專利名稱：溝槽功率器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體制造領(lǐng)域，特別涉及一種溝槽功率器件的制作方法。
背景技術(shù)：
半導(dǎo)體功率器件已被廣泛應(yīng)用于汽車電子、開關(guān)電源以及工業(yè)控制等領(lǐng)域，是目前一大熱門研究領(lǐng)域。隨著集成電路微細(xì)加工技術(shù)的發(fā)展，溝槽(Trench)功率器件成為目前最流行的功率開關(guān)器件之一，它采用在柵極溝槽側(cè)壁生長柵極氧化層并填充多晶硅形成柵極。這種溝槽柵極結(jié)構(gòu)大大提高了器件平面面積的利用效率，使得單位面積可獲得更大的器件單元溝道寬度，從而獲得更大的電流導(dǎo)通能力。一種常見的溝槽功率器件的具體結(jié) 構(gòu)在中國專利文獻(xiàn)CN1941300A中有詳細(xì)描述。
已有溝槽功率器件的制造工藝包括以下步驟提供具有外延層11的半導(dǎo)體襯底結(jié)構(gòu)，并在該外延層11上進(jìn)行光刻和刻蝕工藝以形成柵極溝槽12，如圖1所示。然后可以對所形成的柵極溝槽12進(jìn)行清洗，以去除光刻和刻蝕工藝過程中產(chǎn)生的例如聚合物等雜質(zhì)。在形成柵極溝槽12之后，對柵極溝槽12拐角進(jìn)行圓滑處理(ixnmding)，形成具有圓滑拐角的倒角柵極溝槽12’，如圖2所示。請參考圖3，在倒角柵極溝槽12’表面進(jìn)行柵氧層生長，形成柵極氧化層13，此時柵極氧化層13圍成了柵極溝槽12”，同樣的，可以對圍成的柵極溝槽12”的柵極氧化層13進(jìn)行清洗，目的同樣是為了去除刻蝕工藝過程中產(chǎn)生的例如聚合物等雜質(zhì)。請參考圖4，在柵極溝槽12內(nèi)部淀積多晶硅14，并回刻多晶硅14。在制作工藝的后續(xù)部分還包括進(jìn)行阱注入及擴(kuò)散，源區(qū)(發(fā)射區(qū))注入及退火，接觸孔的形成，以及金屬的沉積、光刻和蝕刻等多項工藝步驟。上述的現(xiàn)有溝槽功率器件制作工藝過程中，在柵極溝槽12形成之后還要再進(jìn)行一次蝕刻操作，即如圖2所示的步驟，以對柵極溝槽12拐角進(jìn)行圓滑處理(rounding)，形成具有較圓滑拐角的倒角柵極溝槽12’。這是因為，在溝槽功率器件中，多晶硅14所形成的柵極與外延層11部分區(qū)域形成的漏區(qū)之間隔著柵極氧化層13，由于柵極氧化層13較薄，因而柵極與漏區(qū)之間會存在較大的寄生電容，特別是直角拐角的柵極氧化層13，其導(dǎo)致產(chǎn)生的寄生電容更大。因此，在對該溝槽功率器件進(jìn)行開/關(guān)控制時，會增加延時，降低溝槽功率器件的開關(guān)速度，從而導(dǎo)致溝槽功率器件的性能產(chǎn)生惡化。而在柵極溝槽12形成之后再進(jìn)行一次蝕刻操作，形成倒角柵極溝槽12’，后續(xù)在倒角柵極溝槽12’形成的柵氧化層就可以相對增厚，并且消除了直角拐角，從而可以減少柵極和漏區(qū)之間生成的寄生電容，最終提高了溝槽功率器件開關(guān)速度。但是，為達(dá)到此目的，現(xiàn)有解決方法需要多出一道蝕刻工藝和一道清潔工藝。這樣，整個工藝過程變長，成本提高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的在于，提供一種方法，不需要對形成的柵極溝槽進(jìn)行再次蝕刻，也能夠達(dá)到減少柵極與漏區(qū)之間生成的寄生電容，提高開關(guān)速度，并且工藝更加簡單，成本降低。為此，本發(fā)明提供了一種溝槽功率器件的制作方法，包括提供具有外延層的半導(dǎo)體襯底結(jié)構(gòu)；形成柵極溝槽于所述外延層；形成柵極氧化層于所述柵極溝槽的內(nèi)壁；形成柵極材料于所述柵極溝槽內(nèi)；在1150°C以上的退火溫度條件下對柵極溝槽內(nèi) 的柵極材料進(jìn)行退火。可選的，在退火形成所述柵極之后，還包括在柵極溝槽兩側(cè)形成阱區(qū)與源區(qū)，而后在所述溝槽功率器件的表面形成接觸孔的步驟?？蛇x的，采用光刻和蝕刻工藝形成所述柵極溝槽于所述外延層?？蛇x的，在形成所述柵極溝槽于所述外延層的步驟之后，還包括對形成的所述柵極溝槽進(jìn)行清洗的步驟?？蛇x的，在形成柵極氧化層于所述柵極溝槽的內(nèi)壁之前，還包括形成犧牲氧化層于所述柵極溝槽中，然后再用濕法清洗法去除所述犧牲氧化層的步驟?？蛇x的，所述半導(dǎo)體襯底的材料為硅。 可選的，所述柵極材料為多晶硅?？蛇x的，在柵極溝槽內(nèi)形成所述柵極材料后，還包括回刻所述柵極材料以露出所述外延層表面的步驟。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)本發(fā)明所提供的溝槽功率器件的制作方法不需要對柵極溝槽進(jìn)行再次蝕刻，省去了一步蝕刻和一步清洗的工藝步驟，并通過提高后續(xù)所述柵極材料退火溫度的方法，對柵極溝槽拐角處柵氧化層的厚度和質(zhì)量進(jìn)行修補(bǔ)，從而達(dá)到減小柵極漏電流的效果。本發(fā)明所提供的溝槽功率器件的制作方法還可以達(dá)到減少柵極與漏區(qū)寄生電容的效果，提高了溝槽功率器件的性能，降低了溝槽功率器件的生產(chǎn)成本。


圖1至圖4為現(xiàn)有溝槽功率器件的制作方法各步驟結(jié)構(gòu)示意圖；圖5為本發(fā)明實施例溝槽功率器件的制作方法的流程示意圖；圖6至圖8為本發(fā)明實施例溝槽功率器件的制作方法各步驟結(jié)構(gòu)示意圖；圖9為利用本發(fā)明實施例所制得的溝槽功率器件和利用現(xiàn)有方法制得的溝槽功率器件漏電流-反向電壓絕緣值的對比圖。
具體實施例方式請結(jié)合參考圖5至圖8，其中圖5為本發(fā)明實施例溝槽功率器件的制作方法流程示意圖，本實施例包括SI至S5各步驟，以下將結(jié)合各圖具體說明。SI，提供具有外延層的半導(dǎo)體襯底結(jié)構(gòu)(未圖示)。本實施例中，所述半導(dǎo)體襯底的材料可以為硅，但是也可以為化合物半導(dǎo)體襯底，例如碳化硅、砷化鎵、砷化銦或者磷化銦等。該襯底可以是P型襯底或者η型襯底。并且，該半導(dǎo)體襯底通?？梢园ㄓ械谆鶎?未圖示)與外延層，后續(xù)外延層的上部分會進(jìn)一步進(jìn)行處理例如摻雜，以在柵極兩側(cè)形成溝道及源區(qū)，外延層的該上部分通常可被視作主體層(阱區(qū))，但本實施例不涉及溝道及后續(xù)阱區(qū)、源區(qū)的制作，因而這里不在外延層中作主體層與其它部分的劃分，而將它們視作一個整體,如圖6中的結(jié)構(gòu)21。S2，形成柵極溝槽22于所述外延層21，如圖6所示。為了簡明起見，本實施例中，由步驟S2形成如圖6所示的結(jié)構(gòu)中，具有柵極溝槽22的外延層21結(jié)構(gòu)省略了外延層21上部分的主體層(上面已經(jīng)提到主體層面向柵極的側(cè)面用于形成溝道)和外延層21下面的底基層。但是應(yīng)該理解，在圖6所示的外延層21結(jié)構(gòu)中，在柵極溝槽22底部的外延層21 (也即主體層以下部分的外延層21)可用于形成漏區(qū)，而在主體層的上表面可對應(yīng)形成源區(qū)。并最終通過在柵極溝槽22中形成相應(yīng)的柵極氧化層23和柵極(如圖7所示)，形成例如Trench MOS管的溝槽功率器件。
本實施例可采用光刻和蝕刻工藝在所述外延層21上形成所述柵極溝槽22。光刻和蝕刻工藝過程包括在該外延層21上形成光致抗蝕劑層(未圖示)，再對光致抗蝕劑層進(jìn)行曝光和顯影，形成圖案化的光致抗蝕劑層。再以圖案化的光致抗蝕劑層為部分保護(hù)層，對外延層21進(jìn)行蝕刻，可以選用干法蝕刻，以在所述外延層21上形成柵極溝槽22。最后去除圖案化的光致抗蝕劑層，得到如圖6所示的結(jié)構(gòu)。在于所述外延層21上形成所述柵極溝槽22的步驟之后，本實施例還可以包括有對所形成的所述柵極溝槽22進(jìn)行清洗的步驟，該清洗步驟的目的是為了去除上述光刻和蝕刻工藝過程中形成的聚合物等雜質(zhì)。S3，形成柵極氧化層23于所述柵極溝槽22的內(nèi)壁，如圖7所示。可以利用熱氧化方法，在柵極溝槽22的內(nèi)壁形成柵極氧化層23。同時，在圖7中可以看出，柵極氧化層23覆蓋的位置不僅是柵極溝槽22的內(nèi)壁，還包括有外延層21的表面，形成整面覆蓋結(jié)構(gòu)，本實施例可以通過化學(xué)機(jī)械平坦化(CMP)方法去掉處于外延層21表面的柵極氧化層23，以使得后續(xù)有源區(qū)域能夠與金屬連線連接。但當(dāng)然，也可以不去除處于外延層21表面的柵極氧化層23，而是在最終形成接觸孔時，挖穿處于外延層21表面的柵極氧化層23進(jìn)行電連接。本實施例中，在形成所述柵極氧化層23于所述柵極溝槽22的內(nèi)壁之前，還可以包括先形成犧牲氧化層(未圖示)于所述柵極溝槽22中，再去除該犧牲氧化層的步驟。執(zhí)行該步驟目的是為了消除柵極溝槽22的內(nèi)壁表面在上述蝕刻工藝中所受到的等離子體損傷，從而降低其粗糙度。可以采用例如化學(xué)氣相沉積法(CVD)或者物理氣相沉積法(PVD)形成所述犧牲氧化層，在所述犧牲氧化層形成工藝之后，可以采用濕法蝕刻工藝去除所述犧牲氧化層。除了可以采用先形成犧牲氧化層，再清除該犧牲氧化層的方法來消除柵極溝槽22的內(nèi)壁表面在上述蝕刻工藝中所受到的等離子體損傷之外，本實施例還可以采用熱氧化法在柵極溝槽22內(nèi)壁表面形成氧化層，再用濕法刻蝕去除該氧化層的方法，同樣達(dá)到消除柵極溝槽22的內(nèi)壁表面在上述蝕刻工藝中所受到的等離子體損傷。S4,形成柵極材料于所述柵極溝槽22內(nèi)，如圖8所示。本實施例中，所述柵極材料可以為多晶硅24。在所述柵極溝槽22內(nèi)形成多晶硅24后，還包括回刻(或化學(xué)機(jī)械研磨)多晶硅24以露出所述柵極氧化層23表面的步驟。S5，在1150°C以上的退火溫度條件下進(jìn)行退火，使所述柵極材料形成柵極。在現(xiàn)有溝槽功率器件制作工藝中，退火溫度一般在1000°C以下。這是因為現(xiàn)有溝槽功率器件制作工藝中進(jìn)行退火的目的只是為了各注入?yún)^(qū)最終形成相應(yīng)的柵極、源區(qū)和漏區(qū)。但是，本實施例通過提高柵極材料的退火溫度，并選擇在1150°C以上進(jìn)行退火，可以達(dá)到減少多晶硅24所形成的柵極與外延層21下面部分所形成的漏區(qū)之間的寄生電容的目的，這是因為提高柵極材料的退火溫度可以在柵極材料的退火工藝中生產(chǎn)少量熱氧化層(未圖示)，該熱氧化層生成在柵極溝槽22內(nèi)壁的各個位置，因而該熱氧化層可以增加?xùn)艠O氧化層23的厚度和質(zhì)量，從而可以減小所述寄生電容，提高溝槽功率器件的開關(guān)速度。通過提高柵極材料的退火溫度還可以達(dá)到減小溝槽功率器件漏電流的目的。這是因為首先，本實施例由于沒有進(jìn)行再次蝕刻(省去了一步蝕刻和一步清洗的工藝步驟)，因而后繼生成在柵極溝槽22 (可參考圖8)各拐角(包括頂部拐角和底部拐角)處的柵極氧化層23較薄。同時，由于各拐角未經(jīng)再次蝕刻，其中的頂部拐角較尖銳，因而在柵極材料(本實施例中為多晶硅24)回蝕刻或者化學(xué)平坦化工藝過程中，頂部拐角易受到損傷。本發(fā)明實施例通過提高柵極材料的退火溫度可以在柵極材料的退火工藝中生產(chǎn)少量熱氧化層(未圖示)，該熱氧化層存在柵極溝槽內(nèi)壁的各個位置。在柵極溝槽22底部拐角位置的熱氧化 層可以增加該位置中柵極氧化層23的厚度和質(zhì)量，從而能夠減小柵極的漏電流。在柵極溝槽22頂部拐角位置的熱氧化層可以修護(hù)該位置在柵極材料回蝕刻或者化學(xué)平坦化工藝中受到的損傷，也可以減小漏電流。其次，提高柵極材料的退火溫度，還可以減少外延層21和柵極氧化層23界面的多余的電荷，同樣起到減小柵極的漏電流的作用。另外，提高柵極材料的退火溫度還有助于柵極材料內(nèi)部摻雜離子的再分布。但是出于其它限制因素和成本的考慮，本實施例中，柵極材料的退火溫度也并非越高越好，可以根據(jù)具體情況選擇合適溫度。請參考圖9，圖9為利用本發(fā)明實施例所制得的溝槽功率器件和利用現(xiàn)有方法制得的溝槽功率器件漏電流-反向電壓絕緣值的對比圖，其中橫坐標(biāo)代表的是反向柵極電壓的絕對值(圖9中標(biāo)識為！Reverse VG | )，其單位為伏特(V)，而縱坐標(biāo)代表的是漏電流值(圖9中標(biāo)識為IG)，其單位為安培(A)。本實施例中，用三種不同的溝槽功率器件來進(jìn)行對比，這三種不同的溝槽功率器件除了在再蝕刻工藝和退火工藝兩個步驟工藝不同之外，其它各步驟工藝相同。例如，這三種不同的溝槽功率器件都是在950°C的溫度條件下熱生長柵極氧化層，并且所形成的柵極氧化層的厚度均為600埃。從圖中可以看出，本實施例所提供的溝槽功率器件，其漏電流-反向電壓絕緣值曲線沒有拐角凸起(如圖中標(biāo)識new_N0hump)，并且該漏電流-反向電壓絕緣值曲線出現(xiàn)拐點(diǎn)的電壓值較高，約在23V。而采用現(xiàn)有技術(shù)制作得到的兩種溝槽功率器件，其漏電流-反向電壓絕緣值曲線如圖9所示的另外兩條曲線所示。該兩種溝槽功率器件一種是經(jīng)過柵極溝槽再蝕刻工藝，但是沒有經(jīng)過柵極材料的退火工藝；另一種是既經(jīng)過柵極溝槽再蝕刻又經(jīng)過柵極材料的退火，但是退火溫度較低，為1100°C。從圖9中可以看到，該兩種溝槽功率器件的漏電流-反向電壓絕緣值曲線都包括有較明顯的拐角凸起(如圖9中圓形虛線包圍包示，并標(biāo)識有old_hump),并且其出現(xiàn)拐點(diǎn)的電壓值較低，分別約為15V和18. 5V?？梢?，通過省去對柵極溝槽23的再次蝕刻并同時選擇在1150°C以上(圖9所示的測試?yán)袨?150°C)對柵極材料進(jìn)行退火制得的溝槽功率器件，其性能優(yōu)于用現(xiàn)有方法(對柵極凹槽進(jìn)行二次蝕刻并在1100°C以下對柵極材料進(jìn)行退火)制得的溝槽功率器件，即本實施例所制作的溝槽功率器件的性能優(yōu)于現(xiàn)有方法所制作的溝槽功率器件。在對柵極材料進(jìn)行退火工藝之后，本實施例還可以包括在柵極溝槽兩側(cè)(亦即圖8中的多晶硅24左右兩側(cè))形成阱區(qū)與源區(qū)，而后在所述溝槽功率器件的表面形成接觸孔的步驟，從及在所述接觸孔處進(jìn)行金屬層的步驟，以及進(jìn)行表面鈍化、光刻壓焊點(diǎn)、刻蝕鈍化層、背面減薄和背面金屬化等步驟，本實施例在此不作詳細(xì)描述。以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例，目的是為了使本領(lǐng)域技術(shù)人員更好的理解本 發(fā)明的精神，然而本發(fā)明的保護(hù)范圍并不以該具體實施例的具體描述為限定范圍，任何本領(lǐng)域的技術(shù)人員在不脫離本發(fā)明精神的范圍內(nèi)，可以對本發(fā)明的具體實施例做修改，而不脫離本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種溝槽功率器件的制作方法，其特征在于，包括 提供具有外延層的半導(dǎo)體襯底結(jié)構(gòu)； 形成柵極溝槽于所述外延層； 形成柵極氧化層于所述柵極溝槽的內(nèi)壁； 形成柵極材料于所述柵極溝槽內(nèi)； 在1150°c以上的退火溫度條件下對柵極溝槽內(nèi)的柵極材料進(jìn)行退火。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制作方法，其特征在于，在退火之后，還包括在柵極溝槽兩側(cè)形成阱區(qū)與源區(qū)，而后在所述溝槽功率器件的表面形成接觸孔的步驟。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制作方法，其特征在于，采用光刻和蝕刻工藝形成所述柵極溝槽于所述外延層。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的制作方法，其特征在于，在形成所述柵極溝槽于所述外延層的步驟之后，還包括對形成的所述柵極溝槽進(jìn)行清洗的步驟。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制作方法，其特征在于，在形成柵極氧化層于所述柵極溝槽的內(nèi)壁之前，還包括形成犧牲氧化層于所述柵極溝槽中，然后再用濕法清洗法去除所述犧牲氧化層的步驟。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述半導(dǎo)體襯底的材料為硅。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述柵極材料為多晶硅。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制作方法，其特征在于，在所述柵極溝槽內(nèi)形成柵極材料后，還包括回刻所述柵極材料以露出所述柵極氧化層表面的步驟。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種溝槽功率器件的制作方法，包括提供具有外延層的半導(dǎo)體襯底結(jié)構(gòu)；形成柵極溝槽于所述外延層；形成柵極氧化層于所述柵極溝槽的內(nèi)壁；形成柵極材料于所述柵極溝槽內(nèi)；在1150℃以上的退火溫度條件下對所述柵極材料進(jìn)行退火。本發(fā)明所提供的溝槽功率器件的制作方法不需要對柵極溝槽進(jìn)行再次蝕刻，而是通過提高后續(xù)所述柵極材料退火溫度的方法，對柵極溝槽拐角處柵氧化層的厚度和質(zhì)量進(jìn)行修補(bǔ)，從而達(dá)到減小柵極漏電流的效果。同時，本發(fā)明所提供的溝槽功率器件的制作方法還可以達(dá)到減少柵極與漏區(qū)寄生電容的效果，提高了溝槽功率器件的性能，降低了溝槽功率器件的生產(chǎn)成本。
文檔編號H01L21/324GK103021869SQ20121056416
公開日2013年4月3日 申請日期2012年12月21日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月21日
發(fā)明者沈思杰, 張怡 申請人:上海宏力半導(dǎo)體制造有限公司