CN101814436A

CN101814436A - 纵向高压深槽半导体管的制备方法

Info

Publication number: CN101814436A
Application number: CN200910185330A
Authority: CN
Inventors: 易扬波; 李海松; 王钦; 刘侠; 陶平
Original assignee: Suzhou Poweron IC Design Co Ltd
Current assignee: Suzhou Poweron IC Design Co Ltd
Priority date: 2009-11-05
Filing date: 2009-11-05
Publication date: 2010-08-25

Abstract

一种纵向高压硼扩散深槽半导体管的制备方法，该器件的漂移区是P型半导体区和N型半导体区交替排列的形式，漂移区中的P型半导体是通过深槽刻蚀工艺后，向深槽内填充硼磷硅玻璃，然后经过将表面的硼磷硅玻璃刻蚀除去，接着经过退火工艺使硼磷硅玻璃中的硼杂质和磷杂质扩散到深槽侧壁及底部的硅中，由于硼磷硅玻璃中的硼杂质含量远远高于磷杂质含量，因此，使得深槽侧壁及底部的这部分半导体区域变为P型掺杂半导体区。这种方法工艺可控性高、工艺成本低，制作出来的器件的性能高。

Description

纵向高压深槽半导体管的制备方法

技术领域：

本发明涉及一种硅制高压功率金属氧化物半导体器件的制备方法，更准确的讲，涉及一种硅制纵向高压深槽金属氧化物半导体场效应管的制备方法。

背景技术：

目前，功率器件在日常生活、工业生产等领域的应用越来越广泛，特别是功率金属氧化物半导体场效应晶体管，它较功率双极型器件更具有优势。在功率应用中使用功率金属氧化物半导体管具有以下好处：首先是驱动电路，功率金属氧化物半导体管的驱动电路比较简单。双极型晶体管可能需要多达20％的额定集电极电流以保证饱和度，而金属氧化物半导体管需要的驱动电流则小得多，而且通常可以直接由互补型金属氧物半导体晶体管或者集电极开路晶体管-晶体管逻辑驱动电路驱动。其次，金属氧化物半导体管的开关速度比较迅速，金属氧化物半导体管是一种多数载流子器件，能够以较高的速度工作，因为没有电荷存储效应。其三，金属氧化物半导体管没有二次击穿失效机理，它在温度越高时往往耐力越强，而且发生热击穿的可能性越低。它们还可以在较宽的温度范围内提供较好的性能。此外，金属氧化物半导体管具有并行工作能力，具有正的电阻温度系数。温度较高的器件往往把电流导向其它金属氧化物半导体管，允许并行电路配置。而且还有一个好处是，金属氧化物半导体管的漏电极和源极之间形成的寄生二极管可以充当箝位二极管，在电感性负载开关中特别有用。因此，研究出性能更好的功率金属氧化物半导体管是众多研究者们的重点课题。如今，功率器件正向着提高工作电压、增大工作电流、减小导通电阻和集成化的方向快速发展。但是在传统的功率器件中，对于理想的N沟道功率半导体管(器件的导通电阻只考虑漂移区的导通电阻)，导通电阻和击穿电压之间存在一个2.5次方的关系，导通电阻受击穿电压限制而存在一个极限——称之为“硅限”(Silicon Limit)，而无法再继续降低。在现有技术中，有人提出采用P型、N型硅半导体材料柱状相互交替排列的结构取代传统功率金属氧化物半导体管中的漂移区结构，这种结构的漂移区浓度可以比同等耐压水平的传统功率金属氧化物半导体管的漂移区浓度高一个数量级左右，因此，这种器件的导通电阻较小。

目前，在现有技术中，这种漂移区采用P型、N型硅半导体材料柱状相互交替排列的结构的功率金属氧化物半导体管的制备方法是在硅材料上采用多次外延离子注入工艺的方法，但是这种工艺难度很大，并且涉及到版对准难、P型半导体区和N型半导体区相互扩散严重等一系列问题，使得使用多次外延离子注入这种工艺得到的器件的性能并不好，而且成本也很高，不利于器件的市场推广。在现有技术中，也有人提出在N型外延层中刻蚀深槽，然后在深槽中填充含有P型杂质的硅半导体，但是由于在制备高压器件中，槽很深，在槽填充的工艺过程中，容易在深槽中形成空洞，从而影响器件的可靠性。也有人提出在深槽刻蚀后，在深槽的侧壁及底部先填充P型掺杂的多晶硅，然后利用热退火工艺，使多晶硅中的P型杂质扩散到深槽侧壁及底部的硅中，接着将多晶硅刻蚀掉，最后在深槽中填满二氧化硅，但是这种方法同样带来一个难题：深槽侧壁上的多晶硅难以刻蚀掉，并且工艺复杂。

发明内容：

针对现有硅制漂移区PN间隔结构的纵向双扩散金属氧化物半导体场效应晶体管的结构的制备方法上遇到的问题，本发明提出了一种用槽刻蚀和槽填充工艺制作的纵向高压深槽半导体管的制备方法，这种方法工艺可控性高、工艺成本低，制作出来的器件的性能高。

本发明采用如下技术方案：

一种纵向高压深槽半导体管的制备方法，包括如下步骤：首先取一块N型掺杂类型半导体衬底，然后在N型掺杂类型半导体衬底上生长N型掺杂类型半导体外延层，接着在N型掺杂类型半导体外延层上生成间隔距离相等的P型掺杂半导体区，接着从P型掺杂半导体区向N型掺杂类型半导体外延层刻蚀并形成深槽，深槽穿过P型掺杂半导体区，接着向深槽中填充熔融的硼磷硅玻璃，接着将表面多余的硼磷硅玻璃去除，然后采用热退火工艺，使得硼磷硅玻璃中的硼杂质和磷杂质扩散进入到深槽底部及侧壁的硅中，在深槽底部及侧壁上形成P型掺杂半导体区，同时硼磷硅玻璃变成掺杂浓度很低的二氧化硅介质层，接着在P型掺杂半导体区中生成N型掺杂半导体源区，最后依次生成栅氧化层，多晶硅栅和金属层。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

1、本发明结构的漂移区也采用了P型掺杂和N型掺杂半导体区横向相互交替排列的形式，使得该器件结构的导通电阻低于同样耐压等级的传统功率金属氧化物半导体管。

2、本发明采用了深槽刻蚀和填充工艺，在深槽刻蚀完成之后，将熔融的硼磷硅玻璃填充到深槽中，然后经过化学气相抛光将表面的硼磷硅玻璃刻蚀除去，然后经过退火推阱工艺使硼磷硅玻璃中的硼杂质和磷杂质扩散到深槽侧壁及底部的硅中，由于硼磷硅玻璃中的硼杂质含量远远高于磷杂质含量，因此，使得深槽侧壁及底部的这部分半导体区域变为P型，这种制备方法克服了使用多次外延离子注入这种传统工艺会导致所制备出来的功率金属氧化物半导体管的漂移区中N型半导体区和P型半导体区之间相互扩散严重的问题，从而提高了器件的性能。

3、在本发明的制备方法中，向深槽中填充的是熔融的硼磷硅玻璃，熔融态硼磷硅玻璃的流动性比多晶硅好，因此在填充的过程中，熔融态的硼磷硅玻璃在深槽侧壁上不会发生粘滞现象，硼磷硅玻璃不会流入不到深槽底部而在深槽侧壁顶部积累导致将深槽口封住，因此在深槽填充过程中不会发生深槽中的“空洞”现象，提高了器件的可靠性。

4、在本发明的制备方法中，漂移区中的P型掺杂半导体区的浓度可以由硼磷硅玻璃的成分来源中硼源材料的含量来决定。现有公知技术中硼磷硅玻璃的成分来源主要有四个部分：硅源、氧源、硼源和磷源，工业中可以通过调节这四种成分来源来控制硼磷硅玻璃中的杂质含量情况。因此，硼磷硅玻璃中的硼源材料的含量可以精确控制，使得漂移区中P型掺杂半导体区的浓度可以控制，所以该制备方法的工艺可控性强。

5、在本发明的制备方法中，经过热退火工艺之后的硼磷硅玻璃变成了低掺杂浓度的二氧化硅，二氧化硅可以留在深槽内作为介质层，不需要刻蚀等工艺，从而降低了工艺的成本。

附图说明

图1所示的是在高浓度N型掺杂类型半导体衬底上生成了一层N型掺杂类型外延层。

图2所示的是通过离子注入和扩散工艺，在N型掺杂类型外延层上生成P型掺杂类型半导体区。

图3所示的是通过深槽刻蚀工艺生成穿过P型掺杂类型半导体区的深槽。

图4所示的是通过填充工艺在深槽中填充熔融的硼磷硅玻璃。

图5所示的是通过热退火推阱工艺使得硼磷硅玻璃中硼杂质和磷杂质扩散到深槽的侧壁和底部的硅中，由于硼磷硅玻璃中的硼杂质含量远远高于磷杂质含量，因此，使得深槽侧壁及底部的这部分半导体区域变为P型半导体区。

图6所示的通过离子注入及退火工艺生成N型掺杂类型半导体源区。

图7所示的是N型掺杂类型半导体源区生成后的器件俯视示意图。

图8所示的是用传统的纵向双扩散金属氧化物半导体晶体管的工艺步骤生成栅氧化层、多晶硅栅及金属层，得到最终结构。

具体实施方式

实施例1

参照图1-8，一种纵向高压深槽半导体管的制备方法，包括如下步骤：

如图1所示：取一块N型掺杂衬底，通过公知的外延生长工艺生长N型外延层。

如图2所示，使用掩膜版42，采用公知的离子注入和退火工艺形成P型掺杂半导体区4。

如图3所示，通过公知的深槽刻蚀工艺在N型外延层2中形成深槽51。

如图4所示，然后将熔融态的硼磷硅玻璃19填充到深槽中。

如图5所示，然后经过公知的化学气相抛光工艺将器件表面的硼磷硅玻璃去除，然后经过公知的退火推阱工艺使硼磷硅玻璃中的硼杂质和磷杂质扩散到深槽侧壁及底部的硅中，由于硼磷硅玻璃中的硼杂质含量远远高于磷杂质含量，因此，使得深槽侧壁及底部的这部分半导体区域变为P型，同时形成了P型掺杂半导体区3和二氧化硅介质层9。

如图6所示，接着使用掩膜版71，采用公知的离子注入工艺在半导体区4中生成N型掺杂半导体源区5。此时，器件的俯视图如图7所示。

如图8所示，按照传统的纵向双扩散金属氧化物半导体晶体管的工艺步骤生成栅氧化层、多晶硅栅、金属接触电极和钝化层，形成最终器件结构。

所述的硼磷硅玻璃19的成分来源中硼源材料(TEB)的含量远远高于磷源材料(TEPO)的含量。

所述的P型掺杂半导体区3的宽度和退火工艺的时间有关，退火推阱工艺的时间越长，P型掺杂半导体区3的宽度越宽。

所述的P型掺杂半导体区3中P型杂质的含量和硼磷硅玻璃19的成分来源中硼源材料(TEB)和磷源材料(TEPO)的含量有关，硼源材料的含量越高，P型掺杂半导体区3中的P型杂质含量越高。磷源材料(TEPO)的含量越低，P型掺杂半导体区3中的P型杂质含量越高。

所述的P型掺杂半导体区3的受主杂质为硼。

所述的多晶硅栅7可以是断开的，也可以是不断开的。

所述的P型掺杂半导体区3和二氧化硅介质层9构成的整体在器件的横向方向上的间隔距离是相等的。

实施例2

取一块N型掺杂衬底，通过公知的外延生长工艺生长N型外延层。N型外延的浓度为1015cm-3，然后使用掩膜版42，采用公知的离子注入和退火工艺形成P型掺杂半导体区4，然后通过公知的深槽刻蚀工艺在N型外延层2中形成深槽51。然后将熔融态的硼磷硅玻璃19填充到深槽中。并且硼磷硅玻璃19中的磷源的含量控制在1014以内，磷源的含量略微高于，可以取，然后经过公知的化学气相抛光工艺将器件表面的硼磷硅玻璃去除，然后经过公知的退火推阱工艺使硼磷硅玻璃中的硼杂质和磷杂质扩散到深槽侧壁及底部的硅中，使得深槽侧壁及底部的这部分半导体区域变为P型，同时形成了P型掺杂半导体区3和二氧化硅介质层9。接着在半导体区4中生成N型掺杂半导体源区5。然后按照传统的纵向双扩散金属氧化物半导体晶体管的工艺步骤生成栅氧化层、多晶硅栅、金属接触电极和钝化层，形成最终器件结构。

Claims

1.一种纵向高压深槽半导体管的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：首先取一块N型掺杂类型半导体衬底(1)，然后在N型掺杂类型半导体衬底(1)上生长N型掺杂类型半导体外延层(2)，接着在N型掺杂类型半导体外延层(2)上生成间隔距离相等的P型掺杂半导体区(4)，接着从P型掺杂半导体区(4)向N型掺杂类型半导体外延层(2)刻蚀并形成深槽(51)，深槽(51)穿过P型掺杂半导体区(4)，接着向深槽(51)中填充熔融的硼磷硅玻璃(19)，接着将表面多余的硼磷硅玻璃去除，然后采用热退火工艺，使得硼磷硅玻璃中的硼杂质和磷杂质扩散进入到深槽底部及侧壁的硅中，在深槽底部及侧壁上形成P型掺杂半导体区(3)，同时硼磷硅玻璃变成掺杂浓度很低的二氧化硅介质层(9)，接着在P型掺杂半导体区(4)中生成N型掺杂半导体源区(5)，最后依次生成栅氧化层(6)，多晶硅栅(7)和金属层(8)。

2.根据权利要求1所述的纵向高压深槽半导体管的制备方法，其特征在于熔融的硼磷硅玻璃(19)的成分来源中硼源材料(TEB)的含量高于磷源材料(TEPO)的含量。

3.根据权利要求1所述的纵向高压深槽半导体管的制备方法，其特征在于P型掺杂半导体区(3)的宽度和退火工艺的时间有关，退火推阱工艺的时间越长，P型掺杂半导体区(3)的宽度越宽。

4.根据权利要求1所述的纵向高压深槽半导体管的制备方法，其特征在于P型掺杂半导体区(3)中P型杂质的含量和硼磷硅玻璃(19)的成分来源中硼源材料(TEB)和磷源材料(TEPO)的含量有关，硼源材料的含量越高，P型掺杂半导体区(3)中的P型杂质含量越高，磷源材料(TEPO)的含量越低，P型掺杂半导体区(3)中的P型杂质含量越高。

5.根据权利要求1所述的纵向高压深槽半导体管的制备方法，其特征在于P型掺杂半导体区(3)的受主杂质为硼。

6.根据权利要求1所述的纵向高压深槽半导体管的制备方法，其特征在于P型掺杂半导体区(3)和二氧化硅介质层(9)构成的整体在器件的横向方向上的间隔距离是相等的。