CN102130161A - 功率场效应管及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种功率场效应管，包括衬底、形成在衬底上的反型衬底、形成在反型衬底内的栅极沟槽、淀积在所述栅极沟槽内的沟槽氧化物、形成在栅极沟槽内的多晶硅栅极、形成在反型衬底内且位于栅极沟槽开口侧部的源极，其中所述栅极沟槽由第一沟槽以及位于第一沟槽下方并与之连通的第二沟槽组成，第二沟槽的宽度小于第一沟槽。采用了上述形状的栅极沟槽，使得往栅极沟槽内淀积沟槽氧化物时比较容易，避免出现夹断现象，因此工程师在设计时可以增大栅极沟槽的深宽比，使得功率场效应管具有更大的击穿电压与更快的开关速度。
Description
技术领域
本发明涉及半导体器件，尤其是功率场效应晶体管及其制作方法。
背景技术
对于功率场效应管来说，击穿电压、开关速度是影响器件性能的重要因素，其中开关速度受寄生电容影响，寄生电容越小时开关速度越快。
一款常见的N型功率场效应管，如附图1所示，在N+掺杂的衬底10上形成P掺杂的反型衬底11，反型衬底11上形成栅极沟槽12，栅极沟槽12的侧壁和底部填充有沟槽氧化物13，栅极沟槽12的顶部形成有多晶硅栅极14(多晶硅栅极14与沟槽氧化物13之间还有栅氧化物，栅氧化物未示出)，栅极沟槽12开口侧部的反型衬底11上形成N+掺杂的源极15，漏极形成在衬底10上(图中未表示)。
为了同时提高器件的击穿电压、减小寄生电容，本领域惯用的手段是提高栅极沟槽12的深宽比，在某些场合下，栅极沟槽12的深宽比已经被提高到8∶1。如何填充高深宽比的栅极沟槽12是业界的难题，虽然高密度等离子体(highdensity plasma)化学气相淀积具有很强的深沟槽填充能力，但实际应用时，沟槽氧化物13中还是会形成图2中所示的空隙16。空隙的存在将严重影响器件的性能、造成产品的报废。为了保证产品的良率，栅极沟槽12的深宽比受到限制，功率场效应管的性能也因而受到限制。
发明内容
本发明通过对功率场效应管的结构以及制作方法进行改进，提供一种易于填充的栅极沟槽，以提高器件的性能。
本发明首先提出一种功率场效应管，包括衬底、形成在衬底上的反型衬底、淀积在所述栅极沟槽内的沟槽氧化物、形成在反型衬底内的栅极沟槽、形成在栅极沟槽内的多晶硅栅极、形成在反型衬底内且位于栅极沟槽开口侧部的源极，其中所述栅极沟槽由第一沟槽以及位于第一沟槽下方并与之连通的第二沟槽组成，第二沟槽的宽度小于第一沟槽。
优选的，第二沟槽与第一沟槽的宽度比为1∶(1.2～2)，例如为1∶1.5。
优选的，所述多晶硅栅极形成在第一沟槽内。
本发明还提出一种功率场效应管的制作方法，包括如下步骤：(a)提供衬底，衬底上形成反型衬底，反型衬底上形成具有第一开口的第一掩膜层；(b)以第一掩膜层为掩模，刻蚀反型衬底的一部分，形成第一沟槽；(c)在第一沟槽内以及第一开口侧壁淀积第二掩膜层，回刻第二掩膜层，使得第二掩膜层具有第二开口，第二开口的宽度小于第一开口；(d)以第二掩膜层为掩模，刻蚀反型衬底，在反型衬底内形成第二沟槽，去除第一掩膜层以及第二掩膜层，所述第一沟槽以及第二沟槽形成栅极沟槽。
优选的，去除第一掩膜层以及第二掩膜层之后还包括衬底晶格修复工艺，所述衬底晶格修复工艺包括通过热氧化工艺，在栅极沟槽的底部以及侧壁、反型衬底的表面生长牺牲氧化层，然后采用湿法刻蚀去除牺牲氧化层。
优选的，所述衬底晶格修复工艺之后还包括在栅极沟槽内淀积沟槽氧化物的工艺，所述淀积沟槽氧化物包括三个步骤，其中，第一步的淀积速率高于第二步与第三步，第一步的D/S值高于第二步与第三步，第一步的腔室气体为O2、SiH4、He；第二步以及第三步的腔室气体为O2、SiH4、Ar。
由于上述技术方案的采用，使得往栅极沟槽内淀积沟槽氧化物时比较容易，避免出现夹断现象(夹断是指栅极沟槽的槽口提前封闭，导致栅极沟槽内出现空隙)，因此工程师在设计时可以增大栅极沟槽的深宽比，使得功率场效应管具有更大的击穿电压与更快的开关速度。
附图说明
通过附图中所示的本发明的优选实施例的更具体说明，本发明的上述及其它目的、特征和优势将更加清晰。在全部附图中相同的附图标记指示相同的部分。并未刻意按实际尺寸等比例缩放绘制附图，重点在于示出本发明的主旨。
图1为现有技术中一款n型功率场效应管的结构图；
图2显示了现有技术中形成在沟槽氧化物中的空隙；
图3a至3j为本发明的制作方法原理图。
具体实施方式
本发明旨在提供一种改进的功率场效应管及其制作方法，以使得栅极沟槽更易填充，栅极沟槽的深宽比能够做大、器件的性能能够得到提高。
一种功率场效应管的制作方法，包括如下步骤：(a)提供衬底，衬底上形成反型衬底，反型衬底上形成具有第一开口的第一掩膜层；(b)以第一掩膜层为掩模，刻蚀反型衬底的一部分，形成第一沟槽；(c)在第一沟槽内以及第一开口侧壁淀积第二掩膜层，回刻第二掩膜层，使得第二掩膜层具有第二开口，第二开口的宽度小于第一开口；(d)以第二掩膜层为掩模，刻蚀反型衬底，在反型衬底内形成第二沟槽，去除第一掩膜层以及第二掩膜层，所述第一沟槽以及第二沟槽形成栅极沟槽；(e)衬底晶格修复；(f)淀积沟槽氧化物。
下面，以形成N型的功率场效应管为例，参照附图对上述制作方法进行详细描述。
(a)提供衬底，衬底上形成反型衬底，反型衬底上形成具有第一开口的第一掩膜层；
参见图3a，提供具有N型重掺杂的衬底20，在衬底20上形成P型掺杂的反型衬底21，在反型衬底21上形成第一掩膜层22，在第一掩膜层22上旋涂光刻胶层23并图案化该光刻胶层23。
参见图3b，以光刻胶层23为掩模干法刻蚀第一掩膜层22，在第一掩膜层22上形成第一开口220，灰化法去除光刻胶层23，最终形成图3b所示的结构。该第一开口220可以为宽度为1.5um的长方体形，图3b中仅显示出长方体的宽度以及高度，长度方向为与纸面垂直的方向，长度尺寸大于宽度尺寸。
其中，第一掩膜层22的材质可以是氮化硅。
(b)以第一掩膜层为掩模，刻蚀反型衬底的一部分，形成第一沟槽；
参见图3c，以第一掩膜层22为掩模，干法刻蚀反型衬底21的一部分，形成第一沟槽211，第一沟槽211并未穿透反型衬底21。该第一沟槽211可以为宽度为1.5um、深度为1um的长方体形。
(c)在第一沟槽内以及第一开口侧壁淀积第二掩膜层，回刻第二掩膜层，使得第二掩膜层具有第二开口，第二开口的宽度小于第一开口；
参见图3d，在第一沟槽211内以及第一开口220侧壁淀积第二掩膜层24，所述第二掩膜层24还淀积在第一掩膜层22表面。所述第二掩膜层24优选与第一掩膜层具有不同材质，例如可以为二氧化硅，可以以TEOS(正硅酸乙酯)为原料，采用化学气相淀积工艺形成第二掩膜层24。所述第二掩膜层24没必要填满第一开口220，只要在第一开口220的侧壁附着足够厚度即可。
参见图3e，对第二掩膜层24采用回刻(etch back)工艺，使得第二掩膜层24具有第二开口240，第二开口240的宽度小于第一开口220，例如为宽度1um，第二开口240的长度等于第一开口220。此时第一开口220侧壁上的第二掩膜层24的厚度为0.25um，相应来说，图3d中第二掩膜层24的厚度需大于0.25um，以使得第二掩膜层24回刻之后还有足够的厚度剩余。
(d)以第二掩膜层为掩模，刻蚀反型衬底，在反型衬底内形成第二沟槽，去除第一掩膜层以及第二掩膜层，所述第一沟槽以及第二沟槽形成栅极沟槽；
参见图3f，以第二掩膜层24为掩模，继续干法刻蚀反型衬底21，直至出露衬底20，形成第二沟槽212，第二沟槽可以具有7um的深度。
参见图3g，用两次湿法刻蚀去除第二掩膜层24、第一掩膜层22，所述第一沟槽211以及第二沟槽212即形成栅极沟槽210。所述栅极沟槽210具有8um的深度，位于下方的第二沟槽212具有7um深度、1um宽度，位于上方的第一沟槽211具有1um深度、1.5um宽度。
(e)衬底晶格修复；
参见图3h，采用热氧化工艺，在栅极沟槽210的底部以及侧壁、反型衬底21的表面生长牺牲氧化层25，此牺牲氧化层25的成分为二氧化硅。
参见图3i，采用湿法刻蚀去除牺牲氧化层25。此处进行衬底晶格修复的目的是弥补之前的干法刻蚀对反型衬底、衬底造成的晶格损伤。在除去牺牲氧化层25之后，栅极沟槽210的宽度会增大，在生产工艺中需要综合考虑。
(f)淀积沟槽氧化物。
采用高密度等离子体化学气相淀积往栅极沟槽210内淀积沟槽氧化物26，该沟槽氧化物26可以为二氧化硅。该淀积过程分为三步：
第一步，淀积速率高于第二步，例如为20～22K
/min，例如20.5K
/min；D/S值(净沉积速率与毯覆式溅射速率之和/毯覆式溅射速率)高于第二步，例如为25～35；腔室气体为O2、SiH4、He；直至反型衬底21上淀积至17～20K的厚度，此时栅极沟槽210的侧壁上附着的沟槽氧化物26的厚度低于2K
(单侧)。这一步主要的目的是确保栅极沟槽的拐角处被填满沟槽氧化物。如果一直采用该沉积速率，栅极沟槽开口处容易提前闭合，进而导致空隙的产生。
第二步，淀积速率为10～15K
/min，例如12K
/min；D/S值为5～15；腔室气体为O2、SiH4、Ar；直至反型衬底21上又淀积13～17K的厚度，此时栅极沟槽210的侧壁上附着的沟槽氧化物的厚度为2.5～4K
。这一步的目的是通过提高毯覆式溅射速率，避免栅极沟槽开口提前闭合，确保没有空隙产生，采用Ar取代He的目的正是为了利用Ar的溅射能力。
第三步，淀积速率与第二步相同或略小，例如10K
/min；D/S值为5～15；腔室气体为O2、SiH4、Ar；直至反型衬底21上又淀积10～15K
的厚度，完成栅极沟槽210的填充。设置该第三步的原因是防止产品长期处于反应腔中导致温度过高而失效，产品从第二步的腔室转移到第三步的腔室，经历了自然冷却过程，确保整个淀积过程中温度不超过650℃。
在上述淀积过程中，因为第一沟槽211具有较大的开口，使得沟槽氧化物26的淀积更加容易，淀积的过程中，栅极沟槽210的开口不易提前闭合，因此，相对现有技术可以采用更大的深宽比。
之后，还可以包括以下工艺：通过CMP去除反型衬底21表面的沟槽氧化物26、出露反型衬底21；回蚀沟槽氧化物26、形成凹槽；在凹槽的槽底、槽壁生长栅氧化层(图3j中未显示)；在凹槽中填充多晶硅形成多晶硅栅极27；掺杂形成源极28等步骤，最终形成的功率场效应管的结构如图3j所示，与现有技术相比，栅极沟槽210由第一沟槽211、位于第一沟槽211下方的第二沟槽212组成，第二沟槽212的宽度小于第一沟槽211，作为优选的第二沟槽与第一沟槽的宽度比为1∶(1.2～2)，优选为1∶1.5。多晶硅栅极27可以形成在第一沟槽212内，如此，多晶硅栅极27相比现有技术具有更加宽的尺寸，可以减小源漏之间的开启电阻、缩短器件的开启时间。
本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定权利要求，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改，因此本发明的保护范围应当以本发明权利要求所界定的范围为准。
Claims (9)
1.一种功率场效应管，包括衬底、形成在衬底上的反型衬底、形成在反型衬底内的栅极沟槽、淀积在所述栅极沟槽内的沟槽氧化物、形成在栅极沟槽内的多晶硅栅极、形成在反型衬底内且位于栅极沟槽开口侧部的源极，其特征在于：所述栅极沟槽由第一沟槽以及位于第一沟槽下方并与之连通的第二沟槽组成，第二沟槽的宽度小于第一沟槽。
2.根据权利要求1所述的功率场效应管，其特征在于：第二沟槽与第一沟槽的宽度比为1∶(1.2～2)。
3.根据权利要求2所述的功率场效应管，其特征在于：第二沟槽与第一沟槽的宽度比为1∶1.5。
4.根据权利要求1所述的功率场效应管，其特征在于：所述多晶硅栅极形成在第一沟槽内。
5.一种功率场效应管的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：
(a)提供衬底，衬底上形成反型衬底，反型衬底上形成具有第一开口的第一掩膜层；
(b)以第一掩膜层为掩模，刻蚀反型衬底的一部分，形成第一沟槽；
(c)在第一沟槽内以及第一开口侧壁淀积第二掩膜层，回刻第二掩膜层，使得第二掩膜层具有第二开口，第二开口的宽度小于第一开口；
(d)以第二掩膜层为掩模，刻蚀反型衬底，在反型衬底内形成第二沟槽，去除第一掩膜层以及第二掩膜层，所述第一沟槽以及第二沟槽形成栅极沟槽。
6.根据权利要求5所述的制作方法，其特征在于：第一掩膜层的材质为氮化硅。
7.根据权利要求5所述的制作方法，其特征在于：第二掩膜层的材质为氧化硅。
8.根据权利要求5所述的制作方法，其特征在于：去除第一掩膜层以及第二掩膜层之后还包括衬底晶格修复工艺，所述衬底晶格修复工艺包括通过热氧化工艺，在栅极沟槽的底部以及侧壁、反型衬底的表面生长牺牲氧化层，然后采用湿法刻蚀去除牺牲氧化层。
9.根据权利要求8所述的制作方法，其特征在于：所述衬底晶格修复工艺之后还包括在栅极沟槽内淀积沟槽氧化物的工艺，所述淀积沟槽氧化物包括三个步骤，其中，第一步的淀积速率高于第二步与第三步，第一步的D/S值高于第二步与第三步，第一步的腔室气体为O2、SiH4、He；第二步以及第三步的腔室气体为O2、SiH4、Ar。
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