CN112872610B - 一种基于激光制作沟槽mosfet的方法与装置 - Google Patents
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Abstract
一种基于激光制作沟槽MOSFET的方法与装置，属于半导体领域。本发明解决了在半导体衬底上形成外延层表面后，采用三组激光制备沟槽和方形坑的问题，采用‑x方向、‑y方向激光，其出射口位于凸透镜的焦点处，通过凸透镜后以平行光射向铅光阑照射到外延层表面，形成相互垂直系列等间距的沟槽，这些沟槽之间形成二维方阵凸起；采用‑z方向激光通过凸透镜和铅模板，对这些凸起照射形成二维阵列方形坑；对方形坑注入另一种导电型半导体，利用刻蚀方法对沟槽中沉积的多晶硅与在外延层侧面的氧化物，形成控制栅电极和屏蔽栅电极，最后在外延层表面形成金属源极，在半导体衬底表面形成金属漏极。
Description
技术领域
本发明属于一种集光、机、电于一体的装置，采用激光在硅衬底外延层上制备沟槽，增大表面积，增大导电沟道的密度，降低沟槽MOSFET电阻，适用于中高压MOSFET的制备。
背景技术
MOSFET，是Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor的首字母缩写，翻译成中文为金属-氧化物-半导体场将就管，其作用就是在电路中起到低压导通、高压稳压的作用。MOSFET其稳压值小到几伏，大到数千伏，其作用不同，制备工艺与制备方法也不同。对于稳压值需要数百伏至数千伏的MOSFET来说，通常采用沟槽法制备MOSFET。MOSFET包括源电极、栅电极、漏极，以及N型半导体和P型半导体等，其中N型半导体就是纯净半导体(也叫本征半导体，例如硅Si、锗Ge)掺杂五价元素(例如氮N、磷P、砷As、锑Sb、铋Bi)形成的，N型半导体也称为电子导电型半导体；P型半导体就是纯净半导体掺杂三价元素(例如硼B、铝Al、镓Ga、铟In、铊Tl)形成的，P型半导体也称为空穴导电型半导体。专利(申请号：201811607412.6，公布号：CN111384168A)公布了衬底N型半导体外延层表面在垂直方向上各制备多条沟槽，在沟槽与沟槽之间的凸起中央制备方形坑，以增大表面积，增加导电沟道密度，降低沟槽的沟道电阻，降低沟槽MOSFET比通电阻，但是没有表明如何制备沟槽、方形坑，以及方形的用处。本申请致力于利用激光制备沟槽MOSFET。
发明内容
本发明解决了外延层表面制备沟槽，在凸起中央制备方形坑的方法，以及方形坑的用处问题，采用激光一次性地完成沟槽、方形坑的制备，增加外延层表面积，为中高压MOSFET制备沟槽、方形坑的工序以及方形坑中注入与衬底、外延层导电类型不同的另一种导电类型半导体提供有效的方法与装置。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种基于激光制作沟槽MOSFET的方法，技术构思：(a)采用光纤激光器一次性在外延层表面制备相互垂直的x,y方向上等间距排列的若干条沟槽以及在z方向上在凸起中央制备方形坑；(b)设计在完成x,y,z方向制备的沟槽、方形坑后的碎屑自动脱离外延层表面；(c)采用凸透镜将点光源变成平行光出射；(d)采用铅光阑、铅模板限制激光束通过，确保一次性地在x,y方向制备沟槽，在z方向上制备方形坑阵列；(e)在方形坑中注入与衬底、外延层导电类型不同的另一种导电类型半导体。具体如下：
在半导体衬底上形成外延层表面后，采用三组激光制备沟槽和方形坑，具体地：在-x方向、-y方向上，激光的出射口位于凸透镜的焦点处，通过凸透镜后以平行光射向铅光阑并照射到外延层表面，形成相互垂直系列等间距的沟槽，这些沟槽之间形成二维方阵凸起；在-z方向上，激光通过凸透镜和铅模板，对二维方阵凸起照射并形成二维阵列方形坑；对方形坑注入与衬底、外延层导电类型不同的另一种导电型半导体，利用刻蚀方法对沟槽中沉积的多晶硅与在外延层侧面的氧化物进行刻蚀，形成控制栅电极和屏蔽栅电极，最后在外延层表面形成金属源极，在半导体衬底表面形成金属漏极。
进一步地，沿着-x方向的激光，是光纤激光，其出射口位于凸透镜的焦点处，光纤激光在出射口扩束后，通过凸透镜形成平行光束，平行光束射向铅光阑后平行地照射到外延层表面，在外延层表面制备沿y方向等间距排列的截面为长方形的长条沟槽；沿着-y方向的激光，是光纤激光，其出射口位于凸透镜的焦点处，光纤激光在出射口扩束后，通过凸透镜形成平行光束，平行光束射向铅光阑后平行地照射到外延层表面，在外延层表面制备沿x方向等间距排列的截面为长方形的长条沟槽；沿着-z方向的激光，是光纤激光，其出射口位于凸透镜的焦点处，光纤激光在出射口扩束后，通过凸透镜形成平行光束，平行光束射向铅模板后垂直地照射到外延层表面，在外延层表面制备二维阵列排列的截面为正方形的凹坑，即方形坑。
进一步地，由沿-x方向、沿-y方向的激光，通过凸透镜和铅光阑在外延层表面制备沿y方向等间距排列和沿x方向等间距排列的截面为长方形的长条沟槽后，在处延层表面形成二维阵列排列的凸起，同时沿-z方向的激光，通过凸透镜和铅模板在外延层表面制备二维阵列排列的方形坑，所述的方形坑边长是所述凸起边长的一半，所述的方形坑中注入与衬底导电类型不同的半导体。
进一步地，所述衬底是N型半导体，所述方形孔中注入P型半导体。
进一步地，由沿-x方向、沿-y方向的激光，通过凸透镜和铅光阑在外延层表面制备沿y方向等间距排列和沿x方向等间距排列的截面为长方形的长条沟槽后，在处延层表面形成二维阵列排列的凸起，同时沿-z方向的激光，通过凸透镜和铅模板在外延层表面制备二维阵列排列的方形坑，所述的铅光阑是限制-x方向、-y方向平行光通过的，在水平方向上开有等间距透光孔的铅板；所述的铅模板是限制-z方向平行光通过的，在二维平面上开有等间距二维阵列透光孔的铅板，所述的二维阵列透光孔边长是所述凸起的一半，且其中心位于相应的凸起的中心。
设备发明：一种基于激光制备沟槽MOSFET的装置，-x方向激光光源、-x方向凸透镜、-x方向铅光阑、-y方向激光光源、-y方向凸透镜、-y方向铅光阑、-z方向激光光源、-z方向凸透镜和-z方向铅模板，所述的-x方向铅光阑上开设透光孔，所述的-z方向铅模板上开设-z方向透光孔。
本专利的有益效果是：采用激光一次性地完成外延层表面制备沟槽，在凸起中央制备方形孔，使得相互垂直的三个方向分三步完成沟槽、方形孔的制备变成一次性制备；在方形坑中注入与衬底、外延层导电类型不同的另一种导电类型半导体，节省三个步骤，从而节省成本18％。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1外延层制备沟槽、方形坑示意图
图2xy立面
图3栅电极
图4xz立面
图5-x、-y方向激光制备沟槽装置
图6-z方向激光打方形坑装置
图7铅光阑
图8铅模板
在图中：1.衬底，2.外延层，3.沟槽，4.凸起，5.方形坑，6.体区，7.栅电极，71.多晶硅，72.控制栅电极，73.屏蔽栅电极，8.金属源极，9.金属漏极，10.-x方向激光束，11.-y方向激光束，12.-z方向激光束，101.-x方向激光光源，102.-x方向凸透镜，103.-x方向铅光阑，104.透光孔，111.-y方向激光光源，112.-y方向凸透镜，113.-y方向铅光阑，121.-z方向激光光源，122.-z方向凸透镜，123.-z方向铅模板，124.-z方向透光孔。
具体实施方式
在图1中，第一导电类型的N型半导体衬底1上方的外延层2，分别在x、y、z方向上有三组激光束，分别是-x方向激光束10、-y方向激光束11、-z方向激光束12，三组激光束分别用来制备沟槽3和方形坑5，其中-x方向激光束10用于制备在外延层2上表面沿y方向等间距沟槽，其沟槽3为截面为长方形的长条形；-y方向激光束11用于制备在外延层2上表面沿x方向等间距沟槽，其沟槽3为半圆柱形；-z方向激光束12用于制备在外延层2上xy表面形成二维等间距方形坑5，沿着x方向的沟槽3与沿着y方向的沟槽3之间形成的凸起4，在凸起4中间垂直于xy平面激光打孔形成二维等间距阵列方形坑5。
在图2中，在yz立面上，制备的栅电极7是，沿x方向伸展的沟槽3采用沉积法由多晶硅71填补，并且采用刻蚀方法在氧化层上形成控制栅电极72和屏蔽栅电极73；在方形坑5中，注入P型半导体形成第二导电类型的体区6；在栅电极7、凸起4、体区6的平面上方制备的是金属源极8；在衬底下方制备的是金属漏极9。
在图3中，栅电极7由多晶硅71、控制栅电极72和屏蔽栅电极73组成，其中控制栅电极72和屏蔽栅电极73是采用刻蚀方法在多晶硅71氧化层上形成的。
在图4中，在xz立面上，制备的栅电极7是，沿y方向伸展的沟槽3采用沉积法由多晶硅71填补，并且采用刻蚀方法在氧化层上形成控制栅电极72和屏蔽栅电极73；在方形坑5中，注入P型半导体形成第二导电类型的体区6；在栅电极7、凸起4、体区6的平面上方制备的是金属源极8；在衬底下方制备的是金属漏极9。
在图5中，沿-x方向入射的-x方向激光束11，沿着y方向等间距分布，源于-x方向激光光源101、-x方向凸透镜102、-x方向铅光阑103。-x方向激光光源101出口是一焦距为1mm的凸透镜起到扩束作用，焦距为1mm的凸透镜位于-x方向凸透镜102的焦点处，从焦点发出的光通过-x方向凸透镜102形成平行光，通过-x方向铅光阑103平行于xy平面照射在外延层2表面上，形成沿y方向等间距排列的截面为长方形的条状沟槽3；沿-y方向入射的-y方向激光束11，沿x方向等间距分布，源于-y方向激光光源111，-y方向凸透镜112，-y方向铅光阑113。-y方向激光光源111出口是一焦距为1mm的凸透镜起到扩束作用，焦距为1mm的凸透镜位于-y方向凸透镜112的焦点处，从焦点发出的光通过-y方向凸透镜112形成平行光，通过-y方向铅光阑113平行于xy平面照射在外延层2表面上，形成沿y方向等间距排列的截面为长方形的条状沟槽3。
在图6中，沿-z方向形成等间距二维阵列的-z方向激光束12源于-z方向激光光源121、-z方向凸透镜122、铅模板123。-z方向激光光源121出口是一焦距为1mm的凸透镜起到扩束作用，焦距为1mm的凸透镜位于-z方向凸透镜122的焦点处，从焦点发出的光通过-z方向凸透镜122形成平行光，通过铅模板123垂直照射在外延层2表面xy平面上，形成二维等间距阵列方形坑5。
在图7中，-x方向铅光阑103(-y方向铅光阑113)，沿水平方向等间距排列透光孔104，其中透光孔104的宽度就是沟槽3的宽度。
在图8中，-z方向铅模板123上有沿x方向、y方向等间距排列二维阵列-z方向透光孔124，其中-z方向透光孔124的边长就是沟槽3与沟槽3之间的凸起4的宽度的一半，面积为凸起4面积的四分之一。
成功的实例，准备电子导电类型的N型半导体衬底1；在衬底1上形成外延层2(其掺杂五价元素的浓度大于衬底的掺杂浓度)；使用光纤激光器三组，分别是沿-x方向激光光源101、沿-y方向激光光源111、沿-z方向激光光源121，出射口都配有短焦距的凸透镜用于发散光束，这些出射口并且分别位于-x方向凸透镜102、-y方向凸透镜112、-z方向凸透镜122的焦点处，在-x方向凸透镜102、-y方向凸透镜112前方分别放置-x方向铅光阑103、-y方向铅光阑113，-x方向铅光阑103和-y方向铅光阑113中的透光孔104为正方形，其边长正好等于沟槽的宽度，在外延层2表面形成沿y方向等间距排列的一系列沟槽3和沿x方向等间距排列的一系列沟槽3；在-z方向凸透镜122前方放置-z方向铅模板123，在-z方向铅模板123中-z方向透光孔124为正方形阵列，其边长正好等于沟槽3的宽度的一半，正方形中心正好是沟槽3包围的凸起4的中心，正方形的面积是凸起4面积的四分之一，一次性地在外延层表面形成相互垂直的多条沟槽3和在沟槽包围的凸起4中央垂直于表面制备方形坑5；在方形坑5中注入P型半导体形成另一导电类型的体区6；通过热氧化沉积处理法在沟槽3下方、外延层侧面区形成栅电极7(通过沉积多晶硅71与刻蚀方法在氧化层上形成控制栅电极72和屏蔽栅电极73)；在凸起4、栅电极7上方制备金属源极8；在衬底下方制备金属漏极9。
值得注意的是，一次性地在外延层表面形成相互垂直的多条沟槽3和在沟槽包围的凸起4中央垂直于表面制备方形坑5制备过程中，装置采用与图1所示的上下倒过来状态，那么在激光制备沟槽3和凸起4过程中产生的碎屑在重力作用下在外延层下方飞走，方便于下一道工序，清洗后注入P型半导体。
Claims (4)
1.一种基于激光制作沟槽MOSFET的方法，其特征在于：在半导体衬底上形成外延层表面后，采用三组激光制备沟槽和方形坑，所使用的装置：-x方向激光光源、-x方向凸透镜、-x方向铅光阑、-y方向激光光源、-y方向凸透镜、-y方向铅光阑、-z方向激光光源、-z方向凸透镜和-z方向铅模板，所述的-x方向铅光阑上开设透光孔，所述的-z方向铅模板上开设-z方向透光孔；方法具体地：在-x方向、-y方向上，激光的出射口位于凸透镜的焦点处，通过凸透镜后以平行光射向铅光阑并照射到外延层表面，形成相互垂直系列等间距的沟槽，这些沟槽之间形成二维方阵凸起；在-z方向上，激光通过凸透镜和铅模板，对二维方阵凸起照射并形成二维阵列方形坑；对方形坑注入与衬底、外延层导电类型不同的另一种导电型半导体，利用刻蚀方法对沟槽中沉积的多晶硅与在外延层侧面的氧化物进行刻蚀，形成控制栅电极和屏蔽栅电极，最后在外延层表面形成金属源极，在半导体衬底表面形成金属漏极；
沿着-x方向的激光，是光纤激光，其出射口位于凸透镜的焦点处，光纤激光在出射口扩束后，通过凸透镜形成平行光束，平行光束射向铅光阑后平行地照射到外延层表面，在外延层表面制备沿y方向等间距排列的截面为长方形的长条沟槽；沿着-y方向的激光，是光纤激光，其出射口位于凸透镜的焦点处，光纤激光在出射口扩束后，通过凸透镜形成平行光束，平行光束射向铅光阑后平行地照射到外延层表面，在外延层表面制备沿x方向等间距排列的截面为长方形的长条沟槽；沿着-z方向的激光，是光纤激光，其出射口位于凸透镜的焦点处，光纤激光在出射口扩束后，通过凸透镜形成平行光束，平行光束射向铅模板后垂直地照射到外延层表面，在外延层表面制备二维阵列排列的截面为正方形的凹坑，即方形坑。
2.根据权利要求1所述的基于激光制作沟槽MOSFET的方法，其特征在于：由沿-x方向、沿-y方向的激光，通过凸透镜和铅光阑在外延层表面制备沿y方向等间距排列和沿x方向等间距排列的截面为长方形的长条沟槽后，在处延层表面形成二维阵列排列的凸起，同时沿- z方向的激光，通过凸透镜和铅模板在外延层表面制备二维阵列排列的方形坑，所述的方形坑边长是所述凸起边长的一半，所述的方形坑中注入与衬底导电类型不同的半导体。
3.根据权利要求2所述的基于激光制作沟槽MOSFET的方法，其特征在于：所述衬底是N型半导体，所述方形孔中注入P型半导体。
4.根据权利要求1所述的基于激光制作沟槽MOSFET的方法，其特征在于：由沿-x方向、沿-y方向的激光，通过凸透镜和铅光阑在外延层表面制备沿y方向等间距排列和沿x方向等间距排列的截面为长方形的长条沟槽后，在处延层表面形成二维阵列排列的凸起，同时沿- z方向的激光，通过凸透镜和铅模板在外延层表面制备二维阵列排列的方形坑，所述的铅光阑是限制-x方向、-y方向平行光通过的，在水平方向上开有等间距透光孔的铅板；所述的铅模板是限制-z方向平行光通过的，在二维平面上开有等间距二维阵列透光孔的铅板，所述的二维阵列透光孔边长是所述凸起的一半，且其中心位于相应的凸起的中心。
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