一種溝槽柵DMOS的制作方法與流程

本發明屬于半導體功率器件技術領域，具體涉及一種溝槽柵dmos的制作方法。

背景技術：

功率dmos是在mos集成電路工藝基礎上發展起來的電力電子器件。與雙極型功率器件相比，dmos具有開關速度快，輸入阻抗高，驅動功率小等優點，其結構主要有平面柵型、溝槽柵型、屏蔽柵型、超結型四種類型。溝槽柵dmos通過體區和源區的縱向結深差形成溝道，消除了平面柵dmos存在的jfet區，其元胞尺寸和導通電阻均有顯著減小，在開關電源、逆變器、高速線路驅動器等場合獲得了廣泛應用。閾值電壓是dmos的重要參數，也是設計dmos外圍控制電路的重要參數，它對器件的開啟和關斷有重要影響，因此需要精確控制dmos的閾值電壓。

閾值電壓主要取決于柵氧厚度、柵氧固定電荷量和體區的摻雜分布。目前，在制作溝槽柵dmos器件中普遍采用離子注入法結合高溫推結的工藝來制作體區，運用上述工藝雖簡單可靠，然而仍存在以下不足之處：一方面，由于擴散爐控溫精度不高，高溫推結時無法精確控制dmos體區的摻雜分布，導致不同批次dmos產品之間體區摻雜分布的一致性受到不利影響，使得閾值電壓的一致性降低；另一方面，高溫推結一般在擴散爐中進行，其“升溫-恒溫-降溫”過程需要耗費較長的時間，這也意味著較高的時間成本；此外，運用該工藝形成的體區，其縱向摻雜為非均勻分布，使得器件的防漏源穿通能力相對較弱，不利于制造短溝道器件。

技術實現要素：

本發明提供一種能夠精確控制體區摻雜分布的溝槽柵dmos制作方法，運用該制作方法制得的多批次dmos之間的閾值電壓具有良好一致性，并且簡化了生產流程，縮短了生產時間，降低了生產成本。

為實現上述目的，本發明提供如下技術方案：

技術方案1：

一種溝槽柵dmos的制作方法，包括以下步驟：

步驟a：在n型襯底上生長n型外延層，然后在n型外延層中進行刻蝕形成溝槽；

步驟b：在步驟a制得溝槽的內表面及除去溝槽的n型外延層上表面形成柵氧化層；

步驟c：在步驟b制得的柵氧化層上沉積多晶硅層；

步驟d：將步驟c制得的多晶硅層進行表面平坦化處理，使得溝槽內多晶硅層表面與n型外延層上表面齊平；

步驟e：完成步驟d后，通過多次不同能量的離子注入操作將受主離子注入至n型外延層內形成體區；

步驟f：完成步驟e后，采用離子注入法將施主離子注入至n型外延層內形成源區，所形成源區的結深不超過體區的結深；

步驟g：完成步驟f后，在n型外延層表面沉積絕緣層，然后在絕緣層形成接觸孔；

步驟h：采用離子注入法將受主離子通過步驟g制得的接觸孔注入形成p⁺區；

步驟i：完成步驟h后，將樣品進行快速熱退火處理，退火溫度為1000～1100℃，退火時間為1～60秒；

步驟j：完成步驟i后，在樣品上、下表面分別沉積金屬層，進而形成源極和漏極。

技術方案2：

一種溝槽柵dmos的制作方法，包括以下步驟：

步驟a：在p型襯底上生長p型外延層，然后在p型外延層中進行刻蝕形成溝槽；

步驟b：在步驟a制得溝槽的內表面及除去溝槽的p型外延層上表面形成柵氧化層；

步驟c：在步驟b制得的柵氧化層上沉積多晶硅層；

步驟d：將步驟c制得的多晶硅層進行表面平坦化處理，使得溝槽內多晶硅層表面與p型外延層上表面齊平；

步驟e：完成步驟d后，通過多次不同能量的離子注入操作將施主離子注入至p型外延層內形成體區；

步驟f：完成步驟e后，采用離子注入法將受主離子注入至p型外延層內形成源區，所形成源區的結深不超過體區的結深；

步驟g：完成步驟f后，在p型外延層表面沉積絕緣層，然后在絕緣層形成接觸孔；

步驟h：采用離子注入法將施主離子通過步驟g制得的接觸孔注入形成n⁺區；

步驟i：完成步驟h后，將樣品進行快速熱退火處理，退火溫度為1000～1100℃，退火時間為1～60秒；

步驟j：完成步驟i后，在樣品上、下表面分別沉積金屬層，進而形成源極和漏極。

本技術方案只是將技術方案1中的施主離子和受主離子互換，其他內容保持不變，以制得p溝道器件。

技術方案3：

一種溝槽柵dmos的制作方法，包括以下步驟：

步驟a：在n型襯底上生長n型外延層，通過多次不同能量的離子注入操作將受主離子注入至n型外延層內形成體區；

步驟b：完成步驟a后，采用離子注入法將施主離子注入至n型外延層內形成源區，所形成源區的結深不超過體區的結深；

步驟c：完成步驟b后，在n型外延層上進行刻蝕形成溝槽；

步驟d：在步驟c制得溝槽的內表面及除去溝槽的n型外延層上表面形成柵氧化層；

步驟e：在步驟d制得的柵氧化層上沉積多晶硅層；

步驟f：將步驟e制得的多晶硅層進行表面平坦化處理，使得溝槽內多晶硅層表面與n型外延層上表面齊平；

步驟g：在步驟f制得的n型外延層表面沉積絕緣層，然后在絕緣層形成接觸孔；

步驟h：采用離子注入法將受主離子通過步驟g制得的接觸孔注入形成p⁺區；

步驟i：完成步驟h后，將樣品進行快速熱退火處理，退火溫度為1000～1100℃，退火時間為1～60秒；

步驟j：完成步驟i后，在樣品上、下表面分別沉積金屬層，進而形成源極和漏極。

根據本領域常識可知：可以先在外延層上制備體區和源區，然后再進行其余結構層的制作。

技術方案4：

一種溝槽柵dmos的制作方法，包括以下步驟：

步驟a：在p型襯底上生長p型外延層，通過多次不同能量的離子注入操作將施主離子注入至p型外延層內形成體區；

步驟b：完成步驟a后，采用離子注入法將受主離子注入至p型外延層內形成源區，所形成源區的結深不超過體區的結深；

步驟c：完成步驟b后，在p型外延層上進行刻蝕形成溝槽；

步驟d：在步驟c制得溝槽的內表面及除去溝槽的p型外延層上表面形成柵氧化層；

步驟e：在步驟d制得的柵氧化層上沉積多晶硅層；

步驟f：將步驟e制得的多晶硅層進行表面平坦化處理，使得溝槽內多晶硅層表面與p型外延層上表面齊平；

步驟g：在步驟f制得的p型外延層表面沉積絕緣層，然后在絕緣層形成接觸孔；

步驟h：采用離子注入法將施主離子通過步驟g制得的接觸孔注入形成n⁺區；

步驟i：完成步驟h后，將樣品進行快速熱退火處理，退火溫度為1000～1100℃，退火時間為1～60秒；

步驟j：完成步驟i后，在樣品上、下表面分別沉積金屬層，進而形成源極和漏極。

本技術方案只是將技術方案3中的施主離子和受主離子互換，其他內容保持不變，以制得p溝道器件。

本發明技術方案所公開的制作工藝也可以用于制作溝槽柵igbt中的體區。

上文所述的四個技術方案中，襯底和外延層材料可以為硅，也可以為碳化硅，還可以是氮化鎵。

上文所述的四個技術方案中，施主離子通常采用磷離子或者砷離子，受主離子通常采用硼離子或者鋁離子。

上文所述的四個技術方案中，表面平坦化處理可以采用刻蝕、cmp法或者任何合適的方法對外延層表面多余多晶硅進行去除。

上文所述的四個技術方案中，采用不同于現有技術的方法制備體區，即進行多次不同能量的離子注入；

具體地，注入能量為40～500kev，注入次數為2～5次，多次注入操作的總注入劑量為1.0e¹²～1.0e¹⁴/cm²；

上文所述的四個技術方案中，制備源區為現有技術，注入離子能量及劑量本領域技術人員可以根據實際要求進行調整；

進一步的，上文所述的四個技術方案中采用快速熱退火來激活雜質離子，具體操作包括：

在氬氣或氮氣形成的惰性氛圍中將樣品急速升溫至目標溫度1000～1100℃，并短暫持續，持續時間為1～60秒。

在傳統溝槽柵dmos器件的制造工藝中，體區通常為離子注入結合高溫推結所形成。其中的離子注入能量較低，注入的離子集中在硅片表面。隨后將硅片置于擴散爐中進行高溫推結，雜質離子向硅片深處擴散從而形成一定的摻雜分布。而本發明直接將離子注入至一定深度形成體區，然后進行快速熱退火來激活雜質離子。

本發明在制備溝槽柵dmos的體區時采用多次不同能量的離子注入結合快速熱退火處理的方法，與目前普遍采用的離子注入后采用高溫推結的方法相比，具有以下優勢：

(1).離子注入具有很高的精度，并且快速熱退火處理幾乎不會引起雜質擴散，因此提高了對dmos體區摻雜分布的控制精度，使得不同批次dmos產品之間的體區摻雜分布的一致性得到提高，閾值電壓的一致性也得到提高。

(2).通過適當選擇離子注入的次數、能量和劑量，可以形成近似均勻摻雜的體區，如圖6所示。與傳統工藝形成的非均勻摻雜相比，當摻雜的峰值濃度相同時，其具有更大的摻雜總量，因此器件防漏源穿通的能力增強。

(3).簡化了工藝流程，縮短了生產時間，降低了能耗及生產成本，運用本發明工藝有利于提高市場競爭力。

附圖說明

圖1為本發明實施例1制作溝槽柵dmos器件的的流程圖。

圖2為本發明實施例1制作溝槽柵dmos器件的結構示意圖；其中，圖(a)為制備溝槽后的結構示意圖，圖(b)為制備柵氧化層后的結構示意圖，圖(c)為沉積多晶硅后的結構示意圖，圖(d)為表面平坦化處理后的結構示意圖，圖(e)為形成體區后的結構示意圖，圖(f)為形成源區后的結構示意圖，圖(g)為制備絕緣層后的結構示意圖，圖(h)為制備源極、漏極后的結構示意圖。

圖3為本發明實施例2制作溝槽柵dmos器件的的流程圖。

圖4為本發明實施例2制作溝槽柵dmos器件的結構示意圖；其中，圖(a)為形成體區后的結構示意圖，圖(b)為形成源區后的結構示意圖，圖(c)為制備溝槽后的結構示意圖，圖(d)為制備柵氧化層后的結構示意圖，圖(e)為沉積多晶硅后的結構示意圖，圖(f)為表面平坦化處理后的結構示意圖，圖(g)為制備絕緣層后的結構示意圖，圖(h)為制備源極、漏極后的結構示意圖。

圖5為傳統工藝制得的溝槽柵dmos器件的縱向摻雜濃度分布圖。

圖6為本發明工藝制得的溝槽柵dmos器件的縱向摻雜濃度分布圖。

圖中，1為n型襯底，2為n型外延層，3為溝槽，4為柵氧化層，5為多晶硅層，6為體區，7為源區，8為絕緣層，9為p⁺區，10為源極，11為漏極，12為p型襯底，13為p型外延層，14為n⁺區。

具體實施方式

以下結合本發明具體實施例和說明書附圖對本發明原理進行詳細說明：

實施例1：

如圖1所示為本實施例制作溝槽柵dmos器件的流程示意圖，以下對每一步驟進行逐一闡述：

步驟a：在n型襯底1上生長n型外延層2，根據本領域常識可知：n型襯底1為重摻雜，n型外延層2為輕摻雜，具體的摻雜濃度為現有技術，可根據實際要求進行選擇，故在此不再贅述，如圖2中圖(a)所示，然后在n型外延層中進行刻蝕形成溝槽3，本實施例中溝槽3的縱向截面形狀為矩形，根據本領域常識可知：溝槽的深度應小于n型外延層2的厚度，另外，溝槽制備工藝可以為光刻或者刻蝕工藝，也可以為其他合適的工藝，本發明并不做限定；

步驟b：如圖2中圖(b)所示，在步驟a制得溝槽3的內表面及除去溝槽3的n型外延層2上表面形成柵氧化層4，本實施例中的柵氧化層4的厚度為300～500埃；

步驟c：如圖2中圖(c)所示，在步驟b制得的柵氧化層4上沉積多晶硅層5；

步驟d：如圖2中圖(d)所示，采用cmp法將步驟c制得的多晶硅層5進行表面平坦化處理，使得溝槽3內多晶硅層5表面與n型外延層2上表面齊平，本實施例多晶硅層5的厚度為6000～8000埃；

步驟e：完成步驟d后，進行能量70kev、劑量9e¹²/cm²和能量220kev、劑量4.5e¹²/cm²的硼離子注入各一次，在n型外延層2中形成結深約0.6微米的體區6，如圖2中圖(e)所示；

步驟f：完成步驟e后，進行一次能量60kev、劑量1e¹⁴/cm²的砷離子注入，在n型外延層2中形成結深約0.2微米源區7；，如圖2中圖(f)所示；

步驟g：完成步驟f后，如圖2中圖(g)所示，在n型外延層2表面沉積絕緣層8，具體的工藝為現有技術，在此不再贅述，絕緣層8可以為二氧化硅層或硼磷硅玻璃，也可以為任何合適的材料，本發明對此不做限定，然后在絕緣層8形成接觸孔，形成接觸孔的工藝為現有技術，在此不再贅述；

步驟h：本實施例采用的施主離子為二氟化硼離子，具體為進行一次劑量為1.0e¹⁵/cm²、能量為40kev的二氟化硼離子注入，在n型外延層內2中形成p⁺區9，如圖2中圖(h)所示；

步驟i：完成步驟h后，將樣品進行快速熱退火處理，退火溫度為1000℃，退火時間為30秒；

步驟j：完成步驟i后，在樣品上、下表面分別沉積金屬層，進而形成源極10和漏極11，如圖2中圖(h)所示；本實施例源極材料采用鋁硅銅合金，本實施例漏極材料采用鈦鎳銀復合層，厚度可以為2～4微米。

采用tcad軟件對本發明實施例1工藝及傳統工藝進行仿真，結果如圖5和圖6所示，從圖5可以看出采用低能離子注入結合高溫推結的方法制作的dmos器件的體區摻雜分布不均勻，而本發明所提供的工藝通過采用多次不同能量的離子注入結合快速熱退火處理制作的dmos器件的體區摻雜分布幾乎均勻。

實施2：

如圖3所示為本實施例制作溝槽柵dmos器件的流程示意圖，以下對每一步驟進行逐一闡述：

步驟a：在p型襯底12上生長p型外延層13，根據本領域常識可知：p型襯底12為重摻雜，p型外延層13為輕摻雜，具體的摻雜濃度為現有技術，可根據實際要求進行選擇，故在此不再贅述，進行能量400kev、劑量8e¹²/cm²和能量150kev、劑量3e¹²/cm²的磷離子注入各一次，在p型外延層13中形成結深約0.5微米的體區6；

步驟b：完成步驟a后，進行一次能量40kev、劑量1e¹⁴/cm²的二氟化硼離子注入，在p型外延層13中，形成結深約0.2微米的源區7；

步驟c：完成步驟b后，在p型外延層13中進行刻蝕形成溝槽3，本實施例中溝槽3的縱向截面形狀為矩形，根據本領域常識可知：溝槽的深度應小于p型外延層13的厚度，另外，溝槽制備工藝可以為光刻或者刻蝕工藝，也可以為其他合適的工藝，本發明并不做限定；

步驟d：在步驟a制得溝槽3的內表面及除去溝槽3的p型外延層13上表面形成柵氧化層4，本實施例中的柵氧化層4的厚度為300～500埃；

步驟e：在步驟b制得的柵氧化層4上沉積多晶硅層5；

步驟f：采用cmp法將步驟c制得的多晶硅層5進行表面平坦化處理，使得溝槽3內多晶硅層5表面與n型外延層2上表面齊平，本實施例多晶硅層5的厚度為6000～8000埃；

步驟g：完成步驟f后，在p型外延層13表面沉積絕緣層8，具體的工藝為現有技術，在此不再贅述，絕緣層8可以為二氧化硅層或硼磷硅玻璃，也可以為任何合適的材料，本發明對此不做限定，然后在絕緣層8形成接觸孔，形成接觸孔的工藝為現有技術，在此不再贅述；

步驟h：完成步驟g后，進行一次劑量為1e¹⁴/cm²、能量為60kev的砷離子注入，在p型外延層內13中形成n⁺區14，；

步驟i：完成步驟h后，將樣品進行快速熱退火處理，退火溫度為1100℃，退火時間為10秒；

步驟j：完成步驟i后，在樣品上、下表面分別沉積金屬層，進而形成源極10和漏極11，本實施例源極材料采用鋁硅銅合金，本實施例漏極材料采用鈦鎳銀復合層，厚度可以為2～4微米。

以上結合附圖對本發明的實施例進行了闡述，但是本發明并不局限于上述的具體實施方式，上述具體實施方式僅僅是示意性的，而不是限制性的，本領域的普通技術人員在本發明的啟示下，在不脫離本發明宗旨和權利要求所保護的范圍情況下，還可做出很多形式，這些均屬于本發明的保護之內。