CN103107094B

CN103107094B - 一种耗尽型功率场效应晶体管及其制备方法

Info

Publication number: CN103107094B
Application number: CN201310025083.5A
Authority: CN
Inventors: 高梓浩
Original assignee: China Aviation Chongqing Microelectronics Co Ltd
Current assignee: China Resources Microelectronics Chongqing Ltd
Priority date: 2013-01-23
Filing date: 2013-01-23
Publication date: 2015-12-23
Anticipated expiration: 2033-01-23
Also published as: CN103107094A

Abstract

本发明提供一种耗尽型功率场效应晶体管及其制备方法，包括步骤：在N++型半导体衬底表面形成N-型漂移区；形成包括磷掺杂层、硼掺杂层及锑掺杂层的N型耗尽层；制作栅极结构；制作P阱；制作与所述N型耗尽层相连的N+型源区；制作P+型接触区；制作介质层并形成电极制备区域；以及制作金属电极。本发明采用具有锑离子掺杂的三层结构的N型耗尽层，在不需要增加掩膜的情况下获得性能良好的N型耗尽层，可以有效降低功率场效应晶体管的阈值电压，有效降低晶体管的导通电阻，并能提高晶体管的关断速度。

Description

一种耗尽型功率场效应晶体管及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种场效应晶体管及其制备方法，特别是涉及一种耗尽型功率场效应晶体管及其制备方法。

背景技术

功率晶体管一般用于控制功率电子器件合理工作，通过功率电子器件为负载提供大功率的输出。功率晶体管已广泛用于控制功率输出，高频大功率晶体管的应用电子设备的扫描电路中，如彩电，显示器，示波器，大型游戏机的水平扫描电路，视放电路，发射机的功率放大器等，亦广泛地应用到例如对讲机，手机的射频输出电路，高频振荡电路和高速电子开关电路等电路中。

在现有的耗尽型功率场效应晶体管的制作方法中，一般是先在漂移区表面通过磷或者砷离子注入形成N型耗尽层，然后制作栅极并通过自对准工艺进行P型离子注入及高温推进工艺制作P阱，由于由磷或者砷形成的N型耗尽层在P阱向栅极下方扩散高温推进时非常容易被反型而被P阱覆盖，因此，在形成所述N型耗尽层时，磷或砷的离子浓度要求较高，N型耗尽层的宽度也要求较大，从而导致在晶体管在栅极添加负电压时也难以迅速关闭，影响晶体管的正常工作。

美国专利US005472888A中介绍了一种耗尽型功率场效应晶体管的制作方法，可以克服上述的缺陷，然而，其制作方法中需要增加特殊的步骤，如增加掩膜版的使用次数，增加离子注入的次数等，工艺较复杂，工艺成本较高，并不利于生产。

因此，提供一种工艺简单且有效克服现有的耗尽型功率场效应晶体管的制作方法各种缺陷的新工艺实属必要。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种耗尽型功率场效应晶体管的制备方法，用于解决现有技术中耗尽型功率场效应晶体管的制作方法工艺复杂，工艺成本高等问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种耗尽型功率场效应晶体管的制备方法，所述制备方法至少包括以下步骤：

1)提供一N++型半导体衬底，于该N型半导体衬底表面外延N-型漂移区；

2)通过离子注入及退火工艺于所述N-型漂移区表面形成包括依次层叠的磷掺杂层、硼掺杂层及锑掺杂层的N型耗尽层；

3)于所述N-型漂移区表面形成栅氧层及多晶硅层，并通过光刻工艺形成栅极结构；

4)采用自对准工艺于所述栅极结构的侧面进行P型离子注入，并进行高温退火使所述P型离子于所述栅极结构及N型耗尽层下方向前推进，形成P阱；

5)通过离子注入工艺及退火工艺于所述P阱中形成与所述N型耗尽层相连的N+型源区；

6)通过离子注入及退火工艺于所述P阱及N+型源区之间形成P+型接触区；

7)于上述结构表面形成介质层；

8)通过光刻工艺于所述介质层及其下方刻出电极制备区域，以露出所述N+型源区、P+型接触区以及P阱；

9)于所述电极制备区域中及介质层表面沉积金属电极，使所述金属电极同时与所述N+型源区、P+型接触区以及P阱连接。

作为本发明的耗尽型功率场效应晶体管的制备方法的一种优选方案，步骤2)中的离子注入包括以下步骤：

2-1)进行锑离子注入，注入剂量为1e13～9e13原子/cm²，注入能量为30～70KeV；

2-2)进行硼离子注入，注入剂量为5e11～5e12原子/cm²，注入能量为10～30KeV；

2-3)进行磷离子注入，注入剂量为4e11～6e11原子/cm²，注入能量为80～120KeV；

2-4)进行磷离子注入，注入剂量为2e11～4e11原子/cm²，注入能量为150～250KeV。

2-1)进行锑离子注入，注入剂量为4.5e13原子/cm²，注入能量为50KeV；

2-2)进行硼离子注入，注入剂量为1e12原子/cm²，注入能量为20KeV；

2-3)进行磷离子注入，注入剂量为5e11原子/cm²，注入能量为100KeV；

2-4)进行磷离子注入，注入剂量为3e11原子/cm²，注入能量为180KeV。

作为本发明的耗尽型功率场效应晶体管的制备方法的一种优选方案，步骤2-1)中离子注入的角度为0～5度；步骤2-2)中离子注入的角度为0～5度；步骤2-3)中离子注入的角度为5～10度；步骤2-1)中离子注入的角度为5～10度。

作为本发明的耗尽型功率场效应晶体管的制备方法的一种优选方案，步骤4)中的离子注入包括以下步骤：

4-1)进行硼离子注入，注入剂量为1e13～5e13原子/cm²，注入能量为150～200KeV；

4-2)进行硼离子注入，注入剂量为1e13～5e13原子/cm²，注入能量为200～350KeV。

进一步地，步骤4-1)中离子注入的角度为0～5度；步骤4-2)中离子注入的角度为0～5度。

本发明还提供一种耗尽型功率场效应晶体管，其特征在于，包括：

N++型半导体衬底；

N-型漂移区，结合于所述N++型半导体衬底表面；

P阱，形成于所述N-型漂移区表面；

N+型源区，形成于所述P阱中；

P+型接触区，形成于所述P阱及所述N+型源区之间；

N型耗尽层，形成于所述N-型漂移区表面且连接于所述N+型源区，包括依次层叠的磷掺杂层、硼掺杂层及锑掺杂层；

栅极结构，结合于所述N-型漂移区表面；

介质层，结合于所述栅极结构及N-型漂移区表面；

电极制备区域，贯穿所述介质层及下方的N+型源区、P+型接触区；

金属电极，覆盖于所述电极制备区域及所述介质层表面，同时连接所述N+型源区、P+型接触区及P阱。

作为本发明的耗尽型功率场效应晶体管的一种优选方案，所述锑掺杂层的掺杂浓度为1e13～9e13atom/cm³。

作为本发明的耗尽型功率场效应晶体管的一种优选方案，所述栅极结构包括结合于所述N-漂移区表面的栅氧层及结合于所述栅氧层表面的多晶硅层。

作为本发明的耗尽型功率场效应晶体管的一种优选方案，所述N++型半导体衬底及所述N-型漂移区的材料为硅。

如上所述，本发明提供一种耗尽型功率场效应晶体管及其制备方法，包括步骤：在N++型半导体衬底表面形成N-型漂移区；形成包括磷掺杂层、硼掺杂层及锑掺杂层的N型耗尽层；制作栅极结构；制作P阱；制作与所述N型耗尽层相连的N+型源区；制作P+型接触区；制作介质层并形成电极制备区域；以及制作金属电极。本发明采用具有锑离子掺杂的三层结构的N型耗尽层，可以不需要增加掩膜的情况下获得性能良好的N型耗尽层，可以有效降低功率场效应晶体管的阈值电压，有效降低晶体管的导通电阻，并能提高晶体管的关断速度。

附图说明

图1显示为本发明的耗尽型功率场效应晶体管的制备方法步骤1)所呈现的结构示意图。

图2a～图2b显示为本发明的耗尽型功率场效应晶体管的制备方法步骤2)所呈现的结构示意图，其中，图2b显示为N型耗尽层的三层结构示意图。

图3～图4显示为本发明的耗尽型功率场效应晶体管的制备方法步骤3)所呈现的结构示意图。

图5显示为本发明的耗尽型功率场效应晶体管的制备方法步骤4)所呈现的结构示意图。

图6显示为本发明的耗尽型功率场效应晶体管的制备方法步骤5)所呈现的结构示意图。

图7显示为本发明的耗尽型功率场效应晶体管的制备方法步骤6)所呈现的结构示意图。

图8显示为本发明的耗尽型功率场效应晶体管的制备方法步骤7)所呈现的结构示意图。

图9显示为本发明的耗尽型功率场效应晶体管的制备方法步骤8)所呈现的结构示意图。

图10显示为本发明的耗尽型功率场效应晶体管的制备方法步骤9)所呈现的结构示意图。

元件标号说明

10N++型半导体衬底

11N-型漂移区

12N型耗尽层

121磷掺杂层

122硼掺杂层

123锑掺杂层

13栅氧层

14多晶硅层

15P阱

16P+型接触区

17N+型源区

18介质层

19电极制备区域

20金属电极

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅图1～图10。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

如图1～图10所示，本实施例提供一种耗尽型功率场效应晶体管的制备方法，所述制备方法至少包括以下步骤：

如图1所示，首先进行步骤1)，提供一N++型半导体衬底10，于该N型半导体衬底表面外延N-型漂移区11。

在本实施例中，所述N++型半导体衬底10为磷或砷重掺杂的硅衬底，其掺杂剂量比N型源区的掺杂剂量要高，具有较高的导电性能。所述N-型漂移区11为磷或砷浅掺杂的外延硅层。

当然，在其它的实施例中，所述N++型半导体衬底10也可以是N型重掺杂的SOI等衬底。

如图2a～2b所示，然后进行步骤2)，通过离子注入及退火工艺于所述N-型漂移区11表面形成包括依次层叠的磷掺杂层121、硼掺杂层122及锑掺杂层123的N型耗尽层12；

在本实施例中，离子注入包括以下步骤：

2-1)进行锑离子注入，注入剂量为1e13～9e13原子/cm²，注入能量为30～70KeV，离子注入的角度为0～5度；

2-2)进行硼离子注入，注入剂量为5e11～5e12原子/cm²，注入能量为10～30KeV，离子注入的角度为0～5度；

2-3)进行磷离子注入，注入剂量为4e11～6e11原子/cm²，注入能量为80～120KeV，离子注入的角度为5～10度；

2-4)进行磷离子注入，注入剂量为2e11～4e11原子/cm²，注入能量为150～250KeV，离子注入的角度为5～10度。

完成上述的离子注入后，通过退火激活扩散后形成所述N型耗尽层12。

在一具体的实施过程中，离子注入包括以下步骤：

2-1)进行锑离子注入，注入剂量为4.5e13原子/cm²，注入能量为50KeV，离子注入的角度为0度；

2-2)进行硼离子注入，注入剂量为1e12原子/cm²，注入能量为20KeV，离子注入的角度为0度；

2-3)进行磷离子注入，注入剂量为5e11原子/cm²，注入能量为100KeV，离子注入的角度为7度；

2-4)进行磷离子注入，注入剂量为3e11原子/cm²，注入能量为180KeV，离子注入的角度为7度。

完成上述的离子注入后，最后通过退火激活扩散后形成所述N型耗尽层12。

其中，所述锑掺杂层123作为主要的耗尽层，能有效地降低晶体管的阈值电压及导通电阻，所述硼掺杂层122作为累积层，能保证在晶体管关断过程中锑掺杂层123垂直扩散的速度，以提高关断的响应速度，所述磷掺杂层121用于连接N型耗尽层12及N-型漂移区11。由于本发明采用了以锑掺杂层123为主要的耗尽层的三层结构设计，在后续P阱15的高温推进过程中，对锑掺杂的影响远远小于磷或砷掺杂的影响，故可以在较低的锑掺杂浓度下获得高质量的N型耗尽层12，提高晶体管的关断速度。而且，此工艺不需要额外增加掩膜，工艺简单，有利于降低制作时间和工艺成本。

如图3～图4所示，接着进行步骤3)，于所述N-型漂移区11表面形成栅氧层13及多晶硅层14，并通过光刻工艺形成栅极结构。

在本实施例中，首先通过热氧化工艺于所述N-型漂移区11表面形成SiO₂层，然后通过沉积工艺于所述SiO₂层表面形成多晶硅层14，接着制作光刻图形并进行刻蚀，获得栅极结构。

如图5所示，然后进行步骤4)，采用自对准工艺于所述栅极结构的侧面进行P型离子注入，并进行高温退火使所述P型离子于所述栅极结构及N型耗尽层12下方向前推进，形成P阱15；

在本实施例中，离子注入包括以下步骤：

4-1)进行硼离子注入，注入剂量为1e13～5e13原子/cm²，注入能量为150～200KeV，离子注入的角度为0～5度；

4-2)进行硼离子注入，注入剂量为1e13～5e13原子/cm²，注入能量为200～350KeV，离子注入的角度为0～5度。

在一具体的实施过程中，离子注入包括以下步骤：

4-1)进行硼离子注入，注入剂量为1.6e13原子/cm²，注入能量为160KeV，离子注入的角度为0度；

4-2)进行硼离子注入，注入剂量为1.5e13原子/cm²，注入能量为280KeV，离子注入的角度为0度。

完成上述的离子注入后，最后通过高温退火工艺使硼离子于栅极结构和N型耗尽层12的下方横向推进至一定深度。

依据以上离子注入及退火工艺制备的P阱15，可以降低其在高温推进过程中对所述N型耗尽层12的影响，提高晶体管的质量。

如图6所示，然后进行步骤5)，通过离子注入工艺及退火工艺于所述P阱15中形成与所述N型耗尽层12相连的N+型源区17。

在本实施例中，通过砷离子注入并退火形成所述N+型源区17，且所述N+源区与所述N型耗尽层12相连。

如图7所示，接着进行步骤6)，通过离子注入及退火工艺于所述P阱15及N+型源区17之间形成P+型接触区16；

在本实施例中，通过硼离子注入并退火形成所述P+型接触区16，所述P+型接触区16不超出所述栅极结构的垂直边缘，且该P+型接触区16的离子掺杂浓度比所述P阱15高，在后续的电极制作过程中，可以有效加强所述P阱15与金属电极20的接触。

如图8所示，接着进行步骤7)，于上述结构表面形成介质层18。

在本实施例中，通过沉积工艺形成所述介质层18，所述介质层18为SiO₂层。

如图9所示，然后进行步骤8)，通过光刻工艺于所述介质层18及其下方刻出电极制备区域19，以露出所述N+型源区17、P+型接触区16以及P阱15。

所述电极制备区域19可以是接触孔，也可以是如图9所示的接触结构。

如图10所示，最后进行步骤9)，于所述电极制备区域19中及介质层18表面沉积金属电极20，使所述金属电极20同时与所述N+型源区17、P+型接触区16以及P阱15连接。

本实施例还提供一种耗尽型功率场效应晶体管，包括：

N++型半导体衬底10；

N-型漂移区11，结合于所述N++型半导体衬底10表面；

P阱15，形成于所述N-型漂移区11表面；

N+型源区17，形成于所述P阱中15；

P+型接触区16，形成于所述P阱15及所述N+型源区之间17；

N型耗尽层12，形成于所述N-型漂移区11表面且连接于所述N+型源区17，包括依次层叠的磷掺杂层121、硼掺杂层122及锑掺杂层123；

栅极结构，结合于所述N-型漂移区11表面；

介质层18，结合于所述栅极结构及N-型漂移区11表面；

电极制备区域19，贯穿所述介质层18及下方的N+型源区17、P+型接触区16；

金属电极20，覆盖于所述电极制备区域19及所述介质层18表面，同时连接所述N+型源区17、P+型接触区16及P阱15。

在本实施例中，所述锑掺杂层123的掺杂浓度为1e13～9e13atom/cm³。所述栅极结构包括结合于所述N-漂移区表面的栅氧层13及结合于所述栅氧层13表面的多晶硅层14。所述N++型半导体衬底10及所述N-型漂移区11的材料为硅。

综上所述，本发明提供一种耗尽型功率场效应晶体管及其制备方法，包括步骤：在N++型半导体衬底10表面形成N-型漂移区11；形成包括磷掺杂层121、硼掺杂层122及锑掺杂层123的N型耗尽层12；制作栅极结构；制作P阱15；制作与所述N型耗尽层12相连的N+型源区17；制作P+型接触区16；制作介质层18并形成电极制备区域19；以及制作金属电极20。本发明采用具有锑离子掺杂的三层结构的N型耗尽层12，可以不需要增加掩膜的情况下获得性能良好的N型耗尽层12，可以有效降低功率场效应晶体管的阈值电压，有效降低晶体管的导通电阻，并能提高晶体管的关断速度。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims

1.一种耗尽型功率场效应晶体管的制备方法，其特征在于，所述制备方法至少包括以下步骤：

1)提供一N++型半导体衬底，于该N++型半导体衬底表面外延N-型漂移区；

7)于上述结构表面形成介质层；

2.根据权利要求1所述的耗尽型功率场效应晶体管的制备方法，其特征在于：步骤2)中的离子注入包括以下步骤：

3.根据权利要求2所述的耗尽型功率场效应晶体管的制备方法，其特征在于：步骤2)中的离子注入包括以下步骤：

4.根据权利要求2或3所述的耗尽型功率场效应晶体管的制备方法，其特征在于：步骤2-1)中离子注入的角度为0～5度；步骤2-2)中离子注入的角度为0～5度；步骤2-3)中离子注入的角度为5～10度；步骤2-4)中离子注入的角度为5～10度。

5.根据权利要求1所述的耗尽型功率场效应晶体管的制备方法，其特征在于：步骤4)中的离子注入包括以下步骤：

6.根据权利要求5所述的耗尽型功率场效应晶体管的制备方法，其特征在于：步骤4-1)中离子注入的角度为0～5度；步骤4-2)中离子注入的角度为0～5度。

7.一种耗尽型功率场效应晶体管，其特征在于，包括：

N++型半导体衬底；

N-型漂移区，结合于所述N++型半导体衬底表面；

P阱，形成于所述N-型漂移区表面；

N+型源区，形成于所述P阱中；

P+型接触区，形成于所述P阱及所述N+型源区之间；

栅极结构，结合于所述N-型漂移区表面，所述栅极结构包括结合于所述N-漂移区表面的栅氧层及结合于所述栅氧层表面的多晶硅层；

介质层，结合于所述栅极结构及N-型漂移区表面；

8.根据权利要求7所述的耗尽型功率场效应晶体管，其特征在于：所述锑掺杂层的掺杂浓度为1e13～9e13原子/cm³。

9.根据权利要求7所述的耗尽型功率场效应晶体管，其特征在于：所述N++型半导体衬底及所述N-型漂移区的材料为硅。