[发明专利]带有集成二极管的自对准沟槽MOSFET

说明书

技术领域

本发明主要涉及沟槽MOSFET器件，更确切的说是涉及带有集成肖特基二极管的自对准沟槽MOSFET器件的制备方法。 

背景技术

当今的许多电路设计对于开关性能和导通状态电阻等器件性能参数方面，具有严格的要求。沟槽功率金属氧化物半导体场效应管(MOSFET)器件常用于这种电路。现有的制备沟槽MOSFET的技术都非常复杂和昂贵，在制备时通常需要6个或更多个掩膜。 

图1表示传统的沟槽MOSFET器件100的剖面图。如图1所示，沟槽102形成在半导体晶圆104中，晶圆104含有一个硅衬底。作为示例，硅衬底含有一个外延层108，外延层108形成在一个重掺杂的底部衬底层(图中没有表示出)上。本体区106形成在外延层108的顶部。源极区110形成在本体区106的顶部。用多晶硅填充沟槽，使栅极电极101形成在沟槽102中。通过氧化层114，栅极电极101与硅绝缘。金属112形成在晶圆104的顶部。在该器件中，在源极区110的顶面下，栅极电极101的顶部凹陷，源极区110需要很深的结点、很大的源极接触区(可能较小的台面结构)，并且由于对齐问题，它不能与沟槽接头(即沟槽到源极和本体区的接头)兼容。 

图2表示另一种传统的沟槽MOSFET器件200的剖面图。器件200的结构与器件100类似，包括形成在含有硅衬底的半导体晶圆204中。作为示例，硅衬底可以含有一个外延层208，形成在重掺杂的底部衬底层(图中没有表示出)上。本体区206形成在外延层208的顶部。源极区210形成在本体区206的顶部。形成在沟槽202中的栅极电极201为多晶硅竖起(PSU)型，氧化物214使它与硅晶圆204绝缘。PSU栅极电极201的顶部附近为氧化物垫片207，氧化物垫片207形成在半导体晶圆204的顶面上。金属212形成在晶圆204上方。在该器件中，栅极电极201在源极区210的顶面上延伸。 由于氧化物垫片207，这种类型的器件具有很浅的结点、较大的晶胞间距(例如0.2微米至0.3微米)，但是却能与沟槽接头兼容。然而，这会带来工艺控制问题，例如控制栅极电极201和金属212的顶角之间的厚度以及薄氧化物的完整性。 

图3表示另一种传统的沟槽MOSFET器件300的剖面图。如图3所示，栅极沟槽302和接触沟槽303形成在半导体晶圆304中，半导体晶圆304含有一个半导体衬底，半导体衬底含有形成在重掺杂的底部衬底层(图中没有表示出)上的一个外延层308。本体区306形成在外延层308的顶部。源极区310形成在本体区306的顶部。金属312形成在晶圆304顶部。栅极电极301通过氧化层314，与硅晶圆304和金属312绝缘。然而，利用同一个掩膜，最初在一个单独的步骤中形成栅极沟槽302和接触沟槽303；因此，利用额外的掩膜在后续工艺中，保护接触或栅极沟槽，使接触沟槽和栅极沟槽有所区别。该工艺虽然可以避免对准问题，但是与制备接触沟槽的自对准方法相比，还需要一个额外的掩膜。美国专利号7,767,526提出了这种工艺，下文还将详细介绍。特此引用美国专利号7,767,526，以作参考。 

美国专利号6,916,745提出了制备含有自对准配件的沟槽MOSFET的一种方法。在这种方法中，硅层的一部分被除去了，形成沟槽的中间部分以及沟槽的外部，从硅层的裸露表面区域开始，延伸到硅层中。沟槽的中间部分在硅层中延伸得比在沟槽的外部延伸得更深。用多晶硅填充沟槽，并回刻多晶硅，形成栅极电极，使多晶硅部分填充沟槽外部下面的沟槽。 

美国专利号5,801,417提出了一种凹陷的栅极功率MOSFET，形成在含有P-本体层、N-漏极层和对于IGBT可选的P+层的衬底上。首先，将形成在衬底上的沟槽保护层形成图案，使裸露的区域设置成条纹或矩形以及被保护的区域。带有内表面的预设厚度的侧壁垫片接触受保护的层侧壁。第一沟槽形成在衬底区域中，侧壁对准到侧壁垫片的外表面，深度方面穿过P-本体层，至少延伸到预设深度。栅极氧化物形成在沟槽壁上，栅极多晶硅再次填充沟槽到衬底上表面附近的水平上。侧壁垫片之间的氧化物覆盖了多晶硅。然后，保护层使垫片内表面之间的上部衬底表面裸露出来，除去这部分保护层。对这个区域进行掺杂，在本体层上方形成一个源极层，然后形成第二沟槽，其侧壁对准到垫片的内表面。第二沟槽定义了垂直方向的源极和本体层，它们 沿栅极氧化层堆栈，以便在第二沟槽的对边上形成垂直通道。源极和本体层具有横向厚度，由侧壁垫片的内、外表面的预设间距来确定。第二沟槽中的源极导线接触N-源极和P-本体层、以及在第二沟槽基极的增强型P+区。