[发明专利]半导体器件结构及其制作方法

说明书

技术领域

本发明涉及半导体集成电路的技术领域，具体而言，涉及一种半导体器件结构及其制作方法。

背景技术

沟槽式晶体管是指在晶体管的硅片正面挖许多浅而密的沟槽，把栅氧化层和栅电极做在沟槽侧壁上，因而晶体管的沟道就成为沿沟槽侧壁的垂直沟道。与现有技术中的平面栅晶体管相比，沟槽式晶体管具有更小的通态压降，与平面栅相比约小30％左右，并且电流密度更大。

以沟槽式IGBT为例，其MOS栅为垂直沟槽结构，因此需要在沟槽中填充多晶硅作栅极。图1示出了现有技术中应用于沟槽式IGBT的半导体器件结构的剖面结构示意图。如图1所示，现有半导体器件结构包括具有沟槽的衬底10′，形成于沟槽两侧的衬底中的有源区30′，形成于凹槽两侧的衬底10′表面上的沟槽掩蔽氧化膜40′，以及形成于衬底沟槽中的栅极结构20′。其中，栅极结构20′包括形成于沟槽表面的栅氧化膜21′以及填充于栅氧化膜上的掺杂多晶硅22′。

对于沟槽式晶体管，尤其是沟槽式IGBT其沟槽开口宽度至少为1.0um，所以其形成于沟槽中的多晶硅的刻蚀工艺是影响产品性能和成品率的关键工艺。多晶硅的刻蚀工艺既要求将沟槽区域以外的多晶硅彻底干净的刻蚀掉，又要确保沟槽内的多晶硅凹陷量适当，即沟槽内的多晶硅不能太深，必须在有源区之上，否则会因阈值电压的控制问题导致成品率损失。但是多晶硅刻蚀中防止多晶硅刻蚀不干净和多晶硅凹陷量的控制在工艺上是相互矛盾的，要确保多晶硅能够刻蚀干净，就需要延长刻蚀时间，但是这会导致沟槽内的多晶硅凹陷量变大；反之，要确保沟槽内的多晶硅凹陷量不会太大，就需要缩短刻蚀时间，但是这又会导致多晶硅刻蚀不干净。如果刻蚀工艺控制容差小，容易出现器件性能失效和成品率损失的问题。

发明内容

本发明旨在提供一种半导体器件结构及其制作方法，以解决现有技术中为了同时实现沟槽两侧衬底上多晶硅的彻底刻蚀以及位于沟槽侧壁上的多晶硅对有源区的很好覆盖所导致的器件性能失效和成品率损失的问题。

为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种半导体器件结构，半导体器件结构包括：衬底，具有沟槽，沟槽的开口位于衬底的第一表面；有源区，设置于沟槽两侧的衬底中；栅极结构，包括设置于沟槽表面上的栅氧层、设置于栅氧层表面上的第一多晶硅层和设置于第一多晶硅层上的第二多晶硅层，第一多晶硅层为非掺杂多晶硅或者轻掺杂多晶硅，第二多晶硅层为重掺杂多晶硅；其中，有源区的远离第一表面的底面与第一表面的垂直距离为H1，第一多晶硅层的上表面与第一表面的垂直距离为H2，第二多晶硅层的上表面与第一表面的垂直距离为H3，并且H1大于H2，H3大于H2。

进一步地，半导体器件结构还包括沟槽掩蔽层，沟槽掩蔽层形成于凹槽两侧的衬底表面上。

进一步地，栅氧层和沟槽掩蔽层的材料为SiO₂。

进一步地，半导体器件结构应用于IGBT或MOSFET。

为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种半导体器件结构的制作方法，该制作方法包括以下步骤：在衬底上形成沟槽，沟槽的开口位于衬底的第一表面，以及在沟槽两侧的衬底中形成有源区，有源区的远离第一表面的底面与第一表面的垂直距离为H1，其特征在于，在衬底上形成沟槽的步骤后，制作方法还包括在沟槽中形成栅极结构的步骤，形成栅极结构的步骤包括：

在沟槽表面上形成栅氧层；

在栅氧层表面上形成第一多晶硅层；

在第一多晶硅层上形成第二多晶硅层；其中，

第一多晶硅层的上表面与第一表面的垂直距离为H2，第二多晶硅层的上表面与第一表面的垂直距离为H3，并且H1大于H2，H3大于H2。

进一步地，在衬底上形成沟槽的步骤包括：形成依次覆盖于衬底表面上的沟槽掩蔽层和图形化光刻胶；沿图形化光刻胶刻蚀沟槽掩蔽层和衬底形成沟槽。

进一步地，在沟槽中形成栅极结构的步骤包括：在沟槽表面上形成栅氧层；在栅氧层和沟槽掩蔽层的表面上形成第一多晶硅预备层；在第一多晶硅预备层上填充第二多晶硅预备层；对第一多晶硅预备层和第二多晶硅预备层进行光刻和分步刻蚀，以形成第一多晶硅层和第二多晶硅层。

进一步地，形成第二多晶硅预备层的工艺为原位掺杂。