发明名称： 一种场效应晶体管的外延结构、 外延工艺及场效应晶体管的制作 方法 技术领域

本发明涉及半导体技术， 本发明尤其涉及一种场效应晶体管结构及其制 作方法。 背景技术

众所周知， 功率场效应晶体管的漂移层击穿电压是受制于 漂移层的掺杂 浓度和漂移层的厚度的。 而在通常情况下， 人们希望功率场效应晶体管具有 较高的击穿电压和较低的漂移层导通电阻。 较高的击穿电压要求漂移层的厚 度较大， 但较大的厚度却使得漂移层的电阻较大。

为了解决这一矛盾， 使得功率场效应晶体管即具有较高的击穿电压 ， 又 使得漂移层电阻尽可能较低， 人们开展了大量的研究、 开发工作， 力图研制 出一种即具有较高的击穿电压， 又使得漂移层的导通电阻较低的功率场效应 晶体管。

本发明揭示了一种满足这种需求的沟槽填充型 超结功率场效应晶体管的 外延结构。

釆用本发明的沟槽填充型超结功率场效应晶体 管的外延结构， 可以使得 制成的场效应晶体管具有较高的击穿电压， 同时其导通电阻也较低。 发明内容 本发明的一个目的是提供一种击穿电压较高而 导通电阻同时较小的沟槽 填充超结场效应晶体管结构。

本发明的另一个目的是提供一种击穿电压较高 而导通电阻同时较小的沟 槽填充超结场效应晶体管的制作方法。

按照本发明的一个方面， 本发明提供了一种场效应晶体管的外延结构， 其它包括： N ⁺ 衬底， 作为场效应晶体管的漏极； 形成在衬底上的 N_外延层； 形成在 N-外延层中沟槽， 并且沟槽中填充有 P 外延层； 形成在 P-外延层中的 P ⁺ 阱； 形成在 P ⁺ 阱中的 N ⁺ 源区； 以及形成在 P-沟槽以外区域的 N-外延层上的 多晶硅栅极， 其中， N_外延层的掺杂浓度从 N+衬底向着远离衬底的方向是緩 变的。

在按照本发明的第一个方面中的场效应晶体管 的外延结构中， N_外延层 的厚度可以是 30μιη - 60μιη, 并且 Ν-外延层的掺杂浓度在 30μιη - 60μιη的厚 度范围内， 从 Ν ⁺ 衬底向着远离衬底的方向， 从 4.9e ¹⁵ -9.5e ¹⁵ 的起始浓度线性 緩变到起始浓度的 1.15倍。

在按照本发明第一个方面中的场效应晶体管的 外延结构中， 填充有 P_外 延层的沟槽的边缘相对于垂直于衬底顶面有一 个倾斜角， 并且倾斜角使得沟 槽呈现位于 N ⁺ 衬底的一侧较窄而远离 N ⁺ 衬底的一侧较宽的形状。

在按照本发明第一个方面中的场效应晶体管的 外延结构中， 沟槽的倾斜 角是 85 - 89度。

在按照本发明第一个方面中的场效应晶体管的 外延结构中，在 N—外延层 和多晶硅栅极之间，还形成有一层栅氧化层， 栅氧化层的厚度是 800 - 1200A。

在按照本发明第一个方面中的场效应晶体管的 外延结构中， 沟槽的深度 为 30μηι - 50μηι。 按照本发明的第二个方面， 提供了一种制作场效应晶体管结构的外延工 艺， 它包含下述步骤： 步骤 a ): 在 N ⁺ 衬底上生长一层 Ν·外延层； 步骤 b): 在 N_外延层中刻蚀沟槽； 步骤 c ): 在沟槽中填充 P 外延层； 步骤 d ): 在由 步骤 c )形成的填充有 Ρ·外延层的沟槽以外区域的 Ν·外延层表面上， 形成一 层栅氧化层； 步骤 e ): 在由步骤 c )形成的栅氧化层上生长一层重掺杂的 N ⁺ 多晶硅层， 或者在淀积一层非掺杂的多晶硅之后在非掺杂 的多晶硅中注入杂 质以形成 N ⁺ 多晶硅栅极； 步骤 f ): 在形成的 F外延层中进行 P ⁺ 阱的注入和 退火； 步骤 g ): 在形成的 P+阱中进行 N ⁺ 源区的注入和退火； 以及步骤 h ): 在所形成的 P+阱上方形成金属源极，并在 N ⁺ 衬底上进行金属铝的淀积以形成 漏极，其中， N-外延层中的掺杂浓度从 N ⁺ 衬底向着远离衬底的方向是緩变的。

在按照本发明第二个方面的制作场效应晶体管 结构的外延工艺中， N_外 延层的厚度是 30μιη - 60μιη, 并且 外延层的掺杂浓度在 30μιη - 60μιη的厚 度范围内， 从 Ν ⁺ 衬底向着远离衬底的方向， 从 4.9e ¹⁵ -9.5e ¹⁵ 的起始浓度线性 緩变到该起始浓度的 1.15倍。

在按照本发明第二个方面的制作场效应晶体管 结构的外延工艺中， 在步 b )对 Ν·外延层进行沟槽刻蚀之前， 还包括首先在 Ν·外延层上生长一层氧 化层， 然后再以所形成的氧化层为掩膜板， 进行沟槽的刻蚀。

在按照本发明第二个方面的制作场效应晶体管 结构的外延工艺中， 在完 成步骤 c )对沟槽进行了 Ρ_外延层的填充之后和在进行步骤 d )形成栅氧化层 之前， 还包括下述步骤：

步骤 c - 1 ): 采用 CMP 即化学机械平坦化技术或硅回刻技术， 对经 P- 外延层填充后的衬底表面进行平坦化处理； 以及

步骤 c - 2 ): 生长一层牺牲氧化层， 然后再去除所生长的牺牲氧化层， 以 便使器件表面更清洁。

在按照本发明第二个方面的制作场效应晶体管 结构的外延工艺中， 栅氧 化层的厚度是 800 - 1200A。

在按照本发明第二个方面的制作场效应晶体管 结构的外延工艺中， 填充 有 p-外延层的沟槽的边缘相对于垂直于衬底顶面� ��一个倾斜角， 并且倾斜角 使得沟槽呈现位于 N ⁺ 衬底的一侧较窄而远离 N ⁺ 衬底的一侧较宽的形状。

在按照本发明第二个方面的制作场效应晶体管 结构的外延工艺中， 沟槽 的倾斜角是 85 - 89度。 附图说明

图 1是高压平面功率场效应晶体管的纵向双扩散� �构示意图；

图 2示出是的所谓超结器件结构的示意图；

图 3a至 3e示出的是通过多次外延和注入方式来实现图 2所示超结器件 结构的工艺过程原理示意图；

图 4a至 4c示出的是通过沟槽刻蚀再填充工艺， 来制成超结器件结构的 工艺过程的原理示意图；

图 5a和 5b是说明 P区掺杂浓度緩变情况下进一步提高击穿电压� �原理 图；

图 6a至 6h是举例说明本发明实施例的形成变掺杂沟槽� ��充超结场效应 晶体管结构的具体工艺过程示意图；

图 7a和 7b示出的是在 N型外延层掺杂浓度恒定而深沟槽侧壁是 90度直 角的情况下， 电场在击穿时 N型外延层掺杂浓度的纵向分布图；

图 8a和 8b示出的是在 N型外延层掺杂浓度恒定而深沟槽侧壁是 89度倾 角的情况下， 电场在击穿时 N型外延层掺杂浓度的纵向分布图； 而

图 9a和 9b示出的是在 N型外延层掺杂浓度緩变而深沟槽侧壁是 89度倾 角的情况下， 电场在击穿时 N型外延层掺杂浓度的纵向分布图。 具体实施方式

如图 1 中示出的高压平面功率场效应晶体管被设计成 是一种纵向双扩散 结构。

所谓的纵向双扩散结构， 就是利用多晶硅的边缘作为掩膜来实现纵向的 双扩散， 以形成 p ⁺ 区和 n ⁺ 区。 击穿电压主要体现在 p ⁺ 区与漂移层（即 i外延 层）所形成的 PN结上。

从图 1 中可以看出， 击穿电压主要是由漂移层决定的。 为了得到较高的 击穿电压， 一种考虑是使漂移层的掺杂浓度较低， 并同时增大漂移层的厚度。

但是， 为了提高击穿电压的目的而不断降低漂移层的 掺杂浓度和不断增 大厚度， 会使得作为电流通路的漂移层电阻升高， 从而导致导通电阻的增加， 进而使得通态功耗增大。 因此， 击穿电压的提高和导通电阻的降低是一对矛 盾。

对于理想的 N沟道功率场效应晶体管， 即在导通电阻 R _ow 只考虑漂移层 电阻 R _D 的情况下， 导通电阻 R _ow 和击穿电压 ν _β 之间存在如下的关系：

?。„ = 5.93*10- ⁹ (式 Π

从上式 1 中可以看到， 导通电阻因受击穿电压的限制而存在一个称之 为 "硅限 (silicon limit)"的极限。 因而， 导通电阻是无法继续降低的。

为了突破这一极限， 可以采用图 2所示的超结器件结构。

图 2所示的所谓超结器件结构， 是其导通过程中只有多数载流子 （即电 子） 而没有少数载流子参与的过程。

这种超结结构的开关损耗和其它的金属氧化物 场效应晶体管相同， 并且 这种超结结构的电压支持层的掺杂浓度对于相 同的击穿电压来说可以提高将 近一个数量级。

此外， 由于垂直方向上插入了 p型区， 可以补偿过量的电流导通电荷。 在向漂移层施加反向偏置电压时， 将产生一个横向电场， 使得 p - n结耗尽。 当电压加大到一定值时， 漂移层将完全耗尽， 起到电压支持层的作用。

由于这种超结结构可以使得掺杂浓度大大提高 ， 从而在相同的击穿电压 下， 可以大大降低导通电阻 R _0N , 使之突破硅限值。

同时， 在相同击穿电压、 相同导通电阻 R _0N 的情况下， 可以使管芯面积 做得更小， 从而减小栅电荷、 提高开关频率。

另外， 由于超结结构的器件是多数载流子器件， 器件不会有双极型晶体 管的电流拖尾现象。 因此， 超结结构的器件具有较低的通态功耗和较高的 开 关速度。

在超结结构的器件中， 由于 N区和 P区中的电荷相互平衡， 使得电场分 布和传统的金属氧化物场效应晶体管中的电场 分布不同。超结结构的器件中， 临界场强几乎是恒定的。 这就使得击穿电压仅仅依赖于外延层的厚度， 而与 掺杂浓度无关，从而使得导通电阻 R _0N 与击穿电压 V _B 之间的关系由传统的平 方关系变为线性关系：

_R = cp - V _B = cp - V _B

°" lq _n E _c Q 2μ _η ε _8ί Ε

(式 2 )

上式中， cp是原胞的宽度， 是电子迁移率， E _c 是临界电场， Q代表电 荷量， s _Si 是硅 Si的电介质常数。

下面参照图 3a至图 3e,描述通过多次外延和注入方式来实现超结结 构的 过程。

首先， 在 N+衬底上， 第一次外延生长 N 层；

在所生长的 N_层上的特定区域中， 涂抹光刻胶， 并在留下的窗口中进行 硼注入;

去除光刻胶并进行退火， 退火后， 进行第二次外延生长 N-层；

然后， 在第二次外延生长的 Ν·层上， 如同前一次步骤那样， 涂抹光刻胶， 并进行第二次硼注入， 随后进行光刻胶的去除和退火。

重复上述步骤， 直至形成所需的超结结构器件。

也可以通过如同 4a和 4b所示的沟槽刻蚀再填充工艺， 来制成超结结构 器件。

首先， 在 N ⁺ 衬底上， 外延生长 N_层；

然后， 采用如同多次外延、 注入方式相同的步骤， 在 N-层上无需作进一 步刻蚀的区域上涂抹光刻胶；

接着，在没有涂抹光刻胶的区域处，进行深沟 槽刻蚀，对于击穿电压 600V 的超结结构器件， 深沟槽的深度是 30 - 50μιη;

接着， 在沟槽中， 外延生长经硼掺杂的 Ρ—区；

完成 Ρ—区生长后， 采用回刻或 CMP (化学机械平坦化）工艺， 对经 Ρ— 区生长后的 Ν_层进行抛光， 并经后续工艺后形成超结结构器件。

在上述第二种沟槽刻蚀再填充工艺中， 在深沟槽中进行 Ρ 外延层生长的 硼掺杂浓度是恒定的。 在填充硼掺杂时， 如果处理不当， 容易有空洞产生， 从而影响器件源、 漏极的漏电， 并从而影响击穿电压。 因此， 为了减少空洞 产生， 要求执行非常苛刻的工艺条件， 以确保在沟槽中进行 P 外延层填充时 不会有空洞产生， 从而确保超结结构器件的质量。

为了确保在超结结构器件的沟槽填充时尽可能 地不会有空洞产生， 可以 考虑将沟槽做成如图 4c所示的截面呈上宽下窄的形状。 实验证明， 当把沟槽 侧壁做成一个相对于垂直方向有小倾角的情况 下， 沟槽内 P—区的掺杂质量会 大大才是 ΐ¾

为了进一步提高在斜沟槽情况下， 超结结构器件的击穿电压， 我们可以 进一步考虑使得沟槽外的 Ν_区掺杂浓度呈緩变状态。

下面结合图 5a和 5b , 说明 N-区掺杂浓度緩变情况下进一步提高击穿电 压的原理。

参照图 5a所示。超结结构器件的理想击穿电压是在电� ��平衡情况下得到 的。 当偏离电荷平衡的情况下， 击穿电压会明显降低。

在理想情况下， 假设 P—区的电荷浓度为恒定值 N _P , 而 P—区的宽度为恒 定值 W _P 。 同时， 假设 N—区的电荷浓度为恒定值 N _n , 而 N—区的宽度为恒定 值 W _n 。 那么， 当达到电荷平衡时， 应该有

N _p * W _p = N _n * W _n

(式 3 )

这意味着， 在图 5a所示的上、 下各截面中， 击穿电压仅仅由 P—区和 N— 区的宽度和各自的掺杂浓度决定， 是恒定的。

下面，让我们来看看如果是在沟槽带有倾角并 且 N—区浓度是恒定时的情 况。

如图 5b所示。 当采用如图 5b所示带有倾角的沟槽并且 N—区浓度是恒定 的结构时， 如果 P—区的掺杂浓度是恒定的， 则在截面不同的位置处， 电荷的 平衡情况是不同的。

假设在图 5b所示的位置（ii )处满足等式 3 , 但在位置（iii )处， 等式 3 就不能被满足了。

为此，可以采用使 N 区外延层的掺杂浓度从衬底一侧向远离衬底的 方向 逐渐增大而作线性緩变的方式，来使得在如图 5b所示的各个截面位置处都满 足等式 3。

实验表明， 采用这种使 N—区外延层掺杂浓度呈线性緩变的方式， 在斜沟 槽的情况下， 可以满足等式 3 , 并且所制得的超结结构器件具有较高的击穿 电压。

为了更清楚地描述本发明，下面参照图 6a至 6h,举例描述本发明的一种 具体实施方式。

如图 6a所示。 首先， 在 N ⁺ 衬底上生长一定厚度的 N_外延层。 该外延层 的掺杂浓度从 N ⁺ 衬底开始向着远离 N ⁺ 衬底的方向呈线性緩变。举例来说，生 长的 Ν·外延层的厚度是 30 - 60μιη, 起始浓度是 4.9e ¹⁵ 至 9.5e ¹⁵ , 以这个浓度 线性递增至起始浓度的 1.15倍左右。

接着，如图 6b所示，在所生长的 N参杂浓度线性緩变的外延层上生长一 定厚度的氧化层， 例如， 厚度为 1 - 2μιη的氧化层。

以该氧化层为掩膜板进行深沟槽的刻蚀， 例如， 刻蚀出 30 - 50μιη的沟 槽。 所形成的沟槽呈上宽下窄的形状。 所形成的上宽下窄形状与垂直立面的 倾斜角为 85度 - 89度。

然后， 如图 6c所示， 在刻蚀所形成的沟槽中， 进行 P 型外延层的填充。 在完成沟槽 中 的 P 型外延层的填充之后 ， 采用 CMP ( Chemical-Mechanical Planarization, 化学机械平坦化 )技术或石圭回刻技术， 对进行了 P 型外延层填充后的衬底表面进行平坦化处理。

所谓的 CMP技术，是一种使用化学腐蚀及机械力对经加 工过程中的半导 体材料的表面进行平坦化处理的技术。

而硅回刻技术是在完成沟槽的刻蚀后， 由于 P 型外延层不仅会在沟槽内 生长， 也会在沟槽外生长， 此时， 可以采用化学方法 （例如试剂）或等离子 气体把沟槽外的硅刻蚀掉的一种技术。

由于 CMP技术和硅回刻技术是半导体技术中人们所熟 知的， 所以， 本文 中不再赘述。

在完成 CMP工艺或硅回刻工艺使经 P 型外延层填充后的表面平坦化之 后， 接着进行 Si0 ₂ 牺牲氧化层的生长。 在完成牺牲氧化层的生长之后， 再去 掉所生长的牺牲氧化层。这样做的目的，是因 为在经过 CMP工艺或者硅回刻 工艺后， 在器件的表面可能会有损伤或留有杂质。 而在生长了牺牲氧化层后， 再去掉所生长的牺牲氧化层， 然后在进行后续工艺， 可以使器件的表面更清 洁。

接着， 如图 6d所示， 在去掉了牺牲氧化层的器件表面上， 热生长栅氧化 层， 例如厚度是 800 - 1200 A。

在热生长所形成的栅氧化层表面上，再接着生 长一层重掺杂的 N+多晶硅 层。 或者在淀积了一层非掺杂的多晶硅后， 在非掺杂的多晶硅中注入杂质以 形成 N+多晶硅栅极。

然后， 对所形成的重掺杂的多晶硅栅极层和栅氧化层 进行光刻， 形成如 图 6e所示的器件结构。

接着， 如图 6f所示， 在所述填充的 P-外延层中进行 P+阱的注入和退火。 并且如图 6g所示， 在所形成的 P+阱中进行 N+源区的注入和退火。

在完成上述工艺后， 接着进行金属源极和栅极的光刻， 以及 P+阱接触的 注入，并进行金属铝的淀积和光刻以形成漏极 。最终得到如图 6h的器件结构。

下文中， 将参照附图 7a至 9b ,描述在沟槽截面是 90度和 89度时， 以及 掺杂浓度是恒定和緩变情况下， 沟槽型填充超结功率场效应管的击穿电压和 特征电阻的情况。

图 7a和 7b示出的是在 N—型外延层掺杂浓度恒定而深沟槽侧壁是 90度 直角的情况下， 电场在击穿时 N—型外延层掺杂浓度的纵向分布图。

图 7a中，横坐标示出的是器件的纵向距离，而纵� ��标示出的是电场强度。 图 7b中，横坐标示出的是器件的纵向距离， 而纵坐标示出的是碑掺杂的 浓度。

图 8a和 8b示出的是在 N—型外延层掺杂浓度恒定而深沟槽侧壁是 89度 倾角的情况下， 电场在击穿时 N—型外延层掺杂浓度的纵向分布图。

图 8a中，横坐标示出的是器件的纵向距离，而纵� ��标示出的是电场强度。 图 8b中，横坐标示出的是器件的纵向距离， 而纵坐标示出的是碑掺杂的 浓度。

图 9a和 9b示出的是在 N—型外延层掺杂浓度緩变而深沟槽侧壁是 89度 倾角的情况下， 电场在击穿时 N—型外延层掺杂浓度的纵向分布图。

图 9a中，横坐标示出的是器件的纵向距离，而纵� ��标示出的是电场强度。 图 9b中，横坐标示出的是器件的纵向距离， 而纵坐标示出的是碑掺杂的 浓度。

从 7a至 9b中可以看到， 当 N—型外延层的掺杂浓度是恒定的时候， 如果 沟槽壁是直角的， 由于 P 型外延层和 N—型外延层能够很好地在如图 5a和 5b 所示的水平方向上充分耗尽， 因此， 击穿电压也较高。

但是， 当侧壁具有一个小倾角时， 由于在如图 5a和 5b所示的水平方向 上很好地充分耗尽， 因此， 击穿电压较低。

然而， 从图 9a和 9b可以看到， 在 N—型外延层采用掺杂浓度緩变的情况 下， 即使沟槽的侧壁不是直角的， 在水平方向上， 随着漏极电压的增加， 由 于 P 型外延层和 N—型外延层的掺杂浓度和宽度是不同的， 也能够很好地在 如图 5a和 5b所示的水平方向上做到电荷充分耗尽。 因此， 击穿电压也较高。

模拟实验表明， 在有沟槽倾角的情况下， 如果采用 N—型外延层掺杂浓度 緩变技术， 可以使得击穿电压较高， 同时导通电阻较低， 如下表 1所示。

表 1

从上文的描述中可以看到， 在本发明中， 由于采用了掺杂浓度緩变并且 沟槽侧壁具有小的倾角这种技术， 使得 N—型外延层和 P 型外延层能够在水 平方向上很好地充分耗尽， 从而在使击穿电压提高的同时， 器件的导通电阻 也较小。

上文中， 参照附图描述了本发明的具体实施例。 但是， 本领域中的普通 技术人员能够理解， 在不偏离本发明的原理和精神的情况下， 还可以对本发 明的上述实施例作某些修改和变更。 上文中所提及的特定角度值、 特定外延 层厚度以及特定的掺杂浓度等等参数只是为了 描述本发明的方便而举的例 子， 不能将其理解为是对本发明的限制。 本领域中的普通技术人员能够理解， 仅是为了使本领域中的普通技术人员能够理解 、 实施本发明， 不应当将本发 明理解仅仅限于这些实施例。 本发明的保护范围由权利要求书所限定。