MOS晶体管的制作方法和圆角化沟槽顶部尖角的方法
技术领域
本发明涉及半导体制作领域,尤其涉及一种沟槽型MOS晶体管的制作方法和圆角化沟槽的顶部尖角的方法。
背景技术
沟槽型MOS(trench MOS)晶体管作为一种新型垂直结构的功率器件,是在VDMOS(垂直双扩散金属-氧化物半导体场效应晶体管)的基础上发展起来的,但该结构与VDMOS相比有许多性能优点:如更低的导通电阻、低栅漏电荷密度,具有低的导通和开关损耗及快的开关速度。图1是传统沟槽型MOS晶体管的横截面图。如图中所示,传统沟槽型MOS晶体管包括半导体衬底100、设置在半导体衬底100上的漏区101、在漏区101上形成的漂移区102与在漂移区102上形成的沟道区103;在沟道区103内形成有沟槽,栅极结构形成在所述沟槽内,栅极结构包括形成在沟槽侧壁上的栅极氧化物层106以及填充满沟槽的栅极多晶硅105。栅极结构两侧形成有源区104。从所述半导体衬底100引出漏极D,所述栅极结构中的多晶硅105引出栅极G,所述源区104引出源极S。由于沟槽型MOS晶体管的沟道是垂直的,可通过缩短沟道区进一步提高其沟道密度,减小芯片尺寸。
在沟槽型MOS晶体管制作过程中,采用标准栅氧化工艺制作所述栅极结构,包括:1,进行沟槽刻蚀;2,利用热氧化工艺在沟槽内壁进行牺牲氧化层生长;3,利用湿法刻蚀工艺进行牺牲氧化层去除;4,利用沉积工艺在沟槽内壁进行栅氧化层生长。其中,在沟槽刻蚀后,沟槽侧壁的表面会有纵向条纹状的高低不平和更小面积的局部不平整(主要是由于刻蚀中的化学物理反应或是作为刻蚀沟槽的掩模的光刻胶边缘的驻波条纹造成),生长牺牲氧化层的目的是通过沟槽侧壁的氧化反应去除沟槽刻蚀表面的不平整,以保证随后生长的栅氧化层的质量。在沟槽刻蚀完成后,会在沟槽顶部形成有由沟槽的侧壁和外延层的表面构成直角,如图2所示。然而,如图3中所示,在进行牺牲氧化层生长后的沟槽的顶部的直角处会形成有86°~90°的尖角α。由于该沟槽是沟槽型MOS晶体管的栅极位置,在栅极两侧会形成高浓度掺杂的源区。若源区掺杂比较浅,所述尖角会是高浓度源区与栅氧化层的交接处。在器件通电的情况下,所述尖角会造成电场集中,易造成尖端放电而引发低击穿。为了避免这种情况,一般都将所述源区掺杂得比较深,避开这个尖角。然而,这样的操作,使得沟槽型MOS晶体管不能实施源区的浅掺杂操作,给沟槽型MOS晶体管往更小尺寸、更高密度的发展带来较大的局限,阻碍了工艺进一步的发展。
由此,势必需要一种能够消除这个尖角的方法,以使得所述沟槽型MOS晶体管能够实现更小尺寸、更高密度的发展。发明内容
本发明解决的问题是消除沟槽型MOS晶体管栅极所在的沟槽顶部的尖角,避免尖端放电的现象发生。
为解决上述问题,本发明的技术方案提供了一种沟槽型MOS晶体管的制作方法,包括:
提供半导体基底,所述半导体基底包括硅外延层;
在所述硅外延层上形成牺牲层;
在所述牺牲层上形成保护层;
刻蚀所述保护层、牺牲层和硅外延层,以在所述保护层、牺牲层中形成通孔,在所述硅外延层中形成与所述通孔连通的沟槽;
利用湿法刻蚀处理所述通孔,以去除部分的牺牲层,使得所述沟槽顶部两侧的部分硅外延层被暴露;
进行热氧化工艺,以使得沟槽顶部两侧暴露出来的硅外延层和沟槽内壁的硅外延层被氧化成氧化硅;
去除热氧化形成的氧化硅,之后在所述沟槽内形成沟槽型MOS晶体管的栅极结构。
可选的,所述牺牲层为氧化硅层,所述保护层为氮化硅层。
可选的,所述在所述保护层、牺牲层中形成通孔,在所述硅外延层中形成与所述通孔连通的沟槽的工艺包括:
在所述保护层上形成光刻胶;
利用曝光显影工艺在所述光刻胶上形成沟槽的图形;
利用具有沟槽的图形的光刻胶作为掩模,刻蚀所述保护层、牺牲层和硅外延层;
去除光刻胶。可选的,所述保护层的厚度为可选的,沟槽顶部每侧被暴露出的硅外延层的宽度为
以及另一种沟槽型MOS晶体管的制作方法,包括:
提供半导体基底,所述半导体基底包括硅外延层;
在所述硅外延层上形成保护层;
刻蚀所述保护层和硅外延层,以在所述保护层中形成通孔,在所述硅外延层中形成与所述通孔连通的沟槽;
在所述保护层上形成掩模层,所述掩模层上具有窗口,所述窗口的开口大于所述通孔的开口,且完全暴露所述通孔;
刻蚀所述保护层,以暴露出部分硅外延层;
进行热氧化工艺,以使得沟槽顶部两侧暴露出来的硅外延层和沟槽内壁的硅外延层被氧化成氧化硅;
去除热氧化形成的氧化硅,之后在所述沟槽内制作栅极结构。
可选的,所述保护层为氮化硅层。
可选的,所述保护层包括氧化硅层与位于氧化硅层上方的氮化硅层。可选的,沟槽顶部每侧被暴露出的硅外延层的宽度为
由上述沟槽型MOS晶体管的制作方法引出,本发明还包括一种圆角化沟槽顶部尖角的方法,包括:
提供硅衬底;
在硅衬底上形成牺牲层;
在所述牺牲层上形成保护层;
刻蚀所述保护层、牺牲层和硅衬底,以在所述保护层、牺牲层中形成通孔,在所述硅衬底中形成与所述通孔连通的沟槽;
利用湿法刻蚀处理所述通孔,以去除部分的牺牲层,使得所述沟槽顶部两侧的部分硅衬底被暴露;
进行热氧化工艺,以使得沟槽顶部两侧暴露出来的硅衬底和沟槽内壁的硅衬底被氧化成氧化硅;
去除热氧化形成的氧化硅。
可选的,所述牺牲层为氧化硅层,所述保护层为氮化硅层。可选的,所述保护层的厚度为可选的,沟槽顶部每侧被暴露出的硅衬底的宽度为
以及另一种圆角化沟槽顶部尖角的方法,包括:
提供硅衬底;
在所述硅衬底上形成保护层;
刻蚀所述保护层和硅衬底,以在所述保护层中的形成通孔,在所述硅衬底中形成与所述通孔连通的沟槽;
在所述保护层上形成掩模层,所述掩模层上具有窗口,所述窗口的开口大于所述通孔的开口,且完全暴露所述通孔;
刻蚀所述保护层,以部分暴露出硅衬底;
进行热氧化工艺,以使得被所述沟槽内壁和被暴露出来的硅衬底被氧化成氧化硅;
去除热氧化形成的氧化硅。
可选的,所述保护层为氮化硅层。可选的,沟槽顶部每侧被暴露出的硅衬底的宽度为
与现有技术相比,本发明具有以下优点:
在本发明的技术方案中提供的所述制作沟槽型MOS晶体管的工艺中,在硅外延层中形成好沟槽之后,在沟槽中形成栅极结构之前,将沟槽顶部的尖角进行圆角处理,消除了尖角,使得沟槽型MOS晶体管可以进行浅源区注入的沟槽型,而不会在栅极结构顶部发生尖端放电的现象。
其中,在本发明提供的一种可选方案中,所述将沟槽顶部的尖角圆角处理的方式为在硅外延层上形成牺牲层和保护层,利用刻蚀工艺在牺牲层和保护层中形成通孔,以及在硅外延层中形成连通所述通孔的沟槽,然后利用湿法刻蚀工艺去除部分牺牲层,以部分暴露所述沟槽顶部的尖角处的硅外延层,然后利用热氧化工艺进行氧化层生长,最后去除形成热氧化工艺形成的氧化层,实现将沟槽顶部的尖角圆角处理。在这种方案中,利用湿法刻蚀的各向同性实现去除沟槽顶部的牺牲层,操作简单方便。并且在本发明提供的实施例中,所述保护层为氮化硅,所述牺牲层为氧化硅,这样可以只需要增加一步湿法刻蚀,就将所述圆角处理的工艺结合在原本制作沟槽的工艺中。
在本发明的提供的另一种可选方案中,所述将沟槽顶部的尖角圆角处理的方式为硅外延层上形成保护层,利用刻蚀工艺在保护层中形成通孔,以及在硅外延层中形成连通所述通孔的沟槽,然后利用光刻工艺在所述保护层上形成掩膜层,所述掩膜层中具有完全暴露所述通孔,并且开口大于所述通孔的窗口,然后利用掩膜层作为掩模对所述保护层进行刻蚀,以部分暴露所述沟槽顶部的尖角处的硅外延层,然后利用热氧化工艺进行氧化层生长,最后去除形成热氧化工艺形成的氧化层,实现将沟槽顶部的尖角圆角处理。这种方案中能够有效率的圆角化沟槽顶部的尖角,避免了后续形成的沟槽型MOS晶体管发生尖角放电的现象。
附图说明
图1是传统的沟槽型MOS晶体管的横截面示意图;
图2至图3是现有制作沟槽型MOS晶体管的过程中产生尖角的示意图;
图4至图7为本发明的实施例一提供的制作沟槽型MOS晶体管的方法的示意图;
图8至图10为本发明的实施例一中提供的对沟槽进行热氧化生长的比较例的示意图;
图11为本发明的实施例一提供的制作沟槽型MOS晶体管的方法的示意图;
图12为本发明的实施例二提供的制作沟槽型MOS晶体管的方法的示意图。
具体实施方式
由于沟槽型MOS晶体管的栅极所在的沟槽是由等离子刻蚀工艺形成,所述沟槽的顶部具有尖锐的直角。在后续的通过热氧化工艺进行牺牲氧化层后,会在所述直角处形成尖角,而若在后续制造所述沟槽型MOS晶体管的工艺中进行浅源区注入,会由于沟槽的顶部存在尖角从而在所述沟槽型MOS晶体管中产生尖端放电的现象。这样限制了沟槽型MOS晶体管向更小尺寸、更高密度方向的发展。本发明技术方案中提供的制作沟槽型MOS晶体管的方法中提出在硅外延层中形成好沟槽之后,在沟槽中形成栅极结构之前,将沟槽顶部的尖角进行圆角处理,消除了尖角,使得沟槽型MOS晶体管可以进行浅源区注入的沟槽型,而不会在栅极结构顶部发生尖端放电的现象。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂,下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
实施例一
首先,如图4所示,提供半导体基底,所述半导体基底包括硅外延层200;为了简化视图,图4以及后续的附图中,所述半导体基底部分只示出硅外延层200的部分。
本实施例是制作沟槽型MOS晶体管,本领域技术人员能够了解的是,在半导体基底上应该具有n型重掺杂半导体衬底,作为沟槽型MOS管的漏极。所述半导体衬底一般为硅衬底,在所述半导体衬底上具有n型轻掺杂的硅外延层(漂移区)200。在后续工艺中,需要在所述n型轻掺杂的硅外延层200中形成沟槽,所述沟槽中在后续工艺中形成栅极,栅极形成好后还会在栅极两侧的形成p型掺杂的沟道区以及形成位于沟道区中的n型掺杂的源极。
接下来,如图5所示,在所述硅外延层200中形成沟槽34。
形成沟槽之前包括:在所述硅外延层200上形成氧化硅层201;在所述氧化硅层201上形成氮化硅层202。所述氧化硅层201作为牺牲层,所述氮化硅层202作为保护层。
其中,所述氧化硅层201的形成方式可以为氧化。所述氮化硅层202的形成方式可以为沉积。所述氧化硅层201的至少一个作用为缓减所述氮化硅层202对于硅外延层的应力。
所述氧化硅层201的厚度不需要太厚,本实施例中,所述氧化硅层201的厚度为氧化硅层201若小于在后续工艺中进行湿法腐蚀以暴露沟槽顶部的硅外延层200时,不利于湿法腐蚀中所使用的腐蚀液的渗透;当氧化硅层201大于会消耗太多硅外延层200,造成硅外延层200的有效厚度变薄,影响器件耐压。
继续参考图5所示,在所述硅外延层200上形成沟槽34,其具体工艺包括:
在所述氮化硅层202上形成光刻胶(未图示);利用曝光显影工艺在所述光刻胶上形成沟槽的图形;利用具有沟槽的图形的光刻胶作为掩模,刻蚀所述氮化硅层202、氧化硅层201和硅外延层200至在所述氮化硅层202和氧化硅层201中形成通孔30,以及在所述硅外延层200中形成沟槽34,所述沟槽与所述通孔连通;去除光刻胶。
为了使得沟槽34具有良好的垂直状的形貌,以保证后续工艺中在所述沟槽内形成的栅极结构的质量,本步骤中的刻蚀采用等离子体干法刻蚀工艺。所述等离子干法刻蚀工艺具有良好的各向异性,能够使得刻蚀的沟槽34的侧壁具有良好的垂直状的形貌,所述沟槽34的顶部和两侧的表面介质层(硅外延层200、氧化硅层201或者氮化硅层202的表面)均构成良好的直角。
接下来,如图6所示,部分暴露所述沟槽34顶部两侧的硅外延层200;
其中,在本实施例中,所述部分暴露所述沟槽边缘处的硅外延层200的方法为:利用湿法刻蚀工艺去除沟槽边缘处的氧化硅层201,以在硅外延层200和氮化硅层202之间形成从通孔30内壁开始向两侧延伸的缺口10,从而暴露出硅外延层200在沟槽顶部两侧边缘处的硅外延层200。
并且本步骤中的湿法刻蚀只限于刻蚀氧化硅层,由于弱酸HF具有独特的刻蚀氧化硅的特性。本步骤中采用HF去离子水溶液进行湿法刻蚀,所述湿法刻蚀仅仅刻蚀掉氧化硅层201。湿法刻蚀具有各向同性,所述HF去离子水溶液能够从沟槽侧壁处暴露出来的氧化硅层201横向对所述氧化硅层201进行刻蚀,在硅外延层200和氮化硅层202之间形成从通孔30内壁开始向两侧延伸的缺口10,而使得沟槽顶部的硅外延层200被暴露出来,形成图6所示的形貌。所述湿法刻蚀需要将氧化硅层201在厚度方向上完全刻蚀掉,才能够使得硅外延层200被暴露出来。由于湿法刻蚀具有各向同性,为了确保所述氧化硅层201层在厚度方向被刻蚀完全,并且在宽度方向上暴露的硅外延层200不至于太多,一般设定氧化硅层201被腐蚀宽度为氧化硅层202厚度的100%~150%。在本实施中,所述湿法刻蚀进行至所述氧化硅层被腐蚀掉的宽度。
接下来,如图7中所示,进行热氧化工艺,以在使得沟槽顶部两侧暴露出来的硅外延层200和沟槽内壁的硅外延层200被氧化成氧化硅204;
所述热氧化工艺在热氧化炉管里进行,表面暴露出来的硅都会被氧化成氧化硅。优选的,所述热氧化需采用干氧工艺,氧化温度需大于1050℃,其中,控制热氧化工艺进行的时间来控制生长的氧化硅的厚度。在本实施例中,所述热氧化工艺在6分钟生长的氧化硅,10分钟生长的氧化硅,15分钟生长的氧化硅。在热氧化工艺中,所述氧化硅的生长都要消耗硅,由于在沟槽顶部的硅外延层200暴露出一个小角,尖角处的硅被氧化掉,最终台阶处的拐角处形成一个倾斜的曲面,使得最终台阶处的拐角处没有尖角的形貌。
相对的,以下以将沟槽的表面进行热氧化工艺生长牺牲氧化层的另外两种情况作为比较:
1)、如图8所示,提供硅外延层200中的通过等离子体干法刻蚀得到的侧壁垂直形貌较好的沟槽,所述沟槽的顶部和硅外延层的表面构成直角状的台阶。
直接将所述硅外延层200和其中的沟槽进行热氧化工艺,生长牺牲氧化层204,形成结构如图9所示。通过发明人的多次试验发现,在热氧化工艺过程中,尖角处的硅被氧化的速率明显小于平坦处的硅被氧化的速率。本步骤中得到的沟槽的结构如图9中所示,由于沟槽的侧壁和硅外延层的表面都完全暴露在热氧化工艺的氛围中,沟槽的侧壁和硅外延层的表面远离沟槽顶部的台阶处的硅要被氧化得多一些,使得沟槽的侧壁和硅外延层的表面呈现向硅外延层内凹进的形貌,使得所述台阶处的拐角的形成比直角更尖锐的尖角(86°~90°的锐角)。
2)、如图10所示,提供结构为硅外延层200,以及硅外延层上的氧化硅层201,氧化硅层上的氮化硅层202。所述沟槽通过等离子体干法刻蚀氮化硅层202、氧化硅层201和硅外延层200形成。然后,直接将所述结构进行热氧化工艺,生长牺牲氧化层204。由于沟槽的侧壁远离沟槽顶部的台阶处的硅要被氧化得多一些,使得沟槽的侧壁呈现向硅外延层内凹进的形貌而沟槽顶部两侧都被氧化硅层201和氮化硅层202完全覆盖,不会被氧化到。使得所述台阶处的拐角则形成比直角更尖锐的尖角(86°~90°的锐角)。
由上比较可以发现,只有按照本发明的暴露沟槽拐角处部分硅,而远离拐角处的硅利用氮化硅覆盖的方法去进行氧化的方法才能使得沟槽顶部的拐角处被圆角化,避免尖角的产生,才能避免后续形成的器件由于尖端放电而失效等现象的出现。
接下来,如图11所示,去除图7中热氧化形成的氧化硅。
所述去除氧化硅的方法可以采用HF的水溶液进行湿法刻蚀。另外,氧化硅去除后,还可以进一步去除硅外延层200表面的氧化硅层201和氮化硅层202。
刻蚀结束,得到硅外延层200中的沟槽,所述沟槽内壁光滑,侧壁垂直性较好,并且沟槽顶部的边缘为圆角的结构。这样的结构可避免发生尖端放电的情况。
然后在所述沟槽中形成栅氧化层,再填充多晶硅,以在沟槽中形成所述沟槽型MOS晶体管的栅极结构。
然后再在所述栅极结构的两侧进行两次离子注入,第一次注入离子为p型离子形成所述超结功率晶体管的阱区,第二次注入离子为n型离子形成所述超结功率晶体管的源极。
由于前面工艺的处理,所述栅极结构的边缘没有了尖角,故在离子注入形成源极时进行源区浅掺杂,不会造成尖端放电等现象,于是能够制造更小尺寸、更高密度的沟槽型MOS晶体管。
与原本制作沟槽型MOS晶体管中制作栅极的步骤相比,本实施例中,仅仅在进行牺牲氧化层生长之前增加一步湿法刻蚀工艺,就可以实现将沟槽顶部两侧的尖角进行圆角化,消除了形成的沟槽型MOS晶体管中尖端放电的因素,使得沟槽型MOS晶体管可以实施源区的浅掺杂操作,使得沟槽型MOS晶体管可以实现更小尺寸、更高密度的发展。
在上述的实施方式中,圆角化沟槽顶部的尖角是为了实现制作浅源区掺杂的沟槽型MOS晶体管,但是其中所包括的圆角化沟槽顶部尖角的方法也可以用来制作其它需要去除顶部尖角的沟槽。所述沟槽可以为形成在硅外延层中的,也可以为形成在硅衬底中。
实施例二
本实施例中提供的所述沟槽型MOS晶体管的制作情况可参考图12所示,和实施例一类似的,所述沟槽型MOS晶体管的制作工艺包括:
提供半导体基底,所述半导体基底包括硅外延层200;
在所述硅外延层上形成保护层202,本实施例中,所述保护层202可以为氮化硅层;
刻蚀所述保护层202、硅外延层200,以在所述保护层202与硅外延层200中形成开口,所述开口包括在所述保护层中的通孔30与在所述硅外延层中的沟槽34,所述通孔和沟槽相连通;
在所述保护层202上形成掩模层(未图示),所述掩模层上具有窗口,所述窗口径宽大于所述开口的径宽,且完全暴露所述开口;
刻蚀所述保护层202,在所述保护层中形成窗口图形35,从而部分暴露出沟槽34顶部外侧的硅外延层200,本实施例中,沟槽顶部每侧被暴露出的硅外延层200的宽度为
进行热氧化工艺,以使得沟槽顶部两侧暴露出来的硅外延层200和沟槽内壁的硅外延层200被氧化成氧化硅204,形成结构如图12所示;
去除热氧化形成的氧化硅204,则所述沟槽顶部的尖角被圆角化,得到硅外延层200中的沟槽,所述沟槽内壁光滑,侧壁垂直性较好,并且沟槽顶部的边缘为圆角的结构。在这样的结构制作沟槽型MOS晶体管的栅极结构可避免发生尖端放电的情况。
具体的,后续工艺还包括:在所述沟槽中形成栅氧化层,再填充多晶硅,以在沟槽中形成所述沟槽型MOS晶体管的栅极结构。
然后再在所述栅极结构的两侧进行两次离子注入,第一次注入离子为p型离子形成所述超结功率晶体管的阱区,第二次注入离子为n型离子形成所述超结功率晶体管的源极。
由于前面工艺的处理,所述栅极结构的边缘没有了尖角,故在离子注入形成源极时进行源区浅掺杂,不会造成尖端放电等现象,于是能够制造更小尺寸、更高密度的沟槽型MOS晶体管。
在上述的实施方式中,圆角化沟槽顶部的尖角是为了实现制作浅源区掺杂的沟槽型MOS晶体管,但是其中所包括的圆角化沟槽顶部尖角的方法也可以用来制作其它需要去除顶部尖角的沟槽。所述沟槽可以为形成在硅外延层中的,也可以为形成在硅衬底中。
以上所述,仅是本发明的较佳实施例而已,并非对本发明作任何形式上的限制。
虽然本发明已以较佳实施例披露如上,然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员,在不脱离本发明技术方案范围情况下,都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰,或修改为等同变化的等效实施例。因此,凡是未脱离本发明技术方案的内容,依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰,均仍属于本发明技术方案保护的范围内。