超結(jié)結(jié)構(gòu)工藝實(shí)現(xiàn)方式

以下文章來(lái)源于ICPMS冷知識(shí) ，作者gz07apple

在過(guò)去的二十年，MOSFET主要用作開關(guān)器件，得到了長(zhǎng)足的發(fā)展，由于它是多子器件，有相對(duì)較小的開關(guān)損耗，但其通態(tài)功耗較高，要降低通態(tài)功耗，導(dǎo)通電阻受擊穿電壓限制（導(dǎo)通電阻與擊穿電壓的2.5次方呈正比）無(wú)法再下降而存在一個(gè)極限，被稱為“硅極限（Silicon Limit）”

垂直雙擴(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體（VDMOS）是一種發(fā)展迅速、應(yīng)用廣泛的新型功率半導(dǎo)體器件。它在常規(guī)VDMOS基礎(chǔ)上，引入超結(jié)（Superjunction）結(jié)構(gòu)，使之既具有VDMOS輸入阻抗高、開關(guān)速度快、工作頻率高、電壓控制、熱穩(wěn)定性好、驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單的特性，又克服了VDMOS的導(dǎo)通電阻隨擊穿電壓急劇增大的缺點(diǎn)，提升了系統(tǒng)效率。目前超結(jié)VDMOS已廣泛應(yīng)用于電腦、手機(jī)、照明等消費(fèi)電子領(lǐng)域、服務(wù)器電源、通訊電源等工業(yè)電子領(lǐng)域、以及充電樁、車載充電器等汽車電子領(lǐng)域。

在超結(jié)VDMOS中，耐壓層由交替的高摻雜N柱和P柱構(gòu)成（右側(cè)圖為超結(jié)），且N柱和P柱中的摻雜總量相等。在導(dǎo)通狀態(tài)下，電流從源極經(jīng)N柱流到漏極，P柱中不存在導(dǎo)電通道，而在阻斷狀態(tài)下，超結(jié)VDMOS的漂移區(qū)通過(guò)P柱的輔助耗盡作用在較低漏電壓下就完全耗盡。

由于完全耗盡，P柱與N柱的等量異種電荷相互抵消而實(shí)現(xiàn)電荷平衡，電場(chǎng)在漂移區(qū)中近似于處處相等，因而擊穿電壓約等于臨界電場(chǎng)與漂移區(qū)長(zhǎng)度的乘積，這使得超結(jié)VDMOS的特征導(dǎo)通電阻與其擊穿電壓近似呈線性關(guān)系（1.32方甚至到1.03方），而不是傳統(tǒng)器件的2.5方關(guān)系，進(jìn)而可以減小導(dǎo)通電阻。

目前超結(jié)結(jié)構(gòu)主要有兩種工藝實(shí)現(xiàn)方式：多次外延工藝和深槽刻蝕加摻雜。

（一）多次外延工藝

該工藝是在N型襯底上采用多次外延方式生長(zhǎng)很厚的漂移區(qū)，每一次外延工藝均伴隨一次P型離子注入，隨后推結(jié)形成連續(xù)的P柱。制作一個(gè)約40μm深的P柱，一般需要進(jìn)行5到6次外延生長(zhǎng)和離子注入。

多次外延工藝

注意剛剛提到的方法是，通過(guò)多次外延一定濃度的N型區(qū)，然后僅僅采用單雜質(zhì)（P型）注入補(bǔ)償形成P柱。多次外延工藝實(shí)際上還有第二種方法（雙雜質(zhì)注入），是每次外延濃度較低，然后同時(shí)引入N和P型注入，分別形成超結(jié)的N柱和P柱，第二種工藝可以控制更好的均勻性，但工藝上需增加一次光刻與離子注入。

此類工藝的優(yōu)點(diǎn)是形成超結(jié)耐壓層的晶格質(zhì)量較好，缺陷與界面態(tài)少。然而為形成較好超結(jié)形貌，每次外延層厚度相對(duì)固定且較薄，外延次數(shù)將隨著器件耐壓增大而增多，導(dǎo)致成本增加。

（二）深槽刻蝕加摻雜

該工藝是在外延層上刻蝕出深溝槽，然后再對(duì)槽做內(nèi)部摻雜。摻雜的方式通常分為三種：

第一種方式是外延填充。在槽內(nèi)外延填充P型硅，然后采用化學(xué)機(jī)械拋光（CMP）實(shí)現(xiàn)平坦化；當(dāng)然也可以先在槽壁上形成薄氧化層結(jié)構(gòu)，再進(jìn)行多晶硅填充形成P柱。

第二種方式是斜角注入摻雜。采用傾斜注入方式分別在槽壁上形成N柱和P柱，這樣可以通過(guò)控制N和P型雜質(zhì)的注入劑量來(lái)實(shí)現(xiàn)電荷平衡。

第三種方式是氣相摻雜，通過(guò)對(duì)槽壁進(jìn)行氣相摻雜形成P柱。

深槽外延工藝

采用深槽刻蝕加外延填充工藝實(shí)現(xiàn)的超結(jié)耐壓區(qū)，較多次外延工藝更易實(shí)現(xiàn)較小的深寬比，同時(shí)形成的超結(jié)區(qū)摻雜分布也較均勻，有利于降低導(dǎo)通電阻。