CN107611030A - 超级结的制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超级结的制造方法，包括如下步骤：步骤一、提供第一导电类型均匀掺杂的第一外延层并形成沟槽。步骤二、进行多角度的多次第一导电类型的离子注入。步骤三、在沟槽中填充第二导电类型的第二外延层。本发明步骤二中多角度的多次离子注入的杂质能抵消沟槽的倒梯形结构形成的超级结的电荷失配，实现超级结的电荷自动匹配。本发明能采用沟槽填充形成柱状薄层，能实现对倒梯形沟槽所带来的电荷失配进行补偿，实现自动调节超级结的电荷匹配，提高器件的击穿电压，并能提高超级结的薄层的掺杂浓度，降低导通电阻。

Description

超级结的制造方法

技术领域

本发明涉及一种半导体集成电路制造方法，特别是涉及一种超级结的制造方法。

背景技术

超级结是由一系列交替排列的N型薄层和P型薄层组成，应用于VDMOS中时，是通过在VDMOS的漂移区内制作一定深度分布、导电类型与漂移区相反的柱状区域(pillar)，形成电荷耦合(charge coupling)效果，在耗尽区全部耗尽的情况下，耗尽区电场均匀分布。与常规VDMOS相比，具有超级结的VDMOS能具有更高的漂移区掺杂和更低的导通电阻。

Pillar的制作方式主要有多次外延加多次离子注入形成，以及刻蚀深沟槽再填充掺杂的单晶硅形成两种方式。由于前者工艺成本高，先大多数倾向后者。

为了实现漂移区和pillar的电荷耦合，两者的电荷要完美匹配。但深沟槽的形貌通常是倒梯形，以便于外延填充，而外延的漂移区和Pillar都是均匀掺杂，造成很难在pillar的所有区域都与漂移区电荷匹配，器件的击穿电压很低。

如图1A所示，是现有方法形成的超级结中漂移区未完全耗尽是的仿真图；图1A所对应的超级结中，漂移区薄层101和柱状薄层102不能实现完全的电荷匹配，其中柱状薄层102采用了较低的掺杂浓度，最后使得柱状薄层102能完全耗尽，但是漂移区薄层101不能完全耗尽，具体表现为图1A中虚线圈103所示区域中具有未完全耗尽的漂移区薄层101的杂质电荷。

如图1B所示，是现有方法形成的超级结中pillar未完全耗尽是的仿真图；图1B所对应的超级结中，漂移区薄层101和柱状薄层102也不能实现完全的电荷匹配，其中柱状薄层102采用了较高的掺杂浓度即比图1A的柱状薄层102的掺杂浓度高，最后使得漂移区薄层101能完全耗尽，但是柱状薄层102不能完全耗尽，具体表现为图1B中虚线圈104所示区域中具有未完全耗尽的柱状薄层102的杂质电荷。

由图1A和图1B所示可知，漂移区即漂移区薄层101或Pillar即柱状薄层102的未全耗尽造成器件的低击穿电压。

倒梯形的pillar形貌以及pillar顶部的器件沟道掺杂决定了越靠近表面需要越多的漂移区掺杂，实现全部pillar及其对应的漂移区全耗尽。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种超级结的制造方法，能采用沟槽填充形成柱状薄层，能实现对倒梯形沟槽所带来的电荷失配进行补偿，实现自动调节超级结的电荷匹配，提高器件的击穿电压，并能提高超级结的薄层的掺杂浓度，降低导通电阻。

为解决上述技术问题，本发明提供一种超级结的制造方法包括如下步骤：

步骤一、提供具有第一导电类型均匀掺杂的第一外延层，采用光刻刻蚀工艺在所述第一外延层中形成超级结的沟槽，所述沟槽呈上宽下窄侧面倾斜的倒梯形结构，各所述沟槽之间的所述第一外延层组成漂移区薄层。

步骤二、进行多角度的多次离子注入，各次所述离子注入从所述沟槽的侧面将第一导电类型杂质注入到所述漂移区薄层中；利用注入角度越小所述离子注入的注入位置所覆盖的所述漂移区薄层的纵向范围越大的特点，通过一系列的注入角度的设置，使通过所述离子注入工艺注入到所述漂移区薄层中的杂质量从所述沟槽的底部往上逐渐增加。

步骤三、在所述沟槽中填充第二导电类型的第二外延层，由填充于所述沟槽中的所述第二外延层组柱状薄层，由所述柱状薄层和所述漂移区薄层交替排列组成所述超级结；所述第二外延层为在位均匀掺杂，步骤二中的所述离子注入的杂质用于抵消所述沟槽的倒梯形结构形成的所述柱状薄层和所述漂移区薄层之间的电荷失配，实现超级结的电荷自动匹配。

进一步的改进是，步骤二的所述离子注入之后还包括退火激活工艺。

进一步的改进是，所述退火激活工艺为快速热退火或炉管退火。

进一步的改进是，步骤二中所述离子注入的注入角度的划分越细越好，注入次数越多越好。

进一步的改进是，所述离子注入的注入角度注入角度从5度开始，最大10度一个台阶逐渐增大，直至离子注入机的极限角度。

进一步的改进是，所述离子注入中的每一个注入角度对应注入次数为一次。

进一步的改进是，各次所述离子注入的注入剂量相同或不同，各次所述离子注入的注入能量相同或不同。

进一步的改进是，各次所述离子注入使对应的所述漂移区薄层的注入区域的杂质体浓度的增加值不超过为注入前的所述第一外延层的杂质体浓度的一倍。

进一步的改进是，所述超级结用于形成N型超级结器件，所述第一导电类型为N型，第二导电类型为P型，所述漂移区薄层为N型薄层，所述柱状薄层为P型薄层，所述离子注入的注入杂质为磷或砷。

进一步的改进是，所述超级结用于形成P型超级结器件，所述第一导电类型为P型，第二导电类型为N型，所述漂移区薄层为P型薄层，所述柱状薄层为N型薄层，所述离子注入的注入杂质为硼。

本发明通过在沟槽形成后，利用光刻刻蚀工艺形成的沟槽具有倒梯形的特点，本发明增加了多角度的多次离子注入，离子注入的杂质和漂移区薄层的杂质导电类型相同，这样离子注入能增加注入区域的漂移区薄层的掺杂浓度；而通过多角度的设置，由于角度越小，离子注入所覆盖的漂移区薄层的纵向范围越大，这样通过一系列的角度设置后，从漂移区薄层的底部到顶部，注入的杂质量会逐渐增加；这种漂移区薄层的杂质量变化趋势正好和倒梯形结构造成的漂移区薄层和柱状薄层的电荷失配量的变化趋势相反，也即步骤二的离子注入的杂质能抵消沟槽的倒梯形结构形成的柱状薄层和漂移区薄层之间的电荷失配，实现超级结的电荷自动匹配。

其中，沟槽的倒梯形结构形成的柱状薄层和漂移区薄层之间的电荷失配是指，柱状薄层的顶部宽底部窄、漂移区薄层的顶部窄底部宽，在柱状薄层和漂移区薄层都具有均匀掺杂浓度的条件下，宽度越宽则对于位置处的掺杂总量越多，故倒梯形的沟槽会使得在超级结的顶部区域柱状薄层的掺杂总量大于漂移区薄层的掺杂总量，而在超结结的底部区域则具有柱状薄层的掺杂总量小于漂移区薄层的掺杂总量的特征，而理想的电荷匹配是柱状薄层和漂移区薄层之间各位置处的掺杂总量相等，所以倒梯形的沟槽会造成柱状薄层和漂移区薄层之间的电荷失配。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：

图1A是现有方法形成的超级结中漂移区未完全耗尽是的仿真图；

图1B是现有方法形成的超级结中pillar未完全耗尽是的仿真图；

图2是本发明实施例方法的流程图；

图3是本发明实施例方法步骤二时的器件结构示意图；

图4A是现有方法形成的超级结中pillar掺杂浓度较小时的器件仿真图；

图4B是现有方法形成的超级结中pillar掺杂浓度较大时的器件仿真图；

图4C是本发明实施例方法形成的超级结且pillar掺杂浓度和图4B相同时的器件仿真图；

图5是图4C对应的器件的耗尽区的仿真图。

具体实施方式

如图2所示，是本发明实施例方法的流程图；图3是本发明实施例方法步骤二时的器件结构示意图；本发明实施例超级结的制造方法包括如下步骤：

步骤一、提供具有第一导电类型均匀掺杂的第一外延层101，采用光刻刻蚀工艺在所述第一外延层101中形成超级结的沟槽201，所述沟槽201呈上宽下窄侧面倾斜的倒梯形结构，各所述沟槽201之间的所述第一外延层101组成漂移区薄层101。

步骤二、进行多角度的多次离子注入302，各次所述离子注入302从所述沟槽201的侧面将第一导电类型杂质注入到所述漂移区薄层101中；利用注入角度越小所述离子注入302的注入位置所覆盖的所述漂移区薄层101的纵向范围越大的特点，通过一系列的注入角度的设置，使通过所述离子注入302工艺注入到所述漂移区薄层101中的杂质量从所述沟槽201的底部往上逐渐增加。

所述离子注入302的注入角度是指注入方向和所述第一外延层101表面的垂直线之间的夹角，由图3可以看出，注入角度越小，所述离子注入302的注入区域深入到所述沟槽201的深度也就越深即注入深度会越深，注入范围为所述沟槽的底部表面至最深的注入深度；而当逐渐增加所述离子注入302的注入角度时，注入深度会慢慢上移，注入范围会逐渐缩小；这样，多角度的多次离子注入302完成后，从所述沟槽的底部到顶部注入的杂质量会逐渐增多。

本发明实施例方法中，所述离子注入302之后还包括退火激活工艺。所述退火激活工艺为快速热退火或炉管退火。

所述离子注入302的注入角度的划分越细越好，注入次数越多越好；例如：所述离子注入302的注入角度注入角度从5度开始，最大10度一个台阶逐渐增大，直至离子注入302机的极限角度。所述离子注入302中的每一个注入角度对应注入次数为一次，其它实施例中，也能为一个注入角度对应注入次数为多次。

各次所述离子注入302的注入剂量相同或不同，各次所述离子注入302的注入能量相同或不同。较佳为，注入剂量和注入能量的选择满足：各次所述离子注入302使对应的所述漂移区薄层101的注入区域的杂质体浓度的增加值不超过为注入前的所述第一外延层101的杂质体浓度的一倍。

所述离子注入302进行时采用定义所述沟槽201的光刻胶图形301。

步骤三、在所述沟槽201中填充第二导电类型的第二外延层102，由填充于所述沟槽201中的所述第二外延层102组柱状薄层102，由所述柱状薄层102和所述漂移区薄层101交替排列组成所述超级结；所述第二外延层102为在位均匀掺杂，步骤二中的所述离子注入302的杂质用于抵消所述沟槽201的倒梯形结构形成的所述柱状薄层102和所述漂移区薄层101之间的电荷失配，实现超级结的电荷自动匹配。

本发明实施例方法中，所述超级结用于形成N型超级结器件，所述第一导电类型为N型，第二导电类型为P型，所述漂移区薄层101为N型薄层，所述柱状薄层102为P型薄层，所述离子注入302的注入杂质为磷或砷。在其它实施例方法中也能为：所述超级结用于形成P型超级结器件，所述第一导电类型为P型，第二导电类型为N型，所述漂移区薄层101为P型薄层，所述柱状薄层102为N型薄层，所述离子注入302的注入杂质为硼。

本发明实施例方法中，通过步骤二中的所述离子注入302实现超级结的电荷自动匹配有两层含义：

第一层含义是、通过多角度的多次所述离子注入302能使漂移区薄层101中注入的掺杂量从底部到顶部逐渐增加，从而和漂移区薄层101的顶窄底宽造成的漂移区薄层101的掺杂量从底部到顶部逐渐减小以及和掺杂类型相反的柱状薄层102的顶宽底窄造成的柱状薄层102的掺杂量从底部到顶部逐渐增加的趋势相反，从而通过步骤二的离子注入302的杂质能抵消沟槽201的倒梯形结构形成的柱状薄层102和漂移区薄层101之间的电荷失配，实现超级结的电荷自动匹配。

第二层含义是、由于在沟槽201的刻蚀工艺中，沟槽201的理想状况是侧面完全垂直的结构，但是实际上沟槽201的侧面会有不同程度的倾斜，同一晶圆片上不同区域的沟槽201的侧面的倾角可能不同，不同晶圆片上的沟槽201的侧面倾角则更加有一定的区别，本发明的步骤二的离子注入302能同时自动适用于各种倾角不同的沟槽201，使各种侧面倾角不同的沟槽201的都能实现超级结的电荷自动匹配。如图3所示，标记201a所示的沟槽的侧面的倾角大于沟槽201的侧面倾角，标记201b的所示的沟槽的侧面的倾角则小于沟槽201的侧面倾角，当选取同一个注入角度的离子注入302时，该离子注入302对应的注入深度具有如下关系：沟槽201a对应的注入深度小于沟槽201对应的注入深度，沟槽201对应的注入深度小于沟槽201b对应的注入深度；最后，在步骤二的离子注入302，从沟槽的底部到顶部，沟槽201a的注入的杂质量的变化梯度大于沟槽201的注入的杂质量的变化梯度，沟槽201的注入的杂质量的变化梯度大于沟槽201b的注入的杂质量的变化梯度，正好能够补偿由于沟槽201的侧面倾角的变化造成的超级结的电荷失配，实现超级结的电荷自动匹配。

为了更加直观的理解本发明实施例方法，对现有方法和本发明实施例方法形成的超级结器件做了仿真，如图4A所示，是现有方法形成的超级结中pillar掺杂浓度较小时的器件仿真图；如图4B所示，是现有方法形成的超级结中pillar掺杂浓度较大时的器件仿真图；如图4C所示，是本发明实施例方法形成的超级结且pillar掺杂浓度和图4B相同时的器件仿真图；超级结都采用N型超级结器件对应的超级结，图4A中柱状薄层102的P型在位掺杂浓度为3.5E15cm-3；图4B中柱状薄层102的P型在位掺杂浓度为8E15cm-3，即图4B中的柱状薄层102的掺杂浓度更大；图4C中柱状薄层102的P型在位掺杂浓度为8E15cm-3，但是采用了本发明实施例方法的离子注入302。

退火激活时，超级结的柱状薄层102和漂移区薄层101的杂质进行扩散，退火激活完全后，图4A中的所述柱状薄层102的轮廓线401会小于图4B中的所述柱状薄层102的轮廓线402，因为，图4B中的所述柱状薄层102的掺杂浓度更高，扩散后体积会更大；但是轮廓线401和402都具有倒梯形的结构。

而图4C所示的所述柱状薄层102的轮廓线403则不再具有倒梯形的结构，因为，本发明实施例方法的离子注入302形成的杂质量的变化趋势正好抵消了沟槽的倒梯形对掺杂量的变化趋势，最后使得轮廓线403上下一致性较好，自动实现了超级结的电荷匹配。

图1A对应于图4A所述器件的耗尽区的仿真图，可知，由于所述柱状薄层102的掺杂浓度较小，不能完全耗尽漂移区薄层101；图1B对应于图4B所述器件的耗尽区的仿真图，可知，由于所述柱状薄层102的掺杂浓度较大，不能完全耗尽所述柱状薄层102。

如图5所示，是图4C对应的器件的耗尽区的仿真图，由于本发明实施例方法实现了超级结的电荷匹配，故能实现漂移区薄层101和所述柱状薄层102之间的互相完全耗尽，所以本发明实施例方法形成的超级结器件的击穿电压会更高，同时由于本发明实施例方法中能采用更高浓度的所述漂移区薄层101和所述柱状薄层102，故导通电阻也能得到降低。

以上通过具体实施例对本发明进行了详细的说明，但这些并非构成对本发明的限制。在不脱离本发明原理的情况下，本领域的技术人员还可做出许多变形和改进，这些也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种超级结的制造方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一、提供具有第一导电类型均匀掺杂的第一外延层，采用光刻刻蚀工艺在所述第一外延层中形成超级结的沟槽，所述沟槽呈上宽下窄侧面倾斜的倒梯形结构，各所述沟槽之间的所述第一外延层组成漂移区薄层；

步骤二、进行多角度的多次离子注入，各次所述离子注入从所述沟槽的侧面将第一导电类型杂质注入到所述漂移区薄层中；利用注入角度越小所述离子注入的注入位置所覆盖的所述漂移区薄层的纵向范围越大的特点，通过一系列的注入角度的设置，使通过所述离子注入工艺注入到所述漂移区薄层中的杂质量从所述沟槽的底部往上逐渐增加；

步骤三、在所述沟槽中填充第二导电类型的第二外延层，由填充于所述沟槽中的所述第二外延层组柱状薄层，由所述柱状薄层和所述漂移区薄层交替排列组成所述超级结；所述第二外延层为在位均匀掺杂，步骤二中的所述离子注入的杂质用于抵消所述沟槽的倒梯形结构形成的所述柱状薄层和所述漂移区薄层之间的电荷失配，实现超级结的电荷自动匹配。

2.如权利要求1所述的超级结的制造方法，其特征在于：步骤二的所述离子注入之后还包括退火激活工艺。

3.如权利要求2所述的超级结的制造方法，其特征在于：所述退火激活工艺为快速热退火或炉管退火。

4.如权利要求1所述的超级结的制造方法，其特征在于：步骤二中所述离子注入的注入角度的划分越细越好，注入次数越多越好。

5.如权利要求4所述的超级结的制造方法，其特征在于：所述离子注入的注入角度注入角度从5度开始，最大10度一个台阶逐渐增大，直至离子注入机的极限角度。

6.如权利要求4或5所述的超级结的制造方法，其特征在于：所述离子注入中的每一个注入角度对应注入次数为一次。

7.如权利要求4或5所述的超级结的制造方法，其特征在于：各次所述离子注入的注入剂量相同或不同，各次所述离子注入的注入能量相同或不同。

8.如权利要求7所述的超级结的制造方法，其特征在于：各次所述离子注入使对应的所述漂移区薄层的注入区域的杂质体浓度的增加值不超过为注入前的所述第一外延层的杂质体浓度的一倍。

9.如权利要求1所述的超级结的制造方法，其特征在于：所述超级结用于形成N型超级结器件，所述第一导电类型为N型，第二导电类型为P型，所述漂移区薄层为N型薄层，所述柱状薄层为P型薄层，所述离子注入的注入杂质为磷或砷。

10.如权利要求1所述的超级结的制造方法，其特征在于：所述超级结用于形成P型超级结器件，所述第一导电类型为P型，第二导电类型为N型，所述漂移区薄层为P型薄层，所述柱状薄层为N型薄层，所述离子注入的注入杂质为硼。