專利名稱：一種功率器件終端環(huán)的制造方法及其結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于功率半導(dǎo)體器件制造領(lǐng)域，尤其涉及一種功率器件終端環(huán)的制造方法及其結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
隨著集成電路的發(fā)展，作為第三代電力電子產(chǎn)品的現(xiàn)代高壓功率半導(dǎo)體器件絕緣柵雙極晶體管Qnsulated gate bipolar transistor, IGBT)由于結(jié)合了絕緣柵MOS晶體管與雙極型晶體管的高電流密度特性、且導(dǎo)通電阻的大幅度降低為IGBT合理有效地提升耐壓帶來了可操作空間。耐壓是IGBT的一個重要參數(shù)，而要確保IGBT能獲得較高耐壓的一個重要前提條件就是所述IGBT器件必須具備一種優(yōu)良的終端保護結(jié)構(gòu)，所以其高壓終端保護結(jié)構(gòu)的研究一直受到人們的重視?，F(xiàn)有的終端保護結(jié)構(gòu)的形成，設(shè)計上有多種方法， 一般包括傳統(tǒng)的場限環(huán)(FLI )技術(shù)、場限環(huán)加場板(FP)技術(shù)、場板技術(shù)、結(jié)終端擴展技術(shù)、 場板和場環(huán)組合技術(shù)等。無論那種設(shè)計方法，為了提高其耐壓能力，均需要根據(jù)器件整體設(shè)計要求，對器件的終端保護結(jié)構(gòu)進行設(shè)計，達到所要求的耐壓標準，確定終端保護結(jié)構(gòu)的一些基本參數(shù)，例如，環(huán)間距、環(huán)寬度、場氧厚度、襯底濃度等，而且都需要在場氧化層上開出按設(shè)計要求的環(huán)窗口個數(shù)和環(huán)大小，再進行離子注入和退火工藝，從而在硅襯底中形成終端環(huán)，并且，形成的終端環(huán)的形狀對器件耐壓也有著很大的影響。傳統(tǒng)的場氧化層開窗口工藝，參見圖1A，在場氧化層104上用光刻膠105做掩膜， 所述光刻膠105內(nèi)形成有終端環(huán)光刻窗口，然后如圖IB所示，在無光刻膠105遮蓋的區(qū)域只用氫氟酸(HF)濕法蝕刻方法來蝕刻場氧化層104。在IGBT終端環(huán)形成的制造工藝過程中，由于氫氟酸濕法蝕刻工藝是各向同性腐蝕，垂直方向和橫向同時進行蝕刻，造成實際蝕刻后的終端環(huán)窗口尺寸(CD)變大，并且濕法蝕刻速率容易隨環(huán)境和蝕刻液濃度的波動而發(fā)生波動，蝕刻工藝本身不容易控制，導(dǎo)致被蝕刻的終端環(huán)窗口尺寸波動在10%以上，蝕刻后的場氧化層104的側(cè)壁107和硅襯底103表面的夾角θ在40° 50°之間，場氧化層 104內(nèi)的終端環(huán)窗口的形貌也會有較大的波動，參見圖1Β。這兩個因素疊加后，在后續(xù)工藝中進行硼離子注入時，如果注入能量比較高，則由于硼離子射穿場氧化層104的厚度比較厚，使硼離子從終端環(huán)窗口邊緣的場氧化層104進入硅襯底表面，從而使實際終端環(huán)窗口尺寸超過設(shè)計要求，降低終端環(huán)的效率，導(dǎo)致器件擊穿電壓降低或可靠性降低。傳統(tǒng)的場氧化層開窗口工藝，參見圖2Α，也可以在場氧化層204上用光刻膠205 做掩膜，然后如圖2Β所示，在無光刻膠區(qū)域只用干法蝕刻(此處所述干法蝕刻可以為干法反應(yīng)離子蝕刻或等離子蝕刻)來蝕刻場氧化層204，形成終端環(huán)窗口。在IGBT終端環(huán)形成的制造工藝過程中，干法蝕刻容易存在不穩(wěn)定性而導(dǎo)致器件耐壓失效或高溫負偏壓(High temperature reverse bias test，HTRB)可靠性失效；如果用干法蝕刻來進行蝕刻，雖然各向異性的終端環(huán)窗口的側(cè)壁207形狀可以很好地符合設(shè)計要求，如圖2B所示，但由于用反應(yīng)離子蝕刻場氧化層204時，容易對硅襯底203進行少量的蝕刻，在蝕刻去除一定的硅襯底過程中，硅襯底會暴露在等離子體中，受到蝕刻劑產(chǎn)生的化學反應(yīng)和加速離子形成的物理離子轟擊，在轟擊硅襯底的過程中，蝕刻離子(例如C(碳)離子或者F(氟)離子或者C離子與F離子組合)得到加速，得到足夠的能量，就能夠穿越硅襯底勢壘壁障，與硅襯底表面的硅結(jié)合形成硅-碳(Si-C)鍵或者硅-氟(Si-F)鍵或者Si-C鍵與Si-F鍵同時存在，形成一層損傷層，所述損傷層陷阱俘獲載流子，使硅襯底表面實際參加導(dǎo)電的載流子數(shù)減少， 最終導(dǎo)致退火工藝后形成的終端環(huán)表面濃度不能滿足設(shè)計的要求，使器件耐壓下降或可靠性降低。為了解決上述問題，需要利用具有終端環(huán)的終端保護結(jié)構(gòu)形成具有導(dǎo)通電阻小、 耐壓承受能力大的功率器件，促使高壓功率半導(dǎo)體器件的廣泛應(yīng)用。另一方面，在實際的實施過程中仍然存在問題，亟待引進能有效改善上述缺陷的新方法，以解決現(xiàn)有的形成具有終端環(huán)的終端保護結(jié)構(gòu)中上述基本參數(shù)容易因為制造工藝的波動而帶來的器件參數(shù)的波動最主要的問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種功率器件終端環(huán)的制造方法，以降低傳統(tǒng)制造工藝中在場氧化層中只用濕法蝕刻或干法蝕刻所形成的終端環(huán)的不穩(wěn)定性，提高產(chǎn)品的可靠性，具有很強的工藝魯棒性，適合大批量生產(chǎn)。為解決上述問題，本發(fā)明提出的一種功率器件終端環(huán)的制造方法，包括如下步驟提供半導(dǎo)體襯底，在所述半導(dǎo)體襯底上形成功率器件的硅襯底，在所述功率器件的硅襯底上生長場氧化層；在所述場氧化層上沉積掩膜層，通過光刻工藝在掩膜層中形成終端環(huán)光刻窗口 ；在終端環(huán)光刻窗口內(nèi)干法蝕刻部分厚度的場氧化層，在所述場氧化層中形成第一終端環(huán)窗口；在所述第一終端環(huán)窗口內(nèi)濕法蝕刻場氧化層，蝕刻停止在所述功率器件的硅襯底表面上，形成第二終端環(huán)窗口 ；去除掩膜層后，對所述第二終端環(huán)窗口內(nèi)暴露出的功率器件的硅襯底表面進行熱氧化，形成氧化層；在所述第二終端環(huán)窗口內(nèi)進行硼離子注入后再進行退火工藝，在所述功率器件的硅襯底中形成終端環(huán)。由上述技術(shù)方案可見，一方面與傳統(tǒng)通用的只用氫氟酸濕法蝕刻方法形成終端環(huán)窗口相比，傳統(tǒng)的蝕刻場氧化層形成終端環(huán)窗口，由于窗口尺寸和形貌容易受到濕法蝕刻工藝本身的影響，從而使實際終端環(huán)變化量超過設(shè)計要求，導(dǎo)致器件擊穿電壓降低或可靠性降低，而本發(fā)明在場氧化層上先采取干法反應(yīng)離子蝕刻或等離子蝕刻方法，由于干法反應(yīng)離子蝕刻或等離子蝕刻方法是各向異性蝕刻，因此先垂直蝕刻部分厚度的場氧化層，形成第一終端環(huán)窗口，接著，在第一終端環(huán)窗口內(nèi)濕法蝕刻剩余部分的場氧化層，減少了濕法蝕刻場氧化層的厚度，從而減少了對場氧化層的橫向腐蝕量，最終減少了終端環(huán)窗口尺寸和形貌的波動，降低了因制造工藝的波動而帶來的器件參數(shù)的波動，增加了工藝的魯棒性； 另一方面與傳統(tǒng)通用的只用干法反應(yīng)離子蝕刻或等離子蝕刻方法來蝕刻場氧化層，形成終端環(huán)窗口相比，雖很少有窗口尺寸和形貌的波動，但存在功率器件外延型硅襯底表面等離子損傷的風險，容易使器件耐壓或HTRB可靠性降低，而本發(fā)明由于在接近功率器件外延型硅襯底表面采用了濕法蝕刻方法，避免了干法反應(yīng)離子蝕刻或等離子蝕刻工藝容易帶來的損傷現(xiàn)象，提高了器件的可靠性；同時，本發(fā)明也適用于其他用厚場氧制作的終端環(huán)窗口， 并用高能量注入硼離子形成P+擴散結(jié)結(jié)構(gòu)終端環(huán)的功率器件。


圖IA至圖IB為現(xiàn)有技術(shù)中一種濕法蝕刻場氧化層形成終端環(huán)窗口的剖面示意圖；圖2A至圖2B為現(xiàn)有技術(shù)中一種干法蝕刻場氧化層形成終端環(huán)窗口的制造方法剖面示意圖；圖3為本發(fā)明一種功率器件終端環(huán)的制造方法流程；圖4A至圖4F為本發(fā)明一種功率器件終端環(huán)的制造方法。
具體實施例方式為使本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點能夠更加明顯易懂，下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施方式
做詳細的說明。在下面的描述中闡述了很多具體細節(jié)以便于充分理解本發(fā)明。但是本發(fā)明能夠以很多不同于在此描述的其它方式來實施，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在不違背本發(fā)明內(nèi)涵的情況下做類似推廣，因此本發(fā)明不受下面公開的具體實施的限制。其次，本發(fā)明利用示意圖進行詳細描述，在詳述本發(fā)明實施例時，為便于說明，表示器件結(jié)構(gòu)的剖面圖會不依一般比例作局部放大，而且所述示意圖只是實例，其在此不應(yīng)限制本發(fā)明保護的范圍。此外，在實際制作中應(yīng)包含長度、寬度及深度的三維空間尺寸。參見圖3，本發(fā)明僅以IGBT終端環(huán)的制造方法為例進行詳細說明，然而本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當知曉如何將該方法應(yīng)用于制造具有該終端環(huán)的垂直雙擴散金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(VDMOS)、金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)管(MOSFET)、快恢復(fù)二極管(FRD)、三極管和高壓MOSFET等功率器件。所述制造方法流程為SlOO 提供半導(dǎo)體襯底，在所述半導(dǎo)體襯底上形成IGBT的硅襯底，在所述IGBT的硅襯底上生長場氧化層；SlOl 在所述場氧化層上沉積掩膜層，通過光刻工藝在掩膜層中形成終端環(huán)光刻
窗口 ；S102 在終端環(huán)光刻窗口內(nèi)干法蝕刻部分厚度的場氧化層，在所述場氧化層中形成第一終端環(huán)窗口；S103 在所述第一終端環(huán)窗口內(nèi)濕法蝕刻場氧化層，蝕刻停止在所述IGBT的硅襯底表面上，形成第二終端環(huán)窗口 ；S104 去除掩膜層后，對所述第二終端環(huán)窗口內(nèi)暴露出的IGBT的硅襯底表面進行熱氧化，形成氧化層；S105 在所述第二終端環(huán)窗口內(nèi)進行硼離子注入后再進行退火工藝，在所述IGBT 的硅襯底中形成終端環(huán)。
下面以圖3所示的方法流程為例，結(jié)合附圖4A至4F，對一種IGBT終端環(huán)的制造方法的制作工藝進行詳細描述。SlOO 提供半導(dǎo)體襯底，在所述半導(dǎo)體襯底上形成IGBT的硅襯底，在所述IGBT的硅襯底上生長場氧化層。參見圖4A，首先，提供一半導(dǎo)體襯底，所述半導(dǎo)體襯底401可以為<100>晶向的重摻雜的P型半導(dǎo)體襯底；其次，在所述半導(dǎo)體襯底401上形成作為IGBT的硅襯底407，所述的IGBT的硅襯底407可通過以下方式形成在所述半導(dǎo)體襯底401上采用外延法由下至上依次生長第一外延層403和第二外延層405，所述的第一外延層403和第二外延層405兩層外延層作為IGBT的硅襯底407，所述IGBT的硅襯底407的襯底電阻率可以為0. 02 Ω -cm； 或直接選用<100>晶向的N型高電阻區(qū)熔型的硅片作為IGBT的硅襯底407 ；最后，在所述的IGBT的硅襯底407上通過熱氧化生長厚度為6000A~12000A的場氧化層409。所述場氧化層409的材料可以為氧化硅。SlOl 在所述場氧化層上沉積掩膜層，通過光刻工藝在掩膜層中形成終端環(huán)光刻窗口。參見圖4B，在所述場氧化層409上通過涂布或勻膠形成掩膜層411作為終端環(huán)掩模版，對掩膜層411采用半導(dǎo)體常規(guī)的光刻工藝，在掩膜層411中形成終端環(huán)光刻窗口 413。S102 在終端環(huán)光刻窗口內(nèi)干法蝕刻部分厚度的場氧化層，在所述場氧化層中形成第一終端環(huán)窗口。參見圖4C，采用反應(yīng)離子蝕刻機，在所述終端環(huán)光刻窗口 413內(nèi)干法蝕刻部分厚度的場氧化層409，在所述場氧化層409中形成第一終端環(huán)窗口 415。所述干法蝕刻的蝕刻氣體可以為CF4 (四氟化碳)、CHF3 (三氟甲烷)和Ar (氬氣)，蝕刻功率可以為300W 500W， 蝕刻厚度可以為3000A~6000A。此處所述干法蝕刻可以為干法反應(yīng)離子蝕刻或等離子蝕刻。S103 在所述第一終端環(huán)窗口內(nèi)濕法蝕刻場氧化層，蝕刻停止在所述IGBT的硅襯底表面上，形成第二終端環(huán)窗口。參見圖4D，首先，使用120°C的烘箱，對上述干法蝕刻后的硅片經(jīng)過30分鐘的烘烤，然后，在常溫環(huán)境中，將HF和水以1 10的體積比進行混合，用稀釋的HF溶液在第一步干法蝕刻后的第一終端環(huán)窗口 415內(nèi)濕法蝕刻剩余部分的場氧化層409，直至所述第一終端環(huán)窗口 415內(nèi)的場氧化層409被蝕刻干凈，暴露出所述IGBT的硅襯底407表面，在場氧化層409中形成第二終端環(huán)窗口 419，所述第二終端環(huán)窗口 419的側(cè)壁417和所述IGBT 的硅襯底407表面的夾角θ在65° 75°之間。S104 去除掩膜層后，對所述第二終端環(huán)窗口內(nèi)暴露出的IGBT的硅襯底表面進行熱氧化，形成氧化層。參見圖4Ε，去除掩膜層411后，對所述第二終端環(huán)窗口 419內(nèi)暴露出的IGBT的硅襯底表面進行熱氧化，形成厚度為360Α~440Α的氧化層421。S105 在所述第二終端環(huán)窗口內(nèi)進行硼離子注入后再進行退火工藝，在所述IGBT 的硅襯底中形成終端環(huán)。參見圖4F，對終端環(huán)窗口 419采用離子注入技術(shù)進行硼離子注入，注入能量可以為60 120KEV、注入劑量可以為5Ε13 lE15/cm2，再經(jīng)過高溫熱退火后硼離子進行擴散，在所述IGBT的硅襯底407中形成設(shè)計所需要的終端環(huán)423，所述終端環(huán)423為P+擴散結(jié)結(jié)構(gòu)終端環(huán)。在進行硼離子注入時，即使注入能量比較高，由于場氧化層409窗口的形貌波動不大，即所述第二終端環(huán)窗口 419的側(cè)壁417和所述IGBT的硅襯底407表面的夾角θ在 65° 75°之間，使硼離子從終端環(huán)窗口邊緣的場氧化層409進入硅襯底表面波動不大， 實際終端環(huán)窗口尺寸符合設(shè)計要求，提高了終端環(huán)的效率，有效地解決了由于終端環(huán)工藝波動引起的終端環(huán)尺寸或形貌發(fā)生波動，從而導(dǎo)致器件擊穿電壓發(fā)生波動的問題，本發(fā)明提出的IGBT終端環(huán)的制造方法具有很強的工藝魯棒性，提高了器件產(chǎn)品的HTRB可靠性， 從而可以用于后續(xù)工藝制備具有P+擴散結(jié)結(jié)構(gòu)終端環(huán)的諸如IGBT、垂直雙擴散金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(VDMOS)、金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)管(MOSFET)、快恢復(fù)二極管 (FRD)、三極管和高壓MOSFET等功率器件。由上述技術(shù)方案可見，一方面與傳統(tǒng)通用的只用氫氟酸濕法蝕刻方法形成終端環(huán)窗口相比，傳統(tǒng)的蝕刻場氧化層形成終端環(huán)窗口，由于窗口尺寸和形貌容易受到濕法蝕刻工藝本身的影響，從而使實際終端環(huán)變化量超過設(shè)計要求，導(dǎo)致器件擊穿電壓降低或可靠性降低，而本發(fā)明在場氧化層上先采取干法反應(yīng)離子蝕刻或等離子蝕刻方法，由于干法反應(yīng)離子蝕刻或等離子蝕刻方法是各向異性蝕刻，因此先垂直蝕刻部分厚度的場氧化層，形成第一終端環(huán)窗口，接著，在第一終端環(huán)窗口內(nèi)濕法蝕刻剩余部分的場氧化層，減少了濕法蝕刻場氧化層的厚度，從而減少了對場氧化層的橫向腐蝕量，最終減少了終端環(huán)窗口尺寸和形貌的波動，降低了因制造工藝的波動而帶來的器件參數(shù)的波動，增加了工藝的魯棒性； 另一方面與傳統(tǒng)通用的只用干法反應(yīng)離子蝕刻或等離子蝕刻方法來蝕刻場氧化層，形成終端環(huán)窗口相比，雖很少有窗口尺寸和形貌的波動，但存在功率器件外延型硅襯底表面等離子損傷的風險，容易使器件耐壓或HTRB可靠性降低，而本發(fā)明由于在接近功率器件外延型硅襯底表面采用了濕法蝕刻方法，避免了干法反應(yīng)離子蝕刻或等離子蝕刻工藝容易帶來的損傷現(xiàn)象，提高了器件的可靠性；同時，本發(fā)明也適用于其他用厚場氧制作的終端環(huán)窗口， 并用高能量注入硼離子形成P+擴散結(jié)結(jié)構(gòu)終端環(huán)的功率器件。本發(fā)明雖然以較佳實施例公開如上，但其并不是用來限定權(quán)利要求，任何本領(lǐng)域技術(shù)人員在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，都可以做出可能的變動和修改，因此本發(fā)明的保護范圍應(yīng)當以本發(fā)明權(quán)利要求所界定的范圍為準。
權(quán)利要求
1.一種功率器件終端環(huán)的制造方法，其特征在于，包括如下步驟提供半導(dǎo)體襯底，在所述半導(dǎo)體襯底上形成功率器件的硅襯底，在所述功率器件的硅襯底上生長場氧化層；在所述場氧化層上沉積掩膜層，通過光刻工藝在掩膜層中形成終端環(huán)光刻窗口 ；在終端環(huán)光刻窗口內(nèi)干法蝕刻部分厚度的場氧化層，在所述場氧化層中形成第一終端環(huán)窗口 ；在所述第一終端環(huán)窗口內(nèi)濕法蝕刻場氧化層，蝕刻停止在所述功率器件的硅襯底表面上，形成第二終端環(huán)窗口 ；去除掩膜層后，對所述第二終端環(huán)窗口內(nèi)暴露出的功率器件的硅襯底表面進行熱氧化，形成氧化層；在所述第二終端環(huán)窗口內(nèi)進行硼離子注入后再進行退火工藝，在所述功率器件的硅襯底中形成終端環(huán)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的功率器件終端環(huán)的制造方法，其特征在于所述半導(dǎo)體襯底為<100>晶向的重摻雜的P型半導(dǎo)體襯底。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的功率器件終端環(huán)的制造方法，其特征在于所述功率器件的硅襯底為<100>晶向的N型高電阻區(qū)熔型硅片。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的功率器件終端環(huán)的制造方法，其特征在于所述功率器件的硅襯底通過在所述半導(dǎo)體襯底上采用外延法由下至上依次生長的兩層外延層而形成。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的功率器件終端環(huán)的制造方法，其特征在于所述場氧化層的厚度為6000A~12000A。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的功率器件終端環(huán)的制造方法，其特征在于所述干法蝕刻的蝕刻氣體為四氟化碳、三氟甲烷和氬氣、蝕刻功率為300W 500W、蝕刻去除的場氧化層的厚度為3000A~6000A。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的功率器件終端環(huán)的制造方法，其特征在于所述第二終端環(huán)窗口的側(cè)壁和所述功率器件的硅襯底表面的夾角為65° 75°之間。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的功率器件終端環(huán)的制造方法，其特征在于所述氧化層的厚度為360A ~440人。
9.根據(jù)權(quán)利要求ι所述的功率器件終端環(huán)的制造方法，其特征在于所述硼離子注入的注入能量為60 120KEV、注入劑量為5E13 lE15/cm2。
10.根據(jù)權(quán)利要求1至9任一項所述的功率器件終端環(huán)的制造方法，其特征在于所述功率器件包括絕緣柵雙極晶體管、垂直雙擴散金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管、金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)管、快恢復(fù)二極管、三極管和高壓金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)管。
全文摘要
本發(fā)明提出一種功率器件終端環(huán)的制造方法，包括如下步驟在半導(dǎo)體襯底上由下至上依次形成功率器件的硅襯底和場氧化層；通過光刻工藝在場氧化層上的掩膜層中形成終端環(huán)光刻窗口；在終端環(huán)光刻窗口內(nèi)干法蝕刻部分厚度的場氧化層，形成第一終端環(huán)窗口；在第一終端環(huán)窗口內(nèi)濕法蝕刻場氧化層，形成第二終端環(huán)窗口；去除掩膜層，在第二終端環(huán)窗口內(nèi)進行硼離子注入后再進行退火工藝，在功率器件的硅襯底中形成終端環(huán)。本發(fā)明還提出一種功率器件終端環(huán)，通過采用干法蝕刻與濕法蝕刻相結(jié)合技術(shù)形成的功率器件終端環(huán)，降低了傳統(tǒng)制造工藝只用濕法蝕刻或干法蝕刻場氧化層形成終端環(huán)的不穩(wěn)定性，提高產(chǎn)品的可靠性，具有很強的工藝魯棒性，適合大批量生產(chǎn)。
文檔編號H01L21/331GK102522335SQ20111045703
公開日2012年6月27日 申請日期2011年12月31日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月31日
發(fā)明者劉慧勇, 劉琛, 聞永祥, 顧悅吉 申請人:杭州士蘭集成電路有限公司