專利名稱：超結(jié)結(jié)構(gòu)的深溝槽填充方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體制造技術(shù)領(lǐng)域，具體來(lái)說(shuō)，本發(fā)明涉及一種超結(jié)結(jié)構(gòu)的深溝槽填充方法。
背景技術(shù)：
功率MOS器件以其輸入阻抗高、損耗低、開(kāi)關(guān)速度快、無(wú)二次擊穿、安全工作區(qū)寬、 動(dòng)態(tài)性能好、易與前極耦合實(shí)現(xiàn)大電流化、轉(zhuǎn)換效率高等特性被普遍用于中低功率變換和控制領(lǐng)域。雖然功率MOS器件在功率處理能力上已經(jīng)得到了驚人的提高，但在高壓領(lǐng)域中隨著工作電壓的提高，其導(dǎo)通電阻也隨之指數(shù)上升，使得功率MOS器件的導(dǎo)通損耗隨著耐壓的提高而急速上升。為了打破導(dǎo)通電阻的硅限，提高耐壓、降低導(dǎo)通損耗，進(jìn)一步提高大功率晶體管的特性，一系列的新結(jié)構(gòu)、新技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。而其中用來(lái)提高功率MOS器件性能的超結(jié)(Super Junction)技術(shù)在高壓領(lǐng)域的作用非常顯著，吸引了大批器件供應(yīng)商投入資金研發(fā)，目前已經(jīng)成功開(kāi)發(fā)出平面冷MOS并且已經(jīng)投入商業(yè)應(yīng)用。MOS (Cool M0S)，又名 Super Junction MOSFET (超結(jié)MOSFET)，最先由成都電子科技大學(xué)陳星弼院士所發(fā)明，后轉(zhuǎn)讓給德國(guó)英飛凌公司。作為功率MOSFET領(lǐng)域里程碑的新型器件，Cool MOS打破了傳統(tǒng)功率MOSFET的理論極限，于1998年問(wèn)世并很快走向市場(chǎng)。與普通高壓MOSFET相比，Cool MOS由于采用新的耐壓層結(jié)構(gòu)，利用了超結(jié)的概念，在幾乎保持功率MOSFET所有優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，又有著極低的導(dǎo)通損耗，發(fā)熱量非常低，另外還能夠顯著減小芯片面積，于是就稱為Cool MOS0在此以600伏的功率晶體管為例，使用具有超結(jié)結(jié)構(gòu)的Cool MOS的導(dǎo)通電阻只有相同面積的傳統(tǒng)功率晶體管的20%。而且其輸出電容、輸入電容也同步降低，器件的工作頻率特性得到了提高。一般來(lái)說(shuō)，超結(jié)結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)有兩種途徑，一種是使用多次注入、多層外延形成超結(jié)的方法；另一種是在深溝槽中擴(kuò)散形成超結(jié)的方法。圖1為現(xiàn)有技術(shù)中一個(gè)使用多次注入、 多層外延形成超結(jié)結(jié)構(gòu)的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。如圖所示，這種方法通過(guò)在N型硅襯底100上逐層外延，在每一層N型外延層101 103上分別使用離子注入P型雜質(zhì)的方式相應(yīng)地逐層形成同一水平位置的P阱104 106。然后用爐管工藝作推進(jìn)，使N型外延層101 103 中的P阱104 106的范圍擴(kuò)大開(kāi)來(lái)，同一水平位置的P阱104 106上下串聯(lián)起來(lái)形成一種“糖葫蘆”形狀，獲得Cool MOS的超結(jié)結(jié)構(gòu)。而圖2為現(xiàn)有技術(shù)中一個(gè)在深溝槽中外延填充生長(zhǎng)形成超結(jié)結(jié)構(gòu)的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。如圖所示，這種方法通過(guò)在N型硅襯底200 上刻蝕出深溝槽，并用P型外延層201、202填充該深溝槽。之后用爐管工藝作推進(jìn)，在深溝槽外側(cè)形成P型擴(kuò)散區(qū)203，獲得Cool MOS的超結(jié)結(jié)構(gòu)。上述兩種方法中，雖然第一種使用多次注入、多層外延形成超結(jié)結(jié)構(gòu)的方法不需要在半導(dǎo)體襯底上刻蝕并填充深溝槽，但是該方法需要多次使用外延工藝，成本非常高昂， 故業(yè)界已逐漸不再采用。而第二種在深溝槽中外延填充生長(zhǎng)形成超結(jié)結(jié)構(gòu)的方法在深溝槽中使用外延工藝的難度很高，在用外延層填充深溝槽(深度>30μπι)的過(guò)程中，深溝槽的頂部很可能會(huì)先行封閉導(dǎo)致溝槽內(nèi)未填滿而留下一道狹長(zhǎng)的縫隙。圖3為現(xiàn)有技術(shù)中一個(gè)在深溝槽中外延填充生長(zhǎng)形成超結(jié)結(jié)構(gòu)而在溝槽內(nèi)留下一道狹長(zhǎng)的縫隙的掃描電子顯微鏡的照片。如圖所示，位于深溝槽中的狹長(zhǎng)的縫隙301會(huì)造成Cool MOS器件工作時(shí)發(fā)生漏電現(xiàn)象，從而降低器件的電學(xué)性能以及機(jī)械性能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種超結(jié)結(jié)構(gòu)的深溝槽填充方法，能夠?qū)崿F(xiàn)完全無(wú)縫隙的深溝槽外延填充，使功率MOS器件滿足承受高壓的電學(xué)要求和硅片研磨封裝成薄片的機(jī)械要求。為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供一種超結(jié)結(jié)構(gòu)的深溝槽填充方法，包括步驟A.提供待形成超結(jié)結(jié)構(gòu)的深溝槽，所述深溝槽位于N型半導(dǎo)體襯底上的N型外延層中；B.在所述深溝槽中生長(zhǎng)P型外延層填充所述深溝槽，所述外延工藝的氣體包括二氯基硅烷和大比例的氯化氫；C.以氯化氫為刻蝕氣體，干法刻蝕所述深溝槽中的P型外延層，使所述深溝槽的頂部敞開(kāi)；D.繼續(xù)在所述深溝槽中生長(zhǎng)P型外延層填充所述深溝槽，所述外延工藝的氣體包括二氯基硅烷和大比例的氯化氫?？蛇x地，所述外延工藝的氣體中二氯基硅烷(DCS)和氯化氫(HCL)的體積比為 1 2 至 1 4?？蛇x地，所述方法在步驟D之后還包括循環(huán)執(zhí)行至少一次步驟C和D，直至所述P 型外延層完全填滿所述深溝槽。可選地，所述方法在完全填滿所述深溝槽之后還包括將所述深溝槽之外的多余P 型外延層回刻去除?？蛇x地，所述N型半導(dǎo)體襯底為N型硅襯底?？蛇x地，所述N型外延層的厚度大于50 μ m?？蛇x地，所述深溝槽的深度大于30 μ m?？蛇x地，所述方法中的所有步驟均在外延生長(zhǎng)腔室中同一工藝菜單上完成。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)本發(fā)明通過(guò)在超結(jié)結(jié)構(gòu)的深溝槽中交替生長(zhǎng)外延層與刻蝕深溝槽頂部的外延層使槽口充分敞開(kāi)，逐漸實(shí)現(xiàn)完全無(wú)縫隙的深溝槽外延填充，消除溝槽內(nèi)狹長(zhǎng)的縫隙，避免了漏電現(xiàn)象，使功率MOS器件能夠滿足承受高壓的電學(xué)要求和硅片研磨封裝成薄片的機(jī)械要求。


本發(fā)明的上述的以及其他的特征、性質(zhì)和優(yōu)勢(shì)將通過(guò)下面結(jié)合附圖和實(shí)施例的描述而變得更加明顯，其中圖1為現(xiàn)有技術(shù)中一個(gè)使用多次注入、多層外延形成超結(jié)結(jié)構(gòu)的剖面結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為現(xiàn)有技術(shù)中一個(gè)在深溝槽中外延填充生長(zhǎng)形成超結(jié)結(jié)構(gòu)的剖面結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為現(xiàn)有技術(shù)中一個(gè)在深溝槽中外延填充生長(zhǎng)形成超結(jié)結(jié)構(gòu)而在溝槽內(nèi)留下一道狹長(zhǎng)的縫隙的掃描電子顯微鏡的照片；圖4為本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的超結(jié)結(jié)構(gòu)的深溝槽填充方法的流程圖；圖5至圖8為本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的超結(jié)結(jié)構(gòu)的深溝槽填充過(guò)程的剖面結(jié)構(gòu)示意圖；圖9至圖10為本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的超結(jié)結(jié)構(gòu)的深溝槽填充過(guò)程的再次刻蝕與填充步驟的剖面結(jié)構(gòu)示意圖；圖11為本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的在深溝槽中外延填充生長(zhǎng)形成超結(jié)結(jié)構(gòu)的掃描電子顯微鏡的照片。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合具體實(shí)施例和附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明，但不應(yīng)以此限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。圖4為本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的超結(jié)結(jié)構(gòu)的深溝槽填充方法的流程圖。如圖所示，該制造方法起始于步驟S401。該方法可以包括執(zhí)行步驟S401，提供待形成超結(jié)結(jié)構(gòu)的深溝槽，深溝槽位于N型半導(dǎo)體襯底上的N型外延層中；執(zhí)行步驟S402，在深溝槽中生長(zhǎng)P型外延層填充深溝槽，外延工藝的氣體包括二氯基硅烷和大比例的氯化氫；執(zhí)行步驟S403， 以氯化氫為刻蝕氣體，干法刻蝕深溝槽中的P型外延層，使深溝槽的頂部敞開(kāi)；執(zhí)行步驟 S404,繼續(xù)在深溝槽中生長(zhǎng)P型外延層填充深溝槽，外延工藝的氣體包括二氯基硅烷和大比例的氯化氫。圖5至圖8為本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的超結(jié)結(jié)構(gòu)的深溝槽填充過(guò)程的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。如圖5所示，提供待形成超結(jié)結(jié)構(gòu)的深溝槽502，深溝槽502位于N型半導(dǎo)體襯底500 上的N型外延層501中。在本實(shí)施例中，該N型半導(dǎo)體襯底500可以為N型硅襯底。N型外延層501的厚度可以大于50 μ m，而深溝槽502的深度可以大于30 μ m。如圖6所示，在深溝槽502中生長(zhǎng)P型外延層503填充深溝槽502，外延工藝的氣體包括二氯基硅烷(DCS)和大比例的氯化氫(HCL)，其中P型外延層503沒(méi)有一次性全部填滿整個(gè)深溝槽502。P型外延層503在深溝槽502中只是先填了一部分，當(dāng)發(fā)現(xiàn)P型外延層 503在深溝槽502的頂部槽口 504有可能會(huì)先行封閉時(shí)，立即停止P型外延層503的填充。如圖7所示，以氯化氫為刻蝕氣體，干法刻蝕深溝槽502中的P型外延層503，使深溝槽502的頂部槽口 504敞開(kāi)，以方便繼續(xù)在深溝槽502中填充更多P型外延層503。如圖8所示，繼續(xù)在深溝槽502中生長(zhǎng)P型外延層503填充深溝槽502，直至深溝槽502被P型外延層503完全填滿，獲得深溝槽502中完全無(wú)縫隙的超結(jié)結(jié)構(gòu)，外延工藝的氣體包括二氯基硅烷和大比例的氯化氫。在本實(shí)施例中，多次外延工藝的氣體中二氯基硅烷和氯化氫的體積比可以為 1 2 至 1 4。當(dāng)然，也有可能在如圖7所示的深溝槽502的基礎(chǔ)上繼續(xù)在其中生長(zhǎng)P型外延層503以填充該深溝槽502之后，再次發(fā)現(xiàn)P型外延層503在深溝槽502的頂部槽口 504有可能會(huì)先行封閉時(shí)(如圖9所示)，應(yīng)該再次停止P型外延層503的填充。然后，如圖10所示， 再次以氯化氫為刻蝕氣體，干法刻蝕深溝槽502中的P型外延層503，使深溝槽502的頂部槽口 504敞開(kāi)，以方便繼續(xù)在深溝槽502中填充更多P型外延層503。即在本實(shí)施例中，上述方法在如圖8所示的繼續(xù)在深溝槽502中生長(zhǎng)P型外延層503來(lái)填充深溝槽502之后， 可能還需要循環(huán)執(zhí)行至少一次如圖7所示的刻蝕和如圖8所示的填充步驟，直至P型外延層503完全填滿深溝槽502。如圖11所示，其為本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的在深溝槽中外延填充生長(zhǎng)形成超結(jié)結(jié)構(gòu)的掃描電子顯微鏡的照片。如圖所示，使用本發(fā)明的填充方法完全消除了深溝槽內(nèi)狹長(zhǎng)的縫隙，整個(gè)剖面結(jié)構(gòu)變得十分致密，使功率MOS器件能夠滿足承受高壓的電學(xué)要求和硅片研磨封裝成薄片的機(jī)械要求。另外，本發(fā)明的溝槽填充方法在完全填滿深溝槽之后還可以包括將深溝槽之外的多余P型外延層回刻去除，以便進(jìn)行其他工藝步驟。本發(fā)明所述的溝槽填充方法中的所有步驟可以均在外延生長(zhǎng)腔室中同一工藝菜單(Recipe)上完成。上述方法中每一步步驟所需要的工藝時(shí)間、外延生長(zhǎng)與刻蝕的循環(huán)次數(shù)等都可以根據(jù)實(shí)際工藝需要而進(jìn)行必要的微調(diào)。本發(fā)明通過(guò)在超結(jié)結(jié)構(gòu)的深溝槽中交替生長(zhǎng)外延層與刻蝕深溝槽頂部的外延層使槽口充分敞開(kāi)，逐漸實(shí)現(xiàn)完全無(wú)縫隙的深溝槽外延填充，消除溝槽內(nèi)狹長(zhǎng)的縫隙，避免了漏電現(xiàn)象，使功率MOS器件能夠滿足承受高壓的電學(xué)要求和硅片研磨封裝成薄片的機(jī)械要求。本發(fā)明雖然以較佳實(shí)施例公開(kāi)如上，但其并不是用來(lái)限定本發(fā)明，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(dòng)和修改，因此本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)當(dāng)以本發(fā)明權(quán)利要求所界定的范圍為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1.一種超結(jié)結(jié)構(gòu)的深溝槽填充方法，包括步驟A.提供待形成超結(jié)結(jié)構(gòu)的深溝槽，所述深溝槽位于N型半導(dǎo)體襯底上的N型外延層中；B.在所述深溝槽中生長(zhǎng)P型外延層填充所述深溝槽，所述外延工藝的氣體包括二氯基硅烷和大比例的氯化氫；C.以氯化氫為刻蝕氣體，干法刻蝕所述深溝槽中的P型外延層，使所述深溝槽的頂部敞開(kāi)；D.繼續(xù)在所述深溝槽中生長(zhǎng)P型外延層填充所述深溝槽，所述外延工藝的氣體包括二氯基硅烷和大比例的氯化氫。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的深溝槽填充方法，其特征在于，所述外延工藝的氣體中二氯基硅烷和氯化氫的體積比為1 2至1 4。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的深溝槽填充方法，其特征在于，所述方法在步驟D之后還包括循環(huán)執(zhí)行至少一次步驟C和D，直至所述P型外延層完全填滿所述深溝槽。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的深溝槽填充方法，其特征在于，所述方法在完全填滿所述深溝槽之后還包括將所述深溝槽之外的多余P型外延層回刻去除。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的深溝槽填充方法，其特征在于，所述N型半導(dǎo)體襯底為N型硅襯底。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的深溝槽填充方法，其特征在于，所述N型外延層的厚度大于 50 μ m0
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的深溝槽填充方法，其特征在于，所述深溝槽的深度大于 30 μ m0
8.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述的深溝槽填充方法，其特征在于，所述方法中的所有步驟均在外延生長(zhǎng)腔室中同一工藝菜單上完成。
全文摘要
本發(fā)明提供一種超結(jié)結(jié)構(gòu)的深溝槽填充方法，包括步驟A.提供待形成超結(jié)結(jié)構(gòu)的深溝槽，深溝槽位于N型半導(dǎo)體襯底上的N型外延層中；B.在深溝槽中生長(zhǎng)P型外延層填充深溝槽，外延工藝的氣體包括二氯基硅烷和大比例的氯化氫；C.以氯化氫為刻蝕氣體，干法刻蝕深溝槽中的P型外延層，使深溝槽的頂部敞開(kāi)；D.繼續(xù)在深溝槽中生長(zhǎng)P型外延層填充深溝槽，外延工藝的氣體包括二氯基硅烷和大比例的氯化氫。本發(fā)明通過(guò)在超結(jié)結(jié)構(gòu)的深溝槽中交替生長(zhǎng)外延層與刻蝕深溝槽頂部的外延層使槽口充分敞開(kāi)，逐漸實(shí)現(xiàn)完全無(wú)縫隙的深溝槽外延填充，消除溝槽內(nèi)狹長(zhǎng)的縫隙，避免了漏電現(xiàn)象，使功率MOS器件滿足承受高壓的電學(xué)要求和硅片研磨封裝成薄片的機(jī)械要求。
文檔編號(hào)H01L21/762GK102184883SQ20111008724
公開(kāi)日2011年9月14日 申請(qǐng)日期2011年4月8日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月8日
發(fā)明者陶有飛 申請(qǐng)人:上海先進(jìn)半導(dǎo)體制造股份有限公司