CoolMOS的縱向區的製造方法
2023-05-26 23:53:11 2
專利名稱：CoolMOS的縱向區的製造方法
技術領域：
本發明涉及一種半導體器件的製造工藝，特別是涉及一種CoolMOS的製造工藝。
背景技術：
CoolMOS是一種新型的高壓MOS管，又稱超級結(Superjunction)MOS管。其優點 是在耐高壓工作的同時可以提供比傳統高壓MOS管小一個數量級的導通電阻；除低導通電 阻外，還具有低功耗和低開關時間的優勢。請參閱圖1，這是CoolMOS的基本結構示意圖。在重摻雜N型矽襯底10上生長有 一層輕摻雜N型外延層11，外延層11內具有P型縱向區12。該P型縱向區12上抵外延層 11上表面，下達外延層11內或者外延層11與矽襯底10的分界面。外延層11之上有二氧 化矽層13和多晶矽層14。二氧化矽層13兩側的外延層11內有P型體注入區15和重摻雜 N型源注入區16。該CoolMOS器件的柵極G是多晶矽層14，柵氧化層是二氧化矽層13，源 極S是源注入區16，漏極D是矽襯底10。CoolMOS器件的特徵是在N型外延層11引入了從外延層11的上表面向下延伸的 P型縱向區12。P型縱向區12的底部可以延伸到外延層11中，也可延伸至矽襯底10上表 面。這種結構導致MOS管在高壓工作狀態下除了產生縱向的從源極S到漏極D的縱向電場 夕卜，還有橫向的PN區出現的橫向電場。在兩個電場的共同作用下導致電場在橫向和縱向上 可均勻分布，從而實現在低電阻率外延層上製造高耐壓MOS管。圖1所示的CoolMOS是基於PMOS的，圖2給出了一種基於匪OS的CoolMOS基本 結構，其各部分的摻雜類型(P型、N型)與圖1完全相反。CoolMOS器件製造的難點在於形成較厚的外延層及其中較高的縱向區。典型的 CoolMOS器件出於耐高壓的需要，縱向區高度至少為30-40 μ m，外延層高度大於或等於縱 向區高度。請參閱圖3，這是一種現有的CoolMOS的縱向區的製造方法，以基於PMOS的 CoolMOS為例，包括如下步驟第1步，在N型矽襯底10上生長一層N型外延層11。第2步，採用光刻工藝，在N型外延層11中定義出離子注入窗口區110，其餘區域 被光刻膠20覆蓋，離子注入窗口 110的位置就是P型縱向區的位置。第3步，在離子注入窗口 110中採用離子注入工藝注入P型雜質，形成P型縱向區 12。重複上述第1-3步，直至達到預定的外延層11的厚度。此時，P型縱向區12也達 到了預定的高度。目前一次生長外延層+離子注入只能形成5-6 μ m高度的縱向區，需要多次重複生 長外延層+離子注入才能最終形成CoolMOS器件所需厚度的外延層及其中所需高度的縱向 區。因此這種方法工藝複雜，工藝時間很長，並且加工成本很高。
請參閱圖4，這是另一種現有的CoolMOS的縱向區的製造方法，仍以基於PMOS的CooIMOS為例，包括如下步驟 第1』步，在N型矽襯底10上生長一層N型外延層11，該外延層11的厚度就是 CooIMOS器件要求的外延層的厚度。第2』步，採用光刻和刻蝕工藝，在N型外延層11中刻蝕出溝槽110，溝槽110的位 置就是P型縱向區的位置，溝槽110的深度就是P型縱向區的高度。溝槽110的底部可以 在外延層11中，也可以到達矽襯底10的上表面。第3』步，在溝槽110中採用外延工藝澱積P型單晶矽，將溝槽110填充，形成P型 縱向區12。目前一次外延生長+溝槽刻蝕+外延澱積填充可以填充40-50 μ m的溝槽，但能做 到無空洞填充的溝槽深度在30 μ m以下。當CoolMOS器件要求30 μ m以上高度的縱向區時， 採用這種工藝所形成的縱向區12中有空洞120存在(如圖4所示)。
發明內容
本發明所要解決的技術問題是提供一種CoolMOS的縱向區的製造方法，該方法的 工藝簡單，所形成的縱向區中沒有空洞。為解決上述技術問題，本發明CoolMOS的縱向區的製造方法包括如下步驟第1步，採用外延工藝，在矽襯底上生長一層外延層；第2步，採用光刻工藝，在外延層上定義出離子注入窗口，離子注入窗口的位置就 是P型縱向區的位置；第3步，採用離子注入工藝，在離子注入窗口中注入雜質，形成縱向區；重複上述第1-3步，直至外延層11達到厚度a』，此時形成的總的外延層為第一外 延層，形成的總的縱向區為第一縱向區；第一縱向區底部在外延層下表面或更上方；第4步，採用外延工藝，在矽襯底上生長一層第二外延層，第二外延層的厚度為b， a，+b為CoolMOS器件要求的外延層的厚度；第5步，採用光刻和刻蝕工藝，在第二外延層中刻蝕出溝槽，溝槽的位置就是P型 縱向區的位置，溝槽的底部在第一縱向區上表面或更下方；第6步，在溝槽中採用外延工藝澱積單晶矽，將溝槽填充，形成第二縱向區，第二 縱向區與剩餘的第一縱向區的總高度為CoolMOS器件要求的縱向區的高度。本發明CoolMOS的縱向區的製造方法，結合了離子注入和溝槽填充兩種工藝。與 純粹地重複採用外延生長+離子注入工藝相比，改進了工藝過程過於複雜、工藝時間過長 的缺陷，提升了工藝效率。與純粹地外延生長+溝槽刻蝕+外延澱積填充工藝相比，克服了 填充物中存在空洞的缺陷。
圖1是一種基於PMOS的CoolMOS的基本結構示意圖；圖2是一種基於NMOS的CoolMOS的基本結構示意圖；圖3是一種現有的CoolMOS的縱向區的製造方法各步驟示意圖；圖4是另一種現有的CoolMOS的縱向區的製造方法各步驟示意圖5是本發明CoolMOS的縱向區的製造方法的部分步驟示意圖。圖中附圖標記說明10為矽襯底；11為外延層；110為離子注入窗口 ；111為溝槽；12為縱向區；120為 空洞；13為二氧化矽；14為多晶矽；15為體注入區；16為源注入區；20為光刻膠；21為第二 外延層；210為溝槽；22為第二縱向區。
具體實施例方式以基於PMOS的CoolMOS器件為例，本發明CoolMOS的製造方法包括如下步驟第1步，採用外延工藝，在重摻雜N型矽襯底10上生長一層輕摻雜N型外延層11。外延工藝是在單晶襯底上澱積單晶層，通常採用化學氣相澱積(CVD)設備。第2步，採用光刻工藝，在外延層11上定義出離子注入窗口 110，離子注入窗口 110的位置就是CoolMOS器件的P型縱向區的位置。所謂定義出離子注入窗口 110，是指在 矽片上塗布光刻膠20後，經過曝光、顯影等步驟去除離子注入窗口 110上方的光刻膠20，保 留其餘區域的光刻膠20。第3步，採用離子注入工藝，在離子注入窗口 110中注入P型雜質，形成P型縱向 區12，然後進行退火工藝。重複上述第1-3步，直至外延層11達到厚度a』，此時形成的總的外延層為第一外 延層11。此時形成的總的縱向區為第一縱向區12，高度為a。第一縱向區12的底部在第一 外延層11下表面或更上方，即a ≤a』。上述第1-3步請參考圖3所示，下面第4-6步請參閱圖5。第4步，採用外延工藝，在第一外延層11上生長一層第二外延層(輕摻雜N型)21， 第二外延層21的厚度為b，a』 +b為CoolMOS器件要求的外延層的厚度。第5步，採用光刻和刻蝕工藝，在第二外延層21中刻蝕出溝槽210，溝槽210的位 置就是P型縱向區的位置，溝槽210的底部或者在第一 P型縱向區12的上表面(如圖5 所示)，或者在第一 P型縱向區12上表面的更下方(即可以刻蝕掉部分的第一 P型縱向區 12)。第6步，在溝槽210中採用外延工藝澱積P型單晶矽，將溝槽210填充，所澱積的 P型單晶矽在溝槽210中形成第二 P型縱向區22，第二 P型縱向區22與剩餘的第一 P型縱 向區21的總高度為CoolMOS器件要求的P型縱向區的高度。此時，CoolMOS器件的縱向區已製造完成，接著在第二外延層21之上澱積一層二 氧化矽層作為柵氧化層，再在二氧化矽層之上澱積一層多晶矽層，再以光刻和刻蝕工藝刻 蝕出多晶矽柵極。接著在多晶矽柵極兩側採用離子注入工藝形成P型體注入區。最後在多 晶矽柵極兩側採用離子注入工藝形成N型源注入區。這一步與CMOS工藝中的多晶矽柵結 構製作、P阱注入、源注入工藝完全相同。最終在矽片表面(橫向)和體內(縱向)都形成 N型、P型相間的CoolMOS器件。上述方法第1-3步中，多次外延生長的外延層11具有相同的N型雜質濃度，這樣 第一外延層11就成為一個雜質濃度均勻的整體。上述方法第4步中，外延生長的第二外延 層21具有與第一外延層11相同的N型雜質濃度，這樣第二外延層21與第一外延層11就 成為一個雜質濃度均勻的整體，構成了 CoolMOS器件的完整的外延層。
上述方法第1-3步中，多次離子注入的P型縱向區12具有相同的P型雜質濃度， 這樣第一 P型縱向區12就成為一個雜質濃度均勻的整體。上述方法第4步中，外延澱積的 第二 P型縱向區22具有與第一 P型縱向區12相同的P型雜質濃度，這樣第二 P型縱向區 22與第一 P型縱向區12就成為一個雜質濃度均勻的整體，構成了 CoolMOS器件的完整的P 型縱向區。對於任意高度縱向區的CoolMOS器件，本發明原則上先考慮採用外延生長+溝槽 刻蝕+外延澱積填充工藝製造縱向區。若該工藝不足以形成完整且無空洞的縱向區，則在 減去該工藝能形成無空洞的縱向區的最大高度後，由一次或多次外延生長+離子注入工藝 製造。實際生產中，本發明先進行預定次數(由計算結果確定)外延生長+離子注入工 藝製造一部分高度的縱向區，再採用外延生長+溝槽刻蝕+外延澱積填充工藝製造剩餘部 分高度的縱向區，最終形成完整高度的縱向區。設CoolMOS器件要求的縱向區高度為X，Δ a為一次外延生長+離子注入工藝可制 造的縱向區高度，b為一次外延生長+溝槽刻蝕+外延澱積填充工藝可製造的無空洞的縱 向區高度設，C為採用外延生長+離子注入工藝的次數。則對於任意X，當X≤b時，則採用 一次外延生長+溝槽刻蝕+外延澱積填充工藝製造CoolMOS的縱向區。當X > b，則C = (x-b)/Aa,當c有小數則向上取整，如計算c為3. 01則向上取整c = 4。例如，X = 46 μ m, Aa = 5ym，b = 30μπι，則c = 4。實際製造具有46 μ m高度的縱向區的CoolMOS器件時， 先採用4次外延生長+離子注入工藝製造16-20 μ m高度的第一縱向區，再採用一次外延生 長+溝槽刻蝕+外延澱積填充工藝製造26-30 μ m高度的第二縱向區。 上述實施例中的CoolMOS器件均為基於PMOS的，本發明同樣可以應用於製造基於 NMOS的CoolMOS的縱向區，不同之處僅是將各部分摻雜類型(P型、N型)互換。
權利要求
一種CoolMOS的縱向區的製造方法，其特徵是，包括如下步驟第1步，採用外延工藝，在矽襯底上生長一層外延層；第2步，採用光刻工藝，在外延層上定義出離子注入窗口，離子注入窗口的位置就是CoolMOS的縱向區的位置；第3步，採用離子注入工藝，在離子注入窗口中注入雜質，形成縱向區；重複上述第1 3步，直至外延層達到厚度a』，此時形成的外延層總和為第一外延層，形成的縱向區總和為第一縱向區；第一縱向區的底部在外延層下表面或更上方；第4步，採用外延工藝，在矽襯底上生長一層第二外延層，第二外延層的厚度為b，a』+b為CoolMOS器件要求的外延層的厚度；第5步，採用光刻和刻蝕工藝，在第二外延層中刻蝕出溝槽，溝槽的位置就是縱向區的位置，溝槽的底部在第一縱向區上表面或更下方；第6步，在溝槽中採用外延工藝澱積單晶矽，將溝槽填充，形成第二縱向區，第二縱向區與剩餘的第一縱向區的總高度為CoolMOS器件要求的縱向區的高度。
2.根據權利要求1所述的CoolMOS的縱向區的製造方法，其特徵是，所述方法第1-3步中，矽襯底為重摻雜N型；重複生長的外延層均為輕摻雜N型，最終 形成第一外延層為輕摻雜N型；重複離子注入均為P型雜質，重複形成的均為P型縱向區， 最終形成第一縱向區為P型；所述方法第4-7步中，第二外延層為輕摻雜N型；溝槽中填充P型單晶矽，形成第二縱 向區為P型。
3.根據權利要求1所述的CoolMOS的縱向區的製造方法，其特徵是，所述方法第1-3步中，矽襯底為重摻雜P型；重複生長的外延層均為輕摻雜P型，最終 形成第一外延層為輕摻雜P型；重複離子注入均為N型雜質，重複形成的均為N型縱向區， 最終形成第一縱向區為N型；所述方法第4-7步中，第二外延層為輕摻雜P型；溝槽中填充N型單晶矽，形成第二縱 向區為N型。
4.根據權利要求2或3所述的CoolMOS的縱向區的製造方法，其特徵是，所述方法第1-3步中，重複生長的外延層均具有相同的雜質類型與雜質濃度，最終形 成第一外延層；所述方法第4步中，第二外延層與第一外延層具有相同的雜質類型與雜質濃度，共同 構成CoolMOS完整的外延層。
5.根據權利要求2或3所述的CoolMOS的縱向區的製造方法，其特徵是，所述方法第1-3步中，重複離子注入形成的縱向區具有相同的雜質類型與雜質濃度， 最終形成第一縱向區；所述方法第6步中，第二縱向區與第一縱向區具有相同的雜質類型與雜質濃度，共同 構成了 CoolMOS完整的縱向區。
6.根據權利要求1所述的CoolMOS的縱向區的製造方法，其特徵是，設CoolMOS的縱向 區高度為X，一次外延生長與離子注入工藝製造的最大縱向區高度為Δa，採用外延生長與 離子注入工藝的次數為c，c為正整數，一次外延生長與溝槽刻蝕與外延澱積填充工藝製造的無空洞的最大縱向區高度為b，則當χ > b，取c = (x-b)/Aa,當c有小數則向上取整。
全文摘要
本發明公開了一種CoolMOS的縱向區的製造方法，將CoolMOS的縱向區分為兩部分，先採用一次或多次外延生長+離子注入工藝製造一部分高度的縱向區，再採用外延生長+溝槽刻蝕+外延澱積填充工藝製造剩餘部分高度的縱向區，最終形成完整高度的縱向區。在此基礎上製造多晶矽柵結構、體注入、源注入最終形成CoolMOS器件。本發明具有較高的工藝效率，且縱向區中不會存在空洞。
文檔編號H01L21/336GK101989553SQ20091005773
公開日2011年3月23日 申請日期2009年8月7日 優先權日2009年8月7日
發明者劉遠良, 張帥 申請人:上海華虹Nec電子有限公司