CN104091763A - 一种非均匀超结结构的制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及半导体工艺制造技术领域,具体的说是涉及一种非均匀超结结构的制作方法。本发明的方法为通过对体硅刻蚀之前淀积的光刻胶进行处理,采用多张掩膜板多次叠加曝光,使得待刻蚀区域的光刻胶具有不同的厚度。在随后进行体硅刻蚀中,光刻胶越薄的区域,刻蚀深度越深,因而可以得到深度非均匀的超结结构。本发明的有益效果为,通过不同掩膜板和不同曝光量的结合,可以灵活地形成各种不同深度的超结结构,工艺步骤简单,成本较低。本发明尤其适用于非均匀超结结构的制作。
Description
技术领域
本发明属于半导体工艺制造技术领域,具体的说是涉及一种非均匀超结结构的制作方法。
背景技术
具有超结结构的功率MOSFET是当代重要的功率器件之一。通过在传统MOSFET的轻掺杂漂移区引入掺杂较高的交错排列的N型柱和P型柱,当器件工作在阻断情况下时,根据电荷平衡理论,N型柱和P型柱完全耗尽,漂移区就相当于一个本征层,则击穿电压就只和漂移区的深度有关而与掺杂浓度无关。即在相同的击穿电压下,可以增加超结MOSFET漂移层的掺杂浓度,降低其导通电阻,从而大大改善了击穿电压和导通电阻之间的矛盾关系,使得其在功率系统中获得了广泛的应用。
通常的超结结构中为了工艺制备的简便,元胞区和终端区的P型柱深度都是均匀的。但为了实现更高的终端耐压,更高的UIS能力等,一些具有非均匀P型柱深度的超结结构被提出来。例如:
申请号为20110101446A1的美国专利staggered columnsuperjunction中,公开的技术方案为元胞区超结结构由两种不同深度的P型半导体和N型半导体交错排列,终端区P型半导体与元胞区较深的P型半导体深度一样。这样的器件结构在降低元胞区耐压的同时,也降低了元胞区的导通电阻,并且由于终端区的耐压较元胞区高,使得雪崩击穿发生在器件的元胞区,提高了器件的UIS能力。
申请号为20120061721A1的美国专利power semiconductor device and methodofmanufacturing the same中,提出两层漂移区的超结结构,在第一层漂移区中,仅元胞区有超结结构,终端区则没有,在第二层漂移区中,元胞区和终端区均有超结结构,耐压由两层漂移区的厚度和浓度共同决定。由于第一层漂移区中,终端区仅为低掺杂的N-区,与第一层漂移区中元胞区超结结构相比,对工艺的变化有更好的稳定性,而元胞区超结结构会由于工艺的影响而不能完全满足电荷平衡,使得元胞区耐压低于终端区,从而雪崩击穿会发生在元胞区,提高了器件的可靠性。
申请号为20120061721A1的美国专利method of manufacturing a superjunction device中,提出终端区超结结深比元胞区超结结深更深的超结结构,使得终端区的耐压高于元胞区,从而雪崩击穿发生在元胞区,提高了器件的可靠性。
目前制备非均匀超结结构的方法总结起来大致有两种。第一种,多次外延生长和离子注入交替进行的方法,如申请号为20110101446A1的美国专利,staggered column superjunction中提出的方法,第一步,在N+衬底上生长一层N-外延层,然后对需要形成较深P型半导体超结结构的位置进行离子注入,第二步,生长一层外延层,对所有要形成P型半导体超结结构的位置进行离子注入,重复第二步,直至达到所需的外延厚度,例如3-5次,然后进行热过程,得到非均匀的超结结构。第二种,多次刻蚀形成不同的结深,再外延生长填充P型半导体,如申请号为20120061721A1的美国专利method of manufacturing a superjunction device中,在N+衬底上生长一层N-外延层,然后进行两次刻蚀工艺,即终端区和元胞区的超结刻蚀分开,从而可以得到终端区的超结深度大于元胞区的超结深度。
以上两种方法均有比较明显的缺点,第一种方法需要较多的工艺步骤;第二种方法对不同深度的超结结构需要分别进行刻蚀,当要形成的P柱深度在两种以上时,刻蚀次数多,增加了工艺复杂性,也提高了成本。
发明内容
本发明的目的,就是针对上述问题,提出工艺步骤简单的一种非均匀超结结构的制作方法。
本发明的技术方案是,一种非均匀超结结构的制作方法,其特征在于,包括以下步骤:
第一步:制备N+衬底1,在N+衬底1上层生成N-外延层2,在N-外延层2上表面淀积硬掩膜层3;
第二步:采用光刻刻蚀工艺,在所有需要制作P型柱的区域刻蚀掉硬掩膜层3;具体方法为:在硅片表面淀积正性光刻胶,采用第一掩膜板01进行光刻显影后再刻蚀硬掩膜层3;其中,第一掩膜板01上有多个透光的矩形图形区域,将硬掩膜层3对应刻蚀掉多个矩形区;
第三步:在N-外延层2上表面淀积正性光刻胶4;
第四步:采用多次曝光工艺,对需要制作P型柱的区域进行曝光;具体方法为:采用第二掩膜板02进行第一次曝光,曝光剂量为J1;采用第三掩膜板进行第二次曝光,曝光剂量为J2;其中第二掩膜板02上有多个透光的矩形图形区域,第三掩膜板03上有多个透光的矩形图形区域,第二掩膜板02与第三掩膜板03上的矩形图形区域数量之和等于第一掩膜板01上矩形图形区域数量,且第二掩膜板02与第三掩膜板03上的矩形图形区域位置与第一掩膜板01上矩形图形区域位置一一重叠对应,J1不等于J2;
第五步:进行显影处理,去除部分光刻胶;
第六步:采用刻蚀工艺,依次刻蚀正性光刻胶4和N-外延层2,在N-外延层2中形成多个深度不同的深槽;
第六步:外延生长P型硅5,对形成的多个深槽进行填充,形成多个P型柱区。
具体的,所述第一掩膜板01中有4个的透光的矩形图形区域,分别为第一矩形图形区A、第二矩形图形区B、第三矩形图形区C和第四矩形图形区D,将硬掩膜层3对应刻蚀出第一矩形区E、第二矩形区F、第三矩形区G和第四矩形区H;所述第二掩膜板02中有2个透光的矩形图形区域,分别为第五矩形图形区B1、第六矩形图形区D1,其中第五矩形图形区B1、第六矩形图形区D1分别与第二矩形图形区B和第四矩形图形区D的位置重叠对应;所述第三掩膜板03中有2个的透光的矩形图形区域,分别为第七矩形图形区C2、第八矩形图形区D2,其中第七矩形图形区C2、第八矩形图形区D2分别与第三矩形图形区C和第四矩形图形区D的位置重叠对应;在经过曝光显影处理后,在第一矩形区E、第二矩形区F、第三矩形区G和第四矩形区H中残留的正性光刻胶4厚度分别为T、T1、T2和T3;刻蚀后第一矩形区E、第二矩形区F、第三矩形区G和第四矩形区H中形成的沟槽深度分别为d1、d2、d3、d4;假设显影去除的光刻胶厚度与曝光剂量的比值为s:1,体硅刻蚀时Si与光刻胶的刻蚀选择比为a:1,则正性光刻胶厚度、第一次曝光剂量J1、第二次曝光剂量J2及形成的P型柱的深度d1、d2、d3、d4有以下关系:
T-T1=sJ1=(d1-d2)/a,T-T2=sJ2=(d1-d3)/a,T-T3=s(J1+J2)=(d1-d4)/a。
本发明的有益效果为,通过不同掩膜板和不同曝光量的结合,可以灵活地形成各种不同深度的超结结构,工艺步骤简单,成本较低。
附图说明
图1是实施例中经过了工艺步骤1后器件的剖面结构示意图;
图2是实施例中工艺步骤2中所采用的掩膜板01的俯视图;
图3是实施例中经过了工艺步骤2后器件的剖面结构示意图;
图4是实施例中经过了工艺步骤3后器件的剖面结构示意图;
图5是实施例中工艺步骤4中所采用的掩膜板02的俯视图;
图6是实施例中工艺步骤4中所采用的掩膜板03的俯视图;
图7是实施例中经过了工艺步骤4、5后器件的剖面结构示意图;
图8是实施例中经过了工艺步骤6后器件的剖面结构示意图;
图9是实施例中经过了工艺步骤7后器件的剖面结构示意图;
图10是实施例中经过了工艺步骤8后器件的剖面结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的具体实施方式进行描述
本发明通过对体硅刻蚀之前淀积的光刻胶进行处理,采用多张掩膜板多次叠加曝光,使得待刻蚀区域的光刻胶具有不同的厚度。在随后进行体硅刻蚀中,光刻胶越薄的区域,刻蚀深度越深,因而可以得到深度非均匀的超结结构。而光刻胶之下的Si3N4或SiO2硬掩膜保证了光刻胶被刻蚀完后,N柱区不会受到体硅刻蚀的影响。
实施例:
以N沟道超结MOSFET为例,说明本发明的实施方案,本例中制备四种不同P柱深度的超结结构(5a、5b、5c、5d),其深度依次为d1、d2、d3、d4,且满足d1<d2<d3<d4,具体工艺步骤如下,
步骤1:在位于N+衬底1之上的N-外延层2顶部淀积一层Si3N4或SiO2作为体硅刻蚀的硬掩膜层3,如图1所示;
步骤2:先光刻显影再刻蚀硬掩膜层3,在所有需要制作P型柱的区域刻蚀掉硬掩膜层3,光刻采用正性光刻胶,所采用的掩膜版01示意图如图2所示,其中图形A、B、C、D分别对应P柱区5a、5b、5c、5d,刻蚀后的结构如图3所示,在硬掩膜层3中形成E、F、G、H区域;
步骤3:在硅片表面淀积厚度为T的正性光刻胶4,如图4所示;
步骤4:采用图5所示的掩膜板02进行曝光剂量为J1的第一次曝光,再采用图6所示的掩膜板03进行曝光剂量为J2的第二次曝光,曝光剂量J2大于曝光剂量J1,且掩膜版02上的图形区B1、D1应分别与掩膜版01上的图形区B、D对准且重叠,掩膜版03上的图形区C2、D2应分别与掩膜版01上的图形区C、D对准且重叠;
步骤5:显影,由于曝光剂量越大的区域光刻胶被溶解越多,因此在不同的区域残留的光刻胶厚度不同,F区、G区和H区的残余光刻胶厚度分别为T1、T2、T3,如图7所示;
步骤6:进行体硅刻蚀,刻蚀气体首先腐蚀光刻胶4,再刻蚀体硅2;由于光刻胶4在不同区域的厚度不同,将刻蚀形成深度不同的深槽结构,其深度分别为d1、d2、d3、d4,如图8所示;
步骤7:外延生长P型硅5,对刻蚀形成的深槽进行填充,填充完成之后对硅片表面进行化学机械抛光处理,去除多余的P型硅及硬掩膜层,最后生成的结构如图9所示;
步骤8:在表面淀积一层氧化层11,采用有源区掩模板,刻蚀出有源区,生长栅氧化层,然后进行多晶硅8淀积,采用多晶硅掩模板,刻蚀多晶硅8;
步骤9:Pbody区6注入、推结,源区N+9注入,Pbody区P+10注入;
步骤10:完成包括接触孔刻蚀、金属化源极7和漏极12在内的后续工艺,如图10所示。
假设显影去除的光刻胶厚度与曝光剂量的比值为s:1,体硅刻蚀时Si与光刻胶的刻蚀选择比为a:1,则正性光刻胶厚度、第一次曝光剂量J1、第二次曝光剂量J2及P柱的深度d1、d2、d3、d4应满足以下关系:
T-T1=sJ1=(d1-d2)/a,T-T2=sJ2=(d1-d3)/a,T-T3=s(J1+J2)=(d1-d4)/a。
本发明也可以应用于P沟道超结器件的制造。
本发明同样适用于超结DIODE和超结IGBT的制造。
需要进行说明的是,步骤3中正性光刻胶的厚度,步骤4中掩膜板的数量,掩膜板的图形以及步骤4中每张掩膜板光刻的曝光量,应根据实际情况进行调整。通过不同掩膜板和不同曝光量的结合,可以灵活地形成各种不同结深的超结结构。以本发明中以3张不同的掩膜板01,02,03为例,其中掩膜板01用于所有需要制作超结结构的区域,掩膜板02,03用于形成非均匀的超结结构,假设掩膜板02光刻的曝光量为J1,掩膜板光刻03的曝光量为J2,并且J1≠J2,则采用掩膜板02和03叠加曝光后有四种不同的曝光剂量,分别是J1+J2,J1,J2,0,即最多可以制备22=4种不同P柱深度的超结结构;同理,如果在本发明中采用4张不同图形的掩膜板,并且每张掩膜板光刻的曝光量都不同,则最多可以制备23=8种不同P柱深度的超结结构。继而可以推广到n(n≥2)张不同图形的掩膜板的情形,假设每张掩膜板光刻的曝光量都不同,则最多可以制备2n-1种不同P柱深度的超结结构;而如果采用多次分别挖槽的方法,则需要采用2n-1张掩膜版,并进行2n-1次光刻和深槽刻蚀。
Claims (2)
1.一种非均匀超结结构的制作方法,其特征在于,包括以下步骤:
第一步:制备N+衬底(1),在N+衬底(1)上层生成N-外延层(2),在N-外延层(2)上表面淀积硬掩膜层(3);
第二步:采用光刻刻蚀工艺,在所有需要制作P型柱的区域刻蚀掉硬掩膜层(3);具体方法为:在硅片表面淀积正性光刻胶,采用第一掩膜板(01)进行光刻显影后再刻蚀硬掩膜层(3);其中,第一掩膜板(01)上有多个透光的矩形图形区域,将硬掩膜层(3)对应刻蚀掉多个矩形区;
第三步:在N-外延层(2)上表面淀积正性光刻胶(4);
第四步:采用多次曝光工艺,对需要制作P型柱的区域进行曝光;具体方法为:采用第二掩膜板(02)进行第一次曝光,曝光剂量为J1;采用第三掩膜板进行第二次曝光,曝光剂量为J2;其中第二掩膜板(02)上有多个透光的矩形图形区域,第三掩膜板(03)上有多个透光的矩形图形区域,第二掩膜板(02)与第三掩膜板(03)上的矩形图形区域数量之和等于第一掩膜板(01)上矩形图形区域数量,且第二掩膜板(02)和第三掩膜板(03)上的矩形图形区域位置与第一掩膜板(01)上矩形图形区域位置一一重叠对应;J1不等于J2;
第五步:进行显影处理,去除部分正性光刻胶(4);
第六步:采用刻蚀工艺,依次刻蚀正性光刻胶(4)和N-外延层(2),在N-外延层(2)中形成多个深度不同的深槽;
第六步:外延生长P型硅(5),对形成的多个深槽进行填充,形成多个P型柱区。
2.根据权利要求1所述的一种非均匀超结结构的制作方法,其特征在于,所述第一掩膜板(01)中有4个的透光的矩形图形区域,分别为第一矩形图形区A、第二矩形图形区B、第三矩形图形区C和第四矩形图形区D,将硬掩膜层(3)对应刻蚀出第一矩形区E、第二矩形区F、第三矩形区G和第四矩形区H;所述第二掩膜板(02)中有2个透光的矩形图形区域,分别为第五矩形图形区B1、第六矩形图形区D1,其中第五矩形图形区B1、第六矩形图形区D1分别与第二矩形图形区B和第四矩形图形区D的位置重叠对应;所述第三掩膜板(03)中有2个的透光的矩形图形区域,分别为第七矩形图形区C2、第八矩形图形区D2,其中第七矩形图形区C2、第八矩形图形区D2分别与第三矩形图形区C和第四矩形图形区D的位置重叠对应;在经过曝光显影处理后,在第一矩形区E、第二矩形区F、第三矩形区G和第四矩形区H中残留的正性光刻胶(4)厚度分别为T、T1、T2和T3;刻蚀后第一矩形区E、第二矩形区F、第三矩形区G和第四矩形区H中形成的沟槽深度分别为d1、d2、d3、d4;假设显影去除的光刻胶厚度与曝光剂量的比值为s:1,体硅刻蚀时Si与光刻胶的刻蚀选择比为a:1,则正性光刻胶厚度、第一次曝光剂量J1、第二次曝光剂量J2及形成的P型柱的深度d1、d2、d3、d4有以下关系:
T-T1=sJ1=(d1-d2)/a,T-T2=sJ2=(d1-d3)/a,T-T3=s(J1+J2)=(d1-d4)/a。
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