CN103378146B - 沟槽型金属氧化物半导体场效应管的制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电子器件领域，公开了一种沟槽型金属氧化物半导体场效应管及其制作方法。本发明中，不同宽度的沟槽，在填充多晶硅后形成两级场板的效果，可以将电场峰值转移至场板末端，即窄多晶硅的底部，同时通过优化长度可以降低电场峰值，提高耐压，提高产品的非钳制电感性开关特性，降低导通电阻，降低产品的导通功耗。沟槽穿透外延层，并深入到衬底中，可以避免沟槽底部存在电场，避免底部发生击穿现象。

Description

沟槽型金属氧化物半导体场效应管的制作方法

技术领域

本发明涉及电子器件领域，特别涉及一种超深沟槽型金属氧化物半导体场效应管。

背景技术

近年来，垂直双扩散金属氧化物半导体场效应管技术发展很快，已经成为电力电子领域最重要的大功率主流器件之一，低导通电阻，低功耗是产品追求的重要方向，因此金属氧化物半导体场效应管的产品结构也从平面型器件转向沟槽型器件。但是传统的沟槽型器件，其沟槽深度均处在外延层内，而为了提高产品的耐压，大多数精力放在了如何更好地处理沟槽底部，已经能得到更高的电压。

现有技术中，传统的沟槽型金属氧化物半导体场效应管的结构如图1所示，其中包含，N型衬底001和N型外延层002，形成栅极的沟槽003，P型体区P阱004，重掺杂的N型区005形成源区，提高锁定能力的重掺杂P型区006，隔离栅极和源极的氧化绝缘层结构007，金属电极008。

发明内容

本发明的目的在于提供一种沟槽型金属氧化物半导体场效应管及其制作方法，不同宽度的沟槽，在填充多晶硅后形成两级场板的效果，可以将电场峰值转移至场板末端，即窄多晶硅的底部，同时通过优化长度可以降低电场峰值，提高耐压，提高产品的非钳制电感性开关特性，降低导通电阻，降低产品的导通功耗。

为解决上述技术问题，本发明的实施方式公开了一种沟槽型金属氧化物半导体场效应管，该场效应管的沟槽中包含多晶硅形成的不同宽度的两级场板。

本发明的实施方式还公开了一种沟槽型金属氧化物半导体场效应管的制作方法，包括以下步骤：

在第一类型衬底上生长外延层，注入第二类型半导体材料，并推阱形成第二类型半导体阱；

腐蚀衬底，形成沟槽；

淀积氧化层填充沟槽，然后回刻，根据需要保留沟槽内氧化层的厚度；

淀积氧化层，氧化层厚度为原始沟槽的宽度减去保留所需的窄沟槽的宽度，形成窄沟槽；

用聚酰亚胺填充窄沟槽，然后回刻，残留的聚酰亚胺的厚度为需要保留的窄沟槽的深度；

腐蚀氧化层，去除聚酰亚胺，形成窄沟槽；

生长栅氧化层，淀积多晶硅填充沟槽，然后干法回刻多晶硅，形成栅电极。

本发明实施方式与现有技术相比，主要区别及其效果在于：

不同宽度的沟槽，在填充多晶硅后形成两级场板的效果，可以将电场峰值转移至场板末端，即窄多晶硅的底部，同时通过优化长度可以降低电场峰值，提高耐压，提高产品的非钳制电感性开关特性，降低导通电阻，降低产品的导通功耗。

进一步地，沟槽穿透外延层，可以确保沟槽的深度未在耗尽区内，可以避免沟槽底部存在电场，避免底部发生击穿现象。

附图说明

图1是现有技术中传统的沟槽型金属氧化物半导体场效应管的结构示意图；

图2是本发明第一实施方式中一种沟槽型金属氧化物半导体场效应管的结构示意图；

图3是本发明第二实施方式中一种沟槽型金属氧化物半导体场效应管的制作方法的流程示意图；

图4是本发明第二实施方式中一种工艺步骤301的结构示意图；

图5是本发明第二实施方式中一种工艺步骤302的结构示意图；

图6是本发明第二实施方式中一种工艺步骤303的结构示意图；

图7是本发明第二实施方式中一种工艺步骤304的结构示意图；

图8是本发明第二实施方式中一种工艺步骤305的结构示意图；

图9是本发明第二实施方式中一种工艺步骤306的结构示意图；

图10是本发明与同等规格条件下的传统沟槽型金属氧化物半导体场效应管的耐压对比曲线，其中曲线101对应的是本发明，曲线102对应的是现有技术；

图11是本发明与同等规格条件下的传统沟槽型金属氧化物半导体场效应管的沿沟槽与硅界面的纵向各位置的电场分布比对图，其中曲线111对应的是本发明，曲线112对应的是现有技术；

图12是本发明与同等规格条件下的传统沟槽型金属氧化物半导体场效应管的CV对比曲线，其中虚线121对应的是本发明中栅极到源极的电容，实线122对应的是现有技术中栅极到源极的电容，虚线123对应的是本发明中栅极到漏极的电容，实线124对应的是现有技术中栅极到漏极的电容，虚线125对应的是本发明中漏极到源极的电容，实线126对应的是现有技术中漏极到源极的电容。

具体实施方式

在以下的叙述中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，本领域的普通技术人员可以理解，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请各权利要求所要求保护的技术方案。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步地详细描述。

本发明第一实施方式涉及一种沟槽型金属氧化物半导体场效应管。图2是该沟槽型金属氧化物半导体场效应管的结构示意图。

具体地说，如图2所示，该沟槽型金属氧化物半导体场效应管包括：N型衬底1和N型外延层2，超深沟槽3，具有窄多晶硅的多晶硅栅极4，用于形成N型沟道的P阱(P-Well)5，重掺杂的N型6形成源区，提高锁定的重掺杂P型区7，隔离栅极和源极的氧化绝缘层结构8，金属电极9。

当然，这只是一个优选的实施方式，在本发明的其它某些实施方式中，衬底和外延层也可以不是N型，而是P型，P阱5也可以是N阱，在接下来的叙述中也一样，所提到的N和P都是可以互换的。

该场效应管的沟槽穿透场效应管的外延层，沟槽中包含多晶硅形成的不同宽度的两级场板。

不同宽度的沟槽，在填充多晶硅后形成两级场板的效果，可以将电场峰值转移至场板末端，即窄多晶硅的底部，同时通过优化长度可以降低电场峰值，提高耐压，提高产品的非钳制电感性开关特性，降低导通电阻，降低产品的导通功耗。

在本实施方式中，两级场板中，窄沟槽深度优选为1.8微米，宽度优选为0.2微米，窄沟道与硅之间的氧化层厚度优选为1000埃(这里的埃是长度单位，1埃＝10^-10米，以下同)。宽沟槽深度优选为1.2微米，栅氧化层厚度为优选为200埃。超深沟槽3的总深度优选为6微米。

在本发明的其它某些实施方式中，上述数据也可以是别的数值。

沟槽穿透外延层，可以确保沟槽的深度未在耗尽区内，可以避免沟槽底部存在电场，避免底部发生击穿现象。

在本实施方式中，一般沟槽深入衬底1微米至2微米之间较好，至少1微米的深入可以保证沟槽的深度未在耗尽区内，如果沟槽深入衬底太多，在制造上则比较困难。

本发明第二实施方式涉及一种沟槽型金属氧化物半导体场效应管的制作方法。图3是该沟槽型金属氧化物半导体场效应管的制作方法的流程示意图。

具体地说，如图3所示，该沟槽型金属氧化物半导体场效应管的制作方法包括以下步骤：

在步骤301中，在第一类型衬底上生长外延层，注入第二类型半导体材料，并推阱形成第二类型半导体阱。

在这一步骤中，包括以下子步骤：

在第一类型衬底上生长外延层，利用低温外延的方式，温度小于1000摄氏度，其中，衬底的浓度为1E20CM-3(浓度单位，1E20CM-3＝10²⁰/厘米³，以下同)，外延层的浓度为1E16CM-3，衬底和外延层的总厚度为5微米。

用对准标记掩膜版定义对准标记图形，腐蚀3000埃至5000埃的衬底形成对准标记。

生长热氧化层，厚度为300埃，作为第二类型半导体阱注入的阻挡层，注入第二类型半导体材料，浓度在1E13CM-3至3E13CM-3之间，在1000摄氏度至1150摄氏度下退火，结深控制在0.9微米至1微米之间。

如图4所示，在N型衬底1上生长外延层2，由于外延层较薄，为避免衬底反扩进入外延层太多，选择低温外延的方式，温度小于1000摄氏度，在本实施方式中选择的衬底浓度为1E20CM-3，外延层浓度为1E16CM-3，厚度为5微米；先用对准标记掩膜版定义对准标记图形，然后腐蚀3000埃至5000埃的硅底材形成对准标记；然后，生长热氧化层10，厚度为300埃，做为P阱5注入的的阻挡层，注入硼剂量为1E13CM-3至3E13CM-3之间，在1050摄氏度至1150摄氏度下退火，结深控制在0.9微米至1微米之间，本例结深为0.95微米，表面浓度为1.5E17CM-3。

此后进入步骤302，腐蚀外延层至衬底，形成沟槽。

在这一步骤中，包括以下子步骤：

去除厚度为300埃的热氧化层，淀积厚度为5000埃至8000埃的氧化层作为沟槽的阻挡层，用沟槽光刻掩膜版定义沟槽图形，利用干法蚀刻去除沟槽窗口的氧化层，去除光刻胶，挖深沟槽。

在本实施方式中，优选地，沟槽的宽度为0.4微米，深度为6微米。

在本发明的其它某些实施方式中，沟槽的宽度和深度也可以是别的数值。

如图5所示，在形成了P阱的基础上，挖超深槽深度范围在6微米至7微米之间，在本实施方式中，优选槽深为6微米。具体步骤包含：去除300埃的热氧化层，淀积5000埃至8000埃的氧化层做为沟槽的阻挡层，用沟槽光刻掩膜版定义沟槽图形，利用干法蚀刻去除沟槽窗口的氧化层，去除光刻胶，挖深沟槽3，宽度根据实际产品定义，在本实施方式中，优选沟槽宽度为0.4微米，深度为6微米。

此后进入步骤303，淀积氧化层填充沟槽，然后回刻，根据需要保留沟槽内氧化层的厚度。

如图6所示，在这一步骤中，包括以下子步骤：

利用高密度等离子体化学气相沉积的方法，淀积氧化层，填充沟槽，然后利用湿法回刻，根据需要保留沟槽内氧化层的厚度。

具体保留厚度需视器件耐压而定，在本实施方式中，优选地，保留的氧化层厚度为3微米。

此后进入步骤304，淀积氧化层，氧化层厚度为原始沟槽的宽度减去保留所需的窄沟槽的宽度，形成窄沟槽。

如图7所示，在这一步骤中，利用化学气相沉积或湿法氧化。

根据器件的耐压决定，氧化层厚度控制在800埃至1200埃，在本实施方式中，优选为1000埃。

此后进入步骤305，用聚酰亚胺(Polyimide)填充窄沟槽，然后回刻，残留的聚酰亚胺的厚度为需要保留的窄沟槽的深度。聚酰亚胺的残留厚度需视实际情况而定。

如图8所示，涂布聚酰亚胺，填充窄沟槽11，可用丙酮等有机溶液进行回刻，残留部分聚酰亚胺用于形成窄沟槽以填充多晶硅形成台阶场板，具体残留厚度需视实际情况而定，在本实施方式中，优选地，保留厚度为1.8微米。

此后进入步骤306，腐蚀氧化层，去除聚酰亚胺，形成窄沟槽。

如图9所示，回刻氧化层，以腐蚀干净侧壁和顶部氧化层为控制点，过蚀刻需要小心控制，且腐蚀液的腐蚀速率不能太高，腐蚀速率控制在200埃/分钟左右，去除顶部和侧壁氧化层后，湿法去除聚酰亚胺，如此便形成了窄沟槽。

此后进入步骤307，生长栅氧化层，淀积多晶硅填充沟槽，然后干法回刻多晶硅，形成栅电极。

淀积多晶硅填充沟槽，需确保多晶硅无间隙即可。

此后结束本流程。

为完成金属氧化物半导体场效应管的所有器件结构，还包括以下步骤：

对多晶硅进行热氧氧化，生长氧化层，保护裸露的多晶硅。

在第二类型半导体阱上注入第一类型半导体材料，形成重掺杂的第一类型源区。

在第二类型半导体阱上注入第二类型半导体材料，形成重掺杂的第二类型区。

淀积氧化绝缘层，隔离栅极和源极。

淀积金属形成正面栅电极和源电极。

反转硅片，研磨背面，减薄至封装所需厚度，腐蚀硅去应力，淀积金属形成背面的漏电极

具体操作如下：对多晶硅进行热氧氧化，保护裸露的多晶硅，然后注入砷形成重掺杂的N型源区，注入剂量不低于5E15CM-2，确保良好的欧姆接触。然后淀积氧化绝缘层，隔离栅极和源极，用接触孔光刻掩膜版定义接触孔图形，蚀刻氧化绝缘层，露出源区，继续腐蚀硅，深度控制在0.3微米至0.5微米之间，在本实施方式中优选为0.3微米，然后注入硼，形成重掺杂的P型区，用于提高产品的锁定能力，深度控制0.5微米左右；然后淀积金属，具体单个元胞结构如图2所示；然后用金属掩膜版定义栅极和源极区域，湿法蚀刻金属隔离栅极和源极，由于此处仅介绍单个元胞结构，因此并未详述产品的实际俯视图，最后淀积护层保护器件终端结构，并用护层掩膜版定义引脚区，蚀刻，得到引脚图形，做为封装焊线(WireBond)的引线区；最后对背面进行研磨剪薄，淀积金属形成背面漏电极。

以上是具体的工艺流程，现对传统结构与本发明的新型结构的器件性能行进行对比，本实施方式中，衬底浓度为1E20CM-3，外延层浓度为1E16CM-3，厚度为5微米；P阱结深均选择0.95微米，峰值浓度为1.5E17CM-3；传统的沟槽型金属氧化物半导体场效应管选择的沟槽深度为1.2微米，本发明的沟槽深度为6微米，其中底部填充的氧化层厚度为3微米，窄沟槽的深度为1.8微米，宽度为0.2微米，窄沟槽与硅之间的氧化层厚度为1000埃，宽沟槽的深度为1.2微米与传统的沟槽型金属氧化物半导体场效应管保持一致；栅氧化层厚度均为200埃；N型源区峰值浓度均为3E20CM-3，P型重掺杂区峰值浓度为1E20CM-3。

如图10所示，在同等条件下，本发明的器件结构较传统结构的耐压高出18V，耐压提高了30％，改善效果非常显著。为了更好地对比，顺着沟槽和硅的界面沿纵向做电场分布曲线，如图11所示，传统沟槽型金属氧化物半导体场效应管在沟槽底部电场最大，击穿发生在沟槽底部。而本发明利用场板的原理，将电场峰值移至窄多晶硅的底部，同时降低峰值电场，有效提高产品耐压，此外通过优化窄多晶硅的尺寸可以获得更理想的耐压。为确认本发明带来了高耐压，低导通的优点的同时，不牺牲产品的频率特性，由图12所示，传统沟槽型金属氧化物半导体场效应管和本发明的产品其电容差异不大，因此本发明在确保开关特性的前提下，有效的提高了产品的耐压和降低了产品的导通电阻。

本实施方式是与第一实施方式相对应的方法实施方式，本实施方式可与第一实施方式互相配合实施。第一实施方式中提到的相关技术细节在本实施方式中依然有效，为了减少重复，这里不再赘述。相应地，本实施方式中提到的相关技术细节也可应用在第一实施方式中。

本发明的各方法实施方式均可以以软件、硬件、固件等方式实现。不管本发明是以软件、硬件、还是固件方式实现，指令代码都可以存储在任何类型的计算机可访问的存储器中(例如永久的或者可修改的，易失性的或者非易失性的，固态的或者非固态的，固定的或者可更换的介质等等)。同样，存储器可以例如是可编程阵列逻辑(ProgrammableArrayLogic，简称“PAL”)、随机存取存储器(RandomAccessMemory，简称“RAM”)、可编程只读存储器(ProgrammableReadOnlyMemory，简称“PROM”)、只读存储器(Read-OnlyMemory，简称“ROM”)、电可擦除可编程只读存储器(ElectricallyErasableProgrammableROM，简称“EEPROM”)、磁盘、光盘、数字通用光盘(DigitalVersatileDisc，简称“DVD”)等等。

虽然通过参照本发明的某些优选实施方式，已经对本发明进行了图示和描述，但本领域的普通技术人员应该明白，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。

Claims (6)

1.一种沟槽型金属氧化物半导体场效应管的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：

在第一类型衬底上生长外延层，注入第二类型半导体材料，并推阱形成第二类型半导体阱；

腐蚀外延层至衬底，形成沟槽；

淀积氧化层填充沟槽，然后回刻，根据需要保留沟槽内氧化层的厚度；

淀积氧化层，氧化层厚度为原始沟槽的宽度减去保留所需的窄沟槽的宽度，形成窄沟槽；

用聚酰亚胺填充窄沟槽，然后回刻，残留的聚酰亚胺的厚度为需要保留的窄沟槽的深度；

腐蚀氧化层，去除聚酰亚胺，形成窄沟槽；

生长栅氧化层，淀积多晶硅填充沟槽，然后干法回刻多晶硅，形成栅电极；

在所述生长栅氧化层，淀积多晶硅填充沟槽，然后干法回刻多晶硅，形成栅电极的步骤之后，还包括以下步骤：

对多晶硅进行热氧氧化，生长氧化层，保护裸露的多晶硅；

在第二类型半导体阱上注入第一类型半导体材料，形成重掺杂的第一类型源区；

在第二类型半导体阱上注入第二类型半导体材料，形成重掺杂的第二类型区；

淀积氧化绝缘层，隔离所述沟槽型金属氧化物半导体场效应管的栅极和源极；

淀积金属形成正面栅电极和源电极；

反转硅片，研磨背面，减薄至封装所需厚度，腐蚀硅去应力，淀积金属形成背面的漏电极；

在所述在第一类型衬底上生长外延层，注入第二类型半导体材料，并推阱形成第二类型半导体阱的步骤中，包括以下子步骤：

在第一类型衬底上生长外延层，生长产品所需厚度和所需的电阻率；用对准标记掩膜版定义对准标记图形，腐蚀3000埃至5000埃的衬底形成对准标记；

生长热氧化层，做为离子注入的阻挡缓冲层，作为第二类型半导体阱注入的阻挡层，注入第二类型半导体材料，根据开启电压的要求，浓度在1E13CM-3至3E13CM-3之间，在1000摄氏度至1150摄氏度下退火。

2.根据权利要求1所述的沟槽型金属氧化物半导体场效应管的制作方法，其特征在于，在所述腐蚀外延层至衬底，形成沟槽的步骤中，包括以下子步骤：

去除热氧化层，淀积氧化层作为沟槽的阻挡层，用沟槽光刻掩膜版定义沟槽图形，利用干法蚀刻去除沟槽窗口的氧化层，去除光刻胶，挖深沟槽。

3.根据权利要求2所述的沟槽型金属氧化物半导体场效应管的制作方法，其特征在于，在所述淀积氧化层填充沟槽，然后回刻，根据需要保留沟槽内氧化层的厚度的步骤中，包括以下子步骤：

利用高密度等离子体化学气相沉积的方法，淀积氧化层，填充沟槽，然后利用湿法回刻，根据需要保留沟槽内氧化层的厚度。

4.根据权利要求3所述的沟槽型金属氧化物半导体场效应管的制作方法，其特征在于，在所述淀积氧化层，氧化层厚度为原始沟槽的宽度减去保留所需的窄沟槽的宽度，形成窄沟槽的步骤中，利用化学气相沉积法淀积氧化层。

5.根据权利要求4所述的沟槽型金属氧化物半导体场效应管的制作方法，其特征在于，在所述用聚酰亚胺填充窄沟槽，然后回刻，残留的聚酰亚胺的厚度为需要保留的窄沟槽的深度的步骤中，用有机溶液丙酮进行回刻。

6.根据权利要求5所述的沟槽型金属氧化物半导体场效应管的制作方法，其特征在于，在所述腐蚀氧化层，去除聚酰亚胺，形成窄沟槽的步骤中，腐蚀氧化层，以腐蚀干净顶部和侧壁氧化层为控制点，腐蚀速率控制在200埃/分钟，去除顶部和侧壁氧化层后，湿法去除聚酰亚胺，形成窄沟槽。