一种结型场效应晶体管器件的制备方法与流程

1.本发明涉及半导体器件设计和制造领域，尤其涉及一种结型场效应晶体管器件的制备方法。


背景技术：

2.结型场效应晶体管(junction field-effect transistor，jfet)是由pn结栅极、源极和漏极构成的一种具有放大功能的三端有源器件，其工作原理是通过栅极电压改变沟道的导电性以实现对输出电流的控制。jfet具有输入阻抗高、功耗低、开关稳定性好等优点，因此在功率器件、低噪声放大器、高输入阻抗电路等领域得到了广泛的应用。
3.结型场效应晶体管包括耗尽型jfet和增强型jfet，通常较为常见的是耗尽型jfet。对于耗尽型jfet，当栅极不加电压时，沟道电阻最小，晶体管处于导通状态；当栅极施加电压时，改变了栅控pn结的耗尽区的宽度，从而减小沟道的厚度，导致沟道电阻增大，从而控制输出电流减小，当栅极施加电压持续增大时，栅控pn结的耗尽区扩展直至将导电沟道夹断，晶体管进入关断状态。
4.传统技术制造的jfet，在追求低导通电阻的同时，往往会使得关断电压增高，这会导致开关功耗的增大，在电力电子设备中容易造成较大的电力浪费，因此针对以上问题，迫切需要设计出一种结型场效应晶体管器件，以满足实际使用的需要。


技术实现要素：

5.为了解决以上技术问题，本发明提供了一种结型场效应晶体管器件的制备方法，具有导通电阻低、栅控能力强、夹断电压低，开关功耗小的优点。
6.本发明所解决的技术问题可以采用以下技术方案实现：
7.本发明提供一种结型场效应晶体管器件的制备方法，包括：
8.步骤s1，提供一硅片，所述硅片具有第一表面和第二表面，于所述硅片的第一表面通过光刻工艺和离子注入工艺形成至少一个第一n型埋层；
9.步骤s2，通过光刻工艺和离子注入工艺于所述第一n型埋层的邻边形成一p型埋层，并对所述第一n型埋层和所述p型埋层进行高温退火，以得到具有一定结深的第一n型埋层和所述p型埋层；
10.步骤s3，进行清洗，并于所述第一表面、所述第一n型埋层和所述p型埋层的上表面形成一第一p型外延层；
11.步骤s4，于所述第一p型外延层的上表面通过光刻工艺和离子注入工艺形成第二n型埋层；
12.步骤s5，进行清洗，并于所述第一p型外延层和所述第二n型埋层的上表面形成第二p型外延层；
13.步骤s6，于所述第二p型外延层的表面通过光刻工艺和离子注入工艺形成n+注入区，并进行退火；
14.步骤s7，通过光刻工艺和离子注入工艺于所述n+注入区的邻边形成p+注入区；
15.步骤s8，于所述第二p型外延层、所述n+注入区和所述p+注入区上生长二氧化硅介质层，并沿y轴方向采用光刻工艺和干法刻蚀工艺形成深槽；
16.步骤s9，利用高温硼源扩散形成深p+掺杂区；
17.步骤s10，利用清洗溶液进行清洗，随后于所述深槽内淀积p+多晶硅；
18.步骤s11，通过光刻工艺和刻蚀工艺去除局部的二氧化硅介质层，以露出所述n+注入区，并于所述n+注入区上方形成对应的栅极接触孔；
19.步骤s12，通过金属溅射工艺、光刻工艺和干法刻蚀工艺，形成漏极金属、第一栅极金属和源极金属，并粘贴蓝膜保护层；
20.步骤s13，对所述硅片的第二表面进行减薄处理，于所述第二表面上蒸发金属，形成第二栅极金属。
21.优选地，所述硅片为n+型半导体衬底，所述n+型半导体衬底的电阻率为[0.001ω*cm，0.01ω*cm]。
[0022]
优选地，所述第一n型埋层的掺杂注入元素为锑或砷，离子注入剂量为4e15～1e16每平方厘米，注入能量为60～120kev；
[0023]
所述p型埋层的掺杂注入元素为硼，离子注入剂量为2e15～5e15每平方厘米，注入能量为60～80kev，于离子注入后进行高温退火，高温退火温度为[1150℃，1200℃]，时间为90～120分钟，以使所述p型埋层形成的结深度小于所述第一n型埋层形成的结深度。
[0024]
优选地，所述第一p型外延层的电阻率为[0.005ω*cm，0.01ω*cm]，厚度为[6μm，8μm]，形成所述第一p型外延层的生长温度为[1140℃，1180℃]，所述第一n型埋层和所述p型埋层向所述第一p型外延层中扩散，且所述第一n型埋层向上扩散的结深度大于所述p型埋层向上扩散的结深度。
[0025]
优选地，所述第二n型埋层的掺杂注入元素为锑或砷，离子注入剂量为6e15～1e16每平方厘米，注入能量为60～120kev。
[0026]
优选地，所述第二p型外延层的电阻率为[0.005ω*cm，0.01ω*cm]，厚度为[5μm，7μm]，形成所述第二p型外延层的生长温度为[1140℃，1180℃]。
[0027]
优选地，所述n+注入区的注入元素为磷或砷，离子注入剂量为3e15～8e15每平方厘米，注入能量为100～120kev，形成所述n+注入区的退火温度为[950℃，1000℃]，时间为30～60分钟，且所述n+注入区、所述第一n型埋层、所述第二n型埋层于y轴方向上下对齐。
[0028]
优选地，所述p+注入区的注入元素为硼，离子注入剂量为2e15～6e15每平方厘米，注入能量为60～80kev，且所述p+注入区与所述p型埋层于y轴方向上下对齐。
[0029]
优选地，所述深槽的宽度为[1μm，2μm]，深度为所述第一p型外延层和所述第二p型外延层的厚度之和的80％～85％。
[0030]
优选地，高温硼源扩散的扩散掺杂源为硼烷，扩散温度为[1000℃，1050℃]，时间为60分钟。
[0031]
本发明的有益效果在于：
[0032]
本发明提供一种结型场效应晶体管器件的制备方法，通过在器件的上下表面均设有栅极，应用于电路时，将两个栅极接在一起，同时施加反偏电压，从而实现栅极精确控制电流的能力；且由于第二n型埋层的设计，仅需在栅极施加较小的反偏电压，即可关断器件，
因此，相比传统技术的损耗而言，该器件的关断功耗减少了60％；当栅极不加偏置电压时，其具有导通电阻较低，导通功耗低的优点；同时源极和漏极分别利用深槽扩散形成深p+掺杂区，同时采用p+多晶硅引出技术，使得第一p型外延层和第二p型外延层的电流密度几乎相同，稳定性较高，适用于各种恒流源电路。
附图说明
[0033]
图1～图13为本发明的结型场效应晶体管器件的制备方法中各步骤的结构示意图：
[0034]
图1为本发明中形成第一n型埋层具体实施例的结构示意图；
[0035]
图2为本发明中形成p型埋层具体实施例的结构示意图；
[0036]
图3为本发明中形成第一p型外延层具体实施例的结构示意图；
[0037]
图4为本发明中形成第二n型埋层具体实施例的结构示意图；
[0038]
图5为本发明中形成第二p型外延层具体实施例的结构示意图；
[0039]
图6为本发明中形成n+注入区具体实施例的结构示意图；
[0040]
图7为本发明中形成p+注入区具体实施例的结构示意图；
[0041]
图8为本发明中生长二氧化硅介质层，并形成深槽具体实施例的结构示意图；
[0042]
图9为本发明中形成深p+掺杂区具体实施例的结构示意图；
[0043]
图10为本发明中淀积p+多晶硅具体实施例的结构示意图；
[0044]
图11为本发明中形成栅极接触孔具体实施例的结构示意图；
[0045]
图12为本发明中形成漏极金属、第一栅极金属和源极金属具体实施例的结构示意图；
[0046]
图13为本发明中形成第二栅极金属后的结型场效应晶体管器件具体实施例的结构示意图。
[0047]
附图标记：
[0048]
硅片(1)，第一n型埋层(21)，p型埋层(22)，第一p型外延层(3)，第二n型埋层(4)，第二p型外延层(5)，n+注入区(61)，p+注入区(62)，二氧化硅介质层(7)，深槽(81)，p+多晶硅(82)，深p+掺杂区(9)，栅极接触孔(10)，漏极金属(110)，第一栅极金属(111)，源极金属(112)，第二栅极金属(113)。
具体实施方式
[0049]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0050]
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
[0051]
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
[0052]
本发明提供一种结型场效应晶体管器件的制备方法，属于半导体器件设计和制造领域，如图13所示，包括：
[0053]
步骤s1，提供一硅片1，硅片1具有第一表面和第二表面，于硅片1的第一表面通过光刻工艺和离子注入工艺形成至少一个第一n型埋层21(nbl1)；
[0054]
步骤s2，通过光刻工艺和离子注入工艺于第一n型埋层21(nbl1)的邻边形成一p型埋层22(pbl)，并对第一n型埋层21(nbl1)和p型埋层22(pbl)进行高温退火，以得到具有一定结深的第一n型埋层21(nbl1)和p型埋层22(pbl)；
[0055]
步骤s3，进行清洗，并于第一表面、第一n型埋层21(nbl1)和p型埋层22(pbl)的上表面形成一第一p型外延层3；
[0056]
步骤s4，于第一p型外延层3的上表面通过光刻工艺和离子注入工艺形成第二n型埋层41(nbl2)；
[0057]
步骤s5，进行清洗，并于第一p型外延层3和第二n型埋层41(nbl2)的上表面形成第二p型外延层5；
[0058]
步骤s6，于第二p型外延层5的表面通过光刻工艺和离子注入工艺形成n+注入区61，并进行退火；
[0059]
步骤s7，通过光刻工艺和离子注入工艺于n+注入区61的邻边形成p+注入区62；
[0060]
步骤s8，于第二p型外延层5、n+注入区61和p+注入区62上生长二氧化硅介质层7，并沿y轴方向采用光刻工艺和干法刻蚀工艺形成深槽81；
[0061]
步骤s9，利用高温硼源扩散形成深p+掺杂区9；
[0062]
步骤s10，利用清洗溶液进行清洗，随后于深槽81内淀积p+多晶硅82；
[0063]
步骤s11，通过光刻工艺和刻蚀工艺去除局部的二氧化硅介质层7，以露出n+注入区61，并于n+注入区61上方形成对应的栅极接触孔10；
[0064]
步骤s12，通过金属溅射工艺、光刻工艺和干法刻蚀工艺，形成漏极金属110、第一栅极金属111和源极金属112，并粘贴蓝膜保护层；
[0065]
步骤s13，对硅片1的第二表面进行减薄处理，于第二表面上蒸发金属，形成第二栅极金属113。
[0066]
具体的，本发明实施例中的结型场效应晶体管器件包括硅片1、第一n型埋层21(nbl1)、p型埋层22(pbl)、第一p型外延层3、第二n型埋层41(nbl2)、第二p型外延层5、n+注入区61、p+注入区62、二氧化硅介质层7、p+多晶硅82、深p+掺杂区9、漏极金属110、第一栅极金属111、源极金属112、第二栅极金属113。制备方法具体包括如下步骤：
[0067]
步骤s1，如图1所示，提供一硅片1作为半导体衬底，其中半导体衬底的导电类型杂质为n型，其电阻率为[0.001ω*cm，0.01ω*cm]，硅片1具有第一表面和第二表面，在硅片1的第一表面进行第一n型埋层21(nbl1)的生长，至少生长一个第一n型埋层21(nbl1)，需要说明的是，本实施例不对其数量进行限制，在本实施例中，第一n型埋层21(nbl1)的数量为两个，两个第一n型埋层21(nbl1)间隔设置，间隔距离根据实际需要调整；
[0068]
在一种较优的实施例中，第一n型埋层21(nbl1)的离子注入元素为锑元素或砷元素，离子注入剂量为4e15～1e16每平方厘米，注入能量为60～120kev。
[0069]
步骤s2，如图2所示，在第一n型埋层21(nbl1)的邻边生长形成p型埋层22(pbl)，随后进行高温退火，其中p型埋层22(pbl)和第一n型埋层21(nbl1)的邻边相接，即p型埋层22(pbl)和第一n型埋层21(nbl1)的距离为零，由于注入的浓度不同，因此p型埋层22(pbl)和第一n型埋层21(nbl1)陷入n型衬底中的结深度也不同；
[0070]
在一种较优的实施例中，p型埋层22(pbl)的掺杂注入元素为硼，离子注入剂量为2e15～5e15每平方厘米，注入能量为60～80kev，于离子注入后进行高温退火，高温退火温度为[1150℃，1200℃]，时间为90～120分钟，以使p型埋层22(pbl)形成的结深度小于第一n型埋层21(nbl1)形成的结深度。
[0071]
步骤s3，如图3所示，对步骤s2中的器件进行清洗处理，去除其表面的杂质颗粒以及原生氧化层，并在其上表面进行第一p型外延层3的生长；
[0072]
在一种较优的实施例中，第一p型外延层3的电阻率为[0.005ω*cm，0.01ω*cm]，厚度为[6μm，8μm]，生长温度为[1140℃，1180℃]，在高温生长过程中，第一n型埋层21(nbl1)和p型埋层22(pbl)会向上扩散到第一p型外延层3中，且由于第一n型埋层21(nbl1)的离子注入浓度高于p型埋层22(pbl)的离子注入浓度，因此经过外延热过程后，第一n型埋层21(nbl1)向上扩散的结深度要大于p型埋层22(pbl)向上扩散的结深度，进而第一n型埋层21(nbl1)总的结深度也大于p型埋层22(pbl)。
[0073]
步骤s4，如图4所示，在第一p型外延层3的上表面掺杂注入锑或砷，离子注入剂量为6e15～1e16每平方厘米，注入能量为60～120kev，以进行第二n型埋层41(nbl2)的生长，其中第二n型埋层41(nbl2)的大小和数量均与第一n型埋层21(nbl1)相同，且在y轴方向上上下对齐，因此第二n型埋层41(nbl2)与第一n型埋层21(nbl1)共用同一个光刻板；
[0074]
步骤s5，如图5所示，对步骤s4处理后的器件进行清洗，去除其表面的杂质颗粒以及原生氧化层，并在其上表面进行第二p型外延层5的生长；
[0075]
在一种较优的实施例中，第二p型外延层5的电阻率为[0.005ω*cm，0.01ω*cm]，厚度为[5μm，7μm]，形成第二p型外延层5的生长温度为[1140℃，1180℃]，经过此高温处理后，第二n型埋层41(nbl2)会向上扩散到第二p型外延层5中。
[0076]
步骤s6，如图6所示，在第二p型外延层5的上表面注入磷元素或砷元素形成n+注入区61，优选的，其离子注入剂量为3e15～8e15每平方厘米，注入能量为100～120kev，随后进入炉管进行退火工艺处理，退火温度为[950℃，1000℃]，时间为30～60分钟，使得形成的n+注入区61的结深度为2um左右；
[0077]
在一种较优的实施例中，n+注入区61、第一n型埋层21(nbl1)、第二n型埋层41(nbl2)在y轴方向上下对齐，因此n+注入区61可与第一n型埋层21(nbl1)、第二n型埋层41(nbl2)共用同一个光刻板。
[0078]
步骤s7，如图7所示，在n+注入区61的邻边经过光刻处理后注入硼元素，形成p+注入区62，其中硼元素的注入剂量为2e15～6e15每平方厘米，注入能量为60～80kev；
[0079]
在一种较优的实施例中，p+注入区62与p型埋层22(pbl)在y轴方向上上下对齐，即p+注入区62与p型埋层22(pbl)可以共用同一块光刻版。
[0080]
步骤s8，如图8所示，在步骤s7所得器件的上表面生长一层二氧化硅介质层7，其厚度为[0.8μm，1.5μm]，二氧化硅介质层7作为阻挡层，具有优良的阻挡特性，然后沿y轴方向进行光刻和干法刻蚀，形成两对称的深槽81，其中干法刻蚀的刻蚀气体为氯气(cl2)和六氟化硫(sf6)，形成良好的硅槽形状；
[0081]
在一种较优的实施例中，深槽81的宽度为[1μm，2μm]，且深槽81深至第一p型外延层3中，其具体深度为第一p型外延层3和第二p型外延层5的厚度之和的80％～85％。
[0082]
步骤s9，如图9所示，将步骤s8所得器件推入炉管设备，并掺杂注入为硼烷(bh3)进
行硼源扩散，由于其表面被sio2覆盖，因此，注入扩散掺杂源只能通过深槽81向两侧扩散形成深p+掺杂区9，作为优选，其温度为[1000℃，1050℃]，时间为60分钟；
[0083]
步骤s10，如图10所示，利用清洗溶液对上述器件进行清洗，将深槽81内的杂质颗粒及原生氧化层去除，随后于深槽81内淀积p+多晶硅82，并通过回刻工艺去除表面的多晶硅，只保留深槽81内的p+多晶硅82；
[0084]
在一种较优的实施例中，清洗溶液中包含有一定量的氢氟酸，能够有效的去除深槽81内的原生氧化层，以保证后续淀积过程中多晶硅与硅片1形成良好的欧姆接触，其中，p+多晶硅82的方块电阻控制在[4ω，8ω]。
[0085]
需要说明的是，淀积过程中一边淀积多晶硅，一边掺入硼源，随着多晶硅淀积高度的上升，使得深p+掺杂区9的硼源能够更加均匀的扩散，硼源浓度均匀，避免掺杂硼源只能通过深槽81的底部向两侧扩散，导致底部的浓度过高，而深槽81顶部的两侧浓度较低或几乎为零。
[0086]
步骤s11，如图11所示，对上述器件进行光刻和刻蚀，去除n+注入区61上方局部的二氧化硅介质层7，以露出局部n+注入区61，形成对应的栅极接触孔10，即栅极接触孔10为两个；
[0087]
步骤s12，如图12所示，对上述器件进行金属溅射、光刻和干法刻蚀，形成漏极金属110、第一栅极金属111和源极金属112，其中，漏极金属110覆盖其中一个深槽81内的p+多晶硅82，源极金属112覆盖另一个深槽81内的p+多晶硅82，第一栅极金属111连接上述的两个栅极接触孔10，并在其上表面粘贴蓝膜保护；
[0088]
步骤s13，如图13所示，对硅片1的第二表面进行减薄处理，并进行蒸发金属处理，以形成背面的第二栅极金属113，其中减薄后，硅片1厚度为[100μm，200μm]，较薄的厚度能够有利于提高背面栅极金属对沟道的控制能力。
[0089]
通过上述技术方案，在应用于电路应用时，将两个栅极接在一起，同时施加反偏电压，使得n+注入区61与第二p型外延层5形成的耗尽区向下扩展，而第一n型埋层21(nbl1)与第一p型外延层3的耗尽区会向上扩展，耗尽区的宽度增加，导致中间导电的第一p型外延层3的宽度变窄，从而增大了导通电阻，减小了源漏极电流，从而实现了栅极精确控制电流的能力；
[0090]
由于本发明所设计的器件具有非常强的栅控能力，因此，仅需在栅极施加很小的反偏电压，即可快速调节器件的导通电阻，尤其是当器件需要关断时，当栅极的电压持续增大，n+注入区61与第二p型外延层5形成的耗尽区向下扩展，直至与第二n型埋层41(nbl2)相连接，第一n型埋层21(nbl1)与第一p型外延层3的耗尽区向上扩展，同样与第二n型埋层41(nbl2)相连接，此时沟道关闭，器件关断；由于中间第二n型埋层41(nbl2)的设计，仅需在栅极施加并不是很大的反偏电压，即可关断器件，因此本发明所提供一种全新设计的结型场效应晶体管器件，其关断功耗特别小，比传统技术的损耗减少了60％；
[0091]
当栅极不加偏置电压时，其导通路径依次为深p+掺杂区9、第一p型外延层3、第二p型外延层5、p型埋层22(pbl)、p+注入区62，导通电阻低，降低了器件的导通功耗。
[0092]
另外，本发明源极和漏极两端均采用深硅槽扩散形成深p+区，同时应用p+多晶硅82引出技术，使得在导通状态时，电流能够均匀的流过器件，且第一p型外延层3和第二p型外延层5的电流密度几乎相同，稳定性较高，适用于各种恒流源电路。
[0093]
本发明的有益效果在于：
[0094]
本发明提供一种结型场效应晶体管器件的制备方法，通过在器件的上下表面均设有栅极，应用于电路时，将两个栅极接在一起，同时施加反偏电压，从而实现栅极精确控制电流的能力；且由于第二n型埋层41(nbl2)的设计，仅需在栅极施加较小的反偏电压，即可关断器件，因此，相比传统技术的损耗而言，该器件的关断功耗减少了60％；当栅极不加偏置电压时，其具有导通电阻较低，导通功耗低的优点；同时源极和漏极分别利用深槽81扩散形成深p+掺杂区9，同时采用p+多晶硅82引出技术，使得第一p型外延层3和第二p型外延层5的电流密度几乎相同，稳定性较高，适用于各种恒流源电路。
[0095]
以上所述仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书及图示内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。