[发明专利]超级结结构、超级结MOS晶体管及其制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种功率半导体器件，特别是涉及一种超级结半导体器件。

背景技术

超级结(super juction)结构就是交替排列的n型立柱和p型立柱的结构。如果用超级结结构来取代VDMOS(Vertical Double-diffused MOSFET，垂直双扩散MOS晶体管)器件中的n型漂移区，就形成了超级结MOS晶体管。超级结MOS晶体管能在反向击穿电压与传统的VDMOS器件一致的情况下，通过使用低电阻率的外延层，而使器件的导通电阻大幅降低。

超级结结构中，n型立柱中的n型杂质分布、p型立柱中的p型杂质分布、以及交替排列的n型立柱和p型立柱中n型杂质分布与p型杂质分布的匹配，会影响超级结半导体器件的特性，包括其反向击穿电压和电流处理能力。

一般的超级结半导体器件都采用使交替排列的n型立柱和p型立柱达到最佳电荷平衡的设计，以取得最大的反向击穿电压，但这样的条件下器件的电流处理能力不够。

为了改善电流处理能力，有一种做法是在超级结结构中使p型立柱中的p型杂质浓度在垂直于硅片表面的方向上呈现一种不均匀的分布，而n型立柱中的n型杂质浓度分布均匀。当p型立柱的宽度等于n型立柱的宽度时，使p型立柱中的p型杂质浓度在上部区域大于n型立柱中的n型杂质浓度，使p型立柱中的p型杂质浓度在在下部区域小于n型立柱中的n型杂质浓度。英飞凌(INFINEON)公司对此提出了一种具体方案。其建议将超级结结构中的p型立柱分为六段，从上部到底部采用的p型杂质浓度依次在最佳电荷平衡时的p型杂质浓度上增加30％、20％、10％、0％、-10％、-20％。

目前超级结半导体器件中的超级结结构的制造方法可以分为两大类。第一类是在一种掺杂类型的区域采用多步刻蚀、外延、离子注入工艺，每步形成立柱的一部分，多步累加在一起形成另一种掺杂类型的立柱。第二类是在一种掺杂类型的区域刻蚀沟槽，往沟槽中填充、或外延、或离子注入，一次性地形成另一种掺杂类型的立柱。

上述改善电流处理能力的超级结结构，要求p型立柱中的杂质浓度呈现多样变化。目前只能采用第一类制造方法，而无法采用第二类制造方法予以实施。第一类制造方法具有工艺成本高、生产时间长、控制难度大的缺点。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种新型的超级结结构，在保证器件的反向击穿电压的前提下，还可以提高器件在关断过程中的耐电流冲击能力。为此，本发明还要提供所述超级结结构的制造方法。

为解决上述技术问题，本发明超级结结构是在n型外延层中具有多根p型立柱，每相邻的两根p型立柱之间的n型外延层作为一根n型立柱；这样在n型外延层中便形成了交替排列的多根p型立柱和n型立柱，即超级结结构；

每根p型立柱中的掺杂浓度在纵向和横向上均呈不均匀分布，且下方的掺杂浓度小于或等于上方的掺杂浓度；

每根n型立柱中的掺杂浓度在纵向上呈不均匀分布，且下方的掺杂浓度大于或等于上方的掺杂浓度；

在超级结结构的底部，p型立柱中p型杂质总量小于n型立柱中n型杂质总量；

在超级结结构的顶部，p型立柱中p型杂质总量大于n型立柱中n型杂质总量。

将上述各结构的掺杂类型相反，本发明超级结结构仍成立。

所述p型立柱的掺杂浓度在纵向和横向上均呈不均匀分布，例如可通过这样的结构来实现：所述p型立柱在纵向上包括多段，其中从上往下的第二段结构在顶部具有一个上宽下窄的凹槽，从上往下的第一段结构就在该凹槽内，也呈上宽下窄；所述p型立柱的每一段中，p型杂质的掺杂浓度是均匀的，从上往下每一段中的掺杂浓度递减。

所述超级结结构的制造方法包括如下步骤：

第1步，利用光刻和刻蚀工艺在n型外延层中刻蚀出多个沟槽，两个相邻的沟槽之间的n型外延层就作为n型立柱；

第2步，在沟槽中分多次填充p型硅，每次填充的p型硅的掺杂浓度递增，其中倒数第二次填充的p型硅在顶部具有一个向下的凹槽，该凹槽的剖面形状为上宽下窄；

最后一次填充的p型硅在所述倒数第二次填充的p型硅的顶部凹槽内；

第3步，去除倒数第二次填充的p型硅和最后一次填充的p型硅位于n型外延层上表面之上的部分，剩余的最后一次填充的p型硅作为p型立柱的最上一段结构，剩余的倒数第二次填充的p型硅作为p型立柱从上往下的第二段结构。