CN115863416B - 空气介质场板隔离的ldmosfet器件及制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及半导体领域，提供一种空气介质场板隔离的LDMOSFET器件及制造方法。LDMOSFET器件包括半导体衬底、漂移区、体区、阱区、源极、漏极以及栅极，还包括：场板以及场板隔离结构，场板隔离结构包括空气介质腔和氧化层，空气介质腔形成于漂移区内，氧化层用于封闭空气介质腔，场板形成于氧化层的表面。本发明采用封闭的空气介质腔作为场板隔离介质层，相对于采用二氧化硅场板隔离介质层，本发明的空气介质腔中的空气与漂移区的硅直接接触，彻底消除SiO₂‑Si的界面态，提高LDMOSFET器件的可靠性；并且，空气的介电常数远小于二氧化硅的介电常数，空气介质的场板隔离结构可以更好的降低表面电场，提高器件的击穿电压。

Description

空气介质场板隔离的LDMOSFET器件及制造方法

技术领域

本发明涉及半导体领域，具体地涉及一种空气介质场板隔离的LDMOSFET器件以及一种空气介质场板隔离的LDMOSFET器件的制造方法。

背景技术

横向双扩散金属氧化物半导体场效应管（Lateral Double-diffused MOSFET，简称LDMOS）具有耐压高、功耗低、大电流驱动能力等特点，广泛采用于电源管理电路中。

LDMOSFET器件的场板结构通常设置在器件表面附近，以降低器件的表面电场，提高击穿电压。场板结构包括场板和场板隔离介质层，场板隔离介质层的制作方法主要有硅局部氧化隔离（LocalOxidation of Silicon，简称LOCOS）工艺和浅沟槽隔离（Shallowtrench isolation，简称STI）工艺，均使用二氧化硅作为隔离介质。但是，由于LDMOSFET器件的工作电压很高，作为隔离介质的二氧化硅与硅的界面处会产生界面态（界面态是指硅与二氧化硅界面处而能值位于硅禁带中的一些分立或连续的电子能级或能带，它们可在很短的时间内和衬底半导体交换电荷），导致阈值电压漂移，当器件工作于线性区时其漏极电流id减少，影响器件的可靠性。

发明内容

本发明的目的是提供一种空气介质场板隔离的LDMOSFET器件及制造方法，以消除二氧化硅隔离介质层与硅的界面态。

为了实现上述目的，本发明一方面提供一种空气介质场板隔离的LDMOSFET器件，包括半导体衬底、漂移区、体区、阱区、源极、漏极以及栅极，还包括：场板以及场板隔离结构，所述场板隔离结构包括空气介质腔和氧化层，所述空气介质腔形成于漂移区内，所述氧化层用于封闭所述空气介质腔，所述场板形成于所述氧化层的表面。

在本发明实施例中，所述氧化层包括第一氧化层和第二氧化层，所述第一氧化层具有与空气介质腔连通的缺口，所述第二氧化层形成于所述第一氧化层的表面，以覆盖所述第一氧化层的缺口。

在本发明实施例中，所述场板隔离结构通过以下方式形成：

在漂移区形成沟槽；

在沟槽内填充氮化硅，在填充氮化硅的沟槽表面形成第一氧化层；

在第一氧化层上形成纵向的缺口，沿缺口进行刻蚀去除沟槽内的氮化硅，形成空气介质腔；

在第一氧化层的表面形成第二氧化层，以覆盖第一氧化层的缺口形成封闭的空气介质腔。

在本发明实施例中，在第一氧化层的表面形成第二氧化层，包括：

在第一氧化层的表面粘接含有氧化层的陪片晶圆，对第一氧化层的缺口进行覆盖；

去除陪片晶圆上的硅，保留陪片晶圆上的氧化层；

对陪片晶圆的氧化层进行减薄处理形成为第二氧化层。

在本发明实施例中，在第一氧化层的表面形成第二氧化层，包括：

在第一氧化层的表面涂覆含有二氧化硅的粘稠液体材料，在高温条件下使粘稠液体材料挥发形成固态的二氧化硅层，固态的二氧化硅层作为第二氧化层对第一氧化层的缺口进行覆盖，形成封闭的空气介质腔。

本发明另一方面提供一种空气介质场板隔离的LDMOSFET器件的制造方法，包括以下步骤：

在半导体衬底上形成阱区、漂移区和体区；

在漂移区形成沟槽；

在沟槽内填充氮化硅，在填充氮化硅的沟槽表面形成第一氧化层；

在第一氧化层上形成纵向的缺口，沿缺口进行刻蚀去除沟槽内的氮化硅，形成空气介质腔；

覆盖第一氧化层的缺口，形成具有封闭的空气介质腔的场板隔离结构；

在场板隔离结构上形成场板和栅极。

在本发明实施例中，在半导体衬底上形成阱区、漂移区和体区，包括：在硅衬底表面进行热氧化处理形成二氧化硅薄层；光刻和离子注入形成阱区、漂移区和体区。

在本发明实施例中，在沟槽内填充氮化硅，在填充氮化硅的沟槽表面形成第一氧化层，包括：采用低压化学气相淀积工艺在沟槽内填充氮化硅；采用化学机械抛光工艺去除沟槽表面多余的氮化硅，采用低压化学气相淀积工艺在填充氮化硅的沟槽表面形成第一氧化层。

在本发明实施例中，在第一氧化层上形成纵向的缺口，沿缺口进行刻蚀去除沟槽内的氮化硅，包括：对第一氧化层进行干法刻蚀处理形成纵向的缺口；采用湿法刻蚀工艺沿缺口进行纵向刻蚀，去除沟槽内的氮化硅。

在本发明实施例中，覆盖第一氧化层的缺口形成具有封闭的空气介质腔的场板隔离结构，包括：在第一氧化层的表面涂覆含有二氧化硅的粘稠液体材料，在高温条件下使粘稠液体材料挥发形成固态的二氧化硅层，固态的二氧化硅层作为第二氧化层对第一氧化层的缺口进行覆盖，形成封闭的空气介质腔。

在本发明实施例中，覆盖第一氧化层的缺口形成具有封闭的空气介质腔的场板隔离结构，包括：在第一氧化层的表面粘接含有氧化层的陪片晶圆，对第一氧化层的缺口进行覆盖；去除陪片晶圆上的硅，保留陪片晶圆上的氧化层；对陪片晶圆的氧化层进行减薄处理形成为第二氧化层。

在本发明实施例中，在空气介质场板隔离结构上形成栅极和场板，包括：

在第二氧化层的表面形成栅氧化层；

采用低压化学气相淀积工艺在栅氧化层的表面形成多晶硅；

对多晶硅进行光刻和刻蚀处理形成多晶硅栅极和多晶硅场板；

在体区形成源极，在漂移区形成漏极。

本发明采用封闭的空气介质腔作为场板隔离介质层，相对于采用二氧化硅场板隔离介质层，本发明的空气介质腔中的空气与漂移区的硅直接接触，彻底消除SiO₂-Si的界面态，提高LDMOSFET器件的可靠性。此外，空气的介电常数远小于二氧化硅的介电常数，空气介质的场板隔离结构电场更小，隔离效果更好，具有空气介质的场板隔离结构可以更好的降低表面电场，从而提高器件的击穿电压。

附图说明

附图是用来提供对本发明实施方式的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明实施方式，但并不构成对本发明实施方式的限制。在附图中：

图1是本发明实施例提供的空气介质场板隔离的LDMOSFET器件的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的空气介质场板隔离的LDMOSFET器件的制造方法的流程图；

图3a是本发明实施例提供的LDMOSFET器件的制造方法中形成的阱区、体区和漂移区的结构示意图；

图3b是本发明实施例提供的LDMOSFET器件的制造方法中形成的沟槽的结构示意图；

图3c是本发明实施例提供的LDMOSFET器件的制造方法中在沟槽内填充氮化硅后形成的结构示意图；

图3d是本发明实施例提供的LDMOSFET器件的制造方法中形成的第一氧化层的结构示意图；

图3e是本发明实施例提供的LDMOSFET器件的制造方法中形成的空气介质腔的结构示意图；

图3f是本发明实施例提供的LDMOSFET器件的制造方法中形成的封闭的空气介质腔的结构示意图；

图3g是本发明实施例提供的LDMOSFET器件的制造方法形成的LDMOSFET器件的结构示意图。

附图标记说明

101-衬底，102-N型阱区，103-P型阱区，104-漂移区，

105-体区，106-浅槽隔离区，107-沟槽，108-氮化硅，

109-第一氧化层，110-缺口，111-空气介质腔，112-第二氧化层，

113-场板和栅极，114-源极，115-漏极，116-保护环。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

在本文的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。在本文中，除非另有明确的规定和限定，“相连”、“相接”、“连接”等术语应做广义理解，例如，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个结构或区域内部的连通，也可以是两个结构或区域的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

图1是本发明实施例提供的空气介质场板隔离的LDMOSFET器件的结构示意图。如图1所示，本实施例的空气介质场板隔离的LDMOSFET器件，包括半导体衬底101、漂移区104、体区105、阱区（N型阱区102和P型阱区103）、源极114、漏极115、场板和栅极113，还包括位于漂移区上方的场板隔离结构。场板隔离结构包括空气介质腔111和氧化层（第一氧化层109和第二氧化层112），空气介质腔111形成于漂移区104内，氧化层用于封闭空气介质腔111，场板和栅极113一体形成于氧化层的表面。本发明实施例采用封闭的空气介质腔111作为场板隔离介质层，相对于采用二氧化硅场板隔离介质层，本发明的空气介质腔111中的空气与漂移区104的硅直接接触，彻底消除SiO₂-Si的界面态，提高LDMOSFET器件的可靠性。此外，空气的介电常数远小于二氧化硅的介电常数，空气介质的场板隔离结构电场更小，隔离效果更好，具有空气介质的场板隔离结构可以更好的降低表面电场，从而提高器件的击穿电压。

本实施例中，氧化层包括第一氧化层109和第二氧化层112，第一氧化层109具有与空气介质腔111连通的缺口110，第二氧化层112形成于第一氧化层109的表面，以覆盖第一氧化层109的缺口110，形成封闭的空气介质腔111。在一些实施例中，具有空气介质腔111的场板隔离结构可以通过以下方式形成：在漂移区104形成沟槽107；在沟槽107内填充氮化硅108，在填充有氮化硅108的沟槽107表面形成第一氧化层109；在第一氧化层109上形成纵向的缺口110，沿缺口110进行刻蚀去除沟槽107内的氮化硅108，形成空气介质腔111；在第一氧化层109的表面形成第二氧化层112，以覆盖第一氧化层109的缺口110形成封闭的空气介质腔111。

其中，可选择以下两种方式形成封闭的空气介质腔111：第一种方式，在第一氧化层109的表面粘接含有氧化层的陪片晶圆对第一氧化层109的缺口110进行覆盖，去除陪片晶圆上的硅，保留陪片晶圆上的氧化层，对陪片晶圆的氧化层进行减薄处理形成为第二氧化层112；第二种方式，在第一氧化层109的表面涂覆含有二氧化硅的粘稠液体材料，在高温条件下使粘稠液体材料挥发形成固态的二氧化硅层，固态的二氧化硅层作为第二氧化层112对第一氧化层109的缺口110进行覆盖，形成封闭的空气介质腔111。本实施例在纵向上形成空气介质腔111替代传统的氧化介质层，由空气介质腔111构成的场板隔离结构可以彻底消除氧化介质层中二氧化硅与漂移区中硅之间的界面态。

以下对上述的空气介质场板隔离的LDMOSFET器件的制造方法进行详细阐述。

图2是本发明实施例提供的空气介质场板隔离的LDMOSFET器件的制造方法的流程图。如图2所示，本实施例提供的LDMOSFET器件的制造方法，包括以下步骤：

步骤201，在半导体衬底上形成阱区、漂移区和体区。

以N型LDMOSFET器件为例，在P型硅衬底101表面进行热氧化处理形成二氧化硅薄层，在二氧化硅薄层上涂覆光刻胶，光刻显影得到阱区的图形，在对应的图形区分别进行N型离子注入和P型离子注入，去除光刻胶，并高温推进，形成N型阱区102和P型阱区103。接着，光刻显影形成N型漂移区的图形，在图形区进行N型离子注入，形成N型漂移区104；光刻显影形成P型体区的图形，在图形区进行P型离子注入，形成P型体区105；然后，制作浅槽隔离区106，形成如图3a所示的结构。其中，浅槽隔离区106的制作工艺为：形成隔离氧化层，在隔离氧化层上淀积氮化物，刻蚀STI槽，在STI槽内填充氧化物，对氧化物进行平坦化处理。

步骤202，在漂移区形成沟槽。

接步骤201，在形成N型阱区102、P型阱区103、N型漂移区104和P型体区105的衬底上热氧化形成二氧化硅薄层，在二氧化硅薄层上涂覆光刻胶，光刻显影得到沟槽的图形区，对二氧化硅薄层和N型漂移区104的硅进行刻蚀，形成如图3b所示的沟槽107。

步骤203，在沟槽内填充氮化硅，在填充氮化硅的沟槽表面形成第一氧化层。

采用低压化学气相淀积工艺（LPCVD）在沟槽107内填充氮化硅108，形成如图3c所示的结构。

采用化学机械抛光（CMP）工艺去除沟槽107表面多余的氮化硅108，采用低压化学气相淀积工艺（LPCVD）在填充氮化硅108的沟槽107表面沉积一层二氧化硅作为第一氧化层109，形成如图3d所示的结构。

步骤204，在第一氧化层上形成纵向的缺口，沿缺口进行刻蚀去除沟槽内的氮化硅，形成空气介质腔。

在第一氧化层109上涂覆光刻胶，光刻显影得到缺口的图形区，干法刻蚀第一氧化层109的二氧化硅形成纵向的缺口110；采用湿法刻蚀工艺沿缺口110进行纵向刻蚀，去除沟槽107内的氮化硅108，形成的空气介质腔111如图3e所示。

由于空气介质腔111中的空气需要与衬底硅（N型漂移区的硅）直接接触才能实现空气介质隔离，因此在上述步骤中采用氮化硅108作为生长第一氧化层109的硬掩膜，避免沟槽107内生长出二氧化硅氧化层，在沉积生长二氧化硅氧化层之后，采用湿法刻蚀可以完全去除沟槽107内的氮化硅108，从而得到与衬底硅直接接触的空气介质腔。

本实施例在纵向上（Z方向）形成空气介质腔，相对于在Y方向上开孔通过开孔刻蚀衬底形成腐蚀腔体的方式（腔体腐蚀不干净），空气介质腔内不存在刻蚀残留的杂质，空气隔离效果更好。

步骤205，覆盖第一氧化层的缺口，形成具有封闭的空气介质腔的场板隔离结构。

可采用以下两种方式形成如图3f所示的空气介质腔111：

第一种方式，在第一氧化层109的表面粘接含有SiO₂氧化层的陪片晶圆（SiO₂对SiO₂）对第一氧化层109的缺口110进行覆盖，去除陪片晶圆上的硅，保留陪片晶圆上的SiO₂氧化层，对陪片晶圆的SiO₂氧化层进行减薄处理，形成如图3f所示的第二氧化层112；

第二种方式，在第一氧化层109的表面涂覆含有二氧化硅的粘稠液体材料（由于粘稠液体的粘性，二氧化硅液体材料会粘附在细小的缺口110处，并不会渗透到空气介质腔111内部），在高温条件下使粘稠液体材料挥发形成固态的二氧化硅层，固态的二氧化硅层作为第二氧化层112对第一氧化层109的缺口110进行覆盖，形成如图3f所示的结构。

上述第一种方式需要粘接陪片晶圆，还需要刻蚀和减薄处理，工艺成本较高；上述第二种方式只需涂覆二氧化硅粘液，工艺简单，成本较低。

步骤206，在场板隔离结构上形成场板和栅极。

在第二氧化层112的表面形成栅氧化层，采用低压化学气相淀积工艺（LPCVD）在栅氧化层的表面形成多晶硅，对多晶硅进行光刻和刻蚀处理形成连接为一体的多晶硅场板和栅极113。在P型体区105光刻和离子注入形成源极114，在N型漂移区104光刻和离子注入形成漏极115，并光刻和离子注入形成保护环116，最终形成如图3g所示的LDMOSFET器件结构。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (11)

1.一种空气介质场板隔离的LDMOSFET器件，包括半导体衬底、漂移区、体区、阱区、源极、漏极以及栅极，其特征在于，还包括：场板以及场板隔离结构，所述场板隔离结构包括空气介质腔和氧化层，所述空气介质腔形成于漂移区内，所述空气介质腔的上方被所述氧化层覆盖，所述氧化层包括第一氧化层和第二氧化层，第一氧化层具有与空气介质腔连通的缺口，第二氧化层形成于第一氧化层的表面以覆盖第一氧化层的缺口，所述场板形成于所述第二氧化层的表面。

2.根据权利要求1所述的空气介质场板隔离的LDMOSFET器件，其特征在于，所述场板隔离结构通过以下方式形成：

在漂移区形成沟槽；

在沟槽内填充氮化硅，在填充氮化硅的沟槽表面形成第一氧化层；

在第一氧化层上形成纵向的缺口，沿缺口进行刻蚀去除沟槽内的氮化硅，形成空气介质腔；

在第一氧化层的表面形成第二氧化层，以覆盖第一氧化层的缺口形成封闭的空气介质腔。

3.根据权利要求2所述的空气介质场板隔离的LDMOSFET器件，其特征在于，在第一氧化层的表面形成第二氧化层，包括：

在第一氧化层的表面粘接含有氧化层的陪片晶圆，对第一氧化层的缺口进行覆盖；

去除陪片晶圆上的硅，保留陪片晶圆上的氧化层；

对陪片晶圆的氧化层进行减薄处理形成为第二氧化层。

4.根据权利要求2所述的空气介质场板隔离的LDMOSFET器件，其特征在于，在第一氧化层的表面形成第二氧化层，包括：

在第一氧化层的表面涂覆含有二氧化硅的粘稠液体材料，在高温条件下使粘稠液体材料挥发形成固态的二氧化硅层，固态的二氧化硅层作为第二氧化层对第一氧化层的缺口进行覆盖，形成封闭的空气介质腔。

5.一种空气介质场板隔离的LDMOSFET器件的制造方法，其特征在于，包括：

在半导体衬底上形成阱区、漂移区和体区；

在漂移区形成沟槽；

在沟槽内填充氮化硅，在填充氮化硅的沟槽表面形成第一氧化层；

在第一氧化层上形成纵向的缺口，沿缺口进行刻蚀去除沟槽内的氮化硅，形成空气介质腔；

覆盖第一氧化层的缺口，形成具有封闭的空气介质腔的场板隔离结构；

在场板隔离结构上形成场板和栅极。

6.根据权利要求5所述的空气介质场板隔离的LDMOSFET器件的制造方法，其特征在于，在半导体衬底上形成阱区、漂移区和体区，包括：

在硅衬底表面进行热氧化处理形成二氧化硅薄层；

光刻和离子注入形成阱区、漂移区和体区。

7.根据权利要求5所述的空气介质场板隔离的LDMOSFET器件的制造方法，其特征在于，在沟槽内填充氮化硅，在填充氮化硅的沟槽表面形成第一氧化层，包括：

采用低压化学气相淀积工艺在沟槽内填充氮化硅；

采用化学机械抛光工艺去除沟槽表面多余的氮化硅，采用低压化学气相淀积工艺在填充氮化硅的沟槽表面形成第一氧化层。

8.根据权利要求5所述的空气介质场板隔离的LDMOSFET器件的制造方法，其特征在于，在第一氧化层上形成纵向的缺口，沿缺口进行刻蚀去除沟槽内的氮化硅，包括：

对第一氧化层进行干法刻蚀处理形成纵向的缺口；

采用湿法刻蚀工艺沿缺口进行纵向刻蚀，去除沟槽内的氮化硅。

9.根据权利要求5所述的空气介质场板隔离的LDMOSFET器件的制造方法，其特征在于，覆盖第一氧化层的缺口形成具有封闭的空气介质腔的场板隔离结构，包括：

在第一氧化层的表面涂覆含有二氧化硅的粘稠液体材料，在高温条件下使粘稠液体材料挥发形成固态的二氧化硅层，固态的二氧化硅层作为第二氧化层对第一氧化层的缺口进行覆盖，形成封闭的空气介质腔。

10.根据权利要求5所述的空气介质场板隔离的LDMOSFET器件的制造方法，其特征在于，覆盖第一氧化层的缺口形成具有封闭的空气介质腔的场板隔离结构，包括：

在第一氧化层的表面粘接含有氧化层的陪片晶圆，对第一氧化层的缺口进行覆盖；

去除陪片晶圆上的硅，保留陪片晶圆上的氧化层；

对陪片晶圆的氧化层进行减薄处理形成为第二氧化层。

11.根据权利要求9或10所述的空气介质场板隔离的LDMOSFET器件的制造方法，其特征在于，在空气介质场板隔离结构上形成栅极和场板，包括：

在第二氧化层的表面形成栅氧化层；

采用低压化学气相淀积工艺在栅氧化层的表面形成多晶硅；

对多晶硅进行光刻和刻蚀处理形成多晶硅栅极和多晶硅场板；

在体区形成源极，在漂移区形成漏极。

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