橫向超級結(jié)結(jié)構(gòu)的工藝。參見圖12B，基極外延層(Intrinsic or N-Epi)210形成在半導(dǎo)體基極層205上。在一些實(shí)施例中，基極外延層210為本征層。在其他實(shí)施例中，基極外延層為輕摻雜層，例如輕摻雜N-外延層或輕摻雜P-外延層。然后，參見圖12C，進(jìn)行N和P離子注入，將N和P型摻雜物注入到基極外延層210中。在一些實(shí)施例中，同時(shí)注入N和P型摻雜物，注入深度相同或接近。

通過注入工藝，將N型摻雜物212和P型摻雜物214注入到基極外延層210中。注入摻雜物還沒有被激活，注入的基極外延層210含有注入摻雜物，注入摻雜物或多或少地仍然在注入位置。繼續(xù)進(jìn)行后續(xù)的退火工藝，以激活注入摻雜物，在這時(shí)注入的摻雜物將擴(kuò)散，形成交替的N和P薄半導(dǎo)體區(qū)，這將在下文中詳細(xì)介紹。

重復(fù)進(jìn)行圖12B和12C所示的外延和離子注入工藝，制備所需數(shù)量的橫向超級結(jié)層。參見圖12D，第二基極外延層220形成在第一基極外延層210上。第二基極外延層220可以是本征或輕N-型摻雜。然后，參見圖12E，進(jìn)行N和P離子注入，將N型摻雜物222和P型摻雜物224注入到基極外延層220中。

在本實(shí)施例中，還進(jìn)行額外的處理工藝，制備P-型立柱用于通道閉鎖，以及N+立柱作為漏極區(qū)。參見圖12F，在半導(dǎo)體基極層205中之前形成的P-掩埋層206垂直對準(zhǔn)處，進(jìn)行P-型掩埋層226注入。另外，在半導(dǎo)體基極層205中之前形成的N-掩埋層208垂直對準(zhǔn)處，進(jìn)行N-型掩埋層228注入。然后，再次重復(fù)圖12B和12C所示的外延和離子注入工藝，形成另一組超級結(jié)層。退火之后，P-掩埋層將合并形成P-型立柱。N-掩埋層將合并構(gòu)成N-型立柱。還可選擇，在外延生長工藝之后，利用深溝槽刻蝕和P+多晶硅填充，制備P-型立柱。

參見圖12G，第三基極外延層240形成在第二基極外延層220上。第三基極外延層240可以是本征或輕N-型摻雜。然后，參見圖12H，通過N和P離子注入，將N型摻雜物242和P型摻雜物244注入到基極外延層240中。在本例中，假設(shè)只需要三層注入的基極外延層。然后，參見圖12I，在第三或最后一個(gè)基極外延層上，制備一個(gè)蓋帽外延層(Cap Epi)250。蓋帽外延層250可以是本征或輕N-摻雜。

在本發(fā)明的實(shí)施例中，第一基極外延層210的厚度約為5μm，后續(xù)的基極外延層220、240的厚度約為2μm。蓋帽外延層250的厚度約為3μm。

最后的外延和注入工藝之后，圖12I所示的整個(gè)半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)將經(jīng)歷高溫退火。例如，半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)可以在1150℃下退火200分鐘。退火工藝激活并擴(kuò)散注入的摻雜物，形成所需的交替N和P型薄半導(dǎo)體區(qū)，如圖12J所示。退火之后，N-型摻雜物擴(kuò)散，形成N-型超級結(jié)層280B，P-型摻雜物擴(kuò)散，形成P-型超級結(jié)層280A，從而構(gòu)成橫向超級結(jié)結(jié)構(gòu)280。同時(shí)，P-型掩埋層226和206也退火并擴(kuò)散，形成連續(xù)的P-型立柱270。N-型掩埋層208和228也退火并擴(kuò)散，形成連續(xù)的N-型立柱260。

在本發(fā)明的實(shí)施例中，利用砷或銻作為N-型摻雜物，硼作為P-型摻雜物，進(jìn)行N和P型離子注入。使用較重的N-型摻雜物與P-型摻雜物相比，退火過程中N-型注入摻雜物不會擴(kuò)散地離注入位置太遠(yuǎn)。同時(shí)，通過使用較輕的P-型摻雜物，退火過程中P-型注入摻雜物從注入位置擴(kuò)散得較遠(yuǎn)，以構(gòu)成垂直濃度均勻的P-型層。另外，在本發(fā)明的實(shí)施例中，利用高于P-型注入物劑量的N-型注入劑量，同時(shí)進(jìn)行N和P型離子注入，以確保在退火過程中，N-型摻雜濃度不會被P-型摻雜物沖掉。在一些實(shí)施例中，N-型注入劑量為P-型注入劑量的三倍。在這種情況下，通過對形成在多個(gè)基極外延層中的N和P注入摻雜物進(jìn)行退火，制備交替的N和P-型薄半導(dǎo)體區(qū)。

值得注意的是，提出N-型和P-型掩埋層的處理工藝，是為了說明在橫向超級結(jié)結(jié)構(gòu)中制備垂直的摻雜區(qū)，這對于本發(fā)明的實(shí)施來說并不重要。在本發(fā)明的其他實(shí)施例中，也可以使用其他方法制備垂直摻雜區(qū)。

圖13A和13B表示在本發(fā)明的實(shí)施例中，退火之前和之后，本發(fā)明的橫向超級結(jié)結(jié)構(gòu)制備方法中摻雜結(jié)構(gòu)，其橫軸均表示摻雜的深度(Depth)，縱軸均表示摻雜濃度(Doping Concentration)。參見圖13A，為在所有的注入工藝之后，退火操作之前的摻雜結(jié)構(gòu)，基極外延層(Base Epi Layer)的外延摻雜水平用曲線(Epi Doping Level)302表示。同時(shí)進(jìn)行N和P型注入，在每個(gè)基極外延層中的注入深度相同。N-型摻雜物(曲線304)的注入劑量高于P-型摻雜物(曲線306)。另外，P-型摻雜物的摻雜濃度小于N-型摻雜物，因此P-型摻雜物的注入結(jié)構(gòu)比N-型摻雜物更寬。

圖13B表示退火操作之后的摻雜結(jié)構(gòu)。退火工藝激活并擴(kuò)散注入的摻雜物。N-型摻雜物不會擴(kuò)散得與P-型一樣多，而是大多數(shù)保留在注入位置周圍。同時(shí)，退火之后，P-型注入摻雜物擴(kuò)散，覆蓋基極外延層，形成基本覆蓋的P-型層。N-型注入具有很高的摻雜濃度，因此，N-型摻雜濃度不會被P-型摻雜物沖掉。在這種情況下，在基極外延層中形成的交替N和P層如曲線310所示。

在上述實(shí)施例中，提出了一種N-型MOSFET器件。應(yīng)理解，通過轉(zhuǎn)換摻雜區(qū)的極性，可以用類似的方式制備P-型橫向超級結(jié)MOSFET器件。

雖然為了表述清楚，以上內(nèi)容對實(shí)施例進(jìn)行了詳細(xì)介紹，但是本發(fā)明并不局限于上述細(xì)節(jié)。實(shí)施本發(fā)明還有許多可選方案。文中的實(shí)施例僅用于解釋說明，不用于局限。