專利名稱：半導(dǎo)體器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及一種設(shè)計用于高速、大功率應(yīng)用的半導(dǎo)體功率器件領(lǐng)域，具體地， 涉及具有垂直溝道和再生長p-n結(jié)柵極的場效應(yīng)晶體管(FET)以及具有再生長基極接觸區(qū)的雙極結(jié)型晶體管(BJT)的制造。
背景技術(shù)：
場效應(yīng)晶體管(FET)是一種通常用于弱信號放大(例如，用于放大無線信號)的晶體管。這種器件能夠放大模擬或數(shù)字信號。這種器件還能夠切換DC或起到振蕩器的作用。在這種FET中，電流沿著稱為溝道的半導(dǎo)體路徑流動。在溝道的一端，存在稱為源極的電極。在溝道的另一端，存在稱為漏極的電極。溝道的物理直徑是固定的，但是，它的有效電學(xué)直徑可通過向稱為柵極的控制電極施加電壓而改變。FET的導(dǎo)電率依賴于在任何給定的時間常數(shù)下的溝道的電學(xué)直徑柵極電壓的小變化就會導(dǎo)致從源極到漏極的電流的較大波動。FET就是這樣放大信號的。FET的柵極可以是金屬-半導(dǎo)體肖特基勢壘(MESFET)、p_n結(jié)(JFET)、或金屬-氧化物-半導(dǎo)體柵極(MOSFET)。p-n結(jié)FET (JFET)具有N型半導(dǎo)體(N溝道)或P型半導(dǎo)體(P溝道)材料的溝道和在該溝道上的相反半導(dǎo)體類型的半導(dǎo)體材料的柵極。金屬-半導(dǎo)體-場效應(yīng)晶體管(MESFET)具有N型或P型半導(dǎo)體材料的溝道和在該溝道上的肖特基金屬柵極。雙極結(jié)型晶體管(BJT)是具有兩個緊接的PN結(jié)的半導(dǎo)體器件。BJT具有典型為輕摻雜的薄中央?yún)^(qū)，該中央?yún)^(qū)公知為具有與周圍材料極性相反的主電荷載流子的基極(B)。器件的兩個外側(cè)區(qū)域公知為發(fā)射極(E)和集電極(C)。在適當(dāng)?shù)牟僮鳁l件之下，發(fā)射極將主電荷載流子注入到基極區(qū)中。因為基極較薄，所以這些電荷載流子的絕大多數(shù)將最終到達(dá)集電極。發(fā)射極典型為重?fù)诫s，以降低電阻，并且集電極典型為輕摻雜，以減小集電極-基極結(jié)的結(jié)電容。典型地采用離子注入技術(shù)來制造諸如FET和BJT的半導(dǎo)體器件。然而，離子注入需要高溫后注入退火，高溫后注入退火增加了制造器件所需的時間并且會對器件產(chǎn)生損傷。因此，仍然需要用于制造諸如FET和BJT的半導(dǎo)體器件的改進(jìn)方法
發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)第一實施方案，提供一種半導(dǎo)體器件的制造方法，該制造方法包括在第一導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體材料的源極/發(fā)射極層的上表面上設(shè)置掩模，其中所述源極/發(fā)射極層位于所述第一導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體材料的溝道層上或者與所述第一導(dǎo)電類型不同的第二導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體材料的基極層上，其中所述溝道層或基極層位于所述第一導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體材料的漂移層上，并且其中所述漂移層位于半導(dǎo)體襯底層上；通過所述掩模中的開口，選擇性地蝕刻穿過所述源極/發(fā)射極層并選擇性地蝕刻到下層的所述溝道層或基極層中，從而形成具有底面和側(cè)壁的一個或多個蝕刻出的部位；通過所述掩模中的開口，在所述蝕刻出的部位的所述底面和側(cè)壁上外延生長所述第二導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體材料，從而形成柵極區(qū)/基極接觸區(qū)，其中所述掩模阻止了在所 述源極/發(fā)射極層的掩蔽的上表面上的生長；隨后用平坦化材料填充所述蝕刻出的部位；蝕刻所述柵極區(qū)/基極接觸區(qū)，直至所述柵極區(qū)/基極接觸區(qū)不再與所述源極/發(fā)射極層接觸；以及去除在蝕刻所述柵極區(qū)/基極接觸區(qū)之后殘留的掩模和平坦化材料。根據(jù)第二實施方案，提供一種半導(dǎo)體器件的制造方法，該制造方法包括在第一導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體材料的源極/發(fā)射極層的上表面上設(shè)置蝕刻掩模，其中所述源極/發(fā)射極層位于所述第一導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體材料的溝道層上或者與所述第一導(dǎo)電類型不同的第二導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體材料的基極層上，其中所述溝道層或基極層位于所述第一導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體材料的漂移層上，并且其中所述漂移層位于半導(dǎo)體襯底層上；通過所述蝕刻掩模中的開口，選擇性地蝕刻穿過所述源極/發(fā)射極層并選擇性地蝕刻到下層的所述溝道層或基極層中，從而形成具有底面和側(cè)壁的一個或多個蝕刻出的部位；去除所述蝕刻掩模，從而暴露所述源極/發(fā)射極層的所述上表面；在所述源極/發(fā)射極層的所述上表面上并在所述蝕刻出的部位的所述底面和側(cè)壁上，外延生長所述第二導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體材料的柵極層/基極接觸層；隨后用第一平坦化材料填充所述蝕刻出的部位；蝕刻穿過在所述源極/發(fā)射極層的所述上表面上的所述柵極層/基極接觸層，從而暴露下層的源極/發(fā)射極層；去除在蝕刻穿過所述柵極層/基極接觸層之后殘留的第一平坦化材料；在所述源極/發(fā)射極層的所述上表面上并在所述蝕刻出的部位的底面上，各向異性地沉積干法蝕刻掩模材料；蝕刻所述干法蝕刻掩模材料，從而使在與所述源極/發(fā)射極層的所述上表面鄰近的、所述蝕刻出的部位的所述側(cè)壁上的柵極層/基極接觸層暴露；用第二平坦化材料填充所述蝕刻出的部位，從而使與所述蝕刻出的部位的所述側(cè)壁上的所述源極/發(fā)射極層鄰近的所述柵極層/基極接觸層暴露；蝕刻穿過與所述源極/發(fā)射極層鄰近的、所述蝕刻出的部位的所述側(cè)壁上暴露出的柵極層/基極接觸層，從而暴露下層的源極/發(fā)射極層，直至在所述蝕刻出的部位中殘留的所述柵極層/基極接觸層不再接觸所述源極/發(fā)射極層；以及去除在蝕刻穿過在所述蝕刻出的部位的所述側(cè)壁上暴露的柵極層/基極接觸層之后殘留的干法蝕刻掩模材料和第二平坦化材料。根據(jù)第三實施方案，提供一種半導(dǎo)體器件的制造方法，該制造方法包括在第一導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體材料的溝道層的上表面上，或者在與所述第一導(dǎo)電類型不同的第二導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體材料的基極層上設(shè)置蝕刻掩模，其中所述溝道層或基極層位于所述第一導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體材料的漂移層上，并且其中所述漂移層位于半導(dǎo)體襯底層上；通過所述蝕刻掩模中的開口，對所述溝道層或基極層進(jìn)行選擇性地蝕刻，從而形成具有底面和側(cè)壁的一個或多個蝕刻出的部位；去除所述蝕刻掩模，從而暴露所述溝道層或基極層的所述上表面； 在所述溝道層或基極層的所述上表面上并在所述蝕刻出的部位的所述底面和側(cè)壁上，外延生長所述第二導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體材料的柵極層/基極接觸層；隨后用第一平坦化材料填充所述蝕刻出的部位；蝕刻穿過在所述溝道層或基極層的所述上表面上的所述柵極層/基極接觸層，從而使柵極層/基極接觸層保留在所述蝕刻出的部位的所述底面和側(cè)壁上；去除在蝕刻穿過所述柵極層/基極接觸層之后殘留的第一平坦化材料；在所述溝道層或基極層的所述上表面上、并在所述蝕刻出的部位的所述底面和側(cè)壁上的所述柵極層/基極接觸層上，沉積再生長掩模層；隨后用第二平坦化材料填充所述蝕刻出的部位；蝕刻穿過在所述溝道層或基極層的所述上表面上的所述再生長掩模層，以暴露下層的溝道層或基極層，其中再生長掩模層保留在所述蝕刻出的部位的所述底面和側(cè)壁上的所述柵極層/基極接觸層上；去除在蝕刻穿過所述再生長掩模層之后殘留的第二平坦化材料；在所述溝道層或基極層的所述上表面上外延生長所述第一導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體材料的第一層，其中在所述蝕刻出的部位的所述底面和側(cè)壁上的所述柵極層/基極接觸層上殘留的所述再生長掩模層阻止了所述第一導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體材料的所述第一層的生長；在所述第一導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體材料的所述第一層上外延生長所述第一導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體材料的第二層，其中在所述蝕刻出的部位的所述底面和側(cè)壁上的所述柵極層/基極接觸層上殘留的所述再生長掩模層阻止了所述第一導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體材料的所述第二層的生長；以及去除殘留的再生長掩模層。根據(jù)第四實施方案，提供一種半導(dǎo)體器件的制造方法，該制造方法包括在第一導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體材料的源極/發(fā)射極層的上表面上設(shè)置蝕刻掩模，其中所述源極/發(fā)射極層位于所述第一導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體材料的溝道層上或者與所述第一導(dǎo)電類型不同的第二導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體材料的基極層上，其中所述溝道層或基極層位于所述第一導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體材料的漂移層上，并且其中所述漂移層位于半導(dǎo)體襯底層上；通過所述蝕刻掩模中的開口，選擇性地蝕刻穿過所述源極/發(fā)射極層并選擇性地蝕刻到下層的所述溝道層或基極層中，從而形成具有底面和側(cè)壁的一個或多個蝕刻出的部位；去除所述蝕刻掩模，從而暴露所述源極/發(fā)射極層的所述上表面；
在所述源極/發(fā)射極層的所述上表面上并在所述蝕刻出的部位的所述底面和側(cè)壁上，外延生長所述第二導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體材料的柵極層/基極接觸層；隨后用平坦化材料填充所述蝕刻出的部位；在所述源極/發(fā)射極層的所述上表面上并在與所述源極/發(fā)射極層接觸的所述蝕刻出的部位的所述側(cè)壁上，蝕刻穿過所述柵極層/基極接觸層，直至所述柵極層/基極接觸層不再與所述源極/發(fā)射極層接觸，其中柵極層/基極接觸層保留在所述蝕刻出的部位的所述底面上，并保留在與所述溝道層或基極層接觸的所述蝕刻出的部位的所述側(cè)壁上；以及去除在蝕刻穿過所述柵極層/基極接觸層之后殘留的平坦化材料。根據(jù)第五實施方案，提供一種半導(dǎo)體器件的制造方法，該制造方法包括 在第一導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體材料的源極/發(fā)射極層的上表面上設(shè)置蝕刻/再生長掩模，其中所述源極/發(fā)射極層位于所述第一導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體材料的溝道層上或者與所述第一導(dǎo)電類型不同的第二導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體材料的基極層上，其中所述溝道層或基極層位于所述第一導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體材料的漂移層上，并且其中所述漂移層位于半導(dǎo)體襯底層上；通過所述蝕刻/再生長掩模中的開口，選擇性地蝕刻穿過所述源極/發(fā)射極層并選擇性地蝕刻到下層的所述溝道層或基極層中，從而形成具有底面和側(cè)壁的一個或多個蝕刻出的部位；通過所述蝕刻/再生長掩模中的開口，在所述蝕刻出的部位的所述底面和側(cè)壁上外延生長所述第二導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體材料，從而形成柵極區(qū)/基極接觸區(qū)，其中所述蝕刻/再生長掩模阻止了所述源極/發(fā)射極層的掩模上表面的生長；選擇性地去除所述蝕刻/再生長掩模，從而暴露所述源極/發(fā)射極層的所述上表面；在蝕刻出的部位的底面上、并在所述源極/發(fā)射極層的所述上表面或所述蝕刻/再生長掩模中的任意一個之上，沉積干法蝕刻掩模材料；蝕刻所述干法蝕刻掩模材料，從而暴露所述蝕刻出的部位的所述側(cè)壁上的所述柵極區(qū)/基極接觸區(qū)的頂部部分；用平坦化材料填充所述蝕刻出的部位，從而使在所述蝕刻出的部位的所述側(cè)壁上的所述柵極區(qū)/基極接觸區(qū)的所述頂部部分保持暴露狀態(tài)；蝕刻穿過與所述源極/發(fā)射極層相鄰的所述蝕刻出的部位的所述側(cè)壁上暴露的柵極層/基極接觸層，從而暴露下層的源極/發(fā)射極層，直至在所述蝕刻出的部位中殘留的所述柵極層/基極接觸層不再接觸所述源極/發(fā)射極層；以及去除在蝕刻穿過在所述蝕刻出的部位的所述側(cè)壁上暴露的柵極層/基極接觸層之后殘留的蝕刻/再生長掩模和平坦化材料。


圖1A-1G示出了以下兩者的制造利用還兼作為自對準(zhǔn)干法蝕刻掩模的自對準(zhǔn)再生長掩模、通過選擇性再生長形成的具有P-n結(jié)柵極的垂直溝槽FET ;或者利用還兼作為自對準(zhǔn)干法蝕刻掩模的自對準(zhǔn)再生長掩模、通過選擇性再生長形成的具有基極接觸區(qū)的BJT。
圖2A-2K示出了以下兩者的制造利用自對準(zhǔn)的后再生長蝕刻掩模敷金屬、通過再生長和深蝕刻形成的具有p-n結(jié)柵極的垂直溝槽FET ;或者利用自對準(zhǔn)的后再生長蝕刻掩模敷金屬、通過再生長和深蝕刻形成的具有基極接觸區(qū)的BJT。圖3A-3K示出了以下兩者的制造通過柵極的再生長、隨后通過相反導(dǎo)電類型材料的深蝕刻和選擇性再生長以形成源極指的頂部而形成的具有P-n結(jié)柵極的垂直溝槽FET;或者通過再生長、隨后通過相反導(dǎo)電類型材料的深蝕刻和選擇性再生長以形成發(fā)射極區(qū)而形成的具有基極接觸區(qū)的BJT。圖4A-4E示出了以下兩者的制造通過再生長形成的的具有p_n結(jié)柵極的SiC垂直溝槽FET，其中通過源極外延層的頂部和側(cè)面的、對柵極外延的各向同性離子減薄使得柵極層與源極分隔開；或者通過再生長形成的具有基極接觸區(qū)的BJT，其中通過發(fā)射極外延層的頂部和側(cè)面的、對基極接觸外延的各向同性離子減薄使得基極接觸層與發(fā)射極分隔開。此方法還利用了平坦化掩模材料，以保護(hù)在蝕刻部位的底部和側(cè)面上的柵極或基極接 觸外延。圖5A-5I示出了以下兩者的制造通過利用自對準(zhǔn)再生長掩模的選擇性再生長和利用自對準(zhǔn)的后再生長蝕刻掩模敷金屬的深蝕刻而形成的具有P-n結(jié)柵極的垂直溝槽FET ;或者通過利用自對準(zhǔn)再生長掩模的選擇性再生長和利用自對準(zhǔn)的后再生長蝕刻掩模敷金屬的深蝕刻而形成的具有基極接觸區(qū)的BJT。參考標(biāo)號I、n+襯底(例如，SiC);2、n_ 漂移層(例如，SiC)；3、n-溝道層(例如，SiC)；4、n+ 源極層(例如，SiC)；5、再生長掩模材料(例如，TaC)；6、干法蝕刻掩模(例如，Ni);7、外延再生長p+層(例如，SiC)；8、平坦化材料(例如，可流動的光刻膠);9、適于干法蝕刻掩模的電子束沉積的金屬(例如，Al)；10、平坦化材料(例如，可流動的光刻膠)；11、平坦化材料(例如，可流動的光刻膠)；12、各向同性或準(zhǔn)各向同性的再生長掩模(例如，TaC)；13、平坦化材料(例如，可流動的光刻膠)；14、再生長n-層(例如，SiC)；15、再生長n+源極接觸層(例如，SiC)；16、源極歐姆接觸金屬(例如，Ni)；17、柵極歐姆接觸金屬(例如，Ni)；18、p 基極層；19、n+發(fā)射極層。
具體實施方式
根據(jù)一個實施方案，本申請關(guān)注具有再生長p-n柵極的JFET。根據(jù)進(jìn)一步的實施方案，本申請關(guān)注具有再生長基極接觸層的雙極結(jié)型晶體管(BJT)。JFET可形成有垂直或水平溝道的任何一種。垂直溝道器件具有高溝道填充密度的優(yōu)點(參見，例如，美國專利第4587712號)。高溝道填充密度體現(xiàn)為大功率密度，特別是在襯底的背面上形成漏極接觸時。本申請描述了垂直溝道的形成，并且為了便于說明，假設(shè)在晶片的背面上具有漏極接觸。然而，還提供了具有垂直溝道和頂側(cè)漏極接觸的器件。在半導(dǎo)體器件的制造之中需要自對準(zhǔn)工藝，因為此類工藝消減了精確構(gòu)圖再對準(zhǔn)的成本，并消除了解決構(gòu)圖未對準(zhǔn)所消耗的材料區(qū)域。最小化額外的區(qū)域還幫助減少器件寄生效應(yīng)。具有注入柵極的垂直溝槽JFET適當(dāng)?shù)卦试S直接自對準(zhǔn)工藝，因為用于限定源極區(qū)的蝕刻掩模也可被用于限定在柵極注入期間所采用的離子注入掩模(美國專利第6767783號[2]、[3])。在SiC中，n型材料具有比具有相同摻雜濃度的p型材料更低的電阻率，并且n型材料產(chǎn)生具有更低的接觸電阻的歐姆接觸。因此，N型導(dǎo)電率是用于SiC的JFET的源極區(qū)、溝道區(qū)、漂移區(qū)和漏極區(qū)的選擇的導(dǎo)電率。對于n型溝道，柵極必須是p型， 反之亦然。用于SiC的示例性的p型摻雜物是鋁和硼，優(yōu)選為鋁。為了在SiC中產(chǎn)生良好的注入P型區(qū)，可以在升高的溫度下(典型為高于600°C)進(jìn)行注入。此外，晶片必須在高溫下進(jìn)行退火，以激活注入的摻雜物。用于激活注入的鋁所需的典型溫度為高于1600°C。升高溫度注入和高溫激活退火會顯著地減慢用于完成器件的周期。此外，注入的材料還會在注入物之下和側(cè)面導(dǎo)致“碰撞”損傷，這使得半導(dǎo)體的晶體質(zhì)量劣化。因此，有利地，采用利用了由再生長p型材料制造的柵極的工藝。美國專利第6767783號記載了具有外延?xùn)艠O的多種JFET的基本原理。本申請描述了用于制造具有外延?xùn)艠O的JFET和具有外延再生長基極接觸區(qū)的BJT的各種技術(shù)。盡管這些技術(shù)被描述為用于制造SiC器件，但是這些技術(shù)也可用于制造除了 SiC之外的半導(dǎo)體材料的JFET。可在任意定向結(jié)晶的n型、p型或半絕緣的SiC襯底上，形成在下文中描述的本發(fā)明的各種實施方案。為了說明，將描述在n型襯底上制備的器件。描述的方法旨在用于具有在晶片的背面上制造的漏極接觸的器件。然而，可以使用附加步驟制備具有頂側(cè)漏極接觸的器件。用于形成頂側(cè)漏極接觸的方法是公知的，因此在此將不再進(jìn)行描述。用于在SiC中生長不同半導(dǎo)體層的優(yōu)選方法是通過CVD。然而，所描述的技術(shù)不必排除其它生長技術(shù)的使用，包括，例如升華。在任何其它工藝(即，構(gòu)圖，蝕刻)之前在晶片上生長的外延層將被稱為“生長”。在已經(jīng)開始一定量的器件工藝之后生長的外延層將被稱為“再生長”。在圖1A-1D中，示出了具有選擇性再生長p-n結(jié)柵極的SiC垂直溝槽場效應(yīng)晶體管(FET)或具有選擇性再生長基極接觸區(qū)的BJT的制造方法。如圖所示，初始襯底材料為n+摻雜。需要重?fù)诫s，以確保襯底本身的低電阻，并且是為了形成良好的背面歐姆接觸。在圖IA中，在導(dǎo)電n+襯底I上外延生長輕摻雜的n_漂移層2?？梢栽谄茖拥纳L之前，在襯底上生長n型緩沖層。對于器件工作的物理特性，緩沖層不是本質(zhì)的，但緩沖層可用于促進(jìn)隨后的器件外延層的良好外延生長。n-漂移層的摻雜和厚度應(yīng)當(dāng)適合于當(dāng)將該層的電阻保持至最小值時承受最大期望閉鎖電壓(blocking voltage) 0漂移層摻雜濃度典型為在I X IO14個原子/cm3和5X IO16個原子/cm3之間。如圖I所示，在漂移層2上，外延生長n型溝道層3。溝道層3典型地比漂移層2更高地?fù)诫s?？蓪υ搶舆M(jìn)行優(yōu)化，以獲得具有最大溝道導(dǎo)電率的所需的夾斷電壓(pinch offvoltage)。然而，對于一些應(yīng)用，溝道層3可以具有與漂移區(qū)2相同的摻雜，由此消除對于附加溝道外延層3的需求(即，如圖I所示的溝道層和漂移層可以是一個單層)。合并層2和層3不改變器件的基本功能。對于溝道層3，典型的摻雜濃度處于I X IO15個原子/cm3和I X IO18個原子/cm3之間的范圍。如圖所示，在溝道層3的頂部，生長重?fù)诫s的n+源極層4。該層的重?fù)诫s提高了源極歐姆接觸質(zhì)量。該層還作為在溝道損耗過程中的場欄。層4的摻雜濃度應(yīng)當(dāng)為至少I X I O18個原子/cm3，但優(yōu)選地大于I X IO19個原子/cm3?？梢愿淖儗?、3和4的厚度，以獲得具有所需特性的器件。如圖IB所示，在源極層4的頂部上對再生長掩模5和干法蝕刻掩模6進(jìn)行構(gòu)圖，并且再生長掩模5和干法蝕刻掩模6限定出源極指(source finger)。再生長掩?？梢杂蛇m于承受外延生長工藝的溫度和化學(xué)條件的任意材料制成，該材料將防止在被再生長掩模覆蓋的SiC區(qū)域上生長，且不易在掩模材料自身的頂部上生長SiC。適當(dāng)?shù)难谀２牧系囊粋€實例是TaC[l]。應(yīng)當(dāng)直接在5的頂部上對干法蝕刻掩模6進(jìn)行構(gòu)圖，并且干法蝕刻掩模6可被用作為圖案5的干法蝕刻掩模。如果需要，干法蝕刻掩模6的厚度應(yīng)當(dāng)足以用于蝕刻穿過除了再生長掩模5之外的SiC層4，且完全或部分地穿過層3。干法蝕刻掩模還應(yīng)當(dāng)由可按以下方式去除的材料制成，即足夠的再生長掩模5可進(jìn)行以下工藝步驟。示例性的干法蝕刻掩模是鎳金屬?？蛇x擇地，可采用包括還作為干法蝕刻掩模材料的再生長掩模材料的單層掩模，以代替圖IB所不的再生長掩模5和干法蝕刻掩模6。接著，如圖IC所示，穿過n+層4并穿過溝道層3，對未被層5和6覆蓋的SiC區(qū)域進(jìn)行干法蝕刻。理想地，SiC干法蝕刻應(yīng)當(dāng)完全地蝕刻穿過層3，而不蝕刻到漂移層2中。然而，未完全蝕刻穿過3或者蝕刻到2中，都不會改變所制備器件的基本功能，并且不會對進(jìn)一步的處理步驟產(chǎn)生影響。干法蝕刻還應(yīng)當(dāng)基本為各向異性，以使所獲得的SiC結(jié)構(gòu)的側(cè)壁主要是垂直的?？山邮苄×康膬A斜。在圖ID所示的SiC干法蝕刻之后，去除干法蝕刻掩模6，并將再生長掩模5留在源極指的頂部上。在去除干法蝕刻掩模6之后，在未被再生長掩模材料5覆蓋的SiC區(qū)域之上外延生長P型SiC層7。此p層7形成晶體管的p-n結(jié)柵極。再生長p層的厚度可以足夠厚，以填充各源極指之間的區(qū)域，或者僅僅厚到足以覆蓋如圖ID所示的溝槽的側(cè)面和底部。如果在各源極指之間將沉積一種歐姆接觸金屬，則優(yōu)選生長更薄的P層。如果需要柵極歐姆金屬，那么柵極外延層的厚度應(yīng)當(dāng)足夠厚，以使在歐姆接觸形成期間歐姆金屬不會阻擋穿過。大于IOOnm的厚度是足夠的，但是層7可以被生長得更厚，以使歐姆接觸阻擋的風(fēng)險最小。最大的厚度依賴于柵極溝槽的深度和寬度。接著，用平坦化物質(zhì)8涂覆晶片。此物質(zhì)可以是在源極指的頂部上的沉積比在源極指之間處且在此區(qū)域中更薄的任何材料。理想地，平坦化材料的表面應(yīng)當(dāng)越過晶片盡可能接近相同的水平。某些類型的光刻膠能夠很好地實現(xiàn)此目的，例如Microposit L0R20B。平坦化工藝的一個實例是旋涂光刻膠，然后烘焙光刻膠，從而使光刻膠回流，以留下幾乎平坦的表面。也可以采用平坦化的其它方法。為了便于說明，所描述的工藝將包括利用旋涂光刻膠的平坦化。在應(yīng)用平坦化層之后，采用適合的蝕刻方法選擇性深蝕刻平坦化層，從而使包括如圖IE所示的再生長p層7的頂部的源極指的頂部暴露。用于蝕刻平坦化光刻膠的適合的蝕刻方法是氧等離子體蝕刻。
如圖IF所示，在對平坦化層8進(jìn)行深蝕刻之后，向下對層7的暴露部分進(jìn)行干法蝕刻，直至沒有任何再生長柵極層7與重?fù)诫sn+層4接觸。必須少量的過蝕刻，以提高由柵極和溝道層形成的P-n結(jié)的最大反向電壓。在蝕刻SiC層7期間，還將蝕刻一定量的平坦化層8和再生長掩模層5。層5和8的去除量將依賴于所采用的材料和所采用的SiC干法蝕刻參數(shù)。層5的厚度應(yīng)當(dāng)使得在蝕刻厚度足以用于形成歐姆接觸之后保留有一定量的層4。在蝕刻期間層8也應(yīng)保留一些，以保護(hù)溝槽底部中的柵極外延。如果在SiC蝕刻期間層8的蝕刻速率太快，就再次沉積并深蝕刻層8。如圖IG所示，一旦柵極層不再與n+源極層接觸，則通過任何適合的濕法或干法蝕刻方法，使任何保留的再生長掩模5和平坦化層8剝離。這樣，就形成了所有的SiC層。用于形成源極、柵極和漏極接觸以及用于沉積或生長鈍化膜的標(biāo)準(zhǔn)方法是根據(jù)這一點得出的。在層4上的源極指的頂部制造源極接觸，在層7制造柵極接觸，并在襯底層I制造漏極接觸。圖1A-1G還說明了制造BJT的相應(yīng)方法，其中用p型半導(dǎo)體材料18代替n型溝道層3，其形成器件的基極。在此器件中，n型層19形成發(fā)射極，且p型再生長層7起到了基極接觸的作用。在發(fā)射區(qū)19的頂部制造發(fā)射極接觸，在層7制造基極接觸，并在襯底層I制造漏極接觸。圖2A-2K示出了制造具有利用自對準(zhǔn)的后外延生長蝕刻掩模敷金屬通過外延再生長和深蝕刻而形成的p-n結(jié)柵極的SiC垂直溝槽FET。在此工藝中，如圖2A所示，在導(dǎo)電的n+襯底上外延生長漂移2、溝道3和源極4。然而，與圖1A-1G中描述的工藝不同，如圖2B所示，對干法蝕刻掩模6進(jìn)行構(gòu)圖，以限定出源極區(qū)而不用在下面再生長掩模。然后，按照與圖I中描述的相同方式，向下蝕刻暴露的SiC，從而限定出源極區(qū)和溝道區(qū)。圖2C示出了所獲得的結(jié)構(gòu)。
接著，如圖2D所示，剝離蝕刻掩模6，并在整個蝕刻的表面上生長P型SiC層7。層7的厚度和各源極指之間的間距應(yīng)當(dāng)使得在層7的再生長過程中，各源極指之間的空間被不完全填充。然后，如圖2E所示，沉積并深蝕刻平坦化層8，以使僅僅在各源極指的頂部上的SiC層7暴露。然后，如圖2F所示，采用SiC干法蝕刻，以從n+源極層4的頂部去除p型SiC層7。然后，去除任何殘留的平坦化層8 (未示出)。這樣，就能夠進(jìn)行源極、柵極和漏極歐姆接觸的形成，但是這里并未示出這種選擇，且還可以在此后的工藝流程中形成。接著，各向異性地沉積干法蝕刻掩模材料9，以使在源極指的側(cè)面上沉積非常少的掩模材料。如圖2G所示，一個實例是通過電子束蒸發(fā)沉積的Al金屬。那么，如圖2H所示，通過濕法或干法工藝中的任何一種工藝，各向同性地蝕刻此掩模層9，直至掩模材料已縮減至足以沿著源極指的側(cè)面暴露出柵極層7。掩模層9應(yīng)當(dāng)被沉積得足夠厚，從而在已經(jīng)獲得所需量的水平凹槽之后，使蝕刻掩模材料具有足夠的垂直厚度，以使蝕刻掩模材料被用作為SiC干法蝕刻掩模。然后，如圖21所示，沉積并深蝕刻平坦化層10，以暴露出源極指的頂部，包括在源極指的側(cè)面上的層7的頂部部分。可以顛倒圖2H和21中描述的工藝的順序。然后，如圖2J所示，對層7的暴露部分向下進(jìn)行干法蝕刻，直至沒有任何層7與n+源極層4接觸?？梢圆捎么_定量的過蝕刻，以增加源極至柵極p-n結(jié)的最大反向電壓。如果在沉積層9和10之前，在源極指的頂部上形成歐姆接觸，那么就必須在進(jìn)行SiC蝕刻之前首先蝕刻去掉暴露出的歐姆接觸敷金屬。層9和10應(yīng)當(dāng)足夠厚，從而在SiC蝕刻期間保護(hù)源極指的頂部和柵極溝槽的底面。然后，剝離平坦化層10和自對準(zhǔn)蝕刻掩模9，并且器件已準(zhǔn)備好接受歐姆接觸和鈍化。如果在最后的SiC蝕刻之前形成歐姆接觸，則可以保留自對準(zhǔn)蝕刻掩模9以作為在源極和柵極歐姆接觸的頂部上的附加敷金屬。圖2A-2K還說明了制造BJT的相應(yīng)方法，其中用形成器件的基極的p型半導(dǎo)體材料18的層代替溝道層3。在此器件中，n型層19形成發(fā)射極，且p型再生長層7起到了基極接觸的作用。圖3A-3K示出了制造具有p-n結(jié)柵極的SiC垂直溝槽FET，該p-n結(jié)柵極是通過外延再生長P型材料、隨后對附加溝道外延和n+源極層進(jìn)行深蝕刻和再生長而形成的。在此工藝中，最初在襯底I上僅生長漂移層2和溝道層3。然后，如圖3A所示，在層3的頂部上 對干法蝕刻掩模6進(jìn)行構(gòu)圖，以限定出源極指的位置。如圖3B所示，對暴露出的SiC向下進(jìn)行干法蝕刻，穿過溝道層3。然后，如圖3C所示，剝離干法蝕刻掩模6，并再生長p型SiC層7。如圖3D所示，通過首先沉積并深蝕刻平坦化層11，然后對暴露出的SiC進(jìn)行干法蝕刻，直至如圖3E所示，在指的頂部上暴露出溝道層3，從而使p型SiC從指的頂部除去。如圖3F所示，在已經(jīng)去除殘留層11之后，沉積各向同性或準(zhǔn)各向同性的再生長掩模12，從而在水平和垂直SiC表面上沉積掩模材料。如圖3G所示，沉積并深蝕刻第二平坦化層13，以暴露出在源極指的頂部的層12。然后，利用適合的干法或濕法蝕刻、隨后剝離平坦化的涂覆層13，蝕刻掉暴露出的再生長掩模12。圖3H中示出了所獲得的結(jié)構(gòu)。接著，如圖31所示，僅在已經(jīng)去除再生長掩模12處的指的頂部上再生長n型層14，并在層14的頂部上生長附加的n+型SiC層15，此后將在層14上形成源極歐姆接觸。層14的目的在于，使p型柵極層7與重?fù)诫sn+層15分隔開。這防止了當(dāng)形成p+-n+結(jié)時導(dǎo)致的柵極至源極P-n結(jié)的低反向擊穿。因此，層14的厚度和摻雜應(yīng)當(dāng)使得在層7和14之間形成的結(jié)的反向擊穿高于夾斷器件溝道所需的電壓。如圖3J所示，在層14和15的再生長之后，可剝離再生長掩模。由于再生長工藝某種程度的各向同性特征，將在源極指的側(cè)面上呈現(xiàn)出一定量的突出物。突出物的量依賴于層14和15的厚度。如果沉積金屬的方法具有某種方向性，則在歐姆敷金屬和敷鍍敷金屬期間，突出物將防止金屬在指側(cè)壁上沉積。在這種情況下，可同時沉積柵極和源極金屬，而不需要附加構(gòu)圖，并將顯著地減少從柵極至源極的金屬短路的風(fēng)險。圖3K中示出了利用再生長突出物的自對準(zhǔn)金屬沉積。此外，如果以顯著大于突出物之間間距的厚度來沉積敷鍍金屬，則在突出物之間的縫隙就會完全接近于形成自對準(zhǔn)空氣橋結(jié)構(gòu)。電鍍和濺射是適合于密閉各源極指之間的縫隙的兩種方法，因為這兩種方法都具有一定程度的橫向沉積。圖3A-1K還說明了制造BJT的相應(yīng)方法，其中利用p型半導(dǎo)體材料18的層代替溝道層3，p型半導(dǎo)體材料18形成了器件的基極。在此器件中，n型層15形成發(fā)射極，且p型再生長層7起到了基極接觸區(qū)的作用?？稍谝r底I的背面形成集電極接觸。圖4A-4E示出了制造具有p-n結(jié)柵極的SiC垂直溝槽FET, p_n結(jié)柵極是通過外延再生長柵極層、隨后利用平坦化掩模材料采用各向同性干法蝕刻從源極外延選擇性地蝕刻柵極外延而形成的。在此工藝中，在襯底I上生長漂移層2、溝道層3和源極層4。對干法蝕刻掩模6進(jìn)行構(gòu)圖，以限定出源極區(qū)。然后，如圖4A所示，對暴露出的SiC向下進(jìn)行干法蝕刻，穿過源極層4和溝道層3。然后，如圖4B所示，剝離干法蝕刻掩模6，并再生長p型SiC 層 7。如圖4C所示，沉積平坦化材料8，并選擇性地對平坦化材料8向下進(jìn)行干法蝕刻，直至低于源極接觸層4的高度。然后，如圖4D所示，采用適合的干法蝕刻，干法蝕刻掉暴露出的柵極外延7。干法蝕刻應(yīng)當(dāng)是足夠各向同性的，從而以大致相同的時間從源極指的側(cè)面和頂部去除柵極材料。干法蝕刻還應(yīng)當(dāng)在掩模材料8和SiC層7之間具有適當(dāng)?shù)倪x擇性。如果平坦化掩模的蝕刻速率明顯比SiC蝕刻速率更快，則可重復(fù)平坦化掩模工藝必需的次數(shù)，以完成蝕刻。用于此工藝的優(yōu)選的干法蝕刻技術(shù)是在系統(tǒng)中的離子減薄，其中可在蝕刻期間改變離子轟擊的離子轟擊的入射角，從而蝕刻暴露出的SiC層7的所有面。用于實現(xiàn)此過程的優(yōu)選方法是在旋轉(zhuǎn)臺上裝配待蝕刻的樣品，旋轉(zhuǎn)臺的軸與轟擊離子的入射角呈一定角度。
如圖4E所示，在已經(jīng)蝕刻樣品以使柵極層I不與重?fù)诫s的源極層4接觸之后，通過適合的濕法或干法方法，去除平坦化掩模8。這樣，器件就準(zhǔn)備好用于適合于之前描述的其它設(shè)計的任何鈍化和接觸敷金屬。圖4A-4E還說明了制造BJT的相應(yīng)方法，其中利用p型半導(dǎo)體材料18的層代替溝道層3，p型半導(dǎo)體材料18形成了器件的基極。在此器件中，n型層19形成發(fā)射極，且p型再生長層7起到基極接觸的作用。上述圖1、2、3和4中說明的制備工藝是用于制造具有場效應(yīng)柵極的垂直晶體管。如上所述，可以修改這些相同工藝，從而通過用P型基極層18代替n型溝道層來制備雙極結(jié)型晶體管(BJT)。在這些器件中，圖1、2和4的源極層4以及圖3的源極接觸層15將作為發(fā)射極層。那么，將進(jìn)行限定出源極指的第一蝕刻，直至暴露出P型基極層之下的n型漂移層。剩余步驟剛好與用于場效應(yīng)器件所說明的那些工藝相同。圖5A-5I說明了制造具有p-n結(jié)柵極的SiC垂直溝槽FET，p_n結(jié)柵極是通過采用再生長掩模材料的選擇性外延生長以及采用自對準(zhǔn)后外延生長蝕刻掩模敷金屬的深蝕刻而形成的。如圖5A所示，在此工藝中，在導(dǎo)電的n+襯底I上外延生長漂移層2、溝道層3和源極層4。如圖5B所示，在源極層4的頂部上對再生長掩模5和干法蝕刻掩模6進(jìn)行構(gòu)圖，再生長掩模5和干法蝕刻掩模6限定出源極指。可以直接在5的頂部上對干法蝕刻掩模6進(jìn)行構(gòu)圖，而且干法蝕刻掩模6可用作為圖案5的干法蝕刻掩模。接著，如圖5C所示，對未被層5和6覆蓋的SiC區(qū)進(jìn)行干法蝕刻，穿過n+層4并穿過溝道層3。理想地，SiC干法蝕刻應(yīng)當(dāng)完全蝕刻穿過層3而不蝕刻進(jìn)入漂移層2中。然而，不完全穿過層3蝕刻或蝕刻進(jìn)A 2并不會改變所制備的器件的基本功能，也不會對進(jìn)一步的處理步驟產(chǎn)生影響。干法蝕刻還應(yīng)當(dāng)主要為各向異性蝕刻，以使所獲得的SiC結(jié)構(gòu)的側(cè)壁幾乎垂直。少量的傾斜是可以接受的。在如圖所示的SiC干法蝕刻之后，去除干法蝕刻掩模6，同時在源極指的頂部上保留再生長掩模5。在去除了干法蝕刻掩模6之后,在未被再生長掩模材料5覆蓋的SiC區(qū)之上，外延生長P型SiC層7。此p層7形成晶體管的p-n結(jié)柵極。
接著，如圖5E所示，各向異性地沉積干法蝕刻掩模材料9，以使在源極指的側(cè)面上沉積非常少的掩模材料。在沉積干法蝕刻掩模材料9 (未示出)之前，可選地去除再生長掩模5。然而，有利的是，將再生長掩模5留在適當(dāng)?shù)奈恢?，以在此后的蝕刻步驟過程中提供保護(hù)。然后，如圖5F所示，通過濕法或干法工藝中的任何一種，各向同性地蝕刻掩模層9，直至掩模材料減少至足以沿著源極指的側(cè)面暴露出柵極層7。應(yīng)當(dāng)將掩模層9沉積得足夠厚，從而在已經(jīng)獲得所需量的水平凹槽之后，使蝕刻掩模材料具有足夠的垂直厚度，以用作為SiC干法蝕刻掩模。然后，如圖5G所示，沉積并深蝕刻平坦化層10，以暴露出源極指的頂部，包括在源極指的側(cè)面上的層7的頂部部分?？梢灶嵉箞D5F和5G中說明的工藝的順序。然后，如圖5H所示，對層7的暴露部分向下進(jìn)行干法蝕刻，直至沒有任何層7與n+源極層4接觸?？梢圆捎靡欢康倪^蝕刻，以增加源極至柵極p-n結(jié)的最大反向電壓。如果在沉積層9和10之前，在源極指的頂部上形成歐姆接觸，則必須在進(jìn)行SiC蝕刻之前，首先蝕刻掉暴露出的歐姆接觸敷金屬。層9和10應(yīng)當(dāng)足夠厚，以在SiC蝕刻期間保護(hù)源極指的頂部和柵極溝槽的底面。 然后，如圖51所示，剝離平坦化層10、再生長掩模5 (如果存在)和自對準(zhǔn)蝕刻掩模9，并且器件已準(zhǔn)備好接受歐姆接觸和鈍化。如果在最后的SiC蝕刻之前形成歐姆接觸，則可保留自對準(zhǔn)蝕刻掩模9，以作為源極和柵極歐姆接觸頂部的附加敷金屬。圖5A-5I還說明了制造BJT的相應(yīng)方法，其中利用p型半導(dǎo)體材料18的層代替溝道層3，p型半導(dǎo)體材料18形成了器件的基極。在此器件中，n型層19形成發(fā)射極，且p型再生長層7起到了基極接觸的作用。雖然前面的說明利用用于說明目的的實例教導(dǎo)了本發(fā)明的原理，本領(lǐng)域技術(shù)人員通過閱讀本說明書應(yīng)當(dāng)清楚，在不脫離本發(fā)明的實質(zhì)范圍就能夠進(jìn)行形式上和細(xì)節(jié)上的各種變化。
權(quán)利要求
1.一種半導(dǎo)體器件，包括 半導(dǎo)體襯底層； 第一導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體材料的漂移層，位于所述半導(dǎo)體襯底層上； 一個或多個凸起區(qū)域，位于所述漂移層上，其中所述一個或多個凸起區(qū)域中的每個均包括第一導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體材料的發(fā)射極層，所述發(fā)射極層位于與所述第一導(dǎo)電類型不同的第二導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體材料的基極層上，其中所述基極層位于所述漂移層上，并且其中所述凸起區(qū)域具有包括所述基極層的下側(cè)壁部和包括所述發(fā)射極層的上側(cè)壁部；以及 一個或多個外延基極接觸區(qū)，包括鄰近所述凸起區(qū)域位于所述漂移層上的以及位于所述一個或多個凸起區(qū)域的所述下側(cè)壁部上的、第二導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體材料，其中所述外延基極接觸區(qū)不與所述發(fā)射極層接觸。
2.如權(quán)利要求I所述的半導(dǎo)體器件，其中所述第一導(dǎo)電類型是n型，并且其中所述第二導(dǎo)電類型是P型。
3.如權(quán)利要求2所述的半導(dǎo)體器件，其中所述襯底是n型襯底。
4.如權(quán)利要求I所述的半導(dǎo)體器件，其中 所述漂移層具有I X IO14至I X IO17個原子/cm3的摻雜濃度； 所述基極層具有I X IO15至I X IO18個原子/cm3的摻雜濃度； 所述發(fā)射極層具有大于I X IO18個原子/cm3的摻雜濃度；和/或 所述外延基極接觸區(qū)具有大于I X IO18個原子/cm3的摻雜濃度。
5.如權(quán)利要求I所述的半導(dǎo)體器件，其中所述外延基極接觸區(qū)的厚度為至少50nm。
6.如權(quán)利要求I所述的半導(dǎo)體器件，其中所述襯底是半絕緣的。
7.如權(quán)利要求I所述的半導(dǎo)體器件，其中所述發(fā)射極層、所述基極層、所述漂移層和所述外延基極接觸區(qū)的半導(dǎo)體材料以及所述半導(dǎo)體襯底層是SiC半導(dǎo)體材料。
8.如權(quán)利要求I所述的半導(dǎo)體器件，其中第一導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體材料的緩沖層位于所述襯底層和所述漂移層之間。
9.如權(quán)利要求I所述的半導(dǎo)體器件，還包括位于所述發(fā)射極層上的發(fā)射極接觸、位于所述外延基極接觸區(qū)上的基極接觸、以及位于所述襯底層上且與所述漂移層相對的集電極接觸。
10.如權(quán)利要求I所述的半導(dǎo)體器件，其中所述一個或多個凸起區(qū)域包括多個第一延伸區(qū)，所述多個第一延伸區(qū)在第一方向上取向，并從在第二方向上取向的第二延伸區(qū)延伸。
11.如權(quán)利要求10所述的半導(dǎo)體器件，其中所述第二方向大致垂直于所述第一方向。
12.如權(quán)利要求I所述的半導(dǎo)體器件，其中所述外延基極接觸區(qū)包括鄰近所述凸起區(qū)域位于所述漂移層上的以及位于所述凸起區(qū)域的所述下側(cè)壁部上的、第二導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體材料的第一層，所述外延基極接觸區(qū)還包括位于所述第一層上的、第二導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體材料的第二層，其中所述第一層的摻雜濃度低于所述第二層的摻雜濃度。
全文摘要
本發(fā)明描述了具有垂直溝道和自對準(zhǔn)再生長柵極的結(jié)型場效應(yīng)晶體管以及這些器件的制造方法。該方法采用選擇性生長和/或選擇性去除半導(dǎo)體材料的技術(shù)，從而沿著溝道的側(cè)面并在將源極指分隔開的溝槽底部上形成p-n結(jié)柵極。本發(fā)明還描述了具有自對準(zhǔn)再生基極接觸區(qū)的雙極結(jié)型晶體管的制造方法以及這些器件的制造方法。能夠在碳化硅中制造這些半導(dǎo)體器件。
文檔編號H01L29/808GK102751320SQ201210055560
公開日2012年10月24日 申請日期2006年12月4日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月5日
發(fā)明者伊格爾·桑金, 約瑟夫·尼爾·梅里特 申請人:Ss Sc Ip有限公司