[发明专利]用高质量的氧化物填充半导体器件大型深沟槽的方法

说明书

技术领域

本发明主要涉及功率半导体器件的结构和制备。更确切地说，本发明是涉及功率半导体器件结构的大型深沟槽的制备方法。

背景技术

功率半导体器件可用于多种工业应用，例如功率放大器、功率转换器、低噪声放大器以及数字集成电路(IC)等诸如此类。功率半导体器件的一些示例包括：肖特基二极管、金属-氧化物-半导体场效应管(MOSFET)、绝缘栅双极晶体管(IGBT)以及双扩散金属-氧化物-半导体场效应管(DMOS)。功率半导体器件的终止结构常常需要氧化硅等高质量的半导体氧化层。对于中高压器件，经常需要又深又宽(例如在十微米的数量级)的高质量半导体氧化层，以确保很高的击穿电压V_bk以及很低的漏电流I_lk。虽然可以通过热形成或热沉积制备厚度约1微米的半导体氧化层，但是仅形成一个0.5微米厚的热氧化物就需要两个小时以上的处理时间。普遍认为几微米厚的沉积氧化物，除了质量较低之外，其介电特性的不均匀性也是一个问题。制备又深又宽的填充氧化物的沟槽所带来的问题包括：处理时间、不均匀性以及高应力水平。

图1表示2001年10月30日授权的Hsu等人发明的美国专利号为6309929的题为《制备沟槽MOS器件和终止结构的方法》的专利所提出的一项原有技术的终止结构。位于终止结构左侧的同时制成的沟槽MOS器件，在此没有表示出，以免产生混淆。该终止结构包括多个形成在阳极电极160A(由光致抗蚀剂图案165限定)之间的肖特基二极管，以及在多个台面表面位置115A处的第一半导体层100A。肖特基二极管通过阳极电极160A电连接到多个MOS结构上，MOS结构由第一导电层140、栅极氧化层125和第一半导体层100A构成。MOS结构还包括一个在重要的介质层150附近的多晶硅隔片122，用于承载第二衬底100B和阳极电极160A之间很高的电压降。在一个实施例中，介质层150是一个直接形成在沟槽上方的终止氧化物。通过热生长或热沉积所形成的终止氧化物，由于受到制造设备加工以及氧化硅表面应力等限制，其厚度仅局限于0.2微米至几微米。因此，要依据这种原有技术制备又深又宽的高质量的半导体氧化层，是一项难题。

Mahfoz-Kotb等人于2008年5月18-22日在佛罗里达州奥兰多举办的第二十届功率半导体器件&集成电路国际研讨会公报中发表的一篇题为《利用深沟槽隔离技术的结终止制备DT-SJMOSFET的可行性研究》的论文中提出，另外一种称为苯并环丁烯(BCB)的介电材料，用于替代深沟槽填充的半导体氧化物。这种新材料(BCB)除了相关的器件制备过程更加复杂之外，其质量也比热氧化物的质量差。因此，仍然需要制造一种又深又宽的高质量的沟槽半导体氧化层，同时也无需产生高热耗散，并且产量很大。

发明内容

提出了一种制备带有填充氧化物的大型深沟槽(OFLDT)部分的半导体器件结构的方法，其沟槽尺寸为TCS，沟槽深度为TCD。该方法包括：

a)制备一个块状半导体层(BSL)，其厚度为BSLT＞TCD。在块状半导体层上方设计一个大型沟槽顶部区域(LTTA)，其几何形状与填充氧化物的大型深沟槽相同。

b)将大型沟槽顶部区域按预设的几何形状分成散置的、互补的临时半导体台面区以及临时垂直沟槽区。

c)从块状半导体层顶部表面在临时垂直沟槽区开掘多个临时的垂直沟槽，直到深度达到TCD，从而除去对应临时垂直沟槽区的块状半导体材料。

d)通过热氧化，将对应临时半导体台面区的剩余的块状半导体材料转化成氧化物。然后，如果转化后的临时半导体台面区之间仍然有剩余空间，就沉积氧化物填满所述的剩余空间。

e)通过化学机械抛光(CMP)，使顶面平整，以备其他处理过程使用。

在一个更具体的重要实施例中，所有分区的临时半导体台面区以及临时垂直沟槽区的几何形状都应设计得足够简易并且小巧，以便于：

d1)快速高效地将对应临时半导体台面区的剩余的块状半导体材料转化成高质量的氧化物。

d2)快速高效地用高质量的氧化物填充剩余空间。