CN114005756A - 屏蔽栅沟槽功率器件的制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种屏蔽栅沟槽功率器件的制造方法，包括：提供一衬底，所述衬底中形成有第一沟槽，所述第一沟槽的内壁覆盖有场氧层；于所述第一沟槽中形成屏蔽栅；蚀刻所述第一沟槽中的场氧层，形成第二沟槽，所述第二沟槽环绕所述屏蔽栅；形成栅氧层，所述栅氧层覆盖所述第二沟槽的内壁，其中，至少部分厚度的所述栅氧层利用ISSG工艺形成，所述栅氧层的底部拐角为圆弧形；于所述第二沟槽中形成栅极。本发明中，部分厚度的栅氧层利用ISSG工艺形成，ISSG工艺所形成的栅氧层具有较佳的填充性及台阶覆盖性，可使形成的栅氧层的底部拐角为圆弧形，以提高栅氧层厚度的均匀性，从而降低栅极漏电流，提高屏蔽栅沟槽功率器件的可靠性。

Description

屏蔽栅沟槽功率器件的制造方法

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，特别涉及一种屏蔽栅沟槽功率器件的制造方法。

背景技术

屏蔽栅沟槽结构因其具有电荷耦合效应，在传统沟槽功率器件垂直耗尽基础上引入水平耗尽层，将器件电场由三角形分布改为近似矩形分布。在采用相同掺杂浓度的外延规格情况下，器件可以获得更高的击穿电压，该结构因此得到广泛应用。

随着关键技术节点的降低，即用于形成屏蔽栅的沟槽的尺寸缩小，使得沟槽的深宽比进一步增大，使得继续沿用现有方法所形成的屏蔽栅沟槽功率器件存在漏电流增大，导致其在高温反偏试验中表现不佳。

在例如图1现有的屏蔽栅沟槽功率器件中，栅氧层30’覆盖于衬底10’和屏蔽栅20’所形成的沟槽11’中，以在栅氧层30’上填充形成栅极40’。但在形成栅氧层30’的过程中，由于底部以及侧壁的界面差异，进而导致栅氧层30’生长速率的差异，使得底壁拐角处的栅氧层30’较薄，从而导致了上述问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种屏蔽栅沟槽功率的制造方法，以降低屏蔽栅沟槽功率的漏电流。

为解决上述技术问题，本发明提供一种屏蔽栅沟槽功率的制造方法，包括：提供一衬底，所述衬底中形成有第一沟槽，所述第一沟槽的内壁覆盖有场氧层；于所述第一沟槽中形成屏蔽栅，所述屏蔽栅覆盖所述场氧层，并填充所述第一沟槽；蚀刻所述第一沟槽中的场氧层，以暴露所述衬底及所述屏蔽栅的侧壁，形成第二沟槽，所述第二沟槽环绕所述屏蔽栅；形成栅氧层，所述栅氧层覆盖所述第二沟槽的内壁，其中，至少部分厚度的所述栅氧层利用ISSG工艺形成，所述栅氧层的底部拐角为圆弧形；以及，于所述第二沟槽中形成栅极，所述栅极覆盖所述栅氧层，并填充所述第二沟槽。

可选的，采用湿法蚀刻蚀刻所述第一沟槽中的场氧层形成所述第二沟槽。。

可选的，所述第二沟槽的深度小于所述第一沟槽的深度，且小于所述屏蔽栅的深度。

可选的，在形成所述第二沟槽之后及形成所述栅氧层之前，还包括：形成一牺牲层，所述牺牲层覆盖所述第二沟槽的内壁；去除所述牺牲层。

可选的，所述栅氧层包括形成第一栅氧层及第二栅氧层，所述第一栅氧层覆盖所述第二沟槽的内壁，所述第二栅氧层覆盖所述第一栅氧层。

可选的，所述第一栅氧层利用湿氧氧化工艺形成，所述第二栅氧层利用低压ISSG工艺形成。

可选的，所述第二栅氧层利用湿氧氧化工艺形成，所述第一栅氧层利用低压ISSG工艺形成。

可选的，利用低压ISSG工艺形成的栅氧层厚度占所述栅氧层的厚度的40％～60％。

可选的，所述ISSG工艺为低压ISSG工艺，所述ISSG工艺的腔体压力在5torr～15torr。

可选的，所述ISSG工艺的工艺气体包括氧气、氢气及氮气。

综上所述，在本发明提供的屏蔽栅沟槽功率器件的制造方法具有以下有益效果：

1)部分厚度的栅氧层利用ISSG工艺形成，ISSG工艺所形成的栅氧层具有较佳的填充性及台阶覆盖性，可使形成的栅氧层的底部拐角为圆弧形，以提高栅氧层厚度的均匀性，从而降低栅极漏电流，提高屏蔽栅沟槽功率器件的可靠性，并提高其在高温反偏试验中的表现；

2)仅利用ISSG工艺形成部分栅氧层，剩余厚度的栅氧层可利用常规方法形成，以降低形成栅氧层及制造器件的成本。

附图说明

本领域的普通技术人员应当理解，提供的附图用于更好地理解本发明，而不对本发明的范围构成任何限定。其中：

图1是现有技术中的屏蔽栅沟槽功率器件的结构示意图；

图2a～图2f为本申请实施例提供的屏蔽栅沟槽功率器件的制造方法相应的结构示意图；

图3a～图3b为本申请实施例提供的另一种屏蔽栅沟槽功率器件的制造方法相应的结构示意图；

图4是本申请实施例提供的屏蔽栅沟槽功率器件的制造方法的流程图。

图1中：

10’-衬底；11’-沟槽；21’-场氧层；22’-屏蔽栅；30’-栅氧层；40’-栅极。

图2a～图3b中：

10-衬底；11-第一沟槽；21-场氧层；22-屏蔽栅；23-第二沟槽；

30-栅氧层；31-第一栅氧层；32-第二栅氧层；

40-栅极。

具体实施方式

为使本发明的目的、优点和特征更加清楚，以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且未按比例绘制，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。此外，附图所展示的结构往往是实际结构的一部分。特别的，各附图需要展示的侧重点不同，有时会采用不同的比例。

如在本发明中所使用的，单数形式“一”、“一个”以及“该”包括复数对象，术语“或”通常是以包括“和/或”的含义而进行使用的，术语“若干”通常是以包括“至少一个”的含义而进行使用的，术语“至少两个”通常是以包括“两个或两个以上”的含义而进行使用的，此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”、“第三”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者至少两个该特征，除非内容另外明确指出外。

图4是本申请实施例提供的屏蔽栅沟槽功率器件的制造方法的流程图。

如图4所示，本实施例提供的屏蔽栅沟槽功率器件的制造方法，包括：

S01：提供一衬底，所述衬底中形成有第一沟槽，所述第一沟槽的内壁覆盖有场氧层；

S02：于所述第一沟槽中形成屏蔽栅，所述屏蔽栅覆盖所述场氧层，并填充所述第一沟槽；

S03：蚀刻所述第一沟槽中的场氧层，以暴露所述衬底及所述屏蔽栅的侧壁，形成第二沟槽，所述第二沟槽环绕所述屏蔽栅；

S04：形成栅氧层，所述栅氧层覆盖所述第二沟槽的内壁，其中，至少部分所述栅氧层利用ISSG工艺形成，所述栅氧层的底部拐角为圆弧形；以及，

S05：于所述第二沟槽中形成栅极，所述栅极覆盖所述栅氧层，并填充所述第二沟槽。

图2a～图2f为本申请实施例提供的屏蔽栅沟槽功率器件的制造方法相应步骤对应的结构示意图，以下将将结合图2a～图2f详细说明本实施例提供的屏蔽栅沟槽功率器件的制造方法。

其中，屏蔽栅沟槽功率器件可以为屏蔽栅沟槽MOSFET功率器件，也可以为包括MOSFET结构的功率器件，例如MOS控制晶闸管(MCT)、IGBT等。在本实施例中，以左右结构的屏蔽栅沟槽MOSFET功率器件为例加以说明。

请参照图2a，执行步骤S01，提供一衬底10，于衬底10中形成多个第一沟槽11，形成场氧层21，场氧层21覆盖第一沟槽11的内壁及衬底10的表面。

衬底10可以为硅基半导体或绝缘体上硅(SOI)衬底，本实施例中衬底10以硅衬底为例加以说明。衬底10表面形成有外延层，第一沟槽11形成于外延层中。以N型MOSFET功率器件为例，衬底10和外延层的掺杂类型均是N型，且衬底10的掺杂浓度高于外延层的掺杂浓度。

第一沟槽11的侧壁与衬底10表面的角度较为垂直，例如为80°～90°，第一沟槽11的底部拐角的形状为直角型或圆弧形。多个第一沟槽11形成于外延层中，并间隔排列，用于形成屏蔽栅及栅极。应理解，在衬底10的外延层中还可具有其他沟槽，用于形成其他结构，例如导电电极或ESD保护结构等，在本实施例中并不以为限制。

场氧层21例如为氧化硅，可通过热氧化工艺或CVD法在衬底10的表面及第一沟槽11的内壁形成场氧层21。实际中，可先利用热氧化工艺形成部分厚度的场氧层21，再利用CVD法形成剩余厚度的场氧层21，以便在形成较厚的场氧层21时兼顾形成的速度和质量。

接着，请参照图2b，执行步骤S02，于第一沟槽11中形成屏蔽栅22，屏蔽栅22覆盖场氧层21，并填充第一沟槽11。屏蔽栅22的材料可以是多晶硅、铝、钽、钨或钛等，可以通过淀积的方式形成。本实施例中屏蔽栅22的材料为多晶硅，可通过LPCVD法形成，所形成的多晶硅填充第一沟槽11，并延伸覆盖至衬底10上的场氧层21上，再回蚀刻多晶硅使多晶硅的顶面与衬底10的表面基本处于同一平面或略低于衬底10的表面，并同步去除位于衬底10的场氧层21上的多晶硅，以第一沟槽11中剩余的多晶硅为屏蔽栅22。

接着，请参照图2c，执行步骤S03，蚀刻第一沟槽11中的场氧层21，以暴露衬底10及屏蔽栅22的侧壁，形成第二沟槽23，第二沟槽23环绕屏蔽栅22。

可采用湿法蚀刻以去除位于衬底10上及第一沟槽11中的场氧层21，利用湿法蚀刻的高选择蚀刻性及低成本，以提高去除质量及降低对衬底10的损伤，并兼具较佳的去除速率及成本。在本实施例中，场氧层21为氧化硅，湿法蚀刻的蚀刻液可例如为缓冲氧化硅蚀刻液(BOE)或缓冲氢氟酸(BHF)。

其中，第二沟槽23位于第一沟槽11中且环绕屏蔽栅22设置，第二沟槽23的两侧壁分别为暴露的衬底10及屏蔽栅22，在如图2c的深度方向的截面图中，第二沟槽23分别位于屏蔽栅的两侧。第二沟槽23的深度小于第一沟槽11的深度，且低于屏蔽栅22的深度。

实际中，第二沟槽23底部的深度并不相同，而是底部靠近屏蔽栅一侧的深度略深于底部靠近衬底一侧的深度。

优选的，在形成第二沟槽23后，还可包括：形成一牺牲层，该牺牲层覆盖第二沟槽23的内壁及衬底10的表面，接着，湿法蚀刻该牺牲层。该牺牲层可为一利用干氧氧化所形成的氧化硅，该牺牲层的厚度较薄，例如为100～150埃。在去除该牺牲层时，覆盖于第二沟槽23侧壁中形貌异常处(例如向外凹陷)的牺牲层被去除较少而得以部分保留，从而实现可修复第二沟槽23的侧壁。

请参照图2d及图2e，执行步骤S04，形成栅氧层30，栅氧层30覆盖第二沟槽23的内壁，其中，至少部分厚度的栅氧层30利用ISSG工艺形成，栅氧层30的底部拐角为圆弧形。具体的，栅氧层30包括顺行地形成的第一栅氧层31及第二栅氧层32，第一栅氧层31覆盖第二沟槽23的内壁，第二栅氧层32覆盖第一栅氧层31。

请参照图2d，形成第一栅氧层31，第一栅氧层31覆盖第二沟槽23的内壁。第一栅氧层31的材质例如为氧化硅，可采用干法氧化工艺或湿法氧化工艺形成。在本实施例中，优选采用湿氧氧化工艺形成第一栅氧层31，以提高形成速率。

需要说明的是，由于第一沟槽11的底部与两侧壁的材质(或结构)有所差异，其底部和侧壁以及两侧壁之间相应形成第一栅氧层31的速率和形貌不同，导致第一栅氧层31的底部拐角极易相对第二沟槽23向外突出，即该底部拐角的第一栅氧层31的厚度较薄，进而导致该处的漏电流相对较大，使得屏蔽栅沟槽功率器件在高温反偏试验中表现欠佳。而在本实施例中，第一栅氧层31的厚度仅为栅氧层30的部分厚度，相应的，底部拐角的第一栅氧层31的突出或者偏薄的程度相对降低。应理解，所形成的第一栅氧层31除覆盖第二沟槽23的内壁外，还延伸覆盖衬底10的表面(图中未示出)。

请参照图2e，执行ISSG工艺形成第二栅氧层32，第二栅氧层32覆盖第一栅氧层31的表面。第二栅氧层32的材质例如为氧化硅，与利用炉管机台氧化形成第一栅氧层31不同，第二栅氧层32形成于RTP(快速热处理)机台中。

优选的，该ISSG工艺可为低压ISSG工艺，其腔体整体压力为5torr～15torr。具体的，执行ISSG工艺所通入的工艺气体包括氮气、氧气及氢气，其中，氧气和氢气作为反应气体，氮气用于稀释反应气体，以提高形成第二栅氧层32的均匀性。经实验，在反应温度为1000℃～1100℃，氧气通入流量速率为5slm～12slm，氢气通入流量速率为0.5slm～6slm，氮气通入流量速率为0.5slm～5slm的条件下所形成的第二栅氧层32具有较佳的底部拐角填充效果。由于利用低压ISSG工艺所形成的第二栅氧层32较佳的台阶覆盖性及填充性，使得第二栅氧层32形成如图2e所示的圆弧形的底部拐角，消除了栅氧层30底部拐角的薄弱处，可降低屏蔽栅沟槽功率器件的栅极漏电流，以提高在高温反偏试验中的表现，也即提高了屏蔽栅沟槽功率器件的可靠性。

进一步的，经实验，利用低压ISSG工艺形成的栅氧层(第二栅氧层32)厚度占栅氧层总体厚度的40％～60％，以兼顾栅氧层的底部拐角的填充效果及制程成本。应理解，整个栅氧层均利用ISSG工艺形成也是可行的，但利用ISSG工艺形成较厚的膜层时对RTP设备的消耗较大，不利于成本控制，而利用低压ISSG工艺形成的栅氧层过薄，则难以保证形成栅氧层的底部拐角的填充效果。

请参照图2f，执行步骤S05，于第二沟槽23中形成栅极40，栅极40覆盖栅氧层，并填充第二沟槽23。栅极40的材质可以为任意合适的导电层。在本实施例中，栅极40的材质为多晶硅，可以利用采用LPCVD法形成。

本申请实施例还提供了另一种屏蔽栅沟槽功率器件的制造方法，其方法与与前述的屏蔽栅沟槽功率器件的制造方法相似，仅在形成栅氧层30的第一栅氧层31及第二栅氧层32时有所差异。

请参照图3a，利用ISSG工艺形成覆盖第二沟槽23内壁的第一栅氧层31，具体利用ISSG工艺形成第一栅氧层31的过程可参考前述方法，第一栅氧层31的底部拐角为圆弧形。

请参照图3b，利用湿氧氧化工艺形成覆盖第一栅氧层31的第二栅氧层32，由于第一栅氧层31的底部拐角为圆弧形，第二栅氧层32的底部拐角也为圆弧形。

最后，本实施例提供的屏蔽栅沟槽功率器件的制造方法还包括后续的基区、源区、源极金属垫层和栅极金属垫层的形成，上述步骤的形成采用本领域常用的方法形成，例如是依次可以经过P-body注入、扩散，N源极注入、扩散，ID淀积、接触孔光刻、刻蚀、正面金属淀积及图形化、背面减薄及金属化等工艺流程，从而完成整个器件制造工艺，在此不详细说明。

综上所述，在本发明提供的屏蔽栅沟槽功率器件的制造方法具有以下有益效果：

1)部分厚度的栅氧层利用ISSG工艺形成，ISSG工艺所形成的栅氧层具有较佳的填充性及台阶覆盖性，可使形成的栅氧层的底部拐角为圆弧形，以提高栅氧层厚度的均匀性，从而降低栅极漏电流，提高屏蔽栅沟槽功率器件的可靠性，并提高其在高温反偏试验中的表现；

2)仅利用ISSG工艺形成部分栅氧层，剩余厚度的栅氧层可利用常规方法形成，以降低形成栅氧层及制造器件的成本。

上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。

Claims (10)

1.一种屏蔽栅沟槽功率器件的制造方法，其特征在于，包括：

提供一衬底，所述衬底中形成有第一沟槽，所述第一沟槽的内壁覆盖有场氧层；

于所述第一沟槽中形成屏蔽栅，所述屏蔽栅覆盖所述场氧层，并填充所述第一沟槽；

蚀刻所述第一沟槽中的场氧层，以暴露所述衬底及所述屏蔽栅的侧壁，形成第二沟槽，所述第二沟槽环绕所述屏蔽栅；

形成栅氧层，所述栅氧层覆盖所述第二沟槽的内壁，其中，至少部分厚度的所述栅氧层利用ISSG工艺形成，所述栅氧层的底部拐角为圆弧形；以及，

于所述第二沟槽中形成栅极，所述栅极覆盖所述栅氧层，并填充所述第二沟槽。

2.根据权利要求1所述的屏蔽栅沟槽功率器件的制造方法，其特征在于，采用湿法蚀刻蚀刻所述第一沟槽中的场氧层形成所述第二沟槽。

3.根据权利要求2所述的屏蔽栅沟槽功率器件的制造方法，其特征在于，所述第二沟槽的深度小于所述第一沟槽的深度，且小于所述屏蔽栅的深度。

4.根据权利要求1所述的屏蔽栅沟槽功率器件的制造方法，其特征在于，在形成所述第二沟槽之后及形成所述栅氧层之前，还包括：

形成一牺牲层，所述牺牲层覆盖所述第二沟槽的内壁；

去除所述牺牲层。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的屏蔽栅沟槽功率器件的制造方法，其特征在于，所述栅氧层包括第一栅氧层及第二栅氧层，所述第一栅氧层覆盖所述第二沟槽的内壁，所述第二栅氧层覆盖所述第一栅氧层。

6.根据权利要求5所述的屏蔽栅沟槽功率器件的制造方法，其特征在于，所述第一栅氧层利用湿氧氧化工艺形成，所述第二栅氧层利用ISSG工艺形成。

7.根据权利要求5所述的屏蔽栅沟槽功率器件的制造方法，其特征在于，所述第一栅氧层利用ISSG工艺形成，所述第二栅氧层利用湿氧氧化工艺形成。

8.根据权利要求6或7所述的屏蔽栅沟槽功率器件的制造方法，其特征在于，利用ISSG工艺形成的栅氧层厚度占所述栅氧层的厚度的40％～60％。

9.根据权利要求1所述的屏蔽栅沟槽功率器件的制造方法，其特征在于，所述ISSG工艺为低压ISSG工艺，所述ISSG工艺的腔体压力在5torr～15torr。

10.根据权利要求9所述的屏蔽栅沟槽功率器件的制造方法，其特征在于，所述ISSG工艺的工艺气体包括氧气、氢气及氮气。

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