一种功率mos器件硅沟槽制作方法

专利名称：一种功率mos器件硅沟槽制作方法
技术领域：
本发明涉及一种功率MOS器件硅沟槽制作方法。
背景技术：
随着功率MOS器件更多的应用到通讯及个人便携式电脑等电子设备上，对于功率 MOS器件的功率损耗的要求也不断提高。在器件设计上，需要不断缩小每个单元器件的尺 寸，提高器件集成度。然而，随着原胞的尺寸的不断缩小，对工艺加工的要求也越来越高，特 别是在不同尺寸深沟槽的半导体结构中，干刻后的沟深及形貌的控制成为决定产品性能的
重要因素。深沟槽结构大功率MOS管已成为大功率MOS管发展的趋势。现在大多数的高性能 大功率MOS管都是采用该种结构。因此生产厂家如何利用本身现有资源来实现沟槽刻蚀已成为重中之重。。

发明内容
本发明的目的在于提供一种功率MOS器件硅沟槽制作方法，该方法操作简单，易 于控制，只需控制硅沟槽刻蚀过程中各步骤的刻蚀时间即可控制沟槽的形貌。本发明的技术方案在于一种功率MOS器件硅沟槽制作方法，其特征在于按以下 步骤进行
1)进行LPSiN掩蔽层的刻蚀；
2)进行硅沟槽的刻蚀。所述LPSiN掩蔽层的刻蚀按以下步骤进行a)去除光刻显影后残留的LPSiN表面 胶底膜，刻蚀量为100Λ 500 A ； b)稳定步，调整工艺参数，稳定压力，以便主刻蚀开始时能快速放电并稳定；υ)王刻蚀，对 LPSiN层进行刻蚀，刻蚀速度为1000 Λ /mirT3000 4 ,min，刻蚀均勻性彡2. 0，图形剖面倾 斜度α >86°，刻蚀时间由终点检测法控制；d)过刻蚀，刻蚀时间为步骤c)的109Γ40%; e)薄氧化层刻蚀，根据薄氧化层的厚度刻蚀时间为20秒飞0秒。所述步骤a)过程中的工艺参数为O2流量lSCCMlOSCCM，He^O2流量 5SCCM 20SCCM，刻蚀腔压力20mtorr 50mtorr，射频功率100W 200W。所述步骤b)过程中的工艺参数为SF6流量40SCCM 80SCCM，刻蚀腔压力80mtorr 120mtorr，磁场强度 20GAUSS 60GAUSS。所述步骤C)过程中的工艺参数为SF6流量40SCCM 80SCCM，刻蚀腔压力80mtorr 120mtorr，磁场强度20GAUSS 60GAUSS，射频功率100W 300W，所述终点检测法为光谱分析法。所述步骤d)过程中的工艺参数为SF6流量40SCCM 80SCCM，HBr流量(T20SCCM，刻 蚀腔压力80mtorr 120mtorr，磁场强度20GAUSS 60GAUSS，射频功率100W 300W。所述步骤e)过程中的工艺参数为CF4流量15SCCM 50SCCM，刻蚀腔压力50mtorr 150mtorr，射频功率100W 500W。所述硅沟槽的刻蚀按以下步骤进行A)表面清理，去除硅表面的自然氧化层，工 艺条件为CF4流量15SCCM 50SCCM，刻蚀腔压力50mtorr 150mtorr ；射频功率100W 500W， 刻蚀时间为5秒 20秒，刻蚀量在…Λ ^200 B)第一步主刻蚀，工艺条件为Cl2流 量30SCCM 70SCCM，HBr流量20SCCM 40SCCM，刻蚀腔压力50mtorr 150mtorr，磁场强度 10GAUSS 40GAUSS，射频功率100W 400W，刻蚀深度为X ；C)第二步主刻蚀，工艺条件为Cl2 流量30SCCM 70SCCM，HBr流量20SCCM 60SCCM，刻蚀腔压力50mtorr 150mtorr，磁场强度 20GAUSS 60GAUSS，射频功率100W 400W，刻蚀深度为Y。硅沟槽刻蚀深度Z=X+Y，其中Χ=3/5Ζ，Υ=2/5Ζ。所述硅沟槽剖面倾斜角度β在86° 90°。


图1 为 LPSiN掩蔽层刻蚀过程中残留表面胶层去除后的形貌。
图2 为 LPSiN掩蔽层刻蚀过程中主刻蚀前的形貌。
图3 为 LPSiN掩蔽层刻蚀过程中主刻蚀后的形貌。
图4 为 LPSiN掩蔽层刻蚀过程中薄氧化层刻蚀后的形貌。
图5 为 LPSiN掩蔽层刻蚀完成后的形貌。
图6为硅沟槽刻蚀过程中两步主刻蚀后调整前的形貌。
图7为硅沟槽刻蚀过程中两步主刻蚀后调整后的形貌。
图8为硅沟槽刻蚀过程中底部微沟槽调整前的形貌。
图9为硅沟槽刻蚀过程中底部微沟槽调整后的形貌。
图中标号所示:l、Si 层 2、SiO2 层 3、LPSiN 4、表面胶层。
具体实施例方式一种功率MOS器件硅沟槽制作方法，其特征在于按以下步骤进行1)进行LPSiN 掩蔽层的刻蚀；2)进行硅沟槽的刻蚀。由于光刻胶在硅深沟槽刻蚀中抗蚀能力不足，且在等离子刻蚀过程中极易形成 聚合物黏附在硅表面而降低刻蚀速率，此聚合物会大量黏附在沟槽侧壁影响沟槽形貌，很 难形成理想的硅沟槽。为解决上述问题，本发明选用一定厚度的LPSiN层代替光刻胶来 做后续硅沟槽刻蚀的掩蔽层，掩蔽层厚度由沟槽深度决定，一般可用以下公式进行换算 D1=IZSD2, D1为LPSiN厚度，D2为沟槽深度，为方便后续沟槽形貌控制LPSiN层厚度应不小 于 1000 A °所述LPSiN掩蔽层的刻蚀按以下步骤进行a)去除光刻显影后残留的LPSiN表面 胶底膜，刻蚀量为IOOtX 500A ；b)稳定步，调整工艺参数，稳定压力，以便主刻蚀开始时能 快速放电并稳定；c)主刻蚀，对LPSiN层进行刻蚀，刻蚀速度为IOOOA /minlOOOA /min， 刻蚀均勻性<2.0，图形剖面倾斜度α >86°，刻蚀时间由终点检测法控制；d)过刻蚀，刻 蚀时间为步骤c)的109Γ40% ；e)薄氧化层刻蚀，根据薄氧化层的厚度刻蚀时间为20秒 60 秒。所述步骤a)主要为了去除光刻显影后残留在LPSiN内表面胶底膜，以便更好地控制掩蔽层的形貌，保证光刻胶的形貌，过程中的工艺参数为O2流量lSCCMlOSCCM，HiTO2流 量5SCCM 20SCCM，刻蚀腔压力20mtorr 50mtorr，射频功率100W 200W，图1所示为表面胶层 去除后的形貌。所述步骤b)其工艺条件与主刻蚀一致，此步无射频功率，只起到压力稳定作用，以 便主刻蚀开始时能快速放电并稳定，过程中的工艺参数为SF6流量40SCCiT80SCCM，刻蚀腔 压力 8Omtorr I2Omtorr,磁场强度 2OGAUSS 6OGAUSS。所述步骤c)主要解决LPSiN的刻蚀及形貌的控制，磁场的作用为以电磁原理 为基础使等离子运行路线尽量垂直于硅片表面从而控制图形的形貌，刻蚀速率及刻蚀均 勻性可通过调整工艺条件中个气体比例、刻蚀腔压力和射频功率来实现，图形剖面倾斜 度可以通过调整刻蚀腔压力和磁场强度来实现，图2及图3为调整前后形貌的变化，过 程中的工艺参数为SF6流量40SCCM 80SCCM，刻蚀腔压力80mtorr 120mtorr，磁场强度 20GAUSS飞OGAUSS，射频功率100W 300W，所述终点检测法为光谱分析法。所述步骤d)过程中的工艺参数为SF6流量40SCCM 80SCCM，HBr流量(T20SCCM，刻 蚀腔压力80mtorr 120mtorr，磁场强度20GAUSS 60GAUSS，射频功率100W 300W。所述步骤e)过程中的工艺参数为CF4流量15SCCM 50SCCM，刻蚀腔压力50mtorr 150mtorr，射频功率100W 500W，刻蚀后的剖面图如图4所示，最终表面胶层被去除后形成 带图形的LPSiN掩蔽层，如图5所示。在对深硅沟的刻蚀过程中，随着沟槽深度的加大，刻蚀难度也随之变大。沟槽深度 变大，等离子体难以进入沟槽底部，刻蚀过程中形成的聚合物聚集在沟槽侧壁对刻蚀起到 阻挡作用，随着沟槽的加深，这种阻挡变的更加明显，因此深沟槽刻蚀过程对沟槽深度及形 貌控制变的很困难，因此本发明通过两步刻蚀来实现对沟槽深度和形貌的控制。所述硅沟槽的刻蚀按以下步骤进行
A)表面清理，此步目的在于去除硅表面自然氧化层，由于刻硅过程对SiO2的刻蚀 主要通过物理刻蚀来实现的即靠等离子体轰击来实现对SiO2的刻蚀，所以刻蚀速率极 慢，自然氧化层的存在对后续刻蚀影响很大，因此需要此步去除，工艺条件为〔&流量 15SCCM 50SCCM，刻蚀腔压力50mtorr 150mtorr ；射频功率100W 500W，刻蚀时间为5秒 20 秒，刻蚀量在50 A loo A ；
B)第一步主刻蚀，工艺条件为Cl2流量30SCCM 70SCCM，HBr流量20SCCM 40SCCM，刻蚀 腔压力50mtorr 150mtorr，磁场强度10GAUSS 40GAUSS，射频功率100W 400W，刻蚀深度为 X;
C)第二步主刻蚀，工艺条件为Cl2流量30SCCM 70SCCM，HBr流量20SCCM 60SCCM，刻蚀 腔压力50mtorr 150mtorr，磁场强度20GAUSS 60GAUSS，射频功率100W 400W，刻蚀深度为Y。设定不同的时间可以得到不同深度的沟槽，假设硅沟槽刻蚀深度为Z，第一步刻蚀 量为X，第二步刻蚀量为Y，硅沟槽刻蚀深度Z=X+Y，其中Χ=3/5Ζ，Υ=2/5Ζ,通过调整Cl2和 HBr比例、磁场强度可以控制沟槽的形貌即沟槽剖面倾斜角度，本发明刻蚀的硅沟槽剖面倾 斜角度β在86°、0°，调整前后的形貌入图6及图7所示。本发明Cl2气体为刻硅的主要成分，HBr主要提供Br +离子，在磁场的作用下主要 表现为物理特性，可以清除刻蚀过程附着在硅表面及侧壁的聚合物，其含量对沟槽形貌起主要影响，在其它参数不变的情况下，本发明第二步主刻蚀中HBR的设定量为第一步主刻 蚀的1.5倍 3倍。在刻蚀过程中在沟槽底部极易出现微沟槽现象，在通电后会在微沟槽初出现尖端 放电现象，此异常为器件失效的主要原因之一，本发明可以通过调整刻蚀腔压力来改善及 消除微沟槽现象，注意第一步主刻蚀与第二步主刻蚀的刻蚀腔压力设置应保持一致，调整 前后如图8和图9。刻蚀后在LPSIN表面及沟槽侧壁会残留聚合物，此聚合物可用一定比例的氢氟酸 来去除
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修 饰，皆应属本发明的涵盖范围。
权利要求
1.一种功率MOS器件硅沟槽制作方法，其特征在于按以下步骤进行1)进行LPSiN掩蔽层的刻蚀；2)进行硅沟槽的刻蚀。
2.根据权利要求1所述的一种功率MOS器件硅沟槽制作方法，其特征在于所述LPSiN 掩蔽层的刻蚀按以下步骤进行a)去除光刻显影后残留的LPSiN表面胶底膜，刻蚀量为100 A 50()b)稳定步，调整工艺参数，稳定压力，以便主刻蚀开始时能快速放电并稳定；c)主刻蚀，对LPSiN层进行刻蚀，刻蚀速度为1000A /mirT3i)(K) /min,刻蚀均勻性 ^ 2. 0，图形剖面倾斜度α ^ 86°，刻蚀时间由终点检测法控制；d)过刻蚀，刻蚀时间为步骤c)的10% 40%；e)薄氧化层刻蚀，根据薄氧化层的厚度刻蚀时间为20秒飞0秒。
3.根据权利要求2所述的一种功率MOS器件硅沟槽制作方法，其特征在于所述步 骤a)过程中的工艺参数为O2流量lSCCMlOSCCM，He^O2流量5SCCiT20SCCM，刻蚀腔压力 20mtorr 50mtorr，射频功率 100W 200W。
4.根据权利要求2所述的一种功率MOS器件硅沟槽制作方法，其特征在于所述步骤b)过程中的工艺参数为SF6流量40SCCM 80SCCM，刻蚀腔压力80mtorr 120mtorr，磁场强 度 20GAUSS 60GAUSS。
5.根据权利要求2所述的一种功率MOS器件硅沟槽制作方法，其特征在于所述步骤c)过程中的工艺参数为SF6流量40SCCM 80SCCM，刻蚀腔压力80mtorr 120mtorr，磁场强 度20GAUSS飞0GAUSS，射频功率100W 300W，所述终点检测法为光谱分析法。
6.根据权利要求2所述的一种功率MOS器件硅沟槽制作方法，其特征在于所述步骤d)过程中的工艺参数为SF6流量40SCCM 80SCCM，HBr流量(T20SCCM，刻蚀腔压力80mtorr 120mtorr，磁场强度20GAUSS 60GAUSS，射频功率100W 300W。
7.根据权利要求2所述的一种功率MOS器件硅沟槽制作方法，其特征在于所述步骤e)过程中的工艺参数为CF4流量15SCCM 50SCCM，刻蚀腔压力50mtorr 150mtorr，射频功 率 100W 500W。
8.根据权利要求1所述的一种功率MOS器件硅沟槽制作方法，其特征在于所述硅沟 槽的刻蚀按以下步骤进行A)表面清理，去除硅表面的自然氧化层，工艺条件为CF4流量15SCCiT50SCCM刻蚀腔压力50mtorr 150mtorr ；射频功率100W 500W，刻蚀时间为5秒 20秒，刻蚀量在50 S 200 ^ B)第一步主刻蚀，工艺条件为Cl2流量30SCCM 70SCCM，HBr流量20SCCM 40SCCM，刻蚀 腔压力50mtorr 150mtorr，磁场强度10GAUSS 40GAUSS，射频功率100W 400W，刻蚀深度为 X;C)第二步主刻蚀，工艺条件为Cl2流量30SCCM 70SCCM，HBr流量20SCCM 60SCCM，刻蚀 腔压力50mtorr 150mtorr，磁场强度20GAUSS 60GAUSS，射频功率100W 400W，刻蚀深度为Y。
9.根据权利要求8所述的一种功率MOS器件硅沟槽制作方法，其特征在于硅沟槽刻 蚀深度 Z=X+Y，其中 Χ=3/5Ζ，Υ=2/5Ζ。
10.根据权利要求8所述的一种功率MOS器件硅沟槽制作方法，其特征在于所述硅沟 槽剖面倾斜角度β在86°、0°。
全文摘要
本发明涉及一种功率MOS器件硅沟槽制作方法，其特征在于按以下步骤进行1)进行LPSiN掩蔽层的刻蚀；2)进行硅沟槽的刻蚀，该方法操作简单，易于控制，只需控制硅沟槽刻蚀过程中各步骤的刻蚀时间即可控制沟槽的形貌。
文档编号H01L21/3065GK102142377SQ20111003278
公开日2011年8月3日 申请日期2011年1月30日 优先权日2011年1月30日
发明者张鹏, 李豪, 林善彪, 林立桂, 梅海军, 熊爱华 申请人:福建福顺微电子有限公司