一种沟槽栅DMOS的制作方法与流程

本发明属于半导体功率器件技术领域，具体涉及一种沟槽栅dmos的制作方法。

背景技术：

功率dmos是在mos集成电路工艺基础上发展起来的电力电子器件。与双极型功率器件相比，dmos具有开关速度快，输入阻抗高，驱动功率小等优点，其结构主要有平面栅型、沟槽栅型、屏蔽栅型、超结型四种类型。沟槽栅dmos通过体区和源区的纵向结深差形成沟道，消除了平面栅dmos存在的jfet区，其元胞尺寸和导通电阻均有显著减小，在开关电源、逆变器、高速线路驱动器等场合获得了广泛应用。阈值电压是dmos的重要参数，也是设计dmos外围控制电路的重要参数，它对器件的开启和关断有重要影响，因此需要精确控制dmos的阈值电压。

阈值电压主要取决于栅氧厚度、栅氧固定电荷量和体区的掺杂分布。目前，在制作沟槽栅dmos器件中普遍采用离子注入法结合高温推结的工艺来制作体区，运用上述工艺虽简单可靠，然而仍存在以下不足之处：一方面，由于扩散炉控温精度不高，高温推结时无法精确控制dmos体区的掺杂分布，导致不同批次dmos产品之间体区掺杂分布的一致性受到不利影响，使得阈值电压的一致性降低；另一方面，高温推结一般在扩散炉中进行，其“升温-恒温-降温”过程需要耗费较长的时间，这也意味着较高的时间成本；此外，运用该工艺形成的体区，其纵向掺杂为非均匀分布，使得器件的防漏源穿通能力相对较弱，不利于制造短沟道器件。

技术实现要素：

本发明提供一种能够精确控制体区掺杂分布的沟槽栅dmos制作方法，运用该制作方法制得的多批次dmos之间的阈值电压具有良好一致性，并且简化了生产流程，缩短了生产时间，降低了生产成本。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

技术方案1：

一种沟槽栅dmos的制作方法，包括以下步骤：

步骤a：在n型衬底上生长n型外延层，然后在n型外延层中进行刻蚀形成沟槽；

步骤b：在步骤a制得沟槽的内表面及除去沟槽的n型外延层上表面形成栅氧化层；

步骤c：在步骤b制得的栅氧化层上沉积多晶硅层；

步骤d：将步骤c制得的多晶硅层进行表面平坦化处理，使得沟槽内多晶硅层表面与n型外延层上表面齐平；

步骤e：完成步骤d后，通过多次不同能量的离子注入操作将受主离子注入至n型外延层内形成体区；

步骤f：完成步骤e后，采用离子注入法将施主离子注入至n型外延层内形成源区，所形成源区的结深不超过体区的结深；

步骤g：完成步骤f后，在n型外延层表面沉积绝缘层，然后在绝缘层形成接触孔；

步骤h：采用离子注入法将受主离子通过步骤g制得的接触孔注入形成p⁺区；

步骤i：完成步骤h后，将样品进行快速热退火处理，退火温度为1000～1100℃，退火时间为1～60秒；

步骤j：完成步骤i后，在样品上、下表面分别沉积金属层，进而形成源极和漏极。

技术方案2：

一种沟槽栅dmos的制作方法，包括以下步骤：

步骤a：在p型衬底上生长p型外延层，然后在p型外延层中进行刻蚀形成沟槽；

步骤b：在步骤a制得沟槽的内表面及除去沟槽的p型外延层上表面形成栅氧化层；

步骤c：在步骤b制得的栅氧化层上沉积多晶硅层；

步骤d：将步骤c制得的多晶硅层进行表面平坦化处理，使得沟槽内多晶硅层表面与p型外延层上表面齐平；

步骤e：完成步骤d后，通过多次不同能量的离子注入操作将施主离子注入至p型外延层内形成体区；

步骤f：完成步骤e后，采用离子注入法将受主离子注入至p型外延层内形成源区，所形成源区的结深不超过体区的结深；

步骤g：完成步骤f后，在p型外延层表面沉积绝缘层，然后在绝缘层形成接触孔；

步骤h：采用离子注入法将施主离子通过步骤g制得的接触孔注入形成n⁺区；

步骤i：完成步骤h后，将样品进行快速热退火处理，退火温度为1000～1100℃，退火时间为1～60秒；

步骤j：完成步骤i后，在样品上、下表面分别沉积金属层，进而形成源极和漏极。

本技术方案只是将技术方案1中的施主离子和受主离子互换，其他内容保持不变，以制得p沟道器件。

技术方案3：

一种沟槽栅dmos的制作方法，包括以下步骤：

步骤a：在n型衬底上生长n型外延层，通过多次不同能量的离子注入操作将受主离子注入至n型外延层内形成体区；

步骤b：完成步骤a后，采用离子注入法将施主离子注入至n型外延层内形成源区，所形成源区的结深不超过体区的结深；

步骤c：完成步骤b后，在n型外延层上进行刻蚀形成沟槽；

步骤d：在步骤c制得沟槽的内表面及除去沟槽的n型外延层上表面形成栅氧化层；

步骤e：在步骤d制得的栅氧化层上沉积多晶硅层；

步骤f：将步骤e制得的多晶硅层进行表面平坦化处理，使得沟槽内多晶硅层表面与n型外延层上表面齐平；

步骤g：在步骤f制得的n型外延层表面沉积绝缘层，然后在绝缘层形成接触孔；

步骤h：采用离子注入法将受主离子通过步骤g制得的接触孔注入形成p⁺区；

步骤i：完成步骤h后，将样品进行快速热退火处理，退火温度为1000～1100℃，退火时间为1～60秒；

步骤j：完成步骤i后，在样品上、下表面分别沉积金属层，进而形成源极和漏极。

根据本领域常识可知：可以先在外延层上制备体区和源区，然后再进行其余结构层的制作。

技术方案4：

一种沟槽栅dmos的制作方法，包括以下步骤：

步骤a：在p型衬底上生长p型外延层，通过多次不同能量的离子注入操作将施主离子注入至p型外延层内形成体区；

步骤b：完成步骤a后，采用离子注入法将受主离子注入至p型外延层内形成源区，所形成源区的结深不超过体区的结深；

步骤c：完成步骤b后，在p型外延层上进行刻蚀形成沟槽；

步骤d：在步骤c制得沟槽的内表面及除去沟槽的p型外延层上表面形成栅氧化层；

步骤e：在步骤d制得的栅氧化层上沉积多晶硅层；

步骤f：将步骤e制得的多晶硅层进行表面平坦化处理，使得沟槽内多晶硅层表面与p型外延层上表面齐平；

步骤g：在步骤f制得的p型外延层表面沉积绝缘层，然后在绝缘层形成接触孔；

步骤h：采用离子注入法将施主离子通过步骤g制得的接触孔注入形成n⁺区；

步骤i：完成步骤h后，将样品进行快速热退火处理，退火温度为1000～1100℃，退火时间为1～60秒；

步骤j：完成步骤i后，在样品上、下表面分别沉积金属层，进而形成源极和漏极。

本技术方案只是将技术方案3中的施主离子和受主离子互换，其他内容保持不变，以制得p沟道器件。

本发明技术方案所公开的制作工艺也可以用于制作沟槽栅igbt中的体区。

上文所述的四个技术方案中，衬底和外延层材料可以为硅，也可以为碳化硅，还可以是氮化镓。

上文所述的四个技术方案中，施主离子通常采用磷离子或者砷离子，受主离子通常采用硼离子或者铝离子。

上文所述的四个技术方案中，表面平坦化处理可以采用刻蚀、cmp法或者任何合适的方法对外延层表面多余多晶硅进行去除。

上文所述的四个技术方案中，采用不同于现有技术的方法制备体区，即进行多次不同能量的离子注入；

具体地，注入能量为40～500kev，注入次数为2～5次，多次注入操作的总注入剂量为1.0e¹²～1.0e¹⁴/cm²；

上文所述的四个技术方案中，制备源区为现有技术，注入离子能量及剂量本领域技术人员可以根据实际要求进行调整；

进一步的，上文所述的四个技术方案中采用快速热退火来激活杂质离子，具体操作包括：

在氩气或氮气形成的惰性氛围中将样品急速升温至目标温度1000～1100℃，并短暂持续，持续时间为1～60秒。

在传统沟槽栅dmos器件的制造工艺中，体区通常为离子注入结合高温推结所形成。其中的离子注入能量较低，注入的离子集中在硅片表面。随后将硅片置于扩散炉中进行高温推结，杂质离子向硅片深处扩散从而形成一定的掺杂分布。而本发明直接将离子注入至一定深度形成体区，然后进行快速热退火来激活杂质离子。

本发明在制备沟槽栅dmos的体区时采用多次不同能量的离子注入结合快速热退火处理的方法，与目前普遍采用的离子注入后采用高温推结的方法相比，具有以下优势：

(1).离子注入具有很高的精度，并且快速热退火处理几乎不会引起杂质扩散，因此提高了对dmos体区掺杂分布的控制精度，使得不同批次dmos产品之间的体区掺杂分布的一致性得到提高，阈值电压的一致性也得到提高。

(2).通过适当选择离子注入的次数、能量和剂量，可以形成近似均匀掺杂的体区，如图6所示。与传统工艺形成的非均匀掺杂相比，当掺杂的峰值浓度相同时，其具有更大的掺杂总量，因此器件防漏源穿通的能力增强。

(3).简化了工艺流程，缩短了生产时间，降低了能耗及生产成本，运用本发明工艺有利于提高市场竞争力。

附图说明

图1为本发明实施例1制作沟槽栅dmos器件的的流程图。

图2为本发明实施例1制作沟槽栅dmos器件的结构示意图；其中，图(a)为制备沟槽后的结构示意图，图(b)为制备栅氧化层后的结构示意图，图(c)为沉积多晶硅后的结构示意图，图(d)为表面平坦化处理后的结构示意图，图(e)为形成体区后的结构示意图，图(f)为形成源区后的结构示意图，图(g)为制备绝缘层后的结构示意图，图(h)为制备源极、漏极后的结构示意图。

图3为本发明实施例2制作沟槽栅dmos器件的的流程图。

图4为本发明实施例2制作沟槽栅dmos器件的结构示意图；其中，图(a)为形成体区后的结构示意图，图(b)为形成源区后的结构示意图，图(c)为制备沟槽后的结构示意图，图(d)为制备栅氧化层后的结构示意图，图(e)为沉积多晶硅后的结构示意图，图(f)为表面平坦化处理后的结构示意图，图(g)为制备绝缘层后的结构示意图，图(h)为制备源极、漏极后的结构示意图。

图5为传统工艺制得的沟槽栅dmos器件的纵向掺杂浓度分布图。

图6为本发明工艺制得的沟槽栅dmos器件的纵向掺杂浓度分布图。

图中，1为n型衬底，2为n型外延层，3为沟槽，4为栅氧化层，5为多晶硅层，6为体区，7为源区，8为绝缘层，9为p⁺区，10为源极，11为漏极，12为p型衬底，13为p型外延层，14为n⁺区。

具体实施方式

以下结合本发明具体实施例和说明书附图对本发明原理进行详细说明：

实施例1：

如图1所示为本实施例制作沟槽栅dmos器件的流程示意图，以下对每一步骤进行逐一阐述：

步骤a：在n型衬底1上生长n型外延层2，根据本领域常识可知：n型衬底1为重掺杂，n型外延层2为轻掺杂，具体的掺杂浓度为现有技术，可根据实际要求进行选择，故在此不再赘述，如图2中图(a)所示，然后在n型外延层中进行刻蚀形成沟槽3，本实施例中沟槽3的纵向截面形状为矩形，根据本领域常识可知：沟槽的深度应小于n型外延层2的厚度，另外，沟槽制备工艺可以为光刻或者刻蚀工艺，也可以为其他合适的工艺，本发明并不做限定；

步骤b：如图2中图(b)所示，在步骤a制得沟槽3的内表面及除去沟槽3的n型外延层2上表面形成栅氧化层4，本实施例中的栅氧化层4的厚度为300～500埃；

步骤c：如图2中图(c)所示，在步骤b制得的栅氧化层4上沉积多晶硅层5；

步骤d：如图2中图(d)所示，采用cmp法将步骤c制得的多晶硅层5进行表面平坦化处理，使得沟槽3内多晶硅层5表面与n型外延层2上表面齐平，本实施例多晶硅层5的厚度为6000～8000埃；

步骤e：完成步骤d后，进行能量70kev、剂量9e¹²/cm²和能量220kev、剂量4.5e¹²/cm²的硼离子注入各一次，在n型外延层2中形成结深约0.6微米的体区6，如图2中图(e)所示；

步骤f：完成步骤e后，进行一次能量60kev、剂量1e¹⁴/cm²的砷离子注入，在n型外延层2中形成结深约0.2微米源区7；，如图2中图(f)所示；

步骤g：完成步骤f后，如图2中图(g)所示，在n型外延层2表面沉积绝缘层8，具体的工艺为现有技术，在此不再赘述，绝缘层8可以为二氧化硅层或硼磷硅玻璃，也可以为任何合适的材料，本发明对此不做限定，然后在绝缘层8形成接触孔，形成接触孔的工艺为现有技术，在此不再赘述；

步骤h：本实施例采用的施主离子为二氟化硼离子，具体为进行一次剂量为1.0e¹⁵/cm²、能量为40kev的二氟化硼离子注入，在n型外延层内2中形成p⁺区9，如图2中图(h)所示；

步骤i：完成步骤h后，将样品进行快速热退火处理，退火温度为1000℃，退火时间为30秒；

步骤j：完成步骤i后，在样品上、下表面分别沉积金属层，进而形成源极10和漏极11，如图2中图(h)所示；本实施例源极材料采用铝硅铜合金，本实施例漏极材料采用钛镍银复合层，厚度可以为2～4微米。

采用tcad软件对本发明实施例1工艺及传统工艺进行仿真，结果如图5和图6所示，从图5可以看出采用低能离子注入结合高温推结的方法制作的dmos器件的体区掺杂分布不均匀，而本发明所提供的工艺通过采用多次不同能量的离子注入结合快速热退火处理制作的dmos器件的体区掺杂分布几乎均匀。

实施2：

如图3所示为本实施例制作沟槽栅dmos器件的流程示意图，以下对每一步骤进行逐一阐述：

步骤a：在p型衬底12上生长p型外延层13，根据本领域常识可知：p型衬底12为重掺杂，p型外延层13为轻掺杂，具体的掺杂浓度为现有技术，可根据实际要求进行选择，故在此不再赘述，进行能量400kev、剂量8e¹²/cm²和能量150kev、剂量3e¹²/cm²的磷离子注入各一次，在p型外延层13中形成结深约0.5微米的体区6；

步骤b：完成步骤a后，进行一次能量40kev、剂量1e¹⁴/cm²的二氟化硼离子注入，在p型外延层13中，形成结深约0.2微米的源区7；

步骤c：完成步骤b后，在p型外延层13中进行刻蚀形成沟槽3，本实施例中沟槽3的纵向截面形状为矩形，根据本领域常识可知：沟槽的深度应小于p型外延层13的厚度，另外，沟槽制备工艺可以为光刻或者刻蚀工艺，也可以为其他合适的工艺，本发明并不做限定；

步骤d：在步骤a制得沟槽3的内表面及除去沟槽3的p型外延层13上表面形成栅氧化层4，本实施例中的栅氧化层4的厚度为300～500埃；

步骤e：在步骤b制得的栅氧化层4上沉积多晶硅层5；

步骤f：采用cmp法将步骤c制得的多晶硅层5进行表面平坦化处理，使得沟槽3内多晶硅层5表面与n型外延层2上表面齐平，本实施例多晶硅层5的厚度为6000～8000埃；

步骤g：完成步骤f后，在p型外延层13表面沉积绝缘层8，具体的工艺为现有技术，在此不再赘述，绝缘层8可以为二氧化硅层或硼磷硅玻璃，也可以为任何合适的材料，本发明对此不做限定，然后在绝缘层8形成接触孔，形成接触孔的工艺为现有技术，在此不再赘述；

步骤h：完成步骤g后，进行一次剂量为1e¹⁴/cm²、能量为60kev的砷离子注入，在p型外延层内13中形成n⁺区14，；

步骤i：完成步骤h后，将样品进行快速热退火处理，退火温度为1100℃，退火时间为10秒；

步骤j：完成步骤i后，在样品上、下表面分别沉积金属层，进而形成源极10和漏极11，本实施例源极材料采用铝硅铜合金，本实施例漏极材料采用钛镍银复合层，厚度可以为2～4微米。

以上结合附图对本发明的实施例进行了阐述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。