專利名稱：極度圓孔屏蔽的柵槽mosfet器件及其生產(chǎn)工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般地涉及半導(dǎo)體功率器件。更具體地，本發(fā)明涉及一種改進(jìn)的新型生產(chǎn) 工藝和器件結(jié)構(gòu)，能提供在硅頂面下深度得到精確控制的屏蔽槽柵，準(zhǔn)確地減小柵漏電容。
背景技術(shù)：
使用屏蔽的柵槽(SGT)結(jié)構(gòu)減小DMOS (雙擴(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體)器件中柵漏電 容(Cgd)的常規(guī)技術(shù)仍然面臨著技術(shù)局限性和困難，特別是溝槽DMOS器件結(jié)構(gòu)中含有槽 柵，柵極與漏極之間較大的電容Cgd限制了器件的轉(zhuǎn)換速度。這個(gè)電容主要是由藕聯(lián)在槽 柵底部與漏極之間的電場產(chǎn)生的，為了減小柵漏電容，在槽柵底部引入了一個(gè)改進(jìn)的屏蔽 柵槽(SGT)結(jié)構(gòu)，使槽柵與漏極隔絕。SGT結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)思想是使槽的底部與源極連接，將槽 柵與位于基片底部的漏極屏蔽，如圖1所示。采用在槽柵底部引入SGT結(jié)構(gòu)的做法可使柵 漏電容Cgd比原來的減小約50%，這樣，在槽柵底部引入SGT結(jié)構(gòu)的DMOS器件的轉(zhuǎn)換速度 和轉(zhuǎn)換效率也得到極大的提高。但是，為了能夠改善Cgd而實(shí)現(xiàn)這樣的結(jié)構(gòu)，必須十分注意生產(chǎn)工藝，特別是必須 嚴(yán)格控制從柵槽底部時(shí)間腐蝕多晶硅。正如圖1所示，支撐在具有外延層15基片10上的 DMOS器件具有一個(gè)槽柵20，槽柵20包括一個(gè)注入在槽中、具有柵絕緣層45的多晶硅柵極。 在槽柵20下面，還有另一個(gè)分隔開的屏蔽柵槽(SGT)結(jié)構(gòu)30，它包括多晶硅，多晶硅注入在 被絕緣層40與槽柵20分隔開來的槽底部空間。DMOS器件還進(jìn)一步包括有作為標(biāo)準(zhǔn)DMOS 器件的體區(qū)和源區(qū)50和60，槽柵底部的深度，如圖1中的D所示，取決于構(gòu)成SGT結(jié)構(gòu)30 時(shí)從槽底部部分多晶硅的腐蝕速率，仔細(xì)地控制蝕刻操作可以控制深度Do但是，由于槽頂 部部分多晶硅的腐蝕速率差異，槽底部深度D不能精確地控制。正如以上所述，即使是能夠精確地控制蝕刻過程，相對(duì)于硅基片頂面的多晶硅柵 極的深度也不能得到足夠程度的精確控制，因?yàn)槌宋g刻時(shí)間的長短之外，槽柵底部多晶 硅的蝕刻速度還取決于幾個(gè)均能造成槽柵深度差異的參數(shù)，因此柵極深度差異極難控制。 可是，柵極底部的深度差異直接影響器件的性能，包括柵漏電容，柵極深度差異還會(huì)進(jìn)一步 影響控制器件通道的難度。除非是采取特殊措施控制槽底部多晶硅的蝕刻速度以控制槽柵 的深度，否則減小柵漏電容是無法真正實(shí)現(xiàn)的。所以，在功率半導(dǎo)體器件設(shè)計(jì)和生產(chǎn)領(lǐng)域依然存在著需要提供一種新的生產(chǎn)方法 和器件結(jié)構(gòu)的要求，以便構(gòu)建一種能解決上述所有問題和局限性的功率器件。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種新的、改進(jìn)的、使用有屏蔽柵槽(SGT)結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體功 率器件，SGT結(jié)構(gòu)打開后為圓孔，其旁向膨脹超出槽壁，作為豎向定線的界標(biāo)。槽柵的深度 可用作為垂直調(diào)整的旁向膨脹進(jìn)行精確的控制，從而能夠精確地生產(chǎn)出柵漏電容，克服上 面所討論的技術(shù)困難和局限性。具體地，本發(fā)明的目的是提供一種改進(jìn)的器件結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)方法，能夠減小柵漏電
3容，同時(shí)還能通過控制槽柵的深度精確地控制包括柵漏電容在內(nèi)的器件參數(shù)。槽柵深度是 通過生成一個(gè)從槽旁向膨脹的圓孔SGT結(jié)構(gòu)，使槽柵深度能夠用蝕刻時(shí)間精確地控制，而 蝕刻時(shí)間采用圓孔旁向膨脹作為垂直調(diào)整的控制指標(biāo)。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，本發(fā)明公開了一種槽金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管 (MOSFET)。這種MOSFET包括一個(gè)由源區(qū)圍繞的槽柵，源區(qū)被圍繞在位于基片底面上的漏區(qū) 上的體區(qū)中。MOSFET單元進(jìn)一步包括一個(gè)位于槽柵下面且與槽柵絕緣的屏蔽柵槽(SGT)結(jié) 構(gòu)，生成的SGT結(jié)構(gòu)基本是一個(gè)圓孔，其旁向膨脹超出槽柵并被一層充填有槽柵材料的介 質(zhì)層覆蓋。圓孔通過各向同性腐蝕生成，位于槽柵底部，通過氧化物絕緣層與槽柵絕緣。圓 孔的旁向膨脹超出槽壁，其旁向膨脹用作控制槽柵深度垂直調(diào)整的界標(biāo)。取決于位于槽柵 下面作為一個(gè)圓孔的SGT結(jié)構(gòu)之上的槽柵的控制深度，MOSFET器件的柵漏電容Cgd被減小。


圖1顯示了背景技術(shù)中具有一個(gè)常規(guī)屏蔽柵槽(SGT)結(jié)構(gòu)的、使用槽柵結(jié)構(gòu)的常 規(guī)槽MOSFET器件的截面圖；圖2顯示了在槽柵下使用了根據(jù)本發(fā)明生產(chǎn)的圓孔SGT結(jié)構(gòu)的槽MOSFET器件的 截面圖；圖3A—圖3L是一組顯示根據(jù)本發(fā)明的工藝生產(chǎn)一個(gè)槽MOSFET器件的截面圖。
具體實(shí)施例方式為更好地理解本發(fā)明，以下結(jié)合圖2和圖3，詳細(xì)說明本發(fā)明的較佳實(shí)施例，使得 本領(lǐng)域的技術(shù)人員將會(huì)更加清楚地理解本發(fā)明的各種技術(shù)特征和有效技術(shù)效果。圖2是本發(fā)明的槽MOSFET器件100的截面圖。槽MOSFET器件100支撐在具有外 延層110的基片105上，槽MOSFET器件100包括一個(gè)屏蔽柵槽(SGT)結(jié)構(gòu)130，SGT結(jié)構(gòu) 130打開時(shí)是一個(gè)位于槽柵150之下的圓孔屏蔽結(jié)構(gòu)，在此充填有多晶硅的圓孔SGT結(jié)構(gòu) 130是用來通過絕緣層120將槽柵150與位于基片105之下的漏極屏蔽和絕緣，絕緣層120 圍繞SGT結(jié)構(gòu)130和SGT結(jié)構(gòu)130與槽柵150之間的氧化物層140。槽柵150包括充填到 槽中的多晶硅，槽被覆蓋槽壁的柵絕緣層155所圍繞。體區(qū)160摻雜有第二型傳導(dǎo)性，如P 型的攙雜物，延伸在槽柵150之間。圍繞源區(qū)170的P體區(qū)160摻雜有第一傳導(dǎo)性，如N+ 的攙雜物，源區(qū)170位于圍繞槽柵150的外延層頂面附近。半導(dǎo)體基片頂面上也是絕緣層、 接觸開口和金屬層，提供源-體區(qū)以及柵極的電接觸。由于這些結(jié)構(gòu)業(yè)已為本領(lǐng)域技術(shù)人 員所熟知，為了簡潔起見，這些結(jié)構(gòu)特征沒有特別地畫出，也未特別地進(jìn)行討論。圖3A-圖3L是一組顯示生產(chǎn)MOSFET器件步驟的側(cè)面截面圖，具體如圖3A-圖3D 所示。在圖3A中，槽掩模208用來在基片205上開多個(gè)槽209。在圖3B中，氧化物層210生 長在槽壁表面上。在圖3C中，進(jìn)行非各向同性氧化物腐蝕(non-isotropic oxide etch), 從槽壁底部清除氧化物層210。然后從事各向異性硅腐蝕，使槽209向下蝕刻到基片，再進(jìn) 行一種獨(dú)特的硅圓孔腐蝕，例如各向同性硅腐蝕，打開圓孔215將槽底部延伸到圖3D所示 的側(cè)面方向和垂直方向。槽底部的圓孔旁向延伸，圓孔215要比側(cè)壁氧化物層210保護(hù)的 頂部槽的寬度寬。在圖3Ε中，進(jìn)行的第二次槽氧化在底部槽孔215的側(cè)壁上生成氧化物層 220，然后多晶硅層230沉淀充填槽209和底部圓孔215。
4
在圖3F中，進(jìn)行定時(shí)的多晶硅腐蝕從槽209頂部清除多晶硅層220。在多晶硅中 心進(jìn)行的多晶硅回蝕(etch back)操作的差異不影響器件的性能或柵漏電容Cgd，柵漏電 容是由底部多晶硅層的上邊緣和通道深度決定的。在圖3G中，氧化物硬掩模208清除后緊 接著便是如圖3H所示的第三次槽柵氧化物氧化，生成覆蓋槽壁和底部圓孔230頂面的柵氧 化物層240。在圖31中，多晶硅進(jìn)行第二次沉淀用多晶硅層250充填槽，如圖3J所示，通過 第二次多晶硅腐蝕回蝕覆蓋基片205頂面的多晶硅層，生成頂部槽多晶硅柵250，這種第二 次多晶硅回蝕與當(dāng)前技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)工藝完全相同。然后，進(jìn)行體植入和擴(kuò)散工藝的準(zhǔn)備過程 (stand processes)，生成如圖3K所示的P體區(qū)260。接下來進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)源攙雜物植入和擴(kuò)散 工藝，生成如圖3L所示的源區(qū)270。這些工藝與當(dāng)前標(biāo)準(zhǔn)的槽MOS工藝相同，剩下的工藝， 如接觸工藝、金屬工藝和鈍化工藝也與當(dāng)前技術(shù)相同。在上述工藝中，由于起始材料是扁平園片，槽209的深度可以更加均勻、精確地控 制。下面的非各向同性氧化物腐蝕從槽壁底部清除氧化物層210，氧化物層的清除點(diǎn)可為垂 直方向提供一個(gè)界標(biāo)，因?yàn)樵诮酉聛淼母飨蛲怨韪g過程中，底部膨脹槽的上邊緣會(huì)自 動(dòng)地調(diào)整到這一點(diǎn)，這個(gè)上邊緣而不是多晶硅腐蝕面提供一個(gè)能控制底部柵屏蔽效應(yīng)的參 照點(diǎn)。與底部源電極的頂部由腐蝕時(shí)間控制的常規(guī)工藝比較，本申請公開的工藝提供了一 種精確度更高的垂直自動(dòng)調(diào)整結(jié)構(gòu)，因?yàn)樵摻Y(jié)構(gòu)能通過自動(dòng)調(diào)整過程做到從不太容易控制 的依賴時(shí)間腐蝕的多晶硅回蝕表面到一個(gè)比較精確的參照點(diǎn)，從而精確地得到柵控點(diǎn)的深 度。按照以上所述，本發(fā)明進(jìn)一步公開了一種生產(chǎn)槽金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管 (MOSFET)器件的方法。該方法進(jìn)一步包括在基片上開槽和使用介質(zhì)層覆蓋槽的槽壁以及接 下來從槽的底部部分清除部分介質(zhì)層的步驟。該方法還進(jìn)一步包括利用各向同性基片腐蝕 法在槽的底部部分開一個(gè)圓孔，使圓孔從槽壁側(cè)面延伸的步驟。該方法還包括用柵材料充 填槽和槽底部的圓孔，以及接下來運(yùn)用時(shí)間腐蝕法(time etch)從槽的頂部部分清除柵材 料，使柵材料僅充填圓孔和直到圓孔的旁向膨脹點(diǎn)的步驟。該方法還包括采用圓孔的旁向 膨脹點(diǎn)作為垂直調(diào)整的界標(biāo)，控制從槽的頂部部分清除柵材料的腐蝕時(shí)間，從而達(dá)到控制 MOSFET器件的槽柵深度的步驟。該方法還進(jìn)一步包括生成一層絕緣層用來覆蓋圓孔頂面， 使圓孔與槽柵分隔開來的步驟，該方法還進(jìn)一步包括將柵材料充填到位于圓孔之上的槽， 接下來通過回蝕工藝從基片頂面清除柵材料生成槽柵的步驟。該方法還進(jìn)一步包括在槽柵 周圍生成一個(gè)體區(qū)和一個(gè)源區(qū)的步驟。從本質(zhì)上說，本發(fā)明進(jìn)一步公開了一種生產(chǎn)半導(dǎo)體器件的方法。該方法包括沿基 片垂直方向建立一個(gè)調(diào)整界標(biāo)的步驟，從而提供一個(gè)可測量的控制參數(shù)，用來控制生產(chǎn)過 程，獲得具有預(yù)先設(shè)定的垂直調(diào)整指標(biāo)的結(jié)構(gòu)特征的步驟。該方法進(jìn)一步包括開一個(gè)具有 可控深度的槽的步驟。在一個(gè)特定的實(shí)施例中，該方法進(jìn)一步包括沿基片垂直方向建立一 個(gè)調(diào)整界標(biāo)，從而提供一個(gè)可測量的控制參數(shù)，用來控制生產(chǎn)過程，獲得具有預(yù)先設(shè)定的垂 直調(diào)整指標(biāo)的結(jié)構(gòu)特征的步驟。這個(gè)生產(chǎn)方法還包括開一個(gè)具有可控深度的槽的步驟。建 立一個(gè)垂直調(diào)整界標(biāo)的步驟包括在槽中開一個(gè)圓孔，使其側(cè)面膨脹超過槽壁，為垂直調(diào)整 提供界標(biāo)。在槽中開一個(gè)圓孔的步驟還包括在槽底部開一個(gè)圓孔以及用柵材料充填圓孔使 其扮演屏蔽柵槽(SGT)結(jié)構(gòu)的功能的步驟。開圓孔的步驟是采用各向同性基片腐蝕在槽底 部開一個(gè)圓孔的步驟。該方法還進(jìn)一步包括在充填有柵材料的圓孔頂部生成一層絕緣層，從而構(gòu)建一個(gè)SGT結(jié)構(gòu)，作為與槽分隔開來的結(jié)構(gòu)的步驟。該方法還包括用柵材料充填槽 以及從槽頂面回蝕柵材料，從而在槽中生成槽柵，使SGT結(jié)構(gòu)位于槽柵之下的圓孔中的步 驟。該方法還進(jìn)一步包括在圍繞槽柵的基片中生產(chǎn)一個(gè)體區(qū)和一個(gè)源區(qū)，以便生產(chǎn)MOSFET 器件的步驟。生產(chǎn)MOSFET器件的步驟包括為垂直調(diào)整建立界標(biāo)的步驟，建立垂直調(diào)整界標(biāo) 的步驟包括在槽中開一個(gè)圓孔，使其旁向膨脹超出槽壁，從而為垂直調(diào)整提供界標(biāo)的步驟。
盡管本發(fā)明是用當(dāng)前優(yōu)選的實(shí)施例進(jìn)行介紹的，但必須認(rèn)識(shí)到這種介紹絕不能理 解為僅局限于此。本領(lǐng)域技術(shù)人員在閱讀上述介紹后將清楚到認(rèn)識(shí)到還存在著多種變化和 修改。因此，所附的權(quán)利要求被認(rèn)為包括不背離本發(fā)明的精神和范圍的各種這樣的等效變 化和修改。
權(quán)利要求
一種生產(chǎn)半導(dǎo)體器件的方法，其特征在于，包括下述步驟沿基片垂直方向建立一個(gè)調(diào)整界標(biāo)，從而提供一個(gè)可測量的控制參數(shù)，用來控制生產(chǎn)過程，獲得具有預(yù)先設(shè)定的垂直調(diào)整指標(biāo)的結(jié)構(gòu)特征。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述的生產(chǎn)工藝包括開一個(gè)具有可控深 度的槽的步驟。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述的建立垂直調(diào)整界標(biāo)的步驟包括在 所述槽中開一個(gè)圓孔，使其旁向膨脹超出槽壁，從而為垂直調(diào)整提供所述界標(biāo)的步驟。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，所述的在槽中開圓孔的步驟進(jìn)一步包括 在所述槽開一個(gè)圓孔以及用柵材料充填所述圓孔使其具有屏蔽柵槽結(jié)構(gòu)的功能的步驟。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，所述開圓孔的步驟是采用各向同性基片 腐蝕法在所述槽底部開一個(gè)圓孔。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，進(jìn)一步包括在充填有所述柵材料的所述 圓孔頂部生成一層絕緣層，從而構(gòu)建一個(gè)所述屏蔽柵槽結(jié)構(gòu)，作為與所述槽分隔開來的結(jié) 構(gòu)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，進(jìn)一步包括用所述柵材料充填所述槽以 及從所述槽頂面回蝕所述柵材料，從而在所述槽中生成槽柵，使所述屏蔽柵槽結(jié)構(gòu)位于所 述槽柵之下的所述圓孔中。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，進(jìn)一步包括在圍繞所述槽柵的所述基片 中生成一個(gè)體區(qū)和一個(gè)源區(qū)，以生產(chǎn)一個(gè)MOSFET器件。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種改進(jìn)的槽金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFET)器件，該器件包括一個(gè)被源區(qū)圍繞的槽柵，源區(qū)被圍繞在位于基片底面上的漏區(qū)之上的體區(qū)中。MOSFET單元進(jìn)一步包括一個(gè)位于槽柵下面且與槽柵絕緣的屏蔽柵槽(SGT)結(jié)構(gòu)，SGT結(jié)構(gòu)基本是由一個(gè)旁向膨脹超出槽柵以及被充填有槽柵材料的介質(zhì)層覆蓋的圓孔組成。圓孔是通過各向同性腐蝕在槽柵底部生成的并通過氧化物絕緣層與槽柵分隔開來。圓孔的旁向膨脹超出槽壁，該旁向膨脹可用作垂直調(diào)整的界標(biāo)，控制槽柵的深度。取決于位于作為槽柵之下一個(gè)圓孔的SGT結(jié)構(gòu)之上的槽柵的可控深度，MOSFET器件的柵漏電容Cgd可以減小。
文檔編號(hào)H01L29/78GK101950720SQ20101023625
公開日2011年1月19日 申請日期2006年12月25日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月28日
發(fā)明者常虹, 戴嵩山, 李鐵生, 王宇 申請人:萬國半導(dǎo)體股份有限公司