CN115662902A - 沟槽型场效应晶体管的制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种沟槽型场效应晶体管的制作方法，包括：提供一衬底，衬底上外延生长第一掺杂类型的外延层；于外延层上刻蚀形成至少一深沟槽；向外延层的表面进行第二掺杂类型的离子注入，注入的离子进入深沟槽底部达预定深度以形成注入区，第二掺杂类型为与第一掺杂类型相反的掺杂类型；于深沟槽的内表面依次形成栅氧化层以及多晶硅栅；向外延层进行离子注入以使外延层的上部形成为第二掺杂类型的体区；向位于深沟槽一侧的体区进行离子注入以形成源区。本发明在没有额外地增加光掩模的前提下，于所述深沟槽底部引入注入区，扩展了耗尽区的面积，降低了深沟槽底部拐角处的峰值电场，从而提高击穿电压，且不会明显增加制造成本。

Description

沟槽型场效应晶体管的制作方法

技术领域

本发明属于半导体领域，特别是涉及一种半导体器件的制作方法。

背景技术

沟槽型场效应晶体管(MOSFET)功率器件相对于常规平面MOS兼顾高击穿电压和低导通电阻等优势，因而被广泛应用于各类电力电子器件中。

传统的沟槽型MOS器件一般用于低压器件，由于阻断状态下沟槽底部拐角处电场集中效应，会出现电场尖峰，使沟槽型MOS器件的击穿特性变差。此外，沟槽型MOS器件的制作工艺包括：多层外延生长、多次离子注入和深沟槽刻蚀填充等技术；其中，深沟槽的刻蚀工艺和填充工艺在生产工艺流程中控制难度较大且成本较高。

因此，有必要提供一种沟槽型场效应晶体管的改进工艺以在提升击穿电压的同时还兼顾工艺实现性和制造成本。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种沟槽栅场效应晶体管的制作方法，用于解决现有技术中沟槽栅场效应晶体管中沟槽底部的拐角处电场集中效应，同时不会带来制造成本的明显增加。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种沟槽型场效应晶体管的制作方法，包括：

1)提供一衬底，所述衬底上外延生长第一掺杂类型的外延层；

2)于所述外延层上刻蚀形成至少一深沟槽；

3)向所述外延层的表面进行第二掺杂类型的离子注入，注入的离子进入所述深沟槽底部达预定深度以形成注入区，所述第二掺杂类型为与所述第一掺杂类型相反的掺杂类型；

4)于所述深沟槽的内表面依次形成栅氧化层以及多晶硅栅；

5)向所述外延层进行第二掺杂类型的离子注入，以使所述外延层的上部形成为体区；

6)向位于所述深沟槽一侧的所述体区进行离子注入，以形成源区。

可选地，步骤2)包括；2-1)于所述外延层的表面形成硬掩膜层；2-2)通过光刻工艺和刻蚀工艺形成图形化的硬掩膜层；2-3)基于所述图形化的硬掩膜层进行刻蚀以于所述外延层中形成至少一深沟槽。

可选地，步骤2-1)中，通过化学气相沉积工艺于所述外延层的表面形成二氧化硅-氮化硅-二氧化硅叠层作为硬掩膜层。

可选地，步骤2)中，所述深沟槽的形状包括U型槽，通过深反应离子刻蚀方法刻蚀所述外延层来形成所述U型槽。

可选地，步骤3)中，注入的离子进入所述深沟槽底部达预定深度以形成所述注入区，所述注入区的注入剂量介于4E11 cm^-2与4E12 cm^-2之间。

可选地，步骤4)中，采用化学气相沉积工艺形成栅氧化物，所述栅氧化层的材料为二氧化硅。

可选地，步骤4)中，于形成所述多晶硅栅之后，执行平坦化处理，去除外延层表面的多晶硅材料。

可选地，还包括：7)于所述外延层上方形成正面金属层，步骤7)包括：

形成覆盖所述外延层的介质层；

于所述介质层中形成栅极接触孔和源极接触孔，所述源极接触孔贯穿所述介质层而显露出所述源区，所述栅极接触孔贯穿所述介质层而显露出所述多晶硅栅；

形成填充并覆盖栅极接触孔和源极接触孔的正面金属层。

可选地，步骤7)中，形成所述栅极接触孔和所述源极接触孔的步骤之后，向所述源极接触孔内进行离子注入以形成第二掺杂类型的重掺杂区。

可选地，所述衬底包括硅衬底，所述外延层通过外延工艺外延生长于所述衬底表面。

如上所述，本发明的沟槽型场效应晶体管的制作方法中，在没有额外地增加光掩模的前提下，通过在深沟槽的刻蚀步骤之后，向外延层的表面进行离子注入于所述深沟槽的底部形成注入区，所述注入区的引入可以扩展耗尽区的面积，降低深沟槽底部拐角处的峰值电场，改善深沟槽底部的电场集中效应，从而提高击穿电压；此外，本发明的工艺步骤简单且不会明显增加制造成本。

附图说明

图1显示为本发明实施例中沟槽栅场效应晶体管的制作方法的流程图。

图2A～图2K显示为本发明实施例中沟槽栅场效应晶体管的制作方法各步骤所得的结构示意图。

元件标号说明

10 衬底

11 外延层

111 深沟槽

112 注入区

113 栅氧化层

114 多晶硅栅

12 体区

121 体接触区

14 源区

15 栅极接触孔

151 栅极插塞

16 源极接触孔

161 源极插塞

20 介质层

21 正面金属层

22 背面金属层

S1～S7 步骤

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可根据实际需要进行改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

本文所使用的半导体领域词汇为本领域技术人员常用的技术词汇，例如对于P型和N型杂质，为区分掺杂浓度，简易的将P+型代表重掺杂浓度的P型，P型代表中掺杂浓度的P型，P-型代表轻掺杂浓度的P型，N+型代表重掺杂浓度的N型，N型代表中掺杂浓度的N型，N-型代表轻掺杂浓度的N型。

本发明提供一种沟槽型场效应晶体管的制作方法，第一掺杂类型可以为P型，而场效应晶体管结构为P型器件，第二掺杂类型为N型。本发明沟槽型场效应晶体管的制作方法适用于制作沟槽栅场效应晶体管、屏蔽栅沟槽场效应晶体管或其他类似结构。

以下结合图1和图2A～图2K所示，对沟槽型场效应晶体管的制作方法进行具体描述，第一掺杂类型为N型，而场效应晶体管结构为N型器件，所述制作方法包括如下步骤：

首先执行步骤S1，如图2A所示,提供一衬底，所述衬底上外延生长第一掺杂类型的外延层。

作为示例，所述衬底10的材料选择为硅，所述外延层11的材料选择为硅。较佳地，所述衬底10选用N+型硅衬底，所述外延层11选用N-型硅外延层。

然后，执行步骤S2，如图2A所示，于所述外延层刻蚀形成至少一深沟槽。具体地，步骤S2包括：S2-1，于外延层11的表面形成一硬掩膜层(未示出)；S2-2，通过光刻工艺和刻蚀工艺形成图形化的硬掩膜层；S2-3，基于图形化的硬掩膜层进行刻蚀以于外延层11中形成至少一深沟槽。本实施例中，通过化学气相沉积(CVD)工艺于外延层11的表面形成二氧化硅-氮化硅-二氧化硅(ONO)叠层作为硬掩膜层，从而刻蚀出所需的所述沟槽13。关于所述沟槽13的分布、尺寸及形貌此处不作过分限制。

作为示例，步骤S2-2中，于所述硬掩膜层上涂布光刻胶层；通过光刻工艺于所述硬掩膜层上定义出需要形成深沟槽的图形区域，通过曝光和刻蚀工艺将图形转移到硬掩膜层。

作为示例，步骤S2中，所述深沟槽111的形状包括U型槽，可以通过深反应离子刻蚀(DRIE)方法刻蚀外延层11，形成所述U型槽，避免尖角的出现，而且深反应离子刻蚀方法可以获得表面粗糙度低的深沟槽侧壁。

步骤S2还包括：S2-4，去除残留的光刻胶层及硬掩膜层。

然后，执行步骤S3，如图2B所示，向所述外延层的表面进行第二掺杂类型的离子注入，注入的离子进入外延层11，同时进入所述深沟槽111的底部以形成注入区112，由此于所述深沟槽111的底部形成反型的注入区112，所述第二掺杂类型为与所述第一掺杂类型相反的掺杂类型。在施加源漏电压后沟槽底部的注入区112会帮助耗尽，抑制此位置处的峰值电场，扩展耗尽区的面积，提高了击穿电压，同时对导通电阻的影响不大。在一示例中，所述注入区112形成为具有与深沟槽111相同的横向尺寸。

作为示例，步骤S3中，注入的离子进入所述深沟槽底部达预定深度以形成所述注入区112，所述注入区112形成为浅结，其注入剂量介于4E11cm^-2与4E12cm^-2之间。

然后，执行步骤S4，如图2C-图2D所示，于所述深沟槽的内表面依次形成栅氧化层以及多晶硅栅。

作为示例，所述栅氧化层113的材料选择为氧化硅，形成于所述深沟槽底部的栅氧化层113的厚度可以大于形成于所述深沟槽侧壁的栅氧化层113的厚度，或者根据需要形成于所述深沟槽111内表面各处的栅氧化层113具有均一的厚度。在本实施例中，通过化学气相沉积工艺于深沟槽111的内表面保形沉积栅氧化层113。

作为示例，形成所述多晶硅栅114的步骤，包括：采用CVD工艺沉积多晶硅材料，以使所述多晶硅材料填充所述深沟槽111；进行平坦化处理，去除所述外延层11表面上的多晶硅材料，从而形成所述多晶硅栅114。本实施例中，所述平坦化处理包括：执行化学机械抛光(CMP)工艺，去除外延层11上的多晶硅材料，使得所形成的多晶硅栅114的表面与所述外延层的表面齐平。

然后，执行步骤S5，如图2E所示，向所述外延层进行第二掺杂类型的离子注入，以使所述外延层的上部形成为体区。

作为示例，步骤S5包括：通过光刻工艺于外延层11的表面定义出第一注入掩膜图形；然后以第一注入掩膜图形定义的窗口采用第二掺杂类型的离子进行离子注入，以形成所述体区12(P-Body)。本实施例中，选用例如硼离子(Boron)作为掺杂物执行步骤S5所述的离子注入，形成P-型体区。

然后，执行步骤S6，如图2F所示，向位于所述深沟槽一侧的所述体区进行离子注入，以形成源区。

作为示例，通过光刻工艺于外延层11的表面定义出第二注入掩膜图形；然后以第二注入掩膜图形定义的窗口进行离子注入，以形成源区14(Source)。本实施例中，选用例如砷离子(Arsenic)作为掺杂物执行步骤S6所述的离子注入，以形成N+型源区。

然后，执行步骤S7，参见图2G-图2J，于所述外延层上方形成正面金属层。

具体地，参见图2G-图2H，步骤S7包括：S7-1，形成覆盖外延层11的介质层20；S7-2，于所述介质层20中形成有栅极接触孔15和源极接触孔16。

作为示例，步骤S7-2包括：通过光刻工艺于介质层20上定义出刻蚀掩膜图形；基于所述刻蚀掩膜图形进行刻蚀，穿过介质层20，而形成显露出多晶硅栅114的栅极接触孔15，以及贯穿源区14并延伸进入体区的源极接触孔16；就是说，使源区14和体区12共用此接触孔。在其他示例中，源极接触孔16可以形成为停止在源区内，而不与体区接触，通过引入额外的接触孔，形成与所述体区的接触。

作为示例，步骤S7-2还包括：如图2G所示，在形成源极接触孔16之后，通过对源区14的底部进一步掺杂处理，形成体接触区121，进而使所述体接触区121中第二掺杂类型的离子浓度较高。

如图2I和图2J所示，步骤S7还包括：S7-3，形成填充并覆盖栅极接触孔15和源极接触孔16的正面金属层21，所述正面金属层21包括填充于接触孔内的金属插塞，即，如图2I所示，源极插塞161填充于源极接触孔16中以同时实现源区14和体接触区121的电极引出，以及栅极插塞151填充于栅极接触孔15中以实现多晶硅栅114的电极引出。

如图2I所示，步骤S7-3包括：通过CVD工艺将金属钨沉积并填充于所述源极接触孔16和所述栅极接触孔15中，由此形成与源区14相接触的源极插塞161，及与多晶硅栅114相接触的栅极插塞151，此种工艺具有良好的台阶覆盖率以及对高深宽比的接触孔进行无间隙填充；执行平坦化处理，去除介质层20表面多余的金属材料。

作为示例，步骤S7-3还包括：通过光刻工艺和刻蚀工艺图形化所述正面金属层以形成栅端和源端。

最后进行步骤S8，如图2K所示，于所述衬底10的背面形成背面金属层22，所述背面金属层22包括依次沉积的钛层、镍层及银层，以形成漏端，从而完成沟槽型场效应晶体管结构的制作。

作为示例，于所述衬底10背面形成所述背面金属层22之前，还包括背面减薄所述衬底10，并于减薄后的所述衬底10背面制作欧姆接触。

需要说明的是，上述实施例以沟槽栅场效应晶体管为例，对其具体的工艺步骤进行说明，但本发明的制造方法不限于制作此种结构。

在本发明的上述实施例中，第一掺杂类型是N型，而第二掺杂类型是P型。然而，本发明不限于其中第一掺杂类型为N型而第二掺杂类型为P型的实施例。在本发明的实施例中，N型和P型可被交换以使得第一掺杂类型为P型而第二掺杂类型为N型。在此情形中，一些组件可以同以上描述相同的方式来操作。

综上所述，本发明提供一种沟槽型场效应晶体管的制作方法中，在没有额外地增加光掩模的前提下，通过在深沟槽的刻蚀步骤之后，向外延层的表面进行离子注入，注入的离子进入所述深沟槽底部以形成注入区，所述注入区的引入可以扩展耗尽区的面积，降低深沟槽底部拐角处的峰值电场，改善深沟槽底部的电场集中问题，从而提高击穿电压；此外，本发明的工艺步骤简单且不会明显增加制造成本。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种沟槽型场效应晶体管的制作方法，其特征在于，包括：

1)提供一衬底，所述衬底上外延生长第一掺杂类型的外延层；

2)于所述外延层刻蚀形成至少一深沟槽；

3)向所述外延层的表面进行第二掺杂类型的离子注入，注入的离子进入所述深沟槽底部达预定深度以形成注入区，所述第二掺杂类型为与所述第一掺杂类型相反的掺杂类型；

4)于所述深沟槽的内表面依次形成栅氧化层以及多晶硅栅；

5)向所述外延层进行第二掺杂类型的离子注入，以使所述外延层的上部形成为体区；

6)向位于所述深沟槽一侧的所述体区进行离子注入，以形成源区。

2.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于：步骤2)包括；2-1)于所述外延层的表面形成硬掩膜层；2-2)通过光刻工艺和刻蚀工艺形成图形化的硬掩膜层；2-3)基于所述图形化的硬掩膜层进行刻蚀以于所述外延层中形成至少一深沟槽。

3.据权利要求2所述的制作方法，其特征在于：步骤2-1)中，通过化学气相沉积工艺于所述外延层的表面形成二氧化硅-氮化硅-二氧化硅叠层作为硬掩膜层。

4.根据权利要求2所述的制作方法，其特征在于：步骤2)中，所述深沟槽的形状包括U型槽，通过深反应离子刻蚀方法刻蚀所述外延层来形成所述U型槽。

5.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于：步骤3)中，注入的离子进入所述深沟槽底部达预定深度以形成所述注入区，所述注入区的注入剂量介于4E11cm^-2与4E12cm^-2之间。

6.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于：步骤4)中，采用化学气相沉积工艺形成栅氧化物，所述栅氧化层的材料为二氧化硅。

7.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，步骤4)中，于形成所述多晶硅栅之后，执行平坦化处理，去除外延层表面的多晶硅材料。

8.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，还包括：7)于所述外延层上方形成正面金属层，步骤7)包括：

形成覆盖所述外延层的介质层；

于所述介质层中形成栅极接触孔和源极接触孔，所述源极接触孔贯穿所述介质层而显露出所述源区，所述栅极接触孔贯穿所述介质层而显露出所述多晶硅栅；

形成填充并覆盖栅极接触孔和源极接触孔的正面金属层。

9.根据权利要求8所述的制作方法，其特征在于：步骤7)中，形成所述栅极接触孔和所述源极接触孔的步骤之后，向所述源极接触孔内进行离子注入以形成第二掺杂类型的重掺杂区。

10.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于：所述衬底包括硅衬底，所述外延层通过外延工艺外延生长于所述衬底表面。

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