一种非均匀超结结构的制作方法
【专利摘要】本发明涉及半导体工艺制造【技术领域】，具体的说是涉及一种非均匀超结结构的制作方法。本发明的方法为通过对体硅刻蚀之前淀积的光刻胶进行处理，采用多张掩膜板多次叠加曝光，使得待刻蚀区域的光刻胶具有不同的厚度。在随后进行体硅刻蚀中，光刻胶越薄的区域，刻蚀深度越深，因而可以得到深度非均匀的超结结构。本发明的有益效果为，通过不同掩膜板和不同曝光量的结合，可以灵活地形成各种不同深度的超结结构，工艺步骤简单，成本较低。本发明尤其适用于非均匀超结结构的制作。
【专利说明】一种非均匀超结结构的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于半导体工艺制造【技术领域】，具体的说是涉及一种非均匀超结结构的制 作方法。
【背景技术】
[0002] 具有超结结构的功率M0SFET是当代重要的功率器件之一。通过在传统M0SFET的 轻掺杂漂移区引入掺杂较高的交错排列的N型柱和P型柱，当器件工作在阻断情况下时，根 据电荷平衡理论，N型柱和P型柱完全耗尽，漂移区就相当于一个本征层，则击穿电压就只 和漂移区的深度有关而与掺杂浓度无关。即在相同的击穿电压下，可以增加超结M0SFET漂 移层的掺杂浓度，降低其导通电阻，从而大大改善了击穿电压和导通电阻之间的矛盾关系， 使得其在功率系统中获得了广泛的应用。
[0003] 通常的超结结构中为了工艺制备的简便，元胞区和终端区的P型柱深度都是均匀 的。但为了实现更高的终端耐压，更高的UIS能力等，一些具有非均匀P型柱深度的超结结 构被提出来。例如：
[0004] 申请号为 20110101446A1 的美国专利 staggered columnsuperjunction 中，公开 的技术方案为元胞区超结结构由两种不同深度的P型半导体和N型半导体交错排列，终端 区P型半导体与元胞区较深的P型半导体深度一样。这样的器件结构在降低元胞区耐压的 同时，也降低了元胞区的导通电阻，并且由于终端区的耐压较元胞区高，使得雪崩击穿发生 在器件的元胞区，提高了器件的ns能力。
[0005] 申请号为 20120061721A1 的美国专利 power semiconductor device and methodof manufacturing the same中，提出两层漂移区的超结结构，在第一层漂移区中， 仅元胞区有超结结构，终端区则没有，在第二层漂移区中，元胞区和终端区均有超结结构， 耐压由两层漂移区的厚度和浓度共同决定。由于第一层漂移区中，终端区仅为低掺杂的 N-区，与第一层漂移区中元胞区超结结构相比，对工艺的变化有更好的稳定性，而元胞区超 结结构会由于工艺的影响而不能完全满足电荷平衡，使得元胞区耐压低于终端区，从而雪 崩击穿会发生在元胞区，提高了器件的可靠性。
[0006] 申请号为 20120061721A1 的美国专利 method of manufacturing a superjunction device中，提出终端区超结结深比元胞区超结结深更深的超结结构，使得 终端区的耐压高于元胞区，从而雪崩击穿发生在元胞区，提高了器件的可靠性。
[0007] 目前制备非均匀超结结构的方法总结起来大致有两种。第一种，多次外延生长 和离子注入交替进行的方法，如申请号为20110101446A1的美国专利，staggered column super junction中提出的方法，第一步，在N+衬底上生长一层N-外延层，然后对需要形成 较深P型半导体超结结构的位置进行离子注入，第二步，生长一层外延层，对所有要形成P 型半导体超结结构的位置进行离子注入，重复第二步，直至达到所需的外延厚度，例如3-5 次，然后进行热过程，得到非均匀的超结结构。第二种，多次刻蚀形成不同的结深，再外延生 长填充P型半导体，如申请号为20120061721A1的美国专利method of manufacturing a super junction device中，在N+衬底上生长一层N-外延层，然后进行两次刻蚀工艺，即终 端区和元胞区的超结刻蚀分开，从而可以得到终端区的超结深度大于元胞区的超结深度。
[0008] 以上两种方法均有比较明显的缺点，第一种方法需要较多的工艺步骤；第二种方 法对不同深度的超结结构需要分别进行刻蚀，当要形成的P柱深度在两种以上时，刻蚀次 数多，增加了工艺复杂性，也提高了成本。
【发明内容】
[0009] 本发明的目的，就是针对上述问题，提出工艺步骤简单的一种非均匀超结结构的 制作方法。
[0010] 本发明的技术方案是，一种非均匀超结结构的制作方法，其特征在于，包括以下步 骤：
[0011] 第一步：制备N+衬底1，在N+衬底1上层生成N-外延层2,在N-外延层2上表面 淀积硬掩膜层3 ;
[0012] 第二步：采用光刻刻蚀工艺，在所有需要制作P型柱的区域刻蚀掉硬掩膜层3 ;具 体方法为：在硅片表面淀积正性光刻胶，采用第一掩膜板01进行光刻显影后再刻蚀硬掩膜 层3 ;其中，第一掩膜板01上有多个透光的矩形图形区域，将硬掩膜层3对应刻蚀掉多个矩 形区；
[0013] 第三步：在N-外延层2上表面淀积正性光刻胶4 ;
[0014] 第四步：采用多次曝光工艺，对需要制作P型柱的区域进行曝光；具体方法为：采 用第二掩膜板02进行第一次曝光，曝光剂量为J1 ;采用第三掩膜板进行第二次曝光，曝光 剂量为J2 ;其中第二掩膜板02上有多个透光的矩形图形区域，第三掩膜板03上有多个透 光的矩形图形区域，第二掩膜板02与第三掩膜板03上的矩形图形区域数量之和等于第一 掩膜板01上矩形图形区域数量，且第二掩膜板02与第三掩膜板03上的矩形图形区域位置 与第一掩膜板01上矩形图形区域位置一一重叠对应，J1不等于J2 ;
[0015] 第五步：进行显影处理，去除部分光刻胶；
[0016] 第六步：采用刻蚀工艺，依次刻蚀正性光刻胶4和N-外延层2,在N-外延层2中 形成多个深度不同的深槽；
[0017] 第六步：外延生长P型硅5,对形成的多个深槽进行填充，形成多个P型柱区。
[0018] 具体的，所述第一掩膜板01中有4个的透光的矩形图形区域，分别为第一矩形图 形区A、第二矩形图形区B、第三矩形图形区C和第四矩形图形区D，将硬掩膜层3对应刻蚀 出第一矩形区E、第二矩形区F、第三矩形区G和第四矩形区Η ;所述第二掩膜板02中有2个 透光的矩形图形区域，分别为第五矩形图形区Β1、第六矩形图形区D1，其中第五矩形图形 区Β1、第六矩形图形区D1分别与第二矩形图形区Β和第四矩形图形区D的位置重叠对应； 所述第三掩膜板03中有2个的透光的矩形图形区域，分别为第七矩形图形区C2、第八矩形 图形区D2,其中第七矩形图形区C2、第八矩形图形区D2分别与第三矩形图形区C和第四矩 形图形区D的位置重叠对应；在经过曝光显影处理后，在第一矩形区Ε、第二矩形区F、第三 矩形区G和第四矩形区Η中残留的正性光刻胶4厚度分别为Τ、?\、Τ 2和Τ3 ;刻蚀后第一矩 形区Ε、第二矩形区F、第三矩形区G和第四矩形区Η中形成的沟槽深度分别为(^、(^、(^、山； 假设显影去除的光刻胶厚度与曝光剂量的比值为s :1，体硅刻蚀时Si与光刻胶的刻蚀选择 比为a :1，则正性光刻胶厚度、第一次曝光剂量Λ、第二次曝光剂量J2及形成的P型柱的深 度屯、d2、d3、d4有以下关系：
[0019] T-L = sj\ = (d「d2)/a，Τ_Τ2 = sj2 = (d「d3)/a，Τ_Τ3 = sQ^+J^) = (d「d4)/a。
[0020] 本发明的有益效果为，通过不同掩膜板和不同曝光量的结合，可以灵活地形成各 种不同深度的超结结构，工艺步骤简单，成本较低。
【专利附图】
【附图说明】
[0021] 图1是实施例中经过了工艺步骤1后器件的剖面结构示意图；
[0022] 图2是实施例中工艺步骤2中所采用的掩膜板01的俯视图；
[0023] 图3是实施例中经过了工艺步骤2后器件的剖面结构示意图；
[0024] 图4是实施例中经过了工艺步骤3后器件的剖面结构示意图；
[0025] 图5是实施例中工艺步骤4中所采用的掩膜板02的俯视图；
[0026] 图6是实施例中工艺步骤4中所采用的掩膜板03的俯视图；
[0027] 图7是实施例中经过了工艺步骤4、5后器件的剖面结构示意图；
[0028] 图8是实施例中经过了工艺步骤6后器件的剖面结构示意图；
[0029] 图9是实施例中经过了工艺步骤7后器件的剖面结构示意图；
[0030] 图10是实施例中经过了工艺步骤8后器件的剖面结构示意图。
【具体实施方式】
[0031] 下面结合附图和实施例对本发明的【具体实施方式】进行描述
[0032] 本发明通过对体硅刻蚀之前淀积的光刻胶进行处理，采用多张掩膜板多次叠加曝 光，使得待刻蚀区域的光刻胶具有不同的厚度。在随后进行体硅刻蚀中，光刻胶越薄的区 域，刻蚀深度越深，因而可以得到深度非均匀的超结结构。而光刻胶之下的Si 3N4或Si02硬 掩膜保证了光刻胶被刻蚀完后，N柱区不会受到体硅刻蚀的影响。
[0033] 实施例：
[0034] 以N沟道超结M0SFET为例，说明本发明的实施方案，本例中制备四种不同P柱深 度的超结结构（5a、5b、5c、5d)，其深度依次为屯、d 2、d3、d4,且满足(^〈(^〈(^〈^，具体工艺步 骤如下，
[0035] 步骤1 :在位于N+衬底1之上的N-外延层2顶部淀积一层Si3N4或Si02作为体硅 刻蚀的硬掩膜层3,如图1所示；
[0036] 步骤2 :先光刻显影再刻蚀硬掩膜层3,在所有需要制作P型柱的区域刻蚀掉硬掩 膜层3,光刻采用正性光刻胶，所采用的掩膜版01示意图如图2所示，其中图形A、B、C、D分 别对应P柱区5a、5b、5 C、5d，刻蚀后的结构如图3所示，在硬掩膜层3中形成E、F、G、H区 域；
[0037] 步骤3 :在硅片表面淀积厚度为T的正性光刻胶4,如图4所示；
[0038] 步骤4 :采用图5所示的掩膜板02进行曝光剂量为1的第一次曝光，再采用图6 所示的掩膜板03进行曝光剂量为J2的第二次曝光，曝光剂量J 2大于曝光剂量Λ，且掩膜版 02上的图形区B1、D1应分别与掩膜版01上的图形区B、D对准且重叠，掩膜版03上的图形 区C2、D2应分别与掩膜版01上的图形区C、D对准且重叠；
[0039] 步骤5 :显影，由于曝光剂量越大的区域光刻胶被溶解越多，因此在不同的区域残 留的光刻胶厚度不同，F区、G区和Η区的残余光刻胶厚度分别为?\、T 2、T3，如图7所示；
[0040] 步骤6 :进行体硅刻蚀，刻蚀气体首先腐蚀光刻胶4,再刻蚀体硅2 ;由于光刻胶4 在不同区域的厚度不同，将刻蚀形成深度不同的深槽结构，其深度分别为屯、^、d3、d 4，如图 8所示；
[0041] 步骤7 :外延生长P型硅5,对刻蚀形成的深槽进行填充，填充完成之后对硅片表面 进行化学机械抛光处理，去除多余的P型硅及硬掩膜层，最后生成的结构如图9所示；
[0042] 步骤8 :在表面淀积一层氧化层11，采用有源区掩模板，刻蚀出有源区，生长栅氧 化层，然后进行多晶硅8淀积，采用多晶硅掩模板，刻蚀多晶硅8 ;
[0043] 步骤9 :Pbody区6注入、推结，源区N+9注入，Pbody区P+10注入；
[0044] 步骤10 :完成包括接触孔刻蚀、金属化源极7和漏极12在内的后续工艺，如图10 所示。
[0045] 假设显影去除的光刻胶厚度与曝光剂量的比值为s :1，体硅刻蚀时Si与光刻胶的 刻蚀选择比为a :1，则正性光刻胶厚度、第一次曝光剂量Λ、第二次曝光剂量J2及P柱的深 度屯、d2、d 3、d4应满足以下关系：
[0046] T-L = sj\ = (d「d2)/a，T-T2 = sj2 = (d「d3)/a，T-T3 = sQ^+J^) = (d「d4)/a。
[0047] 本发明也可以应用于P沟道超结器件的制造。
[0048] 本发明同样适用于超结DIODE和超结IGBT的制造。
[0049] 需要进行说明的是，步骤3中正性光刻胶的厚度，步骤4中掩膜板的数量，掩膜板 的图形以及步骤4中每张掩膜板光刻的曝光量，应根据实际情况进行调整。通过不同掩膜 板和不同曝光量的结合，可以灵活地形成各种不同结深的超结结构。以本发明中以3张不 同的掩膜板01，02,03为例，其中掩膜板01用于所有需要制作超结结构的区域，掩膜板02， 03用于形成非均匀的超结结构，假设掩膜板02光刻的曝光量为Λ，掩膜板光刻03的曝光 量为J 2，并且Λ尹J2，则采用掩膜板02和03叠加曝光后有四种不同的曝光剂量，分别是 J1+J2, Ji，J2,0,即最多可以制备22 = 4种不同P柱深度的超结结构；同理，如果在本发明中 采用4张不同图形的掩膜板，并且每张掩膜板光刻的曝光量都不同，则最多可以制备2 3 = 8 种不同P柱深度的超结结构。继而可以推广到n(n> 2)张不同图形的掩膜板的情形，假设 每张掩膜板光刻的曝光量都不同，则最多可以制备2η4种不同P柱深度的超结结构；而如果 采用多次分别挖槽的方法，则需要采用2- 1张掩膜版，并进行2-1次光刻和深槽刻蚀。
【权利要求】
1. 一种非均匀超结结构的制作方法，其特征在于，包括以下步骤： 第一步：制备N+衬底（1)，在N+衬底（1)上层生成N-外延层（2)，在N-外延层⑵上 表面淀积硬掩膜层（3); 第二步：采用光刻刻蚀工艺，在所有需要制作P型柱的区域刻蚀掉硬掩膜层（3);具体 方法为：在硅片表面淀积正性光刻胶，采用第一掩膜板（01)进行光刻显影后再刻蚀硬掩膜 层（3);其中，第一掩膜板（01)上有多个透光的矩形图形区域，将硬掩膜层（3)对应刻蚀掉 多个矩形区； 第三步：在N-外延层（2)上表面淀积正性光刻胶（4); 第四步：采用多次曝光工艺，对需要制作P型柱的区域进行曝光；具体方法为：采用第 二掩膜板（02)进行第一次曝光，曝光剂量为J1 ;采用第三掩膜板进行第二次曝光，曝光剂 量为J2 ;其中第二掩膜板（02)上有多个透光的矩形图形区域，第三掩膜板（03)上有多个 透光的矩形图形区域，第二掩膜板（02)与第三掩膜板（03)上的矩形图形区域数量之和等 于第一掩膜板（01)上矩形图形区域数量，且第二掩膜板（02)和第三掩膜板（03)上的矩形 图形区域位置与第一掩膜板（01)上矩形图形区域位置一一重叠对应；J1不等于J2 ; 第五步：进行显影处理，去除部分正性光刻胶（4); 第六步：采用刻蚀工艺，依次刻蚀正性光刻胶（4)和N-外延层（2)，在N-外延层（2)中 形成多个深度不同的深槽； 第六步：外延生长P型硅（5)，对形成的多个深槽进行填充，形成多个P型柱区。
2. 根据权利要求1所述的一种非均匀超结结构的制作方法，其特征在于，所述第一掩 膜板（01)中有4个的透光的矩形图形区域，分别为第一矩形图形区A、第二矩形图形区B、 第三矩形图形区C和第四矩形图形区D，将硬掩膜层（3)对应刻蚀出第一矩形区E、第二矩 形区F、第三矩形区G和第四矩形区Η ;所述第二掩膜板（02)中有2个透光的矩形图形区 域，分别为第五矩形图形区Β1、第六矩形图形区D1，其中第五矩形图形区Β1、第六矩形图形 区D1分别与第二矩形图形区Β和第四矩形图形区D的位置重叠对应；所述第三掩膜板（03) 中有2个的透光的矩形图形区域，分别为第七矩形图形区C2、第八矩形图形区D2,其中第七 矩形图形区C2、第八矩形图形区D2分别与第三矩形图形区C和第四矩形图形区D的位置重 叠对应；在经过曝光显影处理后，在第一矩形区Ε、第二矩形区F、第三矩形区G和第四矩形 区Η中残留的正性光刻胶（4)厚度分别为Τ、?\、Τ 2和Τ3 ;刻蚀后第一矩形区Ε、第二矩形区 F、第三矩形区G和第四矩形区Η中形成的沟槽深度分别为屯、d2、d3、d4 ;假设显影去除的光 刻胶厚度与曝光剂量的比值为s :1，体硅刻蚀时Si与光刻胶的刻蚀选择比为a :1，则正性 光刻胶厚度、第一次曝光剂量Λ、第二次曝光剂量J2及形成的P型柱的深度屯、d2、d 3、d4有 以下关系： T-Ti = sj\ = (dfdj/a，T-T2 = sj2 = (dfdj/a，T-T3 = sQ^+J^) = (dfdj/a。
【文档编号】H01L21/336GK104091763SQ201410323375
【公开日】2014年10月8日 申请日期:2014年7月7日 优先权日:2014年7月7日
【发明者】任敏, 王为, 姚鑫, 韩天宇, 杨珏琳, 牛博, 李泽宏, 张金平, 高巍, 张波 申请人:电子科技大学