CN109767980B - 超级结及其制造方法、超级结的深沟槽制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种超级结的及其制造方法、超级结的深沟槽制造方法,该超级结的深沟槽的制造方法,通过高分子聚合物气体对形成在衬底或者形成在衬底的外延层上的掩模层进行刻蚀形成硬掩模板,采用阶梯式递增的气体压力通过所述硬掩模板对所述衬底或者形成在衬底上的外延层进行分步刻蚀,以在衬底或者形成在衬底的外延层上形成深沟槽。本发明能够形成具有特征尺寸均匀性较好、深度均匀性较好和角度均匀性较好的深沟槽。
Description
技术领域
本发明涉及半导体制造技术领域,特别涉及一种超级结及其制造方法、超级结的深沟槽制造方法。
背景技术
超级结(Super Junction)是一种由一系列交替排列的P型半导体层和N型半导体层所构成的半导体结构。其中交替排列的P型半导体层也称为P型柱,N型半导体层也称为N型柱。通过深沟槽(Deep Trench)工艺制作超级结器件时,深沟槽的形貌至关重要。但是由于刻蚀工艺的限制,一般可获得的深沟槽形貌较差。在沟槽较浅时,影响较小,但是在沟槽宽度也即对应的特征尺寸(CD,Critical Dimension)较小时,影响较大。传统的超级结的深沟槽制造工艺步骤是:以硬掩模为基础,采用三氟甲烷(CHF3)气体在相同气体压力下的条件一次性刻蚀深沟槽。对于目前的超级结来说,深沟槽与其相邻P型柱或者N型柱的节距尺寸较小(例如3.0um以下)的深沟槽刻蚀工艺来说,由于CD变小,深宽比增大,深沟槽刻蚀能力会有不足,该种超级结的深沟槽的制造工艺的具有以下缺陷:
一、在区域内深沟槽11造成深度不均匀的情况,如图1和图2中分界线20上下位置所示,以及特征尺寸不均匀,如图1中31位置所示;
二、在同一个深沟槽11的底部造成刻蚀深浅不一的现象以及倾斜角度的现象,如图3中虚线框32区域所示;
三、在形成的深沟槽11的侧壁出现了大量的条纹,如图4中虚线框33位置所示;硬掩模板20的侧壁21也出现了大量的条纹,如图4中虚线框21的位置所示。
四、形成的深沟槽11的侧壁轮廓为粗糙表面,如图5中虚线框34位置所示。
上述缺陷严重影响了深沟槽的形貌的均匀性。由于深沟槽的均匀性和形貌变差,从而导致外延填充(EPI Filling)时间和难度均大幅增加,对于设备能力和产能均有很大影响。通过上述方法形成的深沟槽影响了形成的超级结器件的稳定性和可靠性。
发明内容
本发明的目的在于,提供了一种超级结的深沟槽制造方法,以形成深度均匀性较好、特征尺寸均匀性较好和角度均匀性较好的深沟槽。
为了解决上述技术问题,本发明提供一种超级结的深沟槽制造方法,通过高分子聚合物气体对形成在衬底或者形成在衬底的外延层上的掩模层进行刻蚀形成硬掩模板,采用阶梯式递增的气体压力通过所述硬掩模板对所述衬底或者形成在衬底上的外延层进行分步刻蚀,以在衬底或者形成在衬底的外延层上形成深沟槽。
进一步的,本发明提供的超级结的深沟槽制造方法,分步刻蚀为二步以上。
进一步的,本发明提供的超级结的深沟槽制造方法,分步刻蚀为三步:在低压气体条件下进行第一步刻蚀;在中压气体条件下进行第二步刻蚀;在高压气体条件下进行第三步刻蚀。
进一步的,本发明提供的超级结的深沟槽制造方法,低压气体条件的气体压力范围为25至32mT;中压气体条件的气体压力范围为33至40mT;高压气体条件的气体压力范围为41至50mT。
进一步的,本发明提供的超级结的深沟槽制造方法,根据设定深沟槽的深度和倾斜角度,调整分步刻蚀的时间。
进一步的,本发明提供的超级结的深沟槽制造方法,所述深沟槽与相邻的P型半导体层或者N型半导体层的节距尺寸≤3.0um。
进一步的,本发明提供的超级结的深沟槽制造方法,所述高分子聚合物气体为四氟甲烷与三氟甲烷或二氟甲烷的混合气体。
进一步的,本发明提供的超级结的深沟槽制造方法,所述四氟甲烷与三氟甲烷或二氟甲烷混合比例大于3。
进一步的,本发明提供的超级结的深沟槽制造方法,所述高分子聚合物气体为四氟甲烷、三氟甲烷或二氟甲烷与氧气的混合气体。
进一步的,本发明提供的超级结的深沟槽制造方法,对所述衬底或者形成在衬底上的外延层进行分步刻蚀形成深沟槽的刻蚀气体为六氟化硫和氧气。
为了解决上述技术问题,本发明还提供一种超级结,包括衬底,采用上述的超级结的深沟槽制造方法在所述衬底或其外延层上形成的深沟槽,在所述深沟槽内填充与所述衬底或其外延层类型相反的掺杂材料,以形成交替排列的P型半导体层和N型半导体层。
为了解决上述技术问题,本发明还提供一种超级结的制造方法,
提供衬底,或者提供衬底并在所述衬底上形成外延层;
采用上述的超级结的深沟槽制造方法在所述衬底或其外延层上形成深沟槽;
在所述深沟槽内填充与所述衬底或其外延层类型相反的掺杂材料,从而形成交替排列的P型半导体层和N型半导体层。
本发明提供的超级结及其制造方法,以及超级结的深沟槽制造方法,为分硬掩模板刻蚀和深沟槽刻蚀的两个母步骤,其中深沟槽刻蚀包括采用阶梯式递增的气体压力对衬底或者形成在衬底上的外延层进行分步刻蚀的子步骤。即本发明的深沟槽的刻蚀工艺,是在不同气体压力条件下进行的。在低压气体条件下,使气体离子的平均自由程增加,以增强刻蚀能力。在阶梯式递增的气体压力条件下分步刻蚀,能够使深沟槽形成较好的特征尺寸均匀性和光滑表面的深沟槽侧壁轮廓,还能够调整深沟槽底部的特征尺寸,避免同一个沟槽的底部出现深浅不一的形貌,以及避免区域内深沟槽造成深度均匀的情况,从而使深沟槽具有较好的深度均匀性,并且能够获得所需求的倾斜角度,从而形成角度均匀性较好的深沟槽。本发明通过高分子聚合物气体对形成在衬底或者形成在衬底的外延层上的掩模层进行刻蚀形成硬掩模板,能够形成较好CD尺寸和侧壁光滑形貌的硬掩模板,然后以具有较好CD尺寸和侧壁光滑形貌的硬掩模板为基础,采用阶梯式递增的气体压力对衬底或者外延层进行分步刻蚀,以改善深沟槽侧壁的条纹,从而形成侧壁形貌较佳的深沟槽以及特征尺寸均匀性较好的深沟槽。
附图说明
图1是现有的超级结的深沟槽制造方法形成的深沟槽的电镜图;
图2是现有的超级结的深沟槽制造方法形成的深沟槽的局部放大电镜图;
图3是现有的超级结的深沟槽制造方法形成的深沟槽的底部形貌电镜图;
图4是现有的超级结的深沟槽制造方法形成的深沟槽侧壁及硬掩模板侧壁出现条纹的电镜图;
图5是现有的超级结的深沟槽制造方法形成的深沟槽侧壁表面粗糙度的电镜图;
图6是本发明的超级结的深沟槽制造方法形成的深沟槽的电镜图;
图7是本发明的超级结的深沟槽制造方法形成的深沟槽的局部放大电镜图
图8是本发明的超级结的深沟槽制造方法形成的深沟槽的底部形貌电镜图;
图9是本发明超级结的深沟槽制造方法形成的深沟槽侧壁形貌的电镜图;
图10是本发明超级结的深沟槽制造方法形成的深沟槽侧壁表面粗糙度的电镜图;
图11是本发明超级结的深沟槽制造方法形成的硬掩模板侧壁形貌的电镜图;
图12至图22是本发明超级结的深沟槽制造方法形成的深沟槽的过程示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作详细描述:
本发明的核心思想在于,提供一种超级结的深沟槽制造方法,通过高分子聚合物气体对形成在衬底或者形成在衬底的外延层上的掩模层进行刻蚀形成硬掩模板,采用阶梯式递增的气体压力通过所述硬掩模板对所述衬底或者形成在衬底上的外延层进行分步刻蚀,以在衬底或者形成在衬底的外延层上形成深沟槽。
请参考图12至图21,本发明实施例提供一种超级结的深沟槽制造方法,通过高分子聚合物气体对形成在衬底110的外延层120上的掩模层130进行刻蚀形成硬掩模板130a,采用阶梯式递增的气体压力通过所述硬掩模板130a对所述外延层120进行分步刻蚀,以在外延层120上形成深沟槽121c。具体步骤如下:
步骤301,请参考图12,提供衬底110。
步骤302,请参考图13,在衬底110上形成外延层120。
步骤303,请参考图14,在外延层120上形成掩模层130。其中掩模层130可以为氧化物。
步骤304,请参考图15,在掩模层130上涂布光刻胶140。
步骤305,请参考图16,对光刻胶140进行光刻形成图形化的光刻胶140a。
步骤306,请参考图17,采用高分子聚合物气体通过图形化的光刻胶140a对硬掩模层130进行刻蚀,形成硬掩模板130a。其中高分子聚合物气体可以为四氟甲烷与三氟甲烷或二氟甲烷的混合气体,例如四氟甲烷与三氟甲烷或二氟甲烷混合比例可以大于3;高分子聚合物气体也可以为四氟甲烷、三氟甲烷或二氟甲烷与氧气的混合气体。上述步骤304至步骤306为硬掩模板130a的刻蚀工艺。通过上述高分子聚合物气体对形成在外延层120上的掩模层130进行刻蚀形成硬掩模板130a,能够形成较好的CD尺寸和具有光滑形貌的侧壁131,如图11所示。
步骤307,请参考图18,采用六氟化硫和氧气在第一压力的条件下,通过硬掩模板130a对所述外延层120进行第一步骤刻蚀形成深度较浅的第一步沟槽121a。
步骤308,请参考图19,采用六氟化硫和氧气在第二压力的条件下,通过硬掩模板130a继续对沟槽121a进行刻蚀,形成第二步沟槽121b。其中第二压力大于第一压力。
步骤309,请参考图20,采用六氟化硫和氧气在第三压力的条件下,通过硬掩模板130a继续对沟槽121b进行刻蚀,形成第三步沟槽121c。其中,第三压力大于第二压力。本发明实施例以分三步刻蚀为例,即第三步骤沟槽121c为超级结的深沟槽。上述步骤307至步骤309是深沟槽的刻蚀工艺。在第一压力的低压气体条件下,使气体离子的平均自由程增加,以增强刻蚀能力。在阶梯式递增的气体压力条件下分步刻蚀,能够使深沟槽形成较好的特征尺寸均匀性,如图6中虚线框501的位置所示,以及形成光滑表面的深沟槽侧壁轮廓,如图10中虚线框502的位置所示,还能够调整深沟槽底部的特征尺寸,避免同一个沟槽的底部出现深浅不一的形貌,以及避免区域内深沟槽造成深度均匀的情况,从而使深沟槽具有较好的深度均匀性,如图7中虚线框503位置所示,并且能够获得所需求的倾斜角度,从而形成角度均匀性较好的深沟槽,如图8中虚线框504位置所示,并且能够改善深沟槽侧壁的条纹,如图9中的虚线框505位置所示,从而形成侧壁形貌较佳的深沟槽以及特征尺寸均匀性较好的深沟槽,如图6至图10所示。
步骤310,请参考图21,去除硬掩模板130a。
当然,本发明提供的超级结的深沟槽制造方法,当不需要外延层时,深沟槽也可以直接形成在衬底110上。
本发明实施例提供的超级结的深沟槽制造方法,形成的深沟槽具有较好的深度均匀性、特征尺寸均匀性和角度均匀性,从而形成形貌较佳的深沟槽。下述表1为新老工艺各参数的对比数据。
表1
通过参数中的最大值MAX和最小值MIN的差值得到均匀性RANGE的范围。其中MEDIAN为中间值。通过表1中第3列老工艺与第4列新工艺的对比可知,本发明实施例在深度均匀性为2.3小于老工艺中的3.55;本发明实施例的特征尺寸CD的均匀性为154小于老工艺中的250;本发明实施例的角度的均匀性为0.10小于老工艺中的0.16。通过上述表1可知,采用本发明的实施例提供的超级结的深沟槽制造方法,在深度均匀性、特征尺寸均匀性和角度均匀性三个参数方面均得到了改善。
本发明实施例提供的超级结的深沟槽制造方法,分步刻蚀可以为二步、三步、四步及其以上步骤进行。分步刻蚀的步骤越多,其对深沟槽的精细化刻蚀形成的深沟槽的形貌越佳,均匀性越好。
作为较佳的实施例,本发明提供的超级结的深沟槽制造方法,分步刻蚀可以分为三步:
在气体压力范围为25至32mT的低压气体条件下进行第一步刻蚀;即对应上述步骤307中的第一压力。
在气体压力范围为33至40mT的中压气体条件下进行第二步刻蚀;即对应上述步骤308中的第二压力。
在气体压力范围为41至50mT的高压气体条件下进行第三步刻蚀;即对应上述对应309中的第三压力。
该三步的分步刻蚀工艺,适用于深沟槽与相邻的P型半导体层或者N型半导体层的节距尺寸≤3.0um的超级结器件的深沟槽的制作工艺,能够形成具有较好的深度均匀性、特征尺寸均匀性和角度均匀性的深沟槽。作为一种变形,本发明实施例中的低、中和高压气体压力范围不限于上述范围,可以根据需要进行适应性的调整。
为了获得所需要的深度和角度,本发明提供的超级结的深沟槽制造方法,可以根据设定深沟槽的深度和倾斜角度,调整分步刻蚀的时间。
请参考图21至图22,本发明实施例还提供一种超级结,包括衬底110,在所述衬底110上形成例如N型的外延层120,采用如上述的超级结的深沟槽制造方法在外延层120上形成的若干深沟槽121c,在深沟槽121c内填充与外延层120类型相反的掺杂材料例如P型掺杂材料,从而形成交替排列的P型半导体层123和N型半导体层122。
请参考图12至图22,本发明实施例超级结的制造方法如下:
采用上述超级结的深沟槽制造方法中的步骤301至步骤310形成若干深沟槽121c;
步骤311,请参考图22,在深沟槽121c内填充与外延层120类型相反的掺杂材料例如P型掺杂材料,从而形成交替排列的P型半导体层123和N型半导体层122。其中外延层120类型为N型掺杂材料。
本发明实施例的超级结及其制造方法,外延层120也可以是P型,则在深沟槽内填充的掺杂材料为N型,从而形成交替排列的P型半导体层123和N型半导体层122。
本发明实施例还提供一种超级结,包括衬底,通过高分子聚合物气体对形成在衬底上的掩模层进行刻蚀形成硬掩模板,采用阶梯式递增的气体压力通过所述硬掩模板对所述衬底进行分步刻蚀,以在衬底上形成深沟槽,在所述深沟槽内填充与所述衬底类型相反的掺杂材料,以形成交替排列的P型半导体层和N型半导体层。
本发明实施例还提供一种超级结的制造方法,包括:
提供衬底,通过高分子聚合物气体对形成在衬底上的掩模层进行刻蚀形成硬掩模板,采用阶梯式递增的气体压力通过所述硬掩模板对所述衬底进行分步刻蚀,以在衬底上形成深沟槽,在所述深沟槽内填充与所述衬底类型相反的掺杂材料,以形成交替排列的P型半导体层和N型半导体层。
本发明实施例中此种结构的深沟槽及其制造方法,与前一实施例不同之处在于,深沟槽的形成位置是在衬底上,而不是外延层上。
本发明实施例的超级结及其制造方法,具有上述超级结的深沟槽制造方法的相同效果,并且能够提高超级结器件的可靠性和稳定性。
本发明不限于上述具体实施方式,凡在本发明的保护范围之内所作出的各种变化和润饰,均在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种超级结的深沟槽制造方法,其特征在于,通过高分子聚合物气体对形成在衬底或者形成在衬底的外延层上的掩模层进行刻蚀形成硬掩模板,采用阶梯式递增的气体压力通过所述硬掩模板对所述衬底或者形成在衬底上的外延层进行分步刻蚀,以在衬底或者形成在衬底的外延层上形成深沟槽;所述深沟槽与相邻的P型半导体层或者N型半导体层的节距尺寸≤3.0um;其中,分步刻蚀为三步,包括:
在低压气体条件下进行第一步刻蚀,低压气体条件的气体压力范围为25至32mT;
在中压气体条件下进行第二步刻蚀,中压气体条件的气体压力范围为33至40mT;以及,
在高压气体条件下进行第三步刻蚀,高压气体条件的气体压力范围为41至50mT。
2.如权利要求1所述的超级结的深沟槽制造方法,其特征在于,根据设定深沟槽的深度和倾斜角度,调整分步刻蚀的时间。
3.如权利要求1所述的超级结的深沟槽制造方法,其特征在于,所述高分子聚合物气体为四氟甲烷与三氟甲烷或二氟甲烷的混合气体。
4.如权利要求3所述的超级结的深沟槽制造方法,其特征在于,所述四氟甲烷与三氟甲烷或二氟甲烷混合比例大于3。
5.如权利要求1所述的超级结的深沟槽制造方法,其特征在于,所述高分子聚合物气体为四氟甲烷、三氟甲烷或二氟甲烷与氧气的混合气体。
6.如权利要求1所述的超级结的深沟槽制造方法,其特征在于,对所述衬底或者形成在衬底上的外延层进行分步刻蚀形成深沟槽的刻蚀气体为六氟化硫和氧气。
7.一种超级结,其特征在于,包括衬底,采用如权利要求1-6中任一项所述的超级结的深沟槽制造方法在所述衬底或其外延层上形成的深沟槽,在所述深沟槽内填充与所述衬底或其外延层类型相反的掺杂材料,以形成交替排列的P型半导体层和N型半导体层。
8.一种超级结的制造方法,其特征在于,
提供衬底,或者提供衬底并在所述衬底上形成外延层;
采用如权利要求1-6中任一项所述的超级结的深沟槽制造方法在所述衬底或其外延层上形成深沟槽;
在所述深沟槽内填充与所述衬底或其外延层类型相反的掺杂材料,从而形成交替排列的P型半导体层和N型半导体层。
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