CN102064094B - 大厚度氧化层场板结构及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
一种大厚度氧化层场板结构及其制造方法，所述的方法包括以下步骤：第一步，提供硅基板，利用光刻和离子注入在该硅基板上形成掺杂区域；第二步，通过高温扩散过程将掺杂区域扩大；第三步，利用光刻和刻蚀工艺在器件有源区外侧形成由薄硅壁隔开的深沟槽阵列；第四步，利用高温氧化工艺将薄硅壁完全氧化，形成由二氧化硅壁隔开的深沟槽阵列；第五步，利用气相淀积技术在沟槽中淀积二氧化硅材料将沟槽填平；第六步，利用化学机械抛光技术将表面磨平，形成嵌入硅基板中的平面型大厚度场氧化层结构；第七步，在场氧化层上淀积一定厚度高掺杂多晶硅或金属形成场板；该大厚度氧化层场板结构包括硅基板、嵌入硅基板的大厚度场氧化层、大厚度场氧化层与器件有源区间的掺杂保护环，以及淀积在大厚度场氧化层上的高掺杂多晶硅或金属场板；它具有能有效缓解表面介质层的应力开裂，提高器件可靠性等特点。
Description
技术领域
本发明涉及一种半导体工艺制造方法，以及利用该方法获得的带保护环的平面型大厚度氧化层场板结构。
背景技术
场板是用来提高半导体元器件抗高电压击穿能力的常用终端保护结构，在高压器件中，需要在多晶硅或金属场板下形成大厚度的二氧化硅以降低场板终端的垂直电场强度，提高击穿电压。
目前使用的方法都是热生长或常压淀积二氧化硅，其存在的缺点是：前者难于生长出1700V以上高压器件所需要的大厚度二氧化硅；后者虽然可以淀积出数微米厚的二氧化硅膜，但所采用的常压淀积技术属于后道工艺，只能用于制作金属场板，而且这种工艺会在硅衬底平面上形成很高的台阶，造成金属层爬坡困难和表面介质层的应力开裂，影响成品率和器件可靠性，因此在可实现的场板氧化层厚度和击穿耐压方面仍存在很大限制。
鉴于此，需要提出一种可制作低台阶高度的大厚度二氧化硅层技术，以提高器件的高压击穿特性和可靠性。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，而提供一种有效缓解表面介质层的应力开裂，提高器件可靠性的大厚度氧化层场板结构及其制造方法。
本发明的目的是通过如下技术方案来完成的，一种大厚度氧化层场板结构的制造方法，该方法包括以下步骤：第一步，提供硅基板，利用光刻和离子注入在该硅基板上形成掺杂区域，与硅基板形成PN结保护环；第二步，通过高温扩散过程将掺杂区域扩大；第三步，利用光刻掩膜版在器件有源区外侧、包含部分保护环区域定义大厚度场氧化层区域和其中的深沟槽阵列图形，用刻蚀工艺形成由薄硅壁隔开的深沟槽阵列；第四步，利用高温氧化工艺将沟槽间的薄硅壁完全氧化，形成由二氧化硅壁隔开的深沟槽阵列；第五步，利用气相淀积技术在沟槽中淀积二氧化硅材料将沟槽填平；第六步，利用化学机械抛光技术将表面磨平，形成嵌入硅基板中的平面型大厚度场氧化层结构；第七步，在场氧化层上淀积一定厚度高掺杂多晶硅或金属形成场板。
本发明利用第一步和第二步工序，在靠器件有源区方向的厚氧化层内侧或两侧，利用离子注入和高温扩散工艺形成掺杂区域，并和硅基板间形成PN结作为保护环；该第一步和第二步工序可以在所述第三步工序前进行，也可以将其放在第六步工序后、即形成厚氧化层结构后进行。
所述利用第一步和第二步工序在厚氧化层内侧、即靠器件有源区方向，利用离子注入和高温扩散工艺形成掺杂区域，并和硅基板间形成PN结作为保护环；该掺杂区域的掺杂浓度在5e14/cm3和5e19/cm3之间，杂质为硼、磷或砷。
所述利用第三步工序形成的沟槽列阵具有合适的沟槽深度、宽度和壁厚；所述的沟槽深度范围在1微米和60微米之间、宽度范围在1微米到8微米之间、壁厚范围在0.5微米和2微米之间；列阵的轴向宽度在40微米到700微米之间。
所述利用第四步工序通过高温氧化、即干氧或湿氧将硅壁完全氧化成二氧化硅，氧化温度在1000℃至1150℃之间，时间在0.5小时至5小时之间。
所述第五步工序中通过化学气相淀积方法在沟槽中填充高纯度二氧化硅并通过高温退火致密得到高击穿强度的二氧化硅介质。
所述第六步工序中利用化学机械抛光技术将表面磨平，形成嵌入硅基板中的平面型大厚度氧化层结构。
所述的第七步工序中，在场氧化层上淀积一定厚度高掺杂多晶硅或金属形成场板；高掺杂多晶硅或金属的厚度在0.4微米和5微米之间，从器件有源区向外的轴向延伸长度在40微米到700微米之间。
一种利用如上所述的制造方法获得的带保护环的平面型大厚度氧化层场板结构，它包括硅基板、嵌入硅基板的大厚度场氧化层、大厚度场氧化层内侧、与器件有源区相邻的掺杂保护环，以及淀积在大厚度场氧化层上的高掺杂多晶硅或金属场板。
所述的场氧化层为二氧化硅层，氧化层厚度介于1微米和60微米之间，从器件有源区向外的轴向延伸长度在40微米到700微米之间。
本发明具有以下优点：它利用微机械加工中常用的深槽刻蚀技术，通过刻槽后氧化和在槽中低压淀积二氧化硅的方法，可以形成厚达数十微米的二氧化硅场氧化层，理论上可以适用于600V至20000V间的各种高压器件的终端结构；而且该氧化层嵌埋于硅基板中，多晶硅或金属场板不存在爬坡问题，并可以有效缓解表面介质层的应力开裂，提高器件的可靠性。
附图说明
图1是本发明所述的离子注入形成保护环的示意图；
图2是本发明所述光刻掩膜结合刻蚀技术在场氧区形成深沟槽的示意图；
图3是本发明所述将沟槽壁硅区完全氧化形成二氧化硅沟槽壁的示意图；
图4是本发明在二氧化硅沟槽中用低压化学气相淀积方法填充满二氧化硅的示意图；
图5是本发明将厚场氧区和其他区域通过化学机械抛光实现平面化后淀积多晶硅或金属场板形成最终结构后的示意图；
图6是另一将厚场氧区和其他区域通过化学机械抛光实现平面化后淀积多晶硅或金属场板形成最终结构后的示意图；
具体实施方式
下面结合附图对本发明作详细的介绍：图1-图6所示，本发明所述的一种带保护环的平面型大厚度氧化层场板结构的制造方法，该方法包括以下步骤：第一步，提供硅基板，利用光刻和离子注入在该硅基板上形成掺杂区域，与硅基板形成PN结保护环；第二步，通过高温扩散过程将掺杂区域扩大；第三步，利用光刻掩膜版在器件有源区外侧、包含部分保护环区域定义大厚度场氧化层区域和其中的深沟槽阵列图形，用刻蚀工艺形成由薄硅壁隔开的深沟槽阵列；第四步，利用高温氧化工艺将沟槽间的薄硅壁完全氧化，形成由二氧化硅壁隔开的深沟槽阵列；第五步，利用气相淀积技术在沟槽中淀积二氧化硅材料将沟槽填平；第六步，利用化学机械抛光技术将表面磨平，形成嵌入硅基板中的平面型大厚度场氧化层结构；第七步，在场氧化层上淀积一定厚度高掺杂多晶硅或金属形成场板。
本发明利用第一步和第二步工序，在靠器件有源区方向的厚氧化层内侧或两侧，利用离子注入和高温扩散工艺形成掺杂区域，并和硅基板间形成PN结作为保护环；该第一步和第二步工序可以在所述第三步工序前进行，也可以将其放在第六步工序后、即形成厚氧化层结构后进行。
所述利用第一步和第二步工序在厚氧化层内侧、即靠器件有源区方向，利用离子注入和高温扩散工艺形成掺杂区域，并和硅基板间形成PN结作为保护环；该掺杂区域的掺杂浓度在5e14/cm3和5e19/cm3之间，杂质为硼、磷或砷。
所述利用第三步工序形成的沟槽列阵具有合适的沟槽深度、宽度和壁厚；所述的沟槽深度范围在1微米和60微米之间、宽度范围在1微米到8微米之间、壁厚范围在0.5微米和2微米之间；列阵的轴向宽度在40微米到700微米之间。
所述利用第四步工序通过高温氧化、即干氧或湿氧将硅壁完全氧化成二氧化硅，氧化温度在1000℃至1150℃之间，时间在0.5小时至5小时之间。
本发明所述第五步工序中通过化学气相淀积方法在沟槽中填充高纯度二氧化硅并通过高温退火致密得到高击穿强度的二氧化硅介质。
本发明所述第六步工序中利用化学机械抛光技术将表面磨平，形成嵌入硅基板中的平面型大厚度氧化层结构。
本发明所述的第七步工序中，在场氧化层上淀积一定厚度高掺杂多晶硅或金属形成场板；高掺杂多晶硅或金属的厚度在0.4微米和5微米之间，从器件有源区向外的轴向延伸长度在40微米到700微米之间。
一种利用如上所述的制造方法获得的带保护环的平面型大厚度氧化层场板结构，该带保护环的平面型大厚度场氧化层结构包括硅基板、嵌入硅基板的大厚度场氧化层、大厚度场氧化层内侧、与器件有源区相邻的掺杂保护环，以及淀积在大厚度场氧化层上的高掺杂多晶硅或金属场板。
所述的场氧化层为二氧化硅层，氧化层厚度介于1微米和60微米之间，从器件有源区向外的轴向延伸长度在40微米到700微米之间。
实施例1：请参图1，本发明带保护环的平面型大厚度二氧化硅层场板结构的制造方法的第一步骤，于硅(Si)基板上通过光刻掩膜和离子注入方法形成保护环10(图中所示为P保护环)，保护环掺杂浓度在5e14/cm3和5e19/cm3之间，杂质可以为硼、磷或砷，离子注入能量在50千伏至2兆伏特之间。
请参照图2，本发明所述大厚度二氧化硅层场板结构的制造方法的第二步骤和第三步骤，利用高温工艺将保护环10掺杂区域扩大，使之与硅衬底形成3至10微米深的PN结，再利用光刻工艺在该保护环10的外侧定义厚场氧化层区域中的沟槽区，使用刻蚀方法刻出一定深度的沟槽，沟槽深度范围在1微米和60微米之间、宽度范围在1微米到8微米之间、壁厚范围在0.5微米和2微米之间。列阵的轴向宽度在40微米到700微米之间。沟槽的形状可由刻蚀的工艺条件决定并在一定范围内调节。
请按照图3，本发明所述大厚度二氧化硅层场板结构的制造方法的第四步骤，利用高温氧化方法将沟槽间的硅壁完全氧化，形成二氧化硅壁，沟槽的深度和宽度在高温氧化后将有所减小。
请参照图4，本发明所述大厚度二氧化硅层场板结构的制造方法的第五步骤，利用化学气相淀积的方法在沟槽中填充二氧化硅，形成大厚度的二氧化硅场氧化层结构20，并通过高温过程致密。
请参照图5和图6，本发明所述大厚度二氧化硅层场板结构的制造方法的第六步骤和第七步骤，先采用化学机械抛光或刻蚀工艺将表面平坦化，然后根据具体器件要求完成器件单元结构的制造，器件中的高掺杂多晶硅30或金属层40延伸覆盖大厚度的二氧化硅场氧化层结构20的区域，形成耐高压的场板结构。
本发明利用微机械加工中常用的深槽刻蚀技术，通过刻槽后氧化和在槽中低压淀积二氧化硅的方法，可以形成厚达数十微米的二氧化硅场氧化层，可以适用于各种高压器件的终端结构。而且该氧化层嵌埋于硅基板中，多晶硅或金属场板在覆盖厚氧化层时不存在爬坡问题，并可以有效缓解表面介质层的应力开裂，提高器件的可靠性。
另外，在第一步与第二步中，于平面型大厚度二氧化硅层场板内侧形成的PN深结保护环可以有效降低该处的电场强度，使电压落差更平缓，从而提供器件击穿电压。
利用本发明所提供的大厚度二氧化硅层场板结构制造方法所获得的场板结构，包括硅基板、嵌入硅基板的大厚度场氧化层、大厚度场氧化层与器件有源区间的掺杂保护环，以及淀积在大厚度场氧化层上的高掺杂多晶硅或金属场板。
以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。
Claims (10)
1.一种大厚度氧化层场板结构的制造方法，其特征在于该方法包括以下步骤：
第一步，提供硅基板，利用光刻和离子注入在该硅基板上形成掺杂区域，在硅基板上形成PN结保护环；
第二步，通过高温扩散过程将掺杂区域扩大；
第三步，利用光刻掩膜版在器件有源区外侧、包含部分保护环区域定义大厚度场氧化层区域和其中的深沟槽阵列图形，用刻蚀工艺形成由薄硅壁隔开的深沟槽阵列；
第四步，利用高温氧化工艺将沟槽间的薄硅壁完全氧化，形成由二氧化硅壁隔开的深沟槽阵列；
第五步，利用气相淀积技术在沟槽中淀积二氧化硅材料将沟槽填平；
第六步，利用化学机械抛光技术将表面磨平，形成嵌入硅基板中的平面型大厚度场氧化层结构；
第七步，在场氧化层上淀积一定厚度高掺杂多晶硅或金属形成场板。
2.根据权利要求1所述的大厚度氧化层场板结构的制造方法，其特征在于它利用第一步和第二步工序，在靠器件有源区方向的厚氧化层内侧或两侧，利用离子注入和高温扩散工艺形成掺杂区域，并和硅基板间形成PN结作为保护环；该第一步和第二步工序在所述第三步工序前进行，或将其放在第六步工序后、即形成厚氧化层结构后进行。
3.根据权利要求1或2所述的大厚度氧化层场板结构的制造方法，其特征在于利用第一步和第二步工序在厚氧化层内侧、即靠器件有源区方向，利用离子注入和高温扩散工艺形成掺杂区域，并和硅基板间形成PN结作为保护环；该掺杂区域的掺杂浓度在5e14/cm3和5e19/cm3之间，杂质为硼、磷或砷。
4.根据权利要求1或2所述的大厚度氧化层场板结构的制造方法，其特征在于利用第三步工序形成的沟槽列阵具有合适的沟槽深度、宽度和壁厚；所述的沟槽深度范围在1微米和60微米之间、宽度范围在1微米到8微米之间、壁厚范围在0.5微米和2微米之间；列阵的轴向宽度在40微米到700微米之间。
5.根据权利要求1所述的大厚度氧化层场板结构的制造方法，其特征在于利用第四步工序通过高温氧化、即干氧或湿氧将硅壁完全氧化成二氧化硅，氧化温度在1000℃至1150℃之间，时间在0.5小时至5小时之间。
6.根据权利要求1所述的大厚度氧化层场板结构的制造方法，其特征在于所述第五步工序中通过化学气相淀积方法在沟槽中填充高纯度二氧化硅并通过高温退火致密得到高击穿强度的二氧化硅介质。
7.根据权利要求1所述的大厚度氧化层场板结构的制造方法，其特征在于所述第六步工序中利用化学机械抛光技术将表面磨平，形成嵌入硅基板中的平面型大厚度氧化层结构。
8.根据权利要求1所述的大厚度氧化层场板结构的制造方法，其特征在于所述的第七步工序中，在场氧化层上淀积一定厚度高掺杂多晶硅或金属形成场板；高掺杂多晶硅或金属的厚度在0.4微米和5微米之间，从器件有源区向外的轴向延伸长度在40微米到700微米之间。
9.一种利用权利要求1所述的制造方法获得的大厚度氧化层场板结构，其特征在于该带保护环的平面型大厚度场氧化层结构包括硅基板、嵌入硅基板的大厚度场氧化层、大厚度场氧化层内侧、与器件有源区相邻的掺杂保护环，以及淀积在大厚度场氧化层上的高掺杂多晶硅或金属场板。
10.根据权利要求9所述的大厚度氧化层场板结构，其特征在于所述的场氧化层为二氧化硅层，氧化层厚度介于1微米和60微米之间，从器件有源区向外的轴向延伸长度在40微米到700微米之间。
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| Publication number | Publication date |
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| CN102064094A (zh) | 2011-05-18 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
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| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C53 | Correction of patent of invention or patent application | ||
| CB02 | Change of applicant information |
Address after: Jiaxing City, Zhejiang province 314050 Nanhu District Branch Road No. 988 (Jiaxing city) Applicant after: STARPOWER SEMICONDUCTOR Ltd. Address before: Jiaxing City, Zhejiang province 314000 Ring Road No. 18 Sidalu Applicant before: Jiaxing Starpower Semiconductor Co.,Ltd. |
|
| COR | Change of bibliographic data |
Free format text: CORRECT: APPLICANT; FROM: JIAXING STARPOWER SEMICONDUCTOR LTD. TO: JIAXING STARPOWER SEMICONDUCTOR SHARES LTD. |
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| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
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Denomination of invention: Large thickness oxidation layer field plate structure and manufacturing method thereof Effective date of registration: 20151209 Granted publication date: 20120718 Pledgee: Agricultural Bank of China Limited by Share Ltd. Jiaxing science and Technology Branch Pledgor: STARPOWER SEMICONDUCTOR LTD. Registration number: 2015990001099 |
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Date of cancellation: 20161212 Granted publication date: 20120718 Pledgee: Agricultural Bank of China Limited by Share Ltd. Jiaxing science and Technology Branch Pledgor: STARPOWER SEMICONDUCTOR LTD. Registration number: 2015990001099 |
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| PLDC | Enforcement, change and cancellation of contracts on pledge of patent right or utility model | ||
| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right |
Denomination of invention: Large thickness oxidation layer field plate structure and manufacturing method thereof Effective date of registration: 20161216 Granted publication date: 20120718 Pledgee: Agricultural Bank of China Limited by Share Ltd. Jiaxing science and Technology Branch Pledgor: STARPOWER SEMICONDUCTOR LTD. Registration number: 2016330000098 |
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| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right | ||
| PC01 | Cancellation of the registration of the contract for pledge of patent right |
Date of cancellation: 20180904 Granted publication date: 20120718 Pledgee: Agricultural Bank of China Limited by Share Ltd. Jiaxing science and Technology Branch Pledgor: STARPOWER SEMICONDUCTOR LTD. Registration number: 2016330000098 |
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| PC01 | Cancellation of the registration of the contract for pledge of patent right | ||
| CP01 | Change in the name or title of a patent holder |
Address after: 314050 No. 988 Kexing Road, Nanhu District, Jiaxing City, Zhejiang Province (Jiaxing Science and Technology City) Patentee after: Star Semiconductor Co.,Ltd. Address before: 314050 No. 988 Kexing Road, Nanhu District, Jiaxing City, Zhejiang Province (Jiaxing Science and Technology City) Patentee before: STARPOWER SEMICONDUCTOR Ltd. |
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| CP01 | Change in the name or title of a patent holder |