横向变掺杂结构的制造方法及横向功率半导体器件

摘要

本发明公开一种横向变掺杂结构的制造方法及横向功率半导体器件，该横向变掺杂结构的制造方法包括：在衬底上形成衬垫氧化层；对衬垫氧化层下方的衬底进行局部热氧化以生成包括鸟嘴区的场氧化层，其中，鸟嘴区的氧化层厚度横向渐变；在鸟嘴区上方向鸟嘴区下方的衬底注入掺杂离子。本发明能够使得小尺寸横向功率半导体器件具有较好的横向变掺杂效果。

说明书

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，具体地，涉及一种横向变掺杂结构的制造方法及横向功率半导体器件。

背景技术

横向变掺杂结构为一种杂质离子在衬底内呈现数量上横向渐变的半导体结构，对于提高横向功率半导体器件的击穿电压具有非常显著的效果。

横向变掺杂技术(Variation of Lateral Doping，简称VLD)为横向变掺杂结构的制造技术，图1所示是传统VLD的工艺实现方式及其效果图。参照图1，传统VLD技术通过光刻胶在衬底110上方形成的多个窗口向衬底110的目标区域112进行杂质离子的注入，然后通过高温退火推结使杂质离子相连并最终形成横向变化的分布。在实践中，通过调节窗口的大小和间距来使得各窗口下方的目标区域112形成包络线所示的初始离子分布，然后经过长时间高温退火推结达到虚线所示的预设横向变掺杂效果。

然而，实际VLD技术应用过程中，离子注入窗口多达数十个，窗口的尺寸、间距等参数设计优化过程极其漫长，并且光刻胶形貌及相关光刻工艺的现有精度会使得窗口大小和间距都难以精确控制；尤其在窗口大小和间距随器件尺寸缩小而缩减的情况下，传统VLD技术的最终变掺杂效果更加难以控制，这使得横向变掺杂结构的应用范围受限。

发明内容

鉴于上述问题，本发明的目的在于提供一种变掺杂结构的制造方法及横向功率半导体器件，以使得小尺寸横向功率半导体器件具有较好的横向变掺杂效果。

根据本发明的第一方面，提供了一种横向变掺杂结构的制造方法，包括：

在衬底上形成衬垫氧化层；

对所述衬垫氧化层下方的所述衬底进行局部热氧化以生成包括鸟嘴区的场氧化层，其中，所述鸟嘴区氧化层厚度横向渐变；

在所述鸟嘴区上方向所述鸟嘴区下方的所述衬底注入掺杂离子。

可选地，对所述衬垫氧化层下方的所述衬底进行局部热氧化以生成包括鸟嘴区的场氧化层，包括：

在所述衬垫氧化层上形成屏蔽层；

刻蚀所述屏蔽层以形成局部热氧化窗口；

在所述衬垫氧化层被所述局部热氧化窗口暴露的区域对所述衬底进行局部热氧化，生长场氧化层，其中，所述场氧化层延伸而位于所述屏蔽层下方的区域形成所述鸟嘴区。

可选地，向所述鸟嘴区下方的所述衬底注入掺杂离子，包括：

去除所述屏蔽层；

在未生长场氧化层的所述衬垫氧化层上方以及所述场氧化层上方形成掩膜层，其中，所述掩膜层在所述鸟嘴区设置离子注入窗口；

在所述掩膜层上方向所述衬底注入掺杂离子，以使得所述掺杂离子通过所述离子注入窗口注入到所述鸟嘴区下方的所述衬底。

可选地，所述鸟嘴区包括位于所述局部热氧化窗口左侧的第一区域和位于所述局部热氧化窗口右侧的第二区域，其中，所述第一区域在横向上的厚度从左到右渐增，所述第一区域在横向上的厚度从左到右逐减；

所述掩膜层在所述第一区域设置所述离子注入窗口，或者，所述掩膜层在所述第二区域设置所述离子注入窗口。

可选地，在未生长场氧化层的所述衬垫氧化层上方以及所述场氧化层上方形成掩膜层，包括：

在未生长场氧化层的所述衬垫氧化层上方以及所述场氧化层上方涂覆光刻胶；

经过曝光、显影和刻蚀处理，将所述光刻胶位于所述鸟嘴区上方的部分去除，以形成所述离子注入窗口。

可选地，在所述掩膜层上方向所述衬底注入掺杂离子，包括：

获取所述鸟嘴区的最大厚度；

根据所述最大厚度确定所述掺杂离子的注入能量和注入剂量，以使得所述掺杂离子能够完整地穿透整个厚度横向渐变的所述鸟嘴区；

在所述掩膜层上方，基于确定的所述注入能量和所述注入剂量向所述衬底注入所述掺杂离子。

可选地，所述屏蔽层为氮化物。

可选地，所述衬底为第一传导类型的半导体材料，所述掺杂离子为第一传导类型的掺杂离子；

或者，所述衬底为第一传导类型的半导体材料，所述掺杂离子为第二传导类型的掺杂离子，以及，所述衬底中各区域内第一传导类型的离子多于注入的所述掺杂离子。

可选地，向所述鸟嘴区下方的所述衬底注入掺杂离子之后，所述制造方法还包括：对所述衬底内注入的所述掺杂离子进行推结。

根据本发明的第二方面，提供了一种横向功率半导体器件，包括横向变掺杂结构，所述横向变掺杂结构采用第一方面所述的任一种制造方法制备得到。

本发明实施例的有益效果：

本发明提供的横向变掺杂结构的制造方法对衬底上形成的衬垫氧化层进行局部热氧化，以生成包括鸟嘴区的场氧化层，其中，鸟嘴区的氧化层厚度横向渐变，由于场氧化层对掺杂离子注入具有阻挡作用，因而厚度横向渐变的区域对掺杂离子注入具有不同程度的阻挡，这样在鸟嘴区上方向鸟嘴区下方的衬底注入掺杂离子后，鸟嘴区下方的衬底便形成了横向变掺杂结构。该横向变掺杂结构的制造方法通过局部热氧化工艺和离子注入技术结合来实现横向变掺杂效果，由于省去了众多光刻胶窗口的复杂设计过程以及高精度光刻过程，因而适用于小尺寸横向功率半导体器件设置横向变掺杂结构；并且，仅需要简单热过程以使杂质离子在纵向上分布较均匀即可，因而不需要传统VLD技术进行的高温(约1200℃)长时间(约10小时)的热过程来推结，极大地降低了热预算；需要说明的是，当衬底纵向厚度足够薄时，推结时间可以进一步缩减甚至被省略。

附图说明

通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：

图1示出传统VLD的工艺实现方式及其效果图；

图2示出本发明第一实施例中制造方法的流程图；

图3、图4和图5示出本发明第一实施例中制造方法的工艺实现方式；

图6和图7示出基于本发明第一实施例中制造方法的两种不同方向的横向变掺杂结构。

具体实施方式

以下将参照附图更详细地描述本发明的各种实施例。在各个附图中，相同的元件采用相同或类似的附图标记来表示。为了清楚起见，附图中的各个部分没有按比例绘制。此外，可能未示出某些公知的部分。为了简明起见，可以在一幅图中描述经过数个步骤后获得的半导体结构。

图2示出本发明第一实施例中横向变掺杂结构的制造方法的流程图。参照图2，该横向变掺杂结构的制造方法，包括：

步骤S110，在衬底上形成衬垫氧化层；

步骤S120，对衬垫氧化层下方的衬底进行局部热氧化以生成包括鸟嘴区的场氧化层，其中，鸟嘴区的氧化层厚度横向渐变；

步骤S130，在鸟嘴区上方向鸟嘴区下方的衬底注入掺杂离子。

图3、图4和图5示出制造方法的工艺实现方式，下面结合图3至图5对上述步骤进行详细说明。

参照图3，步骤S110，在衬底210上形成衬垫氧化层220。

上述衬底210可以依据预设置横向变掺杂结构的横向功率半导体器件，划分为第一区域211和第二区域212，第一区域211和第二区域212为不同传导类型的半导体材料，例如第一区域211为N型硅而第二区域212为P型硅，或者，第一区域211为P型硅而第二区域212为N型硅。本发明中，上述第二区域212作为设置横向变掺杂结构的预定区域。

参照图4，步骤S120，对衬垫氧化层220下方的衬底210进行局部热氧化以生成包括鸟嘴区的场氧化层。

需要说明的是，局部热氧化是对衬底210进行氧化，示例性地，上述衬底210为硅，场氧化层相应为二氧化硅。这里需要强调的是，由于局部热氧化是对衬底210进行氧化而生成场氧化层，因而上述衬垫氧化层220和场氧化层皆属于氧化层，示例性地皆为二氧化硅；并且，衬底210在局部热氧化反应过程中受氧原子在平行于衬底210与衬垫氧化层220交界面方向的扩散反应影响，逐渐膨胀并结合原有衬垫氧化层220的部分形成了包括鸟嘴区的场氧化层，其中，场氧化层是包括衬底210氧化后的部分及衬垫氧化层220位于该部分上方的部分。

具体地，结合图3和图4，步骤S120，对衬垫氧化层220下方的衬底210进行局部热氧化以生成包括鸟嘴区的场氧化层，包括：在衬垫氧化层220上形成屏蔽层230以及刻蚀屏蔽层230以形成位于点线D

由于鸟嘴区的存在，屏蔽层230中邻接局部热氧化窗口的部分在应力的作用下翘起，与鸟嘴区的形状一致。上述屏蔽层230采用氮化物，示例性地，为氮化硅。

应当理解的是，上述局部热氧化窗口的位置根据横向变掺杂结构的预设位置确定，即，将横向变掺杂结构的起始位置设为局部热氧化窗口的边缘位置。

参照图5，步骤S130，在鸟嘴区上方向鸟嘴区下方的衬底210注入掺杂离子，包括：去除上述屏蔽层230；在氧化层(包括未生长场氧化层的衬垫氧化层和生长成的场氧化层)上方形成掩膜层240，其中，掩膜层240在鸟嘴区设置离子注入窗口(图5中位于点线A

需要说明的是，图5是要向第一区域下方的衬底210注入掺杂离子，因而对应地在点线A

上述在未生长场氧化层的衬垫氧化层上方以及场氧化层上方形成掩膜层，包括：在未生长场氧化层的衬垫氧化层上方以及场氧化层上方涂覆光刻胶；经过曝光、显影和刻蚀处理，将光刻胶位于鸟嘴区上方的部分去除，以形成离子注入窗口。

上述在掩膜层240上方向衬底210注入掺杂离子，包括：获取鸟嘴区的最大厚度；根据最大厚度确定掺杂离子的注入能量和注入剂量，以使得掺杂离子能够完整地穿透整个厚度横向渐变的鸟嘴区；在掩膜层240上方，基于确定的注入能量和注入剂量向衬底210注入掺杂离子。该过程中，鸟嘴区下方的衬底210内都注入了掺杂离子，但鸟嘴区的厚度横向渐变，因而鸟嘴区下方的衬底210形成了横向变掺杂结构。

在一个可选实施例中，衬底210为第一传导类型的半导体材料(即第二区域212为第一传导类型的半导体材料)，掺杂离子为第一传导类型的掺杂离子。该实施例中：

(1)通过离子注入窗口注入到第一区域下方的衬底210内的掺杂离子从点线A

(2)通过离子注入窗口注入到第二区域下方的衬底210内的掺杂离子是从点线B

在另一个可选实施例中，衬底210为第一传导类型的半导体材料(即第二区域212为第一传导类型的半导体材料)，掺杂离子为第二传导类型的掺杂离子；以及，衬底210中各区域内第一传导类型的离子多于注入的掺杂离子。该实施例中：

(1)通过离子注入窗口注入到第一区域下方的衬底210内的掺杂离子从点线A

(2)通过离子注入窗口注入到第二区域下方的衬底210内的掺杂离子从点线A

需要说明的是，图6和图7乃至图1所示的横向变掺杂结构皆通过较深的颜色表示数量较多的掺杂离子。

进一步，横向变掺杂结构的制造方法在步骤S130，在鸟嘴区上方向鸟嘴区下方的衬底注入掺杂离子之后，还可以包括：推结衬底210内注入的掺杂离子以使得衬底210内的掺杂离子在纵向上达到分布更加均匀化的目的。需要强调的是，步骤S130后，衬底110内的掺杂离子借助厚度横向渐变鸟嘴区的阻挡作用已达到较均匀化的横向渐变分布，因而这里的推结过程只需要大幅度小于10小时的过程就可以达到理想的状态。

应当理解的是，掺杂离子注入衬底210后只有被高温激活后方可发挥作用，因而上述步骤S130后应进行掺杂离子的激活。在一些推结步骤不可省略的实施例中，步骤S130后推结衬底210内注入的掺杂离子，并且高温激活过程在推结过程中同步实现。但由于掺杂离子的激活不属于本发明的改进之处，这里不进行详述。

本发明第一实施例提供的横向变掺杂结构的制造方法，通过局部热氧化工艺和离子注入技术结合来实现横向变掺杂效果，由于省去了众多光刻胶窗口的复杂设计过程以及高精度光刻过程，因而适用于小尺寸横向功率半导体器件设置横向变掺杂结构；并且，无需依靠长时间高温推结来实现掺杂离子的横向渐变分布，因而不需要传统VLD技术进行的高温(约1200℃)长时间(约10小时)的热过程来推结，极大地降低了热预算。

相应于上述第一实施例提供的横向变掺杂结构的制造方法，本发明第二实施例还提供了一种横向功率半导体器件，该横向功率半导体器件包括横向变掺杂结构，所述横向变掺杂结构采用第一实施例提供的任一项制造方法制备得到，因而横向功率半导体器件不受尺寸限制，均能够具有较好的横向变掺杂效果，并且制造成本还得以有效缩减。

在描述器件的结构时，当将一层、一个区域称为位于另一层、另一个区域“上面”或“上方”时，可以指直接位于另一层、另一个区域上方，或者在其与另一层、另一个区域之间还包含其它的层或区域。并且，如果将器件翻转，该一层、一个区域将位于另一层、另一个区域“下面”或“下方”。

如果为了描述直接位于另一层、另一个区域上面的情形，本文将采用“A直接在B上面”、“A在B上面并与之邻接”、“A在B上面并与之接触”或者“A位于B的上表面”的表述方式。在本申请中，“A直接位于B中”表示A位于B中，并且A与B直接邻接，而非A位于B中形成的掺杂区中。此外，“A位于B的上部”表示A位于B中且A的顶部裸露在B以外。

除非在上文中特别指出，半导体器件的各个层或者区域可以由本领域的技术人员公知的材料构成。半导体材料例如包括III-V族半导体，如GaAs、InP、GaN，以及IV族半导体，如Si、Ge。源电极、漏电极和栅电极以及栅导电材料可以由导电的各种材料形成，例如金属层、掺杂多晶硅层、或包括金属层和掺杂多晶硅层的叠层导体或者是其他导电材料，例如为TaC、TiN、TaSiN、HfSiN、TiSiN、TiCN、TaAlC、TiAlN、TaN、PtSix、Ni

依照本发明的实施例如上文所述，这些实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施例。显然，根据以上描述，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地利用本发明以及在本发明基础上的修改使用。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。