一種超勢壘整流器及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及功率半導體整流器，尤其涉及一種超勢壘整流器及其制備方法。本發(fā)明中超勢壘整流器SBR開態(tài)時，高濃度的半導體漂移區(qū)201為超勢壘整流器SBR提供了大量的多數(shù)載流子，形成了多個低阻電流通道，極大地減小了超勢壘整流器SBR的導通電阻，從而大大的降低工藝成本。
【專利說明】
一種超勢壘整流器及其制備方法
技術領域
[0001]本發(fā)明涉及功率半導體整流器，尤其涉及一種超勢皇整流器及其制備方法。
【背景技術】
[0002]常見的功率半導體整流器包括肖特基二極管(Schottky Barrier D1de)，具有導通電壓低和關斷速率快、反向偏壓時截止等特點。主要原理是形成金屬-硅勢皇，勢皇金屬大部分情況下與常規(guī)的金屬歐姆接觸不同，以至于需要調(diào)節(jié)勢皇高度，勢必需要調(diào)節(jié)勢皇金屬組成和提供較為復雜的工藝制程來滿足這一點，這并不符合成本要求和無法提供較佳的產(chǎn)品性能。尤其是肖特基勢皇整流二極管存在因漏電流過大導致反向功耗居高不下，且漏電流與大致環(huán)境溫度成正比，額定參數(shù)極易受到外部因素的干擾。
[0003]在功率半導體整流器的設計中，擊穿電壓和導通電阻之間存在矛盾關系。器件在高壓應用時，導通電阻急劇上升，限制了高壓器件在高壓功率半導體整流器中的應用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]針對現(xiàn)有技術存在的問題，現(xiàn)提供了一種超勢皇整流器及其制備方法。
[0005]具體的技術方案如下:
一種超勢皇整流器，包括:
一底部襯底和所述底部襯底之上的一外延層，所述外延層中的頂部形成有一本體區(qū)，以及包括除所述本體區(qū)之外的其余外延層的第一區(qū)域，其中，所述外延層中形成有多個半導體漂移區(qū)；
形成在所述外延層中并且在底部和側壁內(nèi)襯有柵極氧化層的柵極溝槽；
形成于所述柵極溝槽內(nèi)的控制柵極，所述柵極溝槽延伸至所述第一區(qū)域中；
形成于所述本體區(qū)的頂部的多個摻雜區(qū)，以及所述柵極溝槽的兩側形成有所述摻雜區(qū)；以及
相鄰的柵極溝槽間的摻雜區(qū)通過一本體接觸區(qū)連接。
[0006]優(yōu)選的，還包括
覆蓋在所述外延層之上并與所述摻雜區(qū)保持電性接觸的一金屬層。
[0007]優(yōu)選的，所述半導體漂移區(qū)的離子濃度與所述外延層的離子濃度相當。
[0008]優(yōu)選的，所述柵極溝槽底部的柵極氧化層的厚度大于所述柵極溝槽側壁的柵極氧化層的厚度，所述柵極溝槽底部的柵極氧化層的厚度大于1500納米。
[0009]優(yōu)選的，所述底部襯底、所述外延層和所述摻雜區(qū)為第一導電類型，所述本體區(qū)、所述本體接觸區(qū)和所述半導體漂移區(qū)為與所述第一導電類型相反的第二導電類型。
[0010]優(yōu)選的，所述半導體漂移區(qū)形成于所述第一區(qū)域中。
[0011]—種超勢皇整流器的制備方法，包括:
步驟Si，提供一底部襯底，于所述底部襯底上生長一外延層，采用離子注入工藝于所述外延層中形成多個半導體漂移區(qū)； 步驟S2，于所述外延層中形成柵極溝槽，并且于所述溝槽中的底部和側壁形成柵極氧化層，于所述柵極溝槽中形成控制柵極；
步驟S3，采用離子注入工藝于所述外延層的頂部形成本體區(qū)，并且于所述本體區(qū)的頂部形成摻雜區(qū)，所述摻雜區(qū)形成于所述柵極溝槽的兩側；
步驟S4，制備一本體接觸區(qū)將相鄰兩個柵極溝槽間的所述摻雜區(qū)連接。
[0012]優(yōu)選的，所于所述步驟S4之后還包括:
步驟S5，于所述外延層之上制備一金屬層，所述金屬層與所述摻雜區(qū)保持電性接觸。
[0013]優(yōu)選的，所所述半導體漂移區(qū)的離子注入的濃度與所述外延層的離子注入濃度相平衡。
[0014]優(yōu)選的，所所述步驟SI具體包括:
步驟SI I，于所述底部襯底上生長第一外延層，于所述第一外延層中形成第一半導體漂移區(qū)；
步驟S12，于所述第一外延層上生長第二外延層，于所述第二外延層中形成第二半導體漂移區(qū)。
[0015]優(yōu)選的，所所述步驟S2具體包括:
步驟S21，于所述外延層中形成柵極溝槽，并且采用高密度等離子體工藝于所述柵極溝槽中的底部沉積第一柵極氧化膜；
步驟S22，于所述柵極溝槽的側壁形成側墻氧化層，于所述柵極溝槽中形成控制柵極。
[0016]優(yōu)選的，所所述步驟S3具體包括，
步驟S31，采用光罩為掩膜，以進行所述本體區(qū)頂部的摻雜區(qū)的離子注入工藝。
[0017]優(yōu)選的，所述步驟S4具體包括，
步驟S41，采用光罩為掩膜，以進行所述本體接觸區(qū)的離子注入工藝。
[0018]上述技術方案的有益效果是:
上述技術方案的超勢皇整流器SBR開態(tài)時，高濃度的半導體漂移區(qū)為超勢皇整流器SBR提供了大量的多數(shù)載流子，形成了多個低阻電流通道，極大地減小了超勢皇整流器SBR的導通電阻，從而大大的降低工藝成本。
【附圖說明】
[0019]圖1a-圖1e為本發(fā)明超勢皇整流器的實施例的工藝流程圖；
圖2為本發(fā)明超勢皇整流器的實施例的電路結構示意圖。
【具體實施方式】
[0020]需要說明的是，在不沖突的情況下，下述技術方案，技術特征之間可以相互組合。[0021 ]下面結合附圖對本發(fā)明的【具體實施方式】作進一步的說明:
參見圖1a的超勢皇整流器SBR，超勢皇整流器SBR包括一底部襯底101和承載在底部襯底101上方的一外延層102，采用外延工藝形成多個第一導電類型的半導體漂移區(qū)201。本實施例中，第一導電類型可以為P型。
[0022]進一步的，多個半導體漂移區(qū)201可以于形成外延層102后采用多次不同能量的離子注入形成，還可以于生長外延層102的過程中，多次生長外延層102和多次離子注入形成，其中注入的離子可以為P-，注入的濃度可以和外延層102的濃度接近。超勢皇整流器SBR開態(tài)時，高濃度的半導體漂移區(qū)201為超勢皇整流器SBR提供了大量的多數(shù)載流子，形成了多個低阻電流通道，極大地減小了超勢皇整流器SBR的導通電阻，從而大大的降低工藝成本。
[0023]本實施例中，定義底部襯底101為重摻雜的N+型，外延層102的摻雜濃度低于底部襯底為N-型。
[0024]參見圖lb，在該外延層10的頂面覆蓋一硬掩膜202，硬掩膜202的選擇是多樣的，譬如包含氧化物層和氮化硅的復合層，氮化硅下方的氧化物層可以緩沖或消弭氮化硅和半導體襯底之間的應力差。在圖1b中，在硬掩膜202上方旋涂光刻膠202，通過光刻工藝的曝光顯影來將一光刻掩模板上的溝槽圖案轉移至光刻膠中，并以帶有溝槽圖案的光刻膠作為一個刻蝕屏蔽層來刻蝕硬掩膜202，從而在硬掩膜202中形成帶有溝槽圖案的開口圖形，之后移除光刻膠，由于這些技術已經(jīng)被本領域的技術人員所熟知，所以本實施例不再贅述。以各向異性的方式刻蝕外延層102，形成柵極溝槽106a，在一些可選實施方式中，可利用各向同性的刻蝕方式來形成柵極溝槽106a的底部，以改善其底部拐角處的圓滑程度，將其刻蝕至接近圓角。
[0025]參見圖lc，去除硬掩膜202后，在柵極溝槽106a的底部和側壁內(nèi)襯有柵極氧化層106b，在柵極溝槽106a內(nèi)形成有控制柵極106。在一些可選實施方式中，控制柵極106的頂端面可以和外延層102的上表面大致共面。
[0026]具體的，為了提供一光滑表面給各溝槽并形成圓角化的溝槽底部拐角，同時也為了降低溝槽表面的物理損傷和各種缺陷，需要先在柵極溝槽106a的底部和側壁生長一層犧牲氧化層(圖中未示出)，例如可以在850攝氏度的水汽氧化80分鐘，因為犧牲氧化層只是一過渡層，之后需要移除，所以這里可以采用熱預算小并且耗時短的濕氧生長法，接著可以用HF和氟化銨等混合溶液以濕法的方式腐蝕掉犧牲氧化層。生成覆蓋在柵極溝槽106a的側壁和底部的柵極氧化層106b，進一步的，采用高密度等離子體工藝(HDP)沉積底部的柵極氧化層106b，之后再形成側墻柵極氧化膜(側壁的柵極氧化層106b)，柵極氧化層106b因為需要承受一定程度的高壓，往往需要是致密性較好的薄膜，例如可以是熱氧化法生成的一層二氧化硅層，譬如在1000攝氏度的條件下干氧氧化81分鐘。注意這里柵極氧化層106b采用Si02僅僅是作為示范，其實柵極氧化層106b還可以是品質(zhì)較好的氮化硅之類的絕緣薄膜，其制備方式除了熱氧化法，還有化學氣相淀積或物理氣相淀積等方法來形成，例如底部的柵極氧化層106b的厚度在1500納米以上。將填充材料多晶硅沉積在柵極溝槽106a內(nèi)，以形成控制柵極106，獲得多晶硅可通過化學氣相沉積(CVD)或外延生長或物理氣相沉積的等方式實現(xiàn)。
[0027]參見圖ld，在外延層102的頂部形成有一本體區(qū)103，其余的外延層為第一區(qū)域107，例如，在外延層102的頂部注入P型的摻雜離子并高溫退火處理形成一個本體區(qū)103，消除由于離子注入帶來的晶格損傷等缺陷，擴散激活后的本體區(qū)103圍繞在柵極溝槽106a的周圍，但是柵極溝槽106a的底部向下延伸到本體區(qū)103下方的外延層102中，即第一區(qū)域107中。
[0028]然后再在本體區(qū)103的頂部植入重摻雜的N型摻雜離子形成多個深度較淺的摻雜區(qū)104，并高溫退火擴散處理，摻雜區(qū)104圍繞在柵極溝槽106a的較上部。在本發(fā)明中，摻雜區(qū)104又可以稱作源/漏摻雜區(qū)。摻雜區(qū)104為摻雜濃度較高的N+型，摻雜區(qū)104圍繞在柵極溝槽106a的較上部的周圍。
[0029]進一步的，形成摻雜區(qū)104的方法可以是，采用光罩覆蓋摻雜區(qū)104上的其他區(qū)域，采用離子注入工藝在柵極溝槽106a的較上部的周圍形成摻雜區(qū)104。
[0030 ] 于兩個柵極溝槽106a間的摻雜區(qū)104之間的本體區(qū)1 3中，植入P+型的本體接觸區(qū)1030，并執(zhí)行高溫退火來激活本體接觸區(qū)1030，本體接觸區(qū)1030的摻雜濃度要大于本體區(qū)103的濃度。進一步的，形成本體接觸區(qū)1030也可以采用現(xiàn)有的光罩的方法，本實施例不進行贅述。
[0031]參見圖le，SBR還包括設置在外延層103之上并與摻雜區(qū)104的上表面保持電性接觸的陽極金屬層105，在本發(fā)明中，本體區(qū)103下方的外延層102和底部襯底101又可以稱作漏/源摻雜區(qū)，在MOSFET單元中，與作為源/漏摻雜區(qū)的摻雜區(qū)104相對應。在底部襯底101的底面往往還濺射或沉積有一圖中未示意出的陰極金屬層，陽極金屬層105可以引出SBR器件的一個陽極端(Anode) 105a，而在底部襯底101的底面上則可以引出一個陰極端(Cathode)101a。在控制柵極106上施加正向電壓，便可在柵極溝槽106a的各側壁附近的本體區(qū)103中，沿著內(nèi)襯于柵極溝槽106a各側壁上的柵極氧化層形成豎直溝道區(qū)，電流可經(jīng)由該溝道區(qū)，自柵極溝槽106a較上部的各側壁附近的摻雜區(qū)104流向柵極溝槽106a較下部的各側壁附近的外延層102中。
[0032]圖2所展示(圖中僅示出一個二極管單元和一個MOSFET單元作為示范)，從而實現(xiàn)了在陽極端105a和陰極端1 Ia之間并聯(lián)MOSFET 150和整流二極管151，二極管151的陽極和陰極分別連接在陽極端105a和陰極端1la上。在陽極端105a和陰極端1la之間施加正向電壓時，并聯(lián)的垂直MOSFET的柵極漏極短接處于同一電位，任意一個MOSFET單元的溝道可以立即開啟，本體區(qū)103下方的外延層102及底部襯底101與摻雜區(qū)104之間被導通，電流流通，貝IjSBR的陽極端105a和陰極端1la之間在一個較低的施加電壓條件下導通。具體而言，SBR的閾值電壓比常規(guī)MOS管的閾值電壓稍低，比常規(guī)PN結的勢皇電壓也低，SBR正向?qū)ǖ碾妷和陀诔Ｒ?guī)PN 二極管的正向?qū)妷?，SBR之并聯(lián)PN結在還未完全開啟時SBR就已經(jīng)開啟，以至于SBR具有一個較快的開關速度。一旦在陽極端105a和陰極端1la之間施加反向電壓，柵極源極處于同一電位，各MOSFET單元截止，并聯(lián)在MOS管上的PN結來承載反向偏壓，反向漏電流由PN結的特性決定，此時SBR可承受較大的反向壓降。
[0033]通過說明和附圖，給出了【具體實施方式】的特定結構的典型實施例，基于本發(fā)明精神，還可作其他的轉換。盡管上述發(fā)明提出了現(xiàn)有的較佳實施例，然而，這些內(nèi)容并不作為局限。
[0034]對于本領域的技術人員而言，閱讀上述說明后，各種變化和修正無疑將顯而易見。因此，所附的權利要求書應看作是涵蓋本發(fā)明的真實意圖和范圍的全部變化和修正。在權利要求書范圍內(nèi)任何和所有等價的范圍與內(nèi)容，都應認為仍屬本發(fā)明的意圖和范圍內(nèi)。
【主權項】
1.一種超勢皇整流器，其特征在于，包括: 一底部襯底和所述底部襯底之上的一外延層，所述外延層中的頂部形成有一本體區(qū)，以及包括除所述本體區(qū)之外的其余外延層的第一區(qū)域，其中，所述外延層中形成有多個半導體漂移區(qū)； 形成在所述外延層中并且在底部和側壁內(nèi)襯有柵極氧化層的柵極溝槽； 形成于所述柵極溝槽內(nèi)的控制柵極，所述柵極溝槽延伸至所述第一區(qū)域中； 形成于所述本體區(qū)的頂部的多個摻雜區(qū)，以及所述柵極溝槽的兩側形成有所述摻雜區(qū)；以及 相鄰的柵極溝槽間的摻雜區(qū)通過一本體接觸區(qū)連接。2.根據(jù)權利要求1所述的超勢皇整流器，其特征在于，還包括 覆蓋在所述外延層之上并與所述摻雜區(qū)保持電性接觸的一金屬層。3.根據(jù)權利要求1所述的超勢皇整流器，其特征在于，所述半導體漂移區(qū)的離子濃度與所述外延層的離子濃度相當。4.根據(jù)權利要求1所述的超勢皇整流器，其特征在于，所述柵極溝槽底部的柵極氧化層的厚度大于所述柵極溝槽側壁的柵極氧化層的厚度，所述柵極溝槽底部的柵極氧化層的厚度大于1500納米。5.根據(jù)權利要求1所述的超勢皇整流器，其特征在于，所述底部襯底、所述外延層和所述摻雜區(qū)為第一導電類型，所述本體區(qū)、所述本體接觸區(qū)和所述半導體漂移區(qū)為與所述第一導電類型相反的第二導電類型。6.根據(jù)權利要求1所述的超勢皇整流器，其特征在于，所述半導體漂移區(qū)形成于所述第一區(qū)域中。7.一種超勢皇整流器的制備方法，其特征在于，包括: 步驟SI，提供一底部襯底，于所述底部襯底上生長一外延層，采用離子注入工藝于所述外延層中形成多個半導體漂移區(qū)； 步驟S2，于所述外延層中形成柵極溝槽，并且于所述溝槽中的底部和側壁形成柵極氧化層，于所述柵極溝槽中形成控制柵極； 步驟S3，采用離子注入工藝于所述外延層的頂部形成本體區(qū)，并且于所述本體區(qū)的頂部形成摻雜區(qū)，所述摻雜區(qū)形成于所述柵極溝槽的兩側； 步驟S4，制備一本體接觸區(qū)將相鄰兩個柵極溝槽間的所述摻雜區(qū)連接。8.根據(jù)權利要求7所述的超勢皇整流器的制備方法，其特征在于，于所述步驟S4之后還包括: 步驟S5，于所述外延層之上制備一金屬層，所述金屬層與所述摻雜區(qū)保持電性接觸。9.根據(jù)權利要求7所述的超勢皇整流器的制備方法，其特征在于，所述半導體漂移區(qū)的離子注入的濃度與所述外延層的離子注入濃度相平衡。10.根據(jù)權利要求7所述的超勢皇整流器的制備方法，其特征在于，所述步驟SI具體包括: 步驟SI I，于所述底部襯底上生長第一外延層，于所述第一外延層中形成第一半導體漂移區(qū)； 步驟S12，于所述第一外延層上生長第二外延層，于所述第二外延層中形成第二半導體漂移區(qū)。11.根據(jù)權利要求7所述的超勢皇整流器的制備方法，其特征在于，所述步驟S2具體包括: 步驟S21，于所述外延層中形成柵極溝槽，并且采用高密度等離子體工藝于所述柵極溝槽中的底部沉積第一柵極氧化膜； 步驟S22，于所述柵極溝槽的側壁形成側墻氧化層，于所述柵極溝槽中形成控制柵極。12.根據(jù)權利要求7所述的超勢皇整流器的制備方法，其特征在于，所述步驟S3具體包括， 步驟S31，采用光罩為掩膜，以進行所述本體區(qū)頂部的摻雜區(qū)的離子注入工藝。13.根據(jù)權利要求7所述的超勢皇整流器的制備方法，其特征在于，所述步驟S4具體包括， 步驟S41，采用光罩為掩膜，以進行所述本體接觸區(qū)的離子注入工藝。
【文檔編號】H01L29/78GK106098686SQ201610540473
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年7月11日
【發(fā)明人】陳茜, 胡瑋, 黃曉櫓
【申請人】中航（重慶）微電子有限公司