一種改進型終端結構的溝槽功率mos器件的製作方法

2023-05-08 14:55:56 3

專利名稱：一種改進型終端結構的溝槽功率mos器件的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及功率MOS器件，特別涉及用4塊光刻版來實現的深溝槽功率MOS 器件，主要應用在20V 70V低壓功率MOS器件中。
背景技術：
深溝槽功率MOS器件是在平面式功率MOS器件的基礎上發展起來的。與平面式功 率MOS器件相比，其具有導通電阻低、飽和壓降低、開關速度快、溝道密度高、晶片尺寸小等 優點；採用溝槽式結構，消除了平面式功率MOS器件存在的寄生JFET(結型場效應管)效 應。目前深溝槽功率MOS器件已經發展成為中低壓大功率MOS器件的主流。隨著深溝槽大 功率MOS器件工藝技術的日漸成熟，市場競爭日趨激烈，一顆晶片的製造成本和利潤都已 經是按照多少分錢人民幣來計算。所以對於如何更進一步降低製造成本提高利潤率已成為 本領域技術人員最為關注的問題之一。提高集成度和減少光刻次數是最為有效的降低成 本的方法。但是集成度的提高受限制於半導體製造企業的設備能力以及工藝能力而難於實 現，或會對器件開關電性能帶來諸多負面問題。因此，優化器件結構，優化工藝製造流程，在 提高溝槽功率MOS性價比同時，提高器件的電性能是本領域研究的方向。現有的工藝過程中，製造一種深溝槽功率MOS器件，一般需要使用到5 7塊光刻 版。以6塊版為例，通常按照如下工藝流程製造完成第一步，提供第一導電類型的具有兩個相對主面的半導體外延層矽片；第二步，於第一主面上形成第一氧化矽層，即場氧化矽層；第三步，選擇性的掩蔽和刻蝕第一氧化矽層，定義有源區和終端保護區；(光刻版 1)第四步，於第一主面上形成第二氧化矽層，選擇性的掩蔽和刻蝕第二氧化矽層，剩 下的區域作為深溝槽刻蝕的硬掩膜；(光刻版2)第五步，利用硬掩膜層進行第一主面的深溝槽刻蝕，刻蝕完後把第二氧化矽層去 除；第六步，於第一主面及深溝槽壁生長形成第三氧化層，即柵氧化矽層；第七步，於第三氧化矽層表面形成導電多晶矽層；第八步，對導電多晶矽進行普遍刻蝕，形成在溝槽內的導電多晶矽；第九步，於具有場氧化矽層阻擋的第一主面中進行第二導電類型雜質離子注入， 並通過爐管推結形成元胞陣列和截止環兩者各自的第二導電類型摻雜區；第十步，利用掩蔽，進行第一導電類型雜質離子選擇性注入，並通過退火工藝形成 元胞陣列和截止環兩者各自的第一導電類型摻雜區；(光刻版3)第十一步，介質層澱積並選擇性的掩蔽和刻蝕，形成元胞陣列的接觸孔、保護環的 接觸孔和截止環接觸孔。並在接觸孔刻蝕完以後，進行接觸孔的第二導電類型雜質離子注 入以及RTA (快速熱退火)，形成第二導電類型摻雜區；(光刻版4)第十二步，於介質層表面形成金屬層，並選擇性的掩蔽和刻蝕金屬層；(光刻版5)
3[0016]第十三步，鈍化層澱積，並選擇性的掩蔽和刻蝕鈍化層；(光刻版6，可選)第十四步，背面減薄以及背面金屬層澱積形成漏電極。不計第十三步可選的製造過程，整個製造過程共涉及到5次光刻。一般而言，製造 費用是和其昂貴的光刻機在整個製造工藝中被使用到的次數密切相關的。如果能在現有 5次光刻的基礎上減少1次光刻，而不增加其他太多步驟，就可以將製造成本降低10% 15 %，這個數值對於半導體晶片行業將是一個很可觀的利潤增長點。公開號為CN101211981A的中國專利《一種深溝槽大功率MOS器件及其製造方法》 公開了一種4塊光刻版的器件結構。所用到的4塊光刻板分別是溝槽層光刻板1，源區層 光刻板2，接觸孔層光刻板3，金屬層光刻板4。如圖1所示(以採用兩個分壓溝槽為例)， 其特徵是P-阱6存在於整個器件區域，分壓保護區C和截止保護區D均採用浮置的溝槽 型導電多晶矽結構，即不與任何具有確定電位的電極相連。其存在的問題是該器件的分壓 保護區C，採用的是溝槽型導電多晶矽結構，兩個溝槽3a及3b之間的P-阱6a為浮置狀態， 浮置的P-阱6a電位容易受到外界環境的影響。MOS器件在柵源端接地時，漏極12加正向 偏置電壓，MOS器件的電壓主要由元胞區A最外緣的一個元胞結構的溝槽外側的P-阱和分 壓保護區C靠近元胞區A的溝槽3a進行分擔，而分壓保護區C其他的溝槽以及P-阱能起 到的分壓能力很小，這樣就會導致電場強度分布極不均勻，真正起到分壓作用的範圍很小， 大部分分壓保護區C分壓結構面積得不到充分利用。而且當提高漏極正向偏置電壓時，MOS 器件容易在局部區域過早擊穿，降低了器件的耐壓能力。且該結構由於分壓保護區和截止 保護區分別採用相互獨立的溝槽結構，需要佔用較大的晶片面積。實用新型的內容針對現有利用4塊光刻版來實現的深溝槽功率MOS器件的上述缺點，申請人進行 了改進研究，提出一種改進型終端結構的溝槽功率MOS器件，通過4塊光刻版的工藝製造流 程實現深溝槽功率MOS器件結構，其有較好的導通特徵電阻、擊穿耐壓、寄生電容等性能， 同時節省了終端保護結構所用的面積。本實用新型的技術方案如下一種改進型終端結構的溝槽功率MOS器件，包括位於半導體基板中心由元胞組成 的元胞區，以及元胞區外圍的終端保護結構，所述元胞區內的元胞通過位於溝槽內的導電 多晶矽並聯成整體；所述終端保護結構包括內側的分壓保護區和外側的截止保護區；所述分壓保護區和截止保護區使用同一個深溝槽；所述分壓保護區採用側壁保護結構，所述側壁保護結構由所述深溝槽及其側壁 殘留的導電多晶矽所形成；所述深溝槽位於第二導電類型層，其深度伸入到第二導電類型 層下方的第一導電類型外延層；所述深溝槽壁表面生長有絕緣柵氧化層，所述深溝槽靠元 胞區一側的側壁上有導電多晶矽；所述深溝槽由絕緣介質覆蓋，絕緣介質上覆蓋有金屬連 線.
一入 ，所述截止保護區採用接觸孔結構，所述接觸孔位於所述深溝槽內，其深度穿過深 溝槽下方的第一導電類型摻雜區，伸入到第一導電類型摻雜區下方的第一導電類型外延 層；所述接觸孔內填充有浮置的金屬連線；所述深溝槽從器件最外圍一圈的區域一直延伸到器件外的劃片道區域。所述深溝槽的深度大於元胞區內溝槽的深度。[0029]所述分壓保護區的金屬連線和截止保護區的金屬連線為同一金屬連線。所述元胞區溝槽內的導電多晶矽向分壓保護區和元胞區之間的區域延伸，延伸終 止端為一封閉環狀溝槽，其寬度大於元胞區內溝槽的寬度；柵電極引線孔開設在所述環狀 溝槽內，金屬連線與溝槽內的導電多晶矽相連。 上述技術方案中，對於N型深溝槽功率M0S器件，所述第一導電類型是N型，第二 導電類型是P型；對於P型深溝槽功率M0S器件，所述第一導電類型是P型，第二導電類型 是N型。本實用新型的有益技術效果是本實用新型與公開號為CN101211981A的中國專利相比，不同之處是分壓保護區 和截止環保護區使用了同一個大的深溝槽，其寬度從器件外圍一圈到器件外的劃片道區 域。分壓保護區是利用在深溝槽的側壁生長絕緣柵氧化層以及多晶矽刻蝕過程中會殘留在 溝槽側壁的導電多晶矽來實現分壓溝槽的效果。截止環保護區同樣是利用該大的深溝槽， 直接在溝槽內開接觸孔。分壓保護區和截止環保護區上的金屬連線為同一金屬連線，溝槽 為同一溝槽，這樣將分壓保護區和截止環保護區做得很緊湊，通過減少截止保護區與分壓 保護區的距離可以一定程度的減少整個終端保護結構的面積，同時對器件耐壓，導通電阻 都不會有影響。

圖1是CN101211981A公開的深溝槽功率M0S器件的截面圖。圖2是本實用新型的深溝槽功率M0S器件的俯視圖。圖3是本實用新型的深溝槽功率M0S器件的截面圖，沿圖3中X_X線剖開。圖4 8是本實用新型的深溝槽功率M0S器件在製造流程中各個工步的示意圖。圖9是CN101211981A公開的深溝槽功率M0S器件的仿真結果示意圖。圖10是本實用新型的深溝槽功率M0S器件的仿真結果示意圖。圖11是本實用新型的深溝槽功率M0S器件縮短截止保護區和分壓保護區距離後 的仿真結果示意圖。圖12是CN101211981A公開的深溝槽功率M0S器件的BV模擬曲線圖。圖13是本實用新型的深溝槽功率M0S器件的BV模擬曲線圖。圖14是本實用新型的深溝槽功率M0S器件縮短截止保護區和分壓保護區距離後 的BV模擬曲線圖。以上附圖中A、元胞區；B、柵電極引線終端區域；C、分壓保護區；D、截止保護區； E、主結；1、N+襯底；2、N-外延層；3、3a、3b、3'、3"溝槽；4、絕緣柵氧化層；5、5'、導電多 晶矽；6、6a、P-阱區；7、N+源極區；8、墊氧化層；9、第一介質層；10、第二介質層；11、電勢線 (實線)、12、漏端金屬(漏電極)；13、接觸孔；14、金屬連線；15、電流線(實線)；16、耗盡 層邊界(虛線)。
具體實施方式
以下結合附圖對本實用新型的具體實施方式
做進一步說明。圖2、圖3分別是本實用新型深溝槽大功率M0S器件俯視平面和剖面的示意圖。如圖2所示，本實用新型深溝槽大功率M0S器件半導體基板的中心區域為元胞區A ；如圖3所 示，元胞區A內的元胞通過位於溝槽內的導電多晶矽5並聯成整體。元胞區A頂部由完整 的金屬連線14層覆蓋，金屬連線14層將各個元胞在水平方向和垂直方向並聯，形成元胞 區，作為源極；第一介質層9和第二介質層10下面是溝槽內的導電多晶矽5連接成的一個 整體，並在元胞區A的邊緣通過條狀的溝槽內的導電多晶矽5引出(見圖2)，和元胞區A外 一圈的柵電極引線終端區域B相連接，形成柵電極。(注圖3中B區域下面的溝槽結構不 連續，故並不是所有截面都存在B區域。)元胞區A的外圍設有終端保護結構，本實施例的 終端保護結構由位於內圈的分壓保護區C和位於外圈的截止保護區D組成。如圖3所示，分壓保護區C和截止保護區D使用同一個深溝槽3 『，深溝槽3 『的寬 度從器件最外圍一圈的區域一直延伸到器件外的劃片道區域(所述劃片道區域為晶圓切 割時需要切開的區域，圖中未示出)。深溝槽3'的深度略大於元胞區A內溝槽3的深度。如圖3所示，分壓保護區C採用側壁保護結構，該側壁保護結構由深溝槽3'及其 側壁殘留的導電多晶矽5'所形成；深溝槽3'位於P-阱6層，其深度伸入到P-阱6層下 方的N-外延層2;深溝槽3'壁表面生長有絕緣柵氧化層4，深溝槽3'靠元胞區A—側的 側壁上有導電多晶矽5'；所述深溝槽3'由第一介質層9和第二介質層10覆蓋，第一介質 層9和第二介質層10均為絕緣介質，絕緣介質上覆蓋有金屬連線14。如圖3所示，截止保護區D採用接觸孔結構，接觸孔13位於所述深溝槽3'內，其 深度穿過深溝槽3'下方的N+源極區7，伸入到N-外延層2 ；接觸孔13內填充有浮置的金 屬連線14 ；分壓保護區C的金屬連線14和截止保護區D的金屬連線14為同一金屬連線。如圖3所示，元胞區A溝槽內的導電多晶矽5向分壓保護區C和元胞區S之間的 區域延伸，延伸終止端為一封閉環狀溝槽3"，其寬度大於元胞區A內溝槽3的寬度；柵電 極引線孔開設在環狀溝槽3"內，金屬連線14與環狀溝槽3"內的導電多晶矽相連。在相同條件下，對現有結構的M0S器件(專利CN101211981A)和本實用新型的M0S 器件的溝槽內導電多晶矽5、N+源極7短接接地，漏端金屬(漏電極)12加正向電壓，得到 M0S器件上電勢線的分布示意圖(圖9 圖11)和BV (擊穿電壓)模擬曲線圖(圖12 圖 14)。如圖9 圖11所示，位於P-阱6與N-外延層2上的耗盡層邊界(虛線)16間構 成了反向偏置PN結的耗盡層，耗盡層內的密集簇狀實線為電勢線11，電勢線11的密集程 度反應了此處的電場強度，垂直於電勢線11的實線為電流線15。從圖9的電勢線分布看， 現有結構的M0S器件存在的問題是a)耗盡層內的大多數的電勢線11在分壓保護區C(圖 1)對應的靠近元胞區的分壓溝槽3a的右側外壁及上方的絕緣介質層集中收斂，而分壓保 護區C內對應於相鄰兩個分壓溝槽3a、3b間的浮置P阱6a及所述浮置P阱層左側的分壓 溝槽3b的外壁只分布有少數電勢線11，因此會導致整個分壓保護區電場分布極不均勻，容 易出現過早的局部擊穿。b)現有結構P阱是貫穿於整個器件的，因為P阱貫穿於整個器件 區域，導致截止保護區的N+源極被包裹在P阱區裡面，這樣就實現不了正常的截止保護區 與漏電極通過N+襯底，N-外延層實現直接相連接的功能，從而就無法很好的體現截止保護 區利和漏電極等電位來實現器件表面電荷截止的功能，即現有結構的截止保護區並非真正 意義上的電荷截止區。從圖10的電勢線分布看，本實用新型M0S器件的電勢線11更為集 中的在大的深溝槽右側收斂，且收斂性非常好，能夠有效均勻的分散主結E處的電場強度，提高耐壓能力。圖10是與現有M0S器件的晶片面積相同的情況下，本實用新型的仿真結果示意 圖。圖11是在圖10的基礎上縮短截止保護區和分壓保護區距離後的仿真結果示意圖。對 比圖10和圖11可知，由於本實用新型的分壓保護區和截止保護區使用同一個深溝槽，因此 包含有較大的閒置面積，從而通過減少截止保護區到分壓保護區的距離，可以節省整個終 端保護結構的面積。如圖12 圖14所示，現有結構的M0S器件(專利CN101211981A)和本實用新型 的M0S器件的擊穿電壓都在20V以上。同時對比圖13和圖14可知，縮短截止保護區和分 壓保護區距離後，不會影響到器件的性能。上述實施例是以N型深溝槽功率M0S器件來加以描述的。本實用新型也可以用於 P型深溝槽功率M0S器件，僅需要將其中的摻雜類型或導電類型由P型改為N型、N型改為 P型即可。下面對本實用新型的終端保護結構的原理進行說明保護環結構的作用機理是，當器件處於正向偏置電壓下時(漏極加正向電壓，源 極和柵極接地)，將存在一個縱向的電場，電場強度最大點(即電力線最密集區)將存在於 主結E(元胞陣列中，由中心指向邊緣的最外的一個元胞，其溝槽外側指向保護環區方向的 P阱與N-外延層所形成的PN結為主結E)。除了漏極到源極之間的縱向電場外，同時還存 在從晶片外圍到中心元胞陣列區的橫向電場。當主結E反偏電壓的值逐漸增大到使主結 E的耗盡層延伸到終端保護環下面，保護環溝槽靠近元胞區方向的會存在一個很薄的耗盡 層，其自建電場和主結E外側耗盡層自建電場方向相反，因此可以將主結E處的電力線拉伸 使其平坦。這樣經過主結E區域電場強度會減弱，達到提高擊穿電壓的效果。截止環結構的作用機理是，截止環採用接觸孔結構，接觸孔內填充有金屬連線，金 屬連線通過接觸孔和下面的第一導電類型外延層形成等電勢，即當漏端加一個高電勢時， 該截止環區域的金屬連線也是處於高電位，即器件內部存在的微小漏電流(表面電子、電 荷)都會被截止區懸置的金屬連線吸收並截止掉。如圖4 8所示，為了更清楚的對本實用新型的器件結構進行說明，以下介紹製造 上述深溝槽功率M0S器件的方法步驟第一步，提供在N+襯底1上生長有N-外延層2的矽片；(見圖4)第二步，於N-外延層2上形成第一氧化矽層，即墊氧化層8，厚度從50埃到500 埃；(見圖4)第三步，於N-外延層2進行普遍的第二導電類型雜質離子注入，並通過爐管推結 形成第二導電類型摻雜區，即P-阱區6 ；(見圖4)第四步，於N-外延層2上形成第二氧化矽層，選擇性的掩蔽和刻蝕第二氧化矽層， 剩下的區域作為深溝槽刻蝕的硬掩膜；第五步，利用硬掩膜層進行深溝槽3刻蝕，刻蝕完後把第二氧化矽層去除；(見圖 5)第六步，於N-外延層2及深溝槽3壁生長形成第三氧化層，即柵氧化矽層4 ；(見 圖5)第七步，於柵氧化矽層4表面形成導電多晶矽層；[0067]第八步，對導電多晶矽進行普遍刻蝕，形成在溝槽內的導電多晶矽6 ；(見圖5)第九步，利用光刻版選擇性的掩蔽，進行N-外延層2中的N+雜質離子注入，再通 過退火工藝形成第一導電類型摻雜區，即N+源極區7 ；(見圖6)第十步，第一介質層9和第二介質層10澱積並選擇性的掩蔽和刻蝕，形成元胞陣 列和截止環的接觸孔13 ；(見圖7)第十一步，於第二介質層10表面以及接觸孔13內形成金屬層14，並選擇性的掩蔽 和刻蝕金屬層14;(見圖8)第十二步，背面減薄以及背面金屬層澱積形成漏電極12 ；(見圖8)在第十一步和第十二步之間還包括鈍化層澱積，選擇性的掩蔽和刻蝕鈍化層的步
馬聚o同樣，上述實施例是以N型深溝槽功率M0S器件的製造方法來加以描述的。本實 用新型也可以用於P型深溝槽功率M0S器件的製造方法，僅需要將其中的摻雜類型或導電 類型由P型改為N型、N型改為P型即可。以上所述的僅是本實用新型的優選實施方式，本實用新型不限於以上實施例。可 以理解，本領域技術人員在不脫離本實用新型的精神和構思的前提下，可以做出其他改進 和變化。
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權利要求一種改進型終端結構的溝槽功率MOS器件，包括位於半導體基板中心由元胞組成的元胞區，以及元胞區外圍的終端保護結構，所述元胞區內的元胞通過位於溝槽內的導電多晶矽並聯成整體；所述終端保護結構包括內側的分壓保護區和外側的截止保護區，其特徵在於所述分壓保護區和截止保護區使用同一個深溝槽；所述分壓保護區採用側壁保護結構，所述側壁保護結構由所述深溝槽及其側壁殘留的導電多晶矽所形成；所述深溝槽位於第二導電類型層，其深度伸入到第二導電類型層下方的第一導電類型外延層；所述深溝槽壁表面生長有絕緣柵氧化層，所述深溝槽靠元胞區一側的側壁上有導電多晶矽；所述深溝槽由絕緣介質覆蓋，絕緣介質上覆蓋有金屬連線；所述截止保護區採用接觸孔結構，所述接觸孔位於所述深溝槽內，其深度穿過深溝槽下方的第一導電類型摻雜區，伸入到第一導電類型摻雜區下方的第一導電類型外延層；所述接觸孔內填充有浮置的金屬連線；對於N型深溝槽功率MOS器件，所述第一導電類型是N型，第二導電類型是P型；對於P型深溝槽功率MOS器件，所述第一導電類型是P型，第二導電類型是N型。
2.根據權利要求1所述改進型終端結構的溝槽功率MOS器件，其特徵在於所述深溝 槽從器件最外圍一圈的區域一直延伸到器件外的劃片道區域。
3.根據權利要求1所述改進型終端結構的溝槽功率MOS器件，其特徵在於所述深溝 槽的深度大於元胞區內溝槽的深度。
4.根據權利要求1所述改進型終端結構的溝槽功率MOS器件，其特徵在於所述分壓 保護區的金屬連線和截止保護區的金屬連線為同一金屬連線。
5.根據權利要求1所述改進型終端結構的溝槽功率MOS器件，其特徵在於所述元胞 區溝槽內的導電多晶矽向分壓保護區和元胞區之間的區域延伸，延伸終止端為一封閉環狀 溝槽，其寬度大於元胞區內溝槽的寬度；柵電極引線孔開設在所述環狀溝槽內，金屬連線與 溝槽內的導電多晶矽相連。
專利摘要一種改進型終端結構的溝槽功率MOS器件，其分壓保護區和截止保護區使用同一個深溝槽；分壓保護區採用側壁保護結構，側壁保護結構由深溝槽及其側壁殘留的導電多晶矽所形成，深溝槽由絕緣介質覆蓋，絕緣介質上覆蓋有金屬連線；截止保護區採用接觸孔結構，接觸孔位於深溝槽內，其深度穿過深溝槽下方的第一導電類型摻雜區，伸入到第一導電類型摻雜區下方的第一導電類型外延層；接觸孔內填充有浮置的金屬連線。本實用新型的電勢線更為集中的在大的深溝槽右側收斂，且收斂性非常好，可以通過減少截止保護區到分壓保護區的距離來節省整個終端保護結構的面積，同時又不會影響到器件的性能。
文檔編號H01L29/06GK201708155SQ20102016862
公開日2011年1月12日 申請日期2010年3月12日 優先權日2010年3月12日
發明者丁磊, 冷德武, 葉鵬, 朱袁正 申請人:無錫新潔能功率半導體有限公司