專利名稱：制備電荷平衡的多-納米殼漂移區(qū)的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明主要涉及功率半導(dǎo)體器件結(jié)構(gòu)及其制備的領(lǐng)域。更確切地說，本發(fā)明涉及 功率半導(dǎo)體器件結(jié)構(gòu)的制備方法。
背景技術(shù)：
功率MOSFET (金屬-氧化物-半導(dǎo)體場效應(yīng)管)器件可用于多種工業(yè)應(yīng)用，例如 功率放大器、功率轉(zhuǎn)換器、低噪聲放大器以及數(shù)字集成電路(IC)等等。MOSFET器件的從業(yè) 者們，在設(shè)計(jì)和制備各種電子產(chǎn)品時(shí)的一項(xiàng)基本原則就是持續(xù)提升其性能參數(shù)，例如擊穿 電壓Vbk、導(dǎo)通電阻RDSon、器件尺寸以及頻率響應(yīng)等等。圖IA至圖ID摘錄自原有技術(shù)教程中，教程由Gerald Deboy博士和Florin Udrea 博士于2007年9月5日——丹麥奧爾堡——EPE 2007中發(fā)表，題為《超級結(jié)器件和技 術(shù)——電力電子學(xué)革命性步伐的優(yōu)勢與局限》。該教程概述了利用超級結(jié)器件，同時(shí)改善功 率MOSFET的Vbk和Rdson的概念。按照起始于二十世紀(jì)八十年代初期的最初的發(fā)明，超級結(jié)晶體管器件的漂移區(qū)是 由多個(gè)交替的η和ρ半導(dǎo)體條紋構(gòu)成的。只要條紋非常狹窄，并且鄰近的條紋中的電荷載流 子的數(shù)量大致相等，或達(dá)到所謂的電荷平衡，那么就有可能在相對較低的電壓下使條紋耗 盡。一旦耗盡，條紋就好像是一個(gè)“本征”層，實(shí)現(xiàn)了近似均勻的電場分布，從而獲得高擊穿 電壓。橫向超級結(jié)器件(圖IA和圖1Β)以及垂直超級結(jié)器件(圖IC和圖1D)都可以利用 超級結(jié)的概念制備。然而橫向器件更適合集成，垂直超級結(jié)器件適用于分立器件。更確切 地說，圖IA表示在橫向結(jié)構(gòu)中垂直堆積的條紋。圖IB表示在橫向結(jié)構(gòu)中，條紋在第三維度 上的排列情況，稱為3D Resurf0圖IC和圖ID表示適用于垂直金屬-氧化物-半導(dǎo)體場效 應(yīng)管(Cool MOS, MDMesh)的布局。所有超級結(jié)器件都具有的最突出的特點(diǎn)在于，它們打破 了在加載在傳統(tǒng)的非超級結(jié)硅器件上的極限。這種極限是由于，必須通過一個(gè)自由度，即在 η-區(qū)的摻雜結(jié)構(gòu)，來滿足高Vbk和低導(dǎo)通電阻之間相互矛盾的目標(biāo)。超級結(jié)器件鑒于其本 身的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，可以增加第二個(gè)自由度，即額外的P-立柱的設(shè)計(jì)和間距。因此，上述傳統(tǒng)的 非超級結(jié)器件的垂直電場轉(zhuǎn)化成一個(gè)三維的矢量場，通過將P-立柱的間距做得越來越小， 至少在理論上可以持續(xù)降低RDSon。圖2A至圖2C表示多種特殊的電荷平衡的條紋結(jié)構(gòu)，以及依據(jù)其他原有技術(shù)的制 備方法。許多公司使用的都是圖2A所示的制備具有交替導(dǎo)電類型(ρ-型和η-型)的電荷 平衡的垂直條紋的方法。在這種情況下，六個(gè)循環(huán)中每個(gè)循環(huán)都含有外延生長以及分區(qū)段 離子注入過程，在襯底(圖中沒有表示出)上方依次進(jìn)行。此后，需要通過高溫的長擴(kuò)散工 藝，將多個(gè)離子注入?yún)^(qū)域“擴(kuò)展”到它們的最終尺寸。典型的擴(kuò)散工藝要求在1150攝氏度 下加熱6至10小時(shí)，這會導(dǎo)致不良的高熱耗散。在本例中，循環(huán)一外延生長制成了層-11， 而且循環(huán)一分區(qū)段離子注入同時(shí)制成了植入物la、lb和lc，其中層-11的導(dǎo)電類型與植入 物la、lb和Ic的導(dǎo)電類型相反。又例如，循環(huán)二外延生長制成層-22，并且循環(huán)二分區(qū)段離 子注入同時(shí)制成了植入物2a、2b和2c，其中層-22的導(dǎo)電類型與植入物2a、2b和2c等的導(dǎo)電類型相反。舉一個(gè)具體的例子，外延層1至6的厚度均為5-7微米，可以由N-型半導(dǎo)體 材料制成，而植入物Ia至6c都由P-型半導(dǎo)體材料制成。最終，電荷平衡的垂直條紋對應(yīng) 立柱10W、立柱10A、立柱10X、立柱10B、立柱10Y、立柱IOC以及立柱10Z。本方法的另一缺 點(diǎn)在于，對于很高的電荷平衡條紋而言，增加循環(huán)的數(shù)量會導(dǎo)致生產(chǎn)放緩、生產(chǎn)成本增加。圖2B中展示了用于制備具有交替的導(dǎo)電類型(ρ-型和η-型)的電荷平衡的垂 直條紋的方法。其中，在襯底(圖中沒有表示出)上方外延生長一個(gè)體狀半導(dǎo)體層(Bulk Semiconductor layer) 20。通過光刻以及各向異性刻蝕，將多個(gè)溝槽22a、22b、22c制成體 狀半導(dǎo)體層20。每個(gè)溝槽的深度為D，寬度為W，對應(yīng)的縱橫比為A/R = D/W。然后外延生 長填充半導(dǎo)體材料25，填滿溝槽22a、22b、22c的整個(gè)溝槽深度，從而制成具有交替的導(dǎo)電 類型的電荷平衡立柱20W、25A、20X、25B、20Y、25C和20Z。典型的示例是，襯底為N+導(dǎo)電類 型，體狀半導(dǎo)體層20為N-，厚度為40-50微米，溝槽寬度W為4-6微米，而填充半導(dǎo)體材料 25為P-。因此，縱橫比A/R可以非常高(8-15)，使得在填充半導(dǎo)體材料25中出現(xiàn)多個(gè)未填 滿的內(nèi)部空洞26aJ6bJ6c。反之，這些內(nèi)部空洞會擾亂電荷平衡，產(chǎn)生不理想的低Vbk以 及很高的漏電流。圖2C表示Hamza Yilmaz等人于2008年12月31日遞交的美國專利申請 12/319164中所述的，用于制備具有交替的導(dǎo)電類型的電荷平衡的垂直條紋的第三種方法。 在高摻雜濃度的體狀半導(dǎo)體層42上方，外延生長一個(gè)體狀半導(dǎo)體層30。通過光刻和各向異 性刻蝕，將溝槽32制成在體狀半導(dǎo)體層30中。溝槽32的深度為D，寬度為W，對應(yīng)的縱橫 比為A/R = D/W。在帶有一個(gè)剩余中央空間立柱的頂部形成層31a、32b、33a、;34b、35a、36b、 37a、38b、39a上方，生長交替電荷平衡的導(dǎo)電類型的九個(gè)連續(xù)的外延層。然后，用絕緣氧化 物或本征硅等形成填充材料44，用于填充中央空間立柱，這些填充材料的電荷平衡對于任 何未填滿的內(nèi)部空洞并不敏感。利用高溫、長擴(kuò)散工藝將重?fù)诫s的體狀半導(dǎo)體層42中的摻 雜物擴(kuò)散到層31a-39a中，直到摻雜擴(kuò)散陣面48 (參見底部虛線)為止，從而作為一個(gè)單一 的導(dǎo)電類型。最后，通過化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)過程除去層31a-39a頂部的水平部分，使頂面 平整(參見頂部虛線)。典型的示例是，層31a-39a均為1-2微米厚。如上所述，高溫、長擴(kuò) 散工藝會導(dǎo)致不良高熱耗散。左側(cè)的交替導(dǎo)電類型的垂直電荷平衡的立柱出現(xiàn)在最后?；谝陨嫌^點(diǎn)，對于超級結(jié)半導(dǎo)體器件而言，改善工藝有長期的必要性，無需產(chǎn)生 高熱耗散，就可以高產(chǎn)量地制備高質(zhì)量的電荷平衡漂移區(qū)。本申請涉及以下專利申請，以下簡稱為哈姆扎申請美國專利申請?zhí)枮?2/139164，由Hamza Yilmaz,Daniel Ng,Lingpeng Guan,Anup Bhalla, Wilson Ma, Moses Ho, John Chen等人于2008年12月31日遞交的名為“納米管 MOSFET技術(shù)與器件”的專利申請。美國專利申請?zhí)枮?2/484166，由 Hamza Yilmaz, Xiaobin Wang，Anup Bhalla, John Chen,Hong Chang等人于2009年6月12日遞交的名為“用于制備納米管半導(dǎo)體器件 的方法”的專利申請。美國專利申請?zhí)枮?2/484170，由 Hamza Yilmaz, Xiaobin Wang，Anup Bhalla, John Chen, Hong Chang等人于2009年6月12日遞交的名為“納米管半導(dǎo)體器件”的專利
申請°特此引用上述專利內(nèi)容，作為用于任何及全部意圖的參考。

發(fā)明內(nèi)容
提出一種用于在第二導(dǎo)電類型的基礎(chǔ)襯底上方，制備基本電荷平衡的多-納米 殼漂移區(qū)的方法。該方法不會產(chǎn)生高熱耗散并且產(chǎn)量更高。多-納米殼漂移區(qū)具有一個(gè) 納米殼集合，帶有多個(gè)交替、基本電荷平衡的第一導(dǎo)電類型和第二導(dǎo)電類型以及高度為 NSHT(Nano shell height，即納米殼的高度)的同心的納米殼組件NSM1 (第一納米殼組件)、
NSM2 (第二納米殼組件)----NSMi (第i納米殼組件，1彡i彡M)----NSMm (第M納米殼組
件，M > 1)。該方法包括步驟1 在基礎(chǔ)襯底上方形成一個(gè)體狀漂移層。步驟2 在體狀漂移層的頂面內(nèi)，制備一個(gè)大體垂直的空穴，其形狀和尺寸是預(yù)先 設(shè)置的，深度為NSHT。步驟3 在垂直空穴內(nèi)部先后形成殼組件NSMp NSM2----NSMm,首先在垂直空穴的
垂直側(cè)壁上，然后移向中心，以便依次填充垂直空穴，直到仍然有剩余空間為止。步驟4 通過形成半絕緣或絕緣的填充式納米板，填滿剩余空間。在一個(gè)更加具體的實(shí)施例中，可通過外延生長形成體狀漂移層，摻雜參數(shù)對應(yīng)體 狀漂移層的導(dǎo)電類型。更確切地說，所形成的體狀漂移層具有極低的摻雜濃度。在一個(gè)實(shí)施例中，第一導(dǎo)電類型為N-型，第二導(dǎo)電類型為P-型。在一個(gè)可選實(shí)施 例中，第一導(dǎo)電類型為P-型，第二導(dǎo)電類型為N-型。在一個(gè)更具體的實(shí)施例中，超級結(jié)半導(dǎo)體器件為一個(gè)二極管或一個(gè)晶體管?；A(chǔ) 襯底為一個(gè)雙層，該雙層由在第二導(dǎo)電類型較重?fù)诫s的半導(dǎo)體上方的第二導(dǎo)電類型較輕摻 雜的半導(dǎo)體構(gòu)成。垂直空穴的形狀為矩形、方形、菱形、六邊形、多邊形、橢圓形或圓形。更 確切地說，垂直空穴的寬度約在5微米至40微米之間，NSHT約在5微米至50微米之間。在第一實(shí)施例中，垂直空穴可通過以下步驟制成步驟2. 1 在體狀漂移層上方沉積一個(gè)掩膜，在掩膜中打開一個(gè)形狀和尺寸都與 垂直空穴相同的窗口。步驟2. 1 通過掩膜窗口，各向異性地刻蝕體狀漂移層，直到深度等于NSHT為止。根據(jù)第一實(shí)施例，每個(gè)NSMi都可以通過以下步驟制成步驟3. 1 通過選擇性外延生長，在垂直空穴上方形成一個(gè)空穴形狀的摻雜的外 延層，同時(shí)確保摻雜的外延層的摻雜參數(shù)與厚度，分別對應(yīng)NSMi的導(dǎo)電類型和殼厚。步驟3. 2 通過掩膜窗口，各向異性地刻蝕掉摻雜的外延層的底部，從而形成NSMitl依據(jù)第一實(shí)施例，可以通過在剩余空間內(nèi)制備一種填充式材料，形成填充式納米 板，填充式材料的電荷平衡屬性不受內(nèi)部空洞的影響，尤其是當(dāng)剩余空間的縱橫比很大時(shí)， 從而避免擾亂多-納米殼漂移區(qū)的電荷平衡。然后從多-納米殼漂移區(qū)頂部除去帶窗口的 掩膜。在一個(gè)具體的實(shí)施例中，基礎(chǔ)襯底和體狀漂移層的基質(zhì)半導(dǎo)體材料都是硅，填充式材 料為氧化硅或本征硅。在第二實(shí)施例中，垂直空穴可以通過以下步驟制成步驟2. 1 在體狀漂移層上方沉積一個(gè)掩膜，并在掩膜中打開一個(gè)形狀和尺寸都 與垂直空穴相同的窗口。步驟2. 2 通過掩膜窗口，各向異性地刻蝕體狀漂移層，直到刻蝕深度等于NSHT為止。步驟2.3 除去帶窗口的掩膜。依據(jù)第二實(shí)施例，每個(gè)NSMi都可以通過以下步驟制成步驟3. 1 通過外延生長，在垂直空穴上方形成一個(gè)空穴形狀摻雜的外延層，同時(shí) 確保摻雜的外延層的摻雜參數(shù)和厚度，分別與NSMi的導(dǎo)電類型和殼厚相對應(yīng)。步驟3. 2 通過掩膜窗口，各向異性地刻蝕掉摻雜的外延層的底部和頂部水平部 分，從而構(gòu)成NSMi。依據(jù)第二實(shí)施例，可以通過在剩余空間內(nèi)制備一種填充式材料，形成填充式納米 板，填充式材料的電荷平衡屬性不受內(nèi)部空洞的影響，尤其是當(dāng)剩余空間的縱橫比很大時(shí)， 從而避免擾亂多-納米殼漂移區(qū)的電荷平衡。在一個(gè)具體的實(shí)施例中，基礎(chǔ)襯底和體狀漂 移層的基質(zhì)半導(dǎo)體材料都是硅，填充式材料為氧化硅或本征硅。對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員，本發(fā)明的這些方面及其多個(gè)實(shí)施例將在本說明的其余部 分中做出說明。


圖IA至圖ID表示摘錄自已發(fā)表的原有技術(shù)教程，各種電荷平衡的條紋結(jié)構(gòu)；圖2A至圖2C表示依據(jù)其他的原有技術(shù)，多種典型的電荷平衡的條紋形狀及其制 備方法；圖3A至圖3C表示電荷平衡的垂直條紋超級結(jié)結(jié)構(gòu)及其相關(guān)的多個(gè)MOSFET的另 一示例；圖4A至圖4C表示依據(jù)本發(fā)明，各種多納米殼漂移區(qū)超級結(jié)結(jié)構(gòu)；圖5A至圖5G表示依據(jù)本發(fā)明，制備多納米殼漂移區(qū)的第一實(shí)施例方法；以及圖6A至圖6G表示依據(jù)本發(fā)明，制備多納米殼漂移區(qū)的第二實(shí)施例方法。
具體實(shí)施例方式本文所含的上述及以下說明和附圖僅用于說明本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)現(xiàn)有的較佳 實(shí)施例，以及一些典型的可選件和/或可選實(shí)施例。說明及附圖用于解釋說明，就其本身而 言，并不局限本發(fā)明。因此，本領(lǐng)域的技術(shù)人員將輕松掌握各種改動、變化和修正。這些改 動、變化和修正也應(yīng)認(rèn)為屬于本發(fā)明的范圍。圖3A至圖3C表示電荷平衡的垂直條紋超級結(jié)結(jié)構(gòu)60及其相關(guān)的帶有超級結(jié)結(jié) 構(gòu)90的多個(gè)MOSFET的另一示例。垂直條紋超級結(jié)結(jié)構(gòu)60具有一個(gè)多納米條紋漂移區(qū)68， 沿X-方向，以N-體狀漂移層(Bulk drift layer)66為界，多納米條紋漂移區(qū)68和N-體 狀漂移層66都位于一個(gè)雙層上方，N緩沖層64位于N+基礎(chǔ)襯底62上方。在一個(gè)可選實(shí)施 例中，可以省略N緩沖層64。多納米條紋漂移區(qū)(Multi-nano stripe drift region)68 ^ 一種交替的導(dǎo)電類型的、連續(xù)的電荷平衡條紋的線性陣列，N條紋71、P條紋72、N條紋73、 P條紋74、. . .、P條紋84、N條紋83、P條紋82、N條紋81。要注意的是，填充式氧化物條紋 80位于線性陣列的中間位置。也可選擇，用另一種電量很低的材料(例如本征硅)，來代替 填充式氧化物條紋80。單獨(dú)的P/N條紋的摻雜濃度以每cm2的摻雜物的形式給出。該濃度 為一個(gè)條紋及其下一個(gè)條紋之間的交界面處的單位面積上，該條紋內(nèi)的濃度。例如，如果P條紋82的寬度(X-方向)為0. 25微米，濃度為2E12-cm_2，那么同等體積下的P-摻雜濃度 為 8E16-cnT3。參見圖3A的A-A截面，有必要指出，多納米條紋漂移區(qū)68的詳細(xì)幾何結(jié)構(gòu)以及摻 雜濃度布局，是關(guān)于填充式氧化物條紋80鏡像對稱的。例如，N條紋79映照N條紋89，P 條紋78映照P條紋88，N條紋73映照N條紋83，等等。這是由于多納米條紋漂移區(qū)68，是 依據(jù)本發(fā)明，利用多個(gè)相鄰的、同心的納米殼組件(Nano shell members)制成的，其中最外 層的組件由N條紋71、N條紋81構(gòu)成，再往里由P條紋72、P條紋82構(gòu)成，...，最中心的 由N條紋79、N條紋89構(gòu)成。制備過程將在下文中詳細(xì)說明。完成垂直條紋超級結(jié)結(jié)構(gòu)60 之后，如圖3C所示，其余帶有超級結(jié)結(jié)構(gòu)90的的多個(gè)M0SFET，可以利用已知的多項(xiàng)技術(shù)制 備。例如，所形成的MOSFET的行可以沿X-方向延伸，從而垂直于沿Y-方向的多納米條紋 漂移區(qū)68。帶有超級結(jié)結(jié)構(gòu)90的MOSFET具有柵極電極92b、柵極氧化物92c、N+源極92a、 P-本體92d、P+本體接頭92e。在這種情況下，MOSFET為η-通道M0SFET，因此N條紋71、 73.....89作為漏極漂移區(qū)，而N+基礎(chǔ)襯底62作為漏極。圖4Α至圖4C表示超級結(jié)結(jié)構(gòu)的一些多納米殼漂移區(qū)(Multi-nano shell drift region)的可選實(shí)施例。圖4A(圖4B的E-E截面的透視圖)和圖4B(俯視圖，多-納米殼 漂移區(qū)超級結(jié)結(jié)構(gòu)100的多個(gè)組件)所示的多-納米殼漂移區(qū)超級結(jié)結(jié)構(gòu)100，以N-外延 層體狀漂移層106為界，位于N基礎(chǔ)襯底102上。從多-納米殼漂移區(qū)超級結(jié)結(jié)構(gòu)100的 外邊緣向內(nèi)數(shù)的話，四個(gè)連續(xù)的同心納米殼組件為N條紋111、N條紋121、P條紋112、P條 紋122、N條紋113、N條紋123以及P條紋114、P條紋1M。更確切地說，納米殼組件N條 紋113、N條紋123的寬度(X-方向)為1微米，N型摻雜物濃度為2E12-cnT2，等。在本例 中，納米殼組件的形狀為矩形(圖4B)。要注意的是，填充式氧化物條紋115位于線性陣列 的中間位置。多-納米殼漂移區(qū)超級結(jié)結(jié)構(gòu)100與多納米條紋漂移區(qū)68基本相同，但其設(shè) 計(jì)更加簡潔，以便于制造。多-納米殼漂移區(qū)可以延伸到Y(jié)方向上的條紋中，或者形成封閉 結(jié)構(gòu)，例如矩形(圖4B)或六邊形(圖4C)。每個(gè)多-納米殼漂移區(qū)超級結(jié)結(jié)構(gòu)100的寬度 都為W。X-Y平面內(nèi)的條紋長度限定了空穴尺寸(Cavity size，簡稱CVS)。圖4C(俯視圖， 多-納米殼漂移區(qū)超級結(jié)結(jié)構(gòu)100的多個(gè)組件)中的多-納米殼漂移區(qū)超級結(jié)結(jié)構(gòu)100，在 X-Y平面內(nèi)穿過其全部側(cè)邊的寬度為W。圖4C中的納米殼組件的形狀為六邊形。圖5A至圖5G表示依據(jù)本發(fā)明，制備多-納米殼漂移區(qū)的第一實(shí)施例。在圖5A中， 制備體狀漂移層156。在一個(gè)實(shí)施例中，體狀漂移層156可以形成在基礎(chǔ)襯底(為避免混 淆，在此并沒有表示出)上方。在另一個(gè)可選實(shí)施例中，可以利用技術(shù)上已知的，與所需的 導(dǎo)電類型和摻雜濃度相符的摻雜參數(shù)，通過外延生長的方式，形成體狀漂移層156。在一個(gè) 更具體的示例中，可以在lE14-cm_3至lE16-cm_3的范圍內(nèi)，利用極低的N-摻雜體積濃度，制 備體狀漂移層156。然后，在體狀漂移層156上方使用一個(gè)空穴硬掩膜158，并用預(yù)設(shè)空穴 形狀和尺寸的掩膜窗口 158a，在空穴硬掩膜158上形成開口。通過掩膜窗口 158a，各向異 性地刻蝕體狀漂移層156，制成深度為NSHT(Nanc) shell height，簡稱NSHT，即納米殼的高 度)的基本垂直的空穴162。在一個(gè)應(yīng)用示例中，空穴尺寸的范圍約在5微米至40微米之 間，NSHT約在5微米至50微米之間。需指出的是，垂直空穴162的“基本垂直的”側(cè)壁，可 以與垂直方向有5度左右的錐角。在圖5B中，通過掩膜窗口 158a利用選擇性外延生長，在垂直空穴162上方制備一
9個(gè)空穴形狀的摻雜外延層-1 171，同時(shí)確保摻雜外延層-1 171的摻雜參數(shù)與厚度，分別與 最外層的納米殼組件所需的導(dǎo)電類型和殼厚相一致。在圖5C中，通過掩膜窗口 158a，各向 異性地刻蝕掉剛形成的摻雜外延層-1 171的底部，從而構(gòu)成納米殼組件(NSM1) 171a。從圖 5D至圖5E，重復(fù)如圖5B和圖5C所示相同的步驟，先后制成空穴形狀的摻雜外延層-2172以 及納米殼組件(NSM2) 172a。在垂直空穴162中，重復(fù)相同的步驟，接連制成其他的納米殼組 件(NSM3) 173a,NSM4174a,NSM5175a以及NSM6176a，陸續(xù)填充垂直空穴162，直到留出具有剩 余空間深度(RSD)和剩余空間寬度(RSW)的剩余空間177。所制備的NSM1Hla至NSMe176a 構(gòu)成多個(gè)連續(xù)的同心納米殼組件，如圖5F所示。此外，為了實(shí)現(xiàn)基本電荷平衡的多-納米 殼漂移區(qū)，NSM1Hla至NSMe176a都由交替的基本電荷平衡的第一導(dǎo)電類型和第二導(dǎo)電類型 的半導(dǎo)體材料構(gòu)成。所形成的NSM1Hla至NSMe176a具有合適的導(dǎo)電類型、摻雜濃度以及寬 度，以獲得基本電荷平衡。在圖5G中，利用半絕緣或絕緣的填充式納米板178(例如圖中所示的填充式氧化 物納米板178)填滿剩余空間177。填充式納米板還可選用本征硅/半導(dǎo)體材料。要注意 填充式氧化物納米板178的縱橫比RSD/RSW很高。尤其在縱橫比很高的填充式氧化物納米 板178內(nèi)部觀察到有內(nèi)部空洞形成，利用半絕緣或絕緣的填充式材料使多-納米殼漂移區(qū) 的電荷平衡屬性不受這種內(nèi)部空洞的影響。作為一個(gè)更具體的實(shí)施例，基礎(chǔ)襯底和體狀漂 移層156的主體半導(dǎo)體材料都是硅，填充式材料為氧化物或本征硅。然后，從多-納米殼漂 移區(qū)(圖中沒有表示出)上方除去帶窗口的空穴掩膜158。圖6A至圖6G表示依據(jù)本發(fā)明類似于圖5A至圖5G所示的方法，制備多-納米殼 漂移區(qū)的第二個(gè)實(shí)施例。然而，在圖6A至圖6G中，生長NSM時(shí)并沒有使用硬掩膜。在圖6A 中，體狀漂移層156形成在基礎(chǔ)襯底(為了避免混淆，在此沒有表示出)上方。可以利用技 術(shù)上已知的，與所需的導(dǎo)電類型和摻雜濃度相符的摻雜參數(shù)，通過外延生長的方式，形成體 狀漂移層156。然后，在體狀漂移層156上方使用一個(gè)空穴硬掩膜158，并用預(yù)設(shè)空穴形狀 和尺寸的掩膜窗口 158a，在空穴硬掩膜158上形成開口。通過掩膜窗口 158a，各向異性地 刻蝕體狀漂移層156，制成深度為NSHT的基本垂直的空穴162。正如上述內(nèi)容中所指出的 那樣，實(shí)際上，垂直空穴162的“基本垂直的”側(cè)壁，可以與垂直方向有5度左右的錐角。然 后，如圖6A所示，完全除去帶窗口的空穴掩膜158。在圖6B中，通過外延生長，在頂上制備一個(gè)帶有空穴形狀的中心部分的摻雜外延 層-1 181，同時(shí)確保摻雜外延層-1 181的摻雜參數(shù)與厚度，分別與最外層的納米殼組件所 需的導(dǎo)電類型和殼厚相一致。摻雜外延層-1 181非選擇性地生長在所有裸露的半導(dǎo)體表 面上。在圖6C中，各向異性地刻蝕掉剛形成的摻雜外延層-1 181的水平表面部分，從而構(gòu) 成納米殼組件(NSM1) 181a。從圖6D至圖6E，重復(fù)如圖6B和圖6C所示相同的步驟，先后制 成摻雜外延層-2182以及納米殼組件(NSM2) 18加。在垂直空穴162中，重復(fù)相同的步驟，接 連制成其他的納米殼組件NSM3183a、NSM4 184a,NSM5 18 以及NSM6 186a，陸續(xù)填充垂直空 穴162，直到留出具有剩余空間深度(RSD)和剩余空間寬度(RSW)的剩余空間187。所制備 的NSM1ISla至NSMe186a構(gòu)成多個(gè)連續(xù)的同心納米殼組件，如圖6F所示。此外，為了實(shí)現(xiàn)基 本電荷平衡的多-納米殼漂移區(qū)，NSM1 181a至NSMe186a都由交替的基本電荷平衡的第一 導(dǎo)電類型和第二導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體材料構(gòu)成。所形成的NSM1ISla至NSMe186a具有合適的 導(dǎo)電類型、摻雜濃度以及寬度，以獲得基本電荷平衡。
在圖6G中，利用半絕緣或絕緣的填充式納米板(例如圖中所示的填充式氧化物納 米板188)填滿剩余空間187。要注意填充式氧化物納米板188的縱橫比RSD/RSW很高。通 常在縱橫比很高的填充式氧化物納米板188內(nèi)部觀察到有內(nèi)部空洞形成，利用半絕緣或絕 緣的填充式材料使多-納米殼漂移區(qū)的電荷平衡屬性不受這種內(nèi)部空洞的影響。NSM組件 可以在Y方向上繼續(xù)作為行，或者如圖4B和4C所示的那樣形成一個(gè)封閉結(jié)構(gòu)。發(fā)明了一種為基礎(chǔ)襯底上方的超級結(jié)半導(dǎo)體器件，制備基本電荷平衡的多-納米 殼漂移區(qū)的方法。參見圖5F和圖6F，由于垂直空穴162內(nèi)的各種電荷平衡的垂直條紋是成 對制備的，因此其對應(yīng)工藝的產(chǎn)量也相應(yīng)地增加。另外，本發(fā)明所述的方法并不需要會導(dǎo)致 較高熱預(yù)算的不良高熱耗散的高溫、長擴(kuò)散過程。此外，在填充式納米板內(nèi)部通常會觀察到 有內(nèi)部空洞形成，這會影響制備工藝的產(chǎn)量，而所制備的多-納米殼漂移區(qū)的電荷平衡屬 性卻不會受到內(nèi)部空洞的擾亂。盡管本發(fā)明已經(jīng)就矩形和六邊形的垂直空穴形狀的示例作 了說明，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)理解，本發(fā)明所述的方法也可應(yīng)用于其他各種形狀，例如 方形、菱形、多邊形、行、橢圓形或圓形等。只要NSM同它相鄰的區(qū)域達(dá)到電荷平衡，就可以 用不同的寬度和摻雜濃度制備NSM。以上說明和附圖參照具體結(jié)構(gòu)，給出了各種典型的實(shí)施例。對于本領(lǐng)域的普通技 術(shù)人員應(yīng)顯而易見，本發(fā)明也可用于其它具體形式，上述各種實(shí)施例經(jīng)過輕松修改，就可以 適合于其他具體應(yīng)用。鑒于本專利文件，本發(fā)明的范圍不應(yīng)由上述具體的典型實(shí)施例所限 定，而應(yīng)由以下的權(quán)利要求書限定。在權(quán)利要求書的內(nèi)容及其等價(jià)范圍內(nèi)的任何及全部修 正，都應(yīng)屬于本發(fā)明的真實(shí)意圖和范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種用于在第二導(dǎo)電類型的基礎(chǔ)襯底上方，制備超級結(jié)器件電荷基本平衡的多-納 米殼漂移區(qū)的方法，其特征在于，所述的多-納米殼漂移區(qū)具有一個(gè)納米殼集合，帶有多個(gè) 電荷基本平衡的第一導(dǎo)電類型和第二導(dǎo)電類型相互交替以及高度為NSHT的同心的納米殼 組件 NSM1, NSM2、. .、NSMi、. .、NSMm (M > 1)，該方法包括步驟1 提供基礎(chǔ)襯底，并在上方形成一個(gè)體狀漂移層；步驟2 在體狀漂移層的頂面內(nèi)，制備一個(gè)垂直的空穴，其形狀和尺寸是預(yù)先設(shè)置的， 深度為NSHT ；步驟3:在垂直空穴內(nèi)部先后形成殼組件賂111、賂112、..、賂1^(11> 1)，首先在垂直空穴 的垂直側(cè)壁上，然后移向中心，以便依次填充垂直空穴，直到留有一剩余空間為止；以及步驟4 通過形成半絕緣或絕緣的填充式納米板，填滿剩余空間。
2.權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，制備體狀漂移層包括用與體狀漂移層的導(dǎo)電 類型相對應(yīng)的摻雜參數(shù)外延生長體狀漂移層。
3.權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，制備體狀漂移層還包括用低摻雜濃度制備。
4.權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，制備垂直空穴包括步驟2. 1 在體狀漂移層上方沉積一個(gè)掩膜，在掩膜中打開一個(gè)形狀和尺寸都與垂直 空穴相同的窗口 ；并且步驟2. 2 通過掩膜窗口，各向異性地刻蝕體狀漂移層，直到深度等于NSHT為止。
5.權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，制備NSMi包括步驟3. 1 通過選擇性外延生長，在垂直空穴上方形成一個(gè)空穴形狀的摻雜的外延層， 同時(shí)確保摻雜的外延層的摻雜參數(shù)與厚度，分別對應(yīng)NSMi的導(dǎo)電類型和殼厚；并且步驟3. 2 通過掩膜窗口，各向異性地刻蝕掉摻雜的外延層的底部，從而形成NSMitl
6.權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，制備填充式納米板包括在剩余空間內(nèi)制備一 種填充式材料，填充式材料的電荷平衡屬性不受內(nèi)部空洞的影響，尤其是當(dāng)剩余空間的縱 橫比很大時(shí)，從而避免擾亂多-納米殼漂移區(qū)的電荷平衡。
7.權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，基礎(chǔ)襯底和體狀漂移層的基質(zhì)半導(dǎo)體材料都 是硅，填充式材料為氧化硅或本征硅。
8.權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，還包括從多-納米殼漂移區(qū)頂部除去帶窗口的 掩膜。
9.權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，制備垂直空穴包括步驟2. 1 在體狀漂移層上方沉積一個(gè)掩膜，并在掩膜中打開一個(gè)形狀和尺寸都與垂 直空穴相同的窗口；步驟2. 2 通過掩膜窗口，各向異性地刻蝕體狀漂移層，直到刻蝕深度等于NSHT為止；并且步驟2.2 除去帶窗口的掩膜。
10.權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，制備NSMi包括步驟3. 1 通過外延生長，在垂直空穴上方形成一個(gè)空穴形狀摻雜的外延層，同時(shí)確保 摻雜的外延層的摻雜參數(shù)和厚度，分別與NSMi的導(dǎo)電類型和殼厚相對應(yīng)；并且步驟3. 2 通過掩膜窗口，各向異性地刻蝕掉摻雜的外延層的底部和頂部水平部分，從 而構(gòu)成NSMit5
11.權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于，制備填充式納米板包括在剩余空間內(nèi)制備 一種填充式材料，填充式材料的電荷平衡屬性不受內(nèi)部空洞的影響，尤其是當(dāng)剩余空間的 縱橫比很大時(shí)，從而避免擾亂多-納米殼漂移區(qū)的電荷平衡。
12.權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，基礎(chǔ)襯底和體狀漂移層的基質(zhì)半導(dǎo)體材料 都是硅，填充式材料為氧化硅或本征硅。
13.權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，基礎(chǔ)襯底為一個(gè)雙層，該雙層由較重?fù)诫s的 第二導(dǎo)電類型半導(dǎo)體及其上方的較輕摻雜的第二導(dǎo)電類型半導(dǎo)體構(gòu)成。
14.權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，垂直空穴的形狀為矩形、方形、菱形、六邊形、 多邊形、橢圓形或圓形。
15.權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，超級結(jié)半導(dǎo)體器件為一個(gè)二極管或一個(gè)晶體管。
16.權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，垂直空穴的寬度約在5微米至40微米之間， NSHT約在5微米至50微米之間。
17.一種在半導(dǎo)體襯底上制備超級結(jié)半導(dǎo)體器件電荷基本平衡的多納米殼漂移區(qū)的方 法，其特征在于，所述的多-納米殼漂移區(qū)在體狀漂移層內(nèi)，具有一個(gè)納米殼集合，帶有多 個(gè)電荷基本平衡的第一導(dǎo)電類型和第二導(dǎo)電類型相互交替以及高度為NSHT的同心的納米 殼組件NSMpNSM2、. . ,NSMi,..、NSMm(M > 1)，納米殼組件的底部電接觸半導(dǎo)體襯底，該方法 包括步驟1 制備一個(gè)體狀漂移層； 步驟2 在體狀漂移層中制備一個(gè)溝槽；步驟3 在溝槽中外延生長一個(gè)納米殼組件NSMi,其中選取NSMi的厚度和摻雜濃度，使 同周圍區(qū)域達(dá)到電荷基本平衡；步驟4 各向異性地刻蝕NSMi,以除去其水平部分，使NSMi存留于溝槽的側(cè)壁上；并且 步驟5 重復(fù)步驟步驟3和步驟4，直到完成納米殼集合，并且溝槽中仍然保留有一剩余 空間。
18.權(quán)利要求17所述的方法，其特征在于，在步驟步驟5之后還包括 步驟6 通過形成半絕緣或絕緣的填充式納米板，填滿剩余空間。
19.權(quán)利要求17所述的方法，其特征在于，超級結(jié)半導(dǎo)體器件為一個(gè)二極管或一個(gè)場效應(yīng)管。
20.一種用于在第二導(dǎo)電類型的基礎(chǔ)襯底上方，制備電荷基本平衡的多-納米殼漂移 區(qū)的方法，其特征在于，所述的多-納米殼漂移區(qū)在體狀漂移層內(nèi)，具有一個(gè)納米殼集合， 帶有多個(gè)電荷基本平衡的第一導(dǎo)電類型和第二導(dǎo)電類型相互交替以及高度為NSHT的同心 的納米殼組件NSMpNSM2、. . ,NSMi,.. ,NSMm(Μ > 1)，納米殼組件的底部電接觸半導(dǎo)體襯底， 該方法包括步驟1 制備一個(gè)體狀漂移層； 步驟2 在體狀漂移層中制備一個(gè)溝槽；步驟3 在溝槽內(nèi)同心地生長納米殼集合，其中在第一導(dǎo)電類型的納米殼組件上生長 第二導(dǎo)電類型的納米殼組件之前，要各向異性地刻蝕第一導(dǎo)電類型的納米殼組件，以便除 去其底部；并且步驟4 重復(fù)步驟步驟3。
21.權(quán)利要求20所述的方法，其特征在于，還包括步驟5 通過形成半絕緣或絕緣的填充式納米板，填滿剩余空間。
全文摘要
一種制備基礎(chǔ)襯底上方的超級結(jié)半導(dǎo)體器件電荷平衡的多-納米殼漂移區(qū)的方法。該方法不會產(chǎn)生高熱耗散并且產(chǎn)量更高。多-納米殼漂移區(qū)帶有多個(gè)交替、基本電荷平衡的第一導(dǎo)電類型和第二導(dǎo)電類型以及高度為NSHT的同心的納米殼組件NSM1、NSM2、…、NSMi、…、NSMM(M＞1)。首先，在基礎(chǔ)襯底上方形成一個(gè)體狀漂移層。在體狀漂移層的頂面內(nèi)，制備一個(gè)大體垂直的空穴，其形狀和尺寸是預(yù)先設(shè)置的，深度為NSHT。在垂直空穴內(nèi)部先后形成殼組件NSM1、NSM2、…、NSMM，首先在垂直空穴的垂直側(cè)壁上，然后移向中心，以便一個(gè)接一個(gè)地填充垂直空穴，直到仍然有剩余空間為止。通過形成半絕緣或絕緣的填充式納米板，填滿剩余空間。
文檔編號H01L21/329GK102097326SQ20101058327
公開日2011年6月15日 申請日期2010年11月30日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月2日
發(fā)明者何佩天, 李亦衡, 管靈鵬 申請人:萬國半導(dǎo)體股份有限公司