CN104241133A - 带有沟槽式源极结构的功率mos场效应管制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及带有沟槽式源极结构的功率MOS场效应管制造方法，对单胞阵列中的源极接触区依次采用光刻、刻蚀以及淀积金属层制作工艺，且对单胞阵列中的源极接触区的刻蚀是以同一次光刻图形为掩膜，采用干法刻蚀+湿法腐蚀的组合方式进行，使源极金属层同时接触源极区顶部的横向接触平台和源极区侧部的纵向接触侧面。本发明所述的功率MOS场效应管制造方法，增加源极金属层与源极区的接触面积，从而降低源极金属接触电阻，减少能量损耗，改善器件性能。
Description
技术领域
本发明涉及功率MOS场效应管的制造工艺，特别涉及带有沟槽式源极结构的功率MOS场效应管制造方法。所述功率MOS场效应管即金属氧化物半导体场效应晶体管，metal-oxide-semiconductor field effect transistor，MOSFET。
背景技术
在功率MOS场效应管的性能指标中，导通电阻(Rdson)是一个非常重要的参数，它的大小直接关系到器件(指功率MOS场效应管)的能量损耗大小，而且随着器件尺寸的缩小，导通电阻的重要性就更加突出，导通电阻的大小关系到器件性能的好坏。
理论上功率MOS场效应管工作时，其导通电阻与能量损耗成线性关系，导通电阻越大器件开关时的能量损耗越大，因此人们在设计和制造功率MOS场效应管时，都希望尽可能的降低导通电阻，以减少器件的能量损耗。
功率MOS场效应管的导通电阻由外延层电阻、沟道电阻、金属接触电阻等几部分构成，其中所述金属接触电阻包括：源极金属接触电阻、漏极金属接触电阻等，因此降低源极金属接触电阻可以有效降低导通电阻。
在现有的功率MOS场效应管器件中，源极金属层与源极区的接触方式有两种：第一种，器件单胞中的源极金属层与源极区上表面的小平台接触，源极金属层与源极区的接触面仅仅局限于该小平台的面积，若增大小平台的面积，就会使器件的面积增加，从而增加器件的成本或影响器件的性能；第二种，器件单胞中的源极金属层依靠源极沟槽与源极区的侧壁接触，源极金属层与源极区的接触面仅仅为源极区的侧壁的面积。这两种接触方式所能提供的接触面积均较小，因此等效接触电阻较大，不利于降低器件的导通电阻以及提高器件的可靠 性。
随着市场竞争的加剧，对半导体器件制造成本控制的要求也越来越高，如何在不增加制造成本的前提下，提高器件性能(如特征导通电阻(Specific Rdson)、AC参数、DC参数等)是企业和生产厂商的努力方向，因此能否设计和制造出一种低成本和高性能的功率MOS场效应管器件是相关企业所面临的最主要问题。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供带有沟槽式源极结构的功率MOS场效应管制造方法，通过一种低成本的方式来增加源极金属层与源极区(N+或P+)的接触面积，从而降低功率MOS场效应管的源极金属接触电阻，减少能量损耗，改善器件性能。
为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：
带有沟槽式源极结构的功率MOS场效应管制造方法，其特征在于：对单胞阵列中的源极接触区依次采用光刻、刻蚀以及淀积金属层制作工艺，且对单胞阵列中的源极接触区的刻蚀是以同一次光刻图形为掩膜，采用干法刻蚀+湿法腐蚀的组合方式进行，使源极金属层同时接触源极区顶部的横向接触平台和源极区侧部的纵向接触侧面，所述组合方式为：
第一步，干法纵向连续刻蚀绝缘介质层8、源极区氧化层11和第一主面，形成源极接触区沟槽10；
第二步，湿法横向同时腐蚀绝缘介质层8和源极区氧化层11，形成源极顶部的横向接触平台；
或所述组合方式为：
第一步，干法纵向连续刻蚀绝缘介质层8和源极区氧化层11；
第二步，湿法横向同时腐蚀绝缘介质层8和源极区氧化层11，形成源极顶部的横向接触平台；
第三步，干法纵向刻蚀第一主面，形成源极接触区沟槽10。
在上述技术方案的基础上，所述功率MOS场效应管为N或P型沟 槽式功率MOS场效应管，或为N或P型平面式功率MOS场效应管，或为绝缘栅双极晶体管。
在上述技术方案的基础上，以源极接触区光刻图形为掩膜，采用干法刻蚀方法时，纵向连续刻蚀绝缘介质层8、源极区氧化层11以及第一主面，刻蚀深度至第一导电类型掺杂区下方的第二导电类型掺杂区位置，形成源极接触区沟槽10，该源极接触区沟槽10的侧向形成有与第一导电类型掺杂区的接触侧面，该源极接触区沟槽10的底部形成有与第二导电类型掺杂区的接触底面；
以源极接触区光刻图形为掩膜，采用湿法腐蚀方法时，横向同时腐蚀绝缘介质层8和源极区氧化层11，形成第一导电类型掺杂区顶部的横向接触平台。
在上述技术方案的基础上，对于N型MOS场效应管，第一导电类型指N型，第二导电类型指P型；对于P型MOS场效应管，第一导电类型指P型，第二导电类型指N型。
在上述技术方案的基础上，为了避免绝缘介质层下的源极区氧化层产生横向空洞，在湿法腐蚀过程中，湿法腐蚀液对绝缘介质层的腐蚀速率大于或等于对源极区氧化层的腐蚀速率。
在上述技术方案的基础上，为了满足湿法腐蚀液对绝缘介质层的腐蚀速率大于或等于对源极区氧化层的腐蚀速率，所述湿法腐蚀液采用氢氟酸水溶液或缓冲氢氟酸水溶液。
在上述技术方案的基础上，所述氢氟酸水溶液由氢氟酸和水组成，其中氢氟酸的质量浓度为2％～45％，
所述缓冲氢氟酸水溶液由氢氟酸、氟化铵和水组成，其中氢氟酸的质量浓度为0.091％～12％。
在上述技术方案的基础上，所述绝缘介质层8可以是硼磷硅玻璃、磷硅玻璃或二氧化硅。
在上述技术方案的基础上，所述源极区氧化层11包含有第一导电类型杂质离子注入后，通过高温推结时在第一导电类型掺杂区上表面形成的氧化层以及剩余的栅氧氧化层，这种氧化层为掺杂的二氧化 硅层，杂质为第一导电类型杂质。
在上述技术方案的基础上，干法刻蚀为：等离子体刻蚀、离子束刻蚀或反应离子刻蚀方法。
由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点和效果：
1、本发明只采用一次光刻并且结合干法刻蚀和湿法腐蚀工艺，就能使源极金属层同时接触源极区顶部的横向接触平台和源极区侧部的纵向接触侧面(参见图1、2)，而现有技术至少需要采用两次光刻，相比之下，本发明是以低成本的方式获得了增大源极金属层与源极区接触面积的效果，从而降低功率MOS场效应管的源极金属接触电阻，减少能量损耗，改善器件性能。
2、本发明采用湿法腐蚀方法，横向同时刻蚀绝缘介质层和源极区氧化层工艺中，通过控制湿法腐蚀液中氢氟酸的浓度来保证绝缘介质层的横向腐蚀速率大于或等于源极区氧化层的横向腐蚀速率，从而保证绝缘介质层下方的源极区氧化层不出现侧向空洞(参见图2中的源极区氧化层11部位，当该部位的横向腐蚀速率大于上方的绝缘介质层8的腐蚀速率时会出现侧向空洞)，使源极金属能够顺利填充源极接触区，尤其是与源极区氧化层的接触不留下空洞，以免产生漏电流导致器件失效。
附图说明
本发明有如下附图：
图1为本发明功率MOS场效应管剖面示意图；
图2为本发明功率MOS场效应管源极接触区制造工艺原理示意图；
图3(a)～3(g)为采用本发明所述方法制造平面式功率MOS场效应管的流程示意图。
附图标记：
1、N型衬底；2、N-外延层；3、场氧化层；4、栅氧化层；5、 导电多晶硅；6、P-掺杂区；7、N+掺杂区；8、绝缘介质层；9、金属层；10、源极接触区沟槽；11、源极区氧化层；12、源极接触区光刻图形(光刻胶阻挡层)。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步详细说明。
本发明所述的带有沟槽式源极结构的功率MOS场效应管制造方法，其技术核心是：通过一种低成本的方式，来增加源极接触区的源极金属层与源极区(N+或P+)的接触面积，从而降低功率MOS场效应管的源极金属接触电阻，减少能量损耗。
本发明所述制造方法可制造带有沟槽式源极结构，对功率MOS场效应管的源极接触区的器件结构进行了改进，适用于N或P型沟槽式功率MOS场效应管，也适用于N或P型平面式功率MOS场效应管，同时还适用于绝缘栅双极晶体管(IGBT)，其中包括平面式IGBT和沟槽式IGBT，比如穿通型(PT型)、非穿通型(NPT型)和场截止型(F-stop型)。
本发明所述的带有沟槽式源极结构的功率MOS场效应管制造方法，对单胞阵列中的源极接触区依次采用光刻、刻蚀以及淀积金属层制作工艺，且对单胞阵列中的源极接触区的刻蚀是以同一次光刻图形为掩膜(即只采用一次光刻)，采用干法刻蚀+湿法腐蚀的组合方式进行，使源极金属层同时接触源极区顶部的横向接触平台和源极区侧部的纵向接触侧面，所述组合方式为：
第一步，干法纵向连续刻蚀绝缘介质层8、源极区氧化层11和第一主面，形成源极接触区沟槽10；
第二步，湿法横向同时腐蚀绝缘介质层8和源极区氧化层11，形成源极顶部的横向接触平台；
或所述组合方式为：
第一步，干法纵向连续刻蚀绝缘介质层8和源极区氧化层11；
第二步，湿法横向同时腐蚀绝缘介质层8和源极区氧化层11， 形成源极顶部的横向接触平台；
第三步，干法纵向刻蚀第一主面，形成源极接触区沟槽10。
光刻和淀积金属层均采用现有公知技术实施，不再详述。
在上述技术方案的基础上，以源极接触区光刻图形为掩膜，采用干法刻蚀方法时，纵向连续刻蚀绝缘介质层8、源极区氧化层11以及第一主面，刻蚀深度至第一导电类型掺杂区下方的第二导电类型掺杂区位置，形成源极接触区沟槽10，该源极接触区沟槽10的侧向形成有与第一导电类型掺杂区的接触侧面，该源极接触区沟槽10的底部形成有与第二导电类型掺杂区的接触底面；
以源极接触区光刻图形为掩膜，采用湿法腐蚀方法时，横向同时腐蚀绝缘介质层8和源极区氧化层11，形成第一导电类型掺杂区顶部的横向接触平台。
本发明适用于平面式功率MOS场效应管和沟槽式功率MOS场效应管两种结构类型，其中，“第一导电类型”和“第二导电类型”两者中，对于N型MOS场效应管第一导电类型指N型，第二导电类型指P型；对于P型MOS场效应管正好相反，第一导电类型指P型，第二导电类型指N型。本发明同样适用于绝缘栅双极晶体管(IGBT)。
在上述技术方案的基础上，为了避免绝缘介质层下的源极区氧化层产生横向空洞，在湿法腐蚀过程中，湿法腐蚀液对绝缘介质层的腐蚀速率大于或等于对源极区氧化层的腐蚀速率。
在上述技术方案的基础上，为了满足湿法腐蚀液对绝缘介质层的腐蚀速率大于或等于对源极区氧化层的腐蚀速率，所述湿法腐蚀液采用氢氟酸水溶液或缓冲氢氟酸水溶液，
所述氢氟酸水溶液由氢氟酸和水组成，其中氢氟酸的质量浓度为2％～45％，
所述缓冲氢氟酸水溶液由氢氟酸、氟化铵和水组成，其中氢氟酸的质量浓度为0.091％～12％。
在上述技术方案的基础上，所述绝缘介质层8可以是硼磷硅玻璃(BPSG)、磷硅玻璃(PSG)或二氧化硅(SiO2)。
在上述技术方案的基础上，所述源极区氧化层11包含有第一导电类型杂质离子注入后，通过高温推结时在第一导电类型掺杂区上表面形成的氧化层以及剩余的栅氧氧化层，这种氧化层为掺杂的二氧化硅层，杂质为第一导电类型杂质。
在上述技术方案的基础上，干法刻蚀是以气体为主要媒体的刻蚀方法，其中，主要有等离子体刻蚀、离子束刻蚀和反应离子刻蚀方法。
等离子体刻蚀是在真空反应室内充入反应气体，电源能量在反应室中创建一个高频电场，将混合气体激发成为等离子状态，通过化学反应完成刻蚀。
离子束刻蚀也叫溅射刻蚀，它是一种物理工艺，刻蚀时晶片被固定在真空反应室内负极固定器上，随后向反应室内导入氩气流，氩气便受到一对阴阳极的高能电子束流的作用，被离子化为带正电荷的高能状态，从而被吸向负极固定器上晶片，并且不断被加速而轰击进入暴露的晶片部分，从晶片表面炸掉一小部分。
反应离子刻蚀结合了等离子体刻蚀和离子束刻蚀的原理，系统结构上和等离子体刻蚀相似，同时具有离子打磨能力。
以下为实施例。
实施例一：一种带有沟槽式源极结构的功率MOS场效应管制造方法，该方法对源极接触区制作工艺的特点是：以同一次光刻图形为掩膜，采用干法刻蚀+湿法腐蚀工艺来实现。而整个器件的制造方法如图3(a)～3(g)所示，具体包括下列工艺步骤：
(1)提供N型的具有两个相对主面的半导体硅片，如图3(a)该半导体硅片由N型衬底1和N-外延层2构成。
(2)于第一主面上形成场氧化层3，见图3(a)。
(3)选择性的掩蔽和刻蚀场氧化层3以及形成栅氧化层4，见图3(b)。
(4)于栅氧化层4上形成一层导电多晶硅5，见图3(c)。
(5)选择性的掩蔽和刻蚀导电多晶硅5，使部分导电多晶硅5形成栅极，见图3(d)。
(6)以作为栅极的导电多晶硅5作为自对准阻挡层，对第一主面进行P型杂质离子注入，并通过推结形成P-掺杂区6，见图3(d)。
(7)以作为栅极的导电多晶硅5作为自对准阻挡层，对第一主面进行N型杂质离子注入，并通过推结形成作为源极的N+掺杂区7以及位于N+掺杂区7上表面的源极区氧化层11，所述N+掺杂区7位于P-掺杂区6内部的上方，见图3(d)。
(8)淀积绝缘介质层8，如硼磷硅玻璃(BPSG)，见图3(e)。
(9)于绝缘介质层8上作选择性的掩蔽，形成源极接触区光刻图形12，见图2所示。
(10)以源极接触区光刻图形12为掩膜，采用干法刻蚀方法，纵向连续刻蚀绝缘介质层8、源极区氧化层11以及第一主面，见图2和图3(f)，刻蚀深度至N+掺杂区7下方的P-掺杂区6位置(其深入硅层内深度在0.01um～10um之间)，形成源极接触区沟槽10，该沟槽的侧向形成有与N+掺杂区7的接触侧面，底部形成有与P-掺杂区6的接触底面。
(11)接着，还以源极接触区光刻图形12为掩膜，采用湿法腐蚀方法，横向同时腐蚀绝缘介质层8和源极区氧化层11，见图2和图3(f)，形成N+掺杂区7顶部的横向接触平台；所述湿法腐蚀液采用氢氟酸水溶液或缓冲氢氟酸水溶液，所述氢氟酸水溶液由氢氟酸和水组成，其中氢氟酸的质量浓度为2％～45％，所述缓冲氢氟酸水溶液由氢氟酸、氟化铵和水组成，其中氢氟酸的质量浓度为0.091％～12％。
比如，湿法腐蚀液采用质量浓度为49％的氢氟酸(HF)时，需要加水稀释成氢氟酸水溶液，两者的体积比为HF(49％)∶H2O＝1∶0.1～1∶30，经换算(49％的HF相对密度为1.18)氢氟酸的质量浓度为2％～45％。
再比如，湿法腐蚀液缓冲氢氟酸溶液(BOE)[其中，HF的质量浓度1.64％～13.1％；NH4F的质量浓度为29.5％～38.7％]时，需要加水稀释成缓冲氢氟酸水溶液，两者的体积比为BOE：H2O＝1∶0.1～1∶20，经换算(BOE相对密度为1.18)氢氟酸的质量浓度为0.091％～ 12％。
在湿法腐蚀时腐蚀液中含HF浓度的具体选择要保证腐蚀液对绝缘介质层的横向腐蚀速率大于或等于源极区氧化层横向腐蚀速率，避免源极区氧化层出现侧向空洞。而这一点要根据绝缘介质层和源极区氧化层的材料确定。一般绝缘介质层为硼磷硅玻璃(BPSG)、磷硅玻璃(PSG)或二氧化硅(SiO2)。源极区氧化层为掺杂的二氧化硅。
(12)于绝缘介质层8表面以及源极接触区沟槽10中形成金属层9，见图3(g)，其中，源极接触区内的金属一方面通过所述接触平台和所述接触侧面同时与N+掺杂区7接触，另一方面通过所述接触底面与P-掺杂区6接触。
(13)选择性的掩蔽和刻蚀金属层9。
虽然上述实例是以N型MOS场效应管来加以描述的，但本发明也适用于P型MOS场效应管，其中仅需将P改为N，N改为P即可，同时对栅极是沟槽结构的MOS场效应管同时适用。
对于功率MOS场效应管，其主要是在保证良好的器件性能前提下，通过降低器件的制造成本来提高市场的竞争力。本发明提供的一种带有沟槽式源极结构的功率MOS场效应管制造方法，主要特点是仅使用一次光刻并且结合干法和湿法刻蚀工艺就能达到增大源极接触面积的效果，而第一导电类型掺杂区是利用导电多晶硅层或场氧化硅层作为自对准阻挡层通过离子注入和推结来完成，无需额外增加光刻，这样整个器件的制造工艺仅使用了四次光刻来完成。相比之下，而传统功率MOS场效应管需要六次或六次以上光刻来完成制造，因此本发明不仅源极具有较小的接触电阻以及较好的器件性能，而且制造成本较低。
此外，本发明的源极接触区的制造方法不仅限于上述描述，允许有种种变形，而导致与本制造方法相同，均在本发明保护内，同样适用于IGBT(绝缘栅双极晶体管)，这里不再举例说明。
本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
Claims (10)
1.带有沟槽式源极结构的功率MOS场效应管制造方法，其特征在于：对单胞阵列中的源极接触区依次采用光刻、刻蚀以及淀积金属层制作工艺，且对单胞阵列中的源极接触区的刻蚀是以同一次光刻图形为掩膜，采用干法刻蚀+湿法腐蚀的组合方式进行，使源极金属层同时接触源极区顶部的横向接触平台和源极区侧部的纵向接触侧面，所述组合方式为：
第一步，干法纵向连续刻蚀绝缘介质层(8)、源极区氧化层(11)和第一主面，形成源极接触区沟槽(10)；
第二步，湿法横向同时腐蚀绝缘介质层(8)和源极区氧化层(11)，形成源极顶部的横向接触平台；
或所述组合方式为：
第一步，干法纵向连续刻蚀绝缘介质层(8)和源极区氧化层(11)；
第二步，湿法横向同时腐蚀绝缘介质层(8)和源极区氧化层(11)，形成源极顶部的横向接触平台；
第三步，干法纵向刻蚀第一主面，形成源极接触区沟槽(10)。
2.如权利要求1所述的带有沟槽式源极结构的功率MOS场效应管制造方法，其特征在于：所述功率MOS场效应管为N或P型沟槽式功率MOS场效应管，或为N或P型平面式功率MOS场效应管，或为绝缘栅双极晶体管。
3.如权利要求1所述的带有沟槽式源极结构的功率MOS场效应管制造方法，其特征在于：以源极接触区光刻图形为掩膜，采用干法刻蚀方法时，纵向连续刻蚀绝缘介质层(8)、源极区氧化层(11)以及第一主面，刻蚀深度至第一导电类型掺杂区下方的第二导电类型掺杂区位置，形成源极接触区沟槽(10)，该源极接触区沟槽(10)的侧向形成有与第一导电类型掺杂区的接触侧面，该源极接触区沟槽(10)的底部形成有与第二导电类型掺杂区的接触底面；
以源极接触区光刻图形为掩膜，采用湿法腐蚀方法时，横向同时腐蚀绝缘介质层(8)和源极区氧化层(11)，形成第一导电类型掺杂区顶部的横向接触平台。
4.如权利要求3所述的带有沟槽式源极结构的功率MOS场效应管制造方法，其特征在于：对于N型MOS场效应管，第一导电类型指N型，第二导电类型指P型；对于P型MOS场效应管，第一导电类型指P型，第二导电类型指N型。
5.如权利要求1所述的带有沟槽式源极结构的功率MOS场效应管制造方法，其特征在于：为了避免绝缘介质层下的源极区氧化层产生横向空洞，在湿法腐蚀过程中，湿法腐蚀液对绝缘介质层的腐蚀速率大于或等于对源极区氧化层的腐蚀速率。
6.如权利要求5所述的带有沟槽式源极结构的功率MOS场效应管制造方法，其特征在于：为了满足湿法腐蚀液对绝缘介质层的腐蚀速率大于或等于对源极区氧化层的腐蚀速率，所述湿法腐蚀液采用氢氟酸水溶液或缓冲氢氟酸水溶液。
7.如权利要求6所述的带有沟槽式源极结构的功率MOS场效应管制造方法，其特征在于：所述氢氟酸水溶液由氢氟酸和水组成，其中氢氟酸的质量浓度为2％～45％，
所述缓冲氢氟酸水溶液由氢氟酸、氟化铵和水组成，其中氢氟酸的质量浓度为0.091％～12％。
8.如权利要求1所述的带有沟槽式源极结构的功率MOS场效应管制造方法，其特征在于：所述绝缘介质层(8)可以是硼磷硅玻璃、磷硅玻璃或二氧化硅。
9.如权利要求1所述的带有沟槽式源极结构的功率MOS场效应管制造方法，其特征在于：所述源极区氧化层(11)包含有第一导电类型杂质离子注入后，通过高温推结时在第一导电类型掺杂区上表面形成的氧化层以及剩余的栅氧氧化层，这种氧化层为掺杂的二氧化硅层，杂质为第一导电类型杂质。
10.如权利要求1所述的带有沟槽式源极结构的功率MOS场效应管制造方法，其特征在于，干法刻蚀为：等离子体刻蚀、离子束刻蚀或反应离子刻蚀方法。
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