專(zhuān)利名稱(chēng)：一種垂直型大功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管單元結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于半導(dǎo)體集成電路技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及到一種垂直型N溝道金屬—氧化物—半導(dǎo)體大功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管單元結(jié)構(gòu)。
為了解決上述雙極型功率器件性能上的局限性，人們?cè)?970年開(kāi)發(fā)了大功率金屬—氧化物—半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(大功率MOSFET)。在大功率金屬—氧化物—半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管中，控制信號(hào)加到金屬柵電極上，而柵電極與半導(dǎo)體表面被一層絕緣介質(zhì)(通常為二氧化硅)隔離開(kāi)來(lái)。所需的控制信號(hào)僅僅是一個(gè)偏壓，工作或者關(guān)閉時(shí)沒(méi)有恒定的電流流動(dòng)。甚至100KHz工作條件下，當(dāng)器件狀態(tài)發(fā)生改變時(shí)，柵極電流僅提供一個(gè)很小的柵電容充電和放電的電流。同時(shí)，功率MOSFET的極高輸入阻抗也大大簡(jiǎn)化了其柵驅(qū)動(dòng)電路。
與雙極型功率器件相反，大功率MOSFET是單極型器件。電流是由多數(shù)載流子傳輸形成的，沒(méi)有少子注入現(xiàn)象，因而在器件關(guān)斷時(shí)，沒(méi)有少子的儲(chǔ)存和少子復(fù)合造成的時(shí)間延遲現(xiàn)象。大功率MOSFET所具有的開(kāi)關(guān)速度比雙極晶體管的速度要高幾個(gè)數(shù)量級(jí)。這種特性在高頻大功率電路尤為引人注目，因?yàn)樵谶@種工作條件下，開(kāi)關(guān)的功率損耗是最重要的。大功率MOSFET在同時(shí)加上大電流和高電壓的條件下，表現(xiàn)出優(yōu)越的安全工作性能，即在一定時(shí)期內(nèi)能承受大電流和高電壓的沖擊而不發(fā)生由于二次擊穿帶來(lái)的毀滅性失效。更為重要的是，大功率MOSFET單元可以很容易地并聯(lián)排列設(shè)計(jì)，這是因?yàn)楣β蔒OSFET上的正向壓降隨著溫度的升高而增加。這種特性使得電流在并聯(lián)的器件之間均勻分配。
正是由于大功率MOSFET的這些優(yōu)點(diǎn)，使得其廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)、移動(dòng)電話(huà)、音響、汽車(chē)電路、射頻電路，以及高頻切換功率電源之中。
通常的大功率MOSFET是在MOS工藝的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的，主要是采用平面擴(kuò)散工藝，柵極與硅片表面平行。采用該結(jié)構(gòu)的主要缺點(diǎn)是1.不適合制造高壓短溝道MOS功率器件。因?yàn)樵谕ǔ９ぷ鳁l件下，源區(qū)與襯底在電學(xué)上是連在一起的，即使在不加?xùn)艠O電壓的情況下，漏極的耗盡區(qū)也要向溝道區(qū)延伸，當(dāng)漏極和源溝道長(zhǎng)度不能小于器件正常工作電壓下產(chǎn)生的最小耗盡層寬度。2.平面擴(kuò)散工藝形成的MOSFET，其柵極多晶與硅片表面平行，柵極寄生電容較大，因而大大降低了器件的開(kāi)關(guān)速度。3.溝道電阻雖然可以采用增加溝道寬度的方法來(lái)減低，但是，這樣做的代價(jià)是大量占用寶貴的芯片面積，加大了電路的成本。
本發(fā)明提出的金屬—氧化物—半導(dǎo)體大功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管單元結(jié)構(gòu)，其硅外延片上的外延層由兩層電阻率不同的N型薄層構(gòu)成，電阻率低的第一外延層與硅襯底相鄰，第二外延層上刻蝕有溝槽，金屬鎢柵電極置于溝槽中，金屬鎢柵與硅片表面垂直，電流方向也是從下往上，與硅片表面方向垂直。
本發(fā)明中，溝槽的深度為1.5-2.5微米，寬度為1.0-1.5微米。兩層的電阻率分別為0.01-0.02歐姆-厘米且厚度為1.0-1.5微米，以及0.3-0.4歐姆-厘米且厚度為3.5-4.0微米。
上述N溝道大功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管制備工藝如下在上述的外延層溝槽側(cè)壁上，熱生長(zhǎng)一層二氧化硅厚度一般可為40-60納米，作為場(chǎng)效應(yīng)晶體管的柵氧化層；用物理方法淀積金屬阻擋層Ti和TiN，一般Ti的厚度為20納米左右，TiN的厚度為40納米左右；再用化學(xué)氣相淀積方法，在真空條件下淀積金屬鎢，一般真空度為90Torr，采用H2(1000sccm)+WF6(95sccm)淀積，厚度為1-1.5微米；用化學(xué)機(jī)械拋光方法(CMP)磨去溝槽以外的金屬鎢，從而在深槽中形成場(chǎng)效應(yīng)晶體管單元的柵極結(jié)構(gòu)；再用光刻膠作為阱注入和源區(qū)注入掩蔽膜，先后在溝道區(qū)和源區(qū)分別注入硼和磷離子，經(jīng)熱退火后形成場(chǎng)效應(yīng)晶體管單元結(jié)構(gòu)的溝道區(qū)和源極區(qū)。
在設(shè)計(jì)上可以采用AlSiCu金屬連線(xiàn)方法，可以將垂直型場(chǎng)效應(yīng)晶體管單元的柵極相聯(lián)，形成大功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管的柵極，將垂直型場(chǎng)效應(yīng)晶體管單元的源極相連接，形成大功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管的源電極。
將硅片減薄至200-250微米，并在硅片背面蒸發(fā)鈦/鎳/銀多層金屬膜，其中，鈦(1KA/鎳(2KA)/銀(10KA)，以減小MOSFET器件的導(dǎo)通電阻和熱阻抗，并形成垂直型P溝道MOSFET大功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管漏電極。
由于金屬鎢柵電極位于硅外延層的溝槽之中，金屬鎢柵與硅片表面垂直，場(chǎng)效應(yīng)晶體管導(dǎo)通工作狀態(tài)下，電流流動(dòng)的方向是從底部的漏電極出發(fā)，流經(jīng)反型溝道區(qū)，最終到達(dá)源電極，電流流動(dòng)的方向是與硅片的表面方向垂直。而常規(guī)的P溝道大功率MOSFET單元的金屬鎢柵極與硅片表面平行，電流方向也與硅片表面方向平行，因而，本分明是一種新型的垂直型N溝道金屬—氧化物—半導(dǎo)體大功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管單元結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明中，由于是采用兩層外延層、垂直MOSFET單元結(jié)構(gòu)，從器件結(jié)構(gòu)上有效的解決普通平面型MOSFET的缺點(diǎn)。具有MOSFET單元面積小、短溝道、高耐壓、柵極寄生電容小，器件功耗低、速度快等特點(diǎn)，完全可以在目前大規(guī)模集成電路工藝線(xiàn)上生產(chǎn)，是一種有發(fā)展前景的大功率MOSFET單元結(jié)構(gòu)。將硅片減薄至200-250微米并在背面蒸發(fā)鈦/鎳/銀多層金屬膜，減小MOSFET器件的導(dǎo)通電阻和熱阻抗。
1、在電阻率為0.001歐姆-厘米的N型(100)硅襯底上，用化學(xué)氣相淀積方法外延兩層N型薄層，其中，第一外延層與硅襯底相鄰，厚度為1.5微米，電阻率為0.015歐姆-厘米；第二外延層厚度為3.5微米，電阻率為0.3歐姆-厘米。在第二外延層上，用等離子方法刻蝕出其深度為1.5-2.5微米、寬度為1.0-1.5微米的溝槽。
2、在硅片上先熱生長(zhǎng)一層二氧化硅，厚度為50納米，接著，用化學(xué)氣相淀積方法淀積一層厚度為150納米的氮化硅。再用光刻方法形成一層光刻膠掩蔽膜，將要形成溝槽的區(qū)域暴露出來(lái)，而將其他區(qū)域用光刻膠掩蔽。用等離子刻蝕方法先刻蝕掉沒(méi)有被光刻膠掩蔽的氮化硅和二氧化硅，去膠后形成由氮化硅和二氧化硅形成的硬掩蔽層，再用等離子刻蝕方法，在沒(méi)有被硬掩蔽遮擋得硅片上刻蝕出深度為2.0微米、寬度為1.5微米的溝槽。
3、在磷酸中去除氮化硅，用稀釋的氫氟酸腐蝕二氧化硅層，用去離子水清洗并甩干，然后在高溫950℃的條件下，O2加HCl(流量比例為90％∶10％)，時(shí)間60分鐘，然后，在N2氣中退火20分鐘.出爐后用稀釋的氫氟酸腐蝕二氧化硅層，去離子水清洗并甩干。在1050℃條件下，用O2+H2+N2(流量比例為5∶5∶30＝500∶500∶3000毫升/分鐘流量)，時(shí)間為120-150分鐘，接著在N2氣中退火20分鐘，從而生長(zhǎng)一層厚度為60-80納米的高質(zhì)量二氧化硅，作為場(chǎng)效應(yīng)晶體管的柵氧化層。
4、緊接著，用物理方法淀積一層厚度為20納米的Ti和厚度為40納米的TiN，再用化學(xué)氣相淀積方法，在的條件下真空度為90Torr的條件下，采用H2(1000sccm)+WF6(95sccm)淀積厚度為1微米的金屬鎢。
5、然后，化學(xué)機(jī)械拋光方法，去除溝槽以外的金屬鎢材料。而溝槽中的金屬鎢被保留下來(lái)作為場(chǎng)效應(yīng)晶體管單元的柵極。
6、用光刻方法形成溝道區(qū)注入掩蔽膜，將溝道區(qū)以外的區(qū)域用光刻膠屏蔽，離子注入硼，能量為180KeV，劑量為3E13/cm2.去膠清洗后，在高溫1050℃，N2氣氛條件下，推進(jìn)300分鐘，形成場(chǎng)效應(yīng)晶體管的溝道區(qū)。
7、用光刻方法形成場(chǎng)效應(yīng)晶體管的源區(qū)的注入掩蔽膜，即將源區(qū)以外的區(qū)域用光刻膠屏蔽，源區(qū)離子注入砷，能量為80KeV，劑量為4E15/cm2，在1050℃條件下采用快速熱退火(RTP)，時(shí)間為120秒，從而形成場(chǎng)效應(yīng)晶體管的源極。
8、用常壓化學(xué)氣相淀積方法(APCVD)，在淀積溫度為350-500℃，氣體為硅皖+氧氣，真空度為1Torr，先淀積一層厚度為100納米的二氧化硅。緊接著，采用氣體為硅皖+氧氣+磷烷+硼烷，淀積一層厚度為500納米的含硼磷的二氧化硅(BPSG)，其中B含量為7％wt，P含量為5％wt。常壓CVD淀積完成以后，在溫度90℃條件下，用N2+10％O2對(duì)BPSG進(jìn)行增密處理，時(shí)間為30分鐘。
9、用光刻方法形成接觸孔掩蔽膜，即將要刻蝕出接觸孔的區(qū)域暴露出來(lái)，而將氣體區(qū)域用光刻膠保護(hù)住。再用兩步法刻蝕出接觸孔，第一步，氫氟酸刻蝕約200納米的BPSG，再用等離子刻蝕方法刻蝕剩余的300納米的BPSG和100納米的二氧化硅。
10、采用物理濺射方法淀積一層厚度為2微米的AlSiCu金屬。再用光刻方法生成金屬刻蝕掩蔽膜，通過(guò)等離子刻蝕方法，刻蝕去沒(méi)有被光刻膠保護(hù)的AlSiCu金屬，并用等離子刻蝕方法去膠。然后在400℃和H2+N2(H2含量為10％)條件下合金，時(shí)間60分鐘，從而在金屬鎢柵和源極上形成了金屬電極。
11、將硅片減薄至200微米，并在硅片背面蒸發(fā)鈦/鎳/銀多層金屬膜，厚度分別為鈦(1KA)/鎳(2KA)/銀(10KA)，以減小MOSFET器件的導(dǎo)通電阻和熱阻抗，并形成垂直型N溝道MOSFET大功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管漏電極。
權(quán)利要求
1.一種垂直型大功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管單元結(jié)構(gòu)，其特征在于外延層由兩層電阻率不同的N型薄層構(gòu)成，其中電阻率低的第一外延層與硅襯底相鄰，第二層外延層上刻蝕有溝槽，金屬鎢柵電極置于第二層外延層的溝槽之中；金屬鎢柵與硅片表面垂直，電流流動(dòng)的方向與硅片的表面方向垂直。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的晶體管單元結(jié)構(gòu)，其特征在于上述的兩層電阻率不同的N型薄層構(gòu)成的外延層是用化學(xué)氣相淀積方法外延而成，其中第一外延層電阻率為0.01-0.02歐姆-厘米，厚度為1.0-1.5微米，第二外延層電阻率為0.3-0.4歐姆-厘米厚度為3.5-4.0微米，在第二外延層上的溝槽，深度為1.5-2.5微米、寬度為1.0-1.5微米。
3.一種如權(quán)利要求1或2所述的晶體管單元結(jié)構(gòu)的制備方法，特征在于在所述的外延層溝槽側(cè)壁上，熱生長(zhǎng)一層厚度為40-60納米二氧化硅，作為場(chǎng)效應(yīng)晶體管的柵氧化層；接著用物理方法淀積金屬阻擋層Ti和TiN，用化學(xué)氣相淀積方法生成一層厚度為1.0-1.5微米的金屬鎢，并用化學(xué)機(jī)械拋光方法磨去溝槽以外的金屬鎢，從而在深槽中形成場(chǎng)效應(yīng)晶體管單元的鎢柵極結(jié)構(gòu)；用光刻膠作為阱注入和源區(qū)注入掩蔽膜，先后在溝道區(qū)和源區(qū)分別注入硼離子和砷離子，經(jīng)熱退火后形成場(chǎng)效應(yīng)晶體管單元結(jié)構(gòu)的溝道區(qū)和源極區(qū)。
全文摘要
本發(fā)明為一種垂直型N溝道金屬－氧化物－半導(dǎo)體大功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管單元結(jié)構(gòu)。采用N型硅外延片上刻蝕溝槽的方法，使場(chǎng)效應(yīng)晶體管的柵氧層和金屬鎢柵電極位于硅外延層的溝槽之中，金屬鎢柵與硅片表面垂直，場(chǎng)效應(yīng)晶體管導(dǎo)通工作狀態(tài)下，電流流動(dòng)的方向是從硅片底部的漏電極出發(fā)，流經(jīng)反型溝道區(qū)，最終到達(dá)源電極，電流流動(dòng)的方向是與硅片的表面方向垂直。
文檔編號(hào)H01L29/66GK1450657SQ0311693
公開(kāi)日2003年10月22日 申請(qǐng)日期2003年5月15日 優(yōu)先權(quán)日2003年5月15日
發(fā)明者徐小誠(chéng), 繆炳有, 陳志偉, 汪激揚(yáng) 申請(qǐng)人:上海集成電路研發(fā)中心有限公司, 上海華虹(集團(tuán))有限公司