CN112349780A - 三段式氧化层屏蔽栅沟槽mosfet结构 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种三段式氧化层屏蔽栅沟槽MOSFET结构，所述MOSFET结构位于外延衬底上，其源极沟槽下方有一区域，该区域内填满与外延反型的材料并借此扩散源扩散形成的P柱和外延来实现电荷平衡。该结构通过CVD工艺在沟槽内填充BSG材料，再经热过程使Boron自动扩散到沟槽外围的硅材料中形成P柱，改变BSG浓度和褪火温度可以有效调节P柱的高宽度及浓度，实现与N型外延层的电荷平衡。采用该SGT MOSFET结构及工艺结构，因其不需要在沟槽内生长更厚的屏蔽电极介质层，同时BSG具有良好的高温回流特性，具备良好的沟槽填充能力，可以将沟槽CD极大程度缩小，因而可以缩小单位元胞尺寸，采用更高掺杂浓度的外延片实现同样的击穿电压，降低器件Rsp，增强市场竞争力。
Description
技术领域
本发明属于半导体功率器件技术领域，具体涉及一种三段式氧化层屏蔽栅沟槽MOSFET结构。
背景技术
SGT（Shield-Gate-Trench，屏蔽栅极沟槽）结构因其具有电荷耦合效应，在传统沟槽MOSFET垂直耗尽（P-Body/N-Epi结）基础上引入了水平耗尽，将器件电场由三角形分布改变为近似矩形分布。在采用同样掺杂浓度的外延规格情况下，器件可以获得更高的击穿电压，该结构在中低压功率器件领域得到广泛应用。
图3为传统的SGT（Shield-Gate-Trench，屏蔽栅极沟槽）结构，先通过一道刻蚀形成沟槽，然后在沟槽内生长屏蔽电极介质层，通常为厚氧化层来实现电荷平衡。这种结构的SGT其源漏击穿电压受控于该氧化层厚度，击穿电压越高，需要氧化层厚度越厚，对于100V器件该氧化层厚度已经达到6000A左右。因而，在器件设计时需要将沟槽CD定义的比较宽（100V器件沟槽CD需要1um以上）。而目前SGT器件设计的一个主流方向是为了获得更低的Rsp(单位面积导通电阻)，需要尽可能缩小单位元胞的尺寸，传统的SGT结构特点显然阻碍了其自身发展。
图2为更为先进的SGT（Shield-Gate-Trench，屏蔽栅极沟槽）结构，可以进一步缩小Rsp(单位面积导通电阻)，先通过一道刻蚀形成沟槽，然后在其沟槽底部注入与外延相反的离子，形成一定形状的反型结，然后在此基础上构建传统的SGT结构，厚氧化层和沟槽底部结都会来尽量实现电荷平衡。在与图3传统SGT结构一样的源漏击穿电压下，这种结构的SGT由于底部反型结的引入，增加了反型结与外延的电荷平衡，进一步增加源漏击穿电压，基于此可以进一步降低厚氧化层和外延电阻率。其中理想的沟槽底部结形状为窄宽度、高高度，且宽度均匀。单次或者多次非均等能量的注入不能做到较为理想的结形状，阻碍了先进SGT的进一步发展。
发明内容
本发明的目的是提供一种三段式氧化层屏蔽栅沟槽MOSFET结构，克服现有技术的缺陷。
本发明所采用的技术方案为：
三段式氧化层屏蔽栅沟槽MOSFET结构，其特征在于：
所述MOSFET结构位于外延衬底上，其源极沟槽下方有一区域，该区域内填满与外延反型的材料并借此扩散源扩散形成的P柱。
所述MOSFET结构的源极沟槽下方区域为一深沟槽。
深沟槽中填充材料区域宽度窄、高度高，宽度在0.2-2微米范围，高度在0.5-17微米范围，在Si表面以下深度在2微米至17微米之间。
深沟槽中填充材料区域两侧表面呈斜面，沟槽侧壁角度在87.5-89.5°之间，且侧壁表面平坦。
深沟槽中填充的材料为与外延反型的掺杂氧化物，为P型氧化膜，即硼硅玻璃BSG材料。
MOSFET栅极、源极沟槽与其下方的硼硅玻璃沟槽自对准。
深沟槽的深度小于MOSFET结构所在外延的厚度。
硼硅玻璃BSG材料中硼Boron扩散至深沟槽外围的Si材料中，形成P柱，硼硅玻璃BSG材料经过高温过程扩散形成硼扩散层，宽度或高度均匀，且均匀围绕硼硅玻璃BSG材料。
硼扩散层宽度或高度在0.1-2微米之间。
所述结构整体的深沟槽的深度在2.5微米至20微米之间，宽度在0.2微米至2微米之间。
本发明具有以下优点：
该结构通过CVD工艺在沟槽内填充BSG（硼硅玻璃）材料，再经热过程使Boron自动扩散到沟槽外围的硅材料中形成P柱，改变BSG浓度和褪火温度可以有效调节P柱的高宽度及浓度，实现与N型外延层的电荷平衡。采用该SGT MOSFET结构及工艺结构，因其不需要在沟槽内生长更厚的屏蔽电极介质层，同时BSG具有良好的高温回流特性，具备良好的沟槽填充能力，可以将沟槽CD极大程度缩小，因而可以缩小单位元胞尺寸，采用更高掺杂浓度的外延片实现同样的击穿电压，降低器件Rsp，增强市场竞争力。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为较先进的SGT结构示意图。
图3为传统SGT结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明进行详细的说明。
本发明涉及一种三段式氧化层屏蔽栅沟槽MOSFET结构，所述MOSFET结构位于外延衬底上，其源极沟槽下方有一区域，该区域内填满与外延反型的材料并借此扩散源扩散形成的P柱和外延来实现电荷平衡。
所述MOSFET结构的源极沟槽下方区域为一深沟槽。深沟槽中填充材料区域宽度窄、高度高，宽度在0.2-2微米范围，高度在0.5-17微米范围，在Si表面以下深度在2微米至17微米之间。深沟槽的深度小于MOSFET结构所在外延的厚度。
深沟槽中填充材料区域两侧表面呈一定角度，沟槽侧壁角度在87.5-89.5°之间，且侧壁表面平坦。深沟槽中填充的材料为与外延反型的掺杂氧化物，为P型氧化膜，即硼硅玻璃BSG材料。
MOSFET栅极、源极沟槽与其下方的硼硅玻璃沟槽自对准。
硼硅玻璃BSG材料中硼Boron扩散至深沟槽外围的Si材料中，形成P柱，硼硅玻璃BSG材料经过高温过程扩散形成硼扩散层，宽度或高度均匀，且均匀围绕硼硅玻璃BSG材料。硼扩散层宽度或高度在0.1-2微米之间。
所述结构整体的深沟槽的深度在2.5微米至20微米之间，宽度在0.2微米至2微米之间。
上述结构的构建过程为：
步骤一：在Si衬底片表面生长N型外延层，外延层厚度根据器件所需源漏耐压制定，范围从5微米至20微米。
步骤二：在外延层表面依次形成薄氧化层、薄氮化硅、厚氧化层，形成ONO(氧化硅-氮化硅-氧化硅)膜为硬掩膜。
步骤三：利用沟槽光刻版进行光刻工艺，需要挖沟槽的位置曝光，无光刻胶掩蔽，其余部分用光刻胶掩蔽，然后通过干法刻蚀，将无光刻胶掩蔽位置刻蚀出深沟槽，然后去除光刻胶。沟槽其深度在3微米至20微米之间，宽度在0.3微米至2微米之间。
步骤四：利用CVD工艺在深沟槽内填充BSG材料，并进行回流，保证将深沟槽内填满并且表面平整。
步骤五：利用干法腐蚀将沟槽内BSG腐蚀至Si表面以下2微米至17微米。
步骤六：利用高温氧化工艺形成厚的热氧化层，同时使硼硅玻璃BSG材料中硼Boron扩散至深沟槽外围的Si材料中，形成均匀宽度的P柱。
硼硅玻璃BSG中硼扩散工艺与厚氧化层生长同步进行，温度、时间和通气条件一致。如果氧化条件的温度低和时间短，可以额外增加褪火硼扩散工艺，高温褪火的温度在800C至1150C之间，褪火过程只通入氮气。
步骤七：栅极沟槽内回填多晶硅，并回刻蚀至1微米至1.5微米。
步骤八：栅极沟槽内高密度等离子气相淀积HDP 氧化物。
步骤九：使用化学机械研磨CMP将HDP氧化物磨平至氮氧化物氮化硅表面。
步骤十：回刻蚀HDP氧化物至沟槽 0.8微米至1.2微米。
步骤十一：使用热氧化工艺生长栅极氧化层。
步骤十二：回填栅极多晶硅并回刻蚀至沟槽0.1微米至0.2微米深度。
至最终金属层次与常规MOSFET工艺相同，完成后最终器件结构。
本发明所述的结构，通过在沟槽内填充BSG材料，再由炉管高温过程，使Boron扩散至沟槽外围形成P柱，实现与N型外延的电荷平衡，增加除厚氧化层的额外的电荷耦合效应。本发明的SGT MOSFET可以在传统SGT MOSFET基础上实现较小的器件尺寸的同时，植入的硼硅玻璃BSG可以灵活调节P柱的宽度和浓度，有利于增加电荷平衡区域，降低外延电阻率，极大的降低芯片单位面积导通电阻，优化器件参数和性能，工艺可控性强。
本发明的内容不限于实施例所列举，本领域普通技术人员通过阅读本发明说明书而对本发明技术方案采取的任何等效的变换，均为本发明的权利要求所涵盖。
Claims (10)
1.三段式氧化层屏蔽栅沟槽MOSFET结构，其特征在于：
所述MOSFET结构位于外延衬底上，其源极沟槽下方有一区域，该区域内填满与外延反型的材料并借此扩散源扩散形成的P柱。
2.根据权利要求1所述的三段式氧化层屏蔽栅沟槽MOSFET结构，其特征在于：
所述MOSFET结构的源极沟槽下方区域为一深沟槽。
3.根据权利要求2所述的三段式氧化层屏蔽栅沟槽MOSFET结构，其特征在于：
深沟槽中填充材料区域宽度窄、高度高，宽度在0.2-2微米范围，高度在0.5-17微米范围，在Si表面以下深度在2微米至17微米之间。
4.根据权利要求3所述的三段式氧化层屏蔽栅沟槽MOSFET结构，其特征在于：
深沟槽中填充材料区域两侧表面呈斜面，沟槽侧壁角度在87.5-89.5°之间，且侧壁表面平坦。
5.根据权利要求4所述的三段式氧化层屏蔽栅沟槽MOSFET结构，其特征在于：
深沟槽中填充的材料为与外延反型的掺杂氧化物，为P型氧化膜，即硼硅玻璃BSG材料。
6.根据权利要求5所述的三段式氧化层屏蔽栅沟槽MOSFET结构，其特征在于：
MOSFET栅极、源极沟槽与其下方的硼硅玻璃沟槽自对准。
7.根据权利要求6所述的三段式氧化层屏蔽栅沟槽MOSFET结构，其特征在于：
深沟槽的深度小于MOSFET结构所在外延的厚度。
8.根据权利要求7所述的三段式氧化层屏蔽栅沟槽MOSFET结构，其特征在于：
硼硅玻璃BSG材料中硼Boron扩散至深沟槽外围的Si材料中，形成P柱，硼硅玻璃BSG材料经过高温过程扩散形成硼扩散层，宽度或高度均匀，且均匀围绕硼硅玻璃BSG材料。
9.根据权利要求8所述的三段式氧化层屏蔽栅沟槽MOSFET结构，其特征在于：
硼扩散层宽度或高度在0.1-2微米之间。
10.根据权利要求9所述的三段式氧化层屏蔽栅沟槽MOSFET结构，其特征在于：
所述结构整体的深沟槽的深度在2.5微米至20微米之间，宽度在0.2微米至2微米之间。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20210209 |
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |