CN104599972B - 一种半导体器件及其形成方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种半导体器件及其形成方法，在特定掺杂类型的半导体衬底上形成沟槽后，采用与半导体衬底的掺杂类型相反的液态掺杂源进行扩散，所述液态掺杂源覆盖阻挡层表面，并在沟槽周围的半导体衬底中形成与半导体衬底的掺杂类型相反的掺杂区，无需采用工艺复杂、技术难度较大的常规外延掺杂工艺，降低了工艺难度。另外，本发明在形成掺杂区后，采用填充性较佳的介质材料进行沟槽填充，有利于形成没有缝隙或空洞的填充层，使沟槽内部填充没有缺陷，降低了对沟槽刻蚀工艺的要求，保证器件的高压性能和可靠性要求。

Description

一种半导体器件及其形成方法

技术领域

本发明属于半导体制造工艺技术领域，涉及一种半导体器件及其形成方法。

背景技术

超结金属氧化物半导体场效应晶体管(Super-junction MOSFET)是一种新型的功率器件，由于其特殊的纵向PN柱交替结构，电荷可以相互补偿，在器件截止状态时，施加较低的电压可以使P型区和N型区在采用较高掺杂浓度时能实现较高的击穿电压，同时获得更低的导通电阻。

在超结器件制作工艺中，通常是先形成一特定掺杂类型的半导体衬底，并在该特定掺杂类型半导体衬底上的特定区域进行相反类型掺杂，从而形成P型区、N型区交叉的超结结构。以超结NMOS晶体管为例，半导体衬底掺杂为N型，对于P型区的形成方法基本有两种：一种方法是多次光刻、P型注入和外延生长的方法，其特点是工艺简单，但由于多次光刻、注入和外延，成本很高；另一种方法是在特定半导体衬底上进行P型区硅刻蚀形成沟槽(Trench)，之后采用外延填充方法在沟槽中填充P型硅，从而形成P型区，其特点是成本很低，但工艺复杂，技术难度很大。

图1所示为采用外延填充方法制作超结金属氧化物半导体场效应晶体管的第一步，在特定掺杂类型的半导体衬底10上形成一介质层11。接着，如图2所示，进行刻蚀在特定掺杂类型的半导体衬底10中形成沟槽12，其中沟槽12的侧壁与半导体衬底10水平面之间具有一夹角θ1，θ1一般在80～89.5度之间，且θ1越小，外延填充的效果越好，但对耐压等参数有影响。之后，采用常规外延填充工艺在沟槽12中填充外延层，由于淀积原理，外延填充过程中，如图3所示，沟槽顶部的气氛利于淀积从而在沟槽顶部先封口，因此在沟槽12的顶部形成外延堆积13，导致沟槽12内部空间未填满留下一道缝隙13a，在沟槽的倾斜度θ1越接近90度的时候，外延填充的能力越差，越容易形成大的缝隙，在严重的情况下甚至出现大的空洞。缝隙和空洞的存在使硅原子和掺杂原子排列不连续形成缺陷，导致器件工作中，特别是高压情况下容易发生漏电，影响器件的性能和可靠性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种半导体器件及其形成方法，无需采用技术难度较大的常规外延掺杂工艺，有利于形成没有缝隙或空洞的填充层，提高器件的性能和可靠性。

为了解决上述问题，本发明提供一种半导体器件形成方法，包括：

提供具有特定掺杂类型的半导体衬底；

在所述半导体衬底上形成介质层；

刻蚀所述介质层和半导体衬底形成沟槽；

在所述沟槽内壁以及介质层上形成阻挡层；

采用与所述半导体衬底的掺杂类型相反的液态掺杂源进行扩散工艺，所述液态掺杂源覆盖所述阻挡层表面，并在所述沟槽周围的半导体衬底中形成与所述半导体衬底的掺杂类型相反的掺杂区；

去除所述阻挡层、液态掺杂源以及介质层；以及

在所述沟槽中形成填充层。

可选的，在所述的半导体器件形成方法中，所述阻挡层是二氧化硅。所述阻挡层的厚度范围为采用高温生长工艺形成所述阻挡层，所述高温生长工艺的温度范围为1000～1200度。

可选的，在所述的半导体器件形成方法中，所述半导体衬底的掺杂类型为P型时，所述液态掺杂源的掺杂类型为N型；所述半导体衬底的掺杂类型为N型时，所述液态掺杂源的掺杂类型为P型。

可选的，在所述的半导体器件形成方法中，所述扩散工艺在氮气和氧气的氛围下进行，温度范围为900～1250度。经过扩散工艺后掺杂区的方块电阻范围为0.5～23ohm/□。

可选的，在所述的半导体器件形成方法中，在所述沟槽中形成填充层的步骤包括：

在所述沟槽中以及半导体衬底表面沉积填充材料；以及

对所述半导体衬底的表面进行平坦化处理，去除所述半导体衬底表面的填充材料，以在所述沟槽中形成填充层。

可选的，在所述的半导体器件形成方法中，所述填充层是二氧化硅或者非掺杂多晶硅。采用化学机械研磨工艺或者回刻工艺对所述对半导体衬底表面进行平坦化处理。

可选的，在所述的半导体器件形成方法中，所述半导体器件是超结金属氧化物半导体场效应晶体管。

本发明还提供一种半导体器件，包括：

具有特定掺杂类型的半导体衬底；

形成于所述半导体衬底中的沟槽；

形成于所述沟槽周围的半导体衬底中与所述半导体衬底的掺杂类型相反的掺杂区；以及

形成于所述沟槽中的填充层。

可选的，所述填充层是二氧化硅或者非掺杂多晶硅。

可选的，所述半导体器件是超结金属氧化物半导体场效应晶体管。

与现有技术相比，本发明在特定掺杂类型的半导体衬底上形成沟槽后，采用与所述半导体衬底的掺杂类型相反的液态掺杂源进行扩散，所述液态掺杂源覆盖阻挡层表面，并在所述沟槽周围的半导体衬底中形成与所述半导体衬底的掺杂类型相反的掺杂区，无需采用工艺复杂、技术难度较大的常规外延掺杂工艺，降低了工艺难度。另外，本发明在形成掺杂区后，采用填充性较佳的介质材料如二氧化硅或者非掺杂多晶硅进行沟槽填充，有利于形成没有缝隙或空洞的填充层，使沟槽内部填充没有缺陷，降低了对沟槽刻蚀工艺的要求，保证器件的高压性能和可靠性要求。

附图说明

参照附图，根据下面的详细描述，可以更加清楚地理解本发明。为了清楚起见，图中各个层的相对厚度以及特定区的相对尺寸并没有按比例绘制。在附图中：

图1～3是现有技术的半导体器件形成过程中的器件剖面结构示意图；

图4是本发明一实施例的半导体器件形成方法的流程示意图；

图5～11是本发明一实施例的半导体器件形成过程中的器件剖面结构示意图。

具体实施方式

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。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。

参见图4，本发明提供一种半导体器件形成方法，包括如下步骤：

S11：提供具有特定掺杂类型的半导体衬底；

S12：在所述半导体衬底上形成介质层；

S13：刻蚀所述介质层和半导体衬底形成沟槽；

S14：在所述沟槽内壁以及介质层上形成阻挡层；

S15：采用与所述半导体衬底的掺杂类型相反的液态掺杂源进行扩散，所述液态掺杂源覆盖阻挡层表面，并在所述沟槽周围的半导体衬底中形成与所述半导体衬底的掺杂类型相反的掺杂区；

S16：去除所述阻挡层、液态掺杂源以及介质层；以及

S17：在所述沟槽中形成填充层。

下面结合附图4-11对本发明的具体实施方式做详细的说明。

结合图4和图5所示，执行步骤S11，提供具有特定掺杂类型的半导体衬底30，并在所述半导体衬底30上形成一介质层31。

具体的，步骤S11中，所述具有特定掺杂类型的半导体衬底30可以是N型掺杂或P型掺杂的硅衬底、锗硅衬底、Ⅲ-Ⅴ族元素化合物半导体衬底或本领域技术人员公知的其他半导体材料衬底。本实施例中包括形成功率器件常用的N型<100>晶向的硅衬底。所述介质层31的材料为氮化硅、氮氧化物或二氧化硅中的一种或者多种，所述介质层31的厚度例如为

结合图4和图6所示，执行步骤S12，刻蚀所述介质层31和半导体衬底30形成沟槽32。

具体的，步骤S12中，通过匀胶和曝光工艺形成图案化光阻层，然后进行刻蚀选择性去除介质层31以及进行沟槽刻蚀形成沟槽32，再去除图案化光阻层。所述选择性去除介质层31以及做沟槽刻蚀均采用干法刻蚀，所述沟槽32的深度h为0.5～200μm、顶部宽度a和底部宽度b为0.1～50μm、沟槽倾斜度θ2范围为80～90度。可采用干法去胶加湿法去胶的方式去除图案化光阻层。

结合图4和图7所示，执行步骤S13，在所述沟槽32的内壁以及介质层31上形成阻挡层33。所述阻挡层33用于在后续掺杂过程中形成富杂质层，利于杂质的再分步；并且，由于一些液态掺杂源对半导体衬底裸露区域有腐蚀作用，所述阻挡层33还可以保护半导体衬底裸露区域不被液态掺杂源腐蚀；此外，如果所述液态掺杂源不经阻挡直接进行掺杂则容易在半导体衬底上形成缺陷，经过阻挡层遮挡则可避免此缺陷或者即便产生缺陷后续也可通过去除阻挡层而得以消除。所述阻挡层33的较佳厚度范围为若所述形成阻挡层33厚度太厚容易导致杂质扩散不佳，而阻止层33太薄则不容易阻挡液态掺杂源对半导体衬底裸露区的腐蚀，上述阻挡层33的厚度则有利于同时实现利于杂质扩散以及阻挡腐蚀两方面的效果。优选方案中，所述阻挡层33为二氧化硅，采用高温生长氧化层的方式形成阻挡层33，所述高温生长氧化层的温度范围为1000～1200度，采用高温生长的方式形成阻挡层33有利于对沟槽内壁进行修复。

结合图4和图8所示，执行步骤S14，采用与半导体衬底30的掺杂类型相反的液态掺杂源进行扩散，所述液态掺杂源34a覆盖阻挡层33表面，并在沟槽32周围的半导体衬底中形成与半导体衬底30的掺杂类型相反的掺杂区34b，进而形成P\N区交替出现的结构。

其中，所述与半导体衬底掺杂类型相反的液态掺杂源，指的是当半导体衬底掺杂类型为P型时液态掺杂源的掺杂类型为N型，当半导体衬底掺杂类型为N型时液态掺杂源的掺杂类型为P型。例如，当液态掺杂源的掺杂类型为N型时，包括三氯氧磷；当液态掺杂源的掺杂类型为P型时，包括硼酸或三溴化硼。可根据需要掺杂区域的目标浓度来选择合适浓度的液态掺杂源，液态掺杂源越浓、掺杂时间越长则可以得到更浓的掺杂浓度，可根据产品耐压等参数需求来调整退火的温度和时间，从而达到掺杂区的目标结深。本实施例中，所述扩散工艺在氮气和氧气的氛围下在炉管中进行，温度范围为900～1250度，经过扩散后掺杂区34b的方块电阻Rs范围为0.5～23ohm/□。可知，所谓液态掺杂源指的是掺杂源的初始状态是液态，经过扩散工艺加热后其会挥发成气体，被氮气携带覆盖在硅片表面，即，液态掺杂源在氮气的携带下以蒸汽的形式积聚在阻挡层33表面，并较好的渗入沟槽内部(液态掺杂源可以填满沟槽也可以不填满沟槽)，形成液态掺杂源在半导体衬底上的预饱和，最终在沟槽32周围的半导体衬底中形成与半导体衬底掺杂类型相反的掺杂区34b。扩散过程中通入氧气，可以减少液态掺杂源对硅晶格的损伤，还可以促进掺杂杂质的分解，利于掺杂源的扩散和在硅晶格中再分布。

结合图4和图9所示，执行步骤S15，去除所述阻挡层33、液态掺杂源34a以及介质层31。通过此步骤，可防止液态掺杂源的残留物对硅晶格产生破坏，也可避免液态掺杂源的残留物导致其他区域的沾污。本实施例中采用含HF的腐蚀液漂洗尽液态掺杂源的残留物。

结合图4和图10-11所示，执行步骤S16，在所述沟槽中以及半导体衬底30表面沉积填充材料36a，并对所述半导体衬底30的表面进行平坦化处理，去除所述半导体衬底30表面的填充材料，以在所述沟槽32中形成填充层36。可采用填充性较佳的介质材料进行沟槽填充，可以使沟槽内部填充没有缺陷，无缝隙或空洞，所述填充性较佳的填充材料例如是比硅填充性更佳的二氧化硅或者非掺杂多晶硅。可采用化学机械研磨或者采用回刻工艺对所述对半导体衬底30表面进行平坦化处理。即形成了表面平坦、半导体衬底无缺陷、缝隙或空洞的P\N区交替出现的结构。在此结构基础上，还可进行常规的功率器件工艺步骤，如体加浓区、栅极多晶、发射区、接触孔及金属引线后即可形成完整的超结器件，此处不再赘述。

上述以超结金属氧化物半导体场效应晶体管制作过程为例详细说明了本发明，可以理解的是，还可以将上述方法运用于具有沟槽且需要在半导体衬底中形成掺杂区的大功率晶体管、IGBT和MEMS等产品中。

如图5-11所示，本发明还提供一种半导体器件，包括：具有特定掺杂类型的半导体衬底30；形成于所述半导体衬底30中的沟槽32；形成于所述沟槽30周围的半导体衬底中与所述半导体衬底30的掺杂类型相反的掺杂区34b；以及形成于所述沟槽32中的填充层36。

其中，所述填充层36是比硅填充性更佳的二氧化硅或者非掺杂多晶硅。本发明采用液态掺杂源形成了掺杂区，因而可采用具有良好填充性能的介质材料填充沟槽，形成没有缝隙或空洞的填充层，从而避免器件漏电，保证器件的高压性能和可靠性要求。以超结结构如超结金属氧化物半导体场效应晶体管为例，只需要整体半导体衬底中出现了P\N结交替的结构，即完成了超结结构，沟槽中形成的填充层可以不参与器件的使用，而且此结构的掺杂区基本是等比例外扩，即外围的掺杂区是稳定的，可以得到和纯硅填充一样效果的电流、电场分布。

综上所述，本发明在特定掺杂类型的半导体衬底上形成沟槽后，先生长一层介质层，并采用液态掺杂源进行扩散工艺形成P\N区交替出现的结构，再采用具有良好填充性能的介质材料进行填充，使沟槽填充区完好，形成没有缝隙或空洞的沟槽，避免缺陷、器件漏电，保证器件的高压性能和可靠性要求，由于采用此方法可以实现沟槽内的无缝隙填充，因此对沟槽的倾斜度没有苛刻要求，倾斜度可以根据产品要求做到无限接近90度甚至大于90度，使刻槽工艺更简单，更利于实现满足产品要求的器件结构。

虽然已经通过示例性实施例对本发明进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上示例性实施例仅是为了进行说明，而不是为了限制本发明的范围。本领域的技术人员应该理解，可在不脱离本发明的范围和精神的情况下，对以上实施例进行修改。本发明的范围由所附权利要求来限定。

Claims (11)

1.一种半导体器件形成方法，其特征在于，包括：

提供具有特定掺杂类型的半导体衬底；

在所述半导体衬底上形成介质层；

刻蚀所述介质层和半导体衬底形成沟槽；

在所述沟槽内壁以及介质层上形成阻挡层；

采用与所述半导体衬底的掺杂类型相反的液态掺杂源进行扩散工艺，所述液态掺杂源覆盖所述阻挡层表面，并在所述沟槽全部侧壁和底壁周围的半导体衬底中形成与所述半导体衬底的掺杂类型相反的掺杂区；

去除所述阻挡层、液态掺杂源以及介质层；以及

在所述沟槽中形成填充层。

2.如权利要求1所述的半导体器件形成方法，其特征在于，所述阻挡层是二氧化硅。

3.如权利要求2所述的半导体器件形成方法，其特征在于，所述阻挡层的厚度范围为

4.如权利要求2所述的半导体器件形成方法，其特征在于，采用高温生长工艺形成所述阻挡层，所述高温生长工艺的温度范围为1000～1200度。

5.如权利要求1所述的半导体器件形成方法，其特征在于，所述半导体衬底的掺杂类型为P型时，所述液态掺杂源的掺杂类型为N型；所述半导体衬底的掺杂类型为N型时，所述液态掺杂源的掺杂类型为P型。

6.如权利要求1所述的半导体器件形成方法，其特征在于，所述扩散工艺在氮气和氧气的氛围下进行，温度范围为900～1250度。

7.如权利要求6所述的半导体器件形成方法，其特征在于，经过扩散工艺后掺杂区的方块电阻范围为0.5～23ohm/□。

8.如权利要求1所述的半导体器件形成方法，其特征在于，在所述沟槽中形成填充层的步骤包括：

在所述沟槽中以及半导体衬底表面沉积填充材料；以及

对所述半导体衬底的表面进行平坦化处理，去除所述半导体衬底表面的填充材料，以在所述沟槽中形成填充层。

9.如权利要求8所述的半导体器件形成方法，其特征在于，所述填充层是二氧化硅或者非掺杂多晶硅。

10.如权利要求8所述的半导体器件形成方法，其特征在于，采用化学机械研磨工艺或者回刻工艺对所述半导体衬底表面进行平坦化处理。

11.如权利要求1至9中任一项所述的半导体器件形成方法，其特征在于，所述半导体器件是超结金属氧化物半导体场效应晶体管。