在IGBT芯片上集成温度传感器多晶硅层的方法与流程

在igbt芯片上集成温度传感器多晶硅层的方法
1.技术领域
2.本发明涉及半导体制造领域，特别是涉及一种在igbt芯片上集成温度传感器多晶硅层的方法。
3.

背景技术：

4.igbt（insulated gate bipolar transistor，绝缘栅双极型晶体管）是由bjt（bipolar junction transistor，双结型晶体管）和mos（metal-oxide-semiconductor field-effect transistor，绝缘栅型场效应管）组成的功率半导体器件，其具有通态压降低、响应速度快和控制简单的特点，因此，在电力电子领域得到了越来越广泛的应用。而为了保证igbt芯片能够正常运行，既需要避免由于过高的芯片温度导致其损坏，还需避免由于过高的温度波动而缩短其寿命。因此，为了使igbt芯片发挥更好的性能，有必要在其内部集成温度传感器以实现对其温度的监控。
5.目前，于igbt芯片上集成温度传感器多晶硅层时，所采用的方法是将多晶硅层布局于栅极多晶硅的上方。然而，利用上述方法制备的温度传感器灵敏度较差。而且，温度传感器的多晶硅层与栅极多晶硅之间的台阶高度差会导致温度传感器多晶硅层的接触孔形态不好。
6.

技术实现要素：

7.鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种在igbt芯片上集成温度传感器多晶硅层的方法，用于解决以现有方法制备温度传感器多晶硅层导致温度传感器灵敏度差问题。
8.为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种在igbt芯片上集成温度传感器多晶硅层的方法，所述方法包括：提供一半导体结构，包括半导体衬底，形成于所述半导体衬底中的沟槽，形成于所述沟槽的底部、侧壁和所述半导体衬底上表面的第一氧化层，及填充所述沟槽并向所述沟槽外延伸至部分所述第一氧化层上表面的多晶硅栅；于所述半导体结构的上表面形成第二氧化层；于所述第二氧化层的上表面形成多晶硅层；采用第一干法刻蚀工艺刻蚀所述多晶硅层直至漏出所述第二氧化层，以于所述多晶硅栅预设距离处的有源区形成温度传感器多晶硅层，同时于所述多晶硅栅侧壁处形成侧墙；采用第二干法刻蚀工艺进行刻蚀以去除所述侧墙；其中，所述第一干法刻蚀工艺为各向异性刻蚀，所述第二干法刻蚀工艺为各向同
性刻蚀。
9.可选地，在进行第一干法刻蚀工艺刻蚀所述多晶硅层之前，所述方法还包括利用掩膜层于所述第二氧化层的上表面定义出所述温度传感器多晶硅层的图形的步骤。
10.可选地，在进行第二干法刻蚀工艺去除所述侧墙时，利用所述掩膜层保护所述温度传感器多晶硅层。
11.可选地，所述方法还包括：采用第三干法刻蚀工艺对所述温度传感器多晶硅层的边界形貌进行修饰的步骤，其中，所述第三干法刻蚀工艺为各向同性刻蚀。
12.可选地，在进行第三干法刻蚀工艺之前，所述方法包括去除所述掩膜层的步骤。
13.可选地，所述第三干法刻蚀工艺中的刻蚀气体包括溴化氢、氯气、四氟化碳。
14.可选地，所述第一氧化层及所述第二氧化层的材质包括氧化硅。
15.可选地，所述第一干法刻蚀工艺中的刻蚀气体包括六氟化硫和氯气；所述第二干法刻蚀工艺中的刻蚀气体包括溴化氢、氯气、四氟化碳。
16.如上所述，本发明的一种在igbt芯片上集成温度传感器多晶硅层的方法，通过直接在igbt芯片有源区的氧化层上形成温度传感器多晶硅层，从而避免温度传感器多晶硅层与半导体衬底之间被栅极多晶硅层隔离，提高了温度传感器的精度；而且，在制备温度传感器多晶硅层的过程中，先利用各向异性刻蚀工艺得到温度传感器多晶硅层，再利用各向同性刻蚀工艺去除多晶硅栅侧壁处的残余物，从而避免了晶圆内形成颗粒缺陷，保证了晶圆的质量。
17.附图说明
18.图1~图5显示为现有的在igbt芯片上集成温度传感器多晶硅层过程的剖面结构示意图。
19.图6显示为利用现有的方法形成的温度传感器多晶硅层的接触孔扫描电镜图。
20.图7显示为本发明在igbt芯片上集成温度传感器多晶硅层的方法流程图。
21.图8~图13显示为本发明在igbt芯片上集成温度传感器多晶硅层过程的剖面结构示意图。
22.图14显示为利用本发明所形成的多晶硅栅的扫描电镜图。
23.图15显示为利用本发明所形成的温度传感器多晶硅层的扫描电镜图。
24.图16显示为本发明第一干法刻蚀后形成的侧墙的扫描电镜图。
25.图17显示为利用本发明形成的温度传感器的俯视图。
26.图18显示为ntc温度传感器的温度—电压曲线图。
27.元件标号说明10、101
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半导体衬底20、102
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沟槽30
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第一二氧化硅层40
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栅极多晶硅层41、104
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多晶硅栅50
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第二二氧化硅层
60、300
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多晶硅层61
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温度传感器多晶硅层70
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光刻胶100
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半导体结构103
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第一氧化层200
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第二氧化层400
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侧墙500
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掩膜层
具体实施方式
28.以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
29.请参阅图1至图18。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，虽图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的形态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局形态也可能更为复杂。
30.图1~图5提供了一种在igbt芯片上集成温度传感器多晶硅层的方法所对应的结构示意图。
31.如图1所示，提供一具有沟槽20的半导体衬底10，并于所述沟槽20的底部、侧壁及所述半导体衬底10的上表面形成第一二氧化硅层30；于所述沟槽20内填充栅极多晶硅层40，并将所述栅极多晶硅层40延伸至所述第一二氧化硅层30的上表面；于所述栅极多晶硅层40的上表面形成第二二氧化硅层50；于所述第二二氧化硅层50的上表面形成多晶硅层60。
32.如图2所示，利用光刻胶70定义出所述温度传感器多晶硅层61的图形，并利用刻蚀工艺去除未被光刻胶70保护的多晶硅层60以形成所述温度传感器多晶硅层61。
33.如图3所示，去除所述温度传感器多晶硅层61上表面的光刻胶70。
34.如图4所示，利用光刻胶70保护所述温度传感器多晶硅层61以及定义出所述多晶硅栅41的图形，利用刻蚀工艺刻蚀所述栅极多晶硅层40直至漏出第一二氧硅层30以得到所述多晶硅栅41。
35.如图5所示，去除所述多晶硅栅41及所述温度传感器多晶硅层61上表面及侧壁的光刻胶。
36.上述制备温度传感器多晶硅层的方法是先定义出温度传感器多晶硅层，再定义出多晶硅栅，从而使得温度传感器多晶硅层与衬底之间通过所述栅极多晶硅隔开，导致温度传感器的灵敏度较差。而且，温度传感器多晶硅层与栅极多晶硅存在的台阶高度差会导致温度传感器多晶硅层的接触孔形态不好（如图6所示）。
37.如图7所示，本实施例提供了一种在igbt芯片上集成温度传感器多晶硅层的方法，所述方法包括：
提供一半导体结构100，包括半导体衬底101，形成于所述半导体衬底101中的沟槽102，形成于所述沟槽102的底部、侧壁及所述半导体衬底101上表面的第一氧化层103，及填充所述沟槽102并向沟槽102外延伸至部分所述第一氧化层103上表面的多晶硅栅104；于所述半导体结构100的上表面形成第二氧化层200；于所述第二氧化层200的上表面形成多晶硅层300；采用第一干法刻蚀工艺刻蚀所述多晶硅层300直至漏出所述第二氧化层200，以于所述多晶硅栅104预设距离处的有源区形成温度传感器多晶硅层310，同时于所述多晶硅栅104侧壁处形成侧墙400；采用第二干法刻蚀工艺进行刻蚀以去除所述侧墙400；其中，所述第一干法刻蚀工艺为各向异性刻蚀，所述第二干法刻蚀工艺为各向同性刻蚀。
38.下面结合图8~图13，对本实施例所述制备方法进行详细说明：如图8所示，提供一半导体结构100，包括半导体衬底101，形成于所述半导体衬底101中的沟槽102，形成于所述沟槽102的底部、侧壁和所述半导体衬底101上表面的第一氧化层103，及填充所述沟槽102并向沟槽102外延伸至部分所述第一氧化层103上表面的多晶硅栅104。
39.所述半导体衬底101包括但不限于硅衬底、氮化镓衬底、绝缘体上硅衬底.。可选地，本实施例中，所述半导体衬底为硅衬底。
40.具体的，所述第一氧化层103的材质包括氧化硅。本实施例中，所述第一氧化层的材质为二氧化硅。可通过热氧化工艺或者化学气相沉积工艺于所述沟槽102的底部、侧壁和所述半导体衬底101上表面形成所述第一氧化层103。
41.本实施例中，形成所述多晶硅栅104的具体过程为：在形成所述第一氧化层103后，利用栅极多晶硅层填充所述沟槽102，同时将所述栅极多晶硅层覆盖所述半导体衬底101上表面的第一氧化层103，之后利用光刻胶定义出所述多晶硅栅104的图形，再采用各向异性干法刻蚀工艺去除未被光刻胶保护的栅极多晶硅层以形成所述多晶硅栅104，最后再去除光刻胶。而在具体制备时，可通过化学气相沉积工艺生成所述栅极多晶硅层。而且，形成于所述沟槽102外的所述第一氧化层103上表面的所述栅极多晶硅层的厚度为5000
å
~15000
å
。可选地，本实施例中，所述栅极多晶硅层的沉积厚度为8000
å
（如图14所示）。
42.如图9所示，于所述半导体结构100的上表面形成第二氧化层200。
43.具体的，所述第二氧化层200的材质包括氧化硅。本实施例中，所述第二氧化层的材质为二氧化硅，可通过热氧化工艺或者化学气相沉积工艺形成所述第二氧化层200。而且，所述第二氧化层200的厚度与所述第一氧化层103的厚度可以相同，也可以不相同，具体制备过程中可根据需要进行选择。
44.如图10所示，于所述第二氧化层200的上表面形成多晶硅层300。本实施例中，可通过化学气相沉积的方法形成所述多晶硅层300。而且，所述多晶硅层300的厚度包括1500
å
~15000
å
。可选地，本实施例中所述多晶硅层300的厚度为6000
å
（如图15所示）。
45.如图11所示，采用第一干法刻蚀工艺刻蚀所述多晶硅层300直至漏出所述第二氧化层200，以于所述多晶硅栅104预设距离处的有源区形成温度传感器多晶硅层310，同时于所述多晶硅栅104侧壁处形成侧墙400。
46.具体的，在进行第一干法刻蚀工艺刻蚀所述多晶硅层300之前，所述方法还包括利用掩膜层500于所述第二氧化层200的上表面定义出所述温度传感器多晶硅层310的图形的步骤。本实施例中，所述掩膜层500的材质包括但不限于光刻胶。
47.更具体的，所述第一干法刻蚀工艺中的刻蚀气体包括六氟化硫（sf6）和氯气（cl2）。本实施例中，所述刻蚀气体六氟化硫的流量范围可选为30sccm~150sccm，所述氯气的流量范围可选为90sccm~110sccm，在实际制备过程中，所需刻蚀气体的流量范围可根据需要进行选择。
48.然而，在利用第一干法刻蚀工艺刻蚀多晶硅层300以在igbt芯片有源区形成所述温度传感器多晶硅层310的同时，会在所述多晶硅栅104的侧壁处形成侧墙400，而所述侧墙400为多晶硅残余（如图16所示），在后续制备工序（如湿法过程）中掉落，将导致晶圆（wafer）内形成严重的颗粒缺陷，因此需要进行去除。
49.如图12所示，采用第二干法刻蚀工艺进行刻蚀以去除所述侧墙400。
50.具体的，所述第二干法刻蚀工艺中的刻蚀气体包括溴化氢（hbr）、氯气（cl2）、四氟化碳（cf4）。本实施例中，刻蚀气体溴化氢的流量范围可选为150sccm~200sccm，所述刻蚀气体氯气的流量范围可选为150sccm~200sccm，所述刻蚀气体四氟化碳的流量范围可选为40sccm~50sccm，在实际制备过程中，所需刻蚀气体的流量范围可根据需要进行选择。进一步地，刻蚀气体还包括氧气（o2）和氦气（he）。
51.更具体的，在进行第二干法刻蚀工艺去除所述侧墙400时，利用所述掩膜层500保护所述温度传感器多晶硅层310。本实施例中，在进行第二干法刻蚀工艺时，所述掩膜层500边缘下的多晶硅被刻蚀掉，使得所述温度传感器传感器310的侧边形成一个弧面，因此，需要对所述温度传感器多晶硅层310的边界进行修饰。
52.如图13所示，所述方法还包括：采用第三干法刻蚀工艺对所述温度传感器多晶硅层310的边界形貌进行修饰的步骤，其中，所述第三干法刻蚀工艺为各向同性刻蚀。本实施例中，所述第三干法刻蚀工艺中的刻蚀气体包括溴化氢（hbr）、氯气（cl2）、四氟化碳（cf4）。本实施例中，刻蚀气体溴化氢的流量范围可选为150sccm~200sccm，所述刻蚀气体氯气的流量范围可选为150sccm~200sccm，所述刻蚀气体四氟化碳的流量范围可选为40sccm~50sccm，在实际制备过程中，所需刻蚀气体的流量范围可根据需要进行选择。进一步地，刻蚀气体还包括氧气（o2）和氦气（he）。
53.具体的，在进行第三干法刻蚀工艺之前，所述方法包括去除所述掩膜层500的步骤。
54.通过上述方法在igbt芯片有源区的上表面制备了ntc温度传感器，ntc温度传感器的存在能够实现对igbt芯片更好的保护，而且，通过设置多个ntc温度传感器可实现更加准确的监测。图17为多个ntc温度传感器的俯视图。图18示出了2个ntc温度传感器（ntc1和ntc2）的温度t与电压vf的曲线图，从图中可以看出，ntc1的电压变化与其温度变化的比值小于ntc2的电压变化与其温度变化的比值。
55.综上所述，本发明的提供一种在igbt芯片上集成温度传感器多晶硅层的方法，通过直接在igbt芯片有源区的氧化层上形成温度传感器多晶硅层，从而避免温度传感器多晶硅层和半导体衬底之间被栅极多晶硅层隔离，提高了温度传感器的精度；而且，在制备温度传感器多晶硅层的过程中，先利用各向异性刻蚀工艺得到温度传感器多晶硅层，再利用各
向同性刻蚀工艺去除多晶硅栅侧壁处的残余物，从而避免了晶圆内形成颗粒缺陷，保证了晶圆的质量。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
56.上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。