一種超結(jié)結(jié)構(gòu)的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于半導(dǎo)體工藝制造技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種超結(jié)結(jié)構(gòu)的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]功率半導(dǎo)體器件由于具有輸入阻抗高、損耗低、開(kāi)關(guān)速度快、無(wú)二次擊穿、安全工作區(qū)寬等特性，已被廣泛應(yīng)用于消費(fèi)電子、計(jì)算機(jī)及外設(shè)、網(wǎng)絡(luò)通信，電子專用設(shè)備與儀器儀表、汽車電子、LED顯示屏以及電子照明等多個(gè)方面。雖然功率半導(dǎo)體器件在功率處理能力上已經(jīng)有了較大提高，但在高壓領(lǐng)域，由于導(dǎo)通電阻的問(wèn)題使得功率半導(dǎo)體器件的導(dǎo)通損耗隨著耐壓的提高而急速上升。為了提高耐壓、降低導(dǎo)通損耗，一系列的新結(jié)構(gòu)、新技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。而其中用來(lái)提高功率半導(dǎo)體性能的超結(jié)(Super Junctu1n)技術(shù)在高壓領(lǐng)域中的作用非常顯著，引起了眾多研宄者的關(guān)注。具有超結(jié)結(jié)構(gòu)的功率金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管(MOSFET)是重要的功率器件之一。通過(guò)在傳統(tǒng)MOSFET的輕摻雜漂移區(qū)引入摻雜較高的交錯(cuò)排列的N型柱和P型柱，當(dāng)器件工作在阻斷情況下時(shí)，根據(jù)電荷平衡理論，N型柱和P型柱完全耗盡，漂移區(qū)就相當(dāng)于一個(gè)本征層，則擊穿電壓就只和漂移區(qū)的深度有關(guān)而與摻雜濃度無(wú)關(guān)。即在相同的擊穿電壓下，可以增加超結(jié)MOSFET漂移層的摻雜濃度，降低其導(dǎo)通電阻，從而大大改善了擊穿電壓和導(dǎo)通電阻之間的矛盾關(guān)系，使得其在功率系統(tǒng)中獲得了廣泛的應(yīng)用。
[0003]超結(jié)結(jié)構(gòu)可以應(yīng)用于功率二極管、MOS、IGBT等功率器件中，現(xiàn)有的形成超結(jié)結(jié)構(gòu)的方法主要有:申請(qǐng)?zhí)枮閁S20130196489A1的美國(guó)專利“method for deep-trench superpn junct1ns”中公開(kāi)了一種多次外延注入，然后退火形成超結(jié)結(jié)構(gòu)的方法，具體步驟如圖1所示。第一步:準(zhǔn)備襯底101，在襯底101上形成第一 N外延層102a ;第二步:在第一 N外延層102a上注入P型摻雜，形成第一注入?yún)^(qū)103a ;第三步:在第一 N外延層102a上形成第二 N型外延層102b ;第四步:在第二 N外延層102b上注入P型摻雜，形成第二注入?yún)^(qū)103b ；重復(fù)以上步驟直到外延層厚度滿足要求，最后退火推結(jié)，形成連續(xù)P區(qū)即P柱104。該方法需要多次外延注入，工藝復(fù)雜，耗時(shí)長(zhǎng)，成本高；采用熱退火推結(jié)形成P柱，導(dǎo)致P條橫擴(kuò)嚴(yán)重，在實(shí)際生產(chǎn)中很難縮小P、N條寬，難以實(shí)現(xiàn)高壓超結(jié)結(jié)構(gòu)的制備。
[0004]申請(qǐng)?zhí)枮?US008440529B2 的美國(guó)專利 “method of manufacturing superjunct1n structure”中公開(kāi)了刻槽、填充制備超結(jié)結(jié)構(gòu)的方法，具體步驟如圖2所示。第一步:準(zhǔn)備襯底201，在襯底201上形成厚N外延層202 ;第二步:在厚N外延層202上刻槽形成深溝槽203 ;第三步:外延填充P型材料204于溝槽203中；第四步:利用CMP (化學(xué)機(jī)械平坦化)平坦化溝槽。該方法只需進(jìn)行一次深槽刻蝕和一次深槽外延生長(zhǎng)即可形成滿足耐壓要求的外延層及超結(jié)厚度，工藝相對(duì)多次外延方法簡(jiǎn)單，也降低了成本，但進(jìn)行深槽外延時(shí)容易形成空洞，且刻蝕深寬比大的溝槽的工藝難度大，很難通過(guò)垂直角度實(shí)現(xiàn)，且槽寬不易控制，在實(shí)際生產(chǎn)中很難實(shí)現(xiàn)細(xì)P、N條，因此該方法也不適用于高壓超結(jié)結(jié)構(gòu)的制備。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明針對(duì)【背景技術(shù)】存在的缺陷，提出了一種能減小元胞間距尺寸、降低導(dǎo)通電阻、實(shí)現(xiàn)細(xì)P、N條的超結(jié)結(jié)構(gòu)的制備方法。
[0006]本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
[0007]一種超結(jié)結(jié)構(gòu)的制備方法，包括以下步驟:
[0008]步驟1:在襯底上制備第一 N型外延層；
[0009]步驟2:采用多次高能離子注入工藝，在第一 N型外延層需要制作P型柱的區(qū)域注入P型雜質(zhì)，形成第一注入?yún)^(qū)；
[0010]步驟3:在步驟2得到的第一 N型外延層和第一注入?yún)^(qū)上形成第二 N型外延層；
[0011]步驟4:采用多次高能離子注入工藝，在第二 N型外延層需要制作P型柱的區(qū)域注入P型雜質(zhì)，形成第二注入?yún)^(qū)；
[0012]步驟5:重復(fù)步驟3、4的“外延-多次高能離子注入”過(guò)程，直到滿足超結(jié)結(jié)構(gòu)的耐壓要求。
[0013]進(jìn)一步地，步驟2和步驟4中所述多次高能離子注入時(shí)，每次的注入能量和劑量均不相同，以使P型雜質(zhì)完全充滿P型區(qū)域。
[0014]進(jìn)一步地，步驟I和步驟3中的N型外延層還可以為P型外延層，則對(duì)應(yīng)地，步驟2和步驟4中注入N型雜質(zhì)。
[0015]進(jìn)一步地，所述外延層的厚度為I?100 μ m。
[0016]進(jìn)一步地，所述外延層的厚度為30?100 μ m。
[0017]進(jìn)一步地，步驟5所述“外延-多次高能離子注入”的次數(shù)可由超結(jié)結(jié)構(gòu)的耐壓要求決定。
[0018]一種超結(jié)結(jié)構(gòu)的制備方法，具體包括以下步驟:
[0019]步驟1:在襯底301上依次形成第一 N型外延層302和第一厚氧化層303 ；
[0020]步驟2:采用光刻刻蝕工藝，在所有需要制作P型柱的區(qū)域刻蝕掉第一厚氧化層；具體方法為:在第一厚氧化層表面淀積正性光刻膠，采用掩膜板305進(jìn)行光刻顯影后，再刻蝕第一厚氧化層，其中，掩膜板305上有多個(gè)透光的矩形圖形區(qū)域，將第一厚氧化層對(duì)應(yīng)刻蝕掉多個(gè)矩形區(qū)域；
[0021]步驟3:去除剩余的光刻膠，以步驟2刻蝕后剩余的第一厚氧化層作為掩膜，采用多次高能離子注入工藝，在需要制作P型柱的區(qū)域注入P型雜質(zhì)，形成第一注入?yún)^(qū)；具體方法為:采用高能離子注入進(jìn)行第一次離子注入，注入的能量為E1，注入劑量為Ql ;采用高能離子注入進(jìn)行第二次離子注入，注入的能量為E2，注入劑量為Q2 ;采用高能離子注入進(jìn)行第三次離子注入，注入能量為E3，注入劑量為Q3 ;E1、E2和E3互不相等，Ql、Q2和Q3互不相等；
[0022]步驟4:刻蝕剩余第一厚氧化層；
[0023]步驟5:在第一 N型外延層和第一注入?yún)^(qū)上形成第二 N型外延層307，并在第二 N型外延層上淀積第二厚氧化層308 ;
[0024]步驟6:采用光刻刻蝕工藝，在所有需要制作P型柱的區(qū)域刻蝕掉第二厚氧化層；具體方法為:在第二厚氧化層表面淀積正性光刻膠，采用掩膜板進(jìn)行光刻顯影后，再刻蝕第二厚氧化層，其中，掩膜板上有多個(gè)透光的矩形圖形區(qū)域，將第二厚氧化層對(duì)應(yīng)刻蝕掉多個(gè)矩形區(qū)域；
[0025]步驟7:去除剩余的光刻膠，以步驟6刻蝕后剩余的第二厚氧化層作為掩膜，采用多次高能離子注入工藝，在需要制作P型柱的區(qū)域注入P型雜質(zhì)，形成第二注入?yún)^(qū)；具體方法為:采用高能離子注入進(jìn)行第一次離子注入，注入的能量為E1，注入劑量為Ql ;采用高能離子注入進(jìn)行第二次離子注入，注入的能量為E2，注入劑量為Q2 ;采用高能離子注入進(jìn)行第三次離子注入，注入能量為E3，注入劑量為Q3 ;E1、E2和E3互不相等，Ql、Q2和Q3互不相等；
[0026]步驟8:刻蝕剩余第二厚氧化層；
[0027]步驟9:重復(fù)步驟5到步驟8，完成多次“外延-多次高能離子注入”過(guò)程，直到滿足超結(jié)結(jié)構(gòu)的耐壓要求；
[0028]步驟10:采用快速熱退火激活注入的P型雜質(zhì)，即得到所述超結(jié)結(jié)構(gòu)。
[0029]進(jìn)一步地，步驟I和步驟5中的N型外延層還可以為P型外延層，則對(duì)應(yīng)地，步驟3和步驟7中注入N型雜質(zhì)。
[0030]進(jìn)一步地，所述外延層的厚度為I?100 μπι。
[0031]進(jìn)一步地，所述外延層的厚度為30?100 μπι。
[0032]進(jìn)一步地，所述外延層表面淀積的厚氧化層的厚度為微米級(jí)，可以采用直接淀積的方法，也可以先生長(zhǎng)一層薄氧化層，再在其上淀積厚氧化層。
[0033]進(jìn)一步地，步驟2和步驟6中的掩膜板矩形窗口的大小可以為I μπι以下，因此可以實(shí)現(xiàn)較細(xì)的P、N條寬。
[0034]進(jìn)一步地，所述“外延-多次高能離子注入”的次數(shù)可以由超結(jié)結(jié)構(gòu)的耐壓、深度要求靈活決定。
[0035]本發(fā)明的有益效果為:本發(fā)明采用多次“外延-多次高能離子注入”的方法實(shí)現(xiàn)了超結(jié)結(jié)構(gòu)的制備，在不需要退火推結(jié)的情況下，采用多次不同能量和劑量的高能離子注入實(shí)現(xiàn)了 Ρ、Ν條的注入，本發(fā)明方法可以得到Ρ、Ν條寬較小的超結(jié)結(jié)構(gòu)，克服了傳統(tǒng)外延注入因高溫退火推結(jié)導(dǎo)致的P條橫擴(kuò)嚴(yán)重，P、N條寬無(wú)法縮小的問(wèn)題。
【附圖說(shuō)明】
[0036]圖1為傳統(tǒng)多次外延注入法制備超結(jié)結(jié)構(gòu)的示意圖；
[0037]圖2為傳統(tǒng)刻槽填充法制備超結(jié)結(jié)構(gòu)的示意圖；
[0038]圖3a為本發(fā)明實(shí)施例中步驟I得到的器件的剖面結(jié)構(gòu)示意圖；
[0039]圖3b為本發(fā)明實(shí)施例中步驟2得到的器件的剖面結(jié)構(gòu)示意圖；
[0040]圖3c為本發(fā)明實(shí)施例中步驟3得到的器件的剖面結(jié)構(gòu)示意圖；
[0041]圖3d為本發(fā)明實(shí)施例中步驟4得到的器件的剖面結(jié)構(gòu)示意圖；
[0042]圖3e為本發(fā)明實(shí)施例中步驟5得到的器件的剖面結(jié)構(gòu)示意圖；
[0043]圖3f為本發(fā)明實(shí)施例中步驟7得到的器件的剖面結(jié)構(gòu)示意圖；
[0044]圖3g為本發(fā)明實(shí)施例中步驟8得到的器件的剖面結(jié)構(gòu)示意圖；
[0045]圖3h為本發(fā)明實(shí)施例中步驟9得到的器件的剖面結(jié)構(gòu)示意圖；
[0046]圖3i為本發(fā)明實(shí)施例中步驟10得到的器件的剖面結(jié)構(gòu)示意圖；
[0047]圖3j為本發(fā)明實(shí)施例中步驟11得到的器件的剖面結(jié)構(gòu)示意圖；
[0048]圖3k為本發(fā)明實(shí)施例中步驟15得到的器件的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0049]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例，詳述本發(fā)明的技術(shù)方案。
[0050]本發(fā)明通過(guò)多次“外延-高能離子注入”方法，分多次采用不同能量和劑量的高能離子注入，在不需要高溫退火推結(jié)的情況下，得到了超結(jié)結(jié)構(gòu)，克服了傳統(tǒng)多次外延注入法因高溫退火推結(jié)導(dǎo)致的P條橫擴(kuò)的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了細(xì)P、N條的超結(jié)結(jié)構(gòu)的制備，有效降低了超結(jié)結(jié)構(gòu)的導(dǎo)通電阻，