[发明专利]一种金属氧化物半导体场效应晶体管及制造方法

说明书

相关申请的交叉引用

本申请案要求对于2011年11月23日提交的美国专利申请第13/303,474号的优先权，该专利申请披露的内容通过全文引用而结合与本文中。

技术领域

本发明主要涉及功率半导体器件的单元结构、器件结构和制造过程。更具体地，本发明涉及超级结沟槽式金属氧化物半导体场效应管(Super-Junction MOSFET)的新型改良的单元结构，器件结构及其改良的制造过程。

背景技术

与传统的沟槽式金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)相比，超级结沟槽式金属氧化物半导体场效应管由于其具有更高的击穿电压和更低的漏-源电阻而更具吸引力。众所周知，超级结沟槽式金属氧化物半导体场效应管是由在重掺杂的衬底上制造交替并列的p型柱状结构和n型柱状结构相互连接构成，然而，由于其对制造过程和制造条件非常敏感，例如：由后续热处理引起p型柱状结构和n型柱状结构中掺杂物的再扩散问题；柱状结构中的陷阱电荷问题等等…所有这些都可能导致超级结沟槽式金属氧化物半导体场效应管中出现电荷不平衡的危险情况，从而使得其成品率很不稳定。尤其是在小于200V的较低偏压下，这些不利影响会随着上述柱状结构的宽度变小而变得更为显著。

现有技术(M.A.Gajda等人所著的论文“Industrialization of Resurf Stepped Oxide Technology for Power Transistor”，和Xin Yang等人所著的论文“Tunable Oxide-Bypassed Trench Gate MOSFET Breaking the Ideal Super-junction MOSFET Performance Line at Equal Column Width”)揭露了一些器件结构以克服上述关于传统超级结沟槽式金属氧化物半导体场效应管的局限，如图1A和图1B所示。需要注意的是，除了一些术语不同外(图1A中的器件结构命名为RSO：Resurf Stepped Oxide减小表面电场阶梯氧化物，而图1B中的器件结构命名为TOB：Tunable Oxide-Bypassed可调旁路氧化物)，图1A和图1B中的器件结构基本是相同的，由于其二者的外延层中都具有比传统超级结沟槽式金属氧化物半导体场效应管更高的掺杂浓度，因此二者都具有相对于传统超级结沟槽式金属氧化物半导体场效应管较低的漏-源电阻和较高的击穿电压。

再次参考图1A和图1B，二者器件结构都有一个延伸入漂移区的深沟槽，该深沟槽的侧壁和底部都衬有一层厚氧化物层。唯一的区别是，图1A中的器件结构具有单层外延层(N外延层，如图1A所示)，而图1B中的器件结构具有双层外延层(外延层1和外延层2，如图1B所示，位于重掺杂衬底上的外延层1的掺杂浓度低于靠近沟道区的外延层2)。由于p型柱状结构和n型柱状结构之间的互扩散，图1A和图1B中的器件结构都不存在电荷不平衡的问题，克服了上述传统超级结沟槽式金属氧化物半导体场效应管一个技术局限，然而，该优势只有当偏置电压小于200V的时候才能显现，这就意味着，当偏置电压大于200V时传统超级结沟槽式金属氧化物半导体场效应管具有更低的漏-源电阻。

美国专利号7,601,597揭露了一种避免前面所述的p型柱状结构和n型柱状结构中掺杂物再扩散问题的方法，如图1C所示。例如在一个N沟道沟槽式金属氧化物半导体场效应管中，在进行完包括：沟槽刻蚀之后的牺牲氧化过程、栅氧化过程、P型体区形成过程和n+源区形成过程等在内的所有扩散步骤之后，再形成p型柱状结构。

然而，这个现有技术公开的方法并不是很有效。因为，首先，根据此方法，p型柱状结构的制造是通过在形成于n型外延层中的深沟槽中生长一层额外的p型外延层；第二，在该额外的p型外延层生长完之后需要进行额外的化学机械抛光步骤来实现其表面平坦化；第三，需要进行两次沟槽刻蚀(一次浅沟槽刻蚀用于形成沟槽栅，另一次深沟槽刻蚀用于形成p型柱状结构)。所有这些费用的增加都不利于大批量生产。而且，其他因素，例如柱状结构中陷阱电荷引起的电荷不平衡的问题仍然没有得到解决。

因此，在半导体功率器件领域中，特别是对于超级结沟槽式金属氧化物半导体场效应管的设计和制造，仍需要提供一种新型的器件结构和制造方法可以解决这些困难和设计限制。

发明内容