一种沟槽MOS晶体管器件及其制备方法

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，特别涉及一种沟槽MOS晶体管器件及其制备方法。

背景技术

如图1所示，传统的垂直沟槽MOS晶体管中，N型导电类型的外延层12在N型的衬底11上延伸。P型导电类型的阱区13形成于外延层12的上部中。栅极沟槽从阱区13的上表面向下延伸穿过阱区13后终止于阱区13下方的外延层12中。栅极沟槽的内壁上沉积一层栅氧化层14，并且在所述栅极沟槽中填充多晶硅材料以形成有栅极16。源极15分布在栅极沟槽外侧的阱区13中。由于垂直沟槽MOS晶体管的反型沟道平行于栅极16的深度方向，因此，在导通状态，电子垂直地从源极端19流向漏极端18，其中，电子穿过源极15、沿栅极沟槽侧壁外的阱区13，穿过外延层12和衬底11。

当栅极端19和源极端17短接时，漏极端18承受电压来自于阱区13与外延层12之间构成的PN结，以及栅氧化层14在栅极沟槽的底壁和侧壁的拐角处A，而当前拐角处A的栅氧层厚度为

发明内容

本发明的目的在于，提供一种沟槽MOS晶体管器件及其制备方法，提高沟槽MOS晶体管器件的电特性和可靠性。

为了解决以上问题，本发明提供一种沟槽MOS晶体管器件，包括碳化硅衬底，所述碳化硅衬底中形成有栅极沟槽，所述栅极沟槽的侧壁和底壁上形成有栅氧层，所述栅氧层包括第一栅氧层和第二栅氧层，所述第一栅氧层覆盖所述栅极沟槽的侧壁和底壁，所述第二栅氧层覆盖所述第一栅氧层，其中，所述第二栅氧层为PETEOS层或PEOX层，且所述栅氧层的侧壁厚度小于底壁厚度。

可选的，所述第一栅氧层为热氧化层，所述第一栅氧层的侧壁厚度大于底壁厚度，且所述第一栅氧层的侧壁厚度与底壁厚度的比例为5：1～3：1。

可选的，所述第一栅氧层为HTO层，所述第一栅氧层的侧壁厚度与底壁厚度接近。

可选的，所述栅氧层的侧壁厚度与底壁厚度的比例为1：1.2～1：20，且所述栅氧层在所述栅极沟槽的拐角处厚度为预设厚度的3倍～6倍，其中，所述预设厚度为

另一方面，本发明还提高一种沟槽MOS晶体管器件的制备方法，包括以下步骤：

提供一碳化硅衬底，所述碳化硅衬底中形成有栅极沟槽；

在所述栅极沟槽的侧壁和底壁上形成第一栅氧层；

利用PETEOS或PEOX方式，在所述第一栅氧层表面沉积第二栅氧层，所述第一栅氧层和第二栅氧层构成栅氧层，其中，所述栅氧层的侧壁厚度小于底壁厚度。

可选的，形成所述第一栅氧层的具体方法为：

利用热生长工艺在第一预设温度下在所述栅极沟槽的底壁和侧壁上进行第一次氧化，以形成第一栅氧层；

其中，所述第一栅氧层的侧壁厚度大于底壁厚度，且所述第一栅氧层的侧壁厚度与底壁厚度的比例为5：1～3：1。

进一步的，所述第一预设温度为1150℃～1500℃。

可选的，形成所述第一栅氧层的具体方法为：

利用HTO工艺在所述栅极沟槽的侧壁和底部上淀积第一栅氧层，所述第一栅氧层为HTO层，且所述第一栅氧层的侧壁厚度与底壁厚度接近。

进一步的，在形成所述第二栅氧层之后，还包括：

在第二预设温度下，对所述碳化硅衬底进行致密化工艺。

进一步的，所述第二预设温度的取值不超过第一预设温度的取值，所述第二预设温度为1100℃～1300℃。

可选的，所述栅氧层的侧壁厚度与底壁厚度的比例为1：1.2～1：20，且所述栅氧层在所述栅极沟槽的拐角处厚度为预设厚度的3倍～6倍，其中，所述预设厚度为

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明提供一种沟槽MOS晶体管器件及其制备方法，沟槽MOS晶体管器件包括碳化硅衬底，所述碳化硅衬底中形成有栅极沟槽，所述栅极沟槽的侧壁和底壁上形成有栅氧层，所述栅氧层包括第一栅氧层和第二栅氧层，所述第一栅氧层覆盖所述栅极沟槽的侧壁和底壁，所述第二栅氧层覆盖所述第一栅氧层，其中，所述第二栅氧层为PETEOS层或PEOX层，且所述栅氧层的侧壁厚度小于底壁厚度。本发明通过栅氧层的侧壁厚度小于底壁厚度，相较于现有技术，增厚了栅极沟槽拐角处的栅氧层厚度，从而降低了栅氧层在拐角处的电场峰值，提高了沟槽MOS晶体管器件的电性，还增加了沟槽MOS晶体管器件的可靠性。

附图说明

图1为一种垂直沟槽MOS晶体管的结构示意图；

图2为本发明一实施例提供的一种沟槽MOS晶体管器件的制备方法的流程示意图；

图3为本发明一实施例提供的半导体衬底的结构示意图；

图4为本发明一实施例形成第一栅氧后的结构示意图；

图5为本发明一实施例形成第二栅氧后的结构示意图；

图6为本发明一实施例提供的一种沟槽MOS晶体管器件的结构示意图；

图7为传统沟槽MOS晶体管器件与本发明沟槽MOS晶体管器件在栅氧化层的拐角处的电场强度对比曲线图。

其中，图1中：11-衬底；12-外延层；13-阱区；14-栅氧化层；15-源极；16-栅极；17-源极端；18-漏极端；19-栅极端；A-拐角处；

图3-图7：

100-碳化硅衬底；110-基底；120-缓冲层；130-外延层；131-栅极沟槽；140-阱区；150-源区；210-第一栅氧层；220-第二栅氧层；230-多晶硅栅极；A-拐角处。

具体实施方式

以下将对本发明的一种沟槽MOS晶体管器件及其制备方法作进一步的详细描述。下面将参照附图对本发明进行更详细的描述，其中表示了本发明的优选实施例，应该理解本领域技术人员可以修改在此描述的本发明而仍然实现本发明的有利效果。因此，下列描述应当被理解为对于本领域技术人员的广泛知道，而并不作为对本发明的限制。

为了清楚，不描述实际实施例的全部特征。在下列描述中，不详细描述公知的功能和结构，因为它们会使本发明由于不必要的细节而混乱。应当认为在任何实际实施例的开发中，必须做出大量实施细节以实现开发者的特定目标，例如按照有关系统或有关商业的限制，由一个实施例改变为另一个实施例。另外，应当认为这种开发工作可能是复杂和耗费时间的，但是对于本领域技术人员来说仅仅是常规工作。

为使本发明的目的、特征更明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比率，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

本发明提供一种沟槽MOS晶体管器件，包括碳化硅衬底，所述碳化硅衬底中形成有栅极沟槽，所述栅极沟槽的侧壁和底壁上形成有栅氧层，所述栅氧层包括第一栅氧层和第二栅氧层，所述第一栅氧层覆盖所述栅极沟槽的侧壁和底壁，所述第二栅氧层覆盖所述第一栅氧层，其中，所述第二栅氧层为PETEOS层或PEOX层，且所述栅氧层的侧壁厚度小于底壁厚度，以使得所述栅氧层在所述栅极沟槽的拐角处厚度为预设厚度的3倍～6倍，其中，所述预设厚度为

本发明还提供一种沟槽MOS晶体管器件的制备方法，包括以下步骤：

步骤S1：提供一碳化硅衬底，所述碳化硅衬底中形成有栅极沟槽；

步骤S2：在所述栅极沟槽的侧壁和底壁上形成第一栅氧层；

步骤S3：利用PETEOS或PEOX方式，在所述第一栅氧层表面沉积第二栅氧层，所述第一栅氧层和第二栅氧层构成栅氧层，其中，所述栅氧层的侧壁厚度小于底壁厚度。

本发明通过栅氧层的侧壁厚度小于底壁厚度，相较于现有技术，增厚了栅极沟槽拐角处的栅氧层厚度，从而降低了栅氧层在拐角处的电场峰值，提高了沟槽MOS晶体管器件的电性，还增加了沟槽MOS晶体管器件的可靠性。

具体的，如图6所示，所述沟槽MOS晶体管器件包括碳化硅衬底100，所述碳化硅衬底100由下至上依次包括基底、缓冲层120和外延层130，所述基底和外延层130的材料例如均为碳化硅。所述基底为N型导电类型，所述外延层130为N型导电类型。所述外延层130中设置有P型导电类型的阱区140，所述阱区140从所述外延层130的上表面向下延伸，所述外延层130中形成有栅极沟槽131，所述栅极沟槽131位于所述阱区140，且所述栅极沟槽131的底部伸出所述阱区140并位于所述阱区140下方的外延层130中。需要说明的是，定义从基底到外延层130的方向为从下到上。

所述凹槽的内壁和底壁上依次形成有第一栅氧层210和第二氧化层，其中，所述第一栅氧层210和第二氧化层均为二氧化硅层。

在一个实施例中，所述第一栅氧层210为热氧化层，且所述第一栅氧层210的侧壁厚度(即所述第一栅氧层210在所述栅极沟槽131侧壁上的厚度)大于底壁厚度(即所述第一栅氧层210在所述栅极沟槽131底壁上的厚度)，进一步的，所述第一栅氧层210的侧壁厚度与底壁厚度的比例为5：1～3：1。在另一个实施例中，所述第一栅氧层210为HTO层(HighTemperature Oxidation，高温氧化层)，所述第一栅氧层210的侧壁厚度与底壁厚度接近。

所述第二栅氧层220为PETEOS层(等离子体增强正硅酸乙酯薄膜层)或PEOX层(等离子体增强氧化膜层)。所述栅氧层的侧壁厚度与底壁厚度的比例为1：1.2～1：20。本实施例在栅极沟槽131拐角处A的栅氧层厚度大约是现有技术中栅极沟槽131拐角处A的栅氧层厚度(即

所述栅极沟槽131中设置有多晶硅栅极230，所述多晶硅栅极230外侧的阱区140中设置有N型导电类型的源区150。

以下结合图3-图6对本实施例提供的一种沟槽MOS晶体管器件的制备方法进行详细说明。

如图3所示，首先执行步骤S1，提供一碳化硅衬底100，所述碳化硅衬底100中形成有栅极沟槽131。

本步骤具体包括：

首先，提供碳化硅衬底100，所述碳化硅衬底100由下至上依次包括基底、缓冲层120和外延层130，所述基底和外延层130的材料例如均为碳化硅。所述基底为N型导电类型，所述外延层130为N型导电类型。

接着，在一个实施例中，在所述外延层130中形成P型导电类型的阱区140，在另一个实施例中，在形成多晶硅栅极230之后再在所述外延层130中形成P型导电类型的阱区140。

接着，在所述外延层130中形成栅极沟槽131，若阱区140已形成，那么所述栅极结构位于所述阱区140，且底部伸出所述阱区140并位于所述阱区140下方的外延层130中。

接着执行步骤S2，在所述栅极沟槽131的侧壁和底壁上形成第一栅氧层210。

本步骤具体为：

如图4所示，在一个实施例中，利用热生长工艺在第一预设温度下在所述栅极沟槽131的底壁和侧壁上进行第一次氧化，以形成第一栅氧层210，所述第一栅氧层210还覆盖所述外延层130表面。所述第一预设温度为1150℃～1500℃。在热生长工艺过程中，由于栅极沟槽131的侧壁上晶面原子密度较大，氧化速率较大，因此，所述第一栅氧层210在所述栅极沟槽131侧壁上的厚度(即所述第一栅氧层210的侧壁厚度)大于所述第一栅氧层210在所述栅极沟槽131底壁上的厚度(即所述第一栅氧层210的底壁厚度)，进一步的，所述第一栅氧层210的侧壁厚度与底壁厚度比例为5:1～3:1。

在另一个实施例中，利用HTO(High Temperature Oxidation，高温氧化)工艺在所述栅极沟槽131的侧壁和底部上淀积第一栅氧层210，所述第一栅氧层210还覆盖所述外延层130表面，所述第一栅氧层210为HTO层。此时，所述第一栅氧层210的侧壁厚度与底壁厚度接近。

如图5所示，接着步骤S3，利用PETEOS或PEOX方式，在所述第一栅氧层210表面沉积第二栅氧层220，所述第一栅氧层210和第二栅氧层220构成栅氧层，其中，所述栅氧层的侧壁厚度小于底壁厚度。

本步骤具体为：

利用PETEOS(等离子体增强正硅酸乙酯薄膜)工艺或PEOX(等离子体增强氧化膜)工艺，在所述第一栅氧层210表面淀积第二栅氧层220，所述第一栅氧层210和第二栅氧层220构成栅氧层。在PETEOS工艺或PEOX工艺中，通过调整机台参数，例如压力、气体(例如TEOS或O2)的流量、射频电压以及光刻板透光率等的方式，使得所述栅极沟槽131侧壁沉积厚度较栅极沟槽131底壁沉积厚度更少的第二栅氧层220，相较于现有技术，可以大幅度增加栅极沟槽131拐角处A的栅氧层的厚度，例如是现有技术中栅极沟槽131拐角处A的栅氧层厚度的3倍～6倍。

为了保证栅氧层的质量，需要减少碳化硅和栅氧层(具体的为第一栅氧层210)之间的界面态缺陷。因此，之后还包括：步骤S4，对所述碳化硅衬底100进行致密化工艺。

具体的，在第二预设温度下，对所述碳化硅衬底100进行致密化工艺，以使得第一栅氧层210与外延层130之间的交界面上，所述第一栅氧层210中游离的氧以及二氧化硅中的氧与碳化硅中的硅二次氧化。所述第二预设温度的取值不超过第一预设温度的取值，所述第二预设温度为1100℃～1300℃。致密化工艺可以在NO、NO

其中，针对热生长获得的第一栅氧层210进行致密性工艺时所需时间t1较HTO获得的第一栅氧层210进行致密性工艺时所需时间t2短，且t2为t1的1.2倍～3倍，以便于HTO层作为第一栅氧层210可以充分与碳化硅进行二次氧化，减少界面态缺陷。

最后，在所述栅极沟槽131中形成多晶硅栅极230，并在所述多晶硅栅极230外侧的阱区140中形成N型导电类型的源区150。

综上，本发明提供一种沟槽MOS晶体管器件及其制备方法，沟槽MOS晶体管器件包括碳化硅衬底，所述碳化硅衬底中形成有栅极沟槽，所述栅极沟槽的侧壁和底壁上形成有栅氧层，所述栅氧层包括第一栅氧层和第二栅氧层，所述第一栅氧层覆盖所述栅极沟槽的侧壁和底壁，所述第二栅氧层覆盖所述第一栅氧层，其中，所述第二栅氧层为PETEOS层或PEOX层，且所述栅氧层的侧壁厚度小于底壁厚度。本发明通过栅氧层的侧壁厚度小于底壁厚度，相较于现有技术，增厚了栅极沟槽拐角处的栅氧层厚度，从而降低了栅氧层在拐角处的电场峰值，提高了沟槽MOS晶体管器件的电性，还增加了沟槽MOS晶体管器件的可靠性。

此外，需要说明的是，除非特别说明或者指出，否则说明书中的术语“第一”、“第二”的描述仅仅用于区分说明书中的各个组件、元素、步骤等，而不是用于表示各个组件、元素、步骤之间的逻辑关系或者顺序关系等。

可以理解的是，虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而上述实施例并非用以限定本发明。对于任何熟悉本领域的技术人员而言，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。