超結(jié)器件制備工藝的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及半導體領域，具體涉及一種半導體器件制備工藝，包括：提供具有第一導電類型的外延層；于所述外延層的頂部制備一具有第一開口的硬掩膜層，并利用所述第一開口進行第二導電類型的離子注入，在外延層內(nèi)第一預設深度處形成一注入?yún)^(qū)；刻蝕硬掩膜層以增大第N-1開口的寬度形成第N開口，利用第N開口繼續(xù)進行第二導電類型的離子注入，在外延層內(nèi)第N預設深度處形成一注入?yún)^(qū)，第N預設深度小于第N-1預設深度，重復進行該步驟，其中，N為正整數(shù)且N≥2。本發(fā)明僅需要一次光刻工藝，對不同光刻層的套準要求降低，工藝簡單，成本較低；同時也很好的保證了形成的摻雜片區(qū)具有良好的泡泡形貌，為改善器件性能提供依據(jù)。
【專利說明】
超結(jié)器件制備工藝
技術領域
[0001]本發(fā)明涉及半導體器件制備領域，確切的說，涉及到一種超結(jié)器件制備工藝。
【背景技術】
[0002]超結(jié)(Super Junct1n)結(jié)構(gòu)采用交替的P-N結(jié)結(jié)構(gòu)取代單一導電類型材料作為漂移區(qū)，在漂移區(qū)引入了橫向電場，使得器件漂移區(qū)在較小的關斷電壓下即可完全耗盡，擊穿電壓僅與耗盡層厚度及臨界電場有關。因此，在相同耐壓下，超結(jié)結(jié)構(gòu)漂移區(qū)的摻雜濃度可以提高一個數(shù)量級，同時在同樣的擊穿電壓下只需要更薄的EPI (外延層)作為漂移區(qū)，從而大大降低了器件的比導通電阻-Rsp，同時提高了 F0M(figUre of merit，品質(zhì)因數(shù))值。
[0003]圖1為一種超結(jié)器件的示意圖，在位于襯底I之上的外延層3中形成有摻雜立柱
6。圖2為采用現(xiàn)有技術制備的一種超結(jié)器件的截面圖，其是通過單次外延、光刻和多次離子注入所形成的，具體步驟為:先在襯底I上制備出一滿足工藝需求厚度的外延層3 ;之后通過一次光刻工藝在外延層3上制備出具有開口的光刻膠7 ;然后利用開口進行多次高能離子注入，進而在開口正下方的外延層3中形成若干注入?yún)^(qū)4。如圖可以看出，底部的注入?yún)^(qū)4的橫向?qū)挾纫笥谏蠈幼⑷雲(yún)^(qū)4的橫向?qū)挾?，這是由于離子注入工藝的橫向分布距離與能量成正比，可參照圖3所示，圖3的橫坐標代表為離子注入能量，縱坐標代表為注入?yún)^(qū)橫向分布距離，當注入能量越大，那么形成注入?yún)^(qū)的橫向分布距離也就越大。
[0004]摻雜立柱6的形貌對器件的性能具有很大影響，為了保證器件的BV(Breakdownvoltage,擊穿電壓)特性，對摻雜立柱6的濃度和泡泡狀形貌有較高的要求。由于圖2之結(jié)構(gòu)是通過多次高能離子注入來形成超結(jié)器件，因此摻雜立柱6的濃度和泡泡狀形貌很難受到控制，這對器件性能帶來了負面影響。
[0005]現(xiàn)有工藝為了保證泡泡狀摻雜區(qū)的形貌要求，采用多層Epi和多次光刻注入的方式實現(xiàn)，可參照圖4A-4D所示:首先提供一底部襯底1，在襯底I之上制備一外延層3 ;可選但非限制，還可在襯底I與外延層3之間制備一緩沖層2，如圖4A所示。利用光刻工藝對外延層3進行離子注入工藝，以在其中形成一注入?yún)^(qū)4，之后再進行外延工藝，形成圖4B所示的結(jié)構(gòu)。重復進行多次光刻工藝、離子注入和外延工藝，以在由多層外延層所構(gòu)成的復合外延層5中形成若干注入?yún)^(qū)4，參照圖4C所示。之后進行退火處理，籍由各注入?yún)^(qū)4產(chǎn)生擴散，在復合外延層5中形成摻雜立柱6，如圖4D所示。雖然該工藝可以較好的控制泡泡狀摻雜區(qū)及濃度，但是由于需要進行多次光刻、外延層工藝，不可避免的增加了生產(chǎn)成本，同時生產(chǎn)效率也較低。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明開發(fā)出一種超結(jié)器件制備工藝，結(jié)合離子注入橫向分布長度與能量之間的關系，通過單層光刻多次注入的工藝來改善原有工藝的注入?yún)^(qū)的形貌。
[0007]本發(fā)明采用的技術方案為:
[0008]一種半導體器件制備工藝，其中，包括:
[0009]提供具有第一導電類型的外延層；
[0010]于所述外延層的頂部制備一具有第一開口的硬掩膜層，并利用所述第一開口進行第二導電類型的離子注入，在外延層內(nèi)第一預設深度處形成一注入?yún)^(qū)；
[0011 ] 刻蝕硬掩膜層以增大第一開口的寬度形成第二開口，利用第二開口繼續(xù)進行第二導電類型的離子注入，在外延層內(nèi)第二預設深度處形成一注入?yún)^(qū)，第二預設深度小于第一預設深度；
[0012]刻蝕硬掩膜層以增大第N-1開口的寬度形成第N開口，利用第N開口繼續(xù)進行第二導電類型的離子注入，在外延層內(nèi)第N預設深度處形成一注入?yún)^(qū)，第N預設深度小于第N-1預設深度，重復進行該步驟，
[0013]其中，N為正整數(shù)且N彡2。
[0014]上述的制備工藝，其中，還包括:
[0015]進行退火處理，籍由各所述注入?yún)^(qū)產(chǎn)生擴散，以在外延層中任意一注入?yún)^(qū)的豎直方向上形成一連續(xù)的摻雜立柱。
[0016]上述的制備工藝，其中，所述外延層的底部還形成襯底。
[0017]上述的制備工藝，其中，在退火處理形成摻雜立柱之前或之后形成襯底，所述摻雜立柱不與所述襯底形成接觸。
[0018]上述的制備工藝，其中，所述工藝還包括在外延層與襯底之間制備緩沖層。
[0019]上述的制備工藝，其中，所述襯底為第二導電類型，所述緩沖層具有第二導電類型，且所述緩沖層與所述摻雜立柱底部相連接。
[0020]上述的制備工藝，其中，所述襯底的離子摻雜濃度大于所述外延層的離子摻雜濃度。
[0021]上述的制備工藝，其中，所述硬掩膜層為含硅材料層或無定形碳。
[0022]上述的制備工藝，其中，若所述硬掩膜層為含硅材料層，采用濕法刻蝕工藝對所述硬掩膜層進行刻蝕；
[0023]若所述硬掩膜層為無定形碳，采用各向同性的干法刻蝕工藝對所述硬掩膜層進行刻蝕。
[0024]上述的制備工藝，其中，硬掩膜層中的開口寬度越大，離子注入的能量越小。
【附圖說明】
[0025]通過閱讀參照以下附圖對非限制性實施例所作的詳細描述，本發(fā)明及其特征、夕卜形和優(yōu)點將會變得更明顯。在全部附圖中相同的標記指示相同的部分。并未刻意按照比例繪制附圖，重點在于示出本發(fā)明的主旨。
[0026]圖1為具有超結(jié)的半導體器件截面圖；
[0027]圖2為采用單次光刻工藝制備的超結(jié)器件截面圖；
[0028]圖3為離子注入能量和注入?yún)^(qū)橫向分布距離之間的曲線示意圖；
[0029]圖4A-4D為采用多次外延和多次光刻工藝制備的超結(jié)器件的流程圖；
[0030]圖5A-5H為本發(fā)明一實施例中制備超結(jié)器件的流程圖；
[0031]圖6為根據(jù)離子注入能量和注入?yún)^(qū)橫向分布距離計算得出硬掩膜層開口拉大的距離；
[0032]圖7為本發(fā)明一實施例中制備完成的超結(jié)器件的截面圖。
【具體實施方式】
[0033]在下文的描述中，給出了大量具體的細節(jié)以便提供對本發(fā)明更為徹底的理解。然而，對于本領域技術人員而言顯而易見的是，本發(fā)明可以無需一個或多個這些細節(jié)而得以實施。在其他的例子中，為了避免與本發(fā)明發(fā)生混淆，對于本領域公知的一些技術特征未進行描述。
[0034]為了徹底理解本發(fā)明，將在下列的描述中提出詳細的步驟以及詳細的結(jié)構(gòu)，以便闡釋本發(fā)明的技術方案。本發(fā)明的較佳實施例詳細描述如下，然而除了這些詳細描述外，本發(fā)明還可以具有其他實施方式。
[0035]本發(fā)明提供了一種超結(jié)器件的制備工藝，具體如下。
[0036]步驟S1:如圖5A所示，提供一具有第一導電類型外延層101。在一個可選的實施例中，第一導電類型為N型，下文所述的第二導電類型為P型?？蛇x但非限制，可在一重摻雜的N+型襯底100之上采用外延工藝形成N-型外延層101。而在本發(fā)明一些其他的實施例中，亦可直接提供外延層101進行超結(jié)器件的制備，最后在形成下文所述的摻雜立柱后，再于外延層101的背面形成該N+型襯底100，對本發(fā)明并無實質(zhì)影響?？蛇x但非限制，襯底100的離子摻雜濃度要大于外延層101的離子摻雜濃度。
[0037]步驟S2:于外延層101的頂部制備一具有第一開口 10的硬掩膜層102，并利用第一開口 10進行第二導電類型的離子注入，在外延層101內(nèi)第一預設深度處形成一注入?yún)^(qū)104。
[0038]具體的，先在外延層101的頂部沉積一層硬掩膜層102，可選但非限制，該硬掩膜層102可選用含硅材料層(例如Si02、SiN, S1N)或無定形碳中以及其他可用作硬掩膜的材質(zhì)。之后再于硬掩膜層102之上旋涂一層光刻膠103，借助一具有開口圖案的光罩(photomask)進行曝光顯影工藝之后，在光刻膠103中形成開口，之后利用開口對硬掩膜層102進行刻蝕，進而在硬掩膜層102中也形成了開口，此時的開口寬度為Wl ;之后移除光刻膠103，可參照圖5B-5C所示?？蛇x的，硬掩膜層102中形成的開口將外延層101的上表面予以外Mo
[0039]之后利用第一開口 10進行高能量的P-型離子(例如B等三族元素)注入工藝，以在外延層101 —預設深度形成注入?yún)^(qū)104，如圖ro所示。
[0040]步驟S3:刻蝕硬掩膜層102以增大第一開口 10的寬度形成第二開口 20，經(jīng)刻蝕硬掩膜層102后開口寬度由Wl增大為W2?？蛇x但非限制，若選用含硅材料層時(例如Si02、SiN、S1N)，那么可采用濕法刻蝕工藝來對硬掩膜層102進行刻蝕，以拉大其開口寬度。具體的濕法刻蝕液可根據(jù)硬掩膜層102的材質(zhì)進行選擇，在濕法刻蝕中最好保證對硬掩膜層102具有較高的刻蝕比，而對外延層101的刻蝕比則較低，以最大限度避免對外延層101造成的刻蝕損傷。而在其他一些實施例中，若采用無定形碳作為硬掩膜層102，那么可采用各向同性的干法刻蝕工藝來刻蝕硬掩膜層102，以拉大其開口寬度。之后利用該第二開口 20繼續(xù)進行P-型離子注入，在外延層101內(nèi)第二預設深度處形成一注入?yún)^(qū)104，其中，第二預設深度小于第一預設深度。參照圖5E所示，此次形成的注入?yún)^(qū)104是位于先前形成的注入?yún)^(qū)104之上?？蛇x的，在利用第二開口 20進行離子注入時，注入能量要小于利用第一開口10進行離子注入所采用的注入能量。
[0041]步驟S4:再次刻蝕硬掩膜層102以增大第二開口 20的寬度形成第三開口 30，經(jīng)刻蝕硬掩膜層102后開口寬度由W2增大為W3，之后利用該第三開口 30繼續(xù)進行P-型離子注入，在外延層101內(nèi)第三預設深度處形成一注入?yún)^(qū)104，且第三預設深度小于第二預設深度，之后重復進行多次該步驟，也即:刻蝕硬掩膜層102以增大第N-1開口的寬度形成第N開口，利用第N開口繼續(xù)進行離子注入，在外延層101內(nèi)第N預設深度處形成一注入?yún)^(qū)104，且第N預設深度小于第N-1預設深度。其中，N為大于等于2的正整數(shù)，例如2，5，8，9等數(shù)值。
[0042]完成若干次步驟S4后，最終形成了圖5G所示的結(jié)構(gòu)，為圖示表示的更加清楚，因此僅僅在圖5G中示出制備有4個注入?yún)^(qū)104，但是本領域技術人員應當理解，在實際制備超結(jié)器件時，注入?yún)^(qū)的數(shù)量可根據(jù)實際需求而設定，并不僅僅局限于圖中所示的結(jié)構(gòu)。
[0043]在此需要說明的是，在對硬掩膜層102進行不斷刻蝕的過程中，其厚度也會隨之逐漸變薄，因此在先前制備硬掩膜層102的同時，需要保證其具有相當?shù)某跏己穸戎?，進而避免隨著對硬掩膜層102的不斷刻蝕的過程中，由于其厚度較薄甚至完全消失，無法繼續(xù)作為掩膜進行后續(xù)的離子注入。
[0044]由于在進行每次離子注入前，均對硬掩膜層102的寬度進行了拉大，將離子注入到外延層101中形成注入?yún)^(qū)104之后，上下不同位置處的注入?yún)^(qū)104在橫向延伸的寬度的差異性較小，這為后續(xù)形成的摻雜立柱具有較好的形貌提供了基礎。
[0045]進一步的，硬掩膜層102的開口拉大寬度W可根據(jù)不同注入能量的橫向分布長度進行計算。參照圖6所示，橫坐標代表為離子注入能量，縱坐標代表為注入?yún)^(qū)橫向分布距離，可結(jié)合圖2所示的基礎之上，假設在本發(fā)明的其中一個實施例中，形成的各注入?yún)^(qū)深度與圖2所示的注入?yún)^(qū)深度相同，那么通過計算圖2中上下相鄰兩個注入?yún)^(qū)橫向延伸的寬度的差值X，之后通過濕法刻蝕將開口寬度W增大為W+X，進而減小上下相鄰兩注入?yún)^(qū)之間的橫向延伸寬度的差異性。例如現(xiàn)有技術中，上下相鄰的兩個注入?yún)^(qū)Al、A2橫向?qū)挾炔钪禐閄，而在本申請中要形成的兩個注入?yún)^(qū)B1、B2深度與現(xiàn)有技術中兩個注入?yún)^(qū)A1、A2的深度相同，本發(fā)明在制備注入?yún)^(qū)BI之后，將硬掩膜層的開口寬度由W增大為W+X，并采用與現(xiàn)有技術中制備注入?yún)^(qū)A2相同的注入能量進行離子注入，形成了與注入?yún)^(qū)BI橫向?qū)挾冉葡嗟鹊淖⑷雲(yún)^(qū)B2。
[0046]步驟S5:完成上述的步驟之后，還需要進行一次退火處理，籍由各注入?yún)^(qū)104中的摻雜離子產(chǎn)生擴散，以在外延層101中任意一注入?yún)^(qū)104的豎直方向上形成一連續(xù)的P-型摻雜立柱106，并移除剩余的硬掩膜層102，如圖5H所示?？蛇x但非限制，可選用刻蝕工藝、CMP處理或者灰化工藝移除剩余的硬掩膜層102。
[0047]在本發(fā)明中，可以在形成摻雜立柱106之前或之后，形成襯底100。在此需要注意的是，如果在之前就已經(jīng)形成襯底100，需要通過控制第一次離子注入的能量，使得在外延層101中最下方的注入?yún)^(qū)104與外延層101底部保持有一定距離，以致外延層101中最下方的注入?yún)^(qū)104產(chǎn)生擴散之后也不會與襯底100形成接觸。同理，即便在形成摻雜立柱106之后形成襯底100，亦需要保證摻雜立柱106與襯底100之間具有一定距離。如果摻雜立柱106距離外延層101底部無法滿足需求，那么可在外延層101底部繼續(xù)制備一緩沖層，并在緩沖層底部制備重摻雜的襯底100。
[0048]同時，在本發(fā)明中還可具有其他一些實施例。在一個實施例中，襯底100的導電類型可以不同于外延層101。例如當?shù)谝粚щ婎愋蜑镻，第二導電類型為N型時，即意味著在P型外延層中進行離子注入形成超級結(jié)，參照圖7所示，在N型重摻雜的襯底200之上設置有一 P型的外延層202，且在襯底200與外延層202之間設置有具有第二導電類型的輕摻雜的N型緩沖層201 ;采用本發(fā)明的上述技術方案進行若干次N型的離子注入，并進行退火處理，形成圖7所示的結(jié)構(gòu)。需要說明的是，在進行第一次N型的離子注入時，需要控制其形成的注入?yún)^(qū)深度較深，進而保證在后續(xù)退火處理時第一次形成的N型注入?yún)^(qū)擴散與N型緩沖層201連接在一起，形成圖7所示的結(jié)構(gòu)，同樣可作為超結(jié)器件。本領域技術人員能夠理解，上述實施例也能夠應用于第一導電類型為N型，第二導電類型為P型的應用場合，即當器件具有P型襯底200時，在N型外延層202內(nèi)進行P型注入，可設置P型的緩沖層201，用于保證后續(xù)退火處理時P型注入?yún)^(qū)擴散與P型緩沖層201連接。
[0049]綜上所述，由于本發(fā)明采用了如上技術方案，通過制備一具有開口的硬掩膜層作為離子注入掩膜，并通過濕法刻蝕不斷增大開口的寬度，相比較現(xiàn)有技術而言，僅需要一次光刻工藝，對不同光刻層的套準要求降低，工藝簡單，成本較低；同時也很好的保證了形成的摻雜片區(qū)具有良好的泡泡形貌，為改善器件性能提供依據(jù)。
[0050]以上對本發(fā)明的較佳實施例進行了描述。需要理解的是，本發(fā)明并不局限于上述特定實施方式，其中未盡詳細描述的設備和結(jié)構(gòu)應該理解為用本領域中的普通方式予以實施；任何熟悉本領域的技術人員，在不脫離本發(fā)明技術方案范圍情況下，都可利用上述揭示的方法和技術內(nèi)容對本發(fā)明技術方案做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，這并不影響本發(fā)明的實質(zhì)內(nèi)容。因此，凡是未脫離本發(fā)明技術方案的內(nèi)容，依據(jù)本發(fā)明的技術實質(zhì)對以上實施例所做的任何簡單修改、等同變化及修飾，均仍屬于本發(fā)明技術方案保護的范圍內(nèi)。
【主權項】
1.一種半導體器件制備工藝，其特征在于，包括: 提供具有第一導電類型的外延層； 于所述外延層的頂部制備一具有第一開口的硬掩膜層，并利用所述第一開口進行第二導電類型的離子注入，在外延層內(nèi)第一預設深度處形成一注入?yún)^(qū)； 刻蝕硬掩膜層以增大第一開口的寬度形成第二開口，利用第二開口繼續(xù)進行第二導電類型的離子注入，在外延層內(nèi)第二預設深度處形成一注入?yún)^(qū)，第二預設深度小于第一預設深度； 刻蝕硬掩膜層以增大第N-1開口的寬度形成第N開口，利用第N開口繼續(xù)進行第二導電類型的離子注入，在外延層內(nèi)第N預設深度處形成一注入?yún)^(qū)，第N預設深度小于第N-1預設深度，重復進行該步驟， 其中，N為正整數(shù)且N彡2。2.如權利要求1所述的制備工藝，其特征在于，還包括: 進行退火處理，籍由各所述注入?yún)^(qū)產(chǎn)生擴散，以在外延層中任意一注入?yún)^(qū)的豎直方向上形成一連續(xù)的摻雜立柱。3.如權利要求1所述的制備工藝，其特征在于，所述外延層的底部還形成襯底。4.如權利要求2或3所述的制備工藝，其特征在于，在退火處理形成摻雜立柱之前或之后形成襯底，所述摻雜立柱不與所述襯底形成接觸。5.如權利要求4所述的制備工藝，其特征在于，所述工藝還包括在外延層與襯底之間制備緩沖層。6.如權利要求5所述的制備工藝，其特征在于，所述襯底為第二導電類型，所述緩沖層具有第二導電類型，且所述緩沖層與所述摻雜立柱底部相連接。7.如權利要求3所述的制備工藝，其特征在于，所述襯底的離子摻雜濃度大于所述外延層的離子摻雜濃度。8.如權利要求1所述的制備工藝，其特征在于，所述硬掩膜層為含硅材料層或無定形碳。9.如權利要求8所述的制備工藝，其特征在于，若所述硬掩膜層為含硅材料層，采用濕法刻蝕工藝對所述硬掩膜層進行刻蝕； 若所述硬掩膜層為無定形碳，采用各向同性的干法刻蝕工藝對所述硬掩膜層進行刻蝕。10.如權利要求1所述的制備工藝，其特征在于，硬掩膜層中的開口寬度越大，離子注入的能量越小。
【文檔編號】H01L21/308GK105895520SQ201510038076
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2015年1月26日
【發(fā)明人】沈健
【申請人】中航（重慶）微電子有限公司