專利名稱：具有超級(jí)結(jié)的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的形成方法及半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體制造及設(shè)計(jì)技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種具有超級(jí)結(jié)的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的形成方法及該具有超級(jí)結(jié)的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
目前，高壓功率MOSFET被廣泛應(yīng)用于大功率電路中。在開態(tài)情況下，它應(yīng)具有較低的導(dǎo)通電阻；而在關(guān)態(tài)情況下，需要具有較高的擊穿電壓。對(duì)于傳統(tǒng)的功率M0SFET，特別是VDM0S，一般通過增加外延厚度和降低外延摻雜濃度的方式來提高擊穿電壓。但是隨著擊穿電壓的提高，外延層電阻迅速增大。這是在功率器件中產(chǎn)生的最重要問題之一，即既要有高的擊穿電壓又要有低的導(dǎo)通電阻，這兩者之間的關(guān)系成為制造高性能功率器件的障礙。 目前常見的功率半導(dǎo)體器件主要有VDMOS和IGBT兩種，但這兩種器件導(dǎo)通電阻Ron與擊穿電壓Vb之間存在Ron Vb2 5的近似關(guān)系，擊穿電壓越高，導(dǎo)通電阻越大。
為了克服傳統(tǒng)功率MOSFET器件中導(dǎo)通電阻與擊穿電壓之間的矛盾，目前提出了一種新的理想器件結(jié)構(gòu)，稱為超級(jí)結(jié)(super-junction)MOSFET器件,超級(jí)結(jié)MOSFET器件主要是利用超級(jí)結(jié)結(jié)構(gòu)。在超級(jí)結(jié)結(jié)構(gòu)中，包含η型雜質(zhì)的η型柱和包含P型雜質(zhì)的P型柱中的電荷相互平衡，使電場分布與傳統(tǒng)功率MOSFET中的電場分布不同，漂移區(qū)的臨界場強(qiáng)幾乎為恒定值。因此，擊穿電壓僅僅取決于外延層的厚度，而與摻雜濃度無關(guān)。外延層厚度越大，器件的擊穿電壓越大。
另外，超級(jí)結(jié)MOSFET器件中漂移層的濃度也可以做得較高，從而保證了較低的導(dǎo)通電阻。因此，為了獲得很高的擊穿電壓，器件必須做得比較厚。由于超級(jí)結(jié)是基于電荷補(bǔ)償原理，且是多子導(dǎo)電的器件，因此消除了 IGBT關(guān)斷時(shí)的拖尾延遲，把功率MOSFET的低開關(guān)損耗和IGBT的低導(dǎo)通損耗結(jié)合在一起，實(shí)現(xiàn)了器件導(dǎo)通電阻與擊穿電壓之間的最佳化設(shè)計(jì)。目前，利用超級(jí)結(jié)的MOSFET管已能提供高電壓及大電流。
目前，常用的高壓超級(jí)結(jié)MOSFET的制造大多采用多次外延和離子注入相結(jié)合(以下簡稱外延法)或采用 深槽刻蝕和外延再生長填充技術(shù)(以下簡稱挖槽法)的工藝方法。 以下分別對(duì)這兩種工藝方法進(jìn)行介紹。
一、外延法
首先在η型重?fù)诫s襯底上生長第一層η型輕摻雜外延層；接著在該η型輕摻雜外延層的預(yù)定位置注入預(yù)定劑量的P型輕摻雜雜質(zhì)，使該外延層中的η型雜質(zhì)的量與P型雜質(zhì)的量相匹配。由于需要在這一層外延中用離子注入的方法形成P區(qū)，所以每層外延的厚度不能太厚。對(duì)于高壓MOSFET晶體管來說，需要幾層η型輕摻雜外延層，并在每次外延之后要做P型輕摻雜雜質(zhì)離子注入，P型輕摻雜雜質(zhì)離子注入層經(jīng)過擴(kuò)散形成了上下形狀較一致氣泡狀相連且濃度擴(kuò)散均勻的P型輕摻雜柱狀結(jié)。由此，形成了相間排列的P型輕摻雜區(qū)與η型輕摻雜區(qū)。然后再做場氧、柵氧層、淀積多晶硅柵、p-body區(qū)注入退火、η型雜質(zhì)離子注入退火形成η型重?fù)诫s源區(qū)、淀積BPSG、刻蝕接觸孔、淀積金屬層等組成高壓MOSFET 結(jié)構(gòu)。
外延法制造的超級(jí)結(jié)中的P型輕摻雜柱狀結(jié)是經(jīng)過多次反復(fù)外延、氧化、光刻和硼離子注入而形成的。在工藝過程中，前次注入的硼離子會(huì)隨著后次外延而擴(kuò)散漂移，需要經(jīng)過大量實(shí)驗(yàn)來校準(zhǔn)。所以此過程需要精確控制硼離子注入劑量、窗口及退火時(shí)間，以形成上下形狀較一致氣泡狀相連且濃度擴(kuò)散均勻的柱狀結(jié)，實(shí)現(xiàn)超級(jí)結(jié)的電荷補(bǔ)償。而多次外延生長、離子注入和擴(kuò)散會(huì)產(chǎn)生大量的晶格缺陷，也會(huì)影響器件的可靠性。
二、挖槽法
如圖1a-1m所示，為現(xiàn)有技術(shù)中采用挖槽法制造超級(jí)結(jié)MOSFET單個(gè)元胞的制造工藝過程示意圖，包括以下步驟
步驟SlOl，提供η型重?fù)诫s半導(dǎo)體襯底10(V，例如電阻率為O. 003 Ω κπι、寬度為 12 μ m的半導(dǎo)體襯底。
步驟S102，在η型重?fù)诫s半導(dǎo)體襯底100'上生長一層較厚的η型輕摻雜外延層 200f，如圖1a所示。例如電阻率為5Ω · cm的襯底。
步驟S103，用光刻法定義出挖槽的區(qū)域300'，例如區(qū)域的寬度為4 μ m，并進(jìn)行硅刻蝕，如圖1b所示。
步驟S104，用外延法在硅片上挖槽的區(qū)域300 '內(nèi)生長一層p型輕摻雜外延層 600;，如圖1c所示。P型輕摻雜外延層60(V位于η型輕摻雜外延層40(V和η型輕摻雜外延層50(V之間。
步驟S105，采用化學(xué)機(jī)械拋光法將P型輕摻雜外延層60(V的厚度拋光至與η型輕摻雜外延層200'的厚度一致。
步驟S106，在半導(dǎo)體硅片上生長氧化層(F0X)。
步驟S107，通過光刻，界定出有源區(qū)，對(duì)場氧化層進(jìn)行刻蝕。
步驟S108，生長柵氧化層700'，在柵氧化層700'的表面淀積導(dǎo)電多晶硅800'， 如圖ld、le所示。
步驟S109，通過光刻，界定出多晶硅區(qū)域，進(jìn)行多晶硅刻蝕，如圖1f所示。
步驟S110，在整個(gè)半導(dǎo)體硅片表面進(jìn)行P型雜質(zhì)離子注入，前面工藝過程中形成的場氧和多晶硅區(qū)域可以界定形成P-body的區(qū)域90(V，如圖1g和Ih所示。例如界定 p-body區(qū)域?qū)挾葹? μ m,在1150°C下退火120min,退火過程中的橫向擴(kuò)散使得p_body區(qū)域90(V的表面寬度增大到約為9 μ m，同時(shí)P柱的寬度擴(kuò)散到約8 μ m。以一次離子注入方式形成p-body，再長時(shí)間高溫退火處理，退火時(shí)間長和退火溫度高都會(huì)影響P型輕摻雜區(qū)的橫向擴(kuò)散，橫向擴(kuò)散的寬度約為2 μ m,該橫向擴(kuò)散會(huì)中和η型輕摻雜區(qū)的有效載流子,導(dǎo)通電阻Ron會(huì)變大；如果P型輕摻雜區(qū)和η型輕摻雜區(qū)的寬度較小，在退火的過程中就會(huì)影響正常的Pnpn結(jié)構(gòu)，這會(huì)嚴(yán)重影響器件的性能。
/Jn ο
Im所示t
步驟S111，通過光刻，界定出源極區(qū)域1000'，11型雜質(zhì)離子注入，如圖1i和Ij所步驟S112，在整個(gè)半導(dǎo)體硅片表面淀積介質(zhì)層1100'，并回流，如圖1k所示。 步驟S113，通過光刻，界定出接觸孔區(qū)域，并進(jìn)行氧化層刻蝕，如圖11所示。步驟S114，淀積金屬層120(V，通過光刻，定義出刻蝕區(qū)域，進(jìn)行金屬刻蝕，如圖現(xiàn)有挖槽法在η型輕摻雜區(qū)上挖槽后外延生長P型輕摻雜區(qū)，保證η型輕摻雜區(qū)的摻雜濃度與P型輕摻雜區(qū)的摻雜濃度相匹配，達(dá)到電荷平衡，進(jìn)而形成相間排列的pnpn 型柱狀結(jié)構(gòu)。然而現(xiàn)有挖槽法的缺點(diǎn)在于，在此結(jié)構(gòu)上形成器件層的過程中，采用一次注入形成p-body，需要長時(shí)間高溫退火處理，以保證形成雜質(zhì)連續(xù)分布的預(yù)定結(jié)深。長時(shí)間的高溫退火會(huì)導(dǎo)致P-body和P型輕摻雜區(qū)發(fā)生橫向擴(kuò)散，從而導(dǎo)致P型輕摻雜區(qū)中的雜質(zhì)與η 型輕摻雜區(qū)中的雜質(zhì)相互中和，使得η型輕摻雜區(qū)中的η型載流子被部分中和。p-body和 P型輕摻雜區(qū)的橫向擴(kuò)散，導(dǎo)致左右兩邊的導(dǎo)電通道變窄，導(dǎo)通電阻增大，導(dǎo)通壓降增大，進(jìn)而影響超級(jí)結(jié)MOSFET的器件性能。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的旨在至少解決上述技術(shù)缺陷，特別是解決現(xiàn)有技術(shù)中由于p-body 形成時(shí)退火處理使得橫向擴(kuò)散引起的導(dǎo)通電阻過大的技術(shù)缺陷，提出一種超級(jí)結(jié)MOSFET 結(jié)構(gòu)。
為達(dá)到上述目的，本發(fā)明一方面提出一 種具有超級(jí)結(jié)的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的形成方法， 包括提供具有第一摻雜類型的半導(dǎo)體襯底；在所述半導(dǎo)體襯底之上分別形成第一摻雜區(qū)、第二摻雜區(qū)和第三摻雜區(qū)，所述第三摻雜區(qū)位于所述第一摻雜區(qū)和所述第二摻雜區(qū)之間，且所述第一摻雜區(qū)和第二摻雜區(qū)為第一摻雜類型，所述第三摻雜區(qū)為第二摻雜類型，其中，所述第一摻雜區(qū)和第二摻雜區(qū)的摻雜濃度小于所述半導(dǎo)體襯底的摻雜濃度，且所述第一摻雜區(qū)和第二摻雜區(qū)的摻雜濃度與所述第三摻雜區(qū)的摻雜濃度相互匹配；
向所述第三摻雜區(qū)，所述第一摻雜區(qū)和第二摻雜區(qū)的一部分至少兩次注入第二摻雜類型的雜質(zhì)離子以形成第二摻雜類型的體區(qū)，并進(jìn)行退火；在所述第一摻雜區(qū)、第二摻雜區(qū)和體區(qū)之上形成掩膜層；刻蝕所述掩膜層以形成有源區(qū)，其中，所述有源區(qū)包含在所述體區(qū)中；在所述第二摻雜類型的體區(qū)中形成第一摻雜類型的源極；在所述第一摻雜區(qū)、第二摻雜區(qū)、體區(qū)、源極上方形成介質(zhì)層；在所述介質(zhì)層中形成接觸孔區(qū)域；和形成金屬層，所述金屬層填充所述接觸孔區(qū)域。
本發(fā)明另一方面還提出了一種具有超級(jí)結(jié)的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，包括半導(dǎo)體襯底，所述半導(dǎo)體襯底為第一摻雜類型；分別形成在所述重?fù)诫s半導(dǎo)體襯底之上的第一摻雜區(qū)、第二摻雜區(qū)和第三摻雜區(qū)，所述第三摻雜區(qū)位于所述第一摻雜區(qū)和所述第二摻雜區(qū)之間，且所述第一摻雜區(qū)和第二摻雜區(qū)為第一摻雜類型，所述第三摻雜區(qū)為第二摻雜類型，其中，所述第一摻雜區(qū)和第二摻雜區(qū)的摻雜濃度小于所述半導(dǎo)體襯底的摻雜濃度，且所述第一摻雜區(qū)和第二摻雜區(qū)的摻雜濃度與所述第三摻雜區(qū)的摻雜濃度相互匹配；
形成在所述第三摻雜區(qū)頂部及所述第一摻雜區(qū)和第二摻雜區(qū)頂部部分區(qū)域的體區(qū)，所述體區(qū)為第二摻雜類型，其中，所述體區(qū)通過至少兩次注入第二摻雜類型的雜質(zhì)離子，及退火形成；形成在所述體區(qū)之中的第一摻雜類型的源極；形成在所述體區(qū)之上的接觸孔區(qū)域；以及填充所述接觸孔區(qū)域的金屬層。
本發(fā)明涉及不同能量多次離子注入形成p-body結(jié)構(gòu)的超級(jí)結(jié)半導(dǎo)體器件的一種方法。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明中，采用至少兩次注入第二摻雜類型的雜質(zhì)離子的方法形成體區(qū)，只需要短時(shí)間一定溫度的退火處理以激活離子注入的雜質(zhì)，能夠在一定范圍內(nèi)增大體區(qū)的橫向尺寸而增大其縱向尺寸。本發(fā)明產(chǎn)生的橫向擴(kuò)散較小，省去了傳統(tǒng)工藝中雜質(zhì)離子注入后長時(shí)間高溫度退火擴(kuò)散的過程，對(duì)于前面工序中形成的第三摻雜區(qū)沒有顯著影響，進(jìn)而對(duì)第三摻雜區(qū)的寬度更易控制，不會(huì)因長時(shí)間高溫度退火處理發(fā)生較大的橫向擴(kuò)散，保證了 pnpn結(jié)構(gòu)的有序排列，降低導(dǎo)通電阻，從而保證了具有超級(jí)結(jié)的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的工作性能。在多次雜質(zhì)離子注入后進(jìn)行短時(shí)間退火，不但有利于體區(qū)在橫向尺寸上有一定擴(kuò)展，也有利于消除雜質(zhì)離子注入和擴(kuò)散過程中產(chǎn)生的晶格缺陷，提高了具有超級(jí)結(jié)的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的性能。
本發(fā)明附加的方法和優(yōu)點(diǎn)將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變得明顯，或通過本發(fā)明的實(shí)踐了解到。
本發(fā)明上述的和/或附加的方法和優(yōu)點(diǎn)從下面結(jié)合附圖對(duì)實(shí)施例的描述中將變得明顯和容易理解，其中
圖1a-1l為現(xiàn)有技術(shù)中具有超級(jí)結(jié)的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的形成方法中間狀態(tài)示意圖1m為現(xiàn)有技術(shù)中具有超級(jí)結(jié)的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)示意圖2a_21為本發(fā)明實(shí)施例中具有超級(jí)結(jié)的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的形成方法中間狀態(tài)示意圖2m為本發(fā)明實(shí)施例的具有超級(jí)結(jié)的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
下面詳細(xì)描述本發(fā)明的實(shí)施例，所述實(shí)施例的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標(biāo)號(hào)表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附圖描述的實(shí)施例是示例性的，僅用于解釋本發(fā)明，而不能解釋為對(duì)本發(fā)明的限制。
下文的公開提供了許多不同的實(shí)施例或例子用來實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的不同結(jié)構(gòu)。為了簡化本發(fā)明的公開，下文中對(duì)特定例子的部件和設(shè)置進(jìn)行描述。當(dāng)然，它們僅僅為示例，并且目的不在于限制本發(fā)明。此外，本發(fā)明可以在不同例子中重復(fù)參考數(shù)字和/或字母。這種重復(fù)是為了簡化和清楚的目的，其本身不指示所討論各種實(shí)施例和/或設(shè)置之間的關(guān)系。此外，本發(fā)明提供了的各種特定的工藝和材料的例子，但是本領(lǐng)域普通技術(shù)人員 可以意識(shí)到其他工藝的可應(yīng)用于性和/或其他材料的使用。另外，以下描述的第一特征在第二特征之 “上”的結(jié)構(gòu)可以包括第一和第二特征形成為直接接觸的實(shí)施例，也可以包括另外的特征形成在第一和第二特征之間的實(shí)施例，這樣第一和第二特征可能不是直接接觸。
本發(fā)明提供了一種具有超級(jí)結(jié)的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的形成方法，如圖2a_21所示，為本發(fā)明實(shí)施例中具有超級(jí)結(jié)的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的形成方法的中間狀態(tài)示意圖。該方法包括以下步驟
步驟S201，提供重?fù)诫s的半導(dǎo)體襯底100。本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，半導(dǎo)體襯底 100可為第一摻雜類型，該第一摻雜類型為η型摻雜。當(dāng)然在本發(fā)明的其他實(shí)施例中，該第一摻雜類型可為P型摻雜。在該實(shí)施例中，半導(dǎo)體襯底100包括但不限于硅、鍺、鍺化硅、碳化硅、砷化鎵或者任何III/V族化合物半導(dǎo)體等。
步驟S202，在重?fù)诫s半導(dǎo)體襯底100上生長一層較厚的輕摻雜外延層200，如圖2a 所示。輕摻雜外延層200與半導(dǎo)體襯底100都為第一摻雜類型。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中， 半導(dǎo)體襯底100的摻雜類型為η型，外延層200的摻雜類型為η型。而在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例中，半導(dǎo)體襯底100的摻雜類型為P型，外延層200的摻雜類型為P型。在該步驟中所謂的輕摻雜，即輕摻雜外延層200的摻雜濃度小于重?fù)诫s半導(dǎo)體襯底100的摻雜濃度。
進(jìn)一步地，在該實(shí)施例中，輕摻雜外延層200的厚度由具有超級(jí)結(jié)的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu) (即MOSFET晶體管)的耐壓決定，如果MOSFET晶體管的擊穿電壓越大，則輕摻雜外延層200 越厚。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，具有超級(jí)結(jié)的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的擊穿電壓為600V，對(duì)應(yīng)的輕摻雜外延層厚度約為40 μ m。
步驟S203，在輕摻雜外延層200中形成凹槽300，如圖2b所示。本發(fā)明中，凹槽 300可以通過在輕摻雜外延層200中挖槽并進(jìn)行刻蝕形成。
步驟S204，在凹槽300中形成第三摻雜區(qū)600。在第三摻雜區(qū)600形成之后，輕摻雜外延層200就被分為第三摻雜區(qū)600兩側(cè)的第一摻雜區(qū)400和第二摻雜區(qū)500。本發(fā)明實(shí)施例中，第三摻雜區(qū)600可以通過在凹槽300中外延或者淀積輕摻雜半導(dǎo)體材料形成，其中，第三摻雜區(qū)600為第二摻雜類型。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，第一摻雜區(qū)400和第二摻雜區(qū)500的摻雜類型是η型，第三摻雜區(qū)600的摻雜類型是P型。在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例中，第一摻雜區(qū)400和第二摻雜區(qū)500的摻雜類型也可以是P型，而第三摻雜區(qū)600的摻雜類型也可以是η型。第一摻雜區(qū)400、第二摻雜區(qū)500和第三摻雜區(qū)600的厚度由具有超級(jí)結(jié)的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)(即MOSFET晶體管)的耐壓決定，如果MOSFET晶體管的擊穿電壓越大，則第一摻雜區(qū)400、第二摻雜區(qū)500和第三摻雜區(qū)600越厚。第三摻雜區(qū)600的寬度可以與第一摻雜區(qū)400和第二摻雜區(qū)500的寬 度相同，也可以不同。本發(fā)明的實(shí)施例中，第三摻雜區(qū)600的形狀可以是矩形、U型、梯形或其他形狀。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，第一摻雜區(qū)400、第二摻雜區(qū)500和第三摻雜區(qū)600的形狀是梯形。在本發(fā)明的實(shí)施例中，第三摻雜區(qū)600的摻雜濃度與第一摻雜區(qū)400和第二摻雜區(qū)500的摻雜濃度相互匹配。具體如何匹配如同現(xiàn)有技術(shù)所公知的，在此不再贅述。
步驟S205,米用化學(xué)機(jī)械拋光法對(duì)第三摻雜區(qū)600、第一摻雜區(qū)400、第二摻雜區(qū) 500進(jìn)行拋光，以將第三摻雜區(qū)600的厚度拋光至與第一摻雜區(qū)400、第二摻雜區(qū)500的厚度一致，如圖2c所示。
步驟S206，在第三摻雜區(qū)600頂部及第一摻雜區(qū)400和第二摻雜區(qū)500頂部的部分區(qū)域形成體區(qū)700，如圖2e所示。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中體區(qū)700可為U型體區(qū)，當(dāng)然在本發(fā)明的其他實(shí)施例中，該體區(qū)700也可為其他形狀，例如矩形等。具體地，通過光刻，在第一摻雜區(qū)400、第二摻雜區(qū)500和第三摻雜區(qū)600的頂部界定出雜質(zhì)離子注入的區(qū)域，而后采用不同能量的多次雜質(zhì)離子注入及短時(shí)間退火的方法形成體區(qū)700，如圖2d所示。在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，雜質(zhì)離子的注入次數(shù)約為3-5次，優(yōu)選為4次。例如采用注入濃度為lel3cnT3，注入能量分別為60KeV、400KeV、lOOOKeV、1800KeV進(jìn)行四次離子注入，在950°C 下退火30min。如果雜質(zhì)離子注入次數(shù)太多，則需要多次調(diào)節(jié)改變注入能量，會(huì)增加成本; 如果雜質(zhì)離子注入次數(shù)太少，則不能形成足夠大的體區(qū)700并且體區(qū)700中的雜質(zhì)離子不能連續(xù)分布。在本發(fā)明實(shí)施例中，采用不同能量的多次雜質(zhì)離子注入方法能夠在一定范圍內(nèi)增大體區(qū)700的橫向尺寸而增大其縱向尺寸。在多次雜質(zhì)離子注入后進(jìn)行短時(shí)間退火， 不但有利于體區(qū)700在橫向尺寸上有一定擴(kuò)展，也有利于消除雜質(zhì)離子注入和擴(kuò)散過程中產(chǎn)生的晶格缺陷，提高具有超級(jí)結(jié)的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的性能。同時(shí)，避免了傳統(tǒng)挖槽法工藝造成的技術(shù)缺陷，如長時(shí)間高溫退火會(huì)導(dǎo)致的第三摻雜區(qū)600發(fā)生橫向擴(kuò)散，第三摻雜區(qū)600與第一摻雜區(qū)400和第二摻雜區(qū)500中的雜質(zhì)離子相互中和，第一摻雜區(qū)400和第二摻雜區(qū)500中載流子被部分中和，導(dǎo)致左右兩邊的導(dǎo)電通道變窄，增大導(dǎo)通電阻，進(jìn)而增大導(dǎo)通壓降，影響具有超級(jí)結(jié)的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的器件性能。
步驟S207，在體區(qū)700、第一摻雜區(qū)400和第二摻雜區(qū)500之上形成柵氧化層800， 如圖2f所示。柵氧化層800可以采用外延或淀積的方式形成，如分子束外延、化學(xué)氣相沉積等。本發(fā)明的實(shí)施例中，柵氧化層800可以是傳統(tǒng)的SiO2,高k介質(zhì)材料、金屬柵介質(zhì)材料或本領(lǐng)域技術(shù)人員熟悉的其他常用介質(zhì)材料。
步驟S208，在柵氧化層800之上形成導(dǎo)電多晶硅層900，如圖2g所示。導(dǎo)電多晶硅層900可以采用外延或淀積的方式形成，如分子束外延、化學(xué)氣相沉積等。
步驟S209，通過光刻，界定出多晶硅區(qū)域，進(jìn)行多晶硅刻蝕，以在體區(qū)700之中形成有源區(qū)，如圖2h所示。
步驟S210，形成源極1000，如圖2i，2j所示。通過光刻，在體區(qū)700中界定出源極區(qū)域，進(jìn)行雜質(zhì)離子注入，并除去光刻膠，從而形成源極1000。本發(fā)明的實(shí)施例中，注入的雜質(zhì)離子類型為第一摻雜類型，即η型。當(dāng)然在本發(fā)明的其他實(shí)施例中，如果第三摻雜區(qū)600 的摻雜類型是η型，則在該步驟中注入的雜質(zhì)離子的類型是P型。在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，第三摻雜區(qū)600的摻雜類型是P型，注入的雜質(zhì)離子的類型是η型。在本發(fā)明的實(shí)施例中，漏極形成在襯底的背面，此為現(xiàn)有技術(shù)，因此在此不再贅述。
步驟S211，在步驟S210形成的結(jié)構(gòu)表面形成介質(zhì)層1100，并回流，如圖2k所示。 本發(fā)明中介質(zhì)層1100可以采用外延或淀積的方式形成，優(yōu)選淀積方式。在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，介質(zhì)層1100可采用硼磷娃玻璃(Boro-Phospho-Silicate-Glass, BPSG)。
步驟S212，在介質(zhì)層1100表面界定出接觸孔區(qū)域，如圖21所示。本發(fā)明中，接觸孔區(qū)域通過光刻及刻蝕形成。
步驟S213，在形成的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)表面淀積金屬層1200，如圖2m所示。金屬層1200 可通過光刻及金屬刻蝕形 成。本發(fā)明中金屬層1200所用的金屬可以包括但不限于Al、Cu、 Pt、N1、W、Er、T1、Yb或它們的合金。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，金屬層1200中的金屬采用 Al或Ti。在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，金屬層1200中的金屬采用Ni。
如圖2m所示，為具有超級(jí)結(jié)的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖。該具有超級(jí)結(jié)的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)包括半導(dǎo)體襯底100，形成在半導(dǎo)體襯底100之上的第一摻雜區(qū)400、第二摻雜區(qū)500 和第三摻雜區(qū)600。本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，半導(dǎo)體襯底100可為第一摻雜類型，該第一摻雜類型為η型摻雜。當(dāng)然在本發(fā)明的其他實(shí)施例中，該第一摻雜類型可為P型摻雜。在該實(shí)施例中，半導(dǎo)體襯底100包括但不限于硅、鍺、鍺化硅、碳化硅、砷化鎵或者任何III/V族化合物半導(dǎo)體等。第三摻雜區(qū)600位于第一摻雜區(qū)400和第二摻雜區(qū)500之間，且第一摻雜區(qū)400和第二摻雜區(qū)500為第一摻雜類型，第三摻雜區(qū)600為第二摻雜類型，其中，第一摻雜區(qū)400和第二摻雜區(qū)500的摻雜濃度小于半導(dǎo)體襯底100的摻雜濃度，且第一摻雜區(qū) 400和第二摻雜區(qū)500的摻雜濃度與第三摻雜區(qū)600的摻雜濃度相互匹配。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，第一摻雜區(qū)400和第二摻雜區(qū)500的摻雜類型為η型，第三摻雜區(qū)600的摻雜類型是P型。第一摻雜區(qū)400、第二摻雜區(qū)500和第三摻雜區(qū)600的厚度由具有超級(jí)結(jié)的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)(即MOSFET晶體管)的耐壓決定，如果MOSFET晶體管的擊穿電壓越大，則第一摻雜區(qū)400、第二摻雜區(qū)500和第三摻雜區(qū)600越厚。在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例中，第一摻雜區(qū)400和第二摻雜區(qū)500的摻雜類型也可以是P型，而第三摻雜區(qū)600的摻雜類型也可以是η型。第三摻雜區(qū)600的寬度可以與第一摻雜區(qū)400和第二摻雜區(qū)500的寬度相同，也可以不同。本發(fā)明的實(shí)施例中，第三摻雜區(qū)600的形狀可以是矩形、U型、梯形或其他形狀。 在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，第一摻雜區(qū)400、第二摻雜區(qū)500和第三摻雜區(qū)600的形狀是梯形。
該具有超級(jí)結(jié)的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)還包括形成在第三摻雜區(qū)600頂部及第一摻雜區(qū)400 和第二摻雜區(qū)500頂部部分區(qū)域的體區(qū)700。體區(qū)700為第二摻雜類型，體區(qū)700通過至少兩次注入第二摻雜類型的雜質(zhì)離子，及退火形成。在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，雜質(zhì)離子的注入次數(shù)約為3-5次，優(yōu)選為4次。如果雜質(zhì)離子注入次數(shù)太多，則需要多次調(diào)節(jié)改變注入能量，會(huì)增加成本；如果雜質(zhì)離子注入次數(shù)太少，則不能形成足夠大的體區(qū)700并且體區(qū)700 中的雜質(zhì)離子不能連續(xù)分布。在本發(fā)明實(shí)施例中，采用不同能量的多次雜質(zhì)離子注入方法能夠在一定范圍內(nèi)增大體區(qū)700的橫向尺寸而增大其縱向尺寸。在多次雜質(zhì)離子注入后進(jìn)行短時(shí)間退火，不但有利于體區(qū)700在橫向尺寸上有一定擴(kuò)展，也有利于消除雜質(zhì)離子注入和擴(kuò)散過程中產(chǎn)生的晶格缺陷，提高具有超級(jí)結(jié)的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的性能。同時(shí)，避免了傳統(tǒng)挖槽法工藝造成的技術(shù)缺陷，如長時(shí)間高溫退火會(huì)導(dǎo)致的第三摻雜區(qū)600發(fā)生橫向擴(kuò)散，第三摻雜區(qū)600與第一摻雜區(qū)400和第二摻雜區(qū)500中的雜質(zhì)離子相互中和，第一摻雜區(qū)400和第二摻雜區(qū)500中載流子被部分中和，導(dǎo)致左右兩邊的導(dǎo)電通道變窄，增大導(dǎo)通電阻，進(jìn)而增大導(dǎo)通壓降，影響具有超級(jí)結(jié)的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的器件性能。
該具有超級(jí)結(jié)的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)還包括形成在體區(qū)700之中的第一摻雜類型的源極 1000。源極1000是通過光刻，在體區(qū)700中界定出源極區(qū)域，進(jìn)行雜質(zhì)離子注入，并除去光刻膠而形成的。本發(fā)明的實(shí)施例中，注入的雜質(zhì)離子類型為第一摻雜類型，即η型。當(dāng)然在本發(fā)明的其他實(shí)施例中，如果第三摻雜區(qū)600的摻雜類型是η型，則在該步驟中注入的雜質(zhì)離子的類型是P型。在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，第三摻雜區(qū)600的摻雜類 型是P型，注入的雜質(zhì)離子的類型是η型。
該具有超級(jí)結(jié)的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)還包括形成在體區(qū)700之上的接觸孔區(qū)域1200。
該具有超級(jí)結(jié)的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)還包括填充在接觸孔區(qū)域1200的金屬層1300。金屬層1300可通過光刻及金屬刻蝕形成。本發(fā)明中金屬層1300所用的金屬可以包括但不限于 Al、Cu、Pt、N1、W、Er、T1、Yb或它們的合金。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，金屬層1300中的金屬采用Al或Ti。在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，金屬層1300中的金屬采用Ni。
以下為形成擊穿電壓為600V的具有超級(jí)結(jié)的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的一個(gè)具體實(shí)施例。
步驟S301，采用電阻率為0.003 Ω · cm的η型S i襯底，襯底寬度為12 μ m。
步驟S302，在Si襯底上生長一層電阻率為5 Ω · cm的η型輕摻雜外延層，外延層厚度約40 μ m。
步驟S303，用光刻法在外延層中形成寬度約為4 μ m的凹槽，凹槽深度約40 μ m。
步驟S304，采用外延方法向凹槽中填充電阻率約為5 Ω · cm的p型Si材料。
步驟S305，采用化學(xué)機(jī)械拋光法將P型Si材料的厚度拋光至與外延層厚度一致。
步驟S306，在半導(dǎo)體硅片表面進(jìn)行采用不同能量進(jìn)行4次p型雜質(zhì)離子注入(寬度約為8 μ m)，例如采用注入濃度為lel3cm-3，注入能量分別為60KeV、400KeV、lOOOKeV、 1800KeV進(jìn)行四次離子注入,在950°C下退火30min形成體區(qū),形成的體區(qū)寬度約為9 μ m,深度約為5 μ m。在第三摻雜區(qū)600頂部及第一摻雜區(qū)400和第二摻雜區(qū)500頂部的部分區(qū)域形成體區(qū)700。
步驟S307，采用化學(xué)氣相淀積法在半導(dǎo)體硅片表面淀積SiO2形成柵氧化層。
步驟S308，采用淀積法在柵氧化層表面形成淀積導(dǎo)電多晶硅，形成導(dǎo)電多晶硅層。
步驟S309，通過光刻，在柵氧化層上界定出多晶硅區(qū)域，進(jìn)行多晶硅刻蝕。
步驟S310，通過光刻和η型離子注入，在體區(qū)表面形成源極。
步驟S311，在步驟S310形成的結(jié)構(gòu)表面外延生長BPSG形成介質(zhì)層并回流。
步驟S312，通過光刻，在介質(zhì)層表面界定出接觸孔區(qū)域。
步驟S313,采用化學(xué)氣相淀積,在步驟S312形成結(jié)構(gòu)的表面淀積Ni,形成金屬層。
從以上描述中可以看出，本發(fā)明實(shí)施例中退火溫度約為900-950度，退火時(shí)間約為30分鐘，注入的劑量約為lX1013/cm3-2X1013/cm3，現(xiàn)有技術(shù)一般退火溫度為1100-1200 度，退火時(shí)間為100分鐘到130分鐘度。
在該發(fā)明中還公布了超級(jí)結(jié)管，單位面積的導(dǎo)通電阻Ron與擊穿電壓Vb之間的關(guān)系是Ron C V,3，這代表對(duì)通常耐壓層關(guān)系的一個(gè)突破，而M0SFET管其他的電性能也很好。
本發(fā)明中，采用不同能量多次雜質(zhì)離子注入方法形成體區(qū)，只需要短時(shí)間一定溫度的退火處理以激活離子注入的雜質(zhì)，能夠在一定范圍內(nèi)增大體區(qū)的橫向尺寸而增大其縱向尺寸。本發(fā)明產(chǎn)生的橫向擴(kuò)散較小，省去了注入后長時(shí)間高溫度退火擴(kuò)散的過程，對(duì)于前面工序中形成的第三摻雜區(qū)沒有顯著影響，進(jìn)而對(duì)第三摻雜區(qū)的寬度更易控制，不會(huì)因長時(shí)間高溫度退火處理發(fā)生較大的橫向擴(kuò)散，保證了 pnpn結(jié)構(gòu)的有序排序，降低導(dǎo)通電阻， 從而保證了器件的工作性能。在多次雜質(zhì)離子注入后進(jìn)行短時(shí)間退火，不但有利于體區(qū)在橫向尺寸上有一定擴(kuò)展，也有利于消除雜質(zhì)離子注入和擴(kuò)散過程中產(chǎn)生的晶格缺陷，提高具有超級(jí)結(jié)的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的性能。
盡管已經(jīng)示出和描述了本發(fā)明的實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，可以理解在不脫離本發(fā)明的原理和精神的情況下可以對(duì)這些實(shí)施例進(jìn)行多種變化、修改、替換和變型，本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求及其等同限定。
權(quán)利要求
1.一種具有超級(jí)結(jié)的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的形成方法，其特征在于，包括提供具有第一摻雜類型的半導(dǎo)體襯底；在所述半導(dǎo)體襯底之上分別形成第一摻雜區(qū)、第二摻雜區(qū)和第三摻雜區(qū)，所述第三摻雜區(qū)位于所述第一摻雜區(qū)和所述第二摻雜區(qū)之間，且所述第一摻雜區(qū)和第二摻雜區(qū)為第一摻雜類型，所述第三摻雜區(qū)為第二摻雜類型，其中，所述第一摻雜區(qū)和第二摻雜區(qū)的摻雜濃度小于所述半導(dǎo)體襯底的摻雜濃度，且所述第一摻雜區(qū)和第二摻雜區(qū)的摻雜濃度與所述第三摻雜區(qū)的摻雜濃度相互匹配；向所述第三摻雜區(qū)，所述第一摻雜區(qū)和第二摻雜區(qū)的一部分至少兩次注入第二摻雜類型的雜質(zhì)離子以形成第二摻雜類型的體區(qū)，并進(jìn)行退火；在所述第一摻雜區(qū)、第二摻雜區(qū)和體區(qū)之上形成掩膜層；刻蝕所述掩膜層以形成有源區(qū)，其中，所述有源區(qū)包含在所述體區(qū)中；在所述第二摻雜類型的體區(qū)中形成第一摻雜類型的源極；在所述第一摻雜區(qū)、第二摻雜區(qū)、體區(qū)、源極上方形成介質(zhì)層；在所述介質(zhì)層中形成接觸孔區(qū)域；和形成金屬層，所述金屬層填充所述接觸孔區(qū)域。
2.如權(quán)利要求1所述的具有超級(jí)結(jié)的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的形成方法，其特征在于，所述至少兩次注入第二摻雜類型的雜質(zhì)離子中每次注入能量不同。
3.如權(quán)利要求1所述的具有超級(jí)結(jié)的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的形成方法，其特征在于，所述第二摻雜類型的雜質(zhì)離子的注入次數(shù)為3-5次。
4.如權(quán)利要求1所述的具有超級(jí)結(jié)的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的形成方法，其特征在于，所述第一摻雜類型為N型或P型中的一種，所述第二摻雜類型為N型或P型中的另一種。
5.如權(quán)利要求1所述的具有超級(jí)結(jié)的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的形成方法，其特征在于，所述第一摻雜區(qū)、第二摻雜區(qū)和第三摻雜區(qū)的厚度由所述半導(dǎo)體器件的耐壓能力確定。
6.一種具有超級(jí)結(jié)的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其特征在于，包括半導(dǎo)體襯底，所述半導(dǎo)體襯底為重?fù)诫s的第一摻雜類型；分別形成在所述半導(dǎo)體襯底之上的第一摻雜區(qū)、第二摻雜區(qū)和第三摻雜區(qū)，所述第三摻雜區(qū)位于所述第一摻雜區(qū)和所述第二摻雜區(qū)之間，且所述第一摻雜區(qū)和第二摻雜區(qū)為第一摻雜類型，所述第三摻雜區(qū)為第二摻雜類型，其中，所述第一摻雜區(qū)和第二摻雜區(qū)的摻雜濃度小于所述半導(dǎo)體襯底的摻雜濃度，且所述第一摻雜區(qū)和第二摻雜區(qū)的摻雜濃度與所述第三摻雜區(qū)的摻雜濃度相互匹配；形成在所述第三摻雜區(qū)頂部及所述第一摻雜區(qū)和第二摻雜區(qū)頂部部分區(qū)域的體區(qū)，所述體區(qū)為第二摻雜類型，其中，所述體區(qū)通過至少兩次注入第二摻雜類型的雜質(zhì)離子，及退火形成；形成在所述體區(qū)之中的第一摻雜類型的源極；形成在所述體區(qū)之上的接觸孔區(qū)域；以及填充所述接觸孔區(qū)域的金屬層。
7.如權(quán)利要求6所述的具有超級(jí)結(jié)的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述至少兩次注入第二摻雜類型的雜質(zhì)離子中每次注入能量不同。
8.如權(quán)利要求6所述的具有超級(jí)結(jié)的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述第二摻雜類型的雜質(zhì)離子的注入次數(shù)為3-5次。
9.如權(quán)利要求6所述的具有超級(jí)結(jié)的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述第一摻雜類型為N 型或P型中的一種，所述第二摻雜類型為N型或P型中的另一種。
10.如權(quán)利要求6所述的具有超級(jí)結(jié)的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述第一摻雜區(qū)、第二摻雜區(qū)和第三摻雜區(qū)的厚度由所述半導(dǎo)體器件的耐壓能力確定。
全文摘要
本發(fā)明提出一種具有超級(jí)結(jié)的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的形成方法，包括提供具有第一摻雜類型的半導(dǎo)體襯底；在半導(dǎo)體襯底之上分別形成第一摻雜區(qū)、第二摻雜區(qū)和第三摻雜區(qū)，第三摻雜區(qū)位于第一摻雜區(qū)和所述第二摻雜區(qū)之間，且所述第一摻雜區(qū)和第二摻雜區(qū)為第一摻雜類型，第三摻雜區(qū)為第二摻雜類型；在第三摻雜區(qū)頂部形成體區(qū)；在第一摻雜區(qū)、第二摻雜區(qū)和體區(qū)上形成掩膜層；刻蝕掩膜層以形成有源區(qū)；在所述體區(qū)中形成源極；在第一摻雜區(qū)、第二摻雜區(qū)、體區(qū)上方形成介質(zhì)層；在介質(zhì)層中形成接觸孔區(qū)域；形成金屬層，所述金屬層填充所述接觸孔區(qū)域。發(fā)明中能夠形成有序的pnpn結(jié)構(gòu)，降低導(dǎo)通電阻，提高具有超級(jí)結(jié)的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的性能。
文檔編號(hào)H01L29/78GK103021856SQ20111030029
公開日2013年4月3日 申請(qǐng)日期2011年9月28日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月28日
發(fā)明者鐘樹理, 朱超群, 萬祎, 曾愛平, 陳宇 申請(qǐng)人:比亞迪股份有限公司