專利名稱：具有反向快速恢復(fù)特性的超結(jié)結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體器件制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種超結(jié)結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體器件制造方法，尤其是一種具有反向快速恢復(fù)特性的超結(jié)結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體器件制造方法，屬于超結(jié)結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體的技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
一種公知的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)一超結(jié)結(jié)構(gòu)(Super Junction)被廣泛地應(yīng)用于半導(dǎo)體功率MOSFET器件當(dāng)中，其具有高耐壓和低導(dǎo)通電阻的特性。超結(jié)結(jié)構(gòu)形成于器件的漂移層內(nèi)。該漂移層包括N導(dǎo)電類型柱(N柱)和P導(dǎo)電類型柱(P柱)，N柱與P柱交替鄰接設(shè)置而成的多個(gè)P-N柱對(duì)形成超結(jié)結(jié)構(gòu)。N柱具有N導(dǎo)電類型雜質(zhì)，P柱具有P導(dǎo)電類型雜質(zhì)，而且，N柱的雜質(zhì)量與P柱的雜質(zhì)量保持一致。當(dāng)具有超結(jié)結(jié)構(gòu)的MOSFET器件截止時(shí)，超結(jié)結(jié)構(gòu)中的N柱和P柱分別被耗盡，耗盡層從每個(gè)N柱與P柱間的P-N結(jié)界面延伸，由于N柱內(nèi)的雜質(zhì)量和P柱內(nèi)的雜質(zhì)量相等，因此耗盡層延伸并且完全耗盡N柱與P柱，從而支持器件耐壓。然而，普通的超結(jié)器件的一個(gè)缺點(diǎn)就是它的寄生體二極管的反向恢復(fù)特性比較差，超結(jié)結(jié)構(gòu)的P-N柱狀結(jié)構(gòu)是用來(lái)獲得電荷平衡的，這給超結(jié)器件的寄生體二極管帶來(lái)兩個(gè)后果一是P-N結(jié)的面積對(duì)比傳統(tǒng)不帶超結(jié)結(jié)構(gòu)的功率M0SFET，如平面型雙擴(kuò)散 MOSFET (Planar DM0S)大了許多，導(dǎo)致超結(jié)器件當(dāng)應(yīng)用于需要反向續(xù)流二極管的一些拓?fù)潆娐返那闆r時(shí)，如半橋(例如HID半橋或LLC)和全橋(例如ZVS橋)，寄生體二極管在導(dǎo)通后， 較大載流子注入使得反向恢復(fù)電荷Qrr和反向恢復(fù)峰值電流Irrm升高；二是由于P-N結(jié)柱的快速耗盡使得器件的dv/dt增大，導(dǎo)致寄生的NPN晶體管開(kāi)通或是很快恢復(fù)過(guò)來(lái)。這些缺點(diǎn)，使得普通的超結(jié)器件在硬開(kāi)關(guān)應(yīng)用時(shí)由于較高的反向恢復(fù)峰值電流Irrm和dv/dt非常容易損壞。以HID半橋應(yīng)用為例，附圖1是一款典型的半橋電路，圖中Tl、T2和T3是一款普通的超結(jié)MOSFET器件，DU D2、D3、D4、D5、D6、D7、D8及D9為二極管，其中二極管D6、D7、 D8及D9構(gòu)成整流橋；Li、L2、L3及L4為電感，Cl、C2、C3、C4、C5及C6為電容，電容Cl兩端并聯(lián)有電源Vdd，M0SFET器件Tl的柵極端與控制器20相連，所述控制器21采用LG562， 21為負(fù)載，負(fù)載21的兩端分別與電容C3、C4及電感L3相連，22為變壓器。由于普通超結(jié) MOSFET器件T2和T3其反向恢復(fù)特性較差，因此，在T2、T3上面又分別外并了一款二極管 D4、D5，這樣雖然可以在一定程度上解決因?yàn)門2、T3容易因?yàn)檫^(guò)高Irrm和dv/dt而失效的問(wèn)題，但是，由于電路當(dāng)中增加了額外的器件，所以整個(gè)電路的功耗也會(huì)增加，T2、T3的功效也會(huì)降低，這種情況在現(xiàn)今不斷追求節(jié)能降耗的發(fā)展方向下，不是一種好的選擇。對(duì)于普通超結(jié)MOSFET器件，目前公知的半導(dǎo)體制造工藝流程包括(a)、在給定的第一導(dǎo)電類型半導(dǎo)體基板上形成超結(jié)結(jié)構(gòu)；所述形成超結(jié)結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體工藝流程包括多次外延的制造工藝或深溝槽外延填充的制造工藝；(b)、在上述具有超結(jié)結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體基板對(duì)應(yīng)于超結(jié)結(jié)構(gòu)的表面上，通過(guò)常規(guī)半導(dǎo)體工藝，得到半導(dǎo)體器件的MOS結(jié)構(gòu)，具體來(lái)講， 包括絕緣柵氧化層、導(dǎo)電多晶硅、第二導(dǎo)電類型阱區(qū)、第一導(dǎo)電類型源區(qū)、絕緣介質(zhì)層、柵極金屬和源極金屬；所述MOS結(jié)構(gòu)包括平面型MOS結(jié)構(gòu)(Planar M0S)或溝槽型MOS結(jié)構(gòu) (Trench MOS ) ； (c )、研磨減薄上述半導(dǎo)體基板的另一表面，所述表面與已形成MOS結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體基板表面上下對(duì)應(yīng)；(d)、在上述經(jīng)過(guò)研磨減薄的半導(dǎo)體基板表面上形成漏極金屬。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，提供一種具有反向快速恢復(fù)特性的超結(jié)結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體器件制造方法，其反向恢復(fù)電荷Qrr低，反向恢復(fù)時(shí)間Trr短，反向恢復(fù)峰值電流Irrm小，而且制造工藝簡(jiǎn)單，成本低廉，適于批量生產(chǎn)。按照本發(fā)明提供的技術(shù)方案，一種具有反向快速恢復(fù)特性的超結(jié)結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體器件制造方法，所述超結(jié)結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體器件的制造方法包括如下步驟
a、提供具有第一導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體基板，所述半導(dǎo)體基板具有對(duì)應(yīng)的第一主面與第二主面，半導(dǎo)體基板的第一主面與第二主面間包括第一導(dǎo)電類型外延層與第一導(dǎo)電類型襯底；
b、在所述半導(dǎo)體基板的第一導(dǎo)電類型外延層內(nèi)形成超結(jié)結(jié)構(gòu)，所述超結(jié)結(jié)構(gòu)包括第一導(dǎo)電類型的第一柱及第二導(dǎo)電類型的第二柱，所述第一導(dǎo)電類型的第一柱與第二導(dǎo)電類型的第二柱在第一導(dǎo)電類型外延層內(nèi)交替排布；
C、在上述具有超結(jié)結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體基板的第一主面上，通過(guò)常規(guī)半導(dǎo)體工藝，得到半導(dǎo)體器件對(duì)應(yīng)的元件區(qū)域和周邊區(qū)域，所述半導(dǎo)體器件的元件區(qū)域包括平面型MOS結(jié)構(gòu)或溝槽型MOS結(jié)構(gòu)；
d、將上述半導(dǎo)體基板第一主面上已形成MOS結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體基板進(jìn)行電子輻照，利用高能電子對(duì)上述半導(dǎo)體器件結(jié)構(gòu)進(jìn)行轟擊；
e、將上述經(jīng)過(guò)電子輻照的半導(dǎo)體器件進(jìn)行高溫退火；
f、將上述高溫退火后的半導(dǎo)體基板的第二主面進(jìn)行減??；
g、在上述經(jīng)過(guò)減薄后的半導(dǎo)體基板的第二主面上蒸鍍或淀積漏極金屬，形成所述半導(dǎo)體器件的漏極電極。所述步驟b中，在半導(dǎo)體基板的第一導(dǎo)電類型外延層內(nèi)形成超結(jié)結(jié)構(gòu)方法包括如下步驟
Si、在半導(dǎo)體基板的第一主面上涂覆光刻膠，并光刻出多個(gè)窗口 ； s2、通過(guò)離子注入向窗口內(nèi)第一導(dǎo)電類型外延層內(nèi)注入第二導(dǎo)電類型雜質(zhì)； S3、去除第一主面上的光刻膠，并在上述具有第二導(dǎo)電類型雜質(zhì)的第一主面上生長(zhǎng)第二層第一導(dǎo)電類型外延層；
s4、重復(fù)步驟sf s3，在上述第二層的第一導(dǎo)電類型外延層內(nèi)形成第二導(dǎo)電類型雜質(zhì)， 所述第二層內(nèi)第二導(dǎo)電類型雜質(zhì)的分布與步驟s2得到第二導(dǎo)電類型雜質(zhì)分布相對(duì)應(yīng)，且在第二層的第一導(dǎo)電類型外延層上生長(zhǎng)得到第三層第一導(dǎo)電類型外延層；
s5、重復(fù)步驟s4，直至形成所需的第η層第一導(dǎo)電類型外延層，所述第η層第一導(dǎo)電類型外延層內(nèi)具有相對(duì)應(yīng)分布的第二導(dǎo)電類型雜質(zhì)；
s6、高溫推結(jié)，以使上述每層第一導(dǎo)電類型外延層內(nèi)的第二導(dǎo)電類型外延層雜質(zhì)上下擴(kuò)散連通，形成第二導(dǎo)電類型第二柱，所述第二導(dǎo)電類型的第二柱與其左右兩側(cè)第一導(dǎo)電類型第一柱交替排布。
所述步驟b中，在半導(dǎo)體基板的第一導(dǎo)電類型外延層內(nèi)形成超結(jié)結(jié)構(gòu)方法包括如下步驟
sll、在半導(dǎo)體基板的第一主面上生長(zhǎng)溝槽刻蝕硬掩膜層；
sl2、選擇性地掩蔽和刻蝕上述硬掩膜層，在第一主面上形成刻蝕溝槽的硬掩膜窗口 ； sl3、利用上述硬掩膜層作為掩蔽層，通過(guò)刻蝕溝槽的硬掩膜窗口在半導(dǎo)體基板的第一導(dǎo)電類型外延層內(nèi)刻蝕出深溝槽；
sl4、利用外延工藝，在上述深溝槽內(nèi)及第一主面上形成第二導(dǎo)電類型外延層； S15、去除半導(dǎo)體基板第一主面上的第二導(dǎo)電類型外延層，在上述深溝槽內(nèi)的第二導(dǎo)電類型外延層與相應(yīng)兩側(cè)的第一導(dǎo)電類型外延層交替鄰接設(shè)置，在半導(dǎo)體基板第一導(dǎo)電類型外延層內(nèi)形成第一導(dǎo)電類型的第一柱與第二導(dǎo)電類型的第二柱交替排布的超結(jié)結(jié)構(gòu)。所述步驟d中，電子輻照的劑量為IKG廣500KGy ；輻照的高能電子束與半導(dǎo)體基板相垂直。所述步驟e中，半導(dǎo)體器件高溫退火的溫度為200°C、00°C，所述退火氣氛為氮?dú)饣虻獨(dú)馀c氫氣形成的保護(hù)氣體。在所述高溫退火之后的步驟(f)和步驟(g)流程中，不包括溫度等于或高于所述高溫退火工藝，且時(shí)間等于或大于所述高溫退火工藝的高溫?zé)徇^(guò)程。所述硬掩膜層為L(zhǎng)PTE0S、熱氧化二氧化硅加化學(xué)氣相沉積二氧化硅或熱二氧化硅加氮化硅。所述半導(dǎo)體基板的材料包括硅。所述步驟f中，通過(guò)研磨減薄對(duì)半導(dǎo)體基板的第二主面進(jìn)行減薄，研磨減薄掉的厚度小于半導(dǎo)體基板第一導(dǎo)電類型襯底的厚度。所述高溫退火方式包括爐管退火或烘箱退火。所述“第一導(dǎo)電類型”和“第二導(dǎo)電類型”兩者中，對(duì)于N型半導(dǎo)體器件，第一導(dǎo)電類型指N型，第二導(dǎo)電類型為P型；對(duì)于P型半導(dǎo)體器件，第一導(dǎo)電類型與第二導(dǎo)電類型所指的類型與N型半導(dǎo)體器件正好相反。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)
1、通過(guò)增加電子輻照和高溫退火工藝，增加了半導(dǎo)體基板材料中的固定陷阱密度，從而降低了少數(shù)載流子的壽命，當(dāng)所述具有超結(jié)結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體器件中的第二導(dǎo)電類型的第二柱與第一導(dǎo)電類型外延層所形成的寄生體二極管反向恢復(fù)時(shí)，由于從第二導(dǎo)電類型的第二柱向第一導(dǎo)電類型外延層內(nèi)注入的少數(shù)載流子壽命大大降低，因此，寄生體二極管的反向恢復(fù)電荷Qrr、反向恢復(fù)時(shí)間Trr和反向恢復(fù)峰值電流Irrm都會(huì)大大降低，大大提升了器件的反向恢復(fù)特性。2、通過(guò)增加電子輻照后的高溫退火工藝，可以大大消除所述半導(dǎo)體器件MOS結(jié)構(gòu)中絕緣柵氧化層內(nèi)的界面態(tài)陷阱，電子輻照后會(huì)影響器件的閾值電壓Vth，其中一個(gè)重要原因就是因?yàn)榻^緣柵氧化層中產(chǎn)生了大量的界面態(tài)陷阱，而高溫退火消除了大多數(shù)的界面態(tài)陷阱，使得器件的閾值電壓基本恢復(fù)到輻照前水平。3、電子輻照與高溫退火工藝，其工藝條件簡(jiǎn)單、易調(diào)節(jié)，例如電子輻照的能量與劑量，高溫退火的溫度與時(shí)間，因此，可以精準(zhǔn)的控制少數(shù)載流子的壽命，從而確保了器件的穩(wěn)定性與一致性。
4、電子輻照與高溫退火工藝是比較成熟的半導(dǎo)體加工工藝，其工藝成本低廉、易于批量生產(chǎn)，因此，大大提高了產(chǎn)品的性價(jià)比。


圖1為現(xiàn)有超結(jié)MOSFET器件典型的半橋電路應(yīng)用。圖纊圖9為本發(fā)明半導(dǎo)體器件的具體實(shí)施工藝步驟剖視圖，其中 圖2為本發(fā)明半導(dǎo)體基板的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為形成構(gòu)成刻蝕構(gòu)成硬掩膜窗口后的剖視圖。圖4為形成深溝槽后的剖視圖。圖5為形成第二導(dǎo)電類型外延層后的剖視圖。圖6為對(duì)第二導(dǎo)電類型外延層平坦化后的剖視圖。圖7為形成完整MOS結(jié)構(gòu)后的剖視圖。圖8為半導(dǎo)體器件進(jìn)行電子輻照后的結(jié)構(gòu)示意圖。圖9為形成漏極金屬后的剖視圖。圖10為本發(fā)明得到超結(jié)MOSFET器件與現(xiàn)有超結(jié)MOSFET器件的反向恢復(fù)曲線的對(duì)比示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合具體附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。如圖纊圖9所示以N型半導(dǎo)體器件為例，本發(fā)明包括源極金屬1、導(dǎo)電多晶硅2、 P柱3、N柱4、絕緣介質(zhì)層5、N型外延層6、漏極金屬7、N+襯底8、P型阱區(qū)9、N型源區(qū)10、 MOS結(jié)構(gòu)11、絕緣柵氧化層12、硬掩膜窗口 13、硬掩膜層14、深溝槽15、P型外延層16、高能電子直線加速器17、承載容器18及半導(dǎo)體器件19。為了得到具有反向快速恢復(fù)特性的超結(jié)結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體器件，所述具有反向快速恢復(fù)特性的超結(jié)結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體器件制造方法包括如下步驟
a、提供具有N型導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體基板，所述半導(dǎo)體基板具有對(duì)應(yīng)的第一主面與第二主面，半導(dǎo)體基板的第一主面與第二主面間包括N型外延層6與N+襯底8 ；
如圖2所示所述半導(dǎo)體基板的材料包括硅，在通過(guò)溝槽刻蝕及填充形成超結(jié)結(jié)構(gòu)的工藝中，N型外延層6用于提供超結(jié)結(jié)構(gòu)的N柱4，N+襯底8的摻雜濃度大于N型外延層6 的濃度，N型外延層6鄰接所述N+襯底8 ；所述第一主面與N型外延層6的表面相對(duì)應(yīng)，第二主面與N+襯底8的表面相對(duì)應(yīng)；
b、在所述半導(dǎo)體基板的N型外延層6內(nèi)形成超結(jié)結(jié)構(gòu)，所述超結(jié)結(jié)構(gòu)包括N型導(dǎo)電類型的N柱4及P型導(dǎo)電類型的P柱3，所述N型導(dǎo)電類型的N柱4與P型導(dǎo)電類型的P柱3 在N型外延層6內(nèi)交替排布；
具體地，在N型外延層6內(nèi)形成超結(jié)結(jié)構(gòu)可以有不同方法，本發(fā)明的實(shí)施例中列舉兩種常用的方法； 方法一
si、在半導(dǎo)體基板的第一主面上涂覆光刻膠，并光刻出多個(gè)窗口 ；
s2、通過(guò)離子注入向窗口內(nèi)N型外延層6內(nèi)注入P型雜質(zhì)，所述P型雜質(zhì)可以選擇注入B離子；
S3、去除第一主面上的光刻膠，并在上述具有P型雜質(zhì)的第一主面上生長(zhǎng)第二層N型外延層；
所述第二層N型外延層位于上述N型外延層6的正上方，且第二層N型外延層與半導(dǎo)體基板內(nèi)的N型外延層6相對(duì)應(yīng)；
s4、重復(fù)步驟sf s3，在上述第二層的N型外延層內(nèi)形成P型雜質(zhì)，所述第二層內(nèi)P型雜質(zhì)的分布與步驟s)得到第二導(dǎo)電類型雜質(zhì)分布相對(duì)應(yīng)，且在第二層的N型外延層上生長(zhǎng)得到第三層N型外延層；
s5、重復(fù)步驟s4，直至形成所需的第η層N型外延層，所述第η層N型外延層內(nèi)具有相對(duì)應(yīng)分布的P型雜質(zhì)；
s6、高溫推結(jié)，以使上述每層N外延層內(nèi)的P型雜質(zhì)上下擴(kuò)散連通，形成P柱3，所述P 柱與其左右兩側(cè)N柱4交替排布，從而形成超結(jié)結(jié)構(gòu)。方法二
sll、在半導(dǎo)體基板的第一主面上生長(zhǎng)溝槽刻蝕硬掩膜層14，所述硬掩膜層14位于N型外延層6上；
sl2、選擇性地掩蔽和刻蝕上述硬掩膜層14，在第一主面上形成刻蝕溝槽的硬掩膜窗口
13 ；
如圖3所示所述硬掩膜層14可以采用LPTE0S(低壓化學(xué)氣相沉積四乙基原硅酸鹽)、 熱氧化二氧化硅加化學(xué)氣相沉積二氧化硅或熱二氧化硅加氮化硅，其后通過(guò)光刻和各向異性刻蝕形成溝槽刻蝕的硬掩膜窗口 13 ；
sl3、利用上述硬掩膜層14作為掩蔽層，通過(guò)刻蝕溝槽的硬掩膜窗口 13在半導(dǎo)體基板的N型外延層6內(nèi)刻蝕出深溝槽15 ；
如圖4所示利用各項(xiàng)異性干法刻蝕，形成深溝槽15 ；所述深溝槽15由N型外延層6 表面向N型外延層6內(nèi)延長(zhǎng)，深溝槽15在N型外延層6內(nèi)延伸的深度不超過(guò)N型外延層6 的厚度；通過(guò)深溝槽15能夠在N型外延層6內(nèi)分隔出多個(gè)N柱4，所述N柱4的深度與深溝槽15的深度相一致；
sl4、利用外延工藝，在上述深溝槽15內(nèi)及第一主面上形成P型外延層16 ； 如圖5所示利用外延工藝形成P型外延層16前，可以先去除N型外延層6表面的硬掩膜層14，然后再利用外延工藝(如淀積)，在深溝槽15內(nèi)填充P型外延層15，所述P型外延層16同時(shí)覆蓋于N型外延層6的表面；當(dāng)深溝槽15內(nèi)填充P型外延層16后，在N型外延層6內(nèi)形成P柱3，從而在N型外延層6內(nèi)形成P柱3與N柱4交替分布的超結(jié)結(jié)構(gòu)；
sl5、去除半導(dǎo)體基板第一主面上的P型外延層16，在上述深溝槽15內(nèi)的P型外延層 16與相應(yīng)兩側(cè)的N型外延層交替鄰接設(shè)置，在半導(dǎo)體基板N型外延層6內(nèi)形成N柱4與P 柱3交替排布的超結(jié)結(jié)構(gòu)。如圖6所示通過(guò)對(duì)P型外延層16進(jìn)行拋光及平坦化工藝取出第一主面上的P型外延層，在一些實(shí)施例中，也可不去除部分該P(yáng)型外延層，即在器件表面保留適當(dāng)厚度的P 型外延層。C、在上述具有超結(jié)結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體基板的第一主面上，通過(guò)常規(guī)半導(dǎo)體工藝，得到半導(dǎo)體器件對(duì)應(yīng)的元件區(qū)域和周邊區(qū)域，所述半導(dǎo)體器件的元件區(qū)域包括平面型MOS結(jié)構(gòu)或溝槽型MOS結(jié)構(gòu)；
所述平面型MOS結(jié)構(gòu)的制造方法可以參考ZL01807673. 4中所公開(kāi)的制造方法；所述溝槽型MOS結(jié)構(gòu)的制造方法可以參考ZL200510110709. 8中所公開(kāi)的制造方法；如附圖7所示；
d、將上述半導(dǎo)體基板第一主面上已形成MOS結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體基板進(jìn)行電子輻照，利用高能電子對(duì)上述半導(dǎo)體器件結(jié)構(gòu)進(jìn)行轟擊；
如圖8所示將上述半導(dǎo)體器件19放置于承載容器18內(nèi)，高能電子直線加速器17位于承載容器18的上方，高能電子直線加速器17發(fā)出電子束垂直于半導(dǎo)體器件19的放置方向，且承載容器18的運(yùn)行方向也與高能電子直線加速器17發(fā)出電子束的方向垂直，高能電子直線加速器17對(duì)半導(dǎo)體器件19輻照的劑量為IKG廣500KGy ；高能電子直線加速器17可以采用市售常用的電子加速器；
e、將上述經(jīng)過(guò)電子輻照的半導(dǎo)體器件19進(jìn)行高溫退火；
所述高溫退火包括爐管退火或烘箱退火，高溫退火的溫度范圍為200°C、00°C，退火時(shí)的氣氛包括氮?dú)饣虻獨(dú)馀c氫氣構(gòu)成的保護(hù)氣體；
f、將上述高溫退火后的半導(dǎo)體基板的第二主面進(jìn)行減薄；
通過(guò)研磨減薄的方式對(duì)半導(dǎo)體基板的第二主面進(jìn)行減薄，研磨減薄掉的厚度小于N+ 襯底8的厚度，
g、在上述經(jīng)過(guò)減薄后的半導(dǎo)體基板的第二主面上蒸鍍或淀積漏極金屬，形成所述半導(dǎo)體器件的漏極電極7 ；
如圖9所示所述漏極電極7與N+襯底8歐姆接觸，淀積或蒸鍍的漏極金屬可以采用半導(dǎo)體常用的金屬，如鋁等，通過(guò)形成漏極電極7后，能夠形成完整的具有超結(jié)結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體器件。在所述高溫退火之后的工藝流程中，不包括溫度等于或高于所述高溫退火工藝，且時(shí)間等于或大于所述高溫退火工藝的高溫?zé)徇^(guò)程；即在高溫退火工藝后續(xù)的工藝操作溫度或高溫時(shí)間均不會(huì)超過(guò)高溫退火工藝。如圖9所示為形成具有超結(jié)結(jié)構(gòu)的平面型半導(dǎo)體器件。在所述具有超結(jié)結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體器件的截面上，包括元件區(qū)域和周邊區(qū)域，所述元件區(qū)域位于半導(dǎo)體基板的中心區(qū)域，周邊區(qū)域位于元件區(qū)域的外圍，并環(huán)繞所述元件區(qū)域。在所述具有超結(jié)結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體器件的截面上，所述N型外延層6內(nèi)包括多對(duì)具有N型導(dǎo)電類型的第一柱和具有P型導(dǎo)電類型的第二柱，即N柱4形成第一柱，P柱3形成第二柱。所述N柱4和P柱3在N型外延層 6內(nèi)交替設(shè)置，形成超結(jié)結(jié)構(gòu)；所述N柱4與P柱3沿著電流流通的方向在半導(dǎo)體基板的N 型外延層6內(nèi)延伸，即P柱3在N型外延層6內(nèi)向靠近N+襯底8的方向延伸；在垂直于電流流通的方向上，N柱4與P柱3交替連接設(shè)置形成超結(jié)結(jié)構(gòu)，所述超結(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)置于器件元件區(qū)域及周邊區(qū)域。在所述半導(dǎo)體器件橫截面上，所述N型外延層6內(nèi)設(shè)置有多對(duì)交替鄰接設(shè)置的PN 柱對(duì)，每對(duì)PN柱對(duì)均由一個(gè)N柱4和一個(gè)P柱3相連構(gòu)成。所述P柱3沿著電流流通的方向在N型外延層6內(nèi)向N+襯底8的方向延伸，延伸的距離小于N型外延層6的厚度；元件區(qū)域內(nèi)任意PN柱對(duì)的寬度及深度均相同。N型外延層6在沿著電流流通的方向上被多個(gè)P 柱3分隔為多個(gè)與對(duì)應(yīng)P柱3相鄰接的N柱4。在所述半導(dǎo)體器件的截面上，所述元件區(qū)域的元件具有MOS結(jié)構(gòu)11，所述MOS結(jié)構(gòu)11包括平面型MOSFET或溝槽型MOSFET結(jié)構(gòu)；元件區(qū)域內(nèi)電流在縱向流動(dòng)，即垂直于設(shè)置 MOSFET的方向；也即沿著N型外延層6與N+襯底8間的方向流動(dòng)。圖9中，給出了平面型 MOSFET的結(jié)構(gòu)。在所述半導(dǎo)體器件的截面上，在所述元件區(qū)域中超結(jié)結(jié)構(gòu)的上部形成相互獨(dú)立的 P型阱區(qū)9，所述相鄰的兩個(gè)P型阱區(qū)9由相應(yīng)的N柱4所隔離，P型阱區(qū)9與下方的P柱3 相連接；所述P型阱區(qū)9利用N柱相隔離，保證MOS結(jié)構(gòu)11中電流流通的通道。在P型阱區(qū)9的上部，設(shè)置相互獨(dú)立的N型源區(qū)10。部分的N型源區(qū)10、P型阱區(qū)9與N型源區(qū)10 的橫向結(jié)深差、隔離P型阱區(qū)的N柱4被絕緣氧化層12所覆蓋，絕緣氧化層12上面覆蓋有導(dǎo)電多晶硅2，元件區(qū)域上的絕緣氧化層12和導(dǎo)電多晶硅2被絕緣介質(zhì)層5所包覆。絕緣介質(zhì)層5上面和相鄰絕緣介質(zhì)層5間的區(qū)域覆蓋填充有源極金屬1，源極金屬1與曝露出來(lái)的N型源區(qū)10和P型阱區(qū)9電性連接成等電位。所述絕緣介質(zhì)層5還覆蓋周邊區(qū)域超結(jié)結(jié)構(gòu)的上表面，所述源極金屬1還延伸覆蓋于部分周邊區(qū)域絕緣介質(zhì)層5的上表面；位于元件區(qū)域與周邊區(qū)域結(jié)合部的絕緣介質(zhì)層5上覆蓋有導(dǎo)電多晶硅2。電子輻照是將半導(dǎo)體材料制成的成品或半成品置于輻照?qǐng)鲋?，用高能電子進(jìn)行轟擊，使半導(dǎo)體材料，如硅原子脫離正常晶格格點(diǎn)位置而形成氧空位、磷空位等，并相應(yīng)的在硅禁帶內(nèi)形成各種深能級(jí)復(fù)合中心，從而達(dá)到控制少子壽命的目的。對(duì)于具有超結(jié)結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體功率MOS器件，由于構(gòu)成超結(jié)結(jié)構(gòu)的P-N柱的結(jié)表面積要比普通功率MOS器件，如平面型功率MOS器件的寄生體二極管的P-N結(jié)表面積大許多，因此，具有超結(jié)結(jié)構(gòu)的功率 MOS器件的反向恢復(fù)電荷Qrr和反向恢復(fù)時(shí)間Trr要更多、更長(zhǎng)，從而導(dǎo)致反向恢復(fù)峰值電流Irrm也更大，更易導(dǎo)致器件在硬開(kāi)關(guān)應(yīng)用中的損壞。本發(fā)明中的制造工藝增加了電子輻照和高溫退火，大大降低了少數(shù)載流子的壽命，從而降低了反向恢復(fù)電荷、反向恢復(fù)時(shí)間和反向恢復(fù)峰值電流，如附圖10所示，圖中是兩款650V20A超結(jié)MOSFET器件的反向恢復(fù)波形，其中，橫坐標(biāo)表示時(shí)間，縱坐標(biāo)表示電流值；測(cè)試條件均是在di/dt=100A/us，Vdd=200V, If=19A下測(cè)試的，其中采用了電子輻照的一款產(chǎn)品，其反向恢復(fù)時(shí)間Trr只有150ns左右， 反向恢復(fù)峰值電流Irrm只有約13A ；而另一款未采用任何少子壽命控制技術(shù)的同規(guī)格的普通超結(jié)MOSFET器件，其反向恢復(fù)時(shí)間約為440ns，反向峰值電流高達(dá)33A，是有電子輻照器件的近3倍，這種普通的超結(jié)MOSFET器件，在硬開(kāi)關(guān)應(yīng)用當(dāng)中是非常容易損壞的。當(dāng)然，除了電子輻照和高溫退火工藝以外，已報(bào)道的少子壽命控制技術(shù)還包括摻入重金屬工藝，重金屬包括金、鉬、鈀等，雖然也能減少少數(shù)載流子的壽命，但其漏電較大， 且重金屬很難與現(xiàn)行普通的半導(dǎo)體芯片生產(chǎn)線相兼容，容易造成生產(chǎn)線的重金屬沾污，影響產(chǎn)線上的其它種類產(chǎn)品，所以此方法不易推廣量產(chǎn)。少子壽命控制技術(shù)還包括中子輻照技術(shù)，雖然中子輻照后能帶來(lái)較好的器件參數(shù)性能，但其微弱的放射性殘余足以讓人退避三舍。綜上所述，電子輻照結(jié)合高溫退火工藝具備了安全、簡(jiǎn)便、準(zhǔn)確、易控的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)帶來(lái)理想的器件參數(shù)性能。本發(fā)明通過(guò)增加電子輻照和高溫退火工藝，增加了半導(dǎo)體基板材料中的固定陷阱密度，從而降低了少數(shù)載流子的壽命，當(dāng)所述具有超結(jié)結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體器件中的P柱3與N型外延層6所形成的寄生體二極管反向恢復(fù)時(shí)，由于從P柱3向N型外延層6內(nèi)注入的少數(shù)載流子壽命大大降低，因此，寄生體二極管的反向恢復(fù)電荷Qrr、反向恢復(fù)時(shí)間Trr和反向恢復(fù)峰值電流Irrm都會(huì)大大降低，大大提升了器件的反向恢復(fù)特性。
通過(guò)增加電子輻照后的高溫退火工藝，可以大大消除所述半導(dǎo)體器件MOS結(jié)構(gòu)中絕緣柵氧化層12內(nèi)的界面態(tài)陷阱，電子輻照后會(huì)影響器件的閾值電壓Vth，其中一個(gè)重要原因就是因?yàn)榻^緣柵氧化層12中產(chǎn)生了大量的界面態(tài)陷阱，而高溫退火消除了大多數(shù)的界面態(tài)陷阱，使得器件的閾值電壓基本恢復(fù)到輻照前水平。電子輻照與高溫退火工藝，其工藝條件簡(jiǎn)單、易調(diào)節(jié)，例如電子輻照的能量與劑量，高溫退火的溫度與時(shí)間，因此，可以精準(zhǔn)的控制少數(shù)載流子的壽命，從而確保了器件的穩(wěn)定性與一致性。電子輻照與高溫退火工藝是比較成熟的半導(dǎo)體加工工藝，其工藝成本低廉、易于批量生產(chǎn)，因此，大大提高了產(chǎn)品的性價(jià)比。
權(quán)利要求
1.一種具有反向快速恢復(fù)特性的超結(jié)結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體器件制造方法，其特征是，所述超結(jié)結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體器件的制造方法包括如下步驟(a)、提供具有第一導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體基板，所述半導(dǎo)體基板具有對(duì)應(yīng)的第一主面與第二主面，半導(dǎo)體基板的第一主面與第二主面間包括第一導(dǎo)電類型外延層與第一導(dǎo)電類型襯底；(b)、在所述半導(dǎo)體基板的第一導(dǎo)電類型外延層內(nèi)形成超結(jié)結(jié)構(gòu)，所述超結(jié)結(jié)構(gòu)包括第一導(dǎo)電類型的第一柱及第二導(dǎo)電類型的第二柱，所述第一導(dǎo)電類型的第一柱與第二導(dǎo)電類型的第二柱在第一導(dǎo)電類型外延層內(nèi)交替排布；(C)、在上述具有超結(jié)結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體基板的第一主面上，通過(guò)常規(guī)半導(dǎo)體工藝，得到半導(dǎo)體器件對(duì)應(yīng)的元件區(qū)域和周邊區(qū)域，所述半導(dǎo)體器件的元件區(qū)域包括平面型MOS結(jié)構(gòu)或溝槽型MOS結(jié)構(gòu)；(d)、將上述半導(dǎo)體基板第一主面上已形成MOS結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體基板進(jìn)行電子輻照，利用高能電子對(duì)上述半導(dǎo)體器件結(jié)構(gòu)進(jìn)行轟擊；(e)、將上述經(jīng)過(guò)電子輻照的半導(dǎo)體器件進(jìn)行高溫退火；(f)、將上述高溫退火后的半導(dǎo)體基板的第二主面進(jìn)行減薄；(g)、在上述經(jīng)過(guò)減薄后的半導(dǎo)體基板的第二主面上蒸鍍或淀積漏極金屬，形成所述半導(dǎo)體器件的漏極電極。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有反向快速恢復(fù)特性的超結(jié)結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體器件制造方法，其特征是，所述步驟(b)中，在半導(dǎo)體基板的第一導(dǎo)電類型外延層內(nèi)形成超結(jié)結(jié)構(gòu)方法包括如下步驟(Si)、在半導(dǎo)體基板的第一主面上涂覆光刻膠，并光刻出多個(gè)窗口 ； (s2)、通過(guò)離子注入向窗口內(nèi)第一導(dǎo)電類型外延層內(nèi)注入第二導(dǎo)電類型雜質(zhì)； (S3)、去除第一主面上的光刻膠，并在上述具有第二導(dǎo)電類型雜質(zhì)的第一主面上生長(zhǎng)第二層第一導(dǎo)電類型外延層；(s4)、重復(fù)步驟(si) (s3)，在上述第二層的第一導(dǎo)電類型外延層內(nèi)形成第二導(dǎo)電類型雜質(zhì)，所述第二層內(nèi)第二導(dǎo)電類型雜質(zhì)的分布與步驟(s2)得到第二導(dǎo)電類型雜質(zhì)分布相對(duì)應(yīng)，且在第二層的第一導(dǎo)電類型外延層上生長(zhǎng)得到第三層第一導(dǎo)電類型外延層；(s5)、重復(fù)步驟(s4)，直至形成所需的第η層第一導(dǎo)電類型外延層，所述第η層第一導(dǎo)電類型外延層內(nèi)具有相對(duì)應(yīng)分布的第二導(dǎo)電類型雜質(zhì)；(s6)、高溫推結(jié)，以使上述每層第一導(dǎo)電類型外延層內(nèi)的第二導(dǎo)電類型外延層雜質(zhì)上下擴(kuò)散連通，形成第二導(dǎo)電類型第二柱，所述第二導(dǎo)電類型的第二柱與其左右兩側(cè)第一導(dǎo)電類型第一柱交替排布。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有反向快速恢復(fù)特性的超結(jié)結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體器件制造方法，其特征是，所述步驟(b)中，在半導(dǎo)體基板的第一導(dǎo)電類型外延層內(nèi)形成超結(jié)結(jié)構(gòu)方法包括如下步驟(sll)、在半導(dǎo)體基板的第一主面上生長(zhǎng)溝槽刻蝕硬掩膜層；(sl2)、選擇性地掩蔽和刻蝕上述硬掩膜層，在第一主面上形成刻蝕溝槽的硬掩膜窗Π ；(sl3)、利用上述硬掩膜層作為掩蔽層，通過(guò)刻蝕溝槽的硬掩膜窗口在半導(dǎo)體基板的第一導(dǎo)電類型外延層內(nèi)刻蝕出深溝槽；(sl4)、利用外延工藝，在上述深溝槽內(nèi)及第一主面上形成第二導(dǎo)電類型外延層；(S15)、去除半導(dǎo)體基板第一主面上的第二導(dǎo)電類型外延層，在上述深溝槽內(nèi)的第二導(dǎo)電類型外延層與相應(yīng)兩側(cè)的第一導(dǎo)電類型外延層交替鄰接設(shè)置，在半導(dǎo)體基板第一導(dǎo)電類型外延層內(nèi)形成第一導(dǎo)電類型的第一柱與第二導(dǎo)電類型的第二柱交替排布的超結(jié)結(jié)構(gòu)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有反向快速恢復(fù)特性的超結(jié)結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體器件制造方法，其特征是所述步驟(d)中，電子輻照的劑量為IKG廣500KGy ；輻照的高能電子束與半導(dǎo)體基板相垂直。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有反向快速恢復(fù)特性的超結(jié)結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體器件制造方法，其特征是所述步驟(e)中，半導(dǎo)體器件高溫退火的溫度為200°C、00°C，所述退火氣氛為氮?dú)饣虻獨(dú)馀c氫氣形成的保護(hù)氣體。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有反向快速恢復(fù)特性的超結(jié)結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體器件制造方法，其特征是在所述高溫退火之后的步驟(f)和步驟(g)流程中，不包括溫度等于或高于所述高溫退火工藝，且時(shí)間等于或大于所述高溫退火工藝的高溫?zé)徇^(guò)程。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的具有反向快速恢復(fù)特性的超結(jié)結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體器件制造方法，其特征是所述硬掩膜層為L(zhǎng)PTE0S、熱氧化二氧化硅加化學(xué)氣相沉積二氧化硅或熱二氧化硅加氮化硅。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有反向快速恢復(fù)特性的超結(jié)結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體器件制造方法，其特征是所述半導(dǎo)體基板的材料包括硅。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有反向快速恢復(fù)特性的超結(jié)結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體器件制造方法，其特征是所述步驟(f)中，通過(guò)研磨減薄對(duì)半導(dǎo)體基板的第二主面進(jìn)行減薄，研磨減薄掉的厚度小于半導(dǎo)體基板第一導(dǎo)電類型襯底的厚度。
10.根據(jù)權(quán)利要求1或5所述的具有反向快速恢復(fù)特性的超結(jié)結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體器件制造方法，其特征是所述高溫退火方式包括爐管退火或烘箱退火。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種具有反向快速恢復(fù)特性的超結(jié)結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體器件制造方法，其包括如下步驟a、提供具有第一導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體基板；b、在半導(dǎo)體基板內(nèi)形成超結(jié)結(jié)構(gòu)；c、在具有超結(jié)結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體基板的第一主面上，通過(guò)常規(guī)半導(dǎo)體工藝，得到半導(dǎo)體器件對(duì)應(yīng)的元件區(qū)域和周邊區(qū)域；d、將上述半導(dǎo)體基板進(jìn)行電子輻照，利用高能電子對(duì)上述半導(dǎo)體器件結(jié)構(gòu)進(jìn)行轟擊；e、將上述經(jīng)過(guò)電子輻照的半導(dǎo)體器件進(jìn)行高溫退火；f、將高溫退火后的半導(dǎo)體基板的第二主面進(jìn)行減??；g、在上述經(jīng)過(guò)減薄后的半導(dǎo)體基板的第二主面上蒸鍍或淀積漏極金屬。本發(fā)明反向恢復(fù)電荷Qrr低，反向恢復(fù)時(shí)間Trr短，反向恢復(fù)峰值電流Irrm小，而且制造工藝簡(jiǎn)單，成本低廉，適于批量生產(chǎn)。
文檔編號(hào)H01L21/263GK102254828SQ201110200359
公開(kāi)日2011年11月23日 申請(qǐng)日期2011年7月18日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月18日
發(fā)明者葉鵬, 朱袁正, 李宗青 申請(qǐng)人:無(wú)錫新潔能功率半導(dǎo)體有限公司