專利名稱：半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，且尤其涉及具有遠(yuǎn)次集電極(far subcollector)和基于深溝槽的遠(yuǎn)次集電極穿通件(reachthrough)的半 導(dǎo)體結(jié)構(gòu)及其制造方法。
背景技術(shù)：
一些高性能的無(wú)源半導(dǎo)體器件受益于埋置摻雜層在半導(dǎo)體襯底 內(nèi)增加了的深度。例如，雙極晶體管中次集電極深度的增加提供了擊 穿電壓增加的優(yōu)點(diǎn)。對(duì)于另一示例，其中本征半導(dǎo)體區(qū)域被夾在p型 摻雜的半導(dǎo)體區(qū)域和n型摻雜區(qū)域之間的正-本征-負(fù)(PIN) 二極管 的操作頻率隨埋置摻雜層深度而增加，該埋置摻雜層用作PIN 二極管 的一個(gè)端子。根據(jù)常規(guī)半導(dǎo)體制造方法，埋置摻雜層的深度典型地受形成到達(dá) 該埋置摻雜層的穿通件的能力的限制。盡管通過(guò)對(duì)半導(dǎo)體區(qū)域進(jìn)行注 入然后外延例如大于2微米的顯著厚度的半導(dǎo)體材料可以形成深的埋 置摻雜層，但是可以通過(guò)離子注入形成的穿通件的深度受注入的離子 的投影射程的限制。例如，在1.0MeV的加速下，硼離子在硅中的投 影射程僅為1.8微米。在1.0MeV的加速下，磷離子和砷離子的投影 射程甚至更小，分別為僅1.2微米和0.6微米。另外，埋置摻雜層通 常需要5.0xl0,cii^量級(jí)的重?fù)诫s濃度以獲得低的電阻。這種高能量 和這種高劑量的摻雜劑注入需要高性能離子注入機(jī)上的長(zhǎng)注入時(shí)間， 并因此，需要高的工藝成本。而且，即使采用了這些工藝步驟，除非 離子注入能量被進(jìn)一步增加(商業(yè)可得的離子注入機(jī)難以實(shí)現(xiàn))，埋 置摻雜層的深度不超過(guò)2.0微米。在現(xiàn)有技術(shù)中已經(jīng)知道通過(guò)采用多級(jí)穿通件在比離子注入的投影射程更深的地方形成埋置摻雜層或"遠(yuǎn)次集電極"的方法。根據(jù)該方 法，在初始半導(dǎo)體襯底上形成摻雜區(qū)域。在初始半導(dǎo)體襯底的表面上 生長(zhǎng)第一外延半導(dǎo)體層達(dá)到這樣的厚度，通過(guò)該厚度，可以通過(guò)離子 注入形成穿通件，即，該厚度為后續(xù)離子注入工藝的離子的投影射程 的厚度。在第一外延生長(zhǎng)層內(nèi)形成第一穿通件之后，在該第一外延生 長(zhǎng)層上生長(zhǎng)第二外延半導(dǎo)體層。通過(guò)離子注入在第二外延生長(zhǎng)層中形 成第二穿通件。根據(jù)該現(xiàn)有技術(shù)，半導(dǎo)體層的每一輪外延生長(zhǎng)將埋置 半導(dǎo)體層的深度延伸后續(xù)離子注入的投影射程，即，延伸隨后在其中 形成的穿通件的深度。由于可用離子注入機(jī)的能量限制，埋置摻雜層的深度的增加實(shí)際上被限制為小于約1.2~1.8微米。此外，用于半導(dǎo) 體材料的外延的高溫要求導(dǎo)致埋置摻雜層中的摻雜劑的體擴(kuò)散，由此 減少了埋置摻雜層的深度，而且還減小了摻雜密度，并相應(yīng)地，減小 了埋置摻雜層的導(dǎo)電性。因此，需要提供一種半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)及其制造方法，該半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)具 有位于超出離子注入工藝的典型投影射程的深度處的埋置摻雜層或 "遠(yuǎn)次集電極"、以及將該遠(yuǎn)次集電極電連接到半導(dǎo)體襯底的表面處的 結(jié)構(gòu)的穿通件。此外，需要提供一種具有遠(yuǎn)次集電極以及到達(dá)遠(yuǎn)次集電極的穿通 件的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)以及使用最小附加工藝步驟和工藝成本制造該半導(dǎo) 體結(jié)構(gòu)的方法。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明通過(guò)提供具有與至少一個(gè)深溝槽的壁上和壁外部形成的 穿通區(qū)域接觸的遠(yuǎn)次集電極的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)和這種半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的制造 方法解決上述需要。具體而言，本發(fā)明在初始半導(dǎo)體襯底的表面上形成遠(yuǎn)次集電極，接著是半導(dǎo)體材料的厚外延生長(zhǎng)。初始半導(dǎo)體襯底和外延生長(zhǎng)的半導(dǎo) 體部分共同地形成半導(dǎo)體襯底。在遠(yuǎn)次集電極的部分上方形成至少一 個(gè)深溝槽，并且該至少一個(gè)深溝槽與次遠(yuǎn)集電極鄰接。在該至少一個(gè)深溝槽的壁上沉積摻雜材料層。在驅(qū)入式退火過(guò)程中，摻雜劑從該至 少一個(gè)深溝槽的壁上的摻雜材料層擴(kuò)散到半導(dǎo)體村底中。由所迷至少一個(gè)深溝槽的外壁上的摻雜半導(dǎo)體區(qū)域形成到達(dá)遠(yuǎn)次集電極的穿通 區(qū)域。可以制備到穿通區(qū)域的接觸件。備選地，可以形成輔助穿通區(qū) 域并對(duì)其制備接觸件。根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例， 一種半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)包括 遠(yuǎn)次集電極，位于半導(dǎo)體襯底中且被摻雜以一種導(dǎo)電類型的摻雜劑；至少一個(gè)深溝槽，位于所述半導(dǎo)體襯底中；穿通區(qū)域，位于所述至少一個(gè)深溝槽的壁上和壁外部，鄰接所迷 遠(yuǎn)次集電極，且被摻雜以所述一種導(dǎo)電類型的摻雜劑；以及至少一個(gè)輔助穿通區(qū)域，位于所述穿通區(qū)域上，接觸半導(dǎo)體襯底 的頂表面，且被摻雜以所述一種導(dǎo)電類型的摻雜劑。根據(jù)本發(fā)明的笫一實(shí)施例，該半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)優(yōu)選地包括位于穿通區(qū) 域上方和內(nèi)部的電介質(zhì)層。該半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)優(yōu)選地進(jìn)一步包括所述電介質(zhì)層內(nèi)的填充材料；以及所迷填充材料之上的淺溝槽隔離，其中所述電介質(zhì)層和填充材料 直接位于淺溝槽隔離下方。所述電介質(zhì)層可以是氮化硅、氧化硅和氧氮化硅。所述電介質(zhì)層 可以被摻雜以所述一種導(dǎo)電類型的摻雜劑。所述電介質(zhì)層可以選自硼 硅玻璃(BSG)、磷硅玻璃(PSG)和砷硅玻璃(ASG)。該半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)還可以進(jìn)一步包括保護(hù)環(huán)區(qū)域，該保護(hù)環(huán)區(qū)域直接位于所述至少一個(gè)深溝槽下方并被摻雜以與所述一種導(dǎo)電類型不同 的另一種導(dǎo)電類型的摻雜劑。在這種情況下，穿通區(qū)域可以與圓環(huán)面 拓樸同胚，即，通過(guò)連續(xù)的拉伸和彎曲，穿通區(qū)域可以變換成圓環(huán)面。 該半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)還可以進(jìn)一步包括位于所述至少一個(gè)輔助穿通區(qū) 域上的金屬接觸件。根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例， 一種半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)包括 遠(yuǎn)次集電極，位于半導(dǎo)體襯底中且被摻雜以一種導(dǎo)電類型的摻雜劑；至少一個(gè)深溝槽，位于所述半導(dǎo)體襯底中；穿通區(qū)域，位于所述至少一個(gè)深溝槽的壁上和壁外部，鄰接所述遠(yuǎn)次集電極，且被摻雜以所述一種導(dǎo)電類型的摻雜劑；摻雜填充材料，位于所述至少一個(gè)深溝槽中，且被摻雜以所述一 種導(dǎo)電類型的摻雜劑；以及位于所述摻雜填充材料上的金屬接觸件。根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例，該半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)優(yōu)選地包括位于所述至 少一個(gè)深溝槽的壁上和壁內(nèi)部的電介質(zhì)層，其中所述電介質(zhì)層和穿通 區(qū)域與球形拓樸同胚，即通過(guò)連續(xù)的拉伸和彎曲，穿通區(qū)域可以被變 換成球形。優(yōu)選地，所述電介質(zhì)層位于所述至少一個(gè)深溝槽的一側(cè)上， 而該穿通區(qū)域位于所述至少一個(gè)深溝槽的相對(duì)一側(cè)上。該半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)還可以進(jìn)一步包括淺溝槽隔離，其中所述電介質(zhì)層 和穿通區(qū)域直接位于淺溝槽隔離下。所述電介質(zhì)層可以是氮化硅、氧化硅和氧氮化硅。所述電介質(zhì)層 可以被摻雜以所述一種導(dǎo)電類型的摻雜劑。所述電介質(zhì)層可以選自硼 硅玻璃(BSG )、磷硅玻璃(PSG )和砷硅玻璃(ASG )。該半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)還可以進(jìn)一步包括保護(hù)環(huán)區(qū)域，該保護(hù)環(huán)區(qū)域直接位于所述至少一個(gè)深溝槽下方并被摻雜以與所述一種導(dǎo)電類型相反的另 一種導(dǎo)電類型的摻雜劑。根據(jù)本發(fā)明的這兩個(gè)實(shí)施例，半導(dǎo)體襯底優(yōu)選地包括與遠(yuǎn)次集電 極鄰接的外延生長(zhǎng)的半導(dǎo)體部分。次集電極優(yōu)選地位于超過(guò)常規(guī)離子注入投影射程的深度，且更優(yōu)選地位于從半導(dǎo)體襯底的頂表面測(cè)量約 1.0微米至約8.0微米的范圍，且更優(yōu)選地位于2.0微米至5.0微米的范圍。根據(jù)本發(fā)明的這兩個(gè)實(shí)施例，所述一種導(dǎo)電類型的摻雜劑可以是 p型的，或可替換地是n型的。如果所述一種導(dǎo)電類型的摻雜劑是p 型的，則另一種導(dǎo)電類型的摻雜劑是n型。如果所述一種導(dǎo)電類型的 摻雜劑是n型的，則另一種導(dǎo)電類型的摻雜劑是p型的。根據(jù)本發(fā)明，形成本發(fā)明的第一實(shí)施例的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的方法包括在半導(dǎo)體襯底中形成遠(yuǎn)次集電極，其中所述遠(yuǎn)次集電極被摻雜以一種導(dǎo)電類型的摻雜劑；在所述半導(dǎo)體襯底中形成至少一個(gè)深溝槽，其中所述至少一個(gè)深 溝槽鄰接所述遠(yuǎn)次集電極；在所述至少一個(gè)深溝槽的壁上和壁外部形成穿通區(qū)域，其中所述 穿通區(qū)域被摻雜以所述一種導(dǎo)電類型的摻雜劑，且鄰接所述遠(yuǎn)次集電 極；以及形成輔助穿通區(qū)域，其中所述輔助穿通區(qū)域被摻雜以所述一種導(dǎo) 電類型的摻雜劑，接觸所述半導(dǎo)體襯底的頂表面，并鄰接所述至少一 個(gè)深溝槽。優(yōu)選地，通過(guò)對(duì)初始半導(dǎo)體襯底的一部分進(jìn)行離子注入，然后在 初始半導(dǎo)體襯底上外延生長(zhǎng)半導(dǎo)體材料，來(lái)形成半導(dǎo)體襯底中的遠(yuǎn)次 集電極?？梢灾苯釉谒鲋辽僖粋€(gè)深溝槽下方形成保護(hù)環(huán)區(qū)域，且該保護(hù) 環(huán)區(qū)域被摻雜以與所述一種導(dǎo)電類型相反的另一種導(dǎo)電類型的摻雜 劑。在這種情況下，穿通區(qū)域與圓環(huán)面拓樸同胚。摻雜材料層可以沉積在所述至少一個(gè)深溝槽內(nèi)部，其中摻雜材料 層包含所述一種導(dǎo)電類型的摻雜劑，且來(lái)自于摻雜材料層的所迷一種 導(dǎo)電類型的摻雜劑可以在退火步驟中被驅(qū)入半導(dǎo)體村底中?？梢栽诖┩▍^(qū)域上方和內(nèi)部形成電介質(zhì)層。穿通區(qū)域上方和內(nèi)部 的電介質(zhì)層可以通過(guò)熱氧化摻雜材料層形成。備選地，電介質(zhì)層可以 在去除摻雜材料層之后通過(guò)沉積形成。此外，可以在電介質(zhì)層圍繞的容積中形成填充材料，且此后可以 在填充材料之上形成淺溝槽隔離，其中所述淺溝槽隔離直接在所述電 介質(zhì)層和填充材料上形成。根據(jù)本發(fā)明的填充材料可以是摻雜的，也 可以是不摻雜的。可以在所述至少 一個(gè)輔助穿通區(qū)域上形成金屬接觸件。根據(jù)本發(fā)明，形成本發(fā)明的第二實(shí)施例的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的方法包括在半導(dǎo)體村底中形成遠(yuǎn)次集電極，其中所述遠(yuǎn)集電極被摻雜以一種導(dǎo)電類型的摻雜劑；在所述半導(dǎo)體襯底中形成至少一個(gè)深溝槽，其中所述至少一個(gè)深 溝槽鄰接遠(yuǎn)次集電極；在所述至少一個(gè)深溝槽的壁上和壁外部形成穿通區(qū)域，其中所述 穿通區(qū)域被摻雜以所述一種導(dǎo)電類型的摻雜劑，且鄰接所述遠(yuǎn)次集電 極；在所述至少一個(gè)深溝槽中形成摻雜填充材料，且摻雜以所述一種 導(dǎo)電類型的摻雜劑；以及形成位于所述摻雜填充材料上的金屬接觸件。優(yōu)選地，通過(guò)對(duì)初始半導(dǎo)體村底的一部分進(jìn)行離子注入，然后在 初始半導(dǎo)體襯底上外延生長(zhǎng)半導(dǎo)體材料，形成半導(dǎo)體襯底中的遠(yuǎn)次集 電極?？梢灾苯釉谒鲋辽僖粋€(gè)深溝槽下形成保護(hù)環(huán)區(qū)域，且該保護(hù)環(huán) 區(qū)域被摻雜以與所述一種導(dǎo)電類型相反的另一種導(dǎo)電類型的摻雜劑?？梢栽诖┩▍^(qū)域上方和內(nèi)部形成電介質(zhì)層，其中電介質(zhì)層和穿通 區(qū)域都與球形拓樸同胚。在這種情況下，可以使用光致抗蝕劑對(duì)所述 電介質(zhì)層進(jìn)行光刻構(gòu)圖，且可以蝕刻電介質(zhì)層的暴露部分。此外，可以直接在所述電介質(zhì)層和穿通區(qū)域之上形成淺溝槽隔離。摻雜材料層可以選自硼硅玻璃(BSG)、磚硅玻璃(PSG)和砷 硅玻璃(ASG)。備選地，摻雜材料層可以選自摻雜的多晶硅、摻雜 的非晶硅、包含合金的摻雜多晶硅以及包含合金的摻雜非晶硅。穿通 區(qū)域上方和內(nèi)部的電介質(zhì)層可以通過(guò)熱氧化或氮化摻雜材料層形成。


圖l-3是根據(jù)本發(fā)明的第一和第二實(shí)施例的示例結(jié)構(gòu)的按順序的垂直截面圖。圖4-10是根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的示例結(jié)構(gòu)的按順序的垂直 截面圖。圖11-17是根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例的示例結(jié)構(gòu)的按順序的垂直 截面圖。
具體實(shí)施方式
如上所述，本發(fā)明涉及下面參考附圖詳細(xì)描述的具有遠(yuǎn)次集電極和基于深溝槽的遠(yuǎn)次集電極穿通件的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)及其制造方法。參考圖1，示出了初始半導(dǎo)體襯底10的垂直截面圖。根據(jù)本發(fā) 明，光致抗蝕劑5被涂敷于初始半導(dǎo)體襯底10的頂表面且被光刻構(gòu) 圖以在光致抗蝕劑5中限定開孔。對(duì)初始半導(dǎo)體襯底10的暴露部分 進(jìn)行離子注入以形成注入摻雜區(qū)域11。盡管圖1示出了延伸到初始半 導(dǎo)體襯底10的表面的注入摻雜區(qū)域11，初始半導(dǎo)體襯底10的表面之 下的注入摻雜區(qū)域11的形成可以備選地根據(jù)在此明確預(yù)期的后續(xù)結(jié) 構(gòu)中的相應(yīng)變化進(jìn)行。注入摻雜區(qū)域ll的摻雜可以是p型或n型的。優(yōu)選地，摻雜濃 度為約1.0xl0,cm3至約5.0xl021/cm3，且優(yōu)選地為約3.0xl02G/cm3至 約2.0xl021/cm3 ，以在注入摻雜區(qū)域11中獲得典型地為約 1.0xl(T3ll-cm量級(jí)或更小的低電阻率。參考圖2,然后去除已構(gòu)圖的光致抗蝕劑5。在諸如氫氟酸(HF) 中的濕法蝕刻之類的適當(dāng)?shù)谋砻媲逑粗螅M(jìn)行半導(dǎo)體材料的外延生 長(zhǎng)以形成外延生長(zhǎng)的半導(dǎo)體部分20。由于在外延生長(zhǎng)過(guò)程中半導(dǎo)體材 料的添加，注入摻雜區(qū)域11被埋置在外延生長(zhǎng)的半導(dǎo)體部分20之下 以形成遠(yuǎn)次集電極12。由于形成具有低缺陷密度的外延生長(zhǎng)的半導(dǎo)體 部分20所需的典型的高溫，注入摻雜區(qū)域11中的摻雜劑經(jīng)歷體擴(kuò)散， 且因此，圖2中的遠(yuǎn)次集電極12的厚度典型地超過(guò)圖1中的注入摻 雜區(qū)域11的厚度。初始半導(dǎo)體襯底10和外延生長(zhǎng)的半導(dǎo)體部分20 共同地形成了半導(dǎo)體襯底24，其中嵌入了遠(yuǎn)次集電極12。初始半導(dǎo)體襯底10和外延生長(zhǎng)的半導(dǎo)體部分20可以包括相同或 不同的半導(dǎo)體材料，只要這兩種材料之間的晶格失配足夠小以允許外 延生長(zhǎng)的半導(dǎo)體部分20在初始半導(dǎo)體襯底10上的外延生長(zhǎng)。包括初 始半導(dǎo)體襯底10和外延生長(zhǎng)的半導(dǎo)體部分20中每一個(gè)的半導(dǎo)體材料 的非限制示例可以是下面材料之一硅、鍺、硅-鍺合金、硅碳合金、 硅-鍺-碳合金、砷化鎵、砷化銦、躊化銦、III-V族化合物半導(dǎo)體材料、 II-VI族化合物半導(dǎo)體材料、有機(jī)半導(dǎo)體材料以及其它化合物半導(dǎo)體 材料。初始半導(dǎo)體襯底10和外延生長(zhǎng)的半導(dǎo)體部分20二者的摻雜濃度 都足夠低以防止經(jīng)過(guò)半導(dǎo)體材料本身的高水平的漏電流。例如，在初 始半導(dǎo)體襯底io和外延生長(zhǎng)的半導(dǎo)體部分20中，摻雜濃度可以都低 于5.0xl017/cm3，優(yōu)選地，低于5.0x1016/cm3。可選但優(yōu)選地，墊(pad)層30被沉積在半導(dǎo)體襯底24上。墊層 30可以包括氧化硅層、氮化硅層或氧化硅層和氮化硅層的疊層。參考圖3，通過(guò)涂敷和光刻構(gòu)圖光致抗蝕劑(未示出)并將光致 抗蝕劑中的圖案轉(zhuǎn)移到可選的墊層30和半導(dǎo)體襯底24中，在半導(dǎo)體 襯底24中形成至少一個(gè)深溝槽31。形成深度超過(guò)2.0微米的深溝槽 的方法在現(xiàn)有技術(shù)中已知。深溝槽可以具有約2.0微米到約8.0微米 的深度。所述至少一個(gè)深溝槽31的至少一個(gè)壁鄰接遠(yuǎn)次集電極12， 即，所述至少一個(gè)深溝槽31在對(duì)至少一個(gè)深溝槽31的蝕刻過(guò)程中與 遠(yuǎn)次集電極12相交?？蛇x但優(yōu)選地，可以通過(guò)注入與遠(yuǎn)次集電極12中的摻雜劑相反 導(dǎo)電類型的摻雜劑，直接在所述至少一個(gè)深溝槽31下方形成保護(hù)環(huán) 區(qū)域32。可以在去除用于深溝槽蝕刻的光致抗蝕劑之后進(jìn)行離子注 入，或優(yōu)選地在去除該光致抗蝕劑之前進(jìn)行離子注入，使得在離子注 入過(guò)程中僅所述至少一個(gè)深溝槽31的底部被注入了摻雜劑。與遠(yuǎn)次 集電極12或隨后形成的穿通區(qū)域具有相反摻雜劑類型的保護(hù)環(huán)區(qū)域 32提供了 pn結(jié)，使得可以防止閂鎖。保護(hù)環(huán)區(qū)域32中的摻雜劑濃度 足夠高，使得隨后進(jìn)行的摻雜劑從摻雜材料層的向外擴(kuò)散不反轉(zhuǎn)保護(hù)環(huán)區(qū)域32中的摻雜類型的極性。保護(hù)環(huán)區(qū)域32中的摻雜濃度為約 1.0xl02°/cm3至約5.0xl021/cm3，且優(yōu)選地為約5.0xl02G/cm3至約 2.0xl020/cm3。根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例，如圖4所示，在所述至少一個(gè)深溝槽 31的壁上沉積摻雜材料層50。如果存在可選的墊層30,摻雜材料層 50也在可選的墊層30上沉積。摻雜材料層50內(nèi)的摻雜劑與遠(yuǎn)次集電 極12中的摻雜劑具有相同的導(dǎo)電類型。摻雜材料層50可以選自硼硅 玻璃(BSG)、磷硅玻璃(PSG)和砷硅玻璃(ASG)。備選地，摻 雜材料層可以選自摻雜的多晶硅、摻雜的非晶硅、包含合金的摻雜多 晶硅以及包含合金的摻雜非晶硅。參考圖5，進(jìn)行熱退火以驅(qū)動(dòng)摻雜劑從摻雜材料層50進(jìn)入到半 導(dǎo)體襯底24以形成穿通區(qū)域54。進(jìn)行驅(qū)入式退火的方法在現(xiàn)有技術(shù) 中已知。穿通區(qū)域54內(nèi)的摻雜劑與遠(yuǎn)次集電極12中的摻雜劑的導(dǎo)電 類型相同，而與保護(hù)環(huán)區(qū)域32中的摻雜劑的導(dǎo)電類型相反。穿通區(qū) 域54中的峰值摻雜濃度為約1.0xlO力cmS至約1.0xl021/cm3，且優(yōu)選 地，為約5.0xl0"/ci^至約5.0xl02°/cm3，其中摻雜濃度從所述至少一 個(gè)深溝槽31的中心沿徑向遞減。由于保護(hù)環(huán)區(qū)域32中的摻雜劑的足 夠高的摻雜水平，在驅(qū)入式退火之后保護(hù)環(huán)區(qū)域32維持相同類型的如果形成保護(hù)環(huán)區(qū)域32，根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的穿通區(qū)域 54可以具有漸縮柱體的形狀，且因此可以與圓環(huán)面拓樸同胚，即，穿 通區(qū)域可以通過(guò)連續(xù)的拉伸和彎曲而被變換成圓環(huán)面。如果不形成保 護(hù)環(huán)區(qū)域32，根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的穿通區(qū)域54可以具有杯子 的形狀，且因此，可以與球形拓樸同胚，即，穿通區(qū)域可以通過(guò)連續(xù) 的拉伸和彎曲而被變換成球形。盡管本發(fā)明的說(shuō)明提到了"穿通區(qū) 域，，54，但是本發(fā)明對(duì)于多個(gè)穿通區(qū)域54的實(shí)現(xiàn)是簡(jiǎn)單明了的且在此 被明確預(yù)期。多個(gè)穿通區(qū)域54在需要時(shí)可以彼此鄰接。參考圖6，在所述至少一個(gè)深溝槽31的壁上形成電介質(zhì)層62。 如果摻雜材料層50選自硼硅玻璃(BSG)、磷硅玻璃(PSG)和砷硅玻璃(ASG)，電介質(zhì)層62可以是驅(qū)入式退火之后摻雜材料層50 的剩余物。備選地，如果摻雜材料層50選自摻雜的多晶硅、摻雜的 非晶硅、包含合金的摻雜多晶硅以及包含合金的摻雜非晶硅，那么在 驅(qū)入式退火之后可以通過(guò)氧化或氮化摻雜材料層50來(lái)形成電介質(zhì)層 62。根據(jù)另一備選方法，可以例如在去除摻雜材料層50之后通過(guò)化 學(xué)汽相沉積(CVD)或交替層沉積(ALD)來(lái)沉積電介質(zhì)層62。電 介質(zhì)層62是不導(dǎo)電的絕緣體。參考圖7，填充材料64填充所述至少一個(gè)深溝槽31。填充材料 64可以是摻雜或不摻雜的，且可以包括多晶硅、非晶硅、包含合金的 多晶硅或包含合金的非晶硅。而且，填充材料64可以包括電介質(zhì)材 料，例如，氧化硅、氮化硅或氧氮化硅。填充材料64可以是導(dǎo)體或 絕緣體。優(yōu)選地，填充材料64具有共形階梯覆蓋，且在所述至少一 個(gè)深溝槽31的中心處形成最小尺寸接合。參考圖8，通過(guò)蝕刻(例如濕法蝕刻或活性離子反應(yīng)蝕刻(RIE)) 使填充材料64凹進(jìn)，或通過(guò)化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)使其平整化。如 果存在可選的墊層30，可以用可選的墊層30作為蝕刻停止層或CMP 停止層。此后，可以去除可選的墊層30。由于可選的墊層30中有限 的厚度，包括一部分電介質(zhì)層62和一部分填充材料64的柱子可以從 半導(dǎo)體襯底24的表面突出?？梢酝ㄟ^(guò)采用使電介質(zhì)層62和填充材料 64凹陷的活性離子蝕刻來(lái)減小和消除這種突出。參考圖9，通過(guò)常規(guī)方法，例如，通過(guò)光致抗蝕劑(未示出)的 涂敷和光刻構(gòu)圖、在半導(dǎo)體襯底24中蝕刻淺溝槽、使用絕緣體填充 淺溝槽并平整化所得的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的頂表面，形成淺溝槽隔離70。從 半導(dǎo)體襯底24的頂表面看，可以只由遮蔽掩模和與淺溝槽隔離70結(jié) 合的遮蔽掩模限定用于輔助穿通區(qū)域72的區(qū)域。輔助穿通區(qū)域72的 深度由離子注入的能量和注入核素限定，且可以高于、低于或與淺蝕 刻隔離70的底部一樣高。輔助穿通區(qū)域72部分地重疊原始穿通區(qū)域 54，或鄰接排除了輔助穿通區(qū)域72和原始穿通區(qū)域54之間的重疊區(qū) 域的減少的穿通區(qū)域54，(此后稱為"穿通區(qū)域54"，)。輔助穿通區(qū)域72中的摻雜劑與遠(yuǎn)次集電極12的摻雜劑的導(dǎo)電類型相同。此時(shí)可以通過(guò)對(duì)光致抗蝕劑(未示出)的適當(dāng)構(gòu)圖和離子注入形 成不同于輔助穿通區(qū)域72的摻雜區(qū)域74。例如，如果摻雜區(qū)域74在 被所述至少一個(gè)深溝槽31圍繞的外延生長(zhǎng)的半導(dǎo)體部分20中形成且 具有與遠(yuǎn)次集電極12的摻雜相反的摻雜類型，整體結(jié)構(gòu)形成了 PIN 二極管。參考圖10,優(yōu)選地在輔助穿通件72上形成金屬接觸件80。金屬 接觸件80還可以在諸如摻雜區(qū)域74之類的其它結(jié)構(gòu)上形成。金屬接 觸件可以包括金屬硅化物。此后，線中間(MOL， middle-of-line)電 介質(zhì)88被沉積和平整化，接著形成隨后被填充以接觸通路90的接觸 通路孔。金屬布線92與接觸通路90相連。根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例，如圖11所示，在所述至少一個(gè)深溝 槽31的壁上沉積電介質(zhì)層40。如果存在可選的墊層30，還在該可選 的墊層30上形成電介質(zhì)層40。電介質(zhì)層40優(yōu)選地阻擋摻雜劑的擴(kuò)散。 電介質(zhì)層40可以包括氧化硅層、氮化硅層、氧氮化硅層或其疊層。 優(yōu)選地，電介質(zhì)層40包括氮化珪層。參考圖12，光致抗蝕劑41被涂敷到半導(dǎo)體襯底24的頂表面且 被構(gòu)圖，使得所述至少一個(gè)深溝槽31中每一個(gè)的僅一部分被光致抗 蝕劑41遮蔽，而所述至少一個(gè)深溝槽31中每一個(gè)的剩余部分暴露。 通過(guò)濕法蝕刻或通過(guò)活性離子蝕刻(RIE)蝕刻所述至少一個(gè)深溝槽 31的暴露部分。優(yōu)選地，該濕法蝕刻或活性離子蝕刻相對(duì)于半導(dǎo)體襯 底24中的下面的半導(dǎo)體材料和可選的墊層30有選擇性。參考圖13，光致抗蝕劑41被去除。如圖13所示，摻雜材料層 52被沉積在所述至少一個(gè)深溝槽31中且填充所述至少一個(gè)深溝槽 31。摻雜材料層52是導(dǎo)體。如果存在可選的墊層30，在可選的墊層 30上也沉積摻雜材料層52。摻雜材料層52中的摻雜劑與遠(yuǎn)次集電極 12的摻雜劑的導(dǎo)電類型相同。摻雜材料層52可以選自摻雜的多晶硅、 摻雜的非晶硅、包含合金的摻雜多晶硅以及包含合金的摻雜非晶硅。 優(yōu)選地，摻雜材料層52具有共形階梯覆蓋，且在所述至少一個(gè)深溝槽31的中心處形成最小尺寸接合。參考圖14，通過(guò)蝕刻(例如濕法蝕刻或活性離子反應(yīng)蝕刻(RIE)) 使摻雜材料層52凹進(jìn)，或通過(guò)化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)使摻雜材料層 52平整化，以形成摻雜填充材料52，?？梢杂秒娊橘|(zhì)層40作為蝕刻停 止層或CMP停止層。如果存在可選的墊層30，則也可以用可選的墊 層30作為蝕刻停止層或CMP停止層。如圖14所示，可以采用活性 離子蝕刻以使摻雜填充材料52，的頂部凹陷到可選墊層30的頂表面之 下。進(jìn)行熱退火以將摻雜劑從摻雜材料層50驅(qū)入半導(dǎo)體層24，從而 形成穿通區(qū)域54。因?yàn)樗鲋辽僖粋€(gè)深溝槽31的一側(cè)具有不讓摻雜 劑擴(kuò)散通過(guò)的電介質(zhì)層40，僅所述至少一個(gè)深溝槽31的沒(méi)有電介質(zhì) 層40的一側(cè)允許摻雜劑的向外擴(kuò)散。因此，僅在所述至少一個(gè)深溝 槽31的一側(cè)形成穿通區(qū)域54。穿通區(qū)域54中的摻雜劑與遠(yuǎn)次集電極 12中的摻雜劑具有相同的導(dǎo)電類型，而與保護(hù)環(huán)區(qū)域32中的摻雜劑 具有相反的導(dǎo)電類型。穿通區(qū)域54內(nèi)的峰值摻雜濃度為約 1.0xl019/cm3至約1.0xl021/cm3，且優(yōu)選地，為約5.0xl019/cm3至約 5.0xl02Q/cm3,其中摻雜濃度從所述至少一個(gè)深溝槽31的中心開始沿 徑向遞減。由于保護(hù)環(huán)區(qū)域32中的摻雜劑的足夠高的摻雜水平，驅(qū) 入式退火之后，保護(hù)環(huán)區(qū)域32維持相同導(dǎo)電類型的摻雜。因此，根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例的穿通區(qū)域54僅在所述至少一 個(gè)深溝槽31的一側(cè)形成，且可以具有沿著柱體的長(zhǎng)度裂開的部分漸 縮的柱體形狀，且因此可以與球形拓樸同胚。盡管本發(fā)明提到"穿通 區(qū)域54"，本發(fā)明對(duì)于多個(gè)穿通區(qū)域54的實(shí)現(xiàn)是簡(jiǎn)單明了的且在此被 明確預(yù)期。多個(gè)穿通區(qū)域54在需要時(shí)可以彼此鄰接。參考圖15，可以通過(guò)活性離子蝕刻(RIE)或優(yōu)選地通過(guò)濕法蝕 刻來(lái)去除電介質(zhì)層40的半導(dǎo)體村底24的頂表面上方的部分和可選的 墊層30。參考圖16,通過(guò)常規(guī)方法，例如，通過(guò)光致抗蝕劑(未示出) 的涂敷和光刻構(gòu)圖、在半導(dǎo)體襯底24中蝕刻淺溝槽、使用絕緣體填充淺溝槽并平整化所得的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的頂表面，形成淺溝槽隔離70。 優(yōu)選地，淺溝槽隔離70不覆蓋所述至少一個(gè)深溝槽31的頂表面的部 分，使得隨后可以在其上形成金屬接觸件。此時(shí)可以通過(guò)光致抗蝕劑的適當(dāng)構(gòu)圖和離子注入形成不同于輔 助穿通區(qū)域72的摻雜區(qū)域74。例如，如果摻雜區(qū)域74在被所述至少 一個(gè)深溝槽31圍繞的外延生長(zhǎng)半導(dǎo)體部分20中形成且具有與遠(yuǎn)次集 電極12的摻雜相反的摻雜類型，則整體結(jié)構(gòu)形成了 PIN二極管。參考圖17，優(yōu)選地在摻雜填充材料52，上形成金屬接觸件80。金 屬接觸件80還可以在諸如摻雜區(qū)域74之類的其它結(jié)構(gòu)上形成。金屬 接觸件可以包括金屬硅化物。此后，線中間(MOL)電介質(zhì)88被沉 積和平整化，接著形成隨后被填充以接觸通路90的接觸通路孔。金 屬布線92與接觸通路90相連。根據(jù)本發(fā)明的兩個(gè)實(shí)施例，在形成了這樣的導(dǎo)電路徑，該導(dǎo)電路 徑從優(yōu)選地埋置在比常規(guī)離子注入的投影射程深的位置的遠(yuǎn)次集電 極12開始，穿過(guò)接觸該遠(yuǎn)次集電極的穿通區(qū)域(54或54，)和可選地 通過(guò)輔助穿通區(qū)域72，到達(dá)半導(dǎo)體襯底24表面上的金屬接觸件80。盡管已經(jīng)根據(jù)特定實(shí)施例描述了本發(fā)明，很明顯，考慮上述描述， 對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，各種替換、修改和變化是顯而易見(jiàn)的。因 此，本發(fā)明意在包括落在本發(fā)明和所附權(quán)利要求的范圍和精神內(nèi)的所 有這些替換、修改和改變。
權(quán)利要求
1.一種半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，包括遠(yuǎn)次集電極，位于半導(dǎo)體襯底中且被摻雜以一種導(dǎo)電類型的摻雜劑；至少一個(gè)深溝槽，位于所述半導(dǎo)體襯底中；穿通區(qū)域，位于所述至少一個(gè)深溝槽的壁上和壁外部，鄰接所述遠(yuǎn)次集電極，且被摻雜以所述一種導(dǎo)電類型的摻雜劑；以及至少一個(gè)輔助穿通區(qū)域，位于所述穿通區(qū)域上，接觸所述半導(dǎo)體襯底的頂表面，且被摻雜以所述一種導(dǎo)電類型的摻雜劑。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其中所述半導(dǎo)體襯底包括與 所述遠(yuǎn)次集電極鄰接的外延生長(zhǎng)的半導(dǎo)體部分。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步包括保護(hù)環(huán)區(qū)域，該 保護(hù)環(huán)區(qū)域直接位于所述至少一個(gè)深溝槽下方并被摻雜以另一種導(dǎo) 電類型的摻雜劑，其中所述另一種導(dǎo)電類型與所述一種導(dǎo)電類型相 反，且所述穿通區(qū)域與圓環(huán)面拓樸同胚。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步包括位于所述穿通區(qū) 域上方和內(nèi)部的電介質(zhì)層。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步包括 由所述電介質(zhì)層圍繞的填充材料；以及所述填充材料之上的淺溝槽隔離，其中所述電介質(zhì)層和所述填充 材料直接位于所述淺溝槽隔離下方。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步包括位于所述至少一 個(gè)輔助穿通區(qū)域上的金屬接觸件。
7. —種半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，包括遠(yuǎn)次集電極，位于半導(dǎo)體襯底中且被摻雜以一種導(dǎo)電類型的摻雜劑；至少一個(gè)深溝槽，位于所述半導(dǎo)體襯底中；穿通區(qū)域，位于所述至少一個(gè)深溝槽的壁上和壁外部，鄰接所述 遠(yuǎn)次集電極，且被摻雜以所述一種導(dǎo)電類型的摻雜劑；摻雜填充材料，位于所述至少一個(gè)深溝槽中，且被摻雜以所述一 種導(dǎo)電類型的摻雜劑；以及位于所述摻雜填充材料上的金屬接觸件。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其中所述半導(dǎo)體包括與所述 遠(yuǎn)次集電極鄰接的外延生長(zhǎng)的半導(dǎo)體部分。
9. 根據(jù)權(quán)利要求7的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步包括保護(hù)環(huán)區(qū)域，該 保護(hù)環(huán)區(qū)域直接位于所述至少一個(gè)深溝槽下方并被摻雜以另一種導(dǎo) 電類型的摻雜劑，其中所述另一種導(dǎo)電類型與所述一種導(dǎo)電類型相 反。
10. 根據(jù)權(quán)利要求7的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步包括位于所述至少一 個(gè)深溝槽的所述壁上和壁內(nèi)部的電介質(zhì)層，其中所述電介質(zhì)層和所述 穿通區(qū)域都與球形拓樸同胚。
11. 根據(jù)權(quán)利要求10的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步包括淺溝槽隔離， 其中所述電介質(zhì)層和所述穿通區(qū)域直接位于所述淺溝槽隔離下方。
12. —種制造半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的方法，包括在半導(dǎo)體襯底中形成遠(yuǎn)次集電極，其中所述遠(yuǎn)次集電極被摻雜以 一種導(dǎo)電類型的摻雜劑；在所述半導(dǎo)體村底中形成至少一個(gè)深溝槽，其中所述至少一個(gè)深 溝槽鄰接所述遠(yuǎn)次集電極；在所述至少一個(gè)深溝槽的壁上和壁外部形成穿通區(qū)域，其中所述 穿通區(qū)域被摻雜以所述一種導(dǎo)電類型的摻雜劑，且鄰接所述遠(yuǎn)次集電極；以及形成輔助穿通區(qū)域，其中所述輔助穿通區(qū)域被摻雜以所述一種導(dǎo) 電類型的摻雜劑，接觸所述半導(dǎo)體襯底的頂表面，并鄰接所述至少一 個(gè)深溝槽。
13. 根據(jù)權(quán)利要求12的方法，其中通過(guò)對(duì)初始半導(dǎo)體襯底的一 部分進(jìn)行離子注入，然后在所述初始半導(dǎo)體襯底上外延生長(zhǎng)半導(dǎo)體材 料，來(lái)形成所述半導(dǎo)體襯底中的所述遠(yuǎn)次集電極。
14. 根據(jù)權(quán)利要求12的方法，進(jìn)一步包括形成保護(hù)環(huán)區(qū)域，所 述保護(hù)環(huán)區(qū)域直接位于所述至少一個(gè)深溝槽下方并被摻雜以另一種 導(dǎo)電類型的摻雜劑，其中所述另一種導(dǎo)電類型與所述一種導(dǎo)電類型相 反，且所述穿通區(qū)域與圓環(huán)面拓樸同胚。
15. 根據(jù)權(quán)利要求12的方法，進(jìn)一步包括在所述穿通區(qū)域上方 和內(nèi)部形成電介質(zhì)層。
16. —種制造半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的方法，包括在半導(dǎo)體襯底中形成遠(yuǎn)次集電極，其中所述遠(yuǎn)集電極被摻雜以一種導(dǎo)電類型的摻雜劑；在所述半導(dǎo)體村底中形成至少一個(gè)深溝槽，其中所述至少一個(gè)深 溝槽鄰接所述遠(yuǎn)次集電極；在所述至少一個(gè)深溝槽的壁上和壁外部形成穿通區(qū)域，其中所述 穿通區(qū)域被摻雜以所述一種導(dǎo)電類型的摻雜劑，且鄰接所述遠(yuǎn)次集電極；在所述至少 一個(gè)深溝槽中形成摻雜填充材料，且摻雜以所述一種導(dǎo)電類型的摻雜劑；以及形成位于所迷摻雜填充材料上的金屬接觸件。
17. 根據(jù)權(quán)利要求16的方法，通過(guò)對(duì)初始半導(dǎo)體襯底的一部分 進(jìn)行離子注入，然后在所述初始半導(dǎo)體襯底上外延生長(zhǎng)半導(dǎo)體材料， 來(lái)形成所述半導(dǎo)體襯底中的所述遠(yuǎn)次集電極。
18. 根據(jù)權(quán)利要求16的方法，進(jìn)一步包括形成保護(hù)環(huán)區(qū)域，所 述保護(hù)環(huán)區(qū)域直接位于所述至少一個(gè)深溝槽下方且被摻雜以另一種 導(dǎo)電類型的摻雜劑，其中所述另一種導(dǎo)電類型與所述一種導(dǎo)電類型相 反。
19. 根據(jù)權(quán)利要求16的方法，進(jìn)一步包括形成位于所述至少一 個(gè)深溝槽的所述壁上和壁內(nèi)部的電介質(zhì)層，其中所述電介質(zhì)層和所述 穿通區(qū)域都與球形拓樸同胚。
20.根據(jù)權(quán)利要求19的方法，進(jìn)一步包括: 對(duì)所述電介質(zhì)層進(jìn)行光刻構(gòu)圖；以及 蝕刻所述電介質(zhì)層的暴露部分。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)及其制造方法。通過(guò)向初始半導(dǎo)體襯底的區(qū)域進(jìn)行摻雜劑的離子注入，然后外延生長(zhǎng)半導(dǎo)體材料，形成位于超出常規(guī)離子注入范圍的深度處的遠(yuǎn)次集電極或埋置摻雜半導(dǎo)體層。通過(guò)從沉積在與遠(yuǎn)次集電極鄰接的至少一個(gè)深溝槽中的摻雜材料層向外擴(kuò)散摻雜劑來(lái)形成到達(dá)該遠(yuǎn)次集電極的穿通區(qū)域?？梢試@所述至少一個(gè)深溝槽或僅在所述至少一個(gè)深溝槽的一側(cè)形成所述穿通區(qū)域。如果所述至少一個(gè)溝槽的內(nèi)部與所述穿通區(qū)域電連接，則可以在所述至少一個(gè)溝槽內(nèi)的摻雜填充材料上形成金屬接觸件。如果所述至少一個(gè)溝槽的內(nèi)部不與所述穿通區(qū)域電連接，則在接觸所述穿通區(qū)域的輔助穿通區(qū)域上形成金屬接觸件。
文檔編號(hào)H01L21/328GK101257039SQ20081008226
公開日2008年9月3日 申請(qǐng)日期2008年2月29日 優(yōu)先權(quán)日2007年3月1日
發(fā)明者布拉德利·A.·奧納, 戴維·C.·謝里丹, 斯蒂芬·H.·沃爾德曼, 羅伯特·M.·拉塞爾 申請(qǐng)人:國(guó)際商業(yè)機(jī)器公司