纵向高压硼扩散深槽半导体管的制备方法

摘要

一种纵向高压硼扩散深槽半导体管的制备方法，包括N型掺杂类型半导体衬底，在衬底上设有N型外延层，在外延层中设有高浓度P型半导体区，在高浓度P型半导体区中设有氧化填充物，在外延层的顶部设有P型半导体区，在此P型半导体区中设有N型源区，该器件的高浓度P型半导体区是通过在深槽刻蚀后，向深槽中注入气态氧化硼，气态氧化硼和侧壁及底部的硅反应生成硼和二氧化硅，经过的热退火推阱工艺后形成。该种制备方法工艺简单，成本低，制造出来的器件的可靠性高。

权利要求

1.一种纵向高压硼扩散深槽半导体管的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：首先取一块N型掺杂类型半导体衬底(1)，然后在N型掺杂类型半导体衬底(1)上生长N型掺杂类型半导体外延层(2)，接着在N型掺杂类型半导体外延层(2)上生成间隔距离相等的P型掺杂半导体区(4)，接着从P型掺杂半导体区(4)向N型掺杂类型半导体外延层(2)刻蚀并形成深槽(51)，深槽(51)穿过P型掺杂半导体区(4)，接着向深槽中通入气态氧化硼，气态氧化硼和深槽(51)底部及侧壁的硅反应生成二氧化硅和硼，接着经过热退火工艺工程，使生成的硼扩散进入到深槽侧壁及底部未和气态氧化硼反应的硅中，并使得这部分半导体区域变为P型半导体区(3)，同时在深槽侧壁及底部形成二氧化硅层(61)，接着向深槽中填满二氧化硅，接着去除器件表面多余的二氧化硅，留下的二氧化硅称为二氧化硅介质层(9)，接着在P型掺杂半导体区(4)中生成N型掺杂半导体源区(5)，最后依次生成栅氧化层(6)，多晶硅栅(7)和金属层(8)。

2.根据权利要求1所述的纵向高压硼扩散深槽半导体管的制备方法，其特征在于P型掺杂半导体区(3)的浓度通过调节通入到深槽中的气态氧化硼的浓度来控制，气态氧化硼的浓度越高，则P型掺杂半导体区(3)的浓度越高。

3.根据权利要求1所述的纵向高压硼扩散深槽半导体管的制备方法，其特征在于P型掺杂半导体区(3)的宽度由热退火工艺步骤的时间来决定，时间越长，宽度越宽。

4.根据权利要求1所述的纵向高压硼扩散深槽半导体管的制备方法，其特征在于P型掺杂半导体区(3)的受主杂质为硼。

5.根据权利要求1所述的纵向高压硼扩散深槽半导体管的制备方法，其特征在于P型掺杂半导体区(3)和二氧化硅介质层(9)构成的整体在器件的横向方向上的间隔距离是相等的。

说明书

纵向高压硼扩散深槽半导体管的制备方法

技术领域：

[0001] 本发明涉及一种硅制高压功率金属氧化物半导体器件的制备方法，更准确的讲，涉及一种硅制纵向高压硼扩散深槽金属氧化物半导体场效应管的制备方法。背景技术：

[0002] 目前，功率器件在日常生活、工业生产等领域的应用越来越广泛，特别是功率金属氧化物半导体场效应晶体管，它较功率双极型器件更具有优势。在功率应用中使用功率金属氧化物半导体管具有以下好处：首先是驱动电路，功率金属氧化物半导体管的驱动电路比较简单。双极型晶体管可能需要多达20％的额定集电极电流以保证饱和度，而金属氧化物半导体管需要的驱动电流则小得多，而且通常可以直接由互补型金属氧物半导体晶体管或者集电极开路晶体管-晶体管逻辑驱动电路驱动。其次，金属氧化物半导体管的开关速度比较迅速，金属氧化物半导体管是一种多数载流子器件，能够以较高的速度工作，因为没有电荷存储效应。 其三，金属氧化物半导体管没有二次击穿失效机理，它在温度越高时往往耐力越强，而且发生热击穿的可能性越低。它们还可以在较宽的温度范围内提供较好的性能。此外，金属氧化物半导体管具有并行工作能力，具有正的电阻温度系数。温度较高的器件往往把电流导向其它金属氧化物半导体管，允许并行电路配置。而且还有一个好处是，金属氧化物半导体管的漏电极和源极之间形成的寄生二极管可以充当箝位二极管，在电感性负载开关中特别有用。因此，研究出性能更好的功率金属氧化物半导体管是众多研究者们的重点课题。如今，功率器件正向着提高工作电压、增大工作电流、减小导通电阻和集成化的方向快速发展。但是在传统的功率器件中，对于理想的N沟道功率半导体管(器件的导通电阻只考虑漂移区的导通电阻)，导通电阻和击穿电压之间存在一个2.5次方的关系，导通电阻受击穿电压限制而存在一个极限——称之为“硅限”(Silicon Limit)，而无法再继续降低。在现有技术中，有人提出采用P型、N型硅半导体材料柱状相互交替排列的结构取代传统功率金属氧化物半导体管中的漂移区结构，这种结构的漂移区浓度可以比同等耐压水平的传统功率金属氧化物半导体管的漂移区浓度高一个数量级左右，因此，这种器件的导通电阻较小。

[0003] 目前，在现有技术中，这种漂移区采用P型、N型硅半导体材料柱状相互交替排列的结构的功率金属氧化物半导体管的制备方法是在硅材料上采用多次外延离子注入工艺的方法，但是这种工艺难度很大，并且涉及到版对准难、P型半导体区和N型半导体区相互扩散严重等一系列问题，使得使用多次外延离子注入这种工艺得到的器件的性能并不好，而且成本也很高，不利于器件的市场推广。在现有技术中，也有人提出在N型外延层中刻蚀深槽，然后在深槽中填充含有P型杂质的硅半导体，但是由于在制备高压器件中，槽很深，在槽填充的工艺过程中，容易在深槽中形成空洞，从而影响器件的可靠性。也有人提出在深槽刻蚀后，在深槽的侧壁及底部先填充P型掺杂的多晶硅，然后利用热退火工艺，使多晶硅中的P型杂质扩散到深槽侧壁及底部的硅中，接着将多晶硅刻蚀掉，最后在深槽中填满二氧化硅，但是这种方法同样带来一个难题：深槽侧壁上的多晶硅难以刻蚀掉，并且工艺复杂。发明内容：

[0004] 针对现有硅制漂移区PN间隔结构的纵向双扩散金属氧化物半导体场效应晶体管的结构的制作方法上遇到的问题，本发明提出了一种纵向高压硼扩散深槽半导体管的制备方法，使用这种制备方法制造出来的半导体管的导通电阻较同等耐压程度的传统功率金属氧化物半导体管有很大的改善，工艺难度较小，成本低，可控性高，并且可靠性高。

[0005] 本发明采用如下技术方案：

[0006] 一种纵向高压硼扩散深槽半导体管的制备方法，包括如下步骤：首先取一块N型掺杂类型半导体衬底，然后在N型掺杂类型半导体衬底上生长N型掺杂类型半导体外延层，接着在N型掺杂类型半导体外延层上生成间隔距离相等的P型掺杂半导体区，接着从P型掺杂半导体区向N型掺杂类型半导体外延层刻蚀并形成深槽，深槽穿过P型掺杂半导体区，接着向深槽中通入气态氧化硼，气态氧化硼和深槽底部及侧壁的硅反应生成二氧化硅和硼，接着经过热退火工艺工程，使生成的硼扩散进入到深槽侧壁及底部未和气态氧化硼反应的硅中，并使得这部分半导体区域变为P型半导体区，同时在深槽侧壁及底部形成二氧化硅层，接着向深槽中填满二氧化硅，接着去除器件表面多余的二氧化硅，留下的二氧化硅称为二氧化硅介质层，接着在P型掺杂半导体区中生成N型掺杂半导体源区，最后依次生成栅氧化层，多晶硅栅和金属层。

[0007] 与现有技术相比，本发明具有如下优点：

[0008] 1、本发明结构中漂移区也采用了P型半导体区和N型半导体区间隔排列的方式，使得在获得同等耐压的情况下，导通电阻可以比传统功率器件更低。

[0009] 2、本发明采用了深槽刻蚀和填充工艺，在深槽刻蚀完成之后，将气态氧化硼通入到深槽中，和深槽侧壁及底部的硅反应生成硼和二氧化硅，然后经过退火推阱工艺使生成的硼扩散到深槽侧壁及底部未和气态氧化硼反应的硅中，使得深槽侧壁及底部的这部分半导体区域变为P型，最后使用槽填充工艺将深槽中的其它空间全部填满二氧化硅，这种制备方法克服了使用多次外延离子注入这种传统工艺会导致所制备出来的功率金属氧化物半导体管的漂移区中N型半导体区和P型半导体区之间相互扩散严重的问题，从而提高了器件的性能。

[0010] 3、在本发明的制备方法中，通入在深槽中和深槽侧壁及底部的硅反应的气体是气态氧化硼，由于气态氧化硼的密度高于空气密度，所以通入到深槽中的气态氧化硼首先会沉淀到深槽的底部，将深槽中的空气赶出，并且和深槽底部及深槽侧壁下部的硅充分反应，二氧化硅的生成是一个从下至上的过程，因此可以防止在深槽内产生空洞现象，提高了器件的可靠性。

[0011] 4、在本发明的制备方法中，通入到深槽中的气态氧化硼和深槽侧壁及底部的硅反应生成的是硼和二氧化硅，生成的二氧化硅可以留在深槽中，不需要刻蚀工艺将其除去，舍弃了传统工艺所需的多晶硅刻蚀的后序工艺步骤，降低了工艺成本。

[0012] 5、在本发明的制备方法中，器件的漂移区中的P型半导体区的浓度通过调节通入到深槽中的气态氧化硼的浓度来调节，它的宽度可以通过调节退火工艺步骤的时间来调节，从而提高了工艺制备的可控性。

附图说明

[0013] 图1所示的是在高浓度N型掺杂类型半导体衬底上生成了一层N型掺杂类型外延层的示意图。

[0014] 图2所示的是通过离子注入和退火工艺，在N型掺杂类型外延层上生成P型掺杂类型半导体区的示意图。

[0015] 图3所示的是通过深槽刻蚀工艺生成穿过P型半导体区的深槽的示意图。

[0016] 图4所示的是通过向深槽内通入气态氧化硼，并且经过后序热退火推阱工艺在槽侧壁及底部生成一层掺有硼的半导体区和二氧化硅的示意图。

[0017] 图5所示的是通过槽填充工艺将剩下的槽空间全部填满二氧化硅的示意图。

[0018] 图6所示的是在化学气相抛光将表面多余的二氧化硅刻蚀之后，通过离子注入及退火工艺生成N型掺杂类型半导体源区的示意图。

[0019] 图7所示的是N型掺杂类型半导体源区生成后的器件俯视示意图。

[0020] 图8所示的是用传统的纵向双扩散金属氧化物半导体晶体管的工艺步骤生成栅氧化层、多晶硅栅及金属层，得到最终结构的示意图。

具体实施方式

[0021] 参照图1-图8，一种纵向高压硼扩散深槽半导体管的制备方法，包括如下步骤：

[0022] 首先取一块N型掺杂类型半导体衬底1，然后在N型掺杂类型半导体衬底1上生长N型掺杂类型半导体外延层2，例如采用公知的外延生长工艺；

[0023] 接着使用掩膜版42并采用公知的离子注入及退火工艺在N型掺杂类型半导体外延层2上生成间隔距离相等的P型掺杂半导体区4；

[0024] 接着从P型掺杂半导体区4向N型掺杂类型半导体外延层2刻蚀并形成深槽51；

[0025] 接着向深槽中通入气态氧化硼，气态氧化硼和深槽51底部及侧壁的硅反应生成二氧化硅和硼，化学方程式如下：

[0026] 2B2O3+3Si→3SiO2+4B↓

[0027] 接着经公知的过热退火工艺过程，使生成的硼扩散进入到深槽侧壁及底部未和气态氧化硼反应的硅中，并使得这部分半导体区域变为P型半导体区3，同时在深槽侧壁及底部形成二氧化硅层61；

[0028] 接着向深槽中填满二氧化硅，接着去除器件表面多余的二氧化硅，可以采用公知的化学气相抛光技术，留下的二氧化硅称为二氧化硅介质层9；

[0029] 接着在P型掺杂半导体区4中生成N型掺杂半导体源区5，最后采用公知的传统功率金属氧化物半导体管的制造工艺技术，依次生成栅氧化层6，多晶硅栅7和金属层8。

[0030] 所述的P型掺杂半导体区3的浓度可以通过调节通入到深槽中的气态氧化硼的浓度来控制，气态氧化硼的浓度越高，则P型掺杂半导体区3的浓度越高。

[0031] 所述的P型掺杂半导体区3的宽度由热退火工艺步骤的时间来决定，时间越长，宽度越宽。

[0032] 所述的P型掺杂半导体区3的受主杂质为硼。

[0033] 所述的气态氧化硼通过在600～800℃的条件下，热分解液态的硼酸三甲脂B[(CH3)O]3制得。

[0034] 所述的P型掺杂半导体区3和二氧化硅介质层9构成的整体在器件的横向方向上的间隔距离是相等的。