專利名稱：具有延伸溝槽的超結(jié)半導(dǎo)體器件的制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及兩種超結(jié)結(jié)構(gòu)的制造方法和超結(jié)半導(dǎo)體器件的制造方法。
背景技術(shù)：
功率MOSFET是多子導(dǎo)電型器件，具有輸入阻抗高、頻率高、導(dǎo)通電阻具有正溫度 系數(shù)等諸多優(yōu)點(diǎn)。這些優(yōu)點(diǎn)使其在功率電子領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，大大提高了電子系統(tǒng)的 效率。器件耐高壓需要漂移區(qū)較長且漂移區(qū)摻雜濃度低。然而， 隨著漂移區(qū)長度的增加和摻雜濃度的降低，導(dǎo)致器件的導(dǎo)通電阻( Λ,)增加，開態(tài)功耗增大，器件導(dǎo)通電阻t與擊穿電壓BV存在如下關(guān)系即:3Ι^5。隨著制造工藝的進(jìn)步，硅片上元胞密度做越來越大，常規(guī)的平面柵VDMOS的比導(dǎo) 通電阻下降受JFET (Junction field effect transistor)效應(yīng)的限制已經(jīng)達(dá)到極限。由 于UMOS (U-type trench MOS, U型溝槽M0S)具有無JFET效應(yīng)及高溝道密度的優(yōu)勢，隨著 工藝的進(jìn)步，其比導(dǎo)通電阻可以做的很小。但即使采用的UMOS結(jié)構(gòu)，當(dāng)在高壓大電流應(yīng)用 時(shí)，由于漂移區(qū)的電阻占器件總電阻的絕大部分，所以硅極限的問題仍然沒有解決。1988年飛利浦美國公司的D. J. Coe申請(qǐng)美國專利US4754310 (發(fā)明名 稱High voltage semiconductor device高壓半導(dǎo)體器件)第一次提出在橫向高壓 MOSFET(LDM0SFET)結(jié)構(gòu)中采用交替的P區(qū)和N區(qū)作為耐壓區(qū)，以代替?zhèn)鹘y(tǒng)功率器件中單一 導(dǎo)電類型(N型或P型)的低摻雜的漂移區(qū)作為耐壓層的方法。Sl 禾IjUS patent 521627, 1993, semiconductor power devices with alternation conductivity type high-voltage breakdown regions具有交替導(dǎo)電類型 高耐壓區(qū)的半導(dǎo)體功率器件，提出在縱向功率器件(尤其是縱向M0SFET)中采用交替的P 柱區(qū)和N柱區(qū)作為漂移層的思想，并稱其為“復(fù)合緩沖層”。1997 年 Tatsuhiko 等人(theory of semiconductor super junction devices, Japanese Journal of Applied Physics, 199半導(dǎo)體超結(jié)器件理論，日本應(yīng)用物理學(xué)報(bào)) 提出了“超結(jié)理論”。此后“超結(jié)”(superjunction，SJ)這一概念被眾多器件研究者所引用。將超結(jié)引入功率VDM0S，在提高耐壓的基礎(chǔ)上降低導(dǎo)通電阻；但為了獲得高性能 的超結(jié)VDM0S，其工藝實(shí)現(xiàn)的難度較大。首先，VDMOS器件耐壓越高，所需縱向P柱區(qū)和N 柱區(qū)越深，常規(guī)“超結(jié)”結(jié)構(gòu)是采用多次外延、多次注入工藝形成外延層200X(X代表外延或 者離子注入的序數(shù))和離子注入?yún)^(qū)域300X，如圖1 (a);然后經(jīng)過退火工藝形成第一導(dǎo)電類 型的半導(dǎo)體漂移區(qū)2’和第二導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體漂移區(qū)3’，見圖1 (b)所示。因而制作深P 柱區(qū)和N柱區(qū)時(shí)外延和注入的次數(shù)很多，工藝難度很大，成本高；而且，采用多次注入、多次 外延以及退火形成縱向的交替的P型和N型柱區(qū)，難以形成高濃度且窄條度的P型或N型柱區(qū)，因而限制了器件導(dǎo)通電阻的進(jìn)一步降低；其次，“超結(jié)”器件的電學(xué)性能對(duì)電荷非平衡很 敏感，工藝上須精確控制P柱區(qū)和N柱區(qū)的寬度和濃度，否則導(dǎo)致器件電學(xué)性能退化；再次， 器件的體二極管反向恢復(fù)變硬等，而且在大電流應(yīng)用時(shí)候會(huì)有可靠性下降以及由于橫向PN 結(jié)耗盡層擴(kuò)大造成的導(dǎo)通電阻下降等問題。在美國專利US7，230，310B2，(發(fā)明名稱superjunction voltage sustaining layer with alternating semiconductor and high-K dielectric regions具有交替 的半導(dǎo)體區(qū)和高K介質(zhì)區(qū)的超結(jié)耐壓層)中提出，利用高介電常數(shù)介質(zhì)來提高器件的性能 的思想。這種結(jié)構(gòu)可有避免常規(guī)的超結(jié)ρ柱和η柱相互擴(kuò)散的問題，而且在大電流時(shí)擴(kuò)大 器件的安全工作區(qū)，降低器件的導(dǎo)通電阻。但因?qū)＠械钠骷Y(jié)構(gòu)如果基于多次外延、多 次注入工藝工藝得到，P柱區(qū)和N柱區(qū)不能做很窄(比導(dǎo)通不能很小)；由于此專利中需要獨(dú) 立刻槽來形成高介電常數(shù)介質(zhì)填充槽，這勢必會(huì)增加工藝的復(fù)雜度。另一方面，美國專利 US7，230，310Β2，(method of manufacturing semiconductor device having composite buffer layer,具有復(fù)合緩沖層的半導(dǎo)體器件的制造方法2007)中采用刻槽并鍵合的方 式形成超結(jié)結(jié)構(gòu)，但工藝難度較大。文獻(xiàn)(Yoshiyuki Hattori, Takashi Suzuki, Masato Kodama, Eiko Hayashii, and Tsutomu Uesugi, Shallow angle implantation for extended trench gate power MOSFETs with super junction structure，在具有延伸槽柵的超結(jié)功率MOSFET中的小傾 角注入ISPSD，2001)提出了一種利用小傾角注入形成的槽柵超結(jié)VDMOS結(jié)構(gòu)，在一定程度 上降低了工藝成本。而且由于這種工藝的特點(diǎn)，P柱區(qū)或N柱區(qū)可以做得很窄，在要求低功 耗功率電子領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用前景。但是這種工藝中注入離子穿透槽側(cè)壁的氧化層，故 需要精確控制氧化層的厚度，工藝難度大，對(duì)工藝比較敏感，耐壓也做不高。中國專利CN 101267000A，(王彩琳，孫軍，氧化物填充的延伸溝槽柵超結(jié)MOSFET 及其制造方法)和學(xué)位論文(孫軍，SJ MOSFET特性分析與設(shè)計(jì)2008)中提出了具有延伸 溝槽的超結(jié)UM0S，器件結(jié)構(gòu)如圖2所示。該文獻(xiàn)中利用小傾角離子注入的方式形成超結(jié)結(jié) 構(gòu)中的N柱區(qū)。但是此結(jié)構(gòu)延伸溝槽中填充的是二氧化硅，雖然在很大程度上提高了器件 的動(dòng)態(tài)性能，但是器件的導(dǎo)通損耗并沒有很大的改善，而且此結(jié)構(gòu)的耐壓對(duì)漂移區(qū)的電荷 非平衡效應(yīng)還是很敏感。中國專利CN 101267000A，(王彩琳，孫軍，氧化物填充的延伸溝槽柵超結(jié)MOSFET 及其制造方法)和學(xué)位論文(孫軍，SJ MOSFET特性分析與設(shè)計(jì)2008)公開圖2所示半導(dǎo) 體器件按照以下關(guān)鍵步驟制造(1)在襯底上外延生長形成第一導(dǎo)電類型的漂移區(qū)、外延 或/和離子注入形成體區(qū)、離子注入形成體接觸區(qū)以及源區(qū)；(2)刻蝕第一導(dǎo)電類型的漂移 區(qū)直至襯底，形成第一溝槽；(3)利用小傾角離子注入將第一溝槽的兩內(nèi)側(cè)壁形成窄且雜 質(zhì)濃度較高的第二導(dǎo)電類型半導(dǎo)體區(qū)域，從而在槽兩側(cè)形成超結(jié)。經(jīng)以上工藝后形成如圖3 所示的剖面。(4)在第一溝槽內(nèi)填充并平坦化二氧化硅；(5)刻蝕二氧化硅形成第二溝槽， 在第二溝槽內(nèi)制作槽柵。然而，在形成有源區(qū)(含體區(qū)、體接觸區(qū)以及源區(qū))后再進(jìn)行小傾角 離子注入、氧化物填充延伸溝槽以及槽柵形成的工藝工藝步驟具有以下主要缺點(diǎn)(1)工 藝上難以準(zhǔn)確控制延伸溝槽內(nèi)二氧化硅的高度。一方面，槽柵在縱向必須跨越體區(qū)(即延伸 溝槽內(nèi)氧化物的上表面不能高于體區(qū)的下表面);另一方面，槽柵與漂移區(qū)交迭越長，柵-漏 電容越大，且器件耐壓隨延伸溝槽內(nèi)二氧化硅高度的減小而降低，故工藝上需準(zhǔn)確控制延伸溝槽內(nèi)二氧化硅的高度以確保器件電學(xué)性能；(2)器件耐壓越高，延伸溝槽越深，注入難 度越大，工藝容差越??；(3)為了確保小傾角注入的離子覆蓋槽兩側(cè)壁有源層以下所有的 區(qū)域，且不覆蓋槽兩側(cè)壁的有源層，用于離子注入的掩模比較難做，增加了工藝復(fù)雜度。(4) 延伸槽填充及平坦化、槽柵制作以及平坦化將影響已形成的體區(qū)、體接觸區(qū)以及源區(qū)。

發(fā)明內(nèi)容
為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提出了一種具有延伸溝槽的超結(jié)半導(dǎo)體器件的制造 方法，相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，一方面本發(fā)明，可以形成窄且高濃度的P柱區(qū)或N柱區(qū)，有利于降 低導(dǎo)通電阻；第二、易于控制HK填充的高度，平坦化比較容易，從而提高器件耐壓，并降低 柵-源和柵-漏電容；第三，不需要小角度注入形成超結(jié)的工藝所需要的復(fù)雜的掩模；第 四、避免拓展槽填充及平坦化、槽柵制作以及平坦化對(duì)已形成的體區(qū)、體接觸區(qū)以及源區(qū)產(chǎn) 生負(fù)面影響。本發(fā)明是通過采用下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的
一種具有延伸溝槽的超結(jié)半導(dǎo)體器件的制造方法，其特征在于包括如下步驟
a、在半導(dǎo)體襯底上外延形成第一導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體漂移層，在第一導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體 漂移層上選擇性離子注入，使第一導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體漂移層局部形成與第一導(dǎo)電類型相反 的第二導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體漂移層；采用相同的掩模板，多次重復(fù)上述外延和離子注入工藝， 之后進(jìn)行退火，使多次注入形成的第二導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體漂移層縱向連接在一起，從而形 成交替的第一導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體漂移區(qū)和第二導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體漂移區(qū)，所述第一導(dǎo)電類 型的半導(dǎo)體漂移區(qū)與相鄰的第二導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體漂移區(qū)形成超結(jié)結(jié)構(gòu)，構(gòu)成器件的漂移 區(qū)；超結(jié)在第一溝槽兩外側(cè)對(duì)稱分布；
b、在所述第二導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體漂移區(qū)上，從頂部局部刻蝕所述的第二導(dǎo)電類型的半 導(dǎo)體漂移區(qū)直至所述半導(dǎo)體襯底，形成第一溝槽；并且第一溝槽兩側(cè)留下窄且等寬度的第 二導(dǎo)電類型半導(dǎo)體層。C、在所述第一溝槽中填充絕緣介質(zhì)，使絕緣介質(zhì)上表面高于漂移區(qū)；
d、對(duì)所述絕緣介質(zhì)進(jìn)行平坦化，使絕緣介質(zhì)表面與兩側(cè)的半導(dǎo)體漂移區(qū)表面齊平，或 低于半導(dǎo)體漂移區(qū)表面；
e、在所述半導(dǎo)體漂移區(qū)上外延生長形成體區(qū)，半導(dǎo)體體區(qū)的橫向過生長使體區(qū)的邊緣 覆蓋所述第一溝槽的內(nèi)側(cè)；可選地，采用離子注入方式調(diào)節(jié)體區(qū)的濃度；
f、在所述第一溝槽上方的體區(qū)，沿體區(qū)的頂部向所述第一溝槽，直到完全露出絕緣介 質(zhì)，形成第二溝槽以定義槽柵的位置；第二溝槽的橫向?qū)挾葢?yīng)該大于或等于第一溝槽的橫 向?qū)挾龋?br> g、采用常規(guī)制作槽柵的技術(shù)，在所述第二溝槽的兩內(nèi)側(cè)壁以及介質(zhì)上面形成槽柵結(jié)
構(gòu)；
h、之后在體區(qū)表面進(jìn)行離子注入方式形成源區(qū)和體接觸區(qū)；最后進(jìn)行電極制備和鈍 化，形成完整的器件結(jié)構(gòu)。在形成第一導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體漂移區(qū)步驟之前，在所述半導(dǎo)體襯底上形成第二導(dǎo) 電類型的半導(dǎo)體耐壓層，其余步驟同a-i，從而形成半超結(jié)結(jié)構(gòu)和半超結(jié)半導(dǎo)體器件。所述步驟b中，刻蝕包括干法刻蝕和濕法刻蝕，干法刻蝕形成的第一溝槽呈U型，濕法刻蝕形成的第一溝槽呈梯形或V型。所述c步驟之前，在第一導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體漂移區(qū)的頂部設(shè)置有掩蔽層，作為d步 驟平坦化的終止層。第一溝槽內(nèi)的絕緣介質(zhì)是二氧化硅，或者是介電常數(shù)遠(yuǎn)大于半導(dǎo)體漂移區(qū)的絕緣 介質(zhì)，或者是介電系數(shù)低于二氧化硅的絕緣介質(zhì)，所述絕緣介質(zhì)的臨界擊穿電場大于30V/ μ m0在所述c步驟中，第一溝槽內(nèi)絕緣介質(zhì)的填充可以采用熱生長或淀積的方式，淀 積生長的介質(zhì)不及熱生長的介質(zhì)致密，進(jìn)行高溫增密；第一溝槽內(nèi)絕緣介質(zhì)較厚，則采用多 次淀積的方式填充。所述d步驟中，首先采用化學(xué)機(jī)械平坦化，直到第一導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體漂移區(qū)頂 部的掩蔽層；之后采用干法刻蝕延伸槽內(nèi)介質(zhì)，使介質(zhì)表面與兩側(cè)的半導(dǎo)體漂移區(qū)表面齊 平，或略低于半導(dǎo)體漂移區(qū)表面；
所述步驟g中，槽柵的形成方式為利用熱氧化方法，在有源區(qū)的側(cè)壁形成柵極氧化 層，然后利用化學(xué)氣相沉積法在絕緣介質(zhì)上填充多晶硅，由此形成槽柵。本方法制備的器件應(yīng)用在MOS控制器件上。第一導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體漂移區(qū)的導(dǎo)電類型為P型或N型，第二導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體 漂移區(qū)的導(dǎo)電類型為N型或P型。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明所達(dá)到的有益效果如下
1、采用本發(fā)明所述的a-h步驟，在形成有源區(qū)(含體區(qū)、體接觸區(qū)以及源區(qū))之前完成超 結(jié)和拓展槽結(jié)構(gòu)的制作。相對(duì)于常規(guī)多次外延多次注入的方式和小角度注入形成超結(jié)、以 及先形成有源區(qū)再制作拓展槽和槽柵的技術(shù)，本發(fā)明公開的制造方法有以下優(yōu)點(diǎn)第一，可 以形成窄且高濃度P柱區(qū)或N柱區(qū)，有利于降低導(dǎo)通電阻和開態(tài)功耗；第二，可以確保槽柵 底部與體區(qū)下界面平齊或略低于體區(qū)下界面，從而提高器件耐壓，并降低柵-源和柵-漏電 容；第三、不需要復(fù)雜的掩模，并且避免了小角度注入工藝對(duì)溝道區(qū)的影響；第四、避免了 延伸槽填充及平坦化、槽柵制作及平坦化對(duì)已形成的體區(qū)、體接觸區(qū)以及源區(qū)產(chǎn)生的不利 影響。利用此工藝方法制造的國內(nèi)功率器件由于其優(yōu)越的性能和較簡單的工藝，使得此器 件結(jié)構(gòu)在高壓低功耗的功率電子領(lǐng)域有很好的應(yīng)用前景。2、采用本發(fā)明的方法制造半超結(jié)的MOS控制縱向器件，只需在形成第一導(dǎo)電類 型的半導(dǎo)體漂移區(qū)之前，在所述半導(dǎo)體襯底上形成第二導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體耐壓層，從而降 低了刻槽深度以及其他工藝的難度，并耐壓程度較高(耐壓高于400V)。3、本方法制備的器件應(yīng)用在MOS控制器件上，第一溝槽內(nèi)的介質(zhì)是微電子工藝中 最常用、工藝最成熟的二氧化硅，與常規(guī)的超結(jié)VDMOS相比，可以增加器件的開關(guān)頻率，改 善動(dòng)態(tài)特性；或者是介電常數(shù)遠(yuǎn)大于半導(dǎo)體漂移區(qū)的介質(zhì)，這樣增加漂移區(qū)濃度，降低導(dǎo)通 電阻，并大大降低器件電學(xué)性能對(duì)超結(jié)結(jié)構(gòu)電荷非平衡效應(yīng)的敏感性；或者是介電系數(shù)低 于二氧化硅的介質(zhì)，可以增加器件的開關(guān)頻率，改善動(dòng)態(tài)特性。4、本方法制備的器件應(yīng)用在MOS控制縱向器件上，能有效緩解耐壓、導(dǎo)通電阻以 及開關(guān)損耗之間的矛盾關(guān)系。


圖1是常規(guī)超結(jié)器件的制造示意圖；其中圖1 (a)是多次外延第一導(dǎo)電類型的半 導(dǎo)體、多次局部離子注入第二導(dǎo)電類型的雜質(zhì)，圖1 (b)是經(jīng)過退火工藝形成連在一起的超 結(jié) VDMOS ；
圖2是具有延伸槽的超結(jié)VDMOS結(jié)構(gòu)示意圖； 圖3先形成有源區(qū)、再進(jìn)行小角度離子注入形成超結(jié)后剖面示意圖； 圖如是采用多次外延、多次離子注入并退火形成的超結(jié)剖面示意圖； 圖4b是刻蝕第二導(dǎo)電類型的注入漂移區(qū)形成第一溝槽的示意圖； 圖4c是在第一溝槽中填充絕緣介質(zhì)并平坦化示意圖； 圖4d是在漂移區(qū)上外延橫向過生長形成體區(qū)的剖面示意圖； 圖4e是刻蝕體區(qū)直到露出絕緣介質(zhì)以定義槽柵位置的剖面示意圖； 圖4f是槽柵形成后示意圖4g是注入源區(qū)、體接觸區(qū)及電極形成之后的具有延伸槽的超結(jié)VDMOS示意圖(基于 多次外延、多次離子注入形成超結(jié)結(jié)構(gòu))；
圖如是基于本發(fā)明制造方法制造的IGBT結(jié)構(gòu)示意圖； 圖恥和圖5c采用本發(fā)明制造方法制造IGBT的兩步關(guān)鍵工藝示意圖； 圖6a是基于本發(fā)明制造方法制造的P溝道超結(jié)VDMOS結(jié)構(gòu)示意圖； 圖6b和圖6c是基于本發(fā)明制造方法制造P溝道超結(jié)VDMOS的兩步關(guān)鍵示意圖； 圖7a是基于本發(fā)明制造方法制造的半超結(jié)VDMOS結(jié)構(gòu)示意圖； 圖7b和圖7c是基于本發(fā)明制造方法制造半超結(jié)VDMOS的兩步關(guān)鍵示意圖；圖中標(biāo)記 1、半導(dǎo)體襯底；2、第一導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體漂移區(qū)；3、第二導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體漂移區(qū)； 2’、多次外延、多次離子注入及退火形成的第一導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體漂移區(qū)；3’、多次外延、多 次離子注入及退火形成的第二導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體漂移區(qū)；4、絕緣介質(zhì)；4’、二氧化硅介質(zhì)； 5、體區(qū)；6、槽柵Si02層；7、體接觸區(qū)；8、金屬電極材料；9、源區(qū)；10、厚Si02層；11、多晶 硅；12、第二導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體耐壓層；13、注入掩蔽層。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1
作為本發(fā)明的一較佳實(shí)施方式，本發(fā)明公開了一種具有延伸溝槽的超結(jié)半導(dǎo)體器件的 制造方法，其包括如下步驟
a、在半導(dǎo)體襯底材料1(在該實(shí)施例中是η+型半導(dǎo)體襯底)上，多次外延生長P型的第 一導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體層和多次注入N型雜質(zhì)砷以形成N型的第二導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體層，退 火后形成第一導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體區(qū)2 ‘和第二導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體區(qū)3’，二者形成超結(jié)結(jié)構(gòu)， 如圖h所示；
b、在所述第二導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體上，從頂部局部刻蝕所述的第二導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體區(qū) 直至所述半導(dǎo)體襯底，形成第一溝槽；并且第一溝槽左右兩側(cè)留下窄且等寬度的第二導(dǎo)電 類型半導(dǎo)體層3。如圖4b所示。使用干法刻蝕濕法刻蝕。優(yōu)先采用干法刻蝕，可準(zhǔn)確控制 溝槽的形狀及深寬比。 C、在所述第一溝槽中填充絕緣介質(zhì)4，使絕緣介質(zhì)4上表面高于漂移區(qū)。在填充絕緣介質(zhì)4之前，在第一導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體漂移區(qū)的頂部形成掩蔽層，作為下一步驟平坦化 的終止層。d、絕緣介質(zhì)平坦化。首先采用化學(xué)機(jī)械平坦化，直到第一導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體漂移 區(qū)的頂部的掩蔽層；之后采用干法刻蝕拓展槽內(nèi)介質(zhì)，使絕緣介質(zhì)表面與兩側(cè)的半導(dǎo)體漂 移區(qū)表面齊平，或略低于半導(dǎo)體漂移區(qū)表面，如圖4c所示。至于絕緣介質(zhì)的具體材料，本發(fā) 明沒有限制。所述絕緣介質(zhì)的臨界擊穿電場優(yōu)選地大于30V/ μ m。e、在所述半導(dǎo)體漂移區(qū)上選擇性外延生長半導(dǎo)體以形成體區(qū)5，半導(dǎo)體體區(qū)的橫 向過生長使體區(qū)的邊緣覆蓋所述第一溝槽的內(nèi)側(cè)，如圖4d所示?？蛇x地，采用離子注入方 式調(diào)節(jié)體區(qū)的濃度；
f、在所述第一溝槽上方的體區(qū)，沿體區(qū)的頂部向所述第一溝槽中填充絕緣介質(zhì)刻蝕， 直到完全露出絕緣介質(zhì)，形成第二溝槽以定義槽柵的位置。第二溝槽的橫向?qū)挾葢?yīng)該大于 或等于第一溝槽內(nèi)絕緣介質(zhì)的橫向?qū)挾?，如圖4e所示；
g、利用熱氧化方法，在有源區(qū)的側(cè)壁形成柵極氧化層6，然后利用CVD(化學(xué)氣相沉積) 等技術(shù)在絕緣介質(zhì)上填充多晶硅11并平坦化多晶硅，，由此形成柵極結(jié)構(gòu)(槽柵結(jié)構(gòu))。槽 柵結(jié)構(gòu)的橫向尺寸應(yīng)該大于或絕緣介質(zhì)的橫向?qū)挾?。如圖4f所示；
h、在體區(qū)表面進(jìn)行離子注入形成源區(qū)和體接觸區(qū)；體區(qū)、體接觸區(qū)和源區(qū)共同形成有 源區(qū)；最后進(jìn)行半導(dǎo)體襯底1減薄、電極8制備以及在有源層上形成厚Si02層10的工藝， 形成完整的器件結(jié)構(gòu)，器件結(jié)構(gòu)如圖4g所示。第一導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體漂移區(qū)的導(dǎo)電類型為P型或N型，第二導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體 漂移區(qū)的導(dǎo)電類型為N型或P型。所述a步驟中，在本實(shí)施例中半導(dǎo)體襯底1為第二導(dǎo)電類型。在所述c步驟中，第一溝槽槽內(nèi)介質(zhì)的填充可以采用熱生長或淀積的方式，淀積生 長的介質(zhì)不及熱生長的介質(zhì)致密，可進(jìn)行高溫增密。第一溝槽內(nèi)絕緣介質(zhì)較厚，則采用多次淀 積的方式填充。第一溝槽槽內(nèi)的介質(zhì)是微電子工藝中最常用、工藝最成熟的二氧化硅；或者 是介電常數(shù)遠(yuǎn)大于半導(dǎo)體漂移區(qū)的介質(zhì)，這樣增加漂移區(qū)濃度，降低導(dǎo)通電阻，并大大降低器 件電學(xué)性能對(duì)超結(jié)結(jié)構(gòu)電荷非平衡效應(yīng)的敏感性；或者是介電系數(shù)低于二氧化硅的介質(zhì)，可 以增加器件的開關(guān)頻率，改善動(dòng)態(tài)特性。所述絕緣介質(zhì)的臨界擊穿電場大于30V/ μ m。實(shí)施例2
實(shí)施例1中所述本發(fā)明的半導(dǎo)體器件的制造工藝，優(yōu)選地應(yīng)用在MOS控制縱向器件，從 而緩解耐壓、導(dǎo)通電阻以及開關(guān)損耗之間的矛盾關(guān)系。應(yīng)用在圖如是基于本發(fā)明制造方法 制造的IGBT結(jié)構(gòu)示意圖。基于本發(fā)明制造方法，與實(shí)施例1不同的是其初始的半導(dǎo)體材 料襯底1為P+半導(dǎo)體襯底101，其導(dǎo)電類型與第一導(dǎo)電類型的漂移區(qū)相同。其兩步關(guān)鍵步 驟如恥和圖5c所示，后續(xù)步驟與實(shí)施例1完全相同。實(shí)施例3
實(shí)施例1中所述本發(fā)明的半導(dǎo)體器件的制造工藝，即可用于N溝道MOS控制縱向器件， 也可以應(yīng)用在P溝道MOS控制縱向器件。P溝道VDMOS如圖6a所示。應(yīng)用在制造P溝道 VDMOS時(shí)，其半導(dǎo)體襯底1、第一導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體層2、第二導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體漂移區(qū)3、有 源區(qū)5、體接觸區(qū)7、源區(qū)9等相應(yīng)的導(dǎo)電類型與N溝道MOS控制縱向器件相應(yīng)區(qū)域的導(dǎo)電 類型相反。其兩步關(guān)鍵步驟如圖6b和圖6c所示，后續(xù)步驟與實(shí)施例1完全相同。在實(shí)施例1中，制造N溝道VDM0S，在外延的P型半導(dǎo)體上局部注入N型雜質(zhì)形成第二導(dǎo)電類型的 半導(dǎo)體漂移區(qū)3 ；在本實(shí)施例中，制造P溝道VDM0S，在外延的N型半導(dǎo)體上局部注入P型雜 質(zhì)形成的第二導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體漂移區(qū)3。實(shí)施例4
實(shí)施例1中所述本發(fā)明的半導(dǎo)體器件的制造工藝，如果器件所需耐壓較高，可以做成 半超結(jié)結(jié)構(gòu)，如圖7a所示，即超結(jié)結(jié)構(gòu)以及拓展溝槽的底部與N+襯底1 (N溝道槽柵VDMOS 的情形)之間有一層η—半導(dǎo)體耐壓層12，以降低刻槽深度及小傾角注入等工藝難度，并借 助η_層承受部分耐壓，這更適合于耐壓較高(耐壓高于400V)。與實(shí)施例1工藝上相比較， 只要在外延第一導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體層之前外延一層低濃度的η-半導(dǎo)體耐壓層即可，其他 后續(xù)的關(guān)鍵步驟與實(shí)施例1相同，其關(guān)鍵步驟如圖7b和圖7c所示。所述本發(fā)明的半導(dǎo)體器件的制造工藝，優(yōu)選地應(yīng)用在MOS控制縱向器件，如VDMOS 和IGBT，從而緩解耐壓、導(dǎo)通電阻以及開關(guān)損耗之間的矛盾關(guān)系。本發(fā)明的半導(dǎo)體器件的制造工藝，也可以應(yīng)用在N溝道或者P溝道器件。
權(quán)利要求
1.一種具有延伸溝槽的超結(jié)半導(dǎo)體器件的制造方法，其特征在于包括如下步驟a、在半導(dǎo)體襯底上外延形成第一導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體漂移層，在第一導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體 漂移層上選擇性離子注入，使第一導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體漂移層局部形成與第一導(dǎo)電類型相反 的第二導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體漂移層；采用相同的掩模板，多次重復(fù)上述外延和離子注入工藝， 之后進(jìn)行退火，使多次注入形成的第二導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體漂移層縱向連接在一起，從而形 成交替的第一導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體漂移區(qū)和第二導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體漂移區(qū)，所述第一導(dǎo)電類 型的半導(dǎo)體漂移區(qū)與相鄰的第二導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體漂移區(qū)形成超結(jié)結(jié)構(gòu)，構(gòu)成器件的漂移 區(qū)；b、在所述第二導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體漂移區(qū)上，從頂部局部刻蝕所述的第二導(dǎo)電類型的半 導(dǎo)體漂移區(qū)直至所述半導(dǎo)體襯底，形成第一溝槽；并且第一溝槽兩側(cè)留下窄且等寬度的第 二導(dǎo)電類型半導(dǎo)體層；C、在所述第一溝槽中填充絕緣介質(zhì)，使絕緣介質(zhì)上表面高于漂移區(qū)；d、對(duì)所述絕緣介質(zhì)進(jìn)行平坦化，使絕緣介質(zhì)表面與兩側(cè)的半導(dǎo)體漂移區(qū)表面齊平，或 低于半導(dǎo)體漂移區(qū)表面；e、在所述半導(dǎo)體漂移區(qū)上外延生長形成體區(qū)，半導(dǎo)體體區(qū)的橫向過生長使體區(qū)的邊緣 覆蓋所述第一溝槽的內(nèi)側(cè)；f、在所述第一溝槽上方的體區(qū)，沿體區(qū)的頂部向所述第一溝槽，直到完全露出絕緣介 質(zhì)，形成第二溝槽以定義槽柵的位置，第二溝槽的橫向?qū)挾葢?yīng)該大于或等于第一溝槽的橫 向?qū)挾?；g、采用常規(guī)制作槽柵的技術(shù)，在所述第二溝槽的兩內(nèi)側(cè)壁以及介質(zhì)上面形成槽柵結(jié)構(gòu)；h、之后在體區(qū)表面進(jìn)行離子注入方式形成源區(qū)和體接觸區(qū)；最后進(jìn)行電極制備和鈍 化，形成完整的器件結(jié)構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有延伸溝槽的超結(jié)半導(dǎo)體器件的制造方法，其特征在于 在形成第一導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體漂移區(qū)步驟之前，在所述半導(dǎo)體襯底上形成第二導(dǎo)電類型的 半導(dǎo)體耐壓層，形成半超結(jié)結(jié)構(gòu)和半超結(jié)半導(dǎo)體器件。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的具有延伸溝槽的超結(jié)半導(dǎo)體器件的制造方法，其特征在 于所述e步驟中，在形成體區(qū)后，采用離子注入方法調(diào)節(jié)體區(qū)的濃度。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的具有延伸溝槽的超結(jié)半導(dǎo)體器件的制造方法，其特征在 于所述步驟b中，刻蝕包括干法刻蝕和濕法刻蝕，干法刻蝕形成的第一溝槽呈U型，濕法刻 蝕形成的第一溝槽呈梯形或V型。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有延伸溝槽的超結(jié)半導(dǎo)體器件的制造方法，其特征在于 所述c步驟之前，在第一導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體漂移區(qū)的頂部設(shè)置有掩蔽層，作為d步驟平坦化 的終止層。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的具有延伸溝槽的超結(jié)半導(dǎo)體器件的制造方法，其特征在于 所述d步驟中，首先采用化學(xué)機(jī)械平坦化，直到第一導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體漂移區(qū)的頂部的掩 蔽層；之后采用干法刻蝕拓展槽內(nèi)介質(zhì)，使絕緣介質(zhì)表面與兩側(cè)的半導(dǎo)體漂移區(qū)表面齊平， 或略低于半導(dǎo)體漂移區(qū)表面。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有延伸溝槽的超結(jié)半導(dǎo)體器件的制造方法，其特征在于第一溝槽內(nèi)的絕緣介質(zhì)是二氧化硅，或者是介電常數(shù)大于半導(dǎo)體漂移區(qū)的絕緣介質(zhì)，或者 是介電系數(shù)低于二氧化硅的絕緣介質(zhì)，所述絕緣介質(zhì)的臨界擊穿電場大于30V/y m。
8.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的具有延伸溝槽的超結(jié)半導(dǎo)體器件的制造方法，其特征在 于所述的槽柵的形成方式為利用熱氧化方法，在有源區(qū)的側(cè)壁形成柵極氧化層，然后利 用化學(xué)氣相沉積法在絕緣介質(zhì)上填充多晶硅，由此形成槽柵。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有延伸溝槽的超結(jié)半導(dǎo)體器件的制造方法，其特征在于 本方法制備的器件應(yīng)用在MOS控制縱向器件上。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有延伸溝槽的超結(jié)半導(dǎo)體器件的制造方法，其特征在于 第一導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體漂移區(qū)的導(dǎo)電類型為P型或N型，第二導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體漂移區(qū)的 導(dǎo)電類型為N型或P型。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種新型具有延伸溝槽的超結(jié)半導(dǎo)體器件的制造方法，通過多次外延多次注入、刻蝕延伸溝槽、填充絕緣介質(zhì)以及平坦化，之后形成有源層和電極等關(guān)鍵工藝步驟，實(shí)現(xiàn)了一種新型超結(jié)結(jié)構(gòu)和超結(jié)半導(dǎo)體器件的工藝制造。相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)第一，可以形成窄且高濃度P柱區(qū)或N柱區(qū)，有利于降低導(dǎo)通電阻；第二，可以確保槽柵底部與體區(qū)下界面平齊或略低于體區(qū)下界面，從而提高器件耐壓，并降低柵-源和柵-漏電容；第三、不需要復(fù)雜的掩模，避免了小角度注入工藝對(duì)溝道區(qū)的影響；第四、避免了延伸槽填充及平坦化、槽柵制作及平坦化對(duì)已形成的體區(qū)、體接觸區(qū)以及源區(qū)產(chǎn)生的不利影響。
文檔編號(hào)H01L21/336GK102142378SQ201110051878
公開日2011年8月3日 申請(qǐng)日期2011年3月4日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月4日
發(fā)明者姚國亮, 王元?jiǎng)? 羅小蓉, 葛瑞, 陳曦, 雷天飛 申請(qǐng)人:電子科技大學(xué)