专利名称：深沟槽超级pn结结构及其形成方法
技术领域：
本发明涉及半导体技术领域，跟具体地说，涉及一种深沟槽超级PN结构及其形成 方法。
背景技术：
功率MOSFET是最好的功率开关器件，以其输入阻抗高，低损耗、开关速度快、无二 次击穿、安全工作区宽、动态性能好，易与前极耦合实现大电流化、转换效率高等特性用于 处理电能，包含频率变换、功率变换和控制、DC/DC转换等。虽然功率MOS器件在功率处理 能力上已经得到了惊人的提高，但在高压领域中由于导通电阻Ron的原因，使得MOS器件的 导通损耗随耐压的提高而急速上升。为了提高耐压、降低导通损耗，一系列的新结构、新技 术应运而生。而其中用来提高功率MOS性能的超级PN结(Super Junction)技术在高压领 域的作用非常显著，吸引了大批器件供应商投入资金研发，目前已经成功开发出平面Cool MOS并且已经投入商业应用。但是传统Super Junction制备中要经过多次光刻，离子注入， 推进以及外延生长，并且传统Super Junction有接合面不均勻的缺点。图1为传统Super Junction的结构示意图。以700V功率MOS为例，N+或P+衬底 硅片101背面作为功率MOS的漏极，第一外延层102、第二外延层103、第三外延层104、第四 外延层105、第五外延层106、第六次外延层107依次沉积形成。每一次外延生长后通过光 刻、离子注入、推进形成的P+或N+结109互相连接形成超级PN结(Super Junction)，用于 功率MOS器件的有源区108。使用传统Super Junction的工艺形成的结构如图1所示，有 数个依次沉积形成的外延层堆叠形成较厚的外延层，每一个外延层中有一个P+或者N+的 结，上述这些结互相连接形成超级PN结(Super Junction) 0但是不可避免的，由于每一个 结109是单独形成，在结与结的交界面处存在弯曲起伏，不利于电荷平衡。
发明内容
为了克服传统Super Junction工艺中流程复杂以及结构上的缺点，本专利提出了 一种新的深沟槽型超级PN结(Super Junction)结构及其形成方法。根据本发明的实施例，提出一种深沟槽超级PN结结构，包括沉积在衬底上的单一厚外延层；形成在单一厚外延层中的深沟槽，深沟槽的特征尺寸为0. 4微米-6微米，深度为 10微米-80微米，角度为80度-90度；形成在深沟槽中的沿深沟槽方向的超级PN结，超级PN结为重掺杂的多晶硅；填充在深沟槽中的氧化层。在一个实施例中，超级PN结的结深为0. 2微米-8微米。在一个实施例中，衬底为N+或P+衬底；重掺杂的多晶硅为重掺杂的P型或N型多 晶硅，沉积的厚度为300A-1.0微米，且在1000°C -1200°c的温度下进行推进。根据本发明的实施例，还提出一种深沟槽超级PN结的形成方法，包括
在衬底上沉积单一厚外延层；在单一厚外延层中形成的深沟槽，深沟槽的特征尺寸为0.4微米-6微米，深度为 10微米-80微米，角度为80度-90度；在深沟槽中沿深沟槽方向推进重掺杂的多晶硅形成超级PN结；在深沟槽中填充氧化层。在一个实施例中，超级PN结的结深为0. 2微米-8微米。在一个实施例中，在衬底上沉积单一厚外延层包括在N+或P+衬底上沉积单一厚 外延层；在一个实施例中，在单一厚外延层中形成的深沟槽包括生长1000 A热氧化层； 沉积1500 A氮化硅；沉积20000 A等离子体增强氧化层；光刻、刻蚀以上三层至衬底；去 胶，并以以上三层作为硬掩模刻蚀深沟槽，并湿法腐蚀掉氮化硅表面剩余的等离子体增强
氧化层。在一个实施例中，在深沟槽中沿深沟槽方向推进重掺杂的多晶硅形成超级PN结 包括在深沟槽中沉积3000A的重掺杂的P型或N型多晶硅；在1150°C下推进200分钟，形 成沿着深沟槽方向结深；将3000A的重掺杂的P型或N型多晶硅完全氧化。在一个实施例中，在深沟槽中填充氧化层包括在深沟槽中填充氧化层并致密化； 通过化学机械研磨，以氮化硅为化学机械研磨的终止层，研磨掉氮化硅上面的氧化层；通过 热磷酸将氮化硅全剥；用氢氟酸将硅表面的热氧化层去掉。根据本发明的实施例，该结构不但可以有效地提高功率MOS管的击穿电压，大 幅降低功率MOS管的导通电阻，并且工艺简单，工艺可控性好。该结构避免了传统Super Junction工艺中的多次光刻，离子注入，推进以及外延生长，有效降低了制造成本，并且克 服了传统Super Junction接合面不均勻的缺点。
本发明的上述的以及其他的特征、性质和优势将通过下面结合附图和实施例的描 述而变得更加明显，在附图中，相同的附图标记始终表示相同的特征，其中图1揭示了根据传统Super Junction工艺得到的Super Junction结构的示意 图；图2揭示了根据本发明的深沟槽超级PN结的形成方法的流程图；图3-图6揭示了根据本发明的方案形成深沟槽超级PN结的一个实施例的工艺过程。
具体实施例方式本发明揭示了一种新型的深沟槽型超级PN结(Super Junction)以及其形成方法。该深沟槽超级PN结结构包括沉积在衬底上的单一厚外延层；形成在单一厚外延层中的深沟槽，深沟槽的特征尺寸为0. 4微米-6微米，深度为 10微米-80微米，角度为80度-90度；
形成在深沟槽中的沿深沟槽方向的超级PN结，超级PN结为重掺杂的多晶硅；填充在深沟槽中的氧化层。该超级PN结的结深为0. 2微米-8微米，衬底为N+或P+衬底，重掺杂的多晶硅为 重掺杂的P型或N型多晶硅，沉积的厚度为300A-1.0微米，且在1000°C -1200°c的温度下 进行推进。参考图2所示，本发明提出的深沟槽超级PN结的形成方法包括S101.在衬底上沉积单一厚外延层。例如，在N+或P+衬底上沉积单一厚外延层。S102.在单一厚外延层中形成的深沟槽，深沟槽的特征尺寸为0. 4微米_6微米， 深度为10微米-80微米，角度为80度-90度。该步骤具体可以包括生长1000 A热氧化 层；沉积1500 A氮化硅；沉积20000 A等离子体增强氧化层；光刻、刻蚀以上三层至衬底； 去胶，并以以上三层作为硬掩模刻蚀深沟槽，并湿法腐蚀掉氮化硅表面剩余的等离子体增 强氧化层。S103.在深沟槽中沿深沟槽方向推进重掺杂的多晶硅形成超级PN结。该超级PN 结的结深为0. 2微米-8微米。该步骤具体包括在深沟槽中沉积3000A的重掺杂的P型或 N型多晶硅；在1150°C下推进200分钟，形成沿着深沟槽方向结深；将3000A的重掺杂的P 型或N型多晶硅完全氧化。S104.在深沟槽中填充氧化层。该步骤具体包括在深沟槽中填充氧化层并致密 化；通过化学机械研磨，以氮化硅为化学机械研磨的终止层，研磨掉氮化硅上面的氧化层； 通过热磷酸将氮化硅全剥；用氢氟酸将硅表面的热氧化层去掉。参考图3-图6，图3-图6揭示了根据本发明的方案形成深沟槽超级PN结的一个 实施例的工艺过程。图3为根据本发明的一实施例的沟槽型超级PN结(Super Junction)的结构示意 图。以N+或P+衬底硅片201背面作为功率MOS的漏极。在N+或P+衬底硅片201上沉积 单一的厚外延层202。在该单一的厚外延层202中形成深沟槽206。在该深沟槽206中形 成P+或N+的超级PN结(Super Junction) 203。在深沟槽中填充氧化层204，用于功率MOS 器件的有源区205。超级PN结203由于是一次成形，而非多个单独的结结合而成，因此平面 非常均勻平滑，有利于电荷平衡，从而可以提升器件性能。本发明的结构的实现方法简单， 工艺可控性好。该结构避免了传统超级PN结(Super Junction)制备工艺中的多次光刻， 离子注入，推进以及外延生长，有效降低了制造成本，并且克服了传统Super Junction接合 面不均勻的缺点。本发明沟槽型超级PN结(Super Junction)结构的一个具体实施例的实现方法如 下(以 700V super junction 为例)首先在衬底上沉积单一厚外延层。例如，在N+或P+衬底上沉积单一厚外延层。之 后在该单一的厚外延层上形成深沟槽。参考图4所示，以形成深度为40微米的深沟槽为例 先生长1000A热氧化层，然后沉积1500A氮化硅，最后再沉积20000A等离子体增强氧化 层；光刻、刻蚀以上三种膜至硅衬底；然后去胶，并以以上三种膜作为硬掩模刻蚀40um的深 沟槽，然后湿法腐蚀掉氮化硅表面剩余的等离子体增强氧化层，形成如图4所示的结构。之后在深沟槽，比如上述的40um的深沟槽中沉积3000A的浓掺杂的P型多晶硅， 然后在1150°C推进200分钟，形成沿着深沟槽方向2 3um的P型结深；而后将3000A的浓掺杂的P型多晶硅完全氧化，形成如图5所示的结构。如要说明的是，在其他的应用中， 形成超级PN结所用的重掺杂的多晶硅可以为重掺杂的P型或N型多晶硅，沉积的厚度为 300A-1.0微米，并且可在iooo°c -1200°C的温度下进行推进。之后在深沟槽中(位于深沟槽中的超级PN结中)填充氧化层，并致密化，形成如 图5所示的结构。接着，通过化学机械研磨，以氮化硅为化学机械研磨的终止层，研磨掉氮 化硅上面的氧化层，而后通过热磷酸将氮化硅全剥，最后用氢氟酸将硅表面的热氧化层去掉。经过上述的工艺，最终形成如图3所示的结构。归纳而言，本发明沟槽型超级PN结具有下述的结构特征1)深沟槽的特征尺寸在0. 4微米 6微米，深度在10微米 80微米，角度在80
度 90度。2)超级PN结的结深在0. 2微米 8微米，为P+或者N+型结，沿着沟槽深度方向 延伸。3)具有填充于深沟槽内部的氧化层；4) P+或N+结的实施工艺如下在保留有部分硬掩模的深沟槽中沉积300 A -1.0 微米厚的P或N型重掺杂的多晶硅，然后在1000°C -1200°c下推进，形成沿着深沟槽方向均 勻的超级PN结(Super Junction)，然后将余下的多晶硅完全氧化。 上述工艺步骤中具体的数据可以根据不同的器件而有所不同。根据本发明的实施例，该结构不但可以有效地提高功率MOS管的击穿电压，大 幅降低功率MOS管的导通电阻，并且工艺简单，工艺可控性好。该结构避免了传统Super Junction工艺中的多次光刻，离子注入，推进以及外延生长，有效降低了制造成本，并且克 服了传统Super Junction接合面不均勻的缺点。上述实施例是提供给熟悉本领域内的人员来实现或使用本发明的，熟悉本领域的 人员可在不脱离本发明的发明思想的情况下，对上述实施例做出种种修改或变化，因而本 发明的保护范围并不被上述实施例所限，而应该是符合权利要求书提到的创新性特征的最 大范围。
权利要求
一种深沟槽超级PN结结构，其特征在于，包括沉积在衬底上的单一厚外延层；形成在所述单一厚外延层中的深沟槽，所述深沟槽的特征尺寸为0.4微米 6微米，深度为10微米 80微米，角度为80度 90度；形成在所述深沟槽中的沿深沟槽方向的超级PN结，所述超级PN结为重掺杂的多晶硅；填充在所述深沟槽中的氧化层。
2.如权利要求1所述的深沟槽超级PN结结构，其特征在于， 所述超级PN结的结深为0. 2微米-8微米。
3.如权利要求2所述的深沟槽超级PN结结构，其特征在于， 所述衬底为N+或P+衬底；所述重掺杂的多晶硅为重掺杂的P型或N型多晶硅，沉积的厚度为300A-1.0微米，且 在1000°C -1200°c的温度下进行推进。
4.一种深沟槽超级PN结的形成方法，其特征在于，包括 在衬底上沉积单一厚外延层；在所述单一厚外延层中形成的深沟槽，所述深沟槽的特征尺寸为0. 4微米-6微米，深 度为10微米-80微米，角度为80度-90度；在所述深沟槽中沿深沟槽方向推进重掺杂的多晶硅形成超级PN结； 在所述深沟槽中填充氧化层。
5.如权利要求4所述的深沟槽超级PN结的形成方法，其特征在于， 所述超级PN结的结深为0. 2微米-8微米。
6.如权利要求4所述的深沟槽超级PN结的形成方法，其特征在于，在衬底上沉积单一 厚外延层包括在N+或P+衬底上沉积单一厚外延层；
7.如权利要求4所述的深沟槽超级PN结的形成方法，其特征在于，在所述单一厚外延 层中形成的深沟槽包括生长1000 A热氧化层； 沉积1500 A氮化硅；沉积20000 A等离子体增强氧化层； 光刻、刻蚀以上三层至所述衬底；去胶，并以以上三层作为硬掩模刻蚀深沟槽，并湿法腐蚀掉氮化硅表面剩余的等离子 体增强氧化层。
8.如权利要求4所述的深沟槽超级PN结的形成方法，其特征在于，在所述深沟槽中沿 深沟槽方向推进重掺杂的多晶硅形成超级PN结包括在所述深沟槽中沉积3000A的重掺杂的P型或N型多晶硅； 在1150°C下推进200分钟，形成沿着深沟槽方向结深； 将3000A的重掺杂的P型或N型多晶硅完全氧化。
9.如权利要求4所述的深沟槽超级PN结的形成方法，其特征在于，在所述深沟槽中填 充氧化层包括在深沟槽中填充氧化层并致密化；通过化学机械研磨，以氮化硅为化学机械研磨的终止层，研磨掉氮化硅上面的氧化层；通过热磷酸将氮化硅全剥； 用氢氟酸将硅表面的热氧化层去掉。
全文摘要
本发明的实施例提出一种深沟槽超级PN结结构，包括沉积在衬底上的单一厚外延层；形成在单一厚外延层中的深沟槽，深沟槽的特征尺寸为0.4微米-6微米，深度为10微米-80微米，角度为80度-90度；形成在深沟槽中的沿深沟槽方向的超级PN结，超级PN结为重掺杂的多晶硅；填充在深沟槽中的氧化层。根据本发明的实施例，该结构不但可以有效地提高功率MOS管的击穿电压，大幅降低功率MOS管的导通电阻，并且工艺简单，工艺可控性好。该结构避免了传统Super Junction工艺中的多次光刻，离子注入，推进以及外延生长，有效降低了制造成本，并且克服了传统Super Junction接合面不均匀的缺点。
文档编号H01L21/04GK101937927SQ200910054260
公开日2011年1月5日 申请日期2009年7月1日 优先权日2009年7月1日
发明者邵凯, 马清杰, 龚大卫 申请人:上海先进半导体制造股份有限公司