专利名称：CoolMOS的纵向区的制造方法
技术领域：
本发明涉及一种半导体器件的制造工艺，特别是涉及一种CoolMOS的制造工艺。
背景技术：
CoolMOS是一种新型的高压MOS管，又称超级结(Superjunction)MOS管。其优点 是在耐高压工作的同时可以提供比传统高压MOS管小一个数量级的导通电阻；除低导通电 阻外，还具有低功耗和低开关时间的优势。请参阅图1，这是CoolMOS的基本结构示意图。在重掺杂N型硅衬底10上生长有 一层轻掺杂N型外延层11，外延层11内具有P型纵向区12。该P型纵向区12上抵外延层 11上表面，下达外延层11内或者外延层11与硅衬底10的分界面。外延层11之上有二氧 化硅层13和多晶硅层14。二氧化硅层13两侧的外延层11内有P型体注入区15和重掺杂 N型源注入区16。该CoolMOS器件的栅极G是多晶硅层14，栅氧化层是二氧化硅层13，源 极S是源注入区16，漏极D是硅衬底10。CoolMOS器件的特征是在N型外延层11引入了从外延层11的上表面向下延伸的 P型纵向区12。P型纵向区12的底部可以延伸到外延层11中，也可延伸至硅衬底10上表 面。这种结构导致MOS管在高压工作状态下除了产生纵向的从源极S到漏极D的纵向电场 夕卜，还有横向的PN区出现的横向电场。在两个电场的共同作用下导致电场在横向和纵向上 可均勻分布，从而实现在低电阻率外延层上制造高耐压MOS管。图1所示的CoolMOS是基于PMOS的，图2给出了一种基于匪OS的CoolMOS基本 结构，其各部分的掺杂类型(P型、N型)与图1完全相反。CoolMOS器件制造的难点在于形成较厚的外延层及其中较高的纵向区。典型的 CoolMOS器件出于耐高压的需要，纵向区高度至少为30-40 μ m，外延层高度大于或等于纵 向区高度。请参阅图3，这是一种现有的CoolMOS的纵向区的制造方法，以基于PMOS的 CoolMOS为例，包括如下步骤第1步，在N型硅衬底10上生长一层N型外延层11。第2步，采用光刻工艺，在N型外延层11中定义出离子注入窗口区110，其余区域 被光刻胶20覆盖，离子注入窗口 110的位置就是P型纵向区的位置。第3步，在离子注入窗口 110中采用离子注入工艺注入P型杂质，形成P型纵向区 12。重复上述第1-3步，直至达到预定的外延层11的厚度。此时，P型纵向区12也达 到了预定的高度。目前一次生长外延层+离子注入只能形成5-6 μ m高度的纵向区，需要多次重复生 长外延层+离子注入才能最终形成CoolMOS器件所需厚度的外延层及其中所需高度的纵向 区。因此这种方法工艺复杂，工艺时间很长，并且加工成本很高。
请参阅图4，这是另一种现有的CoolMOS的纵向区的制造方法，仍以基于PMOS的CooIMOS为例，包括如下步骤 第1’步，在N型硅衬底10上生长一层N型外延层11，该外延层11的厚度就是 CooIMOS器件要求的外延层的厚度。第2’步，采用光刻和刻蚀工艺，在N型外延层11中刻蚀出沟槽110，沟槽110的位 置就是P型纵向区的位置，沟槽110的深度就是P型纵向区的高度。沟槽110的底部可以 在外延层11中，也可以到达硅衬底10的上表面。第3’步，在沟槽110中采用外延工艺淀积P型单晶硅，将沟槽110填充，形成P型 纵向区12。目前一次外延生长+沟槽刻蚀+外延淀积填充可以填充40-50 μ m的沟槽，但能做 到无空洞填充的沟槽深度在30 μ m以下。当CoolMOS器件要求30 μ m以上高度的纵向区时， 采用这种工艺所形成的纵向区12中有空洞120存在(如图4所示)。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种CoolMOS的纵向区的制造方法，该方法的 工艺简单，所形成的纵向区中没有空洞。为解决上述技术问题，本发明CoolMOS的纵向区的制造方法包括如下步骤第1步，采用外延工艺，在硅衬底上生长一层外延层；第2步，采用光刻工艺，在外延层上定义出离子注入窗口，离子注入窗口的位置就 是P型纵向区的位置；第3步，采用离子注入工艺，在离子注入窗口中注入杂质，形成纵向区；重复上述第1-3步，直至外延层11达到厚度a’，此时形成的总的外延层为第一外 延层，形成的总的纵向区为第一纵向区；第一纵向区底部在外延层下表面或更上方；第4步，采用外延工艺，在硅衬底上生长一层第二外延层，第二外延层的厚度为b， a，+b为CoolMOS器件要求的外延层的厚度；第5步，采用光刻和刻蚀工艺，在第二外延层中刻蚀出沟槽，沟槽的位置就是P型 纵向区的位置，沟槽的底部在第一纵向区上表面或更下方；第6步，在沟槽中采用外延工艺淀积单晶硅，将沟槽填充，形成第二纵向区，第二 纵向区与剩余的第一纵向区的总高度为CoolMOS器件要求的纵向区的高度。本发明CoolMOS的纵向区的制造方法，结合了离子注入和沟槽填充两种工艺。与 纯粹地重复采用外延生长+离子注入工艺相比，改进了工艺过程过于复杂、工艺时间过长 的缺陷，提升了工艺效率。与纯粹地外延生长+沟槽刻蚀+外延淀积填充工艺相比，克服了 填充物中存在空洞的缺陷。
图1是一种基于PMOS的CoolMOS的基本结构示意图；图2是一种基于NMOS的CoolMOS的基本结构示意图；图3是一种现有的CoolMOS的纵向区的制造方法各步骤示意图；图4是另一种现有的CoolMOS的纵向区的制造方法各步骤示意图5是本发明CoolMOS的纵向区的制造方法的部分步骤示意图。图中附图标记说明10为硅衬底；11为外延层；110为离子注入窗口 ；111为沟槽；12为纵向区；120为 空洞；13为二氧化硅；14为多晶硅；15为体注入区；16为源注入区；20为光刻胶；21为第二 外延层；210为沟槽；22为第二纵向区。
具体实施例方式以基于PMOS的CoolMOS器件为例，本发明CoolMOS的制造方法包括如下步骤第1步，采用外延工艺，在重掺杂N型硅衬底10上生长一层轻掺杂N型外延层11。外延工艺是在单晶衬底上淀积单晶层，通常采用化学气相淀积(CVD)设备。第2步，采用光刻工艺，在外延层11上定义出离子注入窗口 110，离子注入窗口 110的位置就是CoolMOS器件的P型纵向区的位置。所谓定义出离子注入窗口 110，是指在 硅片上涂布光刻胶20后，经过曝光、显影等步骤去除离子注入窗口 110上方的光刻胶20，保 留其余区域的光刻胶20。第3步，采用离子注入工艺，在离子注入窗口 110中注入P型杂质，形成P型纵向 区12，然后进行退火工艺。重复上述第1-3步，直至外延层11达到厚度a’，此时形成的总的外延层为第一外 延层11。此时形成的总的纵向区为第一纵向区12，高度为a。第一纵向区12的底部在第一 外延层11下表面或更上方，即a ≤a’。上述第1-3步请参考图3所示，下面第4-6步请参阅图5。第4步，采用外延工艺，在第一外延层11上生长一层第二外延层(轻掺杂N型)21， 第二外延层21的厚度为b，a’ +b为CoolMOS器件要求的外延层的厚度。第5步，采用光刻和刻蚀工艺，在第二外延层21中刻蚀出沟槽210，沟槽210的位 置就是P型纵向区的位置，沟槽210的底部或者在第一 P型纵向区12的上表面(如图5 所示)，或者在第一 P型纵向区12上表面的更下方(即可以刻蚀掉部分的第一 P型纵向区 12)。第6步，在沟槽210中采用外延工艺淀积P型单晶硅，将沟槽210填充，所淀积的 P型单晶硅在沟槽210中形成第二 P型纵向区22，第二 P型纵向区22与剩余的第一 P型纵 向区21的总高度为CoolMOS器件要求的P型纵向区的高度。此时，CoolMOS器件的纵向区已制造完成，接着在第二外延层21之上淀积一层二 氧化硅层作为栅氧化层，再在二氧化硅层之上淀积一层多晶硅层，再以光刻和刻蚀工艺刻 蚀出多晶硅栅极。接着在多晶硅栅极两侧采用离子注入工艺形成P型体注入区。最后在多 晶硅栅极两侧采用离子注入工艺形成N型源注入区。这一步与CMOS工艺中的多晶硅栅结 构制作、P阱注入、源注入工艺完全相同。最终在硅片表面(横向)和体内(纵向)都形成 N型、P型相间的CoolMOS器件。上述方法第1-3步中，多次外延生长的外延层11具有相同的N型杂质浓度，这样 第一外延层11就成为一个杂质浓度均勻的整体。上述方法第4步中，外延生长的第二外延 层21具有与第一外延层11相同的N型杂质浓度，这样第二外延层21与第一外延层11就 成为一个杂质浓度均勻的整体，构成了 CoolMOS器件的完整的外延层。
上述方法第1-3步中，多次离子注入的P型纵向区12具有相同的P型杂质浓度， 这样第一 P型纵向区12就成为一个杂质浓度均勻的整体。上述方法第4步中，外延淀积的 第二 P型纵向区22具有与第一 P型纵向区12相同的P型杂质浓度，这样第二 P型纵向区 22与第一 P型纵向区12就成为一个杂质浓度均勻的整体，构成了 CoolMOS器件的完整的P 型纵向区。对于任意高度纵向区的CoolMOS器件，本发明原则上先考虑采用外延生长+沟槽 刻蚀+外延淀积填充工艺制造纵向区。若该工艺不足以形成完整且无空洞的纵向区，则在 减去该工艺能形成无空洞的纵向区的最大高度后，由一次或多次外延生长+离子注入工艺 制造。实际生产中，本发明先进行预定次数(由计算结果确定)外延生长+离子注入工 艺制造一部分高度的纵向区，再采用外延生长+沟槽刻蚀+外延淀积填充工艺制造剩余部 分高度的纵向区，最终形成完整高度的纵向区。设CoolMOS器件要求的纵向区高度为X，Δ a为一次外延生长+离子注入工艺可制 造的纵向区高度，b为一次外延生长+沟槽刻蚀+外延淀积填充工艺可制造的无空洞的纵 向区高度设，C为采用外延生长+离子注入工艺的次数。则对于任意X，当X≤b时，则采用 一次外延生长+沟槽刻蚀+外延淀积填充工艺制造CoolMOS的纵向区。当X > b，则C = (x-b)/Aa,当c有小数则向上取整，如计算c为3. 01则向上取整c = 4。例如，X = 46 μ m, Aa = 5ym，b = 30μπι，则c = 4。实际制造具有46 μ m高度的纵向区的CoolMOS器件时， 先采用4次外延生长+离子注入工艺制造16-20 μ m高度的第一纵向区，再采用一次外延生 长+沟槽刻蚀+外延淀积填充工艺制造26-30 μ m高度的第二纵向区。 上述实施例中的CoolMOS器件均为基于PMOS的，本发明同样可以应用于制造基于 NMOS的CoolMOS的纵向区，不同之处仅是将各部分掺杂类型(P型、N型)互换。
权利要求
一种CoolMOS的纵向区的制造方法，其特征是，包括如下步骤第1步，采用外延工艺，在硅衬底上生长一层外延层；第2步，采用光刻工艺，在外延层上定义出离子注入窗口，离子注入窗口的位置就是CoolMOS的纵向区的位置；第3步，采用离子注入工艺，在离子注入窗口中注入杂质，形成纵向区；重复上述第1 3步，直至外延层达到厚度a’，此时形成的外延层总和为第一外延层，形成的纵向区总和为第一纵向区；第一纵向区的底部在外延层下表面或更上方；第4步，采用外延工艺，在硅衬底上生长一层第二外延层，第二外延层的厚度为b，a’+b为CoolMOS器件要求的外延层的厚度；第5步，采用光刻和刻蚀工艺，在第二外延层中刻蚀出沟槽，沟槽的位置就是纵向区的位置，沟槽的底部在第一纵向区上表面或更下方；第6步，在沟槽中采用外延工艺淀积单晶硅，将沟槽填充，形成第二纵向区，第二纵向区与剩余的第一纵向区的总高度为CoolMOS器件要求的纵向区的高度。
2.根据权利要求1所述的CoolMOS的纵向区的制造方法，其特征是，所述方法第1-3步中，硅衬底为重掺杂N型；重复生长的外延层均为轻掺杂N型，最终 形成第一外延层为轻掺杂N型；重复离子注入均为P型杂质，重复形成的均为P型纵向区， 最终形成第一纵向区为P型；所述方法第4-7步中，第二外延层为轻掺杂N型；沟槽中填充P型单晶硅，形成第二纵 向区为P型。
3.根据权利要求1所述的CoolMOS的纵向区的制造方法，其特征是，所述方法第1-3步中，硅衬底为重掺杂P型；重复生长的外延层均为轻掺杂P型，最终 形成第一外延层为轻掺杂P型；重复离子注入均为N型杂质，重复形成的均为N型纵向区， 最终形成第一纵向区为N型；所述方法第4-7步中，第二外延层为轻掺杂P型；沟槽中填充N型单晶硅，形成第二纵 向区为N型。
4.根据权利要求2或3所述的CoolMOS的纵向区的制造方法，其特征是，所述方法第1-3步中，重复生长的外延层均具有相同的杂质类型与杂质浓度，最终形 成第一外延层；所述方法第4步中，第二外延层与第一外延层具有相同的杂质类型与杂质浓度，共同 构成CoolMOS完整的外延层。
5.根据权利要求2或3所述的CoolMOS的纵向区的制造方法，其特征是，所述方法第1-3步中，重复离子注入形成的纵向区具有相同的杂质类型与杂质浓度， 最终形成第一纵向区；所述方法第6步中，第二纵向区与第一纵向区具有相同的杂质类型与杂质浓度，共同 构成了 CoolMOS完整的纵向区。
6.根据权利要求1所述的CoolMOS的纵向区的制造方法，其特征是，设CoolMOS的纵向 区高度为X，一次外延生长与离子注入工艺制造的最大纵向区高度为Δa，采用外延生长与 离子注入工艺的次数为c，c为正整数，一次外延生长与沟槽刻蚀与外延淀积填充工艺制造的无空洞的最大纵向区高度为b，则当χ > b，取c = (x-b)/Aa,当c有小数则向上取整。
全文摘要
本发明公开了一种CoolMOS的纵向区的制造方法，将CoolMOS的纵向区分为两部分，先采用一次或多次外延生长+离子注入工艺制造一部分高度的纵向区，再采用外延生长+沟槽刻蚀+外延淀积填充工艺制造剩余部分高度的纵向区，最终形成完整高度的纵向区。在此基础上制造多晶硅栅结构、体注入、源注入最终形成CoolMOS器件。本发明具有较高的工艺效率，且纵向区中不会存在空洞。
文档编号H01L21/336GK101989553SQ20091005773
公开日2011年3月23日 申请日期2009年8月7日 优先权日2009年8月7日
发明者刘远良, 张帅 申请人:上海华虹Nec电子有限公司