半導體器件的形成方法和保持硼磷矽玻璃形貌的方法
2023-06-05 23:46:06
專利名稱：半導體器件的形成方法和保持硼磷矽玻璃形貌的方法
技術領域：
本發明涉及半導體工藝，尤其涉及一種保持硼磷矽玻璃形貌的方法和半導體器件的形成方法。
背景技術：
溝槽型MOS (trench M0S)電晶體作為一種新型垂直結構的功率器件，是在VDMOS (垂直雙擴散金屬-氧化物半導體場效應電晶體)的基礎上發展起來的，但該結構與VDMOS 相比有許多性能優點如更低的導通電阻、低柵漏電荷密度，具有低的導通和開關損耗及快的開關速度。並且由於溝槽型MOS電晶體的溝道是垂直的，可通過縮短溝道區進一步提高其溝道密度，減小晶片尺寸。
圖1是傳統溝槽型MOS電晶體的橫截面圖。如圖中所示，傳統溝槽型MOS電晶體包括半導體襯底100、設置在半導體襯底100上的漏區101、在漏區101上形成的漂移區102 與在漂移區102上形成的溝道區103 ;在溝道區103內形成有溝槽，柵極結構形成在所述溝槽內，柵極結構包括形成在溝槽側壁上的柵極氧化物層106以及填充滿溝槽的柵極多晶矽 105。柵極結構兩側形成有源區104。從所述半導體襯底100引出漏極D，所述柵極結構中的多晶矽105引出柵極G，所述源區104引出源極S。在所述溝槽區103和源區104上形成有層間介質層107，其中，在層間介質層107中對應柵極G或者源極S的位置上，形成通孔， 所述通孔中填充有金屬構成柵極G或者源極S的接觸孔108，所述接觸孔108實現與別的半導體器件的電性連接。
在現有技術中，製作所述溝槽型MOS電晶體的過程包括1)在半導體襯底上的漂移區中形成溝槽；2)在所述溝槽中形成溝槽型MOS電晶體的柵極G ；3)阱區注入；4)源區注入；5)再沉積形成層間介質層107 ；6)在層間介質層107中對應柵極G或者源極S的位置上形成通孔；7)填充接觸孔。在這個過程中，阱區注入、源區注入以及通孔的形成這三道工藝是依次利用三塊掩膜版(MASK)來完成這三道工藝中通孔、阱區和源區的位置限定的。
為了避免閂 鎖效應(Latchup)的發生，會在有源區的外圍加入新的摻雜區形成保護環(Guard Ring)。並且，形成所述保護環的離子注入與有源區中溝槽型MOS電晶體的阱區和源區的離子注入是分開進行的，也需要通過掩膜版(MASK)形成掩模遮擋有源區並暴露保護環區域，使得離子注入可以在保護環區域進行。
這樣完成溝槽型MOS電晶體的通孔形成直至接觸孔完全形成，且形成好保護環的過程中需要多塊掩模板(MASK)進行多次光刻，多次光刻會帶來巨大的工藝成本。發明內容
本發明解決的問題是避免在完成溝槽型MOS電晶體的接觸孔以及保護環的生產過程中，需要多次光刻，從而產生工藝成本較大的問題。
為解決上述問題，本發明提供了一種包括溝槽型MOS電晶體的半導體器件的形成方法，包括
提供半導體襯底，所述半導體襯底包括有源區和保護環區；
在所述半導體襯底的有源區形成溝槽；
在所述溝槽中形成溝槽型MOS電晶體的柵極；
在所述半導體襯底上形成層間介質層，在所述層間介質層中形成第一通孔與第二通孔，所述第一通孔與所述溝槽型MOS電晶體的源區位置對應，所述第二通孔與保護環的位置對應，並且所述第一通孔的徑寬大於所述第二通孔的徑寬；
進行離子注入，以在所述第一通孔暴露出的半導體襯底中形成阱區，在所述第二通孔暴露出來的半導體襯底中形成保護環；
在所述第一通孔和第二通孔中形成硼磷矽玻璃層，以在第一通孔中形成硼磷矽玻璃層的側牆以縮小所述第一通孔的直徑，在第二通孔中形成封閉所述第二通孔的硼磷矽玻璃層;
在所述第一通孔中進行源區離子注入；
在所述第一通孔的側牆外形成硬掩膜層以避免側牆變形；
進行離子注入退火。
可選的，在進行離子注入退火之後，還包括利用所述硬掩膜層作為掩模刻蝕第一通孔底部暴露出來的半導體襯底；填充金屬形成溝槽型MOS電晶體的接觸孔。
可選的，所述退火的溫度為700°C、50°C。
可選的，所述硬掩膜層為TEOS層或氮化矽層。
可選的，所述TEOS層的厚度為600 A -1000 k。
可選的，所述氮化矽層的厚度為400 A 丨000 L·
其中，上述包括溝槽型MOS電晶體的半導體器件的形成方法中，包含一種保持硼磷矽玻璃形貌的方法，其包括
提供半導體襯底，所述半導體襯底上形成有通孔或者凸出結構；
在所述通孔或者凸出結構的側邊形成硼磷矽玻璃層的側牆；
在所述側牆上形成硬掩膜層以限制所述硼磷矽玻璃的流動。
可選的，所述硬掩膜層為TEOS層或氮化矽層。
可選的，所述TEOS層的厚度大於600 L·
可選的，所述氮化矽層的厚度大於400人。
與現有技術相比，本發明的技術方案具有以下優點
本發明的技術方案提供的包括溝槽型MOS電晶體的半導體器件的製作方法中先形成內徑較大的作為溝槽型MOS電晶體接觸孔的第一通孔和作為保 護環離子注入的第二通孔，然後進行阱區注入和保護環注入，然後利用硼磷矽玻璃形成在作為溝槽型MOS電晶體接觸孔的第一通孔的側牆處，縮小第一通孔的內徑，而封閉作為保護環離子注入的第二通孔，再進行溝槽型MOS電晶體的進行源區離子注入。這樣的工藝安排，能夠實現只利用一次光刻形成的通孔，就可以完成溝槽型MOS電晶體阱區注入，源區注入，保護環注入以及形成溝槽型MOS電晶體接觸孔所在的通孔。
並且在進行源區離子注入之後，在第一通孔內形成硬掩膜層抑制BPSG層回流或變形。這樣的工藝安排使得BPSG層不會在離子注入之後的退火中回流將第一通孔堵住，使得前述將溝槽型MOS電晶體阱區注入，源區注入，保護環注入以及形成溝槽型MOS電晶體接觸孔所在的通孔的工藝能夠無影響的結合在製作溝槽型MOS電晶體的工藝中，並且工藝結合巧妙，操作簡單。
圖1是現有的一種溝槽型MOS電晶體的截面示意圖2至圖8是本發明具體實施例中提供的同時形成溝槽型MOS電晶體和保護環的工藝示意圖。
具體實施方式
為使本發明的上述目的、特徵和優點能夠更加明顯易懂，下面結合附圖對本發明的具體實施方式
做詳細的說明。
本發明的技術方案提供的一種同時形成溝槽型MOS電晶體和保護環的工藝，具體的，如圖2至圖8，其包括
首先，如圖2所示，提供半導體襯底，所述半導體襯底包括有源區10和保護環區 20。
在本實施例中，所述半導體襯底包括體矽層100、形成在所述體矽層100上的重摻雜的N型矽層101，以及N型矽層101上外延生長的輕摻雜的N型外延層102』作為漂移區。
接下來，如圖3所示，在所述半導體襯底的有源區10形成溝槽，在所述溝槽中形成溝槽型MOS電晶體的柵極。
其具體工藝可以包括在半導體襯底上旋塗光刻膠，利用曝光顯影工藝使得光刻膠在有源區10定義出溝槽的位置和形狀，然後利用等離子體刻蝕工藝在所述N型外延層 102』中形成溝槽，再利用熱氧化或者沉積工藝在所述溝槽中形成柵氧化層106，然後再利用沉積工藝在所述溝槽內填充滿柵極材料層105，以作為所述溝槽型MOS電晶體的柵極。
接下來，如圖4所示，在所述半導體襯底上形成層間介質層107，位於所述有源區 10的層間介質層107中形成有第一通孔1，所述第一通孔I與所述溝槽型MOS電晶體的源區位置對應；位於所述保護環區20的層間介質層107中形成有第二通孔2，所述第二通孔 2與保護環位置對應。所述第一通孔I的徑寬大於第二通孔2，且所述第一通孔I的徑寬大於設定的所述溝槽型MOS電晶體的接觸孔的尺寸。在一個實施例中，所述第一通孔I的徑寬為O. 5unT0. 9um，所述第二通孔2的徑寬為O. 2unT0. 3um。
所述層間介質層107可以為二氧化矽層、磷矽玻璃層或低K介質層等。在層間介質層107中形成有第一通孔1、第二通孔2的具體工藝可以為在層間介質層107上形成光刻膠，曝光顯影后使得光刻膠同時在有源區10和保護環區20定義出第一通孔1、第二通孔 2的位置和形狀，然後利用刻蝕工藝在介質層107中形成第一通孔1、第二通孔2。其中，在有源區10的第一通孔1，在後續工藝中需要作為溝槽型MOS電晶體的源極離子注入的掩模圖形，以及形成為或作為源極上方的接觸孔；在保護環區20的第二通孔2，作為保護環離子注入的掩模圖形。
接下來，如圖5所示，在所述第一通孔I暴露出的N型外延層102』中進行阱區離子注入，在所述第二通孔2暴露出來的N型外延層102』中進 行保護環離子注入，以在所述 N型外延層102』中對應第一通孔I的表面形成溝槽型MOS電晶體的阱區103，在所述N型外延層102』中對應第二通孔2的表面形成保護環203。對於本實施例來說，所述阱區離子注入和保護環離子注入為P型離子注入，為同時進行。在離子注入之後可進一步進行退火工藝。
接下來，如圖6所示，填充硼磷矽玻璃，在所述第一通孔I中形成側牆110，在第二通孔2中封閉所述第二通孔2。
硼磷娃玻璃(boro-phospho-silicate-glass,BPSG)是一種摻硼和磷的二氧化矽玻璃。BPSG具有填充能力較好且流動性較好的性質，其通過回流可得平坦的表面。 BPSG可通過化學氣相沉積來形成，具體的，可以採用SiH4、02、PH3和B2H6的混合氣體，在 4000C 450°C的溫度下形成。
所述形成側牆的工藝為利用沉積工藝在第一通孔I和第二通孔2的內形成 BPSG,其中，同時會在層間介質層107的表面形成一層BPSG。由於第一通孔I的徑寬大於第二通孔2的徑寬，通過調節所形成的BPSG的厚度，可以使得在第一通孔I內僅側壁和底部為BPSG覆蓋，而在第二通孔2內的BPSG層120則可實現封閉第二通孔2。其中，為避免沉積的BPSG層太厚，堵塞所述第一通孔1，在所述第二通孔2中，所述BPSG層120可以為部分填充所述第二通孔2，只要能夠實現封閉所述第二通孔2的效果即可，可以在後續工藝中，再進行別的填充工藝，使所述第二通孔2被填滿。為了清晰的凸顯本發明的技術方案中的主要步驟，本實施例中以所述第二通孔2被填滿為例。在形成BPSG之後，利用垂直方向的等離子刻蝕工藝去除第一通孔I底部的BPSG和層間介質層107的表面的BPSG，保留在第一通孔I側壁上的BPSG作為側牆110，而在第二通孔2內的BPSG層120仍將所述第二通孔 2封閉。所述第一通孔I因為側牆110的形成而減小了內徑。所述側牆110的厚度可以為 300人 2000A。優選的，在形成側牆110之後，還包括一步回流，使得第一通孔I內的BPSG 側牆Iio的表面更光滑，而第二通孔2內的BPSG層120的填充效果更好。
在其它實施例中，所述第一通孔I的內壁和BPSG形成的側牆之間還可以具有其它材質形成的側牆，如TEOS (正矽酸乙酯)形成的側牆。
形成側牆110後，以層間介質層107和側牆110為掩模進行離子注入，其中在所述第一通孔I中進行的為源區離子注入。由於在第一通孔I中形成了側牆110，所述第一通孔110的內徑減小了，在這一步驟中進行的離子注入的區域會小於前一步驟中只以層間介質層107作為離子注入的掩模形成的離子注入區103。
這樣的工藝安排，能夠實現只利用一次光刻形成的通孔，就可以完成溝槽型MOS 電晶體阱區注入，源區注入，以及保護環注入。
而對於第一通孔I來說，其在後續工藝會形成為源極上的接觸孔，則其中金屬的填充效果對於器件的性能影響很大。而由於本步驟中所述側牆的材質是BPSG，如果進行離子注入之後的退火，所述BPSG可能會在退火的過程中發生變形，使得所述通孔的內部的形狀不好，不利於後續對通孔的填充。
接下來，如圖7所示，在所述第一通孔I的側牆上形成硬掩膜層130以避免側牆 110變形。
為了防止第一通孔I中的BPSG的側牆110變形，在所述有源區10內的第一通孔I 內的側牆110上形成硬掩膜層130，以抑制BPSG的變形 引起的通孔內部形貌的變化。形成硬掩膜層130的工藝和形成側牆的工藝類似。所述硬掩膜層130可以為TEOS層或者氮化矽層。所述硬掩膜層130太薄了不能起到很好的抑制BPSG變形的作用，太厚了會使得第一通孔I內徑太小，甚至堵塞第一通孔1，不利於後續工藝中對第一通孔I的填充。經過發明人的多次試驗和測試，所述硬掩膜層130為TEOS層時，其厚度大Γ600Α可以起到抑制BPSG 變形的作用。當所述硬掩膜層130為氮化矽層時，其厚度大於400A可以起到抑制BPSG變形的作用。一般情況下，所述硬掩膜層130的厚度小於1000A時,可以避免影響第一通孔I 後續的填充。
在第一通孔I中形成硬掩膜層130之後，可進行退火工藝。所述退火工藝的目的是使得前面步驟中的源區離子注入的離子具有活性。所述退火的溫度為900°C 1000°C，能使得離子被激活，分別在對應於所述第一通孔I的N型重摻雜外延層102』中形成源區104。 經過發明多次實驗，優選的，退火的溫度為950°C左右能達到最好的效果。
接下來，如圖8所示，利用所述硬掩膜層130作為掩模刻蝕第一通孔I底部暴露出來的N型重摻雜外延層102』 ；填充金屬108形成溝槽型MOS電晶體的接觸孔。
所述刻蝕使得所述第一通孔I部分伸入到N型重摻雜外延層102』中的源區104 中，確保後續形成的接觸孔能夠充分的與源區104相接觸。然後沉積金屬層108填充第一通孔I形成所述溝槽型MOS電晶體源區104上的接觸孔。
綜上所述，在進行源區離子注入和保護環離子注入之後，在第一通孔I內形成硬掩膜層130抑制BPSG層回流或變形。這樣的工藝安排使得BPSG層不會在離子注入之後的退火中回流將第一通孔堵住，使得前述將溝槽型MOS電晶體阱區注入，源區注入，保護環注入以及形成溝槽型MOS電晶體接觸孔所在的通孔的工藝能夠無影響的結合在製作溝槽型 MOS電晶體的工藝中，並且工藝結合巧妙，操作簡單。
以上所述，僅是本發明的較佳實施例而已，並非對本發明作任何形式上的限制。
雖然本發明已以較佳實施例披露如上，然而並非用以限定本發明。任何熟悉本領域的技術人員，在不脫離本發明技術方案範圍情況下，都可利用上述揭示的方法和技術內容對本發明技術方案作出許多可能的變動和修飾，或修改為等同變化的等效實施例。因此， 凡是未脫離本發明技術方案的內容，依據本發明 的技術實質對以上實施例所做的任何簡單修改、等同變化及修飾，均仍屬於本發明技術方案保護的範圍內。
權利要求
1.一種半導體器件的形成方法，其特徵在於，包括提供半導體襯底，所述半導體襯底包括有源區和保護環區；在所述半導體襯底的有源區形成溝槽；在所述溝槽中形成溝槽型MOS電晶體的柵極；在所述半導體襯底上形成層間介質層，在所述層間介質層中形成第一通孔與第二通孔，所述第一通孔與所述溝槽型MOS電晶體的源區位置對應，所述第二通孔與保護環的位置對應，並且所述第一通孔的徑寬大於所述第二通孔的徑寬；進行離子注入，以在所述第一通孔暴露出的半導體襯底中形成阱區，在所述第二通孔暴露出的半導體襯底中形成保護環；形成硼磷矽玻璃材料，以在第一通孔中形成硼磷矽玻璃側牆以縮小所述第一通孔的直徑，在第二通孔中形成封閉所述第二通孔的硼磷矽玻璃層；進行源區離子注入，以在所述第一通孔下方的阱區內形成源區；在所述第一通孔的側牆外形成硬掩膜層以避免側牆變形；進行離子注入退火。
2.如權利要求1所述的形成方法，其特徵在於，在進行離子注入退火之後，還包括利用所述硬掩膜層作為掩模刻蝕第一通孔底部暴露出來的半導體襯底；填充金屬形成溝槽型 MOS電晶體的接觸孔。
3.如權利要求1所述的形成方法，其特徵在於，所述退火的溫度為700°C、50°C。
4.如權利要求1所述的形成方法，其特徵在於，所述硬掩膜層為TEOS層或氮化矽層。
5.如權利要求4所述的形成方法，其特徵在於，所述TEOS層的厚度為60/\ 1000A.
6.如權利要求4所述的形成方法，其特徵在於，所述氮化矽層的厚度為400A-1000A
7.一種保持硼磷矽玻璃形貌的方法，其特徵在於，包括提供半導體襯底，所述半導體襯底上形成有通孔或者凸出結構；在所述通孔或者凸出結構的側邊形成材質包含硼磷矽玻璃的側牆；在所述側牆上形成硬掩膜層以限制所述硼磷矽玻璃的流動。
8.如權利要求7所述的保持硼磷矽玻璃形貌的方法，其特徵在於，所述硬掩膜層為 TEOS層或氮化矽層。
9.如權利要求8所述的保持硼磷矽玻璃形貌的方法，其特徵在於，所述TEOS層的厚度大於600 A0
10.如權利要求8所述的保持硼磷矽玻璃形貌的方法，其特徵在於，所述氮化矽層的厚度大於400 L·
11.如權利要求7所述的保持硼磷矽玻璃形貌的方法，其特徵在於，所述凸出結構為柵極結構。
全文摘要
一種半導體器件的形成方法和保持硼磷矽玻璃形貌的方法，所述半導體器件的形成方法包括提供有源區和保護環區的半導體襯底；形成層間介質層，在所述有源區上的層間介質層中形成對應源區位置的第一通孔，在保護環區上的層間介質層中形成對應保護環位置的第二通孔；進行離子注入，形成阱區和保護環；在第一通孔中形成硼磷矽玻璃側牆縮小第一通孔的直徑，第二通孔中形成硼磷矽玻璃層封閉第二通孔；進行源區離子注入；在第一通孔的側牆外形成硬掩膜層以避免側牆變形；進行退火。本發明能夠實現只利用一次光刻形成的通孔，就可以完成溝槽型MOS電晶體阱區注入，源區注入，保護環注入以及形成溝槽型MOS電晶體接觸孔所在的通孔。
文檔編號H01L21/336GK103065971SQ201210567779
公開日2013年4月24日 申請日期2012年12月24日 優先權日2012年12月24日
發明者吳亞貞, 樓穎穎, 劉憲周 申請人:上海宏力半導體製造有限公司