帶有溝槽式源極結構的功率mos場效應管制造方法
【專利摘要】本發明涉及帶有溝槽式源極結構的功率MOS場效應管制造方法，對單胞陣列中的源極接觸區依次采用光刻、刻蝕以及淀積金屬層制作工藝，且對單胞陣列中的源極接觸區的刻蝕是以同一次光刻圖形為掩膜，采用干法刻蝕+濕法腐蝕的組合方式進行，使源極金屬層同時接觸源極區頂部的橫向接觸平臺和源極區側部的縱向接觸側面。本發明所述的功率MOS場效應管制造方法，增加源極金屬層與源極區的接觸面積，從而降低源極金屬接觸電阻，減少能量損耗，改善器件性能。
【專利說明】帶有溝槽式源極結構的功率MOS場效應管制造方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及功率MOS場效應管的制造工藝，特別涉及帶有溝槽式源極結構的功率MOS場效應管制造方法。所述功率MOS場效應管即金屬氧化物半導體場效應晶體管，metal-oxide-semiconductor field effect transistor，MOSFET0
【背景技術】
[0002]在功率MOS場效應管的性能指標中，導通電阻(Rdson)是一個非常重要的參數，它的大小直接關系到器件(指功率MOS場效應管)的能量損耗大小，而且隨著器件尺寸的縮小，導通電阻的重要性就更加突出，導通電阻的大小關系到器件性能的好壞。
[0003]理論上功率MOS場效應管工作時，其導通電阻與能量損耗成線性關系，導通電阻越大器件開關時的能量損耗越大，因此人們在設計和制造功率MOS場效應管時，都希望盡可能的降低導通電阻，以減少器件的能量損耗。
[0004]功率MOS場效應管的導通電阻由外延層電阻、溝道電阻、金屬接觸電阻等幾部分構成，其中所述金屬接觸電阻包括:源極金屬接觸電阻、漏極金屬接觸電阻等，因此降低源極金屬接觸電阻可以有效降低導通電阻。
[0005]在現有的功率MOS場效應管器件中，源極金屬層與源極區的接觸方式有兩種:第一種，器件單胞中的源極金屬層與源極區上表面的小平臺接觸，源極金屬層與源極區的接觸面僅僅局限于該小平臺的面積，若增大小平臺的面積，就會使器件的面積增加，從而增加器件的成本或影響器件的性能；第二種，器件單胞中的源極金屬層依靠源極溝槽與源極區的側壁接觸，源極金屬層與源極區的接觸面僅僅為源極區的側壁的面積。這兩種接觸方式所能提供的接觸面積均較小，因此等效接觸電阻較大，不利于降低器件的導通電阻以及提高器件的可靠性。
[0006]隨著市場競爭的加劇，對半導體器件制造成本控制的要求也越來越高，如何在不增加制造成本的前提下，提高器件性能(如特征導通電阻(Specific Rdson)、AC參數、DC參數等)是企業和生產廠商的努力方向，因此能否設計和制造出一種低成本和高性能的功率MOS場效應管器件是相關企業所面臨的最主要問題。
【發明內容】
[0007]針對現有技術中存在的缺陷，本發明的目的在于提供帶有溝槽式源極結構的功率MOS場效應管制造方法，通過一種低成本的方式來增加源極金屬層與源極區(N+或P+)的接觸面積，從而降低功率MOS場效應管的源極金屬接觸電阻，減少能量損耗，改善器件性能。
[0008]為達到以上目的，本發明采取的技術方案是:
[0009]帶有溝槽式源極結構的功率MOS場效應管制造方法，其特征在于:對單胞陣列中的源極接觸區依次采用光刻、刻蝕以及淀積金屬層制作工藝，且對單胞陣列中的源極接觸區的刻蝕是以同一次光刻圖形為掩膜，采用干法刻蝕+濕法腐蝕的組合方式進行，使源極金屬層同時接觸源極區頂部的橫向接觸平臺和源極區側部的縱向接觸側面，所述組合方式為:
[0010]第一步，干法縱向連續刻蝕絕緣介質層8、源極區氧化層11和第一主面，形成源極接觸區溝槽10 ；
[0011]第二步，濕法橫向同時腐蝕絕緣介質層8和源極區氧化層11，形成源極頂部的橫向接觸平臺；
[0012]或所述組合方式為:
[0013]第一步，干法縱向連續刻蝕絕緣介質層8和源極區氧化層11 ；
[0014]第二步，濕法橫向同時腐蝕絕緣介質層8和源極區氧化層11，形成源極頂部的橫向接觸平臺；
[0015]第三步，干法縱向刻蝕第一主面，形成源極接觸區溝槽10。
[0016]在上述技術方案的基礎上，所述功率MOS場效應管為N或P型溝槽式功率MOS場效應管，或為N或P型平面式功率MOS場效應管,或為絕緣柵雙極晶體管。
[0017]在上述技術方案的基礎上，以源極接觸區光刻圖形為掩膜，采用干法刻蝕方法時，縱向連續刻蝕絕緣介質層8、源極區氧化層11以及第一主面，刻蝕深度至第一導電類型摻雜區下方的第二導電類型摻雜區位置，形成源極接觸區溝槽10，該源極接觸區溝槽10的側向形成有與第一導電類型摻雜區的接觸側面，該源極接觸區溝槽10的底部形成有與第二導電類型摻雜區的接觸底面；
[0018]以源極接觸區光刻圖形為掩膜，采用濕法腐蝕方法時，橫向同時腐蝕絕緣介質層8和源極區氧化層11，形成第一導電類型摻雜區頂部的橫向接觸平臺。
[0019]在上述技術方案的基礎上，對于N型MOS場效應管,第一導電類型指N型,第二導電類型指P型；對于P型MOS場效應管，第一導電類型指P型，第二導電類型指N型。
[0020]在上述技術方案的基礎上，為了避免絕緣介質層下的源極區氧化層產生橫向空洞，在濕法腐蝕過程中，濕法腐蝕液對絕緣介質層的腐蝕速率大于或等于對源極區氧化層的腐蝕速率。
[0021]在上述技術方案的基礎上，為了滿足濕法腐蝕液對絕緣介質層的腐蝕速率大于或等于對源極區氧化層的腐蝕速率，所述濕法腐蝕液采用氫氟酸水溶液或緩沖氫氟酸水溶液。
[0022]在上述技術方案的基礎上，所述氫氟酸水溶液由氫氟酸和水組成，其中氫氟酸的質量濃度為2%?45%，
[0023]所述緩沖氫氟酸水溶液由氫氟酸、氟化銨和水組成，其中氫氟酸的質量濃度為
0.091%?12%。
[0024]在上述技術方案的基礎上，所述絕緣介質層8可以是硼磷硅玻璃、磷硅玻璃或二氧化硅。
[0025]在上述技術方案的基礎上，所述源極區氧化層11包含有第一導電類型雜質離子注入后，通過高溫推結時在第一導電類型摻雜區上表面形成的氧化層以及剩余的柵氧氧化層，這種氧化層為摻雜的二氧化娃層，雜質為第一導電類型雜質。
[0026]在上述技術方案的基礎上，干法刻蝕為:等離子體刻蝕、離子束刻蝕或反應離子刻蝕方法。
[0027]由于上述技術方案運用，本發明與現有技術相比具有下列優點和效果:
[0028]1、本發明只采用一次光刻并且結合干法刻蝕和濕法腐蝕工藝，就能使源極金屬層同時接觸源極區頂部的橫向接觸平臺和源極區側部的縱向接觸側面(參見圖1、2)，而現有技術至少需要采用兩次光刻，相比之下，本發明是以低成本的方式獲得了增大源極金屬層與源極區接觸面積的效果，從而降低功率MOS場效應管的源極金屬接觸電阻，減少能量損耗，改善器件性能。
[0029]2、本發明采用濕法腐蝕方法，橫向同時刻蝕絕緣介質層和源極區氧化層工藝中，通過控制濕法腐蝕液中氫氟酸的濃度來保證絕緣介質層的橫向腐蝕速率大于或等于源極區氧化層的橫向腐蝕速率，從而保證絕緣介質層下方的源極區氧化層不出現側向空洞(參見圖2中的源極區氧化層11部位，當該部位的橫向腐蝕速率大于上方的絕緣介質層8的腐蝕速率時會出現側向空洞)，使源極金屬能夠順利填充源極接觸區，尤其是與源極區氧化層的接觸不留下空洞，以免產生漏電流導致器件失效。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0030]本發明有如下附圖:
[0031]圖1為本發明功率MOS場效應管剖面示意圖；
[0032]圖2為本發明功率MOS場效應管源極接觸區制造工藝原理示意圖；
[0033]圖3(a)?3(g)為采用本發明所述方法制造平面式功率MOS場效應管的流程示意圖。
[0034]附圖標記:
[0035]1、N型襯底；2、N-外延層；3、場氧化層；4、柵氧化層；5、導電多晶娃；6、P-摻雜區；7、N+摻雜區；8、絕緣介質層；9、金屬層；10、源極接觸區溝槽；11、源極區氧化層；12、源極接觸區光刻圖形(光刻膠阻擋層)。
【具體實施方式】
[0036]以下結合附圖對本發明作進一步詳細說明。
[0037]本發明所述的帶有溝槽式源極結構的功率MOS場效應管制造方法，其技術核心是:通過一種低成本的方式，來增加源極接觸區的源極金屬層與源極區(N+或P+)的接觸面積，從而降低功率MOS場效應管的源極金屬接觸電阻，減少能量損耗。
[0038]本發明所述制造方法可制造帶有溝槽式源極結構，對功率MOS場效應管的源極接觸區的器件結構進行了改進，適用于N或P型溝槽式功率MOS場效應管，也適用于N或P型平面式功率MOS場效應管，同時還適用于絕緣柵雙極晶體管(IGBT)，其中包括平面式IGBT和溝槽式IGBT，比如穿通型(PT型)、非穿通型(NPT型)和場截止型(F-stop型)。
[0039]本發明所述的帶有溝槽式源極結構的功率MOS場效應管制造方法，對單胞陣列中的源極接觸區依次采用光刻、刻蝕以及淀積金屬層制作工藝，且對單胞陣列中的源極接觸區的刻蝕是以同一次光刻圖形為掩膜(即只采用一次光刻)，采用干法刻蝕+濕法腐蝕的組合方式進行，使源極金屬層同時接觸源極區頂部的橫向接觸平臺和源極區側部的縱向接觸側面，所述組合方式為:
[0040]第一步，干法縱向連續刻蝕絕緣介質層8、源極區氧化層11和第一主面，形成源極接觸區溝槽10 ；
[0041]第二步，濕法橫向同時腐蝕絕緣介質層8和源極區氧化層11，形成源極頂部的橫向接觸平臺；
[0042]或所述組合方式為:
[0043]第一步，干法縱向連續刻蝕絕緣介質層8和源極區氧化層11 ；
[0044]第二步，濕法橫向同時腐蝕絕緣介質層8和源極區氧化層11，形成源極頂部的橫向接觸平臺；
[0045]第三步，干法縱向刻蝕第一主面，形成源極接觸區溝槽10。
[0046]光刻和淀積金屬層均采用現有公知技術實施，不再詳述。
[0047]在上述技術方案的基礎上，以源極接觸區光刻圖形為掩膜，采用干法刻蝕方法時，縱向連續刻蝕絕緣介質層8、源極區氧化層11以及第一主面，刻蝕深度至第一導電類型摻雜區下方的第二導電類型摻雜區位置，形成源極接觸區溝槽10，該源極接觸區溝槽10的側向形成有與第一導電類型摻雜區的接觸側面，該源極接觸區溝槽10的底部形成有與第二導電類型摻雜區的接觸底面；
[0048]以源極接觸區光刻圖形為掩膜，采用濕法腐蝕方法時，橫向同時腐蝕絕緣介質層8和源極區氧化層11，形成第一導電類型摻雜區頂部的橫向接觸平臺。
[0049]本發明適用于平面式功率MOS場效應管和溝槽式功率MOS場效應管兩種結構類型，其中，“第一導電類型”和“第二導電類型”兩者中，對于N型MOS場效應管第一導電類型指N型，第二導電類型指P型；對于P型MOS場效應管正好相反，第一導電類型指P型，第二導電類型指N型。本發明同樣適用于絕緣柵雙極晶體管(IGBT)。
[0050]在上述技術方案的基礎上，為了避免絕緣介質層下的源極區氧化層產生橫向空洞，在濕法腐蝕過程中，濕法腐蝕液對絕緣介質層的腐蝕速率大于或等于對源極區氧化層的腐蝕速率。
[0051]在上述技術方案的基礎上，為了滿足濕法腐蝕液對絕緣介質層的腐蝕速率大于或等于對源極區氧化層的腐蝕速率，所述濕法腐蝕液采用氫氟酸水溶液或緩沖氫氟酸水溶液，
[0052]所述氫氟酸水溶液由氫氟酸和水組成，其中氫氟酸的質量濃度為2%?45%，
[0053]所述緩沖氫氟酸水溶液由氫氟酸、氟化銨和水組成，其中氫氟酸的質量濃度為
0.091%?12%。
[0054]在上述技術方案的基礎上，所述絕緣介質層8可以是硼磷硅玻璃(BPSG)、磷硅玻璃(PSG)或二氧化硅(S12)。
[0055]在上述技術方案的基礎上，所述源極區氧化層11包含有第一導電類型雜質離子注入后，通過高溫推結時在第一導電類型摻雜區上表面形成的氧化層以及剩余的柵氧氧化層，這種氧化層為摻雜的二氧化娃層，雜質為第一導電類型雜質。
[0056]在上述技術方案的基礎上，干法刻蝕是以氣體為主要媒體的刻蝕方法，其中，主要有等離子體刻蝕、離子束刻蝕和反應離子刻蝕方法。
[0057]等離子體刻蝕是在真空反應室內充入反應氣體，電源能量在反應室中創建一個高頻電場，將混合氣體激發成為等離子狀態，通過化學反應完成刻蝕。
[0058]離子束刻蝕也叫濺射刻蝕，它是一種物理工藝，刻蝕時晶片被固定在真空反應室內負極固定器上，隨后向反應室內導入氬氣流，氬氣便受到一對陰陽極的高能電子束流的作用，被離子化為帶正電荷的高能狀態，從而被吸向負極固定器上晶片，并且不斷被加速而轟擊進入暴露的晶片部分，從晶片表面炸掉一小部分。
[0059]反應離子刻蝕結合了等離子體刻蝕和離子束刻蝕的原理，系統結構上和等離子體刻蝕相似，同時具有離子打磨能力。
[0060]以下為實施例。
[0061]實施例一:一種帶有溝槽式源極結構的功率MOS場效應管制造方法,該方法對源極接觸區制作工藝的特點是:以同一次光刻圖形為掩膜，采用干法刻蝕+濕法腐蝕工藝來實現。而整個器件的制造方法如圖3(a)?3(g)所示，具體包括下列工藝步驟:
[0062](I)提供N型的具有兩個相對主面的半導體硅片，如圖3(a)該半導體硅片由N型襯底I和N-外延層2構成。
[0063](2)于第一主面上形成場氧化層3,見圖3(a)。
[0064](3)選擇性的掩蔽和刻蝕場氧化層3以及形成柵氧化層4，見圖3 (b)。
[0065](4)于柵氧化層4上形成一層導電多晶娃5,見圖3 (C)。
[0066](5)選擇性的掩蔽和刻蝕導電多晶娃5,使部分導電多晶娃5形成柵極,見圖3(d)。
[0067](6)以作為柵極的導電多晶硅5作為自對準阻擋層，對第一主面進行P型雜質離子注入，并通過推結形成P-摻雜區6，見圖3 (d)。
[0068](7)以作為柵極的導電多晶硅5作為自對準阻擋層，對第一主面進行N型雜質離子注入，并通過推結形成作為源極的N+摻雜區7以及位于N+摻雜區7上表面的源極區氧化層11，所述N+摻雜區7位于P-摻雜區6內部的上方，見圖3(d)。
[0069](8)淀積絕緣介質層8，如硼磷硅玻璃(BPSG)，見圖3 (e)。
[0070](9)于絕緣介質層8上作選擇性的掩蔽，形成源極接觸區光刻圖形12，見圖2所
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[0071](10)以源極接觸區光刻圖形12為掩膜，采用干法刻蝕方法，縱向連續刻蝕絕緣介質層8、源極區氧化層11以及第一主面，見圖2和圖3 (f)，刻蝕深度至N+摻雜區7下方的P-摻雜區6位置(其深入硅層內深度在0.0lum?1um之間)，形成源極接觸區溝槽10，該溝槽的側向形成有與N+摻雜區7的接觸側面，底部形成有與P-摻雜區6的接觸底面。
[0072](11)接著，還以源極接觸區光刻圖形12為掩膜，采用濕法腐蝕方法，橫向同時腐蝕絕緣介質層8和源極區氧化層11，見圖2和圖3 (f)，形成N+摻雜區7頂部的橫向接觸平臺；所述濕法腐蝕液采用氫氟酸水溶液或緩沖氫氟酸水溶液，所述氫氟酸水溶液由氫氟酸和水組成，其中氫氟酸的質量濃度為2%?45%，所述緩沖氫氟酸水溶液由氫氟酸、氟化銨和水組成，其中氫氟酸的質量濃度為0.091%?12%。
[0073]比如，濕法腐蝕液采用質量濃度為49%的氫氟酸(HF)時，需要加水稀釋成氫氟酸水溶液，兩者的體積比為HF (49% ): H2O= I: 0.1?1: 30，經換算(49%的HF相對密度為1.18)氫氟酸的質量濃度為2%?45%。
[0074]再比如，濕法腐蝕液緩沖氫氟酸溶液(BOE)[其中，HF的質量濃度1.64%?
13.1%；NH4F的質量濃度為29.5%?38.7% ]時，需要加水稀釋成緩沖氫氟酸水溶液，兩者的體積比為BOE =H2O = I: 0.1?1: 20，經換算(Β0Ε相對密度為1.18)氫氟酸的質量濃度為 0.091%?12%。
[0075]在濕法腐蝕時腐蝕液中含HF濃度的具體選擇要保證腐蝕液對絕緣介質層的橫向腐蝕速率大于或等于源極區氧化層橫向腐蝕速率，避免源極區氧化層出現側向空洞。而這一點要根據絕緣介質層和源極區氧化層的材料確定。一般絕緣介質層為硼磷硅玻璃(BPSG)、磷硅玻璃(PSG)或二氧化硅(S12)。源極區氧化層為摻雜的二氧化硅。
[0076](12)于絕緣介質層8表面以及源極接觸區溝槽10中形成金屬層9，見圖3(g)，其中，源極接觸區內的金屬一方面通過所述接觸平臺和所述接觸側面同時與N+摻雜區7接觸，另一方面通過所述接觸底面與P-摻雜區6接觸。
[0077](13)選擇性的掩蔽和刻蝕金屬層9。
[0078]雖然上述實例是以N型MOS場效應管來加以描述的，但本發明也適用于P型MOS場效應管，其中僅需將P改為N，N改為P即可，同時對柵極是溝槽結構的MOS場效應管同時適用。
[0079]對于功率MOS場效應管，其主要是在保證良好的器件性能前提下，通過降低器件的制造成本來提高市場的競爭力。本發明提供的一種帶有溝槽式源極結構的功率MOS場效應管制造方法，主要特點是僅使用一次光刻并且結合干法和濕法刻蝕工藝就能達到增大源極接觸面積的效果，而第一導電類型摻雜區是利用導電多晶硅層或場氧化硅層作為自對準阻擋層通過離子注入和推結來完成，無需額外增加光刻，這樣整個器件的制造工藝僅使用了四次光刻來完成。相比之下，而傳統功率MOS場效應管需要六次或六次以上光刻來完成制造，因此本發明不僅源極具有較小的接觸電阻以及較好的器件性能，而且制造成本較低。
[0080]此外，本發明的源極接觸區的制造方法不僅限于上述描述，允許有種種變形，而導致與本制造方法相同，均在本發明保護內，同樣適用于IGBT(絕緣柵雙極晶體管)，這里不再舉例說明。
[0081]本說明書中未作詳細描述的內容屬于本領域專業技術人員公知的現有技術。
【權利要求】
1.帶有溝槽式源極結構的功率MOS場效應管制造方法，其特征在于:對單胞陣列中的源極接觸區依次采用光刻、刻蝕以及淀積金屬層制作工藝，且對單胞陣列中的源極接觸區的刻蝕是以同一次光刻圖形為掩膜，采用干法刻蝕+濕法腐蝕的組合方式進行，使源極金屬層同時接觸源極區頂部的橫向接觸平臺和源極區側部的縱向接觸側面，所述組合方式為: 第一步，干法縱向連續刻蝕絕緣介質層(8)、源極區氧化層(11)和第一主面，形成源極接觸區溝槽(10)； 第二步，濕法橫向同時腐蝕絕緣介質層(8)和源極區氧化層(11)，形成源極頂部的橫向接觸平臺； 或所述組合方式為: 第一步，干法縱向連續刻蝕絕緣介質層(8)和源極區氧化層(11)； 第二步，濕法橫向同時腐蝕絕緣介質層(8)和源極區氧化層(11)，形成源極頂部的橫向接觸平臺； 第三步，干法縱向刻蝕第一主面，形成源極接觸區溝槽(10)。
2.如權利要求1所述的帶有溝槽式源極結構的功率MOS場效應管制造方法，其特征在于:所述功率MOS場效應管為N或P型溝槽式功率MOS場效應管，或為N或P型平面式功率MOS場效應管,或為絕緣柵雙極晶體管。
3.如權利要求1所述的帶有溝槽式源極結構的功率MOS場效應管制造方法，其特征在于:以源極接觸區光刻圖形為掩膜，采用干法刻蝕方法時，縱向連續刻蝕絕緣介質層(8)、源極區氧化層(11)以及第一主面，刻蝕深度至第一導電類型摻雜區下方的第二導電類型摻雜區位置，形成源極接觸區溝槽(10)，該源極接觸區溝槽(10)的側向形成有與第一導電類型摻雜區的接觸側面，該源極接觸區溝槽(10)的底部形成有與第二導電類型摻雜區的接觸底面； 以源極接觸區光刻圖形為掩膜，采用濕法腐蝕方法時，橫向同時腐蝕絕緣介質層(8)和源極區氧化層(11)，形成第一導電類型摻雜區頂部的橫向接觸平臺。
4.如權利要求3所述的帶有溝槽式源極結構的功率MOS場效應管制造方法，其特征在于:對于N型MOS場效應管，第一導電類型指N型，第二導電類型指P型；對于P型MOS場效應管，第一導電類型指P型，第二導電類型指N型。
5.如權利要求1所述的帶有溝槽式源極結構的功率MOS場效應管制造方法，其特征在于:為了避免絕緣介質層下的源極區氧化層產生橫向空洞，在濕法腐蝕過程中，濕法腐蝕液對絕緣介質層的腐蝕速率大于或等于對源極區氧化層的腐蝕速率。
6.如權利要求5所述的帶有溝槽式源極結構的功率MOS場效應管制造方法，其特征在于:為了滿足濕法腐蝕液對絕緣介質層的腐蝕速率大于或等于對源極區氧化層的腐蝕速率，所述濕法腐蝕液采用氫氟酸水溶液或緩沖氫氟酸水溶液。
7.如權利要求6所述的帶有溝槽式源極結構的功率MOS場效應管制造方法，其特征在于:所述氫氟酸水溶液由氫氟酸和水組成，其中氫氟酸的質量濃度為2%?45%， 所述緩沖氫氟酸水溶液由氫氟酸、氟化銨和水組成，其中氫氟酸的質量濃度為0.091%?12%。
8.如權利要求1所述的帶有溝槽式源極結構的功率MOS場效應管制造方法，其特征在于:所述絕緣介質層(8)可以是硼磷硅玻璃、磷硅玻璃或二氧化硅。
9.如權利要求1所述的帶有溝槽式源極結構的功率MOS場效應管制造方法，其特征在于:所述源極區氧化層(11)包含有第一導電類型雜質離子注入后，通過高溫推結時在第一導電類型摻雜區上表面形成的氧化層以及剩余的柵氧氧化層，這種氧化層為摻雜的二氧化娃層，雜質為第一導電類型雜質。
10.如權利要求1所述的帶有溝槽式源極結構的功率MOS場效應管制造方法，其特征在于，干法刻蝕為:等離子體刻蝕、離子束刻蝕或反應離子刻蝕方法。
【文檔編號】H01L21/28GK104241133SQ201310314819
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2013年7月25日 優先權日:2012年7月27日
【發明者】俞國慶, 吳勇軍 申請人:俞國慶