耗尽型功率晶体管的制造方法与流程

本发明涉及半导体制造领域，特别是涉及一种耗尽型功率晶体管的制造方法。

背景技术：

场效应晶体管分为耗尽型(depletion mode)和增强型(enhancement mode)两种。耗尽型场效应晶体管在零栅偏压时存在沟道、能够导电；增强型场效应晶体管在零栅偏压时不存在沟道、不能够导电。耗尽型N沟道MOSFET(金属氧化物半导体场效应管)的开启电压V_TH是负值，增强型N沟道MOSFET的V_TH是正值。

耗尽型MOSFET在制造过程中改变掺杂到通道的杂质浓度，使得栅极即使没有加电压，导电沟道也存在。如果想要关闭沟道，则必须在栅极施加负电压(对于N沟道MOSFET)。耗尽型MOSFET通常是应用于"常关型"(normally-off)的开关，增强型MOSFET则用在"常开型"(normally-on)的开关。

耗尽型VDMOS(垂直双扩散金属氧化物半导体场效应管)的设计与制造应解决的重点问题是怎样进行耗尽层的设计制造。由于增强型VDMOS中没有耗尽层，故可以在多晶的制造后进行P阱(P-)注入、N+注入和P+注入，而由于耗尽层的存在，这种制造流程不适用于耗尽型VDMOS的制造。

技术实现要素：

基于此，有必要提供一种耗尽型功率晶体管的制造方法。

一种耗尽型功率晶体管的制造方法，所述耗尽型功率晶体管包括有源区和终端区，所述方法包括：在晶圆正面的第一导电类型衬底上形成第一场氧层；进行第二导电类型光刻与刻蚀，将第二导电类型注入窗口处的第一场氧层刻蚀掉；通过所述第二导电类型注入窗口注入第二导电类型离子并扩散，在所述第一导电类型衬底内形成第二导电类型区；在所述晶圆正面生长厚度小于所述第一场氧层的第二场氧层；进行第二导电类型阱光刻和刻蚀，将所述有源区的第二导电类型阱注入窗口处的第一场氧层刻蚀掉；通过所述第二导电类型阱注入窗口注入第二导电类型离子并扩散，在所述第二导电类型区两侧形成第二导电类型阱，且所述第二导电类型阱的掺杂浓度小于所述第二导电类型区的掺杂浓度；进行耗尽层光刻与刻蚀，将所述有源区的耗尽层注入窗口处的第一场氧层刻蚀掉；通过所述耗尽层注入窗口注入第一导电类型离子并扩散，在所述第二导电类型区两侧形成耗尽层且扩散后耗尽层的深度小于所述第二导电类型阱的深度；在所述晶圆正面形成多晶硅栅极和多晶硅场板；以所述多晶硅栅极和第二场氧层为掩膜进行第一导电类型离子的自对准注入，在所述第二导电类型阱内形成第一导电类型区；在所述晶圆正面进行介质层、接触孔及正面金属层的制备；进行所述耗尽型功率晶体管的背面工艺；所述第一导电类型和第二导电类型的导电类型相反。

在其中一个实施例中，所述进行第二导电类型光刻与刻蚀的步骤，是将所述有源区和终端区的第二导电类型注入窗口处的第一场氧层刻蚀掉；所述第一导电类型的衬底包括衬底层和外延层，所述在晶圆正面的第一导电类型衬底上形成第一场氧层的步骤，是在所述外延层表面形成第一场氧层，所述在第一导电类型衬底内形成第二导电类型区，是在有源区和终端区的外延层内形成第二导电类型区。

在其中一个实施例中，所述耗尽型功率晶体管为平面栅型垂直双扩散金属氧化物半导体场效应管。

在其中一个实施例中，所述第一导电类型为N型，所述第二导电类型为P型。

在其中一个实施例中，所述通过所述耗尽层注入窗口注入第一导电类型离子并扩散的步骤，是进行N-砷离子注入并扩散。

在其中一个实施例中，所述进行N-砷离子注入并扩散的步骤中，注入剂量为1E11cm^-2—5E12cm^-2，注入能量为30Kev—80Kev，扩散温度为900℃—1000℃，扩散时间为100分钟—250分钟。

在其中一个实施例中，所述通过所述第二导电类型注入窗口注入第二导电类型离子并扩散的步骤，是进行P+注入并扩散，注入剂量为1E14cm^-2—1E15cm^-2，注入能量为60Kev—100Kev，扩散温度为1000℃—1175℃，扩散时间为90分钟—150分钟。

在其中一个实施例中，所述在所述晶圆正面生长厚度小于所述第一场氧层的第二场氧层的步骤，是生长厚度为4000埃—6000埃的第二场氧层。

在其中一个实施例中，所述在所述晶圆正面生长厚度小于所述第一场氧层的第二场氧层的步骤，是采用干氧-湿氧-干氧的工艺。

在其中一个实施例中，所述以所述多晶硅栅极和第二场氧层为掩膜进行第一导电类型离子的自对准注入的步骤中，注入剂量为5E15cm^-2—1.3E16cm^-2，注入能量为100Kev—130Kev。

上述耗尽型功率晶体管的制造方法，利用第二场氧层作为进行第一导电类型离子的自对准注入时的掩膜，可以节省一道光刻工序。采用自对准工艺在多晶硅制备完毕后进行第一导电类型离子注入(而不是像常规的增强型功率晶体管一样在第二导电类型阱的注入与扩散后进行)，可以获得更长的耗尽层沟道长度，使器件在负的栅极电压下更易于夹断。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他实施例的附图。

图1为一实施例中耗尽型功率晶体管的有源区和终端区的示意图；

图2为一实施例中耗尽型功率晶体管的制造方法的流程图；

图3是终端区和有源区同时进行P+注入并扩散的剖面示意图；

图4a～4g为采用图2所示方法在制造过程中耗尽型功率晶体管的剖面示意图；

图5为步骤S310完成后器件元胞整体的剖面示意图；

图6为采用图2所示方法制造出的N沟道耗尽型VDMOS的开启电压V_TH的仿真示意图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的首选实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

本文所使用的半导体领域词汇为本领域技术人员常用的技术词汇，例如对于P型和N型杂质，为区分掺杂浓度，简易地将P+型代表重掺杂浓度的P型，P型代表中掺杂浓度的P型，P-型代表轻掺杂浓度的P型，N+型代表重掺杂浓度的N型，N型代表中掺杂浓度的N型，N-型代表轻掺杂浓度的N型。

参见图1，其包括有源区100和有源区100外围的终端区200。图2为一实施例中耗尽型功率晶体管的制造方法的流程图，包括如下步骤：

S110，在晶圆正面的第一导电类型衬底上形成第一场氧层。

在本实施例中，第一导电类型为N型，相应地，第二导电类型为P型。衬底包括N+衬底层90和N+衬底层90上外延得到的N-外延层10，参见图3。本实施例中以耗尽型的平面栅型垂直双扩散金属氧化物半导体场效应管的制造过程为例进行介绍。可以理解的，本发明同样适用于制造其他类型的耗尽型功率晶体管，但传统的沟槽栅耗尽型MOSFET由于在硅片上进行沟槽刻蚀的工艺难度大，特别是在沟槽底部圆弧型形貌的刻蚀极难。采用平面工艺进行耗尽型VDMOS的制造，与沟槽型工艺相比，大大降低了工艺难度，有利于耗尽型VDMOS的制造与推广。

S120，进行第二导电类型光刻与刻蚀。

在晶圆正面涂覆光刻胶进行光刻，光刻后需要形成P+区22的位置上方的光刻胶被溶解，形成P+注入窗口，刻蚀后P+注入窗口处的第一场氧层32被刻蚀掉。

常规的增强型VDMOS是在有源区的N+注入后进行P+注入，以增大雪崩耐量EAS，防止器件发生闩锁而因电流过大导致过热而烧毁。中高压增强型场效应晶体管在制造时常常先进行终端区的P+注入和扩散，后进行有源区的P+注入和扩散，P+注入工艺步骤较多。在本实施例中，有源区在P阱注入之前与终端区同时进行P+注入和扩散，终端场限环的P+注入与元胞的P+在同一个光刻、刻蚀及注入步骤中完成，增大了器件的雪崩耐量EAS，且减少了制造的工序，能够节省制造成本。

S130，注入第二导电类型离子并扩散，在第一导电类型衬底内形成第二导电类型区。

在本实施例中，是通过P+注入窗口注入P型离子并进行热扩散，在N-外延层10内形成P+区22。图3是终端区和有源区同时进行P+注入并扩散的剖面示意图。

S140，在晶圆正面生长第二场氧层。

在晶圆正面生长厚度小于第一场氧层32的第二场氧层34。图4a为采用上述方法制造耗尽型功率晶体管的过程中步骤S140完成后器件元胞的剖面示意图。可以理解的。在生长第二场氧层34时第一场氧层32的表面同样也会生长氧化层，相当于第一场氧层32被加厚，图4a中将此省略。

S150，进行第二导电类型阱光刻和刻蚀。

在晶圆正面涂覆光刻胶41进行光刻，光刻后需要形成P阱24的位置上方的光刻胶41被溶解，形成P阱注入窗口，如图4b所示。刻蚀后P阱注入窗口处的场氧化层被刻蚀掉。

S160，注入第二导电类型离子并扩散，在第二导电类型区两侧形成第二导电类型阱。

在本实施例中，是通过P阱注入窗口注入P型离子并进行热扩散，在P+区22两侧形成P阱24。图4c是步骤S160完成后器件元胞的剖面示意图。

S170，进行耗尽层光刻与刻蚀。

在晶圆正面涂覆光刻胶43进行光刻，光刻后需要形成耗尽层25的位置上方的光刻胶43被溶解，形成耗尽层注入窗口，如图4d所示。

S180，注入第一导电类型离子并扩散，在第二导电类型区两侧形成耗尽层。

在本实施例中，是通过耗尽层注入窗口注入N型离子并进行热扩散，在P+区22的两侧的P阱24上方形成N-的耗尽层25。耗尽层25的主要作用是在功率晶体管开启时形成电流的通道；且在功率晶体管关断时由于耗尽层25的沟道很浅，易于夹断。由于P阱扩散时，在N-外延层10表面，P阱的掺杂浓度从靠近P+区22的位置向远离P+区22的位置(即从里向外)逐渐减小，故耗尽层25的厚度也从里向外逐渐变厚，如图4e所示。

如果像传统的增强型VDMOS在P阱注入与扩散后进行N+注入，然后再采用耗尽层注入工艺进行N-注入，耗尽层的沟道长度就较短，使器件在负的栅极电压下更难以夹断。故上述实施例中将N+注入调整到耗尽层N-注入后进行。上述工艺完成以后，就完成了元胞中P型离子(包括P+和P-)和耗尽层中N型离子(N-)的注入与扩散。接下来继续介绍后续的制造流程。

S210，在晶圆正面形成多晶硅栅极和多晶硅场板。

参见图4f，耗尽层25制备完毕后进行栅氧36的生长、有源区的多晶硅栅52和终端区的多晶硅场板(图4f中未示)的制备。

S220，进行第一导电类型离子的自对准注入，在第二导电类型阱内形成第一导电类型区。

以多晶硅栅极52和第二场氧层34为自对准注入的掩膜，在P阱24内形成N+区27。N+区27的结深大于耗尽层25的结深。图4g是步骤S220完成后器件元胞的剖面示意图，其中N+区27、耗尽层25及N-外延层10均为N型掺杂，因此不对其进行分界。

S230，在晶圆正面进行介质层、接触孔及正面金属层的制备。

S310，进行耗尽型功率晶体管的背面工艺。

图5是步骤S310完成后器件元胞整体的剖面示意图。

上述耗尽型功率晶体管的制造方法，利用第二场氧层作为进行第一导电类型离子的自对准注入时的掩膜，可以节省一道光刻工序。采用自对准工艺在多晶硅制备完毕后进行第一导电类型离子注入(而不是像常规的增强型功率晶体管一样在第二导电类型阱的注入与扩散后进行)，可以获得更长的耗尽层沟道长度，使器件在负的栅极电压下更易于夹断。

在其中一个实施例中，步骤S130的注入剂量为1E14cm^-2—1E15cm^-2，注入能量为60Kev—100Kev，扩散温度为1000℃—1175℃，扩散时间为90分钟—150分钟。

在其中一个实施例中，步骤S140生长的第二场氧层34的厚度为4000埃—6000埃，热生长的温度为950℃—1050℃。优选地，可以采用干氧-湿氧-干氧的工艺生长第二场氧层34。

在其中一个实施例中，步骤S160的注入剂量为3E13cm^-2—1E14cm^-2，注入能量为60Kev—80Kev，扩散温度为1100℃—1150℃，扩散时间为60分钟—150分钟。

在其中一个实施例中，步骤S180是进行N-砷离子注入。采用砷离子注入的好处是砷的扩散系数很小，这样在热扩散后耗尽层25的厚度很小，便于对耗尽型VDMOS的开关控制，使器件的开启电压V_TH易于控制。耗尽层的注入可以为带胶(光刻胶)注入，也可以去胶后进行注入。

在其中一个实施例中，步骤S180的注入剂量为1E11cm^-2—5E12cm^-2，注入能量为30Kev—80Kev，扩散温度为900℃—1000℃，扩散时间为100分钟—250分钟。

在其中一个实施例中，步骤S210的栅氧生长采用干氧-湿氧-干氧的工艺，氧化温度为800℃—1000℃。然后进行多晶硅淀积，多晶硅的N型离子(例如磷离子)扩散(或N型离子注入，例如磷离子注入)，多晶硅光刻与多晶硅刻蚀。淀积的多晶硅厚度为6000埃—10000埃，多晶硅磷扩散的扩散温度为800℃—1000℃，多晶硅的方块电阻为10Ω/□-25Ω/□。

在其中一个实施例中，步骤S220的注入剂量为5E15cm^-2—1.3E16cm^-2，注入能量为100Kev—130Kev。由于磷扩散速度较快，在其中一个实施例中，可以不用在步骤S220的注入后立即进行N+磷扩散，而是利用后续制造步骤中的高温过程进行扩散。在本实施例中，步骤S220的N+扩散的扩散温度为900℃—1000℃，扩散时间为90分钟—120分钟。

在其中一个实施例中，步骤S230淀积介质层62是采用低压化学气相淀积(LPCVD)工艺，淀积的介质层62可以为PSG(磷硅玻璃)，或USG(不掺磷的玻璃)加PSG，介质层62的总厚度为10000埃—20000埃。介质层62回流的温度为900℃—1000℃，回流的目的是使介质层62平整与致密。介质层62回流后进行接触孔光刻与刻蚀，然后进行金属溅射形成正面金属层72。

在其中一个实施例中，步骤S310具体包括晶圆的背面减薄、背面注入与背面金属化的步骤，形成背面金属层74。

图6是采用上述耗尽型功率晶体管的制造方法制造出的N沟道耗尽型VDMOS的开启电压V_TH的仿真示意图，从图中可以看出V_TH等于-2V。

上述耗尽型功率晶体管的制造方法，以N沟道耗尽型VDMOS为例对制造过程进行了介绍。对于P沟道耗尽型VDMOS，其制造原理是相同的。所用材料为P型外延片，N阱(N-)和N+区为磷注入或砷注入，P-耗尽层为硼离子注入形成。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。