一种制造功率MOS场效应管的方法 相关申请
本申请是在2000年6月2日申请的美国专利申请，序列号09/586,407，称作“具有低导通电阻的高电压功率MOS场效应管”的后续申请。发明领域
本发明通常涉及半导体器件的制造，尤其涉及高电压半导体器件，诸如大功率的MOS场效应管器件。发明背景
高电压功率MOS场效应管器件用于诸如汽车点火系统、电源供给、电机驱动、镇定器及功率调节的应用。这样的器件应该在断电状态维持高电压，并且在通电状态具有大电流流量的低电压降落。
图1举例说明一个用于N型沟槽道功率MOS场效应管的典型结构。一个N外延硅层1在包含p主体区5和6的N+硅衬底2之上形成，并且在该器件中N+源极区域7和8用于二个MOS场效应管单元。P主体区5和6可以包括浅的区5a和6a以及深的p主体区5b和6b。源极主体电极12通过外延层1的某个表面部分伸出，以接触该源极区和主体区。在图1中，用于两个单元的N型漏极是通过N外延层1部分伸出半导体表面地上部而形成。一个漏极(没有单独示出)在N+衬底2的底部上提供。一个包括氧化物和多晶硅层栅极导体的绝缘栅电极18在该上部的半导体表面上覆盖信道和漏极部分。
在图1示出的常规的MOS场效应管的导导通电阻主要是通过在外延层1中的漂移区阻抗确定的。该漂移区的阻抗是通过掺杂掺杂和外延层1的层厚度确定的。但是，为了提高器件的击穿电压，当层厚度增加时，外延层1的掺杂密度必须降低。在图2中曲线20示出用于常规的MOSFET的导导通电阻乘以与击穿电压有关的器件面积(常常称为特定的导通电阻)与击穿电压的函数关系。令人遗憾地是，如特性曲线20所示，该器件的特定的导通电阻当其击穿电压增加之时快速地增加了。当该MOS场效应管将工作在高电压，尤其是在电压大于几百伏的时候，这个特定导通电阻的急剧增长将产生问题。
图3示出一个设计成能以降低的导通电阻工作在高电压的MOS场效应管。这个MOS场效应管在IEDM会议论文集，论文No.26.2，1998年，第683页上公开。这个MOS场效应管类似于在图2中示出的常规的MOS场效应管，除了其包括p型掺杂区40和42之外，其从主体区5和6的下面伸出进入器件的漂移区。如在常规的MOS场效应管中，该p型掺杂区40和42不仅使得在垂直方向上，而且也在水平方向方向上建立反向电压。结果，如在常规的器件中一样，这个器件可以随外延层1降低层厚度及随在漂移区中增长掺杂浓度获得相同的反向电压。在图2中，特性曲线25示出每一单位面积特定的导通电阻与在图3示出的MOS场效应管的击穿电压的函数关系。 显而易见，在高工作电压时，相对于在图1示出的器件，导通电阻基本上随击穿电压线性地增长，这个器件的导通电阻实质上降低了。
在图3示出的结构可以以包括多个外延沉积步骤的工艺程序制造，每个步骤继之以适当的掺杂物引入。令人遗憾地是，实施外延沉积步骤是昂贵的，并且因此制造这个结构是昂贵的。
因此，希望提供一种制造在图3示出结构的MOS场效应管的方法，其需要最小数量的沉积步骤使得其可以便宜地制造。发明概述
按照本发明，提供了一种包括第一导电型衬底的高电压MOS场效应管。在该衬底上沉积一个也是第一导电型的外延层。第一和第二主体区主体区位于该外延层中，并且在它们之间划定一个漂移区。该主体区主体区具有第二导电型。第一导电型的第一和第二源极区域分别位于第一和第二主体区。多个沟槽位于在外延层的漂移区中的主体区的下面。充满包括第二导电型掺杂物材料的该沟槽从第一和第二主体区朝着衬底的方向扩展。该掺杂物被从沟槽扩散进相邻的沟槽的外延层部分，因此形成p型掺杂区，使得在水平方向和垂直方向建立反向电压。接着，在外延层中的击穿电压被测量，并且与在击穿电压和扩散时间之间的预先确定的关系相比，以确定需要获得规定的击穿电压剩余的扩散时间。对于该剩余的扩散时间实施一个附加的扩散步骤，使得该产生的器件具有规定的击穿电压。
按照本发明的一个方面，填充该沟槽的材料是多晶硅。
按照本发明的另一个方面，填充该沟槽的多晶硅至少被部分氧化。作为选择，该多晶硅随后可以再结晶以形成单晶硅。
按照本发明的另一个方面，填充该沟槽的该材料是诸如二氧化硅的电介质。
按照本发明的另一个方面，填充该沟槽的材料可以包括多晶硅和电介质两者。
按照本发明的另一个方面，该沟槽可以包括外延硅和电介质两者。
按照本发明的另一个方面，提供了一种用于形成高电压MOS场效应管的方法。该方法从提供一个第一导电型的衬底并且在该衬底上沉积一个外延层开始。该外延层具有第一导电型。在该外延层中形成第一和第二主体区，以在其间划定一个漂移区。该主体区具有第二导电型。第一导电型的第一和第二源区被分别形成在第一和第二主体区中。沟槽在外延层的漂移区中形成多个沟槽。该沟槽充满具有第二导电型的掺杂物的材料。该沟槽从第一和第二主体区朝着该衬底的方向扩展。至少一部分该掺杂物被从该沟槽扩散进入相邻的沟槽的外延层部分。接着，在外延层中的击穿电压被测量，并且与预先确定的在击穿电压和扩散时间之间的关系相比，以确定需要获得规定的击穿电压剩余的扩散时间。对于该剩余的扩散时间实施一个附加的扩散步骤，使得该产生的器件具有规定的击穿电压。附图的简要说明
图1示出一个常规的高电压MOS场效应管结构的剖视图。
图2示出与用于常规的高电压MOS场效应管和按照本发明构成的MOS场效应管的击穿电压有关的每一单位面积的导通电阻。
图3示出一个在相同的电压下设计成能以比在图1描述的结构的每一单位面积低的导通电阻工作的MOS场效应管结构。
图4-6示出按照本发明构成的功率MOS场效应管的不同的实施例的有关的部分。
图7示出一个按照本发明构成的完整的高电压MOS场效应管。
图8示出一个可用于同时优化在图7示出的高电压MOS场效应管的击穿电压和导通电阻的测试结构。
图9是一个曲线图，示出在用于在图8示出的测试结构的扩散时间和击穿电压之间的示例的关系。
图10是一个曲线图，示出在用于图8的测试结构的扩散时间和导通电阻之间的示例的关系。详细说明
按照本发明，在图3示出的p型区40和42是通过首先围绕p型区40和42放置的位置蚀刻一对沟槽形成的。该沟槽随后用充足的掺杂物材料填充。在该材料中的掺杂物是从该沟槽当中扩散的，并且进入相邻的形成器件的漂移区的外延层之内。外延层部分掺杂的结果形成该p型区。随同该掺杂物一起填充该沟槽的材料保持在该最终的器件中，该掺杂物没有从该沟槽当中扩散。因此，应该选择该材料，使得其不会不利地影响该器件的特性。那些示例的可以用于填充该沟槽的材料包括多晶硅或诸如二氧化硅的电介质。
图4-6示出可用于填充在外延硅层1中形成的沟槽44和46的若干不同的材料组合。虽然图4-6示出该沟槽44和46、外延层1及衬底2，为了清楚起见，图4-6没有示出功率MOS场效应管结构的上部，该上部包括P主体区和源区。
在图4中，该沟槽44和46充满了掺杂的介质，诸如掺杂硼的二氧化硅。在该沟槽被填充之后，硼被扩散进入相邻的外延层1之，以形成p型区40和42。填充该沟槽的掺杂硼的二氧化硅保持在最后的MOS场效应管器件中。
在图5中，该沟槽至少部分被用多晶体的硅，即多晶硅充满，其掺杂有硼。在该沟槽被填充之后，硼被扩散进入相邻的外延层1之内，去形成p型区40和42。填充该沟槽的剩余的掺杂硼的多晶硅保持在最后的MOS场效应管器件中。在实施该扩散步骤以形成二氧化硅之后，作为选择，该多晶硅可以全部或部分被氧化。因此，保留在最后的MOS场效应管器件中的该沟槽充满电介质，即二氧化硅以及一些剩余多晶硅。在另一个备选方案中，在该沟槽中的一些掺杂硼多晶硅被以一个高温再结晶去形成单晶硅。在这种情况下，保持在最后的MOS场效应管器件中的该沟槽充满单晶硅，或单晶硅与二氧化硅或别的电介质联合在一起。
在图6，该沟槽44和46首先被掺杂的多晶硅部分充满，继之以沉淀的电介质去彻底地填充该沟槽。在该沟槽被填充之后，硼被扩散进入相邻的外延层1之内，以形成p型区40和42。填充该沟槽的剩余的掺杂硼的多晶硅和电介质保持在最后的MOS场效应管器件中。有时候，该掺杂硼的多晶硅在一个高温下再结晶以形成单晶硅。因此，保持在最后的MOS场效应管器件中的该沟槽被单晶硅和电介质两者填充。
图7示出按照本发明构成的功率MOS场效应管。该MOS场效应管包括衬底2、外延层1、p主体区5和6、浅的p主体区5a和6a、深的p主体区5b和6b、源区7和8，以及p型区40和42，其中沟槽44和46分别位于p型区40和42中。还示出了栅电极和源体电极，该栅电极包括氧化层48和多晶硅层49，该源体电极包括金属敷层50。
在图7示出的发明的功率MOS场效应管可以按照任何常规的处理方法制造。例如，可以实施下面连续示例的步骤去形成在图7描述的功率MOS场效应管。
一个N掺杂的外延层1在传统的N+掺杂的衬底2上产生。对于带有15-60欧姆-厘米电阻率的400-800V器件，外延层1一般是15-50微米厚。接着，一个氧化物掩蔽层，诸如氧化物和氮化物的复合通过覆盖外延层1的表面氧化层而形成，然后进行通常的曝光和形成图案以抛弃掩模部分，划定该沟槽44和46的位置。该沟槽经由掩模开口通过活性离子蚀刻被干蚀刻到典型地从10到40微米的深度。硅层(典型地大约500-1000A)可以从该沟槽侧壁上去掉，以消除由该活性离子蚀刻处理所引起的损伤。首先，一个牺牲的二氧化硅膜在沟槽44和46的表面上生长。该牺牲的层和该掩模部分或者通过缓冲氧化腐蚀或者通过半蚀刻除去，使得该产生的沟槽侧壁尽可能平滑。
该沟槽44和46被任何先前提到的材料填充，诸如单晶硅、多晶硅、二氧化硅或其的组合。在沉淀期间，该单晶硅、多晶硅或氧化物典型地掺杂以诸如硼的掺杂物。随后实施扩散步骤以向该沟槽外扩散该掺杂物，并且进入围绕的外延层之内。如果保持在该沟槽中的材料是单晶硅或多晶硅，其可以被氧化或再结晶。
带有包含填充的沟槽的该衬底现在准备用于制造高电压MOS场效应管中常规的步骤。接着生长栅氧化层，并且沉积、掺杂和氧化一个多晶硅层。如果采用离子注入和扩散过程，使用常规的掩模形成深的p主体区5b和6b。对于该深的p主体区的掺杂将典型地大约从1×1014到5×1015/cm2变动。接着使用常规的注入和扩散步骤形成浅的p主体区5a和6a。该p主体区被以40至60KeV、大约1×1013至5×1014/cm2的剂量注入硼。
接着，使用光致抗蚀掩膜处理用来形成一个划定源区7和8的图案掩模层。然后通过注入和扩散过程形成源区7和8。例如，该源区可以以80KeV注入砷，以达到典型地在2×1015至1.2×1016/cm2范围内的密度。在注入之后，该砷将扩散到大约0.5至2.0微米的深度。虽然该主体区的范围大约从1到3微米深度，该深的p主体区的深度典型地大约从2.5到5微米变动。最后，该掩模层被以常规的方式除去以形成在图7描述的结构。
通过形成和构图该氧化层去提供接触开口以常规的方式完成该双扩散MOS晶体管。金属敷层50也被沉积和掩模以接触该源主体区和该栅极导体。接着可以沉积、掩模和蚀刻一个钝化层以划定焊点触点。最后，漏极接触层(未示出)在该衬底的底面上形成。
应当注意到，虽然在先前描述的处理中，该沟槽被在形成p主体和厚的p主体区之前形成，本发明一般地包含该沟槽被在任何或所有的剩余掺杂区之前或之后形成的过程。此外，虽然公开了用于制造该功率MOS场效应管特定的工艺程序，而限制在本发明的范围之内其他的工艺程序可以使用。
按照本发明构成的该功率MOS场效应管器件提供了多个与通过传统方法构成的现有技术器件相比的优点。例如，p型区的垂直掺杂物梯度非常接近于零。该水平掺杂物梯度可以通过改变传入的掺杂物的数值，及在扩散步骤中使用的热周期的数量和持续时间准确地控制。此外，传入的掺杂物的数值和横向掺杂物梯度可以改变，以优化器件的击穿电压和导通电阻。
在图7示出的本发明的实施例中，该p型沟槽在该主体区下面被形成。但是，不是每个p型沟槽需要具有一个与其有关的主体区，尤其是在该铸模的周边或在包含焊点或相互连接的区或。
本发明的MOS场效应管结构的击穿电压取决于在p型区40和42中的掺杂浓度。因此，该掺杂剂浓度控制得越准确，具有给定的击穿电压的器件越能准确地达到。该掺杂浓度将按照在与沟槽的表面接触的层中掺杂物的数值以及该扩散过程被允许进行的时间量来确定。
在图8示出一个用于同时优化该高电压MOS场效应管的导通电阻的测试结构。该测试结构包括接触区50和52，在其上暴露有p型区40和42。如在此处使用的，该术语“最佳化”指的是通过提供足够的余量该MOS场效应管的击穿电压大于指定的击穿电压，而该器件导通电阻的增加不会有这么多。
图9是一个曲线图，示出在用于本发明的测试结构的扩散时间和击穿电压之间的关系。这个关系将适用于具有给定结构和大体上通过相同的制造法制造的MOS场效应管。即，在扩散时间和击穿电压之间的关系将对于具有不同结构或组成成分，或具有大体上相同的结构和组成成分、但是通过不同的制造技术制造的MOS场效应管是不同的。
在图9中描述的在扩散时间和击穿电压之间的关系可以被在实验上测定。首先，一系列大体上相同的MOS场效应管结构被制造，其中该掺杂物被从沟槽扩散进相邻的外延层，在与该沟槽表面接触的层中发现对于掺杂物量的范围对应于不同的时间量。接着，该器件的表面层的一部分被移去以暴露相邻的p型区40和42，以形成接触区50和52(参见图8)。一个电极被放置以与p型区40和42的每个接触，并且施加电压允许掺杂物充分消耗，使得可以测量该击穿电压。以这种方法，可以沿着在图9中的曲线获得单一数据点。通过对于一系列MOS场效应管重复这个过程，可以产生完整的特性曲线。
一旦已经获得这个曲线图，通过允许的扩散步骤去着手制造比必需达到需要的击穿电压时间明显少的时间长度来制造后续的结构。当然，典型地，该期望的击穿电压就会是其最大值。然后将一个或多个这样的结构的击穿电压以如上所述的方式进行测量。该测量的击穿电压位于在图9的曲线图上，并且在该测量的击穿电压和该期望的击穿电压之间的不同的扩散时间被确定。然后该剩余的后续结构可以经受在等于差别的扩散时间的一段时间周期内的额外的扩散步骤。以这种方法，该完整的结构将具有非常接近于期望的最大值的击穿电压。
在高电压MOS场效应管的导通电阻和扩散时间之间的关系在图10中示出。如这个图示出的，该MOS场效应管应该再扩散足够长的时间以获得期望的击穿电压，但不能长到该器件的导通电阻开始显著地增加。
虽然在此处已经具体地举例说明和描述了各种各样的实施例，应该理解，无需脱离本发明的精神和想要的范围，通过以上所述教导覆盖的本发明的改进和变化是在所附权利要求的范围之内。例如，可以提供按照本发明的用于高电压MOS场效应管的测试结构，其中测试结构的不同的半导体区的导电性和该MOS场效应管是与在此处描述的那些相反的。