高壓MOS器件及其制備方法與流程

高壓mos器件及其制備方法
技術領域
1.本發明涉及半導體制造技術領域，具體涉及一種半導體器件，特別是涉及一種高壓mos器件及其制備方法。


背景技術：

2.高壓（high voltage）mos（metal-oxide-semiconductor，金屬氧化物半導體）器件是一種常用的功率器件。其工作原理為，當控制電壓作用于柵極時，柵極與源極之間形成的電場會改變漏極與源極之間的電阻值。當控制電壓增加時，漏極與源極之間的電阻值會逐漸降低，從而增加電流。相反，當控制電壓降低時，漏極與源極之間的電阻值會逐漸增大，電流也會降低。由于其具有可靠性高，體積小，功耗低，響應速度快等優點，因而在電力電子、通信、汽車電子、航空航天等領域得到越來越廣泛的應用。
3.對于高壓mos器件來說，其主要的指標包括在關斷狀態（off-state）下的（breakdown voltage，簡稱bv）以及導通狀態下的（on-state）下的導通電阻（rdson）。通常希望擊穿電壓盡量高而導通電阻盡量小。擊穿電壓和導通電阻主要依由漂移區（drift）長度以及濃度決定。現有技術中，通常通過增加漂移區的長度和減小漂移區的摻雜濃度以提高擊穿電壓，但是這會增加芯片面積和導通電阻，影響器件性能和進一步小型化。
4.應該注意，上面對技術背景的介紹只是為了方便對本技術的技術方案進行清楚、完整的說明，并方便本領域技術人員的理解而闡述的。不能僅僅因為這些方案在本技術的背景技術部分進行了闡述而認為上述技術方案為本領域技術人員所公知。


技術實現要素：

5.鑒于以上所述現有技術的缺點，本發明的目的在于提供一種高壓mos器件及其制備方法，用于解決現有技術中現有技術中通過增加漂移區的長度和減小漂移區的摻雜濃度以提高擊穿電壓，但是這會增加芯片面積和導通電阻，影響器件性能和進一步小型化等問題。
6.為實現上述目的及其他相關目的，本發明提供一種高壓mos器件，所述高壓mos器件包括襯底、柵極、源極、漏極、漂移區及多個隔離溝槽；所述柵極位于襯底內或襯底上表面；多個漂移區位于襯底內，且位于柵極的兩側，源極和漏極各自位于柵極兩側的漂移區內，源極和柵極之間以及漏極和柵極之間的襯底內間隔設置有多個隔離溝槽，相鄰隔離溝槽之間的襯底表面設置有第一反型層。
7.在一可選方案中，所述柵極為平面柵結構，所述高壓mos器件還設置有側墻結構，所述側墻結構自柵極側面延伸到與柵極相鄰的隔離溝槽表面。
8.更可選地，所述側墻結構包括3個以上沿橫向依次貼合的絕緣層，且沿遠離柵極的方向，各絕緣層的介電常數依次增大。
9.在另一可選方案中，所述柵極為溝槽柵，包括柵氧化層以及填充于柵氧化層內側的柵導電層，其中，溝槽柵底部的柵氧化層的厚度大于側壁的柵氧化層的厚度。
10.更可選地，所述溝槽柵的底部設置有高摻雜的電場屏蔽結構。
11.可選地，所述隔離溝槽包括位于溝槽表面的第一絕緣材料層、位于第一絕緣材料層內側的金屬層以及覆蓋金屬層的第二絕緣層。
12.可選地，第一反型層的摻雜濃度不低于漂移區的摻雜濃度。
13.更可選地，所述第一反型層的摻雜濃度為1e12/cm
3-1e13/cm3。
14.可選地，所述源極和/或漏極的下方的漂移區內間隔設置有第二反型層。
15.本發明還提供一種高壓mos器件的制備方法，所述制備方法用于制備如上述任一方案中所述的高壓mos器件；制備過程中，形成隔離溝槽時所使用的掩膜板與形成源極及漏極所使用的掩膜板為同一掩膜板。
16.如上所述，本發明的高壓mos器件及其制備方法，具有以下有益效果：本技術經改善的結構設計，在源漏極與柵極之間的漂移區內間隔設置多個溝槽，且在隔離溝槽之間的漂移區表面形成反型層，有助于改善器件電場分布，避免形成局部場強尖峰，可在不增加器件導通電阻的同時提高器件擊穿電壓，有助于器件性能的進一步優化。
附圖說明
17.圖1顯示為本發明提供的高壓mos器件于一示例中的截面結構示意圖。
18.圖2顯示為本發明提供的高壓mos器件于另一示例中的截面結構示意圖。
具體實施方式
19.以下通過特定的具體實例說明本發明的實施方式，本領域技術人員可由本說明書所揭露的內容輕易地了解本發明的其他優點與功效。本發明還可以通過另外不同的具體實施方式加以實施或應用，本說明書中的各項細節也可以基于不同觀點與應用，在沒有背離本發明的精神下進行各種修飾或改變。如在詳述本發明實施例時，為便于說明，表示器件結構的剖面圖會不依一般比例作局部放大，而且所述示意圖只是示例，其在此不應限制本發明保護的范圍。此外，在實際制作中應包含長度、寬度及深度的三維空間尺寸。
20.為了方便描述，此處可能使用諸如“之下”、“下方”、“低于”、“下面”、“上方”、“上”等的空間關系詞語來描述附圖中所示的一個元件或特征與其他元件或特征的關系。將理解到，這些空間關系詞語意圖包含使用中或操作中的器件的、除了附圖中描繪的方向之外的其他方向。此外，當一層被稱為在兩層“之間”時，它可以是所述兩層之間僅有的層，或者也可以存在一個或多個介于其間的層。
21.在本技術的上下文中，所描述的第一特征在第二特征“之上”的結構可以包括第一和第二特征形成為直接接觸的實施例，也可以包括另外的特征形成在第一和第二特征之間的實施例，這樣第一和第二特征可能不是直接接觸。
22.需要說明的是,本實施例中所提供的圖示僅以示意方式說明本發明的基本構想，遂圖式中僅顯示與本發明中有關的組件而非按照實際實施時的組件數目、形狀及尺寸繪制，其實際實施時各組件的型態、數量及比例可為一種隨意的改變，且其組件布局型態也可能更為復雜。為使圖示盡量簡潔，各附圖中并未對所有的結構全部標示。
實施例一
23.如圖1所示，本實施例提供一種高壓mos器件，所述高壓mos器件包括襯底11、柵極、源極13、漏極14、漂移區15及多個隔離溝槽16。所述柵極位于襯底11上表面，即所述柵極為平面柵結構。多個漂移區15位于襯底11內，且位于柵極的兩側，源極13和漏極14各自位于柵極兩側的漂移區15內，源極13和柵極之間以及漏極14和柵極之間的襯底11內間隔設置有多個隔離溝槽16（柵極的兩側均具有兩個以上的隔離溝槽16），相鄰隔離溝槽16之間的襯底11表面設置有第一反型層20。
24.本技術經改善的結構設計，在源漏極與柵極之間的漂移區內間隔設置多個溝槽，且在隔離溝槽之間的漂移區表面形成反型層，有助于改善器件電場分布，避免形成局部場強尖峰，可在不增加器件導通電阻的同時提高器件擊穿電壓，有助于器件性能的進一步優化。
25.所述襯底11包括但不限于各種半導體材質的晶圓，例如為硅晶圓、鍺晶圓、鍺硅晶圓、絕緣體上硅晶圓、碳化硅晶圓等。既可以為裸晶圓，也可以為表面已經形成有功能膜層或晶體管等器件結構的晶圓。例如在一些示例中，襯底11包括硅晶圓以及形成于硅晶圓上的外延層，外延層具有與硅晶圓相同的導電類型，例如均為n型，但摻雜濃度低于襯底11摻雜濃度。若襯底11為表面形成有外延層的復合結構，則后續的漂移區15和隔離溝槽16等結構將在外延層內形成。設置外延層，可以根據需要調節外延層的電阻率，有助于進一步優化制備的器件的性能，例如提高器件的抗擊穿性能。在另外的示例中，在形成有外延層的情況下，外延層和晶圓之間還可以形成有相同導電類型的緩沖層，緩沖層的摻雜濃度介于晶圓和外延層之間。設置緩沖層，可以防止外延層的離子向晶圓中擴散，確保器件的電性能。
26.在所述柵極為平面柵結構的情況下，如圖1所示，所述柵極可以向外延伸至漂移區15的表面直至與隔離溝槽16鄰接。所述柵極包括依次形成于襯底11表面的柵氧化層121、柵導電層122和柵介質層123。柵氧化層121例如為氧化硅層，其優選通過熱氧化工藝形成于襯底11的表面。其厚度例如為50埃-200埃。柵導電層122可以為多晶硅層或柵極金屬層，其可以通過化學氣相沉積工藝形成。柵介質層123可以為氮化硅層或其他諸如氧化鉿、氧化鋯等高k介質材料層。
27.在進一步的示例中，所述高壓mos器件還設置有側墻結構19，所述側墻結構19自柵極側面延伸到與柵極相鄰的隔離溝槽16表面，且可以覆蓋單個隔離溝槽16的部分或全部的表面。
28.所述側墻結構19可以為單層或多層結構，例如為單層氮化硅層，或包括位于柵極側面的氧化硅層以及位于氧化硅層背離柵極表面的氮化硅層。在一較佳示例中，所述側墻結構19包括3個以上沿橫向依次貼合的絕緣層，且沿遠離柵極的方向，各絕緣層的介電常數依次增大。側墻結構19的橫向尺寸自上而下逐漸增大。例如與柵極貼合的絕緣層為氧化硅層，而其他兩個絕緣層則選自氮化硅層、氮氧化硅層、氧化鉿層、氧化鋁層、氧化鋯層等材料層中的一種。多個材料層構成的側墻結構19有助于提高側墻自身的機械強度以及其隔離性能。
29.作為示例，各漂移區15內的隔離溝槽16為2個以上。當隔離溝槽16為3個或以上時，優選相鄰的隔離溝槽16的漂移區15表面均形成有第一反型層20。各漂移區15的尺寸以及各隔離溝槽16的尺寸可以相同或不同。但在對稱式mos器件中，各漂移區15和隔離溝槽16的尺
寸優選相同，相應地源極13和漏極14的尺寸和摻雜濃度等參數也保持一致，因此源極13和漏極14可以互換使用。隔離溝槽16的具體尺寸和數量不做限制，在滿足工藝許可和器件尺寸的情況下，可以適當增加其數量。
30.所述隔離溝槽16優選為上窄下寬的結構。這有助于材料填充。隔離溝槽16的深度較佳地為小于漂移區15的深度，即隔離溝槽16的底部與漂移區15的底部具有間距。隔離溝槽16的側面與漂移區15的側面較佳地具有一定間距。現有技術中的隔離溝槽16內填充的都是絕緣材料。例如隔離溝槽16內可以填充單一的諸如氧化硅等絕緣材料。在本技術提供的一較佳示例中，所述隔離溝槽16包括位于溝槽表面的第一絕緣材料層、位于第一絕緣材料層內側的金屬層以及覆蓋金屬層的第二絕緣層。所述第一絕緣材料層例如為氧化硅層，其可以通過熱氧化工藝形成于溝槽的內表面。氧化硅層的內表面可以進一步形成氮化硅層以增強其隔離效果，金屬層則形成于氮化硅層的內側。所述金屬層可以為與源漏極14的導電金屬層相同的材料層，例如為鋁層。所述第二絕緣層可以為通過對金屬層進行氧化或進行離子注入而形成的金屬氧化物層，也可以為通過化學氣相沉積或物理氣相沉積形成的諸如氮化硅層等絕緣材料層。在其他示例中，還可以為同時包括對金屬層進行氧化或離子注入而形成的金屬氧化物層和形成于金屬氧化物層表面的氮化硅層，這有助于增強不同膜層之間的粘附性，有助于進一步提高隔離溝槽16的隔離性能。而于隔離溝槽16內填充部分金屬層，有助于調節器件的應力分布，在后續的諸如高溫退火和化學機械研磨工藝中有助于提高工藝均勻性，提高器件性能。
31.第一反型層20較佳地為通過摻雜工藝形成，其摻雜類型與漂移區15的摻雜類型相反，例如漂移區15為p型摻雜而第一反型層20為n型摻雜。較佳地，第一反型層20的摻雜濃度不低于漂移區15的摻雜濃度。在進一步的示例中，所述第一反型層20的摻雜濃度為1e12/cm
3-1e13/cm3，其摻雜深度小于漂移區15的摻雜深度，且優選小于源極13和漏極14的摻雜深度和濃度。
32.在一較佳示例中，所述源極13和/或漏極14的下方的漂移區15內間隔設置有第二反型層22。即既可以在源極13下方的漂移區15內設置第二反型層22，也可以在漏極14下方的漂移區15內設置第二反型層22，或者在這兩個區域均設置反型層。第二反型層22與源極13及漏極14在縱向上均具有間距。第二反型層22與漂移區15的底部具有間隔，其寬度優選小于源極13和漏極14的寬度。第二反型層22的摻雜濃度和第一反型層20的摻雜濃度可以相同或不同。形成第二反型層22，有助于進一步改善器件的電場分布，有助于進一步提高器件耐壓性能和可靠性。
33.所述高壓mos器件通常還包括將源極13、漏極14和柵極電性引出的引出電極17。引出電極17可以為銅電極、鋁電極、鎳電極等金屬電極，也可以為非金屬電極。為降低界面接觸電阻，源極13、漏極14和柵極的表面可以形成有金屬硅化物層18，金屬硅化物層18可以通過在沉積相應金屬材料層后經高溫退火形成。
34.根據最終制備的器件類型的不同，所述高壓mos器件還形成有其他結構。例如如果為超結型器件，襯底11內還將形成有超結結構。襯底11的背面還可以形成漏極金屬層。本實施例并不限定高壓mos器件的具體類型，且不同高壓mos器件的具體結構為本領域技術人員所熟知，對此不做一一展開。
35.本實施例提供的高壓mos器件可通過常規方法制備而成，例如先于襯底11上表面
經薄膜沉積和刻蝕等工藝形成柵極，再于襯底11內形成隔離溝槽16，再依柵極進行離子注入和高溫推阱等工藝形成源漏極等結構。或者也可以先形成隔離溝槽16和源漏極等結構再形成柵極，對此不做限制。
實施例二
36.如圖2所示，本實施例提供另一種結構的高壓mos器件。本實施例的高壓mos器件與實施例一的主要區別在于，實施例一的高壓mos器件為平面柵結構，即其柵極形成于襯底11的上表面。而本實施例的高壓mos器件的柵極為溝槽柵，即柵極形成在襯底11內。這有助于進一步降低器件導通電阻和器件的進一步小型化。
37.具體地，溝槽柵包括溝槽、形成于溝槽表面的柵氧化層121、填充于柵氧化層121內側，將溝槽完全填充的柵導電層122以及覆蓋于柵氧化層121和柵導電層122表面的柵介質層123。柵氧化層121例如為氧化硅層，柵導電層122例如為多晶硅層或其他柵金屬層。溝槽柵較佳地為u型柵。且在較佳的示例中，溝槽柵底部的柵氧化層121的厚度大于側壁的柵氧化層121的厚度。例如在制備溝槽柵的過程中，先通過刻蝕工藝形成溝槽柵的溝槽，然后對溝槽柵進行底部填充而形成底部的氧化硅層，之后對溝槽進行熱氧化而形成側壁的氧化硅層。這種結構的溝槽柵有助于進一步提高器件的耐壓性能。
38.在一較佳示例中，所述溝槽柵的底部還設置有高摻雜的電場屏蔽結構21。電場屏蔽結構21的橫向尺寸較佳地為小于溝槽柵的橫向尺寸，其深度較佳地為小于2μm，例如為0.5μm-1μm。電場屏蔽結構21例如為鋁摻雜區。形成電場屏蔽結構21，有助于進一步提高器件的抗擊穿性能。
39.除上述區別外，本實施例的高壓mos器件的其他結構均與實施例一相同。例如均包括形成于柵極兩側的多個漂移區15、位于各漂移區15內的源極13、漏極14及多個隔離溝槽16，以及形成于相鄰隔離溝槽16之間的漂移區15表面的第一反型層20等。源極13和/或漏極14下方的漂移區15內還可以形成第二反型層22。更詳細的內容，還請參考前述內容，出于簡潔的目的不贅述。
40.本發明還提供一種高壓mos器件的制備方法，所述制備方法用于制備如上述任一方案中所述的高壓mos器件。本實施例的制備方法在制備mos器件的過程中的最大特點在于，制備過程中，形成隔離溝槽時所使用的掩膜板與形成源極及漏極所使用的掩膜板為同一掩膜板。因此形成反型層并不會額外增加掩膜成本。除此之外，其他結構的制備方法與現有技術相差不大，例如先采用薄膜沉積和光刻刻蝕工藝形成柵極，再經刻蝕和薄膜沉積工藝于柵極兩側形成隔離溝槽，再經離子注入和高溫退火等工藝形成源極、漏極、漂移區和第一反型層，或者也可以先形成其他結構再形成柵極。若形成的是溝槽柵，則隔離溝槽和溝槽柵的溝槽可以在同一步驟中形成。本實施例中不做具體限制。
41.綜上所述，本發明提供一種高壓mos器件及其制備方法。所述高壓mos器件包括襯底、柵極、源極、漏極、漂移區及多個隔離溝槽；所述柵極位于襯底內或襯底上表面；多個漂移區位于襯底內，且位于柵極的兩側，源極和漏極各自位于柵極兩側的漂移區內，源極和柵極之間以及漏極和柵極之間的襯底內間隔設置有多個隔離溝槽，相鄰隔離溝槽之間的襯底表面設置有第一反型層。本技術經改善的結構設計，在源漏極與柵極之間的漂移區內間隔設置多個溝槽，且在隔離溝槽之間的漂移區表面形成反型層，有助于改善器件電場分布，避
免形成局部場強尖峰，可在不增加器件導通電阻的同時提高器件擊穿電壓，有助于器件性能的進一步優化。所以，本發明有效克服了現有技術中的種種缺點而具高度產業利用價值。
42.上述實施例僅例示性說明本發明的原理及其功效，而非用于限制本發明。任何熟悉此技術的人士皆可在不違背本發明的精神及范疇下，對上述實施例進行修飾或改變。因此，舉凡所屬技術領域中具有通常知識者在未脫離本發明所揭示的精神與技術思想下所完成的一切等效修飾或改變，仍應由本發明的權利要求所涵蓋。