沟槽梯度侧氧结构及其制备方法与半导体器件与流程

本发明涉及半导体器件技术领域，具体而言，涉及沟槽梯度侧氧结构及其制备方法与半导体器件。

背景技术：

目前，在半导体器件技术中，沟槽结构的侧氧(oxide-bypassedob)技术被广泛应用，如中低压mosfet以及沟槽肖特基(tmbs)等器件中，对于frd、igbt器件也有被采用。典型的量产产品如sgt(分裂栅mosfet)器件等。对于沟槽侧氧(oxide-bypassedob)mosfet，其器件漂移区的电场分布不均匀，与superjunction超级结结构还存在差距，于是就有了梯度侧氧(gradedoxideby-passedgob)结构的设计概念。

美国专利文献us20010000033a1中给出了如图1所示的结构，同时也给出了其实施方法：采用动态掩膜的腐蚀原理，用多晶硅作为牺牲层，随着多晶硅逐渐被腐蚀，从而使氧化层实现斜坡状的梯度侧氧腐蚀形貌。

chenyu，nationaluniversityofsingapore(新加坡国立大学)2008年博士学位论文“designandfabricationofsuperjunctionpowermosfetdevices”第66～69页中，也给出了很多可能实现斜坡状的梯度侧氧腐蚀形貌的工艺实现方式，其应用的仍是动态掩膜的腐蚀原理。不过，正如该论文第72页中谈到的那样，“要找到合适的腐蚀液和牺牲材料来实现垂直梯度氧化层壁还需要做很多工作”。

又如“兰昊，哈尔滨工程大学2013年硕士学位论文，栅增强功率umosfet深槽介质工程模拟研究”第16页中谈到“gob通过调整侧氧角度来调节漂移区中的电场分布，使其电场分布比ob结构的要明显均匀，拥有更好的性能，其缺点主要是实际工艺中侧氧角度难以控制”。总体来说，gob梯度侧氧结构目前实际工艺难以实现，所以实际量产的器件也都是ob侧氧结构，如图2中(a)、(b)和(c)所示。

对于ob侧氧结构的mosfet器件，如分裂栅mosfet器件，如果沟槽中的侧氧采用热氧化工艺生长的热氧化层，在进行沟道区腐蚀后，氧化层界面基本与沟槽侧壁成90度角，在这种情况，再进行热氧化工艺生长栅氧化层，会在侧氧与沟槽侧壁界面处形成比较薄的栅氧化层，如图3，从而使栅-源之间耐压(vgs)大幅降低，同时降低器件的耐用性。

有鉴于此，特提出本发明。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种沟槽梯度侧氧结构及其制备方法，该方法简单高效，能够在沟槽侧壁表面形成理想的斜坡阶梯场板，优化器件漂移区的电场分布，实现器件性能的显著提升和改进。

本发明还提供了应用了上述沟槽梯度侧氧结构的半导体器件。

为了实现本发明的上述目的，特采用以下技术方案：

沟槽梯度侧氧结构的制备方法，其包括：

a)在硅片的表面形成掩膜层，所述掩膜层形成有沟槽定义区；

b)对所述沟槽定义区进行刻蚀，形成沟槽，并去除所述掩膜层；

c)在所述沟槽的表面形成至少一层包覆层，并对所述沟槽表面的包覆层进行表面磷处理；

d)以填充材料对所述沟槽进行填充；

e)对所述包覆层进行腐蚀，并获得所需的腐蚀效果；

f)去除部分或全部的所述填充材料，获得沟槽梯度侧氧结构。

可选地，步骤a)中，所述硅片选自单晶片或外延片。

可选地，所述硅片为n型硅片。

可选地，步骤c)中，通过热氧化和/或气相沉积法(cvd)形成至少一层所述包覆层。

可选地，所述包覆层包括场氧化层和/或介质层。

可选地，步骤c)中，通过热氧化形成至少一层场氧化层，再通过气相沉积法形成至少一层介质层。

在至少一层所述包覆层中，最外层的包覆层需要满足“能够被腐蚀而去除”的条件，其他的内层包覆层(场氧化层和/或介质层)可以是能够被腐蚀的，也可以是无法被腐蚀的，即内层包覆层是否需要被腐蚀可以根据实际需要而设计。

作为本发明一种实施方式，在沟槽中形成的包覆层可以是场氧化层，也可以是复合介质层，也可以是既包括场氧化层也包括复合介质层；例如，通过热氧化工艺形成部分氧化层，之后再进行cvd工艺淀积介质层，形成2种或2种以上的介质层构成，最后形成的最外层介质层要求能够进行湿法腐蚀，且能够实现比较浓磷掺杂(磷处理工艺)。

可选地，步骤c)中，所述表面磷处理的方法包括：

在850℃～1100℃下，采用磷源进行磷的预扩散处理，处理时间在10min以上。

可选地，所述磷源选自pocl3或ph3。

本发明中，通过调整磷预扩散处理的扩散温度以及通入磷源的时间，可以在一定范围内调整包覆层(场氧化层和/或介质层)的腐蚀后斜坡角度，扩散温度越高、时间越长，包覆层(场氧化层和/或介质层)的腐蚀后斜坡角度越小。

可选地，在所述预扩散处理后还包括退火处理；所述退火处理的方法包括：

在退火气氛和高于所述预扩散处理温度的条件下热处理0min～60min。

可选地，所述退火气氛选自氧气和/或氮气。

可选地，磷源的预扩散与退火均可以选择在扩散炉中进行。

作为本发明一种实施方式，对沟槽表面的包覆层进行表面磷处理，通常可以采用扩散炉进行，通入液态源pocl3或气态源ph3进行常规磷预扩散的工艺处理，扩散温度为850℃～1100℃，扩散时间大于10分钟。

作为本发明一种实施方式，在常规磷预扩散的工艺处理进行完毕后，可以继续进行退火处理，通常可以采用扩散炉进行，气氛可以是氧气o2或氮气n2或氮氧混合气体，工艺温度不低于前述的磷处理温度，工艺时间可以根据实际情况和实际需要进行调整，通常情况下退火1小时就足够了。

可选地，根据实际需要，退火处理步骤可以进行，也可以不进行。

可选地，步骤d)中，所述填充材料选自多晶硅或有机材料。

可选地，所述有机材料选自光刻胶或聚酰亚胺中的至少一种。

当有机材料用作填充材料时，要求该有机材料属于不能被腐蚀液腐蚀，又能够在后续工艺中被高选择性地被去除的材料。

可选地，步骤e)中，对所述包覆层进行湿法腐蚀，经湿法腐蚀后，残留的所述包覆层斜坡与所述沟槽深度的轴向呈夹角α；所述夹角α为6～40度。

可选地，所述湿法腐蚀的腐蚀液可以选用boe(6:1)，其组成为：氢氟酸(49％)水溶液与氟化铵水溶液(40％)的体积比为6:1。

可选地，步骤f)中，将沟槽填充物去除，例如，填充物是多晶硅，根据器件结构设计，进行相应的工艺处理，可以将填充多晶硅完全去除，或者将多晶硅刻蚀到腐蚀后所形成的包覆层(例如场氧化层)斜坡的高度以下。

根据本发明的另一个方面，提供了根据上述任一方法制备得到的沟槽梯度侧氧结构。

根据本发明的另一个方面，提供了应用了上述沟槽梯度侧氧结构的半导体器件。

所述半导体器件包括基片；所述基片上设置有至少一个如前所述的沟槽梯度侧氧结构。

可选地，所述半导体器件还包括设置在沟槽内的绝缘介质层和导电电极材料。

可选地，所述绝缘介质层的厚度沿所述沟槽的深度方向线性增加。

可选地，所述绝缘介质层呈斜坡状，斜坡长度为0.5μm～5μm，斜坡与所述沟槽深度的轴向的夹角小于40度。

可选地，所述导电电极材料与所述基片表面的电极相连，或者所述导电电极材料浮空。

可选地，所述导电电极材料为一个整体，或者所述导电电极材料通过所述绝缘介质层分隔成若干段。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

(1)本发明提供的沟槽梯度侧氧结构的制备方法简单高效，通过定向腐蚀工艺，能够在沟槽侧壁表面形成理想的斜坡阶梯场板，优化器件漂移区的电场分布，实现器件性能的显著提升和改进。

(2)本发明提供的沟槽梯度侧氧结构的制备方法，通过各向同性的表面处理及湿法腐蚀工艺的使用、表面处理以及退火工艺的差异化设计，可以实现在一定范围内调整沟槽侧壁表面斜坡的角度以及长度，增加器件性能优化空间。

(3)根据本发明提供的方法制备得到的沟槽梯度侧氧结构用于栅控器件时，可以改善栅氧厚度的均匀性，提高栅氧化层耐电压水平，提高器件的耐用性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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的附图。

图1为现有技术中示出的一类沟槽侧氧结构；

图2为现有半导体器件中运用沟槽侧氧技术的sgt(a、b)和tmbs(c)；

图3为现有分裂栅mosfet器件中，栅氧化后，栅氧化层局部厚度偏薄的示意图，其中(b)为(a)的局部放大图；

图4为本发明一种实施方式中，沟槽梯度侧氧结构的制备过程示意图；其中，(a)形成掩膜层和沟槽定义区；(b)刻蚀形成沟槽；(c)去除掩膜层并形成包覆层(场氧化层)并进行表面磷处理；(d)以填充材料对所述沟槽进行填充；(e)将沟槽入口、硅片基材表面上的填充材料采用刻蚀或腐蚀工艺去掉；(f)根据设计和需要，对包覆层(场氧化层)进行一定程度的腐蚀，残留的包覆层(场氧化层)斜坡与沟槽深度的轴向呈夹角α；将沟槽内的填充材料完全去除(g)、或部分去除(h)；当具有多层包覆层时，多层包覆层均被一定程度地腐蚀并形成斜坡即获得如(i)所示的结构；当具有多层包覆层时，多层包覆层中仅最外层被一定程度地腐蚀并形成斜坡、内层不被腐蚀即获得如(j)所示的结构；

附图标记如下：

1-掩膜层；2-硅片基材；3-沟槽；4-包覆层(场氧化层和/或介质层)；5-填充材料；6-残余的填充材料；

图5为本发明一种实施方式中，沟槽梯度侧氧结构的斜坡倾角α为12度(a)和9度(b)时的示意图；

图6为本发明一种实施方式中，沟槽mosfet器件的结构示意图；

图7为本发明另一种实施方式中，沟槽mosfet器件的结构示意图，其中，(a)和(b)分别示出了多晶硅材料被绝缘材料分隔成两部分的两种情况；

图8为本发明另一种实施方式中，沟槽结构二极管器件的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规产品。

根据本发明的一种实施方式，沟槽梯度侧氧结构的制备过程如图4所示：

a)提供n型硅片2(单晶片或外延片)为基材，在所述硅片的表面形成掩膜层1，所述掩膜层1形成有沟槽定义区；

b)对所述沟槽定义区进行刻蚀，形成沟槽3，并去除所述掩膜层1；

c)在所述硅片2及所述沟槽3的表面形成至少一层包覆层4，并对所述沟槽表面的包覆层4进行表面磷处理；

d)以填充材料5对所述沟槽3进行填充；

e)对所述包覆层4进行腐蚀，并根据设定要求获得所需的腐蚀效果；

f)根据设定要求，去除部分或全部的所述填充材料5，获得沟槽梯度侧氧结构。

根据本发明的一种具体的实施方式，如图4中(c)所示，步骤c)中所述包覆层为通过热氧化工艺形成的场氧化层；该场氧化层能够进行湿法腐蚀，且能够实现比较浓磷掺杂、磷处理工艺。

根据本发明的一种具体的实施方式，如图4中(i)和(j)所示：

步骤c)中所述包覆层包括场氧化层和介质层，介质层可以为单层的介质层或多层的复合介质层；通过热氧化工艺形成部分氧化层，之后再进行cvd工艺淀积介质层，形成单层或多层的介质层；位于最外层的介质层要求能够进行湿法腐蚀，且能够实现比较浓磷掺杂、磷处理工艺；根据实际需要，位于内层的场氧化层和介质层可以是能够被腐蚀的，如图4中的(i)所示，也可以是不能被腐蚀的，如图4中的(j)。

根据本发明的一种具体的实施方式，在扩散炉对步骤c)中的包覆层进行磷的预扩散处理，磷源可以为液态源pocl3或气态源ph3，扩散温度为850℃～1100℃，扩散时间大于10分钟。

根据本发明的一种具体的实施方式，预扩散处理完成后，可以在扩散炉中继续进行退火处理气氛可以是氧气o2或氮气n2或氮氧混合气体，工艺温度不低于前述的磷处理温度，工艺时间可以根据实际情况和实际需要进行调整，通常情况下退火1小时就足够了。

根据本发明的一种具体的实施方式，预扩散处理完成后，也可以不进行退火处理。

根据本发明的一种具体的实施方式，步骤c)中所述包覆层为通过热氧化工艺形成的场氧化层，表面磷处理时，磷预扩散的温度为900℃、预扩散时间为30min；步骤d)中的填充材料选自多晶硅；采用腐蚀液boe(6:1)对场氧化层进行腐蚀，选择合适的腐蚀时间，使得残留的场氧化层斜坡与沟槽深度的轴向的夹角α呈12度，如图5中(a)所示。

根据本发明的一种具体的实施方式，步骤c)中所述包覆层为通过热氧化工艺形成的场氧化层，表面磷处理时，磷预扩散的温度为920℃、预扩散时间为50min；步骤d)中的填充材料选自多晶硅；采用腐蚀液boe(6:1)对场氧化层进行腐蚀，选择合适的腐蚀时间，使得残留的场氧化层斜坡与沟槽深度的轴向的夹角α呈9度，如图5中(b)所示。

根据本发明的一种具体的实施方式，如图6所示，提供了一种应用了本发明的沟槽梯度侧氧结构的沟槽mosfet器件，其沟槽延伸到沟槽mosfet的耐压漂移区中，沟槽侧氧通过湿法腐蚀形成具有一定角度的阶梯形状。图6中所提供的mosfet器件有源区包括若干周期排列的原胞，每个所述原胞均包括沟槽、源区金属层、n+源区、p+区、p阱区、漂移区、以及n+衬底和漏极金属层。其中，所述沟槽结构从表面延伸至原胞的漂移区中；所述沟槽中包含多晶硅栅极以及在p阱区侧的栅氧化层，还包括含有斜坡形状的场氧化层；多晶硅栅极与源区金属s由绝缘氧化层进行隔离。

根据本发明的一种具体的实施方式，如图7的(a)和(b)所示，提供了另一类应用了本发明的沟槽梯度侧氧结构的mosfet器件，沟槽内包含多晶硅和绝缘材料，多晶硅可以被绝缘材料分隔成上下两部分，上层为栅g多晶硅，下层为场板多晶硅，并且场板多晶硅与沟槽mosfet的源极s连接。

根据本发明的一种具体的实施方式，如图8所示，提供了应用了本发明的沟槽梯度侧氧结构的二极管器件，沟槽延伸到二极管的耐压漂移区中，沟槽侧氧由3层绝缘介质构成，靠近场多晶硅一侧的介质层通过湿法腐蚀形成具有一定角度的阶梯形状，优化耐压漂移区内的电场分布。

最后应说明的是：以上各实施方式仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施方式对本发明进行了详细的说明，但本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。