本發(fā)明涉及半導體工藝，特別是涉及一種具有溝槽柵極結(jié)構(gòu)的半導體器件，還涉及一種具有溝槽柵極結(jié)構(gòu)的半導體器件的制造方法。

背景技術(shù)：

傳統(tǒng)具有溝槽柵極結(jié)構(gòu)的絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)一直通過壓縮孔、N型重摻雜區(qū)(NSD)的光刻和套刻尺寸，以便提升單位面積的溝槽(Trench)密度，來提升產(chǎn)品電流密度。但受限于工藝能力影響，無法無限制的提升溝槽的密度。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

基于此，有必要提供一種能夠提升溝槽密度的具有溝槽柵極結(jié)構(gòu)的半導體器件。

一種具有溝槽柵極結(jié)構(gòu)的半導體器件，包括漂移區(qū)、漂移區(qū)上的金屬電極、從金屬電極下方貫穿至漂移區(qū)的溝槽、溝槽內(nèi)表面的柵氧化層、以及溝槽內(nèi)的多晶硅柵極，還包括設(shè)于所述溝槽內(nèi)且在所述多晶硅柵極上方的介質(zhì)層，以及所述溝槽頂部兩側(cè)的摻雜區(qū)。

在其中一個實施例中，所述多晶硅柵極的頂部距所述溝槽頂部的距離為0.2微米～0.8微米，所述摻雜區(qū)的深度為0.4微米～1微米。

在其中一個實施例中，所述介質(zhì)層的材質(zhì)為硼磷硅玻璃、磷硅玻璃或者以正硅酸乙酯為氣體源制備的二氧化硅。

在其中一個實施例中，所述半導體器件為絕緣柵雙極型晶體管，包括漂移區(qū)上方的P型體區(qū)，所述溝槽從P型體區(qū)向下貫穿至所述漂移區(qū)，所述摻雜區(qū)為N型重摻雜區(qū)。

在其中一個實施例中，所述器件是場截止型絕緣柵雙極型晶體管，包括背面的場截止層、所述場截止層表面的P+層、以及所述P+層表面的背面金屬結(jié)構(gòu)。

在其中一個實施例中，所述半導體器件為垂直雙擴散金屬氧化物半導體場效應(yīng)晶體管，所述摻雜區(qū)為源極。

在其中一個實施例中，所述溝槽在器件橫截面上的延伸方向垂直于所述摻雜區(qū)在器件橫截面上的延伸方向。

還有必要提供一種具有溝槽柵極結(jié)構(gòu)的半導體器件的制造方法。

一種具有溝槽柵極結(jié)構(gòu)的半導體器件的制造方法，包括步驟：在襯底材料表面光刻和刻蝕形成溝槽；在溝槽的內(nèi)表面形成柵氧化層；淀積多晶硅并進行光刻和刻蝕，在溝槽內(nèi)的多晶硅頂部與溝槽頂部之間空出空間；注入雜質(zhì)并退火，在溝槽頂部的兩側(cè)形成摻雜區(qū)；淀積介質(zhì)并回刻，在溝槽頂部所述空間內(nèi)形成介質(zhì)層；在摻雜區(qū)和介質(zhì)層表面形成金屬電極。

在其中一個實施例中，所述淀積多晶硅并進行光刻和刻蝕，在溝槽內(nèi)的多晶硅頂部與溝槽頂部之間空出空間的步驟，形成的多晶硅頂部距所述溝槽頂部的距離為0.2微米～0.8微米；所述注入雜質(zhì)并退火，在溝槽頂部的兩側(cè)形成摻雜區(qū)的步驟，形成的摻雜區(qū)深度為0.4微米～1微米。

在其中一個實施例中，所述半導體器件為絕緣柵雙極型晶體管，所述襯底材料為N-型材料，所述在襯底材料表面光刻和刻蝕形成溝槽的步驟之前，還包括注入P型雜質(zhì)并推阱，形成P型體區(qū)的步驟；所述在摻雜區(qū)和介質(zhì)層表面形成金屬電極的步驟之后，還包括形成場截止層的步驟，形成場截止層表面的P+層的步驟，以及形成所述P+層表面的背面金屬結(jié)構(gòu)的步驟。

上述具有溝槽柵極結(jié)構(gòu)的半導體器件的制造方法，通過更改摻雜區(qū)和溝槽的設(shè)計，孔前淀積介質(zhì)層并回刻，可以避免使用孔板制作介質(zhì)層；同時，由于制作介質(zhì)層和摻雜區(qū)時不需要考慮與溝槽的對位，因此，可減小溝槽的間距而不會影響介質(zhì)層和摻雜區(qū)的制作，從而有效提升溝槽的單位密度，達到提高產(chǎn)品的電流密度的效果。同時由于不使用孔板，可以降低產(chǎn)品的生產(chǎn)成本，增強產(chǎn)品的競爭力。

附圖說明

通過附圖中所示的本發(fā)明的優(yōu)選實施例的更具體說明，本發(fā)明的上述及其 它目的、特征和優(yōu)勢將變得更加清晰。在全部附圖中相同的附圖標記指示相同的部分，且并未刻意按實際尺寸等比例縮放繪制附圖，重點在于示出本發(fā)明的主旨。

圖1是一實施例中溝槽內(nèi)的介質(zhì)層與摻雜區(qū)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2a是沿圖1的A——A’線的剖視圖，圖2b是沿圖1的B——B’線的剖視圖；

圖3是步驟S110完成后器件的剖面圖；

圖4是步驟S130完成后器件的剖面圖；

圖5是步驟S140完成后器件的剖面圖；

圖6是步驟S150完成后器件的剖面圖；

圖7是器件完成后的剖面圖；

圖8是一實施例中具有溝槽柵極結(jié)構(gòu)的半導體器件的制造方法的流程圖。

具體實施方式

為了便于理解本發(fā)明，下面將參照相關(guān)附圖對本發(fā)明進行更全面的描述。附圖中給出了本發(fā)明的首選實施例。但是，本發(fā)明可以以許多不同的形式來實現(xiàn)，并不限于本文所描述的實施例。相反地，提供這些實施例的目的是使對本發(fā)明的公開內(nèi)容更加透徹全面。

需要說明的是，當元件被稱為“固定于”另一個元件，它可以直接在另一個元件上或者也可以存在居中的元件。當一個元件被認為是“連接”另一個元件，它可以是直接連接到另一個元件或者可能同時存在居中元件。本文所使用的術(shù)語“豎直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及類似的表述只是為了說明的目的。

傳統(tǒng)的具有溝槽柵極結(jié)構(gòu)的絕緣柵雙極型晶體管，需要在兩個溝槽之間形成通孔，以實現(xiàn)正面的金屬電極與下方的硅的接觸。由于通孔也有最小條寬限制，無法做到非常??；同時為了保證器件參數(shù)質(zhì)量，通孔和溝槽之間也需要一定的空間保證，同時正面發(fā)射極注入也需要一定的尺寸來形成，這3方面導致了傳統(tǒng)技術(shù)的溝槽間距無法做小。

除非另有定義，本文所使用的所有的技術(shù)和科學術(shù)語與屬于本發(fā)明的技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員通常理解的含義相同。本文中在本發(fā)明的說明書中所使用的術(shù)語只是為了描述具體的實施例的目的，不是旨在于限制本發(fā)明。本文所使用的術(shù)語“及/或”包括一個或多個相關(guān)的所列項目的任意的和所有的組合。

本發(fā)明提供一種具有溝槽柵極結(jié)構(gòu)的半導體器件，包括漂移區(qū)、漂移區(qū)上的金屬電極、從金屬電極下方貫穿至漂移區(qū)的溝槽、溝槽頂部兩側(cè)的摻雜區(qū)、溝槽內(nèi)表面的柵氧化層、溝槽內(nèi)的多晶硅柵極，以及設(shè)于溝槽內(nèi)、多晶硅柵極上方的介質(zhì)層。該結(jié)構(gòu)無需形成前述用于實現(xiàn)正面的金屬電極與下方的硅的接觸的通孔，提升溝槽的單位密度，達到提高產(chǎn)品的電流密度的效果。同時由于不使用孔板，省去了相應(yīng)的涂膠，曝光，顯影，腐蝕，去膠等步驟，可以降低產(chǎn)品的生產(chǎn)成本，增強產(chǎn)品的競爭力。

圖1是一實施例中溝槽內(nèi)的介質(zhì)層與摻雜區(qū)的結(jié)構(gòu)示意圖，在該實施例中，器件為場截止型絕緣柵雙極型晶體管(FS-IGBT)，摻雜區(qū)是作為發(fā)射極的N型重摻雜區(qū)14。如圖所示，溝槽在圖1所在平面上的延伸方向垂直于N型重摻雜區(qū)14在圖1所在平面上的延伸方向，即溝槽在器件橫截面上的延伸方向垂直于N型重摻雜區(qū)14在器件橫截面上的延伸方向。圖2a、圖2b分別是沿圖1的A——A’線和B——B’線的剖視圖。FS-IGBT包括金屬電極11、介質(zhì)層12、多晶硅柵極13、N型重摻雜區(qū)14、體區(qū)15、柵氧層16、漂移區(qū)17、場截止層18、P+層19以及背面金屬結(jié)構(gòu)20。

圖8是上述具有溝槽柵極結(jié)構(gòu)的半導體器件的制造方法的流程圖。以制造場截止型絕緣柵雙極型晶體管(FS-IGBT)為例，包括下列步驟：

S110，在襯底材料表面光刻和刻蝕形成溝槽。

光刻和刻蝕形成溝槽22。在本實施例中，在步驟S110之前包括在N-型襯底材料(一般為FZ材料，作為漂移區(qū)17)正面進行P型雜質(zhì)注入并推阱，形成體區(qū)(body)15的步驟。由于是制造FS-IGBT，在形成體區(qū)15之前還包括對襯底材料進行背面N型雜質(zhì)注入并推阱，形成場截止層18的步驟。步驟S110完成后器件的剖面如圖3所示。制備場截止層18的步驟也可以放在后面的步驟進行，下文會具體介紹。當然，對于非FS型的器件則會省略制備場截止層18 的步驟。

S120，在溝槽內(nèi)表面形成柵氧化層。

在本實施例中，是在溝槽22的內(nèi)表面(即底面及側(cè)面)熱氧化生長柵氧化層16。

S130，淀積多晶硅并進行光刻和刻蝕，在溝槽內(nèi)的多晶硅頂部與溝槽頂部之間空出空間。

刻蝕后僅保留溝槽內(nèi)的多晶硅柵極13。注意淀積的多晶硅柵極13不應(yīng)將溝槽填滿，而是空出供后續(xù)步驟填入介質(zhì)層的空間。在本實施例中，多晶硅柵極13頂部應(yīng)比硅表面(溝槽頂部)低H＝0.2微米～0.8微米。步驟S130完成后器件的剖面如圖4所示。

S140，注入雜質(zhì)并退火，在溝槽頂部的兩側(cè)形成摻雜區(qū)。

在器件正面進行N型雜質(zhì)注入并退火，形成重摻雜區(qū)14。在本實施例中，重摻雜區(qū)14的深度在0.4～1微米左右。步驟S140完成后器件的剖面如圖5所示?？梢岳斫獾模捎诟鳁l溝槽22(溝槽22內(nèi)填充了柵氧化層16和多晶硅柵極13)的存在，無需使用掩膜版，重摻雜區(qū)14也會被溝槽22分隔為間隔排列的結(jié)構(gòu)，例如圖5中在橫向上被溝槽22分隔為3個的結(jié)構(gòu)。在其中一個實施例中，如果需要重摻雜區(qū)14形成特殊的圖案，例如圖1所示的4條橫條，則可以使用相應(yīng)圖案的光刻掩膜版實現(xiàn)。

S150，淀積介質(zhì)并回刻，在溝槽頂部形成介質(zhì)層。

淀積介質(zhì)，可以為硼磷硅玻璃(BPSG)，磷硅玻璃(PSG)或以正硅酸乙酯(TEOS)為氣體源形成的二氧化硅等，介質(zhì)會填入驟S130中空出來的空間以及整個晶圓(wafer)的表面，然后通過回刻去除晶圓表面的介質(zhì)，無需使用掩膜版就可在步驟S130中空出來的空間(也即溝槽22內(nèi))形成介質(zhì)層12。步驟S150完成后器件的剖面如圖6所示。

S160，在摻雜區(qū)和介質(zhì)層表面形成金屬電極。

形成正面金屬電極，可以為鋁，或者AlSi，AlSiCu等鋁合金。

步驟S160完成后可以對器件進行背面減薄，減薄后可以在背面制備場截止層18(對應(yīng)在前面的步驟中未形成場截止層18的實施例)。之后進行P+層19 的制備，具體可以是在背面進行P型雜質(zhì)注入并退火。注入離子可以為硼，注入劑量在1*10¹²～1*10¹⁶/cm²。退火溫度在300～500攝氏度，退火時間為10～200分鐘。最后進行背面金屬結(jié)構(gòu)的制備，一般為Al-Ti-Ni-Ag金屬結(jié)構(gòu)。完成后器件的剖面如圖7所示。

上述具有溝槽柵極結(jié)構(gòu)的半導體器件的制造方法，通過更改摻雜區(qū)和溝槽的設(shè)計，孔前采用回刻，可以避免使用孔板制作介質(zhì)層；同時，由于制作介質(zhì)層和摻雜區(qū)時不需要考慮與溝槽的對位，因此，可減小溝槽的間距而不會影響介質(zhì)層和摻雜區(qū)的制作，從而有效提升溝槽的單位密度，達到提高產(chǎn)品的電流密度的效果。同時由于不使用孔板，可以降低產(chǎn)品的生產(chǎn)成本，增強產(chǎn)品的競爭力。

以上所述實施例僅表達了本發(fā)明的幾種實施方式，其描述較為具體和詳細，但并不能因此而理解為對本發(fā)明專利范圍的限制。應(yīng)當指出的是，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進，這些都屬于本發(fā)明的保護范圍。因此，本發(fā)明專利的保護范圍應(yīng)以所附權(quán)利要求為準。