一种N沟道耗尽型VDMOS器件及其制作方法与流程

本发明涉及微电子技术领域。更具体地，涉及一种n沟道耗尽型vdmos器件及其制作方法。

背景技术：

垂直双扩散金属-氧化物半导体场效应晶体管(verticaldouble-diffusionmetaloxide，vdmos)器件具有高的输入阻抗、高的开关速度、宽的安全工作区以及很好的热稳定性等特点，目前已经广泛应用于汽车电子、移动通信、雷达、马达驱动、开关电源、节能灯等多种领域。

vdmos主要分为两大类：增强型vdmos和耗尽型vdmos。这两类vdmos适用于不同电路的供电形式和开关要求。目前市场上的vdmos产品以增强型vdmos产品为主流，关于其工艺和结构的研究报道相对较多，而耗尽型vdmos产品的研究则进展较为缓慢。但是耗尽型vdmos产品仍有一定的市场需求，特别是n沟道耗尽型vdmos，其在空间和军事领域的应用不可忽略。

耗尽型vdmos由于具备常开沟道，因此，即便是在栅压vgs为0v时，只要在源漏极之间加上电压vds，则沟道就会有电流通过。耗尽型vdmos由于其常开沟道特点，又称为常开型vdmos。

但是采用现有的制备工艺所获得的耗尽型vdmos器件、特别是n沟道耗尽型vdmos器件，保证沟道的常开是目前的难点之一。因此需要提供一种工艺制作方法，能够使得n沟道耗尽型vdmos器件的沟道处于稳定常开状态。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种n沟道耗尽型vdmos器件及其制作方法，确保沟道处于稳定常开状态。

为实现上述目的，本发明的第一个方面是提供一种n沟道耗尽型vdmos器件的制作方法，包括：

在n+衬底正面上形成n-外延层，n+衬底作为漏；

在n-外延层内形成场限环以及多个p阱；

向p阱表面注入n型杂质，以在p阱表面形成反型层；

依次形成栅氧层和栅，随后对栅进行氧化，控制栅氧层覆盖相邻p阱之间的区域并延伸覆盖部分p阱；

向p阱内分别注入砷和磷后再进行推结，在p阱内形成n型掺杂区，并控制磷的注入深度大于砷的注入深度；

对n型掺杂区进行选择性刻蚀以形成源；

实现源和p阱之间的连接以及源和漏的引出。

本发明提供的n沟道耗尽型vdmos器件的制作方法，在形成源区的过程中，分别注入了砷和磷并进行推结，使得到的n沟道耗尽型vdmos的沟道处于稳定常开状态。

本发明的第二个方面是提供一种n沟道耗尽型vdmos器件，是采用上述制作方法制得，该n沟道耗尽型vdmos器件的沟道处于稳定常开状态。

本发明的有益效果如下：

本发明提供了一种n沟道耗尽型vdmos器件的制作方法，将源区形成过程中仅掺杂砷的传统工艺改进为掺杂砷和磷的方式，使所制得的n沟道耗尽型vdmos器件的沟道处于稳定常开状态，确保该n沟道耗尽型vdmos器件的耗尽型性能。

本申请还提供了一种采用上述制作方法所获得的n沟道耗尽型vdmos器件，该n沟道耗尽型vdmos器件具有处于稳定常开状态的沟道。

附图说明

图1至图10为本发明实施例中提供的耗尽型vdmos器件的制作方法中各步骤的剖面结构示意图；

图11为根据本发明实施例得到的n沟道耗尽型vdmos器件的仿真结果；

图12为图11的局部放大图；

图13为本发明用于作为对比的n沟道耗尽型vdmos器件的仿真结果；

图14为图13的局部放大图。

附图标记说明：

100-n+衬底；200-n-外延层；

300-p阱；410-反型层；

420-掺砷区；430-掺磷区；

440-掺硼区；450-n型掺杂区；

510-氧化硅层；520-多晶硅层；

530-多晶硅氧化层；610-层间介质层；

611-侧壁区；700、800-金属层。

具体实施方式

采用传统的制作工艺制备n型耗尽型vdmos器件，在沟道的制作过程中，对于源区的制作，多采用一步砷注入工艺，但是往往并不能保证沟道在预定阈值电压处开启，因此不能稳定形成常开通道。

为此，本发明提供一种n沟道耗尽型vdmos器件的制作工艺，在源区的形成过程中，分别注入了砷和磷，使最终制得的n沟道耗尽型vdmos器件的沟道处于稳定常开状态，确保器件的耗尽型性能。

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面结合优选实施例和附图做进一步的说明。

请参考图1至图10，本实施例提供的n沟道耗尽型vdmos器件的制作方法，具体可包括如下步骤：

s10、在n+衬底100正面上形成n-外延层200，该n+衬底100作为漏；

s20、在n-外延层200内形成场限环(未图示)以及多个p阱300；

s30、向p阱300表面注入n型杂质，以在p阱300表面形成反型层410；

s40、依次形成栅氧层和栅，并对栅进行氧化，控制栅氧层覆盖相邻p阱300之间的区域并延伸覆盖部分p阱300；

s50、向p阱300内分别注入砷和磷后再进行推结，在p阱300内形成n型掺杂区450，并控制磷的注入深度大于砷的注入深度；

s60、对n型掺杂区450进行选择性刻蚀以形成源；

s70、实现源和p阱之间的连接以及源和漏的引出。

具体的，在步骤s10中，可采用本领域常规工艺，在n+衬底100上生长n-外延层200，如图1所示。一般而言，外延层的厚度越大，越有利于提高器件的耐压性能，因此可根据实际对于n沟道耗尽型vdmos器件的性能要求控制n-外延层200的厚度。

本实施例对于场限环和p阱300的形成方式不做特别限定，均可采用本领域制备n沟道耗尽型vdmos器件的常规工艺完成。一般可首先在n-外延层200的边缘区域进行第一次p型离子注入，形成场限环，然后在n-外延层200的中间区域(即有源区)进行第二次p型离子注入，形成多个p阱300，如图2所示。

具体的，步骤s20可包括如下依序进行的步骤：

s21、对n-外延层200进行氧化处理，从而在n-外延层200表面形成氧化层；

s22、对氧化层进行选择性刻蚀，暴露出有源区周围的部分区域(即，暴露出n-外延层200边缘的部分区域)，作为第一次p型离子注入的窗口；

s23、通过第一次p型离子注入的窗口，向n-外延层200中注入硼等p型杂质，随后再进行氧化推结，从而形成场限环；

s24、参考步骤s22的工艺，暴露出有源区的部分区域，随后进行第二次p型离子注入，然后再进行氧化推结，最终形成多个p阱300。

根据器件的性能要求，p阱300可以具有不同的形状，比如其横向剖面可以呈条形、多边形等。此外，在形成场限环及p阱300的过程中，p型离子的注入能量、注入浓度、相邻p阱300之间的距离、p阱300的数量等参数均可根据对于器件的性能要求合理确定。

进一步的，在进行第二次p型离子注入之前，还可以在n-外延层200表面生长一层薄薄的氧化层，比如大约400埃米，这样在第二次p型离子注入时，能够尽可能地避免对n-外延层200的有源区造成损伤。在第二次p型离子注入完成之后，可通过漂洗去除该薄薄的氧化层。

参考图3，在步骤s30中，可采用本领域常规的注入工艺，向有源区表面注入n型杂质，比如注入砷，从而在p阱300表面形成反型层410。

具体的，在步骤s40中，可采用本领域常规工艺，首先在n-外延层200表面依次形成氧化硅层510、多晶硅层520，以及通过对多晶硅层520进行氧化而形成多晶硅氧化层530，然后再对此三层进行图形化处理，使此三层剩余部分覆盖相邻p阱300之间的区域并延伸覆盖部分p阱300，如图4所示。其中氧化硅层510经图形化处理所剩余的部分即为栅氧层(或称为栅极氧化层)，多晶硅层520经图形化处理所剩余的部分即为栅520。p阱300内被栅氧层所覆盖的区域即为沟道区。

本实施例中，氧化硅层510的厚度通常可根据对于器件的阈值、抗静电性能等需求确定；多晶硅层520的厚度通常可控制在10000微米以内；多晶硅氧化层530的厚度由电隔离需要等决定。

在步骤s50中，本实施例并不特别限定砷和磷的注入顺序，比如先向p阱300中注入磷，从而在p阱300内形成掺磷区430，然后再向p阱300中注入砷，从而在p阱300内形成掺砷区420。并且，如图5所示，与掺砷区420相比，掺磷区430更加靠近n+衬底100。或者，也可以先注入砷再注入磷。

如图6所示，砷和磷注入完成后，再进行共同推结，砷和磷在p阱300内扩散，从而在p阱300内形成n型掺杂区450。

通过分别向p阱300内注入砷和磷，再进行推结，就能够使最终获得的n沟道耗尽型vdmos器件具有稳定常开的沟道。发明人基于上述现象进行分析，认为原因可能是：由于与砷相比，磷具有更高的活性及更高的扩散速度，因此在推结过程中，磷能够横向扩散进入n型沟道，使沟道更为圆润、平滑，从而保证耗尽型沟道处于常开状态。

具体的，砷的注入能量和注入浓度等工艺参数，可以参照传统制作n沟道耗尽型vdmos器件的工艺中形成源区时砷注入的工艺参数，具体可根据实际对于器件性能的要求确定，本实施例在此不做特别限定。

本实施例对于推结的工艺条件也不做特别限定，同样可以参照传统制作n沟道耗尽型vdmos器件工艺制作源区时的推结工艺，具体可根据器件性能需求设计，并应避免注入的磷扩散到p阱300外。

本实施例中，可以采用控制注入能量的方式控制砷和磷的注入深度。具体的，可控制磷的注入能量大于砷的注入能量，使磷的注入深度大于砷的注入深度，从而进一步保证具有高活性的磷注入于砷之下，而不是混于砷掺杂的区域中，进一步利用磷的扩散速度优势，形成更加圆润的沟道，充分保证沟道的开启性质。

进一步的，还可以控制磷的注入浓度低于砷的注入浓度。砷的扩散速度慢、易控制，可用于控制源区浓度；磷的扩散速度快，因此可以进入沟道，且低注入浓度的磷能够进一步对沟道的开启进行微调。

请进一步参考图5和图6，在向p阱300中分别注入砷和磷之后，还可以向p阱300中注入硼，从而在p阱300内形成掺硼区440，并控制硼的注入深度大于磷的注入深度，即相对于掺磷区430，掺硼区440更加靠近n+衬底100，然后再共同进行推结。

硼的注入，能够在后续工艺制程中，降低p阱300金属连接时的接触电阻。具体的，硼的注入能量和注入浓度可根据金属连接的实际需要确定。

具体的，在步骤s60中，可采用本领域制备vdmos器件的刻蚀工艺，对n型掺杂区450进行选择性刻蚀以形成源，比如在p阱300内光刻源，光刻p阱300接触面。

在优选的实施方式中，如图7和图8所示，步骤s60具体可以包括：

s61、在n-外延层200上淀积层间介质层610；

s62、对层间介电层610进行刻蚀，剩余层间介电层610的侧壁区域611，该侧壁区域611覆盖栅的侧壁和栅氧层的侧壁；

s63、对n型掺杂区450进行选择性刻蚀，使侧壁区域11下的n型掺杂区得以保留，形成源区。

具体的，在步骤s61中，可在n-外延层200表面淀积硼磷氧化硅，硼磷氧化硅层覆盖多晶硅氧化层530、多晶硅氧化层530的侧壁、多晶硅层520(栅)的侧壁、氧化硅层510(栅氧层)的侧壁，以及p阱300未被栅氧层覆盖的区域。

在步骤s62中，可采用干法刻蚀对层间介电层610进行各向异性刻蚀，控制刻蚀深度与层间介电层610的淀积厚度相同。这样，由于覆盖多晶硅氧化层530的侧壁、多晶硅层520(栅)的侧壁、氧化硅层510(栅氧层)的侧壁部分的层间介电层610的厚度大于层间介电层610的淀积厚度，因此这部分层间介电层610在刻蚀后得以充分保留，即为侧壁区域611。

具体的，在步骤s62之后，继续对n型掺杂区450进行刻蚀并刻穿n型掺杂区450。在侧壁区域611的保护下，侧壁区域611下的n型掺杂区450得以保留。此外，位于氧化硅层510下的n型掺杂区450也得以保留。此时所有存留的掺砷区420(或n型掺杂区450)即为源。

当然，若在步骤s50中，向p阱300未被氧化硅层510覆盖的区域内也注入了硼，则在对n型掺杂区450进行刻蚀的过程中，为确保n型掺杂区450被刻穿，难以避免地也会刻蚀掉部分掺硼区440。但是，应确保掺硼区440不被刻穿，即有至少部分掺硼区440得以保留。

不难理解，在形成源的常规的工艺中，需要在阱区内光刻源区，光刻p阱300接触面，在横向尺寸较小时，工艺难度较高甚至难以实现。而采用上述步骤s61至s63的工艺方式，能够降低工艺难度。因此，即使进一步缩小器件的横向尺寸，也能够使用上述步骤s61至s63的工艺以形成源，并确保vdmos器件的性能。

此外，采用上述步骤s61至s63的工艺方式形成源，源的侧壁增加了有效沟道长度，改善耗尽型vdmos器件的短沟道效应，减小热载流子效应。

请参考图9和图10，在步骤s70中，可以在暴露的p阱300表面和多晶硅氧化层530表面形成金属层700，实现源和p阱300的连接，并引出源端。

具体的，实现漏的引出，可以首先对衬底100的背面进行减薄，随后在减薄后的衬底100背面形成金属层800。

具体的，上述用于实现源和漏的引出可采用常规的铝、铜、金、银、钛、镍等金属材料中的一种或几种。

图11和图12为采用本实施例的制作方法所制得的n沟道耗尽型vdmos器件的仿真结果(所用仿真软件为sentaurustcad，下同)。

作为对比，本实施例还提供了另一n沟道耗尽型vdmos器件的仿真结果，如图13和图14所示。该作为对比的沟道耗尽型vdmos器件的制备工艺与前述实施例基本一致，除了在步骤s50中仅注入了砷而未注入磷。

由图13和图14可明显看出，沟道注入(vt注入)已经使p型阱区表面部分反型，但是p型阱区内的p型掺杂存在浓度梯度，p型阱区表面的反型并不均匀，由jefet区到p型阱区形成一个“尖角”(即图14中圆圈所标记的区域)，并未使沟道完全畅通，所以不能稳定形成常开沟道。推测即使进一步加大vt注入浓度，也仅能使“尖角”往p型阱区内侧推移，不仅不能保证n型沟道的畅通，还极有可能会降低击穿电压。

而采用本实施例的技术方案，如图11和图12所示，该n沟道耗尽型vdmos器件的沟道(如图12中圆圈标识的区域)较图13和图14中的沟道更为圆润、平滑，而且完全打开。该仿真结果与上述发明人的分析结果相符。

因此，采用本实施例提供的制作方法，在源区注入时，分别注入砷和磷，能够优化沟道结构，形成稳定的常开沟道，优化n沟道耗尽型vdmos器件的性能。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。