一種超結(jié)半導(dǎo)體器件的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及一種半導(dǎo)體器件，尤其是一種超結(jié)半導(dǎo)體器件，屬于超結(jié)半導(dǎo)體器件的技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]在中高壓功率半導(dǎo)體器件領(lǐng)域，超結(jié)結(jié)構(gòu)(Super Junct1n)已經(jīng)被廣泛采用，對(duì)比傳統(tǒng)功率MOSFET器件，超結(jié)結(jié)構(gòu)能獲得更加優(yōu)異的器件耐壓與導(dǎo)通電阻的折中關(guān)系。超結(jié)結(jié)構(gòu)形成于半導(dǎo)體器件的漂移區(qū)內(nèi)，形成于述漂移區(qū)內(nèi)的超結(jié)結(jié)構(gòu)包括N導(dǎo)電類型柱(N柱)和P導(dǎo)電類型柱(P柱)，N柱與P柱交替鄰接設(shè)置而成的多個(gè)P-N柱對(duì)形成超結(jié)結(jié)構(gòu)。N柱具有N導(dǎo)電類型雜質(zhì)，P柱具有P導(dǎo)電類型雜質(zhì)，且N柱的雜質(zhì)量與P柱的雜質(zhì)量保持一致。當(dāng)具有超結(jié)結(jié)構(gòu)的MOSFET器件截止時(shí)，超結(jié)結(jié)構(gòu)中的N柱和P柱分別被耗盡，耗盡層從每個(gè)N柱與P柱間的P-N結(jié)界面延伸，由于N柱內(nèi)的雜質(zhì)量和P柱內(nèi)的雜質(zhì)量相等，因此耗盡層延伸并且完全耗盡N柱與P柱，從而支持器件耐壓。當(dāng)器件導(dǎo)通時(shí)，由于超結(jié)器件漂移區(qū)的電阻率更低，所以超結(jié)器件的導(dǎo)通電阻可以較普通器件大幅度降低。超結(jié)MOSFET器件的特征導(dǎo)通電阻較普通VDMOS器件可以降低70%左右。
[0003]影響超結(jié)器件耐壓主要有以下幾個(gè)因素:1)、超結(jié)結(jié)構(gòu)深度(厚度)；2)、超結(jié)器件中超結(jié)結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)單元尺寸(pitch) ;3)、漂移區(qū)雜質(zhì)濃度。由于漂移區(qū)的雜質(zhì)濃度降低雖然可以提供耐壓，但會(huì)增大器件導(dǎo)通電阻。因此，為增大器件耐壓，并降低器件的導(dǎo)通電阻，一般采用減小元胞尺寸，降低漂移區(qū)的電阻率，提高超結(jié)結(jié)構(gòu)深度的方式。但在實(shí)際工藝中，提高超結(jié)結(jié)構(gòu)深度會(huì)增大P柱的深寬比，增加器件制造難度和制造成本，超結(jié)結(jié)構(gòu)深度很難大幅度增加。
[0004]采用減小超結(jié)結(jié)構(gòu)的單元尺寸是目前實(shí)際產(chǎn)品中最常用的方式，超結(jié)結(jié)構(gòu)的單元尺寸是指N柱的寬度與P柱的寬度之和。減小超結(jié)結(jié)構(gòu)的單元尺寸可以減小器件耐壓時(shí)器件底部耗盡層曲率，提高器件耐壓。當(dāng)漂移區(qū)濃度增加時(shí)，器件耐壓會(huì)下降，但更小超結(jié)結(jié)構(gòu)單元尺寸的器件耐壓下降幅度也會(huì)更小。附圖5為100?200V產(chǎn)品器件不同超結(jié)結(jié)構(gòu)單元尺寸時(shí)器件耐壓與漂移層濃度之間的關(guān)系圖，明顯超結(jié)結(jié)構(gòu)單元尺寸為4 μπι的超結(jié)結(jié)構(gòu)較超結(jié)結(jié)構(gòu)單元尺寸為5 μπι的超結(jié)結(jié)構(gòu)具有更好的耐壓特性，在保證耐壓的前提下允許使用更濃的漂移區(qū)濃度，利于降低導(dǎo)通電阻。此外，更小的超結(jié)結(jié)構(gòu)單元尺寸在器件N/P載流子濃度不平衡時(shí)，也會(huì)有更好的工藝窗口。而目前600V實(shí)際產(chǎn)品中，超結(jié)結(jié)構(gòu)單元尺寸已經(jīng)從最初的16 μπι?19 μm的降低到10 μπι左右，與此同時(shí)，通過增加漂移區(qū)濃度，超結(jié)半導(dǎo)體器件的特征導(dǎo)通電阻從5 Ω.mm2降低到1.5 Ω.mm2左右。
[0005]如圖4所示，為現(xiàn)有常規(guī)具有超結(jié)結(jié)構(gòu)的MOS器件結(jié)構(gòu)圖，當(dāng)超結(jié)結(jié)構(gòu)的單元尺寸縮小到一定程度后，表面MOS結(jié)構(gòu)尺寸也必須隨著漂移區(qū)內(nèi)超結(jié)結(jié)構(gòu)單元尺寸急劇縮小。這樣的縮小會(huì)帶來很多問題，比如相鄰P型體區(qū)間JFET效益加劇，器件的導(dǎo)通電阻(Rdson)在相同耐壓要求的情況下無法進(jìn)一步下降；超結(jié)結(jié)構(gòu)單元尺寸縮小導(dǎo)致的表面MOS結(jié)構(gòu)縮小甚至無法達(dá)到工藝制造要求。中國專利ZL201080021229.3公開的超結(jié)結(jié)構(gòu)雖然可以解決超結(jié)結(jié)構(gòu)單元尺寸縮小與表面MOS結(jié)構(gòu)之間的矛盾，但由于柵極下的P柱占據(jù)了關(guān)鍵的JFET區(qū)域，使得實(shí)際產(chǎn)品導(dǎo)通電阻會(huì)大幅度上升。
[0006]同時(shí)，漂移區(qū)內(nèi)縱向超結(jié)結(jié)構(gòu)的制備難度會(huì)隨著超結(jié)結(jié)構(gòu)深寬比的增加急劇上升。如美國專利US7601597B2中提及的深溝槽刻蝕、外延填充的方式制造方式，漂移區(qū)中的P柱寬度大于等于深溝槽寬度。當(dāng)超結(jié)結(jié)構(gòu)的單元尺寸縮小時(shí)，意味著深溝槽的在相同深度下，溝槽寬度縮小，溝槽深寬比增大。更大的深寬比的溝槽在刻蝕和外延填充時(shí)都面臨更大的工藝難度，當(dāng)深溝槽深度在35 ym以上、寬度在3 ym以下時(shí)，現(xiàn)有設(shè)備和制造工藝面臨極大的挑戰(zhàn)。而在傳統(tǒng)的多次光刻、注入、外延的制造方法中，由于經(jīng)歷多次外延的熱過程，漂移區(qū)中的P型柱寬度很難做到較小尺寸。
[0007]基于上述原因，一種可以突破現(xiàn)有超結(jié)結(jié)構(gòu)尺寸與表面MOS結(jié)構(gòu)尺寸之間矛盾，適合超小超結(jié)結(jié)構(gòu)尺寸的超結(jié)器件結(jié)構(gòu)是非常必要的；同時(shí)，還需要一種對(duì)應(yīng)的超小超結(jié)結(jié)構(gòu)單元尺寸的超結(jié)器件的制造方法，在不增加工藝現(xiàn)有工藝難度和制造成本的前提下完成對(duì)超小超結(jié)結(jié)構(gòu)單元尺寸的超結(jié)器件的制造。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本實(shí)用新型的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，提供一種超結(jié)半導(dǎo)體器件，其可以有效的解決現(xiàn)有漂移區(qū)中超結(jié)結(jié)構(gòu)單元尺寸縮小與器件元胞間直接的矛盾，可以更進(jìn)一步降低器件導(dǎo)通電阻，具有更好的開關(guān)特性，可以在不增加工藝成本和工藝難度的情況下，顯著縮小超結(jié)結(jié)構(gòu)單元尺寸。
[0009]按照本實(shí)用新型提供的技術(shù)方案，所述超結(jié)半導(dǎo)體器件，包括半導(dǎo)體基板，所述半導(dǎo)體基板包括第一導(dǎo)電類型襯底以及與所述第一導(dǎo)電類型襯底鄰接的第一導(dǎo)電類型漂移區(qū)，第一導(dǎo)電類型漂移區(qū)的上表面形成半導(dǎo)體基板的第一主面，第一導(dǎo)電類型襯底的下表面形成半導(dǎo)體基板的第二主面；在第一導(dǎo)電類型漂移區(qū)內(nèi)設(shè)置若干由第一導(dǎo)電類型柱與第二導(dǎo)電類型柱交替排布構(gòu)成的超結(jié)結(jié)構(gòu)，超結(jié)結(jié)構(gòu)內(nèi)的第一導(dǎo)電類型柱、第二導(dǎo)電類型柱在第一導(dǎo)電類型漂移區(qū)內(nèi)從第一主面沿第一主面指向第二主面的方向延伸；在半導(dǎo)體基板的第一主面設(shè)置若干器件元胞，所述器件元胞包括從半導(dǎo)體基板第一主面向下延伸進(jìn)入第一導(dǎo)電類型漂移區(qū)內(nèi)的第二導(dǎo)電類型體區(qū)，其創(chuàng)新在于:
[0010]超結(jié)結(jié)構(gòu)的單元尺寸為W，其中，超結(jié)結(jié)構(gòu)中第一導(dǎo)電類型柱的寬度為Wl，超結(jié)結(jié)構(gòu)中第二導(dǎo)電類型柱的寬度為W2，ff=ffl+W2 ;器件元胞的單元尺寸為W3 ；
[0011]超結(jié)結(jié)構(gòu)中任一第二導(dǎo)電類型柱與至少一個(gè)第二導(dǎo)電類型體區(qū)相接觸，超結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)的單元尺寸W小于器件元胞的單元尺寸W3，且超結(jié)結(jié)構(gòu)中第一導(dǎo)電類型柱的寬度Wl不小于第二導(dǎo)電類型柱的寬度W2。
[0012]所述器件元胞為MOS元胞或IGBT元胞。
[0013]所述器件元胞包括柵極，所述柵極為溝槽柵或平面柵。
[0014]所述器件元胞為MOS元胞，且柵電極采用平面柵時(shí)，器件元胞包括位于第二導(dǎo)電類型體區(qū)內(nèi)的第一導(dǎo)電類型源區(qū)，在半導(dǎo)體基板的第一主面上設(shè)有絕緣介質(zhì)層以及被所述絕緣介質(zhì)層包圍的柵電極，柵電極與半導(dǎo)體基板的第一主面間有柵氧化層，在所述絕緣介質(zhì)層上淀積有源極金屬，所述源極金屬通過絕緣介質(zhì)層與柵電極絕緣隔離，且源極金屬與第一導(dǎo)電類型源區(qū)以及第二導(dǎo)電類型體區(qū)均歐姆接觸；在半導(dǎo)體基板的第二主面上設(shè)有漏極金屬，所述漏極金屬與第一導(dǎo)電類型襯底歐姆接觸。
[0015]所述“第一導(dǎo)電類型”和“第二導(dǎo)電類型”兩者中，對(duì)于N型半導(dǎo)體器件，第一導(dǎo)電類型指N型，第二導(dǎo)電類型為P型；對(duì)于P型半導(dǎo)體器件，第一導(dǎo)電類型與第二導(dǎo)電類型所指的類型與N型半導(dǎo)體器件正好相反。
[0016]本實(shí)用新型具有如下優(yōu)點(diǎn):
[0017]1、打破一般半導(dǎo)體器件中超結(jié)結(jié)構(gòu)的單元尺寸受到器件元胞限制的問題，可以在不更改器件元胞的前提下大幅度縮小超結(jié)結(jié)構(gòu)的單元尺寸，為使用更高濃度漂移區(qū)以進(jìn)一步降低器件導(dǎo)通電阻提供了可能。
[0018]2、由于相鄰兩處第二導(dǎo)電類型柱與第二導(dǎo)電類型體區(qū)交匯點(diǎn)之間的第二導(dǎo)電類型柱在長度方向上會(huì)存在一定電位差，這樣當(dāng)超結(jié)器件截至耗盡時(shí)，整個(gè)超結(jié)結(jié)構(gòu)并不同時(shí)耗盡，而是逐漸耗盡，可以有效緩解由于器件關(guān)斷過快造成的dv/dt偏大的問題。
[0019]3、由于超結(jié)結(jié)構(gòu)中的第二導(dǎo)電類型柱為深溝槽側(cè)壁側(cè)向注入形成，因此第二導(dǎo)電類型柱的寬度可以遠(yuǎn)小于第一導(dǎo)電類型柱，增加了電流流通路徑，有效降低了器件導(dǎo)通電阻。
[0020]4、本實(shí)用新型使用刻蝕寬度為W的溝槽，可以完成寬度遠(yuǎn)小于W/2的第二導(dǎo)電類型柱的制造，大幅度降