溝槽型場效應電晶體及其製造方法
2023-04-23 02:19:56 1
溝槽型場效應電晶體及其製造方法
【專利摘要】本發明公開了一種溝槽型場效應電晶體，P阱形成於外延層的頂部區域；源區，形成於P阱的頂部區域；柵溝槽穿過源區和P阱；在柵溝槽底部填充有多晶矽柵、頂部填充有層間膜；各原胞結構的源區之間形成有P阱的接出區域，接出區域的頂部表面形成有P型重摻雜的P阱引出區、底部保持為P阱的摻雜條件；在源區、P阱引出區和層間膜的表面形成有由正面金屬層組成的源極，源極的正面金屬層直接同時接觸源區和P阱引出區。本發明不需要採用接觸孔來引出源極，能縮小原胞尺寸、提高溝道密度、降低導通電阻，還能降低工藝成本。
【專利說明】溝槽型場效應電晶體及其製造方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及半導體集成電路製造領域，特別是涉及一種溝槽型場效應電晶體；本發明還涉及一種溝槽型場效應電晶體的製造方法。
【背景技術】
[0002]隨著功率電子電路對工作開關頻率的要求越來越高，器件需要在較高的頻率下工作，傳統功率電晶體由於開關速度較低，已經不能滿足發展的要求。功率場效應管以其開關速度快、頻率性能好、輸入阻抗高、驅動功率小、溫度特性好、無二次擊穿問題等優點，在高頻應用範圍內將電力電子帶入了一個新的階段。
[0003]在低壓和超低壓應用方向中，由於耐壓要求不是很高，所以外延層可以做的較薄或者摻雜濃度可以較高，因此溝道電阻對通態電阻產生的影響相對增大。因此溝槽型場效應電晶體憑藉著較低的導通電阻在低壓範圍內得到了普遍應用。
[0004]如圖1所示，是現有溝槽型場效應電晶體的示意圖；現有溝槽型場效應電晶體由多個原胞結構並聯形成，包括:
[0005]N型襯底101以及形成於所述襯底101頂部表面的N型輕摻雜外延層102。
[0006]P阱105，形成於所述外延層102的頂部區域。
[0007]N型重摻雜的源區106，形成於所述P阱105的頂部區域。
[0008]多個柵溝槽，所述柵溝槽穿過所述源區106和所述P阱105並進入到所述P阱105底部的所述外延層102內；在所述柵溝槽的側面和底部表面形成有柵介質層如柵氧化層103，在所述柵溝槽內部填充有多晶矽柵104，所述多晶矽柵104側面覆蓋整個所述P阱105的縱向深度且被所述多晶矽柵104側面覆蓋的所述P阱105的表面用於形成連接所述源區106和所述外延層102的溝道；和一個所述溝道對應的所述多晶矽柵104、所述源區106和所述外延層102形成一個所述原胞結構。
[0009]層間膜108覆蓋在所述源區106和多晶矽柵104的頂部表面。所述源區106和所述P阱105需要通過接觸孔107引出，在現有技術中，兩個相鄰溝槽之間共用一個所述接觸孔107，所述接觸孔107需要穿過所述源區106和底部的所述P阱105接觸。所述接觸孔107的頂部和正面金屬層109接觸引出源極。柵極也通過位於原胞區域外的接觸孔107和正面金屬層109引出。在所述襯底101的背面形成有由背面金屬層110組成的漏極。
[0010]從圖1可以看出，現有器件的源區106和P阱105需要通過接觸孔107和正面金屬層108連接並實現源極的引出，因為形成接觸孔107除了本身具有一定的尺寸大小要求夕卜，還需要採用光刻刻蝕工藝形成，光刻刻蝕工藝有一定的對準要求，不僅工藝複雜，而且無法實現尺寸的縮小，所以接觸孔107的存在會使得各原胞也即各柵溝槽之間的間距無法縮小，使得原胞尺寸變大，器件的溝道密度變小，器件的導通電阻也會同時變小。
【發明內容】
[0011]本發明所要解決的技術問題是提供一種溝槽型場效應電晶體，能縮小原胞尺寸、提高溝道密度、降低導通電阻，還能降低工藝成本。為此，本發明還提供一種溝槽型場效應電晶體的製造方法。
[0012]為解決上述技術問題，本發明提供的溝槽型場效應電晶體包括:
[0013]N型襯底以及形成於所述襯底頂部表面的N型輕摻雜外延層。
[0014]P阱，形成於所述外延層的頂部區域。
[0015]N型重摻雜的源區，形成於所述P阱的頂部區域。
[0016]多個柵溝槽，所述柵溝槽穿過所述源區和所述P阱並進入到所述P阱底部的所述外延層內；在所述柵溝槽的側面和底部表面形成有柵介質層，在所述柵溝槽底部填充有多晶矽柵、頂部填充有層間膜，所述多晶矽柵側面覆蓋整個所述P阱的縱向深度且被所述多晶矽柵側面覆蓋的所述P阱的表面用於形成連接所述源區和所述外延層的溝道；和一個所述溝道對應的所述多晶矽柵、所述源區和所述外延層形成一個所述原胞結構。
[0017]各所述原胞結構的所述源區之間形成有所述P阱的接出區域，所述接出區域的頂部表面形成有P型重摻雜的P阱引出區，所述P阱引出區底部保持為所述P阱的摻雜條件。
[0018]在所述源區、所述P阱引出區和所述層間膜的表面形成有由正面金屬層組成的源極，所述源極的正面金屬層直接同時接觸所述源區和所述P阱引出區。
[0019]在所述襯底的背面形成有由背面金屬層組成的漏極。
[0020]進一步的改進是，在橫向結構上，各所述柵溝槽呈條形結構且平行排列，各所述接出區域也呈條形結構且平行排列，各所述接出區域的條形結構和所述柵溝槽的條形結構垂直。
[0021 ] 為解決上述技術問題，本發明提供的溝槽型場效應電晶體的製造方法包括如下步驟:
[0022]步驟一、在N型襯底上下形成N型輕摻雜外延層。
[0023]步驟二、採用光刻工藝定義出柵溝槽區域並採用幹法刻蝕工藝挖出柵溝槽。
[0024]步驟三、在所述柵溝槽的側面和底部表面形成柵介質層並澱積多晶矽將所述柵溝槽填滿。
[0025]步驟四、對所述多晶矽進行回刻，回刻後所述柵溝槽外部的所述多晶矽都被去除、所述柵溝槽區域內的所述多晶矽的頂部低於所述柵溝槽的頂部，由回刻後的位於所述柵溝槽中的所述多晶矽組成多晶矽柵。
[0026]步驟五、進行第一次P型離子注入形成P阱，所述P阱形成於所述外延層的頂部區域。
[0027]步驟六、採用掩膜板定義出源區區域，進行第二次N型離子注入在所述源區區域中形成N型重摻雜的源區，所述源區形成於所述P阱的頂部區域，被所述掩膜板所屏蔽的區域為接出區域並保持所述P阱的摻雜條件。
[0028]步驟七、對所述P阱和所述源區進行退火推進；退火推進後，所述多晶矽柵側面覆蓋整個所述P阱的縱向深度且被所述多晶矽柵側面覆蓋的所述P阱的表面用於形成連接所述源區和所述外延層的溝道；和一個所述溝道對應的所述多晶矽柵、所述源區和所述外延層形成一個所述原胞結構。
[0029]步驟八、在所述襯底正面澱積層間膜。
[0030]步驟九、對所述層間膜進行回刻直至所述源區和所述接出區域的表面露出，回刻後的所述層間膜僅填充於所述柵溝槽中並位於所述多晶矽柵頂部。
[0031]步驟十、進行第三次P型離子注入在所述接出區域的頂部表面形成P型重摻雜的P阱引出區。
[0032]步驟十一、澱積正面金屬層並對所述正面金屬層進行光刻刻蝕形成源極，所述源極的正面金屬層直接同時接觸所述源區和所述P阱引出區。
[0033]步驟十二、對所述襯底進行背面減薄並形成背面金屬層，由所述背面金屬層組成漏極。
[0034]進一步的改進是，步驟十一中的所述正面金屬層包括一個和所述源區和所述P阱引出區直接接觸的粘附層。
[0035]進一步的改進是，步驟十中所述第三次P型離子注入的注入雜質的注入劑量滿足使所述P阱引出區和所述源極的正面金屬層形成歐姆接觸。
[0036]進一步的改進是，步驟三中的所述柵介質層為採用熱氧化工藝形成的柵氧化層。
[0037]進一步的改進是，步驟八中所述層間膜的材料為氧化層。
[0038]進一步的改進是，步驟九中採用幹法刻蝕或溼法刻蝕或化學機械研磨工藝對所述層間膜進行回刻。
[0039]進一步的改進是，步驟五中在所述第一次P型離子注入之後，對所述P阱進行退火推進。
[0040]進一步的改進是，在橫向結構上，各所述柵溝槽呈條形結構且平行排列，各所述接出區域也呈條形結構且平行排列，各所述接出區域的條形結構和所述柵溝槽的條形結構垂直。
[0041]本發明中層間膜僅覆蓋在柵溝槽的多晶矽柵的頂部，源區和P阱頂部的層間膜都被去除，這樣源區和P阱是直接和正面金屬接觸來引出源極，所以本發明能省略現有技術中引出源極所需的接觸孔；現有技術中接觸孔需要採用光刻刻蝕工藝定義，而本發明的層間膜通過回刻就能將源區和P阱的表面露出，不需要採用光刻工藝，所以本發明不僅工藝簡單，而且能將原胞之間的間距做最小，這能大大縮小原胞尺寸，原胞尺寸的縮小也即提高了溝道密度，溝道密度的提高會降低器件的導通電阻，所以本發明能在相同特徵尺寸即工藝能力下，使產品獲得更優越的性能，同時還節省了生產成本和生產周期。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0042]下面結合附圖和【具體實施方式】對本發明作進一步詳細的說明:
[0043]圖1是現有溝槽型場效應電晶體的不意圖；
[0044]圖2A是本發明實施例溝槽型場效應電晶體的俯視圖；
[0045]圖2B是沿圖2A的箭頭線AA處的剖面圖；
[0046]圖2C是沿圖2A的箭頭線BB處的剖面圖；
[0047]圖3A-圖3K是本發明實施例溝槽型場效應電晶體的製造方法各步驟中的器件結構圖。
【具體實施方式】
[0048]如圖2A所示，是本發明實施例溝槽型場效應電晶體的俯視圖；圖2B是沿圖2A的箭頭線AA處的剖面圖；圖2(:是沿圖2A的箭頭線BB處的剖面圖；本發明實施例溝槽型場效應電晶體由多個原胞結構並聯形成，包括:
[0049]N型襯底I以及形成於所述襯底I頂部表面的N型輕摻雜外延層2。
[0050]P阱5，形成於所述外延層2的頂部區域。
[0051]N型重摻雜的源區6，形成於所述P阱5的頂部區域。
[0052]多個柵溝槽31，所述柵溝槽31穿過所述源區6和所述P阱5並進入到所述P阱5底部的所述外延層2內；在所述柵溝槽31的側面和底部表面形成有柵介質層如柵氧化層3，在所述柵溝槽31底部填充有多晶矽柵4、頂部填充有層間膜7，所述多晶矽柵4側面覆蓋整個所述P阱5的縱向深度且被所述多晶矽柵4側面覆蓋的所述P阱5的表面用於形成連接所述源區6和所述外延層2的溝道；和一個所述溝道對應的所述多晶矽柵4、所述源區6和所述外延層2形成一個所述原胞結構。
[0053]各所述原胞結構的所述源區6之間形成有所述P阱5的接出區域，所述接出區域的頂部表面形成有P型重摻雜的P阱引出區9，所述P阱引出區9底部保持為所述P阱5的慘雜條件。
[0054]較佳為，如圖2A所示，在橫向結構上，各所述柵溝槽31也即圖2A中的所述多晶矽柵4呈條形結構且平行排列，各所述接出區域也即圖2A中的露出的所述P阱5也呈條形結構且平行排列，各所述接出區域的條形結構和所述柵溝槽31的條形結構垂直。圖2A中僅給出了所述接出區域的一種結構，以方便讀者理解本發明實施例結構；實際上，根據實際需要，所述多晶矽柵4和所述接出區域可以做各種各樣的變化，總之，只要保證接出區域位於各所述原胞結構的所述源區6之間即可。
[0055]在所述源區6、所述P阱引出區9和所述層間膜7的表面形成有由正面金屬層8組成的源極，所述源極的正面金屬層8直接同時接觸所述源區6和所述P阱引出區9。所述源區6和所述P阱引出區9的摻雜濃度都要滿足和源極的正面金屬層8形成良好的歐姆接觸。
[0056]在所述襯底I的背面形成有由背面金屬層組成的漏極。所述襯底I的摻雜濃度為重摻雜且作為器件的漏區，能和背面金屬層形成良好的歐姆接觸。
[0057]柵極由位於原胞區域外的穿過所述層間膜7的接觸孔和正面金屬層8連接引出。
[0058]如圖3A至圖3K所示，是本發明實施例溝槽型場效應電晶體的製造方法各步驟中的器件結構圖。本發明實施例溝槽型場效應電晶體的製造方法包括如下步驟:
[0059]步驟一、如圖3A所示，在N型襯底I上下形成N型輕摻雜外延層2。
[0060]步驟二、如圖3A所示，採用光刻工藝定義出柵溝槽31區域並採用幹法刻蝕工藝挖出柵溝槽31。
[0061]步驟三、如圖3B所示，在所述柵溝槽31的側面和底部表面形成柵介質層3並澱積多晶矽4將所述柵溝槽31填滿。較佳為，所述柵介質層3為採用熱氧化工藝形成的柵氧化層O
[0062]步驟四、如圖3C所示，對所述多晶矽4進行回刻，回刻後所述柵溝槽31外部的所述多晶矽4都被去除、所述柵溝槽31區域內的所述多晶矽4的頂部低於所述柵溝槽31的頂部，由回刻後的位於所述柵溝槽31中的所述多晶矽4組成多晶矽柵4。
[0063]步驟五、如圖3D所示，進行第一次P型離子注入形成P阱5，所述P阱5形成於所述外延層2的頂部區域。
[0064]步驟六、如圖3D所示，採用掩膜板定義出源區6區域，進行第二次N型離子注入在所述源區6區域中形成N型重摻雜的源區6，所述源區6形成於所述P阱5的頂部區域；如圖3E所示，被所述掩膜板所屏蔽的區域為接出區域並保持所述P阱5的摻雜條件。橫向結構請參考圖2A所示，在橫向結構上，各所述柵溝槽31也即所述多晶矽柵4呈條形結構且平行排列，各所述接出區域也即圖2A中的所述P阱5也呈條形結構且平行排列，各所述接出區域的條形結構和所述柵溝槽31的條形結構垂直。
[0065]步驟七、如圖3D所示，對所述P阱5和所述源區6進行退火推進；退火推進後，所述多晶矽柵4側面覆蓋整個所述P阱5的縱向深度且被所述多晶矽柵4側面覆蓋的所述P阱5的表面用於形成連接所述源區6和所述外延層2的溝道；和一個所述溝道對應的所述多晶矽柵4、所述源區6和所述外延層2形成一個所述原胞結構。
[0066]步驟八、如圖3F所示，在所述襯底I正面澱積層間膜7 ;圖3G為原胞區域外的示意圖。較佳為，所述層間膜7的材料為氧化層。
[0067]步驟九、如圖3H所示，對所述層間膜7進行回刻直至所述源區6和所述接出區域的表面露出，回刻後的所述層間膜7僅填充於所述柵溝槽31中並位於所述多晶矽柵4頂部。圖31為原胞區域外的示意圖。較佳為，採用幹法刻蝕或溼法刻蝕或化學機械研磨工藝對所述層間膜7進行回刻。
[0068]步驟十、如圖3K所示，進行第三次P型離子注入在所述接出區域的頂部表面形成P型重摻雜的P阱引出區9。圖3J為原胞區域的示意圖。
[0069]步驟^^一、如圖2B所示，澱積正面金屬層8並對所述正面金屬層8進行光刻刻蝕形成源極，所述源極的正面金屬層8直接同時接觸所述源區6和所述P阱引出區9。圖2C為原胞區域外的示意圖。較佳為，所述正面金屬層8包括一個和所述源區6和所述P阱引出區9直接接觸的粘附層，也即先澱積粘附層，在澱積金屬層如鋁、鎢、銅等。
[0070]對於柵極，則需要在原胞區域外形成穿過所述層間膜7的接觸孔和所述多晶矽柵4接觸，接觸孔的頂部和所述正面金屬層8接觸從而引出所述柵極。
[0071]步驟十二、如圖2B所示，對所述襯底I進行背面減薄並形成背面金屬層，由所述背面金屬層組成漏極。
[0072]以上通過具體實施例對本發明進行了詳細的說明，但這些並非構成對本發明的限制。在不脫離本發明原理的情況下，本領域的技術人員還可做出許多變形和改進，這些也應視為本發明的保護範圍。
【權利要求】
1.一種溝槽型場效應電晶體，溝槽型場效應電晶體由多個原胞結構並聯形成，其特徵在於，包括: ^型襯底以及形成於所述襯底頂部表面的~型輕摻雜外延層； ？阱，形成於所述外延層的頂部區域； ^型重摻雜的源區，形成於所述？阱的頂部區域； 多個柵溝槽，所述柵溝槽穿過所述源區和所述？阱並進入到所述？阱底部的所述外延層內；在所述柵溝槽的側面和底部表面形成有柵介質層，在所述柵溝槽底部填充有多晶矽柵、頂部填充有層間膜，所述多晶矽柵側面覆蓋整個所述？阱的縱向深度且被所述多晶矽柵側面覆蓋的所述？阱的表面用於形成連接所述源區和所述外延層的溝道；和一個所述溝道對應的所述多晶矽柵、所述源區和所述外延層形成一個所述原胞結構； 各所述原胞結構的所述源區之間形成有所述？阱的接出區域，所述接出區域的頂部表面形成有？型重摻雜的？阱引出區，所述？阱引出區底部保持為所述？阱的摻雜條件；在所述源區、所述？阱引出區和所述層間膜的表面形成有由正面金屬層組成的源極，所述源極的正面金屬層直接同時接觸所述源區和所述？阱引出區； 在所述襯底的背面形成有由背面金屬層組成的漏極。
2.如權利要求1所述溝槽型場效應電晶體，其特徵在於:在橫向結構上，各所述柵溝槽呈條形結構且平行排列，各所述接出區域也呈條形結構且平行排列，各所述接出區域的條形結構和所述柵溝槽的條形結構垂直。
3.一種溝槽型場效應電晶體的製造方法，其特徵在於，包括如下步驟: 步驟一、在~型襯底上下形成~型輕摻雜外延層； 步驟二、採用光刻工藝定義出柵溝槽區域並採用幹法刻蝕工藝挖出柵溝槽； 步驟三、在所述柵溝槽的側面和底部表面形成柵介質層並澱積多晶矽將所述柵溝槽填滿； 步驟四、對所述多晶矽進行回刻，回刻後所述柵溝槽外部的所述多晶矽都被去除、所述柵溝槽區域內的所述多晶矽的頂部低於所述柵溝槽的頂部，由回刻後的位於所述柵溝槽中的所述多晶矽組成多晶矽柵； 步驟五、進行第一次？型離子注入形成？阱，所述？阱形成於所述外延層的頂部區域；步驟六、採用掩膜板定義出源區區域，進行第二次~型離子注入在所述源區區域中形成~型重摻雜的源區，所述源區形成於所述？阱的頂部區域，被所述掩膜板所屏蔽的區域為接出區域並保持所述？阱的摻雜條件； 步驟七、對所述？阱和所述源區進行退火推進；退火推進後，所述多晶矽柵側面覆蓋整個所述？阱的縱向深度且被所述多晶矽柵側面覆蓋的所述？阱的表面用於形成連接所述源區和所述外延層的溝道；和一個所述溝道對應的所述多晶矽柵、所述源區和所述外延層形成一個所述原胞結構； 步驟八、在所述襯底正面澱積層間膜； 步驟九、對所述層間膜進行回刻直至所述源區和所述接出區域的表面露出，回刻後的所述層間膜僅填充於所述柵溝槽中並位於所述多晶矽柵頂部； 步驟十、進行第三次？型離子注入在所述接出區域的頂部表面形成？型重摻雜的？阱引出區； 步驟十一、澱積正面金屬層並對所述正面金屬層進行光刻刻蝕形成源極，所述源極的正面金屬層直接同時接觸所述源區和所述？阱引出區； 步驟十二、對所述襯底進行背面減薄並形成背面金屬層，由所述背面金屬層組成漏極。
4.如權利要求3所述溝槽型場效應電晶體的製造方法，其特徵在於:步驟十一中的所述正面金屬層包括一個和所述源區和所述？阱引出區直接接觸的粘附層。
5.如權利要求3所述溝槽型場效應電晶體的製造方法，其特徵在於:步驟十中所述第三次？型離子注入的注入雜質的注入劑量滿足使所述？阱引出區和所述源極的正面金屬層形成歐姆接觸。
6.如權利要求3所述溝槽型場效應電晶體的製造方法，其特徵在於:步驟三中的所述柵介質層為採用熱氧化工藝形成的柵氧化層。
7.如權利要求3所述溝槽型場效應電晶體的製造方法，其特徵在於:步驟八中所述層間膜的材料為氧化層。
8.如權利要求3所述溝槽型場效應電晶體的製造方法，其特徵在於:步驟九中採用幹法刻蝕或溼法刻蝕或化學機械研磨工藝對所述層間膜進行回刻。
9.如權利要求3所述溝槽型場效應電晶體的製造方法，其特徵在於:步驟五中在所述第一次？型離子注入之後，對所述？阱進行退火推進。
10.如權利要求3所述溝槽型場效應電晶體的製造方法，其特徵在於:在橫向結構上，各所述柵溝槽呈條形結構且平行排列，各所述接出區域也呈條形結構且平行排列，各所述接出區域的條形結構和所述柵溝槽的條形結構垂直。
【文檔編號】H01L29/78GK104465780SQ201410837525
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年12月24日 優先權日:2014年12月24日
【發明者】韓健, 邵向榮 申請人:上海華虹宏力半導體製造有限公司