一种提高耐压和通流的功率器件栅极结构及工艺制备方法与流程

本发明涉及半导体芯片工艺制备领域，具体涉及一种提高耐压和通流的功率器件栅极结构及工艺制备方法。

背景技术：

1、栅结构是所有栅控型功率半导体器件通过驱动控制，实现开关功能的基础，也是弱电控制强电的关键部位。根据结构的不同，可分为平面型和沟槽型两种，通常是由栅氧、沟道、场效应区等组成，尤其是对于平面型栅结构，栅氧是承担栅压以及jfet区耗尽后漏极与栅极电压的主要电容性隔离介质。

2、对于高压(≥3300v)功率半导体器件如mosfet，igbt等大都采用平面栅结构：最上端是一层栅导电材料层，如多晶硅，主要作用是连接栅氧层与栅极金属pad；多晶硅下面一层是数十纳米厚的栅氧层，主要作用以电容介质的形式将上层多晶硅与下层源漏极导电路径隔开，如经过注入掺杂的碳化硅层，实现栅极与漏极隔离；在栅极和源极之间，也存在一层绝缘介质的侧墙，如二氧化硅，实现栅源隔离。

3、以n型mosfet的芯片元胞结构为例(图1)，在上层栅极多晶层施加正向电压，当该电压高于阈值电压，图中p-well沟道区的表面会形成足以使电子漂移通过的反型层，形成导电沟道，产生沟道电流，芯片开通。而栅氧则相当于绝缘介质层，阻止了栅极和沟道导通。在栅极电压降到阈值电压之后，沟道区的反型层变弱以至消失，阻止了n+区域的电子通过，而jfet场效应区的电子数量是有限的，将会被高电位侧抽空，形成耗尽区，并逐渐扩大而夹断漏源电流，导致芯片关断；因此，栅氧结构最核心的功能需求就是要承受不断变化的耐压，尤其是在芯片关断过程中，jfet耗尽区不断扩展时，要保证不被栅漏电压在jfet中心区域击穿，同时需要形成高质量的碳化硅/栅氧界面，以保持芯片低漏电、开关可靠性等。

4、栅氧工艺作为栅结构制备时的关键环节，通过高温热氧技术将碳化硅、硅半导体表面氧化形成极薄的氧化层，成膜质量、厚度及均匀性需要严格控制在极其苛刻的范围内，为了进一步提升栅结构的可靠性，需要结合实际要求，设计更加可靠的栅极结构和开发对应结构的可行性高质量工艺流程。

技术实现思路

1、为克服现有技术的不足，本发明提供了一种提高耐压和通流的功率器件栅极结构及工艺方法，本发明的栅极结构及其工艺制备可靠性和质量更高，均衡调制栅氧耐压和源漏极通流能力，提高平面栅控型功率芯片性能，本发明设计了适用的新型栅结构，同时基于工艺可行性，工艺流程更便捷。

2、本发明采用了如下的技术方案：

3、本发明的第一方面提供了一种提高耐压和通流的功率器件栅极结构，所述栅极结构包括如下模块：

4、(1)注入增强型的jfet区，通过高温注入形成；

5、(2)jfet区中心的沟槽栅氧，通过碳化硅热氧形成，与周围jfet区碳化硅通过原子级硅氧键连接；

6、(3)沟槽栅氧周围设置与jfet区类型相反的pn保护结，通过高温注入形成；

7、(4)jfet区上方设置栅氧层，通过碳化硅热氧形成，与jfet中心沟槽栅氧实现无界面连接，与下方jfet区通过原子级硅氧键连接。

8、进一步的，所述jfet区中心设置多个槽型氧化硅结构，在jfet区中心位置增加n注入浓度及p+注入条。

9、本发明的第二方面提供了一种提高耐压和通流的功率器件栅极结构的工艺制备方法，所述方法包括下列步骤：

10、步骤1、双层膜多晶硅缓冲层的lpcvd工艺：用于防止过刻蚀，及缓冲高温注入损伤；

11、步骤2、二氧化硅沉积工艺：在多晶硅膜上面，采用pecvd或lpcvd沉积工艺制备二氧化硅jfet区注入增强掩膜层；

12、步骤3、光刻工艺：hmds涂覆界面增粘，旋转涂胶、烘烤固化、曝光、显影，用于将光刻版图形转移到光刻胶掩膜上；

13、步骤4、二氧化硅刻蚀及清洗去胶工艺：实现光刻胶掩膜图形转移至二氧化硅注入掩膜；

14、步骤5、jfet区进行n型增强注入及二氧化硅掩膜腐蚀去除工艺：实现碳化硅外延层表面的jfet区的增强注入；

15、步骤6、晶圆外延层表明平坦化处理工艺：将晶圆表面损伤区层氧化形成二氧化硅，之后腐蚀去除，实现表面光滑和平整；

16、步骤7、氮化硅沉积及光刻、刻蚀工艺制备jfet区中心位置增强结构掩膜：采用pecvd或lpcvd工艺制备氮化硅层，通过光刻、干法刻蚀加湿法漂蚀工艺将jfet区中心区域p+注入图形转移至氮化硅掩膜上；

17、步骤8、jfet区中心位置高温干氧制备槽型氧化硅工艺：高温环境下将jfet区中心位置碳化硅外延表面氧化形成致密二氧化硅；

18、步骤9、jfet区中间二氧化硅下方p+注入工艺及氮化硅腐蚀工艺：高温p+离子注入制备jfet区增强结构；

19、步骤10、jfet区上方栅氧层工艺制备：在高温环境中采用干氧工艺制备栅氧层，并在一氧化氮气氛下进行高温退火致密。

20、进一步的，步骤1中，在晶圆外延层表面通过低压力化学气相沉积法沉积一层厚度均匀多晶硅。

21、进一步的，步骤2中，晶圆上通过沉积工艺制备厚度均匀二氧化硅掩膜层。

22、进一步的，步骤3中，光刻胶涂敷在带有二氧化硅掩膜层的晶圆表面，所述光刻方法包括如下步骤：

23、1)对晶圆二氧化硅上表面增粘处理；

24、2)在所述晶圆二氧化硅掩膜层表面，通过旋转涂覆一层厚度均匀的光刻胶薄膜，在适当的高温下烘烤适当时间，使得粘稠状的光刻胶薄膜中的部分液态溶剂挥发后变成不易流动的半凝固态；

25、3)所述曝光过程为通过带有光刻版设计图形的光刻机对晶圆表面的光刻胶薄膜进行适当时间的曝光，之后依次执行显影、高温清洗、甩干工序。

26、进一步的，步骤6中，碳化硅表面处理，包括采用热氧工艺对去除多晶后的碳化硅表面进行高温干氧，使表面被碳化硅外延层氧化，形成二氧化硅，之后使用二氧化硅腐蚀液清洗去除表层的二氧化硅。

27、进一步的，步骤7中，制备jfet区中心区域p+注入掩膜层，即在上述去除多晶的晶圆碳化硅外延层表面，再次沉积均匀厚度的氮化硅层用于热氧工艺掩膜，采用氮化硅干法刻蚀工艺，在光刻胶图形掩膜保护下，对氮化硅层进行干法刻蚀；然后执行湿法腐蚀工艺，在光刻胶图形掩膜保护下，用氮化硅腐蚀液腐蚀刻蚀区域剩余的氮化硅层，直至碳化硅外延层表面彻底暴露；最后通过清洗去胶工艺，去除光刻胶图形掩膜层，剩余氮化硅图形掩膜层。

28、进一步的，步骤8中，包括使用氮化硅高钝化掩膜结构，以及高温干氧制备jfet区中心位置槽型氧化硅结构；在上述氮化硅图形掩膜保护下，采用热氧工艺，将槽型区域暴露的jfet区中心位置碳化硅外延表面氧化形成二氧化硅。

29、进一步的，步骤9中，在氮化硅图形掩膜保护下，执行高温离子注入工艺，在所述jfet区中心区域被氧化的二氧化硅下方，形成p+注入区。

30、本发明的技术方案能够实现如下有益的技术效果：

31、1、本发明可有效提升栅氧结构耐压性能，有助于在通过增加jfet区而增加元胞通流能力。

32、2、本发明是完整的新栅氧结构设计及制备流程，用于mosfet及igbt等大功率芯片的高耐压栅结构工艺制备，提供高质量的抗击穿栅氧结构。

33、3、通过本发明的工艺流程，既可以保证栅氧结构在jfet区耗尽时的耐压性能，同时没有减弱jfet区域的通流能力，同时该结构的工艺流程简单可行，无需考虑该工艺流程与上下游工艺的兼容性，较好的提高了工艺质量，提高栅结构性能，其中最主要的表征参数为针对大通流能力的宽jeft区，该栅结构的耐压性能可提升至少60％以上。

34、4、本发明的结构有效的改善了栅结构的抗击穿性能，并且针对该结构开发了简单可行的栅氧结构工艺制备流程，可以与现有的mosfet及igbt芯片工艺全流程良好兼容。

35、5、本发明有效解决了栅控型功率器件栅结构的耐压抗击穿特性，同时保证了宽jfet区的大通流能力，并针对设计的栅结构开发了一套可行性的工艺流程，可兼容现行的mosfet、igbt等栅控型芯片全流程工艺制备，方便用于高性能栅氧结构量产芯片的制备。该方法可以提高宽jfet区通流能力，并使得栅结构的耐压能力可以增加40％以上。