沟槽式闸极宽能隙装置的制造制造方法及图纸

一种碳化硅(或类似的)沟槽式晶体管，其中在所有其他高温步骤已完成之后，在氧氮化气氛下，进行闸极电介质退火。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】沟槽式闸极宽能隙装置的制造
本申请关于功率半导体开关装置，以及更特别关于沟槽式闸极装置，其在宽能隙半导体材料中具有主要地垂直电流。
技术介绍
请注意，下面讨论的要点可能反应从所公开的专利技术获得的后见之明，并不一定被认为是现有技术。由于高通道电阻，碳化硅(“SiC”)功率MOSFET受到低通道迁移率的影响，导致了较高的导通状态电阻。为了改善此问题，最有效的技术手段为由采用沟槽式闸极结构来增加通道密度。然而，由于在沟槽的底部及角落的几何形状的弯曲及氧化层薄化，该沟槽式闸极结构在沟槽底部角落受限于高电场。在SiC沟槽式闸极装置中，此问题比在类似的硅装置中更为严重，因为(对于给定的额定崩溃电压)在该SiC装置中使用较高的磊晶掺杂浓度；较高的磊晶掺杂浓度在SiC漂移区域中导致高的体电场。此外，相较于硅装置中的情形，高的体电场还在该沟槽角落区域的闸极氧化物中导致较高电场。结果，在关闭状态逆向操作期间，该闸极氧化物层变得更容易在SiC沟槽式闸极装置的沟槽底部崩溃。此外，热载子注入变得更为严重。为了生产可靠的沟槽式闸极SiC装置，此为最需要被解决的关键问题之一。
技术实现思路
在其他创新之中，本申请教示了用于制造沟槽式闸极功率绝缘闸极场效晶体管的制造过程，以在至少一些非闸极沟槽的下方达成掺杂修饰。非闸极沟槽较佳且有利地为场板沟槽，但并非必要。所揭示的过程对于碳化硅半导体材料是特别有利的。本申请教示了在非闸极沟槽的下方的掺杂修饰可用于改善导电性和崩溃电压之间的权衡以及宽能隙场效晶体管中的电场。一专利技术点为非闸极沟槽的下方的掺杂修饰以自我调节的方式导入，且在该闸极氧化物于闸极沟槽上生长前活化。最佳地，该闸极电介质生长在所有的高温过程完成后进行；然而，金属溅镀被使用以形成金属连接，以及瞬时退火步骤(“RTA”，或快速热退火(rapidthermalanneal))被选择性地使用，以用于前及后敷金属的硅化(较佳为同时)。另一专利技术点为掺杂修饰可被选择，以仅提供非闸极沟槽下面的掺杂的减少。这降低了非闸极沟槽与门极沟槽的下方的峰值场，而不会显着降低该装置的导电性。附图说明将参考附图描述所揭示的专利技术，附图示出了重要的示例性实施例，并且通过引用将其并入本说明书中，其中：图1示意性地示出了沟槽闸极晶体管，其允许可控制的垂直电流流过碳化硅半导体晶粒。图2-11示出一系列的制造过程，其结果是制造出如图12a或图13a所示的完成的晶体管结构。图12b示出一晶体管结构，除了使用倾斜植入来产生屏蔽延伸区域之外，其大致上类似于图12a。图13b示出一晶体管结构，除了使用倾斜植入来产生屏蔽延伸区域之外，其大致上类似于图13a。图14a及14b示出一晶体管结构，除了该闸极沟槽中没有底部氧化物之外，其大致上略为类似于图12a。注意图14a及14b使用了不同的修饰掺杂区域106及1061形成方法。图15-20示出一系列的制造过程，其结果是制造出如图21a或图21b或图22所示的完成的晶体管结构。注意图21a及21b使用了不同的修饰掺杂区域106及1061形成方法。图23-24示出替代装置，其在源极接点沟槽中不具有多晶场板。图25示出IGBT装置的实施例，其使用该揭示的专利技术。具体实施方式将特别参考当前的较佳实施例(作为示例而非限制)来描述本申请的多个创新的教示。本申请描述了几个专利技术，并且一般而言下面的任何陈述都不应被视为限制权利要求书。本申请揭示了宽能隙半导体材料中垂直电流流动绝缘闸极主动装置的新颖的制造方法。由于高通道电阻，碳化硅(“SiC”)功率MOSFET受到低通道迁移率的影响，导致了较高的导通状态电阻。为了改善此问题，最有效的技术手段为由采用沟槽式闸极结构来增加通道密度。然而，由于在沟槽的底部及角落的几何形状的弯曲及氧化层薄化，该沟槽式闸极结构在沟槽底部角落受限于高电场。在SiC沟槽式闸极装置中，此问题比在类似的硅装置中更为严重，因为(对于给定的额定崩溃电压)在该SiC装置中使用较高的磊晶掺杂浓度；较高的磊晶掺杂浓度在SiC漂移区域中导致高的体电场。此外，相较于硅装置中的情形，高的体电场还在该沟槽角落区域的闸极氧化物中导致较高电场。结果，在关闭状态逆向操作期间，该闸极氧化物层变得更容易在SiC沟槽式闸极装置的沟槽底部崩溃。此外，热载子注入变得更为严重。为了生产可靠的沟槽式闸极SiC装置，此为最需要被解决的关键问题之一。幸运地，由美国专利8,076,719中所描述的新颖的装置结构，可显着地改善此弱点。该新颖的装置在场板沟槽下方具有P型屏蔽区域，以减少在该沟槽底部及角落的电场。其还在该沟槽底部具有厚的氧化层，其大量地减少该沟槽中氧化物的电场。因此，此新颖的装置结构可被直接地使用，以解决上述的问题。然而，8,076,719中所揭示的制造过程在使用SiC材料的新装置的制造上具有一些缺点。这是因为，为了防止硅的升华及表面阶梯聚束的形成以及SiC/氧化物接口中碳丛集的发展，理想地是在所有的高温退火/活化过程步骤完成后才生长闸极氧化物。本申请揭示了一种用于生产基于SiC材料的沟槽闸极功率MOSFET的制造过程，其在非闸极沟槽下方具有掺杂修饰，例如：如美国专利8,076,719中所揭示的。图1示出了沟槽闸极晶体管，其允许可控制的垂直电流流动，例如：从装置晶粒的前至后。前侧载流敷金属192连接至n+源极区域142，且还连接至p+本体接点区域143(其连接至p型本体144)。层间电介质118自闸极电极112提供敷金属的电绝缘。背侧载流敷金属194连接至n+基板100，其作为汲极接点。此为一种n-通道(NMOS)装置。在作用时，假设汲极端子194连接至正电压(例如：1000V，以及该源极端子192连接至接地)：当闸极电极122提升至足够的正电压时，其将反转本体区域144的最接近部分，以形成通道。该通道一但形成，电子的流动不再被逆偏压源极接面阻挡，如此一来电子(其为主要载子)将流出源极，通过该通道(绕过本体的未反转部分)，并且进入漂移区域(在此实施例中，由n-磊晶层102的最上部分提供)。如图所示，该漂移区域包含区域106，其中体掺杂被修饰；此区域的功能将在下文中被进一步描述。将通道形成的闸极电压被称为“阈值”电压。其可以为例如：1V-6V，但阈值电压的确切值将取决于体掺杂、通道掺杂、氧化物固定电荷，如果有的话，功函数差异等。在此实施例中，闸极沟槽110包括在闸极电极112下方的掩埋氧化物层114。非闸极沟槽120包括凹入的场板122，其通常相连至源极电位。表1示出了用于制造如图1所示的装置的过程流程的概观。更详细地说，操作顺序包括：从SiCN+基板100开始，生长N-缓冲层101及N-磊晶层102。(重要的是注意到SiC原料也可以在硅基板上生长以降低成本。)选择性地进行屏蔽植入，以修饰N-磊晶层102的掺杂浓度，以及由此形成修饰掺杂区域106。最佳地，此植入为施子掺杂物(如P31或N2)。如图2所示，其随后为屏蔽植入(使用受子掺杂物，例如Al或B)其形成P型本体区域144。这是由多种剂量及能量的植入来进行；该剂量在5E12(5x1012)至5E13/cm2的范围以及该能量在100keV及1MeV之间。环境温度可以为室温或中等较高的温度，如400℃-700℃。(此掺杂本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种功率半导体装置的制造过程，包含：在实质上由碳化硅所组成的半导体块体中，在其上部以任何顺序形成第一导电类型源极区域，第二导电类型本体区域，其与位于其下面的第一导电类型块材形成接面，第一沟槽及第二沟槽，每一沟槽延伸较该本体区域来的深，一第二导电类型屏蔽区域，其位于该第一沟槽的下方，但不位于该第二沟槽的下方，以及额外的掺杂修饰成分，其位于该半导体块体的第一导电类型块材之中；施加热量以活化该源极区域、该本体区域、该屏蔽区域以及该额外的掺杂修饰成分中的掺杂物；由在该第二沟槽的侧壁上形成包含氧化硅的薄闸极电介质、在高于1000℃的富氮氧化气氛中对该薄闸极电介质进行退火以及在该薄闸极电介质上形成导电闸极电极，来进行绝缘闸极制造；以及形成敷金属以完成操作装置的制造；其中在进行绝缘闸极制造的步骤完成之后，不施加高于1200℃的非瞬时加热步骤。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.06.10 US 62/348,7831.一种功率半导体装置的制造过程，包含：在实质上由碳化硅所组成的半导体块体中，在其上部以任何顺序形成第一导电类型源极区域，第二导电类型本体区域，其与位于其下面的第一导电类型块材形成接面，第一沟槽及第二沟槽，每一沟槽延伸较该本体区域来的深，一第二导电类型屏蔽区域，其位于该第一沟槽的下方，但不位于该第二沟槽的下方，以及额外的掺杂修饰成分，其位于该半导体块体的第一导电类型块材之中；施加热量以活化该源极区域、该本体区域、该屏蔽区域以及该额外的掺杂修饰成分中的掺杂物；由在该第二沟槽的侧壁上形成包含氧化硅的薄闸极电介质、在高于1000℃的富氮氧化气氛中对该薄闸极电介质进行退火以及在该薄闸极电介质上形成导电闸极电极，来进行绝缘闸极制造；以及形成敷金属以完成操作装置的制造；其中在进行绝缘闸极制造的步骤完成之后，不施加高于1200℃的非瞬时加热步骤。2.如权利要求1所述的过程，其中该第一导电类型为n型。3.如权利要求1所述的过程，其中由生长二氧化硅来进行薄闸极电介质的形成。4.如权利要求1所述的过程，其中该薄闸极电介质为二氧化硅。5.如权利要求1所述的过程，其中该本体区域较该第一沟槽及该第二沟槽来的浅。6.一种功率半导体装置的制造过程，包含：a)在半导体块体中，以任何顺序形成，第一导电类型载子发射区域，第二导电类型本体区域，其与位于其下面的第一导电类型块材形成接面，第一沟槽及第二沟槽，每一沟槽延伸较该本体区域来的深，以及第二导电类型屏蔽区域，其位于该第一沟槽的下方，但不位于该第二沟槽的下方；b)施加热量以活化该载子发射区域、该本体区域以及该屏蔽区域中的掺杂物；c)由在该第二沟槽的侧壁上形成包含氧化硅的薄闸极电介质、在高于1000℃的富氮氧化气氛中对该薄闸极电介质进行退火以及在该薄闸极电介质上形成导电闸极电极，来进行绝缘闸极制造；以及d)形成敷金属以完成操作装置的制造；其中在进行绝缘闸极制造的步骤完成之后，不施加高于1200℃的非瞬时加热步骤。7.如权利要求6所述的过程，其中该第一导电类型为n型。8.如权利要求6所述的过程，其中由生长二氧化硅来进行薄闸极电介质的形成。9.如权利要求6所述的过程，其中该薄闸极电介质最初由二氧化硅所组成。10.如权利要求6所述的过程，其中步骤a)还形成额外的掺杂修饰成分，其位于该半导体块体的第一导电类型块材之中，以及该步骤b)还活化该额外的掺杂修饰成分中的掺杂物。...

【专利技术属性】
技术研发人员：曾军，穆罕默德·达维希，
申请(专利权)人：马克斯半导体股份有限公司，
类型：发明
国别省市：美国,US