Способ изготовления силового полупроводникового транзистора
SOLID STATE POWER TRANSISTOR PRODUCTION TECHNIQUE

Область техники
Изобретение относится к области технологии микроэлектроники, в частности к технологии изготовления силовых полевых транзисторов.
Уровень техники
Из уровня техники известен способ осаждения и планаризации БФСС (боро-фосфорно-силикатное стекло) для применения в МОП-транзисторах с высокой плотностью тренчей. Процесс для заполнения тренчей с боковыми стенками и дном, в полупроводниковом приборе или интегральной схеме, включающий: формирование изолирующего слоя на боковых стенках и дне тренчей в полупроводниковой подложке, значительное заполнение тренчей полупроводниковым материалом, удаление полупроводникового материала с верхней части тренчей, осаждение первого слоя БФСС на верхнюю часть тренчей, нагрев подложки до температуры 850-1100°С, осаждение второго слоя БФСС поверх первого слоя БФСС и нагрев до температуры 850-1100°С (патент США на изобретение US 6,465,325 В2, опубл. 15.10.2002).
К недостаткам известного способа относится повреждение поверхности истока при обратном травлении первого слоя БФСС и высокая температура нагрева БФСС (1100°С), что приводит к существенной разгонке примеси в p-базе транзистора.
1
2
Наиболее близким к заявляемому техническому решению является U-MOSFET, описанный в работе (В. Jayant Baliga. Fundamentals of Power Semiconductor Devices, Глава 6.2.3, стр. 285-286, 2008 г.). Транзисторы этого типа имеют ряд преимуществ по сравнению с планарными. В качестве материала для таких транзисторов, как правило, используется кремниевая эпитаксиальная структура, состоящая из низкоомной подложки (N+ Substrate Фиг. 1) и высокоомного эпитаксиального слоя (N-Drift Region Фиг. 1), в котором формируется структура транзистора. В эпитаксиальный слой вводят примесь p-типа для формирования базы транзистора (P-Base Фиг. 1). Затем вертикальным травлением формируют канавки (Trench Фиг. 1) глубиной ниже p-n-перехода (J Фиг. 1) между базой и высокоомным эпитаксиальным слоем, вертикальные стенки и дно канавки окисляют для получения тонкого подзатворного диэлектрика и изоляции затвора от области стока. Открытые канавки заращивают поликремнием с высокой степенью легирования ≤30 Ом/ и методом обратного травления формируют затвор транзистора (Gate Фиг. 1). После затвора формируется истоковая область транзистора (N+ Фиг. 1) путем введения примеси n-типа. При этом образуется p-n-переход между истоковой областью и областью базы транзистора (J Фиг. 1). Сверху затвор закрывается слоем диэлектрика для изоляции. Заключительной операцией является нанесение металлических контактов на области стока (Drain Фиг. 1), истока (Source Фиг. 1) и затвора (Gate Фиг. 1) транзистора. Образованная таким образом структура позволяет формировать в области базы тонкий проводящий слой в районе затвора - канал транзистора, путем формирования на затворе соответствующего управляющего потенциала.
Таким образом, представленная структура может находиться в двух основных состояниях: открытом, когда электрическое сопротивление сток-исток мало, и закрытом, когда электрическое сопротивление сток-исток велико, ток практически отсутствует. Представленные режимы характеризуют работу транзистора в качестве ключа.
Основными недостатками аналога являются:
при изготовлении представленного транзистора необходимо использовать до двух прецизионных совмещений шаблонов при фотолитографии, что порождает более длинный технологический процесс, увеличивает время производства и уменьшает выход годных изделий.
Раскрытие изобретения
Техническим результатом заявленного изобретения является упрощение технологического процесса производства силового полупроводникового транзистора, основанного на структуре с вертикально расположенными затворами, путем замены операций прецизионного совмещения фотошаблонов самосовмещенным методом.
Технический результат достигается тем, что в маршруте производства силового полупроводникового транзистора:
- для изоляции поликремниевого затвора сверху используется операция локального окисления (LOCOS);
- формирование истоков проводится поперек затворов, реализуя структуру типа «клетка».
Таким образом, отпадает потребность в двух прецизионных совмещениях фотошаблонов, что позволяет реализовать силовой полупроводниковый транзистор на оборудовании с более грубыми топологическими нормами.
Краткое описание чертежей
Признаки и сущность заявленного изобретения поясняются в последующем детальном описании, иллюстрируемом чертежами, где показано следующее.
На фигурах 2-7 дана вся последовательность операций изготовления силового полевого транзистора, представленного в аксонометрии на фигуре 7 в виде одной ячейки.
На фиг. 2 представлена структура прибора после первого этапа. На подложке 1 с удельным сопротивлением 0,005 Ом⋅см, легированной мышьяком, ориентации (100) выращен высокоомный слой кремния 2 n-типа проводимости. Затем проведено термическое окисление для создания слоя диоксида кремния толщиной 0,6-1,0 мкм (не показан). В процессе фотолитографии создается маска, через которую протравливаются окна в окисле (на чертеже не показаны). В эти окна ионной имплантацией вводится примесь p-типа проводимости, преимущественно бор. Далее проводится разгонка примеси при температуре 1000-1100°С и создается база транзистора, поз. 3. Одновременно создается краевая изоляция в виде колец p-типа проводимости в кремнии n-типа. После этого на поверхность кремниевой пластины из газовой фазы при пониженном давлении осаждается слой нитрида кремния 4 толщиной 0,18-0,2 мкм.
На фиг. 3 показана та же структура с протравленной канавкой 5. Ширина канавки от 0,8 мкм до 1,5 мкм. Такие канавки занимают основную площадь транзистора.
На фиг. 4 показана канавка после следующих операций. Боковые стенки и дно канавки окисляются, после чего этот окисел, являющийся жертвенным, стравливается жидкостным травлением в растворе, содержащем плавиковую кислоту. Далее путем термического окисления формируется подзатворный диэлектрик 6, после чего при пониженном давлении производится конформное осаждение поликристаллического кремния 7. Осаждение может быть проведено с одновременным легированием поликремния примесью n-типа, обычно фосфором. Поликремний также может быть залегирован путем загонки фосфора ионной имплантацией с последующей разгонкой. После осаждения поликремния производится плазмохимическое травление поликремния до уровня, при котором поликремний стравливается с поверхности нитрида кремния.
На фиг. 5 представлен полностью сформированный затвор полевого транзистора. Для изоляции затвора от истока поликремний 7 локально окисляется при повышенном давлении во влажной среде при температуре не выше 870°С и давлении не ниже 800 кПа. Таким образом, осуществлено формирование затвора полевого транзистора методом самосовмещения. Структура, представленная на фиг. 5 исключает необходимость в прецизионной фотолитографии для совмещения контактов к истоку и затвору. Такое совмещение обычно является критической операцией при разработке приборов U-MOSFet.
На фиг. 6 представлен затвор после удаления с поверхности пластины нитрида кремния и формирования истока 9. Нитрид кремния удаляется в ортофосфорной кислоте при температуре 160°С. Травление селективное, диоксид кремния, изолирующий затвор и находящийся на периферии кристалла не повреждается. Также не подвергается эрозии поверхность кремния. В этом основное отличие настоящего изобретения от прототипа. После удаления диоксида кремния выполняется фотолитография и создается маска из фоторезиста для формирования истока в виде полос, перпендикулярных к канавкам затворов (см. фиг. 8). Далее следует ионная имплантация примеси n-типа проводимости, в качестве которой используется фосфор или мышьяк. После чего фоторезист удаляется и проводится разгонка примеси на глубину, превышающую в 2-3 раза толщину диоксида кремния 8.
На фиг. 7 представлена структура после завершающей стадии металлизации. На исток и затвор напыляется алюминий 10 толщиной от 2 мкм до 6 мкм. Далее проводится фотолитография, в процессе которой алюминий стравливается со всей поверхности, кроме поверхности истока и контактной площадки затвора. Затем алюминий вжигается для обеспечения омического контакта к кремнию. После этого лицевую сторону защищают и пластину утоняют путем шлифовки тыльной стороны пластины. Это необходимо для уменьшения сопротивления при прохождении прямого тока. На тыльную сторону, на которой расположен сток, напыляют титан или ванадий, никель и серебро толщиной более 1 мкм.
Осуществление изобретения
Структура, представленная на фиг. 8, исключает необходимость в прецизионном совмещении фотошаблонов при формировании верхней изоляции затвора и областей истока n-типа проводимости. Такое совмещение является критической операцией при изготовлении силового полевого транзистора с вертикальным затвором (U-MOSFET).
Сущность предлагаемого изобретения заключается в следующей последовательности операций.
1. На подложку, легированную мышьяком, с удельным сопротивлением 0,005 Ом⋅см осаждают слой n-типа проводимости с удельным сопротивлением 1-50 Ом⋅см, после чего на поверхности эпитаксиального слоя формируют слой диоксида кремния толщиной 0,4-0,9 мкм.
2. Через фоторезистивную маску в поверхности диоксида протравливают окна для создания охранных колец краевой защиты и окно активной области прибора, в котором в дальнейшем будет размещаться исток и затворы полевого транзистора.
2
2
3. После ионной имплантации бора с дозой от 10 мкКл/см до 100 мкКл/см проводят разгонку бора до необходимой глубины для создания базы p-типа проводимости.
4. На всю лицевую поверхность осаждают из газовой фазы нитрид кремния толщиной 0,1-0,2 мкм.
5. После следующей фотолитографии протравливают канавки, которые могут быть продольными, проводят жертвенное окисление боковых поверхностей и дна канавок, после чего диоксид кремния в канавках стравливают и вторично окисляют стенки и дно канавок, для создания подзатворного диэлектрика толщиной от 0,03 мкм до 0,08 мкм.
6. В канавки конформно осаждают поликристаллический кремний, и проводят травление поликристаллического кремния до уровня поверхности эпитаксиального слоя, после чего поликристаллический кремний в канавках легируют загонкой примеси ионной имплантацией, преимущественно, фосфором с последующей разгонкой или легируют в процессе осаждения из газовой фазы.
7. Поликремний в канавках после легирования окисляют при давлении не менее 1 МПа и температуре не выше 850°С в течение 5-20 минут, на этом формирование затвора транзистора заканчивается.
8. Нитрид кремния удаляют травлением в ортофосфорной кислоте или селективным плазмохимическим травлением.
9. Проводят еще одну фотолитографию, посредством которой формируют рисунок с окнами в фоторезисте в виде полос, перпендикулярных к затворам, ионным легированием в окна загоняют примесь, преимущественно фосфор, и разгоняют ее до глубины 0,5-1,5 мкм.
10. На лицевую поверхность пластины напыляют алюминий толщиной 2,0-4,0 мкм, проводят фотолитографию и формируют необходимый рисунок травлением алюминия.
11. Пластину утончают до необходимой толщины путем шлифовки тыльной стороны, после чего на тыльную сторону напыляют ванадий или титан не более 0,1 мкм, никель толщиной 0,15-0,2 мкм и серебро толщиной не менее 2 мкм.