专利名称：形成交替排列的p型和n型半导体薄层的方法
技术领域：
本发明涉及半导体集成电路领域，特别是涉及一种形成交替排列的P型和N型半导体薄层的方法。
背景技术：
超级结结构的MOSFET器件如图1所示，在硅衬底(N+硅基片)1上的外延层2内有沟槽型的具有相反导电类型填充的外延层3，该区域顶部从外向内依次被P阱区5、N+阱区6、P+注入层7包围。在两个沟槽型外延层3之间、N外延层2之上设有多晶硅4，多晶硅 4上设有层间介质8，源金属电极9覆盖整个层间介质8和外延层3。在硅衬底1的背面有背面金属电极(漏极)10。该器件主要的难点是交替排列的P型和N型半导体薄层结构的形成。该结构现有的形成工艺方法有两种参见图2所示，第一种方法是，首先在硅衬底1上生长一层外延层11，然后在外延层11中合适的位置进行注入掺杂形成离子注入区12 ；在原有的外延层11之上再生长一层外延层11，在新生长的外延层11中，与前次进行注入掺杂相同的注入位置进行注入掺杂形成离子注入区12。这样经过多次的循环外延生长和注入，直至外延13的厚度达到所需要的沟道深度。在炉管进行注入掺杂区扩散使多个离子注入区形成一完整的掺杂区14，这样完整的P (或N)型半导体薄层才算完成。该方法存在的问题是成本较高。外延和注入都是半导体制造中成本较高的工艺，特别是外延，在一般的半导体制造中一般只有一次。另外， 工艺难以控制多次的外延生长要求相同的电阻率，相同的膜质量，对工艺的稳定性方面要求较高；每次注入都要求在相同的位置，对注入的对准、精度方面都要求很高。另外一种制造工艺是首先在硅衬底31上生长一层厚的硅外延层32，然后在此硅外延层32上形成沟槽35，再用与硅外延层32有相反掺杂的硅外延33填充沟槽35 (见图 3)。填充沟槽35内的硅外延33的掺杂浓度一般是均勻的。但由于一般情况下沟槽35的底部不接触到硅衬底31 (见图3)，会导致位于沟槽35底部以下至硅衬底31以上之间的N 型硅外延层32在工作时不会被完全耗尽，将导致击穿电压的降低。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种形成交替排列的P型和N型半导体薄层的方法，使沟槽底部以下的外延层能被耗尽，提高器件的击穿电压。为解决上述技术问题，本发明的形成交替排列的P型和N型半导体薄层的方法采用的第一种技术方案是步骤一，在衬底硅片上生长一层N型外延层；步骤二，在所述N型外延层上形成沟槽；步骤三，采用硅源气体、氢气、卤化物气体和掺杂气体的混合气体在所述沟槽内进行P型硅外延生长，填充该沟槽；
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进行P型硅外延生长时，在沟槽底部侧壁的生长速率大于沟槽顶部侧壁的生长速率，且使沟槽底部的掺杂浓度高于沟槽内其余部位的掺杂浓度。本发明的形成交替排列的P型和N型半导体薄层的方法采用的第二种技术方案是步骤一，在衬底硅片上生长一层P型外延层；步骤二，在所述P型外延层上形成沟槽；步骤三，采用硅源气体、氢气、卤化物气体和掺杂气体的混合气体在所述沟槽内进行N型硅外延生长，填充该沟槽；进行N型硅外延生长时，在沟槽底部侧壁的生长速率大于沟槽顶部侧壁的生长速率，且使沟槽底部的掺杂浓度高于沟槽内其余部位的掺杂浓度。在上述两种技术方案中步骤一中所述外延层的生长厚度为1. 0-100. 0 μ m。步骤二中所述沟槽的宽度为0. 2-10. Oym,深度为0. 8-98. Oym0步骤三中所述硅外延生长的温度为800-1300摄氏度，压力为0. 01-760托。步骤三中所述硅源气体为一氯氢硅、二氯二氢硅、三氯氢硅和四氯氢硅中的至少一种。步骤三中所述卤化物气体为氯化氢和氟化氢中的至少一种。步骤三中所述掺杂气体为硼烷、磷烷和砷烷中的至少一种。现有技术中，在超级结交替的P型和N型半导体薄层形成过程中，由于沟槽底部未接触到衬底硅片，在沟槽内填充均勻掺杂反型外延，使沟槽底部以下外延层不能被完全耗尽，从而导致击穿电压的降低。采用本发明的方法可以获得在沟槽内掺杂不均勻的硅外延层，即沟槽底部的硅外延生长的掺杂浓度高，在远离沟槽底部的硅外延生长的掺杂浓度低；这样在器件工作时，沟槽两侧外延层被耗尽的同时，沟槽底部以下的外延层也被耗尽，从而可以提高器件的击穿电压。
下面结合附图与具体实施方式
对本发明作进一步详细的说明图1是超级结MOS管单元结构示意图；图2是现有的第一种交替排列的P型和N型半导体薄层制造方法示意图；图3是现有的第二种交替排列的P型和N型半导体薄层制造方法示意图；图4-8是本发明的方法制造工艺流程示意图；图9是本发明的方法工艺流程图。
具体实施例方式在进行硅外延生长填充沟槽的过程中，采用硅源气体、氢气、卤化物气体和掺杂气体的混合气体在所述沟槽内进行反型硅外延生长，填充该沟槽。由于卤化物气体对硅的刻蚀作用，则能使沟槽底部侧壁的硅外延生长速率大于沟槽顶部侧壁硅外延生长的速率。在本发明中，通过调节硅源气体和卤化物气体的流量以及其他工艺参数(例如温度，压力，氢气流量等)，使硅外延生长在沟槽底部侧壁的生长速率高于沟槽顶部侧壁的生长速率。由于沟槽底部外延生长速率高，硅外延层首先在沟槽底部生长起来；在硅外延生长过程中，通过在不同的时间段改变掺杂气体(例如硼烷)的流量或其他工艺参数(例如温度，压力，氢气流量等)使靠近沟槽底部的硅外延层的掺杂浓度高于远离沟槽底部的硅外延层的掺杂浓度。典型的做法是在硅外延生长初期，通入相对比较高的掺杂气体的流量，使外延生长初期具有高的掺杂浓度；一定时间后，降低掺杂气体的流量，使在后期生长的硅外延层具有相对低的掺杂浓度。由于硅外延生长初期形成的硅外延层靠近沟槽底部，而硅外延生长的后期形成的硅外延层远离沟槽底部，因此沟槽内填充的硅外延层从掺杂浓度上分为两层即靠近沟槽底部的下层硅外延层和远离沟槽底部的上层硅外延层。当然，硅外延生长也可以分两步进行，第一步，开始进行硅外延生长时，使沟槽底部侧壁的生长速率远大于沟槽顶部侧壁的生长速率，并形成位于沟槽内下部的下层硅外延层；第二步，经过一定时间后，使沟槽顶部侧壁的生长速率接近沟槽底部侧壁的生长速率，并形成位于沟槽内上部的上层硅外延层；下层硅外延层的掺杂浓度高于上层外延层的掺杂浓度。设沟槽的宽度为m，沟槽之间的间距为w，槽底部距衬底硅片的距离为t2 ；上层硅外延层的平均厚度为tl，下层硅外延层的掺杂浓度为xl，上层硅外延层的掺杂浓度为 x2(参见图6-8)；根据超级结原理，上述参数应满足关系式xl/x2= l+mt2/wtl。优选地， tl/t2 = m/w 且 xl = 2x2。下面结合图9，通过以下实施例对本发明作进一步的说明实施实例1采用具有高掺杂的N型杂质衬底硅片51。在该衬底硅片51上生长低掺杂的N型厚外延层52 (参见图4)，外延层52的厚度在40. 0 μ m-50. 0 μ m之间。在外延层52的上表面生长一层或几层氧化硅作为沟槽刻蚀的掩膜，在外延层52中刻蚀出深度为35. 0-50. Oym 的沟槽55(参见图5)。沟槽刻蚀后氧化硅掩膜可以去除也可以保留。如果保留氧化硅掩膜，在后续的硅外延生长填充沟槽55的过程中，通过调整硅源流量和卤化物气体流量的比例，可以达到硅不在氧化硅表面上生长的效果。沟槽55刻蚀后，用P型硅外延生长工艺填充沟槽55。用P型硅外延生长工艺填充沟槽55时，采用硅源气体、氢气、卤化氢气体和掺杂气体的混合气体在沟槽55内进行外延生长。不同的硅源气体，应采用不同的生长温度和不同的压力含氯越高的硅源气体，反应温度应越高，压力也应相应升高，否则容易有晶格缺陷产生。调节硅源气体和卤化氢气体流量的比列以及其他工艺参数，使硅外延生长在沟槽55 底部侧壁的生长速率快，在沟槽55顶部侧壁的生长速率慢。在硅外延生长初期，通入高的掺杂气体的流量，使初始形成的外延层具有高的掺杂浓度(参见图6)；随后降低掺杂气体的流量，使其在后期形成的外延层具有低的掺杂浓度(参见图7)。完全填充沟槽55后，由于外延的过剩生长，沟槽55处的表面高度一般会高于其他地方，所以最后用化学机械研磨方法对硅片表面进行平坦化(参见图8)。深沟槽刻蚀的掩膜所用的氧化硅膜可以高温氧化形成，也可以是CVD淀积形成， 还可以二者兼有。掩膜还可以是氮化物膜，氮氧化物膜，或者是氧化物膜、氮化物膜和氮氧化物膜中的两种或三种。沟槽刻蚀后P型硅外延生长前掩膜可以是全部保留，也可以是部分保留，还可以全部不保留。
若P型硅外延生长时有硬掩膜保留，则此硬掩膜可以在外延后去除，也可以保留到化学机械研磨，作为化学机械研磨的阻挡层，在化学机械研磨后去除。实施实例2采用具有高掺杂的N型杂质衬底硅片51，在此衬底硅片51上生长低掺杂的N型厚外延层52 (参见图4)，外延层52的厚度在40. 0 μ m-50. 0 μ m之间。在外延层52的上表面生长一层或几层氧化硅作为沟槽刻蚀的掩膜，在外延层52中刻蚀出深度为35. 0-50. 0 μ m 沟槽55 (参见图5)。沟槽刻蚀后氧化硅掩膜可以去除也可以保留。如果保留氧化硅掩膜，在后续的硅外延生长填充沟槽55的过程中，通过调整硅源流量和卤化物气体流量的比例，可以达到硅不在氧化硅表面上生长的效果。沟槽55刻蚀后，用P型硅外延生长工艺填充沟槽55。用P型硅外延生长工艺填充沟槽55时，采用硅源气体、氢气、卤化氢气体和掺杂气体的混合气体在沟槽55内进行外延生长。不同的硅源气体，应采用不同的生长温度和不同的压力含氯越高的硅源气体，反应温度应越高，压力也应相应升高，否则容易有晶格缺陷产生。调节硅源气体和卤化氢气体流量的比列以及其他工艺参数，使硅外延生长初期外延膜在沟槽55底部侧壁的生长速率显著高于沟槽55顶部侧壁，且通入高的掺杂气体的流量， 使其在沟槽55底部形成的外延层具有高的掺杂浓度(参见图6)；随后调整硅源气体和卤化物气体的流量，提高沟槽55顶部侧壁外延的生长速率，同时降低掺杂气体的流量，使其在后期形成的远离沟槽底部的外延层具有低的掺杂浓度(参见图7)。完全填充沟槽55后， 由于外延的过剩生长，沟槽55处的表面高度一般会高于其他地方，所以最后用化学机械研磨方法对硅片表面进行平坦化(参见图8)。深沟槽刻蚀的掩膜所用的氧化硅膜可以高温氧化形成，也可以是CVD淀积形成， 还可以二者兼有。掩膜还可以是氮化物膜、氮氧化物膜，或者是氧化物膜、氮化物膜和氮氧化物膜中的两种或三种。沟槽刻蚀后硅外延生长前掩膜可以是全部保留，也可以是部分保留，还可以全部不保留。若外延生长时有硬掩膜保留，则此硬掩膜可以在外延后去除，也可以保留到化学机械研磨，作为化学机械研磨的阻挡层，在化学机械研磨后去除。实施实例3采用具有高掺杂的N型杂质衬底硅片51，在该衬底硅片51上生长低掺杂的N型厚外延层52 (参见图4)，外延层52的厚度在40. 0 μ m-50. 0 μ m之间。在外延层52的上表面生长一层或几层氧化硅膜，该氧化硅膜可以避免后续的硅外延填充时硅外延在沟槽表面生长，防止沟槽在填充过程中过早的封口，从而降低沟槽填充的难度。用光刻胶作为沟槽刻蚀的掩膜，在外延层52中刻蚀出深度为35. 0-50. Oym的沟槽55 (参见图5)。沟槽55刻蚀后去除光刻胶。用P型硅外延生长工艺填充沟槽55。用P型硅外延生长工艺填充沟槽55时，采用硅源气体、氢气、卤化物气体和掺杂气体的混合气体进行外延生长。通过调整硅源气体流量和卤化物气体流量的比例，可以达到硅不在氧化硅表面上生长的效果。不同的硅源气体，应采用不同的生长温度和不同的压力含氯越高的硅源气体，反应温度应越高，压力也应相应升高，否则容易有晶格缺陷产生。 调节硅源气体和商化氢气体流量的比列以及其他工艺参数，使硅外延在沟槽底部生长速率快，在沟槽顶部生长速率慢。在硅外延生长初期，通入高的掺杂气体的流量，使初始形成的外延层具有高的掺杂浓度(参见图6)；随后降低掺杂气体的流量，使其在后期形成的外延层具有低的掺杂浓度(参见图7)。在完全填充沟槽55后，由于外延的过剩生长，沟槽55 处的表面高度一般会高于其他地方，所以最后用化学机械研磨方法对硅片表面进行平坦化 (参见图8)。沟槽55表面的氧化硅膜可以高温氧化形成，也可以是CVD淀积形成，还可以二者兼有。氧化硅膜还可以被氮化物膜、氮氧化物膜，或者是氧化物膜、氮化物膜和氮氧化物膜中的一种、两种或三种代替。沟槽外延填充后氧化物膜、氮化物膜或氮氧化物膜可以去除， 也可以保留到化学机械研磨，作为化学机械研磨时的阻挡层。实施实例4采用具有高掺杂的N型杂质衬底硅片51，在该衬底硅片51上生长低掺杂的N型厚外延层(参见图4)，外延层的厚度在40.0 μ m-50. Oym之间。在外延层52的上表面生长一层或几层氧化硅膜，该氧化硅膜可以避免后续的硅外延填充时硅外延在沟槽表面生长，防止沟槽在填充过程中过早的封口，从而降低沟槽填充的难度。用光刻胶作为沟槽刻蚀的掩膜，在外延层52中刻蚀出深度为35. 0-50. 0 μ m沟槽55 (参见图5)。沟槽55刻蚀后去除光刻胶。用P型硅外延生长工艺填充沟槽55。用P型硅外延生长工艺填充沟槽55时，采用硅源气体、氢气、卤化氢气体和掺杂气体的混合气体进行外延生长。不同的硅源气体，应采用不同的生长温度和不同的压力 含氯越高的硅源气体，反应温度应越高，压力也应相应升高，否则容易有晶格缺陷产生。调节硅源气体和商化氢气体流量的比列以及其他工艺参数，使硅外延生长初期外延膜在沟槽 55底部侧壁的生长速率显著高于沟槽55顶部侧壁，且通入高的掺杂气体的流量，使其在沟槽底部形成的外延层具有高的掺杂浓度(参见图6)；随后调整硅源气体和卤化氢气体的流量，提高沟槽顶部侧壁外延的生长速率，同时降低掺杂气体的流量，使其在后期形成的远离沟槽底部的外延层具有低的掺杂浓度(参见图7)。完全填充沟槽后，由于外延的过剩生长， 沟槽55处的表面高度一般会高于其他地方，所以最后用化学机械研磨方法对硅片表面进行平坦化(参见图8)。深沟槽刻蚀的掩膜所用的氧化硅膜可以高温氧化形成，也可以是CVD淀积形成， 还可以二者兼有。掩膜还可以是氮化物膜、氮氧化物膜，或者是氧化物膜、氮化物膜和氮氧化物膜中的两种或三种。沟槽刻蚀后硅外延生长前掩膜可以是全部保留，也可以是部分保留，或者全部不保留。若外延生长时有硬掩膜保留，则此硬掩膜可以在外延后去除，也可以保留到化学机械研磨，作为化学机械研磨的阻挡层，在化学机械研磨后去除。实施实例5采具有高掺杂的N型杂质衬底硅片51，在该衬底硅片51上生长低掺杂的N型厚外延层52 (参见图4)，外延层52的厚度在40. 0 μ m-50. 0 μ m之间。用光刻胶作为沟槽刻蚀的掩模，然后在外延层52中刻蚀出深度为35. 0-50. 0 μ m沟槽55 (参见图5)。沟槽55刻蚀后去除光刻胶。采用硅源气体、氢气、卤化氢气体和掺杂气体(P型)的混合气体进行外延生长。不同的硅源气体，应采用不同的生长温度和不同的压力含氯越高的硅源气体，反应温度应越高，压力也应相应升高，否则容易有晶格缺陷产生。调节硅源气体和卤化氢气体流量的比列以及其他工艺参数，使硅外延在沟槽底部生长速率快，在沟槽顶部生长速率慢。在硅外延生长初期，通入高的掺杂气体的流量，使初始形成的外延层具有高的掺杂浓度(参见图6)；随后降低掺杂气体的流量，使其在后期形成的外延层具有低的掺杂浓度(参见图7)。在完全沟槽填充后，由于外延的过剩生长，沟槽处的表面高度一般会高于其他地方，所以最后用化学机械研磨方法对硅片表面进行平坦化(参见图8)。实施实例6采具有高掺杂的N型杂质衬底硅片51，在该衬底硅片51上生长低掺杂的N型厚外延层52 (参见图4)，外延层52的厚度在40.0μπι-50.0μπι之间。用光刻胶作为沟槽刻蚀的掩模，然后在外延层52中刻蚀出深度为35. 0-50. 0 μ m沟槽55 (参见图5)。沟槽刻蚀后去除光刻胶。采用硅源气体、氢气、卤化氢气体和掺杂气体(P型)的混合气体进行外延生长。不同的硅源气体，应采用不同的生长温度和不同的压力含氯越高的硅源气体，反应温度应越高，压力也应相应升高，否则容易有晶格缺陷产生。调节硅源气体和卤化氢气体流量的比列以及其他工艺参数，使硅外延生长初期外延膜在沟槽底部侧壁的生长速率显著高于沟槽顶部侧壁，且通入高的掺杂气体的流量，使其在沟槽底部形成的外延层具有高的掺杂浓度(参见图6)；随后调整硅源气体和卤化氢气体的流量，提高沟槽顶部侧壁外延的生长速率，同时降低掺杂气体的流量，使其在后期形成的远离沟槽底部的外延层具有低的掺杂浓度(参见图7)。在完全沟槽填充后，由于外延的过剩生长，沟槽处的表面高度一般会高于其他地方，所以最后用化学机械研磨方法对硅片表面进行平坦化(参见图8)。上述实施例中硅外延层52也可以是P型，则相应硅外延填充应是N型。上述实施例中沟槽深度以及硅外延层52的表述仅作为典型实施例说明用，不代表本专利所保护的范围；沟槽深度在35. 0-50. Oym之外的沟槽和外延层52厚度在 40. 0-50. Oym之外的外延层也在本专利的保护之列。上述实施例中沟槽内外延层的不同掺杂浓度的获得也可通过其他方法，例如温度、压力、硅源气体的流量等。只要是沟槽内外延层掺杂浓度呈梯度不均勻分布，即沟槽底部掺杂浓度高，沟槽其他部分掺杂浓度低，则都在本发明的保护范围之内。以上通过具体实施例对本发明进行了详细的说明，但这些并非构成对本发明的限制。在不脱离本发明原理的情况下，本领域的技术人员还可做出许多变形和改进，这些也应视为本发明的保护范围。
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权利要求
1.一种形成交替排列的P型和N型半导体薄层的方法，其特征在于，包括如下步骤步骤一，在衬底硅片上生长一层N型外延层；步骤二，在所述N型外延层上形成沟槽；步骤三，采用硅源气体、氢气、商化物气体和掺杂气体的混合气体在所述沟槽内进行P 型硅外延生长，填充该沟槽；进行P型硅外延生长时，在沟槽底部侧壁的生长速率大于沟槽顶部侧壁的生长速率， 且使沟槽底部的掺杂浓度高于沟槽内其余部位的掺杂浓度。
2.一种形成交替排列的P型和N型半导体薄层的方法，其特征在于，包括如下步骤步骤一，在衬底硅片上生长一层P型外延层；步骤二，在所述P型外延层上形成沟槽；步骤三，采用硅源气体、氢气、商化物气体和掺杂气体的混合气体在所述沟槽内进行N 型硅外延生长，填充该沟槽；进行N型硅外延生长时，在沟槽底部侧壁的生长速率大于沟槽顶部侧壁的生长速率， 且使沟槽底部的掺杂浓度高于沟槽内其余部位的掺杂浓度。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于还包括步骤四，用化学机械研磨对沟槽表面进行平坦化。
4.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于步骤一中所述外延层的生长厚度为 1. 0-100. 0 μ m。
5.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于步骤二中所述沟槽的宽度为 0. 2-10. Oym,深度为0. 8-98. 0 μ M,且沟槽的深度小于步骤一中外延层的厚度。
6.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于步骤三中所述硅外延生长的温度为 800-1300摄氏度，压力为0. 01-760托。
7.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于步骤三中所述硅源气体为一氯氢硅、二氯二氢硅、三氯氢硅和四氯氢硅中的至少一种。
8.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于步骤三中所述卤化物气体为氯化氢和氟化氢中的至少一种。
9.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于步骤三中所述掺杂气体为硼烷、磷烷和砷烷中的至少一种。
10.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于步骤三中在所述沟槽内进行的硅外延生长分两步实施，Α、开始进行硅外延生长时，使沟槽底部侧壁的生长速率远大于沟槽顶部侧壁的生长速率，并形成位于沟槽内下部的下层硅外延层；B、经过一定时间后，使沟槽顶部侧壁的生长速率接近沟槽底部侧壁的生长速率，并形成位于沟槽内上部的上层硅外延层； 下层硅外延层的掺杂浓度高于上层外延层的掺杂浓度。
11.如权利要求10所述的方法，其特征在于设沟槽的宽度为m，沟槽之间的间距为w， 沟槽底部距衬底硅片的距离为t2 ；上层硅外延层的平均厚度为tl，下层硅外延层的掺杂浓度为xl，上层硅外延层的掺杂浓度为x2 ；则xl/x2 = l+mt2/wtl ；优选地，tl/t2 = m/w且 xl = 2x2。
全文摘要
本发明公开了一种形成交替排列的P型和N型半导体薄层的方法，在衬底硅片上生长一层外延层；在所述外延层上形成沟槽；采用硅源气体、氢气、卤化物气体和掺杂气体的混合气体在所述沟槽内进行反型硅外延生长，填充该沟槽；进行硅外延生长时，在沟槽底部侧壁的生长速率大于沟槽顶部侧壁的生长速率，且使沟槽底部的掺杂浓度高于沟槽内其余部位的掺杂浓度。本发明能使沟槽底部以下的外延层被耗尽，提高器件的击穿电压。适用于超级结MOS器件。
文档编号H01L21/18GK102254796SQ20101018011
公开日2011年11月23日 申请日期2010年5月20日 优先权日2010年5月20日
发明者刘继全, 肖胜安 申请人:上海华虹Nec电子有限公司