[發明專利]超小單元尺寸縱向超結半導體器件的制造方法

有效

• 申請號: 201710591038.4
• 申請日: 2017-07-19
• 公開（公告）號: CN107342226B
• 公開（公告）日: 2020-07-31
• 發明（設計）人: 朱袁正;李宗清
• 申請（專利權）人: 無錫新潔能股份有限公司
• 主分類號: H01L21/336
• 分類號: H01L21/336;H01L29/06
• 代理公司: 無錫市大為專利商標事務所(普通合伙) 32104
• 代理人: 曹祖良;劉海

本發明涉及一種超小單元尺寸縱向超結半導體器件的制造方法，該方法采用利用硬掩模層在第一導電類型半導體基板上進行深溝槽刻蝕；淀積一層第二導電類型外延層；再進行各向異性刻蝕，去除深溝槽底部外延層；進行第一導電類型雜質注入；淀積第一導電類型外延層填充深溝槽；對半導體基板第一主表面進行平坦化，并去除硬掩模層，深溝槽側壁的第二導電類型外延層構成縱向超結結構的第二導電類型柱，第一導電類型基板和第一導電類型外延層分別構成第一導電類型第一柱和第一導電類型第二柱。本方法制造的超結結構，可以在不增加工藝難度的情況下，大幅度縮小超結結構的單元尺寸，同時打破現有工藝能力對第二導電類型柱寬度的限制。

技術領域

本發明涉及一種超結半導體器件的制造方法，尤其是一種超小單元尺寸縱向超結半導體器件的制造方法。

背景技術

在中高壓功率半導體器件領域，縱向超結結構（Super Junction）已經被廣泛采用，對比傳統功率MOSFET器件，超結結構能獲得更加優異的器件耐壓與導通電阻的折中關系。超結結構形成于半導體器件的漂移區內，從半導體器件表面沿厚度方向延伸至漂移層體內，超結結構包括N導電類型柱（N柱）和P導電類型柱（P柱），N柱與P柱交替鄰接設置而成的多個P-N柱對形成超結結構。N柱具有N導電類型雜質，P柱具有P導電類型雜質。當具有超結結構的MOSFET器件截止時，超結結構中的N柱和P柱分別被耗盡，耗盡層從每個N柱與P柱間的P-N結界面延伸，可以通過控制P柱和N柱中的雜質濃度來保持電荷平衡，因此耗盡層延伸并且完全耗盡N柱與P柱，從而支持器件耐壓。當器件導通時，由于超結器件漂移區的電阻率更低，所以超結器件的導通電阻可以較普通器件大幅度降低。以600V超結MOSFET器件為例，其特征導通電阻較普通VDMOS器件可以降低70%左右。

影響超結器件耐壓主要有以下幾個因素：1）、超結結構深度（厚度）；2）、超結器件中超結結構的單元尺寸（pitch）；3）、漂移區雜質濃度。由于漂移區的雜質濃度降低雖然可以提高耐壓，但會增大器件導通電阻。但在實際工藝中，提高超結結構深度會增大P柱的深寬比，增加器件制造難度和制造成本，超結結構深度很難大幅度增加。因此，提高超結產品性能，一般采用減小元胞尺寸，降低漂移區的電阻率的方式。采用減小超結結構的單元尺寸是目前實際產品中最常用的方式，超結結構的單元尺寸是指N柱尺寸與P柱尺寸之和。減小超結結構的單元尺寸可以減小器件耐壓時器件底部耗盡層曲率，提高器件耐壓。當漂移區濃度增加時，器件耐壓會下降，但更小的超結結構單元尺寸的器件耐壓下降幅度也會更小。

此外，由于N型超結半導體器件導通時，僅有N柱區域作為電流流通路徑，因此在最小單元尺寸相同時，縮小P柱區域寬度可以有效增加電流流通路徑，降低器件導通電阻。

漂移區內縱向超結結構的制備難度會隨著超結結構深寬比的增加急劇上升。目前主要的縱向超結結構制造方法有兩種。一種是多次外延、光刻、注入、退火的方案，使用該方案時，由于要使不同外延層之間的P型注入區相連接，就要使用高溫推結退火，由此產生的P型雜質橫向擴散時P柱寬度增加，限制了超結結構單元尺寸的降低。如果使用更多次數的外延，以降低外延厚度，減少推結溫度及P柱橫向擴散的話，勢必增加制造成本。因此一般目前600V產品使用該方案批量制造時，多選用4～6次外延，P柱寬度一般在6um以上，器件pitch一般在10um以上。另一種超結結構的制造方法是如美國專利US7601597B2中提及的深溝槽刻蝕、外延填充的方式制造方式，漂移區中的P柱寬度約等于深溝槽寬度。當超結結構的單元尺寸縮小時，勢必要縮小深溝槽寬度，以減小P柱寬度(因為N型器件中，超結結構的N柱區域才是電流流通路徑，如果僅以縮小N柱區尺寸來縮小超結結構尺寸，器件導通特性反而會變差)。深度不變的條件下縮小深溝槽寬度意味著更大的溝槽深寬比，而更大的深寬比溝槽會在刻蝕和填充時遇到極大的問題，現階段以600V超結為例，受刻蝕和填充工藝能力的限制，使用該方案的量產產品P柱寬度一般在3～6um之間，器件超結結構單元尺寸一般大于P柱寬度的兩倍以上。 且用以上兩種方式制造超結半導體器件時，相同構單元尺寸條件下，P柱寬度受限與工藝極限能力，無法進一步縮小。