專利名稱：一種制備溝槽半導體功率分立器件的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及半導體功率分立器件技術領域，具體的說，涉及一種制備溝槽半導體功率分立器件的方法。
背景技術：
目前，功率MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor,金屬氧化物半導體場效應晶體管)已廣泛應用于各類電子、通訊產品中，同時，其在工業(yè)上也有多種應用。功率MOSFET所代表的功率半導體器件，由于導通電阻低且可高速開關，所以其可有效地控制高頻大電流。同時，功率MOSFET作為小型功率轉換元件正被廣泛地利用在例如功率放大器、功率轉換器、低噪音放大器以及一些個人計算機的電源部分開關、電源電路，其特點是低功耗、速度快。溝槽型功率M0SFET，因其具有結構上的高效以及導通電阻特性低的優(yōu)點，其作為電源控制用電子器件被廣泛應用。在現有的溝槽型功率MOSFET的設計和制造領域中，MOSFET的基區(qū)和源區(qū)是各自都需要基區(qū)掩模和源區(qū)掩模步驟引入的，而有些之前提出的，如公開了的美國專利文獻 US07799642，US20090085074, US20110233666, US20110233667 等，試圖省略基區(qū)或源區(qū)掩模步驟的制造方法，其步驟較為復雜，不易生成，而且制造出的半導體器件的終端(termination)結構不好，以至器件的擊穿電壓和可靠性也相對較差。
發(fā)明內容
本發(fā)明克服了現有技術中的缺點，提供了一種制備溝槽半導體功率分立器件的方法，其較之前的溝槽型功率分立器件制造方法步驟少，省略了基區(qū)或源區(qū)掩模步驟，降低了溝槽型功率分立器件的制造成本，進而提高了半導體器件的性能價格比，而且不影響溝槽型功率分立器件的電氣性能，質量和可靠性。本發(fā)明可用于制備12V至1200V的溝槽半導體功率分立器件。為了解決上述技術問題，本發(fā)明是通過以下技術方案實現的:一種制備溝槽半導體功率分立器件的方法，包括以下步驟:(I)利用溝槽掩模對襯底上的外延層注入P型摻雜劑形成P型基區(qū)，再在外延層上進行侵蝕而形成多個柵極溝槽；并向溝槽頂部的側壁注入N型摻雜劑，形成N型源；(2)在外延層表面沉積層間介質,再利用接觸孔掩模,對層間介質和外延層表面進行侵蝕形成接觸溝槽，并對接觸溝槽進行金屬插塞填充；(3)在器件的上表面沉積金屬層，利用金屬掩模進行金屬侵蝕，形成金屬墊層和連線。進一步，所述步驟(I)包括以下步驟:a、在外延層的上面形成氧化層，在氧化層上積淀光刻涂層，再通過溝槽掩模暴露出部分氧化層，對暴露出的部分氧化層進行干蝕，直至暴露出外延層，形成在氧化層上的多個溝槽掩模開孔，溝槽掩模開孔不是全都一樣大小，其中的寬度范圍是0.2um至2.0um，然后清除掉光刻涂層；b、在表面注入P型摻雜劑，有氧化層覆蓋的部分沒有被注入，沒有氧化層覆蓋的部分，P型摻雜劑會注入到外延層表面上，并通過一次高溫擴散作業(yè)將P型摻雜劑推進擴散到外延層內形成P型基區(qū)；C、通過刻蝕形成溝槽，該溝槽穿過P型基區(qū)延伸至外延層，對溝槽進行犧牲性氧化，然后清除掉所有氧化層；d、在溝槽暴露著的側壁和底部，以及外延層的上表面形成柵極氧化層，再在溝槽中沉積N型高摻雜劑的多晶硅，以填充溝槽并覆蓋頂面；e、對在外延層表面上的多晶硅層進行化學機械拋光或腐蝕，把從最表面至溝槽內頂部處外延層表面以下一段深度的多晶硅都清除掉，深度為外延層表面以下0.3um至
0.8um ；f、向溝槽頂部的側壁注入N型摻雜劑，并通過二次高溫擴散作業(yè)將N型摻雜劑推進擴散到P型基區(qū)中，在溝槽頂部側壁的外延層上形成N型源區(qū)。進一步，其特征在于，所述一次高溫擴散作業(yè)溫度為950至1200°C，時間為10分鐘至1000分鐘，所述二次高溫擴散作業(yè)溫度為950至1200°C，時間為10分鐘至100分鐘。進一步，所述步驟(I)在本發(fā)明的一種變型(embodiment)中包括以下步驟:在步驟c中，在刻蝕溝槽前，先沉淀一層氧化層并把在氧化層中的至少一個溝槽掩模開孔封上，這步驟的好處是使有些溝槽掩模的開孔有被P型摻雜劑注入但沒有N型摻雜劑注入，也沒有被開出溝槽，器件的終端結構更好，因而器件的擊穿電壓更高和更穩(wěn)定，然后對氧化層進行干蝕，清除開孔里的氧化層，暴露出開孔里的外延層；之后刻蝕溝槽。進一步，所述步驟(2)包括以下步驟:a、在最頂層表面沉積層間介質；b、通過接觸孔掩模對層間介質和外延層表面進行侵蝕，形成接觸孔溝槽，接觸孔溝槽穿過N型源區(qū)進行到P型基區(qū),接著對接觸孔溝槽注入P型高摻雜劑；C、在接觸孔溝槽側壁、底部以及層間介質表面上沉積一鈦層和氮化鈦層，并對接觸孔溝槽進行鎢填充以形成溝槽金屬插塞。進一步，其特征在于，在步驟a中，在最頂層表面依次沉積無摻雜二氧化硅和硼磷玻璃形成層間介質。進一步，所述步驟(3)中的金屬層為鋁銅合金。與現有技術相比，本發(fā)明的有益效果是:采用本發(fā)明的制備方法，省略了基區(qū)掩模和源區(qū)掩模的制備工序，使器件的制造成本得到了較大的降低；同時不會影響器件原有的電氣特性，從而增加了器件的性能價格t匕，而且不影響溝槽型功率MOSFET的質量和可靠性。
附圖用來提供對本發(fā)明的進一步理解，與本發(fā)明的實施例一起用于解釋本發(fā)明，并不構成對本發(fā)明的限制，在附圖中:
圖1是本發(fā)明實施例1的暴露氧化層示意圖；圖2是本發(fā)明實施例1的暴露外延層示意圖；圖3是本發(fā)明實施例1的注入P型摻雜劑示意圖；圖4是本發(fā)明實施例1的P型基區(qū)不意圖；圖5是本發(fā)明實施例1的溝槽示意圖；圖6是本發(fā)明實施例1的對溝槽進行犧牲性氧化處理示意圖；圖7是本發(fā)明實施例1的清除掉所有犧牲性氧化層示意圖；圖8是本發(fā)明實施例1的柵極氧化層示意圖；圖9是本發(fā)明實施例1的沉積高摻雜的多晶硅示意圖；圖10是本發(fā)明實施例1的多晶硅層被侵蝕至溝槽頂部下一段深度的示意圖；圖11是本發(fā)明實施例1的向溝槽頂部的側壁注入N型摻雜劑示意圖；圖12是本發(fā)明實施例1的N型源區(qū)示意圖；圖13是本發(fā)明實施例1的沉淀一層二氧化硅以填充溝槽頂部的示意圖；圖14是本發(fā)明實施例1的進行平面處理示意圖；圖15是本發(fā)明實施例1的層間介質示意圖；圖16是本發(fā)明實施例1的接觸孔溝槽示意圖；圖17是本發(fā)明實施例1的金屬插塞示意圖；圖18是本發(fā)明實施例1的銅鋁合金層示意圖；圖19是本發(fā)明實施例2(本發(fā)明的另一種變型)的銅鋁合金層示意圖。
具體實施例方式以下結合附圖對本發(fā)明的優(yōu)選實施例進行說明，應當理解，此處所描述的優(yōu)選實施例僅用于說明和解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。本發(fā)明所述的一種制備溝槽半導體功率分立器件的方法，包括以下步驟:首先利用溝槽掩模對襯底上的外延層注入P型摻雜劑形成P型基區(qū)，接著在外延層上進行侵蝕而形成多個柵極溝槽；并向溝槽頂部的側壁注入N型摻雜劑，形成N型源區(qū)；然后，在外延層表面沉積層間介質，再利用接觸孔掩模，對層間介質和外延層表面進行侵蝕形成接觸溝槽，并對接觸溝槽進行金屬插塞填充；最后，在器件的上表面沉積金屬層，利用金屬掩模進行金屬侵蝕，形成金屬墊層和連線。實施例1:如圖1所示，外延層生長在襯底的上方，首先在外延層的上面采用積淀或熱生長方式形成氧化層(厚度為0.3um至1.5um的氧化物硬光罩)，在氧化層上再積淀一層光刻涂層，然后通過溝槽掩模形成圖案暴露出氧化層的一些部分。如圖2所示，對暴露出的部分氧化層進行干蝕，直至暴露出外延層，形成開孔，然后清除掉光刻涂層。如圖3所示，對硅片表面注入P型摻雜劑(劑量為8el2/cm3至2el4/cm3)，有厚氧化層覆蓋的部分沒有被注入，沒有厚氧化層覆蓋的部分，P型摻雜劑會注入到外延層表面上，P型摻雜劑可采用Bll (硼boron)。如圖4所示，注入的P型摻雜劑通過一次高溫擴散作業(yè)(時間為10分鐘至1000分鐘，溫度為950°C至1200°C )被推進擴散到外延層中形成P型基區(qū)，這步驟所形成的P型基區(qū)深度(深度為1.0um至4.0um)并非最終深度，因為這步驟之后還有其它高溫作業(yè)，所以，這步驟所形成的基區(qū)深度要適當調整。如圖5所示，通過刻蝕形成溝槽，該溝槽(深度為1.0um至7.0um,寬度為0.2um至
2.0um)穿過P型基區(qū)延伸至N型外延層。如圖6所示，在形成溝槽后，對溝槽進行犧牲性氧化(時間為10分鐘至100分鐘，溫度為1000°C至1200°C )，以消除在開槽過程中被等離子破壞的硅層，犧牲性氧化作業(yè)將P型摻雜物進一步推進擴散到外延層。如圖7所示，清除掉溝槽的側壁和底部的氧化層，仍保留外延層上的氧化層。如圖8所示，并通過熱生長的方式，在溝槽暴露著的側壁和底部形成一層薄的柵極氧化層(厚度為0.02um至0.12um)。如圖9所示，在溝槽中沉積N型高摻雜劑的多晶硅，多晶硅摻雜濃度為Rs =5 Q/□至100Q/口(方阻)，以填充溝槽并覆蓋頂面。如圖10所示，接著對在外延層表面上的多晶硅層進行化學機械拋光和腐蝕處理，把從最表面至溝槽內頂部處外延層表面以下一段深度的多晶硅都清除掉，深度為外延層表面以下0.3um至0.8um。如圖11所示，向溝槽頂部的側壁注入N型摻雜劑(砷或磷:劑量為lel5/cm3至2el6/cm3)，高溫擴散后在溝槽頂部側壁的外延層上形成N型源區(qū)。如圖12所示，通過二次高溫擴散作業(yè)，溫度為950至1200°C，時間為10分鐘至100分鐘，使P型基區(qū)和N型源區(qū)推進擴散到外延層中(N型源區(qū)深度為0.4um至1.0um, P型基區(qū)深度為1.0um至4.5um)。如圖13所示，用LPCVD方法沉淀一層二氧化硅(厚度為0.05um至0.5um)以填充
溝槽頂部。如圖14所示，接著對在外延層表面上的氧化層進行化學機械拋光或腐蝕處理，把外延層表面上的氧化層都清除掉。如圖15所示，在外延層最表面上先沉積無摻雜二氧化硅層(厚度為0.1um至
0.5um),然后沉積硼磷玻璃(厚度為0.1um至0.8um)形成層間介質。如圖16所示，通過接觸孔掩模，對層間介質和外延層進行浸蝕，使接觸溝槽(深度為0.4um至1.0um,寬度為0.20um至1.0um)穿過N型源區(qū)進入到P型基區(qū)，之后對接觸孔溝槽注入P型高摻雜劑，雜劑濃度為IO14至5 X IO1Vcm3,以減少P型基區(qū)與金屬插塞間的接觸電阻，這有效地增加器件的安全使用區(qū)。如圖17所示，在接觸孔溝槽側壁、底部以及層間介質表面上依次沉積一層鈦和一層氮化鈦層，再對接觸孔溝槽進行鎢填充以形成溝槽金屬插塞。如圖18所示，在該器件的上表面沉積一層鋁銅合金(厚度為0.8um至IOum)，然后通過金屬掩模進行金屬浸蝕，形成金屬墊層和連線。實施例2:本實施例的技術方案與實施例1大致相同，其區(qū)別僅在于:在上述實施例1中圖5刻蝕溝槽前，先沉淀一層氧化層并把在氧化層中的溝槽掩模開孔寬度范圍由0.2um至0.6um的開孔封上，封上的開孔寬度可以是0.2um或0.3um或0.4um或0.5um或0.6um不等,視制備方法而定,這步驟的好處是使有些溝槽掩模的開孔有被P型摻雜劑注入但沒有N型摻雜劑注入，也沒有被開出溝槽，器件的終端結構更好，因而器件的擊穿電壓更高和更穩(wěn)定，然后對氧化層進行干蝕，清除開孔上的氧化層，暴露出開孔上的外延層；之后刻蝕溝槽，這時只有那些未被沉淀的氧化層封上的開孔才被開出溝槽，該溝槽(深度為1.011111至7.011111，寬度為0.211111至2.011111)穿過P型基區(qū)延伸至外延層，其他步驟和實施例1相同，器件的橫截面如圖19所示。 最后應說明的是:以上僅為本發(fā)明的優(yōu)選實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，本發(fā)明可用于涉及制備溝槽半導體功率分立器件(例如，溝槽絕緣柵雙極晶體管(TrenchIGBT)或溝槽二極管、溝槽有特基二極管)，本發(fā)明可用于制備12V至1200V的溝槽半導體功率分立器件，本發(fā)明的實施例是以N型通道器件作出說明，本發(fā)明亦可用于P型通道器件，盡管參照實施例對本發(fā)明進行了詳細的說明，對于本領域的技術人員來說，其依然可以對前述各實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分技術特征進行等同替換，但是凡在本發(fā)明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之。
權利要求
1.一種制備溝槽半導體功率分立器件的方法，其特征在于，包括以下步驟: (1)利用溝槽掩模對襯底上的外延層注入P型摻雜劑形成P型基區(qū)，再在外延層上進行侵蝕而形成多個柵極溝槽；并向溝槽頂部的側壁注入N型摻雜劑，形成N型源； (2)在外延層表面沉積層間介質，再利用接觸孔掩模，對層間介質和外延層表面進行侵蝕形成接觸溝槽，并對接觸溝槽進行金屬插塞填充； (3)在器件的上表面沉積金屬層，利用金屬掩模進行金屬侵蝕，形成金屬墊層和連線。
2.根據權利要求1所述的一種制備溝槽半導體功率分立器件的方法，其特征在于，所述步驟(1)包括以下步驟: a、在外延層的上面形成氧化層，在氧化層上積淀光刻涂層，接著通過溝槽掩模暴露出部分氧化層，對暴露出的部分氧化層進行干蝕，直至暴露出外延層，形成在氧化層上的多個溝槽掩模開孔，然后清除掉光刻涂層； b、在表面注入P型摻雜劑，有氧化層覆蓋的部分沒有被注入，沒有氧化層覆蓋的部分，P型摻雜劑會注入到外延層表面上，通過一次高溫擴散作業(yè)將P型摻雜劑推進擴散到外延層中形成P型基區(qū)； C、通過刻蝕在開孔處形成溝槽，該溝槽穿過P型基區(qū)延伸至外延層，對溝槽進行犧牲性氧化，然后清除掉所有氧化層； d、在溝槽暴露著的側壁和底部，以及外延層的上表面形成柵極氧化層，再在溝槽中沉積N型高摻雜劑的多晶硅，以填充溝槽并覆蓋頂面； e、對在外延層表面上的多晶硅層進行化學機械拋光或腐蝕，把從最上表面至溝槽內頂部處外延層表面以下一段深度的多晶硅都清除掉，深度為外延層表面以下0.3um至0.gum ； f、向溝槽頂部的側壁注入N型摻雜劑，再通過二次高溫擴散作業(yè)將N型摻雜劑推進擴散到P型基區(qū)中，在溝槽頂部側壁的外延層上形成N型源區(qū)。
3.根據權利要求2所述的一種制備溝槽半導體功率分立器件的方法，其特征在于，在步驟a中，所述的溝槽掩模開孔不是全都一樣大小，其中的寬度范圍是0.2um至2.0um。
4.根據權利要求2所述的一種制備溝槽半導體功率分立器件的方法，其特征在于，在步驟b中，P型摻雜劑是從溝槽掩模開孔處注入到外延層表面上。
5.根據權利要求2所述的一種制備溝槽半導體功率分立器件的方法，其特征在于，在步驟c中，在刻蝕溝槽前，在刻蝕溝槽前，先沉淀一層氧化層并把在氧化層中的至少一個溝槽掩模開孔封上，然后對氧化層進行干蝕，清除開孔里的氧化層，暴露出開孔里的外延層；之后刻蝕溝槽。
6.根據權利要求2所述的一種制備溝槽半導體功率分立器件的方法，其特征在于，在步驟d中，通過熱生長的方式，在溝槽暴露著的側壁和底部，以及外延層的上表面形成柵極氧化層。
7.根據權利要求2所述的一種制備溝槽半導體功率分立器件的方法，其特征在于，所述一次高溫擴散作業(yè)溫度為950至1200°C，時間為10分鐘至1000分鐘，所述二次高溫擴散作業(yè)溫度為950至1200°C，時間為10分鐘至100分鐘。
8.根據權利要求1所述的一種制備溝槽半導體功率分立器件的方法，其特征在于，所述步驟(2)包括以下步驟: a、在最頂層表面沉積層間介質；b、通過接觸孔掩模對層間介質和外延層表面進行侵蝕，形成接觸孔溝槽，接觸孔溝槽穿過N型源區(qū)進行到P型基區(qū)，之后對接觸孔溝槽注入P型高摻雜劑； C、在接觸孔溝槽側壁、底部以及層間介質表面上沉積一鈦層和氮化鈦層，再對接觸孔溝槽進行鎢填充以形成溝槽金屬插塞。
9.根據權利要求8所述的一種制備溝槽半導體功率分立器件的方法，其特征在于，在步驟a中，在最頂層表面依次沉積無摻雜二氧化硅和硼磷玻璃形成層間介質。
10.根據權利要求1所述的一種制備溝槽半導體功率分立器件的方法，其特征在于，所述步驟(3)中的金屬層為鋁銅合金。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種制備溝槽半導體功率分立器件的方法，包括以下步驟首先利用溝槽掩模對襯底上的外延層注入P型摻雜劑形成P型基區(qū)，再在外延層上進行侵蝕而形成多個柵極溝槽；并向溝槽頂部的側壁注入N型摻雜劑，形成N型源區(qū)；然后，在外延層表面沉積層間介質，再利用接觸孔掩模，對層間介質和外延層表面進行侵蝕形成接觸溝槽，并對接觸溝槽進行金屬插塞填充；最后，在器件的上表面沉積金屬層，利用金屬掩模進行金屬侵蝕，形成金屬墊層和連線，采用本制備方法，省略了基區(qū)掩模和源區(qū)掩模的制備工序，使器件的制造成本得到了較大的降低；同時不會影響器件原有的電氣特性，從而增加了器件的性能價格比。
文檔編號H01L21/336GK103187291SQ201110458250
公開日2013年7月3日 申請日期2011年12月29日 優(yōu)先權日2011年12月29日
發(fā)明者蘇冠創(chuàng) 申請人:立新半導體有限公司