精確校準(zhǔn)及自平衡的超級結(jié)器件的制備方法
【專利說明】精確校準(zhǔn)及自平衡的超級結(jié)器件的制備方法
[0001]本案是分案申請
原案發(fā)明名稱:精確校準(zhǔn)及自平衡的超級結(jié)器件的制備方法原案申請?zhí)?201210348747.7 原案申請日:2012年09月19日。
技術(shù)領(lǐng)域
[0002]本發(fā)明涉及垂直半導(dǎo)體功率器件。具體地，涉及制備帶有超級結(jié)結(jié)構(gòu)的垂直半導(dǎo)體功率器件改良的可制造性的結(jié)構(gòu)及制備方法，用于高壓應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0003]傳統(tǒng)的制備技術(shù)和器件結(jié)構(gòu)，要憑借超級結(jié)結(jié)構(gòu)很低的串聯(lián)電阻，來進(jìn)一步提高擊穿電壓的話，仍然遇到制造性方面的困難與局限。由于制備帶有超級結(jié)結(jié)構(gòu)特點的傳統(tǒng)高壓器件，如今遇到了難以滿足的更加嚴(yán)格的處理工藝的難題，所以限制了高壓半導(dǎo)體功率器件的實際應(yīng)用。確切地說，當(dāng)目標(biāo)值RdsA從20莫姆/平方厘米降至10莫姆/平方厘米時，容許的電荷平衡變化從30%降至10%。然而，由于用于摻雜外延層的N電荷發(fā)生變化，使傳統(tǒng)的技術(shù)無法滿足這種要求。當(dāng)使用傳統(tǒng)的雙植入工藝制備超級結(jié)時，摻雜外延層的N電荷發(fā)生的變化可以控制在I%至2%之內(nèi)。然而，由于在控制摻雜物植入的對準(zhǔn)時臨界尺寸(CD)發(fā)生變化，尤其是對于小尺寸器件更是如此，所以當(dāng)利用傳統(tǒng)制備工藝進(jìn)行多植入掩膜時，電荷的變化會增大10%至20%。外延層中N電荷的變化不可控制，也不能進(jìn)一步降低，這都會對超級結(jié)的性能造成不良影響。
[0004]圖1A表示Chen所提出的專利5，216，275中所述的半導(dǎo)體功率器件。該半導(dǎo)體功率器件位于超級結(jié)結(jié)構(gòu)上，作為由N和P摻雜區(qū)構(gòu)成的復(fù)合緩沖(CB)層。然而，超級結(jié)結(jié)構(gòu)中P-摻雜區(qū)和N-摻雜區(qū)之間電荷的變化，明顯超出了如今現(xiàn)代器件的應(yīng)用的要求。例如，權(quán)利要求書中所提及的一項，用摻雜物摻雜含有第一和第二半導(dǎo)體區(qū)的半導(dǎo)體功率器件，第一半導(dǎo)體區(qū)中有效摻雜物濃度的總電荷，沒有超過第二半導(dǎo)體區(qū)中有效摻雜物濃度總電荷的50%。因此，Chen所提出的方案無法滿足這種器件上更加嚴(yán)格的器件要求。
[0005]圖1B表示Deboy在美國專利6，960，798中所提出的另一種超級結(jié)器件。如圖1B所示，超級結(jié)結(jié)構(gòu)的晶胞設(shè)計剖面圖具有一個漏極D、一個源極S以及一個柵極G、n+導(dǎo)電半導(dǎo)體襯底(n-Sub)1、一個η-導(dǎo)電半導(dǎo)體區(qū)13、n-導(dǎo)電層3，以及源極S下方的η-導(dǎo)電區(qū)4和p-導(dǎo)電區(qū)5。例如，所述的補償?shù)某潭仍?30%至-20%之間，因此在η-摻雜和P-摻雜之間，補償程度“O”顯示為正補償。這時“P-欄”中的摻雜變化系數(shù)為3，而“η-欄”中的摻雜是恒定的。即使通過上述補償，仍然無法滿足現(xiàn)有器件中更加嚴(yán)格的設(shè)計窗口要求。
[0006]圖1C表示利用傳統(tǒng)制備工藝制成的多外延超級結(jié)結(jié)構(gòu)的剖面圖。該方法包括:第一步，在N-襯底310上生長一個第一 N-外延層320-1;第二步，利用第一植入掩膜300，打開多個植入窗口 315，在第一N-外延層320-1中植入多個P-摻雜區(qū)330-1 ；重復(fù)第一步和第二步，在第一N-外延層(n-Epi)320-l上制備第二N-外延層320-2等等。擴散P-摻雜區(qū)，合并P-摻雜區(qū)330，作為N-外延層320中的摻雜立柱。然而，在這種方法中，控制摻雜物植入對準(zhǔn)時臨界尺寸(CD)的變化，會使總電荷的變化增大。
[0007]由于超級結(jié)器件可以大幅降低半導(dǎo)體功率器件的導(dǎo)通電阻，因此這種功率器件對于在節(jié)省功率方面有要求的器件，尤其是對于便攜式電子器件，是十分有必要的。
[0008]因此，在功率半導(dǎo)體器件的設(shè)計及制備領(lǐng)域中，仍然需要提出在超級結(jié)結(jié)構(gòu)上制備功率器件的新型器件結(jié)構(gòu)及制備方法，從而解決上述困難與局限。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明的一個方面在于，提出了一種新型、改良的半導(dǎo)體功率器件結(jié)構(gòu)和制備方法，制備可選導(dǎo)電類型的摻雜立柱，在漂流區(qū)中使電荷平衡，更加準(zhǔn)確地控制摻雜區(qū)的臨界尺寸，以降低摻雜區(qū)中電荷的變化。確切地說，同時限定P-植入和N-植入窗口，有效抑制臨界尺寸不平衡所產(chǎn)生的負(fù)面效果，以免導(dǎo)致電荷不平衡。限定植入窗口的硬掩膜可以通過氧化層、光致抗蝕劑或帶有通過層限定并打開的植入窗口的其他材料制備。
[0010]確切地說，本發(fā)明的一個方面在于，提出了一種新型、改良的半導(dǎo)體功率器件結(jié)構(gòu)和制備方法，在外延漂流區(qū)中，制備摻雜立柱，用于電荷平衡，這是通過在生長多外延層的工藝中持續(xù)使用P-植入掩膜和N-植入掩膜，重復(fù)植入P-摻雜區(qū)和N-摻雜區(qū)，使立柱對準(zhǔn)的變化降低，并且更加嚴(yán)格地控制P和N立柱的臨界尺寸，以減小這些可選導(dǎo)電類型的摻雜立柱中總電荷的變化。
[0011]本發(fā)明的一個較佳實施例主要提出了一種用于在半導(dǎo)體襯底上制備半導(dǎo)體功率器件的方法，半導(dǎo)體襯底承載著由外延層構(gòu)成的漂流區(qū)。該方法包含:第一步，在半導(dǎo)體襯底上生長一個第一外延層，然后在外延層上方制備一個第一硬掩膜層;第二步，利用第一植入掩膜，打開多個植入窗口，并且利用第二植入掩膜，閉鎖一部分植入窗口，以植入交替導(dǎo)電類型的多個摻雜區(qū)，在第一外延層中相互鄰近;第三步，重復(fù)第一步和第二步，利用相同的第一和第二植入掩膜，制備多個外延層，每個外延層都用交替導(dǎo)電類型的摻雜區(qū)植入。在另一個實施例中，該制備方法還包含，在外延層頂部進(jìn)行器件制備工藝，在交替導(dǎo)電類型的摻雜區(qū)上方，通過擴散過程，合并交替導(dǎo)電類型的摻雜區(qū)，作為外延層中的摻雜立柱。
[0012]此外，本發(fā)明提出了一種在半導(dǎo)體襯底上制備半導(dǎo)體功率器件的方法，半導(dǎo)體襯底承載著由外延層構(gòu)成的漂流區(qū)。該方法包含:首先，在外延層上方制備一個第一硬掩膜層，然后利用第一植入掩膜打開多個第一組植入窗口，然后用第一導(dǎo)電類型的摻雜離子進(jìn)行多次植入，以便在外延層中制成第一導(dǎo)電類型的多個摻雜區(qū)；第二步，制備一個第二硬掩膜層，填充在第一組植入窗口中，然后平整化第二硬掩膜層，除去第一硬掩膜層，以制備第二組植入窗口，并通過第二導(dǎo)電類型的摻雜離子進(jìn)行多次植入，在外延層中制備第二導(dǎo)電類型的多個摻雜區(qū)；第三步，重復(fù)第一步和第二步，利用相同的第一和第二植入掩膜，制備多個外延層，每個外延層都用相反導(dǎo)電類型的摻雜區(qū)植入。在另一個實施例中，該制備方法還包含，在外延層頂部進(jìn)行器件制備工藝，在交替導(dǎo)電類型的摻雜區(qū)上方，通過擴散過程，合并交替導(dǎo)電類型的摻雜區(qū)，作為外延層中的摻雜立柱。
[0013]此外，本發(fā)明提出了一種在半導(dǎo)體襯底上制備半導(dǎo)體功率器件的方法，半導(dǎo)體襯底承載著由外延層構(gòu)成的漂流區(qū)。該方法包含:步驟I在摻雜第一導(dǎo)電類型的第一外延層上方制備一個第一硬掩膜層，然后利用第一植入掩膜打開多個第一組植入窗口，然后用第二導(dǎo)電類型的摻雜離子進(jìn)行植入，以便在第一外延層中制成第二導(dǎo)電類型的多個摻雜區(qū)；步驟2除去第一硬掩膜，制備第二導(dǎo)電類型的第二外延層，然后在第二外延層上方制備一個第二硬掩膜層，利用第二植入掩膜，打開多個第二組植入窗口，在第二外延層中植入第一導(dǎo)電類型的摻雜離子，以便制備多個第一導(dǎo)電類型的摻雜區(qū)，在垂直方向上，在第一外延層中第二導(dǎo)電類型的兩個摻雜區(qū)之間；以及步驟3重復(fù)步驟I和步驟2，利用相同的第一和第二植入掩膜，制備多個交替導(dǎo)電類型的外延層，植入每個外延層，以制備導(dǎo)電類型與外延層的導(dǎo)電類型下方的摻雜區(qū)。在一個較佳實施例中，該方法還包括在頂部外延層上，進(jìn)行器件制備工藝，在第一和第二導(dǎo)電類型交替的摻雜區(qū)上方;并且通過擴散工藝，使交替導(dǎo)電類型的摻雜區(qū)合并，作為外延層中的摻雜立柱。
[0014]本發(fā)明還提出了一種在半導(dǎo)體襯底上的半導(dǎo)體功率器件，半導(dǎo)體襯底承載著一個漂流區(qū)，漂流區(qū)包括多個交替導(dǎo)電類型的外延層，在垂直方向上交替堆棧，以及多個P和N垂直立柱，在與垂直方向垂直的水平方向上相互交替排布。在一個實施例中，每個外延層都包括多個空間分離的摻雜區(qū)，其導(dǎo)電類型與外延層的導(dǎo)電類型相反，其中不同外延層中相同導(dǎo)電類型的摻雜區(qū)，相互對準(zhǔn)，構(gòu)成P和N垂直立柱。在另一個實施例中，每個P或N立柱都包括多個均勻摻雜的外延區(qū)，以及多個擴散摻雜形態(tài)區(qū)，相互交替排布。在另一個實施例中，每個擴散