溝槽功率器件結構及其製造方法
2024-02-19 17:02:15 1
專利名稱：溝槽功率器件結構及其製造方法
技術領域：
本發明涉及一種半導體器件結構及其製造方法，尤其涉及一種溝槽功率器件結構及其製造方法。
背景技術：
金屬氧化物半導體場效應管(M0SFET)、絕緣柵雙極電晶體(IGBT)以及超勢壘二極體(SBD)等是幾種最為重要的功率器件。在工業電子，家電業以及消費電子諸領域都有它們的用武之地。開關電源電路，整流電路以及驅動電路中都離不開它們的身影。功率器件要求正向大電流，反向大電壓。自從功率器件發明起，提高其反向耐壓能力就成為一個重要課題。功率器件的耐壓能力由兩部分組成:一是有源區耐壓，二是終端耐壓，其中任何一方耐壓不夠，就沒辦法滿足要求。有源區的耐壓問題相對比較簡單，只要選擇合適的材料與工藝就能實現。而終端耐壓則不然，它不僅與材料和工藝有關，還和器件的終端結構有關，所以需要做特殊處理。如圖1所示，為不做任何改進的終端結構，由於第一等勢面20彎曲，電場匯集，抬高局部電場，致使耐壓降低，容易擊穿。於是便出現了很多新結構以提高終端耐壓能力，比如:L0C0S結構、分壓環結構、場板結構、溝槽隔離結構以及幾種組合結構等。以上所提及的改進結構，其基本思路無外乎增大等勢面曲率半徑，以達到降低表面電場或結電場的作用。如今，人們採取以上所述的終端結構或其中幾個的組合結構，設計出許多符合要求的功率器件，但總體來講，每個終端結構都有其不足之處。本發明以分壓環結構為例作詳細說明，其餘結構的不足之處不再做詳細說明。圖2給出一種分壓環結構，分壓環結構的基本思想也是終端增加一個或多個P區域使第二等勢面21外延，增加等勢面曲率半徑，分散電場以達到提高耐壓的目的，但其缺點也比較明顯，主要有以下幾點:一是工藝較為複雜，成本較高，至少需要五塊光刻版才能製作出一個完整的MOSFET或IGBT ;二是佔用尺寸大，比如製作一個30V器件需要40um以上的終端尺寸；三是尺寸大小需要根據耐壓的高低而調整，比如30V器件需要40um的終端尺寸，而1200V就需要400um以上的終端尺寸；四是漏電流大；五是易受外界環境影響，外界環境的變化會引起器件性能的改變，所以沒辦法保證器件性能的一致性與穩定性。
發明內容
有鑑於現有技術的上述缺陷，本發明所要解決的技術問題是提供一種溝槽功率器件結構及其製造方法，其工藝簡單，成本低廉，佔用尺寸少，耐壓適應範圍寬，漏電小以及性倉急為實現上述目的，本發明提供了一種溝槽功率器件結構，其特徵在於，所述溝槽功率器件結構包括有源區和終端兩部分，有源區和終端都位於一個基片上，有源區包括體區、源區、接觸孔、有源區溝槽、第一隔離層、源極金屬層，終端包括終端溝槽、第二隔離層、阻擋層、柵極金屬層，接觸孔位於體區和源區之間，第一隔離層位於有源區溝槽的上方，源極金屬層位於體區的上方、源區的上方、第一隔離層的上方、第二隔離層部分的上方，第二隔離層位於終端溝槽的上方，阻擋層位於終端溝槽內及外圍，柵極金屬層位於第二隔離層另一部分的上方。優選地，所述溝槽功率器件結構的形狀是條形或多邊形。本發明還提供一種溝槽功率器件結構的製造方法，其特徵在於，所述製造方法包括以下步驟:步驟一，在基片上澱積或熱生長硬掩膜，通過光刻和刻蝕工藝形成有源區溝槽與終端溝槽；步驟二，溼法或幹法完全去除硬掩膜，有源區溝槽內及外圍、終端溝槽內及外圍都澱積或熱生長一層阻擋層；步驟三，第二層光刻以打開有源區，通過溼法或幹法全部刻蝕掉有源區的阻擋層，保留終端的阻擋層；步驟四，源區溝槽填充第一柵氧與多晶矽作為柵極的導電材料，終端溝槽內填充第二柵氧與多晶矽作為柵極的導電材料；步驟五，有源區上形成體區與源區；步驟六，有源區溝槽內及外圍形成第一隔離層，終端溝槽內及外圍形成第二隔離層，第一隔離層和第二隔離層之間形成一個接觸孔；步驟七，第一隔離層的上方、體區的上方、源區的上方、第二隔離層的上方沉積一層源極金屬層和一層柵極金屬層。優選地，所述硬掩膜為厚度為2000A-20000A的物質層。優選地，所述步驟一先進行第一層光刻形成有源區溝槽的圖形與終端溝槽的圖形，硬掩膜溼法或幹法刻蝕到基片表面，溝槽幹法刻蝕，有源區溝槽的底部與終端溝槽的底部都圓滑刻蝕。優選地，所述第一柵氧與多晶矽的材料和第二柵氧與多晶矽的材料是一樣的，第一柵氧和第二柵氧都通過熱生長工藝形成的，多晶矽是澱積形成的且澱積到源區溝槽的表面水平位置、終端溝槽的表面水平位置。優選地，所述第一柵氧的厚度和第二柵氧的厚度都一樣，都為50A-3000A。優選地，所述步驟六的第一隔離層和第二隔離層都是澱積或熱過長厚度為2000A-20000A的氧化層形成的，通過第三層光刻形成接觸孔，溼法或幹法刻蝕隔離層到基片表面，幹法刻蝕基片0.3um — lum。本發明的有益效果是:一、工藝簡單，成本低，只用到四塊光刻版就可以完成MOSFET 與 IGBT 製作。二、終端尺寸小。如圖 3 所示為 30V NMOS TFSCTrench Field Stop,溝槽場截止)終端圖，IOum的終端就能實現30V耐壓，而傳統技術要實現同等性能，尺寸至少為40um，所以TFS技術僅佔傳統的1/4，甚至可以做到更小。三、漏電小。如圖4所示，上面的線條為傳統終端結構計算的30VM0SFET的擊穿電壓曲線，下面的線條為TFS的擊穿曲線。從圖中明顯看出，相同條件下，TFS結構比傳統結構的漏電低至少一個數量級。四、耐壓能力更強，如圖4所示，相同條件下，傳統技術在34V擊穿，而TFS到40V擊穿。五、可靠性能好，因為終止電場是橫向垂直溝槽，與表面電荷無關，所以不需要做鈍化保護就能實現高可靠性。
圖1是現有的終端結構的結構示意圖。圖2是現有的分壓環結構的結構示意圖。圖3是本發明溝槽功率器件中終端尺寸的示意圖。
圖4是本發明溝槽功率器件中漏電實驗的示意圖。圖5是本發明溝槽功率器件的結構示意圖。圖6是沿圖5的B-B方向的剖面圖。圖7是本發明形成源區溝槽與終端溝槽的示意圖。圖8是本發明形成阻擋層的示意圖。圖9是本發明刻蝕掉有源區的阻擋層的示意圖。圖10是本發明填充第一柵氧與多晶矽的示意圖。圖11是本發明形成體區與源區的示意圖。圖12是本發明形成第一隔離層和第二隔離層的示意圖。圖13是沿圖5的A-A方向的剖面圖，為本發明形成源極金屬層和柵極金屬層的示意圖。
具體實施例方式以下將結合附圖對本發明的構思、具體結構及產生的技術效果作進一步說明，以充分地了解本發明的目的、特徵和效果。如圖5、圖6、圖13所示，本發明溝槽功率器件包括有源區和終端兩部分(以一種功率器件MOSFET為例)，有源區和終端都位於一個基片上，有源區包括體區、源區、接觸孔、有源區溝槽、第一隔離層、源極金屬層，終端包括終端溝槽、第二隔離層、阻擋層、柵極金屬層，接觸孔位於體區和源區之間，第一隔離層位於有源區溝槽的上方，源極金屬層位於體區的上方、源區的上方、第一隔離層的上方、第二隔離層部分的上方，第二隔離層位於終端溝槽的上方，阻擋層位於終端溝槽內及外圍，柵極金屬層位於第二隔離層另一部分的上方。本發明溝槽功率器件結構的形狀可以是條形或多邊形等，可以根據需要更改為任意形狀，本發明列舉了一種四邊形結構。本發明溝槽功率器件有源區可以參考傳統的結構，以一定寬度的源區溝槽形成四條邊，裡面熱生長一層柵氧並填充多晶矽作為柵極的導電材料，溝槽所包圍的矽材料表面分別形成體區和源區並接著形成隔離層，最後形成接觸孔與金屬電極層。終端有別於以往所有的結構，實現溝槽隔離技術與阻擋層技術的完美結合，把終端電場終止於終端溝槽內偵牝從而避免了電場向終端延伸，起到提高擊穿電壓的作用，具體形成過程為:首先形成終端溝槽並在其內以及外圍澱積或熱生長一層阻擋層以阻擋後續的體區與源區在此區域之存在，然後與有源區同步生長一層柵氧並填充多晶矽作為柵極的導電材料，接著形成隔離層，最後形成接觸孔與金屬電極層。從以上所述可以看出，本發明的核心思想是通過形成終端溝槽與阻擋層使電場終止於並巧妙地使得等勢面垂直於終端溝槽內側，終端溝槽以外的區域不存在電場，這樣一來終端電場就接近於勻強電場，從而規避了圖1所示的終端電場密集現象，達到提高耐壓之目的。本發明溝槽功率器件結構的製造方法(以一種功率器件MOSFET為例)包括以下步驟:步驟一，如圖7所示，在基片I上澱積或熱生長厚度為2000A-20000A的物質層(t匕如氧化物或氮化物等)作為硬掩膜2，通過光刻和刻蝕工藝形成有源區溝槽3與終端溝槽4，具體來說先進行第一層光刻形成有源區溝槽的圖形與終端溝槽的圖形，硬掩膜溼法或幹法刻蝕到基片表面，溝槽幹法刻蝕，有源區溝槽的底部與終端溝槽的底部都圓滑刻蝕；步驟二，如圖8所示，溼法或幹法完全去除硬掩膜，有源區溝槽3內及外圍、終端溝槽4內及外圍都澱積或熱生長一層阻擋層(比如氧化物或氮化物等)5，即有源區和終端都有阻擋層，阻擋層5的厚度為2000A-20000A ；步驟三，如圖9所示，第二層光刻以打開有源區，通過溼法或幹法全部刻蝕掉有源區的阻擋層，保留終端的阻擋層；步驟四，如圖10和圖13所示，源區溝槽3填充第一柵氧31與多晶矽6作為柵極的導電材料，終端溝槽4內填充第二柵氧41與多晶矽7作為柵極的導電材料；第一柵氧與多晶矽的材料和第二柵氧與多晶矽的材料是一樣的，具體來說第一柵氧和第二柵氧都通過熱生長工藝形成的，多晶矽是澱積形成的且澱積到源區溝槽的表面水平位置、終端溝槽的表面水平位置。第一柵氧的厚度和第二柵氧的厚度都一樣，都為50A-3000A。步驟五，如圖11所示，有源區上形成體區8與源區9，具體的形成過程因產品性能不同而不同，差別比較大。體區的形成一般採用第三主組元素提供空穴，比如硼注入，然後熱過程推進形成合適的區域分部；源區的形成一般採用第五主組元素提供電子源，比如磷或砷注入，然後熱過程推進使形成合適的區域分部。總之一句話，和業界的傳統工藝類似，根據不同器件性能要求適當調整工藝條件。體區和源區注入的過程中，有源區是薄阻擋層，終端是厚阻擋層，所以體區和源區只存在於有源區，而不存在於終端。步驟六，如圖12所示，有源區溝槽3內及外圍形成第一隔離層10，終端溝槽4內及外圍形成第二隔離層11，第一隔離層10和第二隔離層11之間形成一個接觸孔12。第一隔離層和第二隔離層都是澱積或熱過長厚度為2000A-20000A的氧化層形成的，通過第三層光刻形成接觸孔，溼法或幹法刻蝕隔離層到基片表面，幹法刻蝕基片0.3um - lum。步驟七，如圖6和圖13所示,第一隔離層10的上方、體區8的上方、源區9的上方、第二隔離層11的上方沉積一層源極金屬層13和一層柵極金屬層14，完成本發明溝槽功率器件結構的製造。具體來說是蒸發或濺射lum-5um金屬層作為電極層，第四層光刻版定義柵、源極區域，通過溼法或幹法把源極金屬層和柵極金屬層刻開。本發明採用了現存半導體工藝技術中的特殊效應和工藝，以便更好地理解本發明結構的形成過程。首先，在溝槽刻蝕時利用了溝槽刻蝕的負載效應，所謂負載效應，簡單的講就是在刻蝕溝槽時由於尺寸不同所致刻蝕深度也不同，尺寸大的刻得深，尺寸小的刻的淺。在本發明中正是利用了這種刻蝕負載效應有意使外圍的終端溝槽刻蝕得深些，有源區中的有源溝槽刻蝕得淺些。外圍做的終端溝槽的深度需要大於結耗盡深度或寬度大於結耗盡寬度，這樣才能更好的阻斷電場。其次，在形成體區與源區的過程中利用了半導體中的自對準工藝，所謂自對準，簡單的講就是不需要光刻對位標識，前層的圖形直接決定後層圖形，也就是說在不添加光刻版的前提下保證後層的圖形與前層完全相同，前層圖形存在的區域後層也存在，前層圖形不存在的區域後層也不存在，或者與之恰好相反。在本發明中形成體區與源區是都利用了這種自對準工藝，從隔離溝槽(包括溝槽本身)往外(如圖5的B-B區域)，生長了一層很厚的隔離層，隔離層厚度以能阻擋後續的體注入和源注入為準，致使體注入的區域、源注入的區域都終止於截至終端溝槽的內側，如此一來電場只存在於截至終端溝槽的內側，而不會往外延伸，再加上P-N是垂直於終端溝槽側壁的而形成平行電場，也就不存在電場匯集等現象了，達到提高耐壓能力的目的，其實此阻擋層不單單為了阻擋體、源的注入，還有一個更重要的目的是防止溝槽底部的擊穿，這是因為溝槽底部，特別是底部的拐角處的電場很密集，容易引起擊穿，嚴重的會引起溝槽內隔離層的永久破壞，這點是半導體功率器件所不容許的，如果阻擋層已經增加了厚度，則可以有效避免以上事情的發生。本發明溝槽功率器件結構及其製造方法的工藝簡單，成本低廉，佔用尺寸少，耐壓適應範圍寬，漏電小以及性能穩定，可以用於MOSFET、IGBT、SBD中的任何一種。本發明溝槽功率器件結構及其製造方法取得以下效果:一、工藝簡單，成本低。只用到4塊光刻版就可以完成MOSFET與IGBT製作。二、終端尺寸小。如圖3所示為30V NMOS TFS終端圖，IOum的終端就能實現30V耐壓，而傳統技術要實現同等性能，尺寸至少為40um，所以TFS技術僅佔僅佔傳統的1/4，甚至可以做到更小。三、漏電小。如圖4所示，上面的線條為傳統終端結構計算的30V MOSFET的擊穿電壓曲線，下面的線條為TFS的擊穿曲線。從圖中明顯看出，相同條件下，TFS結構比傳統結構的漏電低至少一個數量級。四、耐壓能力更強，如圖4所示，相同條件下，傳統技術在34V擊穿，而TFS到40V擊穿。五、可靠性能好，因為終止電場是橫向垂直溝槽，與表面電荷無關，所以不需要做鈍化保護就能實現高可靠性。以上詳細描述了本發明的較佳具體實施例。應當理解，本領域的普通技術人員無需創造性勞動就可以根據本發明的構思做出諸多修改和變化。因此，凡本技術領域中技術人員依本發明的構思在現有技術的基礎上通過邏輯分析、推理或者有限的實驗可以得到的技術方案，皆應在由權利要求書所確定的保護範圍內。
權利要求
1.一種溝槽功率器件結構，其特徵在於，所述溝槽功率器件結構包括有源區和終端兩部分，有源區和終端都位於一個基片上，有源區包括體區、源區、接觸孔、有源區溝槽、第一隔離層、源極金屬層，終端包括終端溝槽、第二隔離層、阻擋層、柵極金屬層，接觸孔位於體區和源區之間，第一隔離層位於有源區溝槽的上方，源極金屬層位於體區的上方、源區的上方、第一隔離層的上方、第二隔離層部分的上方，第二隔離層位於終端溝槽的上方，阻擋層位於終端溝槽內及外圍，柵極金屬層位於第二隔離層另一部分的上方。
2.如權利要求1所述的溝槽功率器件結構，其特徵在於，所述溝槽功率器件結構的形狀是條形或多邊形。
3.一種溝槽功率器件結構的製造方法，其特徵在於，所述製造方法包括以下步驟:步驟一，在基片上澱積或熱生長硬掩膜，通過光刻和刻蝕工藝形成有源區溝槽與終端溝槽；步驟二，溼法或幹法完全去除硬掩膜，有源區溝槽內及外圍、終端溝槽內及外圍都澱積或熱生長一層阻擋層；步驟三，第二層光刻以打開有源區，通過溼法或幹法全部刻蝕掉有源區的阻擋層，保留終端的阻擋層；步驟四，源區溝槽填充第一柵氧與多晶矽作為柵極的導電材料，終端溝槽內填充第二柵氧與多晶矽作為柵極的導電材料；步驟五，有源區上形成體區與源區；步驟六，有源區溝槽內及外圍形成第一隔離層，終端溝槽內及外圍形成第二隔離層，第一隔離層和第二隔離層之間形成一個接觸孔；步驟七，第一隔離層的上方、體區的上方、源區的上方、第二隔離層的上方沉積一層源極金屬層和一層柵極金屬層。
4.如權利要求3所述的溝槽功率器件結構的製造方法，其特徵在於，所述硬掩膜為厚度為2000A-20000A的物質層。
5.如權利要求3所述的溝槽功率器件結構的製造方法，其特徵在於，所述步驟一先進行第一層光刻形成有源區溝槽的圖形與終端溝槽的圖形，硬掩膜溼法或幹法刻蝕到基片表面，溝槽幹法刻蝕，有源區溝槽的底部與終端溝槽的底部都圓滑刻蝕。
6.如權利要求3所述的溝槽功率器件結構的製造方法，其特徵在於，所述第一柵氧與多晶矽的材料和第二柵氧與多晶矽的材料是一樣的，第一柵氧和第二柵氧都通過熱生長工藝形成的，多晶矽是澱積形成的且澱積到源區溝槽的表面水平位置、終端溝槽的表面水平位置。
7.如權利要求3所述的溝槽功率器件結構的製造方法，其特徵在於，所述第一柵氧的厚度和第二柵氧的厚度都一樣，都為50A-3000A。
8.如權利要求3所述的溝槽功率器件結構的製造方法，其特徵在於，所述步驟六的第一隔離層和第二隔離層都是澱積或熱過長厚度為2000A-20000A的氧化層形成的，通過第三層光刻形成接觸孔，溼法或幹法刻蝕隔離層到基片表面，幹法刻蝕基片0.3um - lum。
全文摘要
本發明公開了一種溝槽功率器件結構及其製造方法，溝槽功率器件結構包括有源區和終端兩部分，有源區和終端都位於一個基片上，有源區包括體區、源區、接觸孔、有源區溝槽、第一隔離層、源極金屬層，終端包括終端溝槽、第二隔離層、阻擋層、柵極金屬層，接觸孔位於體區和源區之間，第一隔離層位於有源區溝槽的上方，源極金屬層位於體區的上方、源區的上方、第一隔離層的上方、第二隔離層部分的上方，第二隔離層位於終端溝槽的上方，阻擋層位於終端溝槽內及外圍，柵極金屬層位於第二隔離層另一部分的上方。本發明的工藝簡單，成本低廉，佔用尺寸少，耐壓適應範圍寬，漏電小以及性能穩定。
文檔編號H01L29/739GK103077960SQ20131003223
公開日2013年5月1日 申請日期2013年1月28日 優先權日2013年1月28日
發明者孫效中, 王凡, 張朝陽, 程義川 申請人:上海寶芯源功率半導體有限公司