功率器件及其形成方法与流程

allin2025-06-06  33


本发明涉及半导体,特别涉及一种功率器件及其形成方法。


背景技术:

1、功率器件常常需要在高温环境中运行,例如,汽车引擎附近的电子控制系统、工业电机驱动系统、电力传输和分配系统等。这些环境中,温度可能会超过常规半导体器件的额定工作温度,因此,要求功率器件能够承受并稳定工作在这样的高温条件下。另外,功率器件在电力转换、传输和分配过程中,经常需要处理高电压。这些高电压可能会超过常规半导体器件的额定电压,因此,对功率器件的耐压能力提出了更高要求。

2、在功率器件中,特别是平面功率器件中的多层金属互联结构的制备过程中,金属互联结构中的上层电极层通过互连插塞与下层电极层实现互联,上层电极层与下层电极层之间以及相邻的互连插塞之间均通过介质层进行隔离。然而,功率器件在工作过程中,互连插塞之间的介质层由于需要承受极高的电势差,存在因大电压而击穿的风险,因此可能导致器件失效。为了应对这一问题,目前采取的解决方法包括拉长相邻的互连插塞之间的物理间距以提高耐压等级,但这会浪费器件面积,不利于器件的集成化。另一种方法是提升介质层质量以增强其击穿场强,但高击穿场强的介质层通常需要在高温下生长,且生长速度较慢。提高生长温度虽然有助于介质层质量的提升,但出于热预算的考虑,在金属互联结构的后道工序通常不采用高温工艺,因为可能影响到前道制程的可靠性。而降低介质层生长温度虽然可以避免热预算的问题,但会导致气体反应不完全,引入更多杂质,不利于提高击穿电压。如提高或降低介质层的生长速率的方法也会产生影响,如前者不利于提升设备利用率,后者则可能出现保形性问题和孔洞缺陷。


技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种功率器件及其形成方法,以提高相邻的互连插塞之间的介质层的耐压性,并避免介质层中出现孔洞缺陷。

2、为实现上述目的,本发明提供一种功率器件的形成方法,包括:

3、提供半导体衬底,所述半导体衬底上形成有至少两个间隔设置的第一电极层,相邻的两个所述第一电极层之间具有第一沟槽;

4、通过第一等离子体增强化学气相沉积工艺形成第一介质层,所述第一介质层填满所述第一沟槽并延伸覆盖所有所述第一电极层,所述第一等离子体增强化学气相沉积工艺的反应气体包括正硅酸乙酯;

5、对所述第一介质层进行部分厚度的刻蚀,以在相邻的所述第一电极层之间形成至少一个鳍状结构,所述鳍状结构两侧的所述第一介质层中具有第二沟槽;

6、通过第二等离子体增强化学气相沉积工艺形成第二介质层,所述第二介质层覆盖所述第二沟槽的内表面并延伸覆盖所述鳍状结构的表面以及剩余的所述第一介质层的表面,且所述第二介质层的击穿电压大于所述第一介质层的击穿电压,其中,所述第二等离子体增强化学气相沉积工艺的反应气体包括硅烷;

7、通过第三等离子体增强化学气相沉积工艺形成第三介质层,所述第三介质层填满所述第二沟槽并覆盖所述第一电极层上的所述第二介质层,其中,所述第三等离子体增强化学气相沉积工艺的反应气体包括所述正硅酸乙酯;

8、在每个所述第一电极层上形成互连插塞,所述互连插塞贯穿所述第一电极层上的所述第三介质层、所述第二介质层和所述第一介质层并与所述第一电极层电性连接。

9、可选的,在所述的功率器件的形成方法中,对所述第一介质层进行部分厚度的刻蚀的方法包括:

10、在所述第一介质层上形成图形化的光刻胶层,所述图形化的光刻胶层覆盖相邻的所述第一电极层之间的部分所述第一介质层,并暴露出所述第一电极层上的所述第一介质层及相邻的所述第一电极层之间的部分所述第一介质层;

11、以所述图形化的光刻胶层为掩膜,采用干法刻蚀工艺对相邻的所述第一电极层之间的所述第一介质层进行部分厚度的刻蚀,以形成所述鳍状结构和所述第二沟槽,并对所述第一电极层上的所述第一介质层进行部分厚度的刻蚀,以使所述第一电极层上的所述第一介质层的顶表面低于所述鳍状结构的顶表面;以及,

12、去除所述图形化的光刻胶层。

13、可选的,在所述的功率器件的形成方法中,所述第二介质层的击穿电压大于所述第三介质层的击穿电压。

14、可选的,在所述的功率器件的形成方法中,所述第一介质层和所述第三介质层的材质均为氧化硅。

15、可选的,在所述的功率器件的形成方法中,所述第一等离子体增强化学气相沉积工艺与所述第三等离子体增强化学气相沉积工艺的反应气体均还包括氧气、臭氧或者一氧化二氮。

16、可选的,在所述的功率器件的形成方法中,所述第二介质层的材质为氧化硅,且所述第二等离子体增强化学气相沉积工艺的反应气体还包括氧气和氩气;或者,所述第二介质层的材质为氮化硅,且所述第二等离子体增强化学气相沉积工艺的反应气体还包括氨气和氩气。

17、可选的,在所述的功率器件的形成方法中,所述第三介质层和所述第二介质层的沉积温度均等于所述第一介质层的沉积温度。

18、可选的,在所述的功率器件的形成方法中,在形成所述第三介质层之后,在形成所述互连插塞之前,所述功率器件的形成方法还包括:

19、通过第四等离子体增强化学气相沉积工艺形成第四介质层,所述第四介质层覆盖所述鳍状结构的顶表面及所述第三介质层,所述第四等离子体增强化学气相沉积工艺的反应气体包括硅烷,所述互连插塞还贯穿所述第四介质层;

20、在形成所述互连插塞之后,在每个所述互连插塞上形成第二电极层,所述第二电极层与所述互连插塞电性连接。

21、可选的,在所述的功率器件的形成方法中,所述第三介质层的顶表面与所述鳍状结构的顶表面平齐,所述第三介质层的形成方法包括:

22、采用所述第三等离子体增强化学气相沉积工艺形成第三介质材料层,所述第三介质材料层填满所述第二沟槽并覆盖所述第二介质层和所述鳍状结构,所述第三介质材料层的顶表面高于所述鳍状结构的顶表面;以及,

23、对所述第三介质材料层进行化学机械研磨,直至暴露出所述鳍状结构顶表面上方的所述第二介质层的顶表面,以形成所述第三介质层。

24、基于同一发明构思,本发明还提供一种功率器件,包括:

25、半导体衬底,所述半导体衬底上形成有至少两个间隔设置的第一电极层,相邻的两个所述第一电极层之间具有第一沟槽;

26、第一介质层,所述第一介质层覆盖所述第一沟槽的内表面及第一电极层;

27、至少一个鳍状结构,形成于相邻的所述第一电极层之间的所述第一介质层上,所述鳍状结构两侧的所述第一介质层中具有第二沟槽;

28、第二介质层,所述第二介质层覆盖所述第二沟槽的内表面并延伸覆盖所述鳍状结构以及所述第一介质层的表面,所述第二介质层的击穿电压大于所述第一介质层的击穿电压;

29、第三介质层,所述第三介质层填满所述第二沟槽并覆盖所述第一电极层上的所述第二介质层;以及,

30、形成于每个所述第一电极层上的互连插塞,所述互连插塞贯穿所述第三介质层和所述第一介质层并与所述第一电极层电性连接。

31、在本发明提供的功率器件的形成方法中,先通过第一等离子体增强化学气相沉积工艺形成第一介质层,第一等离子体增强化学气相沉积工艺的反应气体包括正硅酸乙酯,由于正硅酸乙酯是一种硅有机化合物,可以用来实现低温氧化硅的生成,具有沉积温度低,台阶覆盖性好等优点,如此,可以避免第一介质层中出现孔洞缺陷;然后,通过对第一介质层进行部分厚度的刻蚀,以在相邻的第一电极层之间形成至少一个鳍状结构;通过第二等离子体增强化学气相沉积工艺形成第二介质层,第二介质层覆盖第二沟槽的内表面并延伸覆盖鳍状结构以及剩余的第一介质层的表面,第二等离子体增强化学气相沉积工艺的反应气体包括硅烷,第二介质层的击穿电压大于第一介质层的击穿电压,可以提高相邻的第一电极层之间的耐压性,从而提高相邻的第一电极层之间的击穿电压;并且,由于第二介质层仅覆盖第二沟槽的内表面,并延伸至鳍状结构的表面以及剩余的第一介质层的表面,而非填满第二沟槽,因此可以避免第二介质层中出现孔洞缺陷;接着通过第三等离子体增强化学气相沉积工艺形成第三介质层,第三介质层填满第二沟槽并覆盖第一电极层上的第二介质层,其中,第三等离子体增强化学气相沉积工艺的反应气体包括正硅酸乙酯。如此,使得第三介质层具有良好的台阶覆盖填充性,由此可以实现无孔洞填充,从而避免第三介质层中出现孔洞缺陷。接着,在每个第一电极层上形成互连插塞,互连插塞贯穿第三介质层、第二介质层和第一介质层并与第一电极层电性连接,由于相邻的互连插塞之间形成有鳍状结构,且鳍状结构的表面形成有第二介质层,第二介质层的击穿电压大于第一介质层的击穿电压,且形成第二介质层的第二等离子体增强化学气相沉积工艺的反应气体包括硅烷,因此第二介质层具有高耐压性,从而可以提高相邻的互连插塞之间的耐压性,进而提高相邻的互连插塞之间的击穿电压。


技术特征:

1.一种功率器件的形成方法,其特征在于,包括:

2.如权利要求1所述的功率器件的形成方法,其特征在于,对所述第一介质层进行部分厚度的刻蚀的方法包括:

3.如权利要求1所述的功率器件的形成方法,其特征在于,所述第二介质层的击穿电压大于所述第三介质层的击穿电压。

4.如权利要求1所述的功率器件的形成方法,其特征在于,所述第一介质层和所述第三介质层的材质均为氧化硅。

5.如权利要求4所述的功率器件的形成方法,其特征在于,所述第一等离子体增强化学气相沉积工艺与所述第三等离子体增强化学气相沉积工艺的反应气体均还包括氧气、臭氧或者一氧化二氮。

6.如权利要求1所述的功率器件的形成方法,其特征在于,所述第二介质层的材质为氧化硅,且所述第二等离子体增强化学气相沉积工艺的反应气体还包括氧气和氩气;或者,所述第二介质层的材质为氮化硅,且所述第二等离子体增强化学气相沉积工艺的反应气体还包括氨气和氩气。

7.如权利要求1所述的功率器件的形成方法,其特征在于,所述第三介质层和所述第二介质层的沉积温度均等于所述第一介质层的沉积温度。

8.如权利要求1所述的功率器件的形成方法,其特征在于,在形成所述第三介质层之后,在形成所述互连插塞之前,所述功率器件的形成方法还包括:

9.如权利要求1所述的功率器件的形成方法,其特征在于,所述第三介质层的顶表面与所述鳍状结构的顶表面平齐,所述第三介质层的形成方法包括:

10.一种功率器件,其特征在于,包括:


技术总结
本发明提供一种功率器件及其形成方法,先对第一介质层进行部分厚度的刻蚀,在相邻的第一电极层之间形成至少一个鳍状结构;通过第二等离子体增强化学气相沉积工艺形成第二介质层,第二介质层覆盖第二沟槽的内表面并延伸覆盖鳍状结构以及剩余的第一介质层的表面,第二介质层的击穿电压大于第一介质层的击穿电压,可以提高相邻的第一电极层之间的耐压性;通过第三等离子体增强化学气相沉积工艺形成第三介质层,使得第三介质层具有良好的台阶覆盖填充性,由此可以实现无孔洞填充;并且由于第二介质层的击穿电压大于第一介质层的击穿电压,可以提高相邻的互连插塞之间的耐压性,从而可以提高相邻的互连插塞之间的耐压性。

技术研发人员:郭德霄
受保护的技术使用者:上海新微半导体有限公司
技术研发日:
技术公布日:2024/10/31
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