CN102184883A

CN102184883A - 超结结构的深沟槽填充方法

Info

Publication number: CN102184883A
Application number: CN2011100872410A
Authority: CN
Inventors: 陶有飞
Original assignee: Shanghai Advanced Semiconductor Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Shanghai Advanced Semiconductor Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2011-04-08
Filing date: 2011-04-08
Publication date: 2011-09-14

Abstract

本发明提供一种超结结构的深沟槽填充方法，包括步骤：A.提供待形成超结结构的深沟槽，深沟槽位于N型半导体衬底上的N型外延层中；B.在深沟槽中生长P型外延层填充深沟槽，外延工艺的气体包括二氯基硅烷和大比例的氯化氢；C.以氯化氢为刻蚀气体，干法刻蚀深沟槽中的P型外延层，使深沟槽的顶部敞开；D.继续在深沟槽中生长P型外延层填充深沟槽，外延工艺的气体包括二氯基硅烷和大比例的氯化氢。本发明通过在超结结构的深沟槽中交替生长外延层与刻蚀深沟槽顶部的外延层使槽口充分敞开，逐渐实现完全无缝隙的深沟槽外延填充，消除沟槽内狭长的缝隙，避免了漏电现象，使功率MOS器件满足承受高压的电学要求和硅片研磨封装成薄片的机械要求。

Description

超结结构的深沟槽填充方法

技术领域

本发明涉及半导体制造技术领域，具体来说，本发明涉及一种超结结构的深沟槽填充方法。

背景技术

功率MOS器件以其输入阻抗高、损耗低、开关速度快、无二次击穿、安全工作区宽、动态性能好、易与前极耦合实现大电流化、转换效率高等特性被普遍用于中低功率变换和控制领域。虽然功率MOS器件在功率处理能力上已经得到了惊人的提高，但在高压领域中随着工作电压的提高，其导通电阻也随之指数上升，使得功率MOS器件的导通损耗随着耐压的提高而急速上升。

为了打破导通电阻的硅限，提高耐压、降低导通损耗，进一步提高大功率晶体管的特性，一系列的新结构、新技术应运而生。而其中用来提高功率MOS器件性能的超结(Super Junction)技术在高压领域的作用非常显着，吸引了大批器件供应商投入资金研发，目前已经成功开发出平面冷MOS并且已经投入商业应用。

冷MOS(Cool MOS)，又名Super Junction MOSFET(超结MOSFET)，最先由成都电子科技大学陈星弼院士所发明，后转让给德国英飞凌公司。作为功率MOSFET领域里程碑的新型器件，Cool MOS打破了传统功率MOSFET的理论极限，于1998年问世并很快走向市场。

与普通高压MOSFET相比，Cool MOS由于采用新的耐压层结构，利用了超结的概念，在几乎保持功率MOSFET所有优点的同时，又有着极低的导通损耗，发热量非常低，另外还能够显着减小芯片面积，于是就称为Cool MOS。在此以600伏的功率晶体管为例，使用具有超结结构的Cool MOS的导通电阻只有相同面积的传统功率晶体管的20％。而且其输出电容、输入电容也同步降低，器件的工作频率特性得到了提高。

一般来说，超结结构的实现有两种途径，一种是使用多次注入、多层外延形成超结的方法；另一种是在深沟槽中扩散形成超结的方法。图1为现有技术中一个使用多次注入、多层外延形成超结结构的剖面结构示意图。如图所示，这种方法通过在N型硅衬底100上逐层外延，在每一层N型外延层101～103上分别使用离子注入P型杂质的方式相应地逐层形成同一水平位置的P阱104～106。然后用炉管工艺作推进，使N型外延层101～103中的P阱104～106的范围扩大开来，同一水平位置的P阱104～106上下串联起来形成一种“糖葫芦”形状，获得Cool MOS的超结结构。而图2为现有技术中一个在深沟槽中外延填充生长形成超结结构的剖面结构示意图。如图所示，这种方法通过在N型硅衬底200上刻蚀出深沟槽，并用P型外延层201、202填充该深沟槽。之后用炉管工艺作推进，在深沟槽外侧形成P型扩散区203，获得Cool MOS的超结结构。

上述两种方法中，虽然第一种使用多次注入、多层外延形成超结结构的方法不需要在半导体衬底上刻蚀并填充深沟槽，但是该方法需要多次使用外延工艺，成本非常高昂，故业界已逐渐不再采用。而第二种在深沟槽中外延填充生长形成超结结构的方法在深沟槽中使用外延工艺的难度很高，在用外延层填充深沟槽(深度＞30μm)的过程中，深沟槽的顶部很可能会先行封闭导致沟槽内未填满而留下一道狭长的缝隙。图3为现有技术中一个在深沟槽中外延填充生长形成超结结构而在沟槽内留下一道狭长的缝隙的扫描电子显微镜的照片。如图所示，位于深沟槽中的狭长的缝隙301会造成Cool MOS器件工作时发生漏电现象，从而降低器件的电学性能以及机械性能。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种超结结构的深沟槽填充方法，能够实现完全无缝隙的深沟槽外延填充，使功率MOS器件满足承受高压的电学要求和硅片研磨封装成薄片的机械要求。

为了解决上述技术问题，本发明提供一种超结结构的深沟槽填充方法，包括步骤：

A.提供待形成超结结构的深沟槽，所述深沟槽位于N型半导体衬底上的N型外延层中；

B.在所述深沟槽中生长P型外延层填充所述深沟槽，所述外延工艺的气体包括二氯基硅烷和大比例的氯化氢；

C.以氯化氢为刻蚀气体，干法刻蚀所述深沟槽中的P型外延层，使所述深沟槽的顶部敞开；

D.继续在所述深沟槽中生长P型外延层填充所述深沟槽，所述外延工艺的气体包括二氯基硅烷和大比例的氯化氢。

可选地，所述外延工艺的气体中二氯基硅烷(DCS)和氯化氢(HCL)的体积比为1∶2至1∶4。

可选地，所述方法在步骤D之后还包括循环执行至少一次步骤C和D，直至所述P型外延层完全填满所述深沟槽。

可选地，所述方法在完全填满所述深沟槽之后还包括将所述深沟槽之外的多余P型外延层回刻去除。

可选地，所述N型半导体衬底为N型硅衬底。

可选地，所述N型外延层的厚度大于50μm。

可选地，所述深沟槽的深度大于30μm。

可选地，所述方法中的所有步骤均在外延生长腔室中同一工艺菜单上完成。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明通过在超结结构的深沟槽中交替生长外延层与刻蚀深沟槽顶部的外延层使槽口充分敞开，逐渐实现完全无缝隙的深沟槽外延填充，消除沟槽内狭长的缝隙，避免了漏电现象，使功率MOS器件能够满足承受高压的电学要求和硅片研磨封装成薄片的机械要求。

附图说明

本发明的上述的以及其他的特征、性质和优势将通过下面结合附图和实施例的描述而变得更加明显，其中：

图1为现有技术中一个使用多次注入、多层外延形成超结结构的剖面结构示意图；

图2为现有技术中一个在深沟槽中外延填充生长形成超结结构的剖面结构示意图；

图3为现有技术中一个在深沟槽中外延填充生长形成超结结构而在沟槽内留下一道狭长的缝隙的扫描电子显微镜的照片；

图4为本发明一个实施例的超结结构的深沟槽填充方法的流程图；

图5至图8为本发明一个实施例的超结结构的深沟槽填充过程的剖面结构示意图；

图9至图10为本发明一个实施例的超结结构的深沟槽填充过程的再次刻蚀与填充步骤的剖面结构示意图；

图11为本发明一个实施例的在深沟槽中外延填充生长形成超结结构的扫描电子显微镜的照片。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

图4为本发明一个实施例的超结结构的深沟槽填充方法的流程图。如图所示，该制造方法起始于步骤S401。该方法可以包括：执行步骤S401，提供待形成超结结构的深沟槽，深沟槽位于N型半导体衬底上的N型外延层中；执行步骤S402，在深沟槽中生长P型外延层填充深沟槽，外延工艺的气体包括二氯基硅烷和大比例的氯化氢；执行步骤S403，以氯化氢为刻蚀气体，干法刻蚀深沟槽中的P型外延层，使深沟槽的顶部敞开；执行步骤S404，继续在深沟槽中生长P型外延层填充深沟槽，外延工艺的气体包括二氯基硅烷和大比例的氯化氢。

图5至图8为本发明一个实施例的超结结构的深沟槽填充过程的剖面结构示意图。如图5所示，提供待形成超结结构的深沟槽502，深沟槽502位于N型半导体衬底500上的N型外延层501中。在本实施例中，该N型半导体衬底500可以为N型硅衬底。N型外延层501的厚度可以大于50μm，而深沟槽502的深度可以大于30μm。

如图6所示，在深沟槽502中生长P型外延层503填充深沟槽502，外延工艺的气体包括二氯基硅烷(DCS)和大比例的氯化氢(HCL)，其中P型外延层503没有一次性全部填满整个深沟槽502。P型外延层503在深沟槽502中只是先填了一部分，当发现P型外延层503在深沟槽502的顶部槽口504有可能会先行封闭时，立即停止P型外延层503的填充。

如图7所示，以氯化氢为刻蚀气体，干法刻蚀深沟槽502中的P型外延层503，使深沟槽502的顶部槽口504敞开，以方便继续在深沟槽502中填充更多P型外延层503。

如图8所示，继续在深沟槽502中生长P型外延层503填充深沟槽502，直至深沟槽502被P型外延层503完全填满，获得深沟槽502中完全无缝隙的超结结构，外延工艺的气体包括二氯基硅烷和大比例的氯化氢。

在本实施例中，多次外延工艺的气体中二氯基硅烷和氯化氢的体积比可以为1∶2至1∶4。

当然，也有可能在如图7所示的深沟槽502的基础上继续在其中生长P型外延层503以填充该深沟槽502之后，再次发现P型外延层503在深沟槽502的顶部槽口504有可能会先行封闭时(如图9所示)，应该再次停止P型外延层503的填充。然后，如图10所示，再次以氯化氢为刻蚀气体，干法刻蚀深沟槽502中的P型外延层503，使深沟槽502的顶部槽口504敞开，以方便继续在深沟槽502中填充更多P型外延层503。即在本实施例中，上述方法在如图8所示的继续在深沟槽502中生长P型外延层503来填充深沟槽502之后，可能还需要循环执行至少一次如图7所示的刻蚀和如图8所示的填充步骤，直至P型外延层503完全填满深沟槽502。

如图11所示，其为本发明一个实施例的在深沟槽中外延填充生长形成超结结构的扫描电子显微镜的照片。如图所示，使用本发明的填充方法完全消除了深沟槽内狭长的缝隙，整个剖面结构变得十分致密，使功率MOS器件能够满足承受高压的电学要求和硅片研磨封装成薄片的机械要求。

另外，本发明的沟槽填充方法在完全填满深沟槽之后还可以包括将深沟槽之外的多余P型外延层回刻去除，以便进行其他工艺步骤。

本发明所述的沟槽填充方法中的所有步骤可以均在外延生长腔室中同一工艺菜单(Recipe)上完成。上述方法中每一步步骤所需要的工艺时间、外延生长与刻蚀的循环次数等都可以根据实际工艺需要而进行必要的微调。

本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改，因此本发明的保护范围应当以本发明权利要求所界定的范围为准。

Claims

1.一种超结结构的深沟槽填充方法，包括步骤：

2.根据权利要求1所述的深沟槽填充方法，其特征在于，所述外延工艺的气体中二氯基硅烷和氯化氢的体积比为1∶2至1∶4。

3.根据权利要求2所述的深沟槽填充方法，其特征在于，所述方法在步骤D之后还包括循环执行至少一次步骤C和D，直至所述P型外延层完全填满所述深沟槽。

4.根据权利要求3所述的深沟槽填充方法，其特征在于，所述方法在完全填满所述深沟槽之后还包括将所述深沟槽之外的多余P型外延层回刻去除。

5.根据权利要求1所述的深沟槽填充方法，其特征在于，所述N型半导体衬底为N型硅衬底。

6.根据权利要求1所述的深沟槽填充方法，其特征在于，所述N型外延层的厚度大于50μm。

7.根据权利要求6所述的深沟槽填充方法，其特征在于，所述深沟槽的深度大于30μm。

8.根据权利要求1至4中任一项所述的深沟槽填充方法，其特征在于，所述方法中的所有步骤均在外延生长腔室中同一工艺菜单上完成。