CN101488521A - 沟槽式金氧半晶体管结构及其制程 - Google Patents
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Abstract
一种沟槽式金氧半晶体管结构及其制程，其结构包括一基板顶端具有一磊晶层且具有复数个沟槽，该磊晶层顶端部具有复数个主体区，该磊晶层顶端面具有一绝缘层，该绝缘层顶端形成一第二金属阻障层，该第二金属阻障层顶端形成一铜金属层，该些主体区顶端部分别具有一源极区，该些沟槽中具有一栅极氧化层与复数个沟槽式栅极以作为金氧半晶体管的栅极；以及复数个接触沟槽中分别填充一第一金属阻障层与一金属接触层。其中该基板、该磊晶层以及该源极区为相同极性的半导体，该主体区为与该源极区相反极性的半导体，且该基板与该源极区的浓度高于该磊晶层，各个金属接触层底端分别接触所对应的该些源极区、所对应的该些主体区以及所对应的沟槽式栅极。
Description
技术领域
本发明关于一种沟槽式金氧半晶体管结构及其制程，其特别是可提供一沟槽式金氧半晶体管结构，并可改善导热特性及提供该沟槽式金氧半晶体管结构的制程。
背景技术
习知的沟槽式金氧半晶体管(Trench Metal-Oxide-SemiconductorField Effect Transistor，MOSFET)结构或者说是垂直式晶体管(verticaltransistor)中，其晶体管的栅极(gate)是形成于一基板上的沟槽中，且晶体管的源极(source)区与漏极(drain)区是形成于前述的栅极的两侧。这类垂直式晶体管可提供大电流的导通以及具有较低的开启或关闭电压。
请参考图1所显示，图1显示习知沟槽式金氧半晶体管结构的侧剖面图，习知沟槽式金氧半晶体管是于一N+型基板100上形成一N型磊晶层105，且该N型磊晶层105的离子布植浓度低于该N+型基板100。该N型磊晶层105中具有复数个垂直延伸的沟槽，且一栅极氧化层115覆盖于该些沟槽中，且复数个沟槽式栅极130分别填充于对应的沟槽中。前述该些沟槽式栅极130的两侧分别形成复数个P型主体区110，且复数个N+型源极区125分别对应形成于该P型主体区110中，使得该些N+型源极区125形成该晶体管的源极区。提供电气连接该些沟槽式栅极130、该些P型主体区110以及该些N+型源极区125的复数个金属电气连接部分别是该些沟槽中的钨金属接触层145以及阻障层140所构成。该钨金属接触层145布置有铝合金金属层150，用以作为晶体管前端与外部电气连接的金属连接层。然而，使用铝合金作为该沟槽式金氧半晶体管中的金属连接层会导致散热性较差，尤其是在晶体管尺寸日趋减小的状况下，其散热问题会愈益严重。
另外，在习知的沟槽式金氧半晶体管中，例如美国第6,462,376号专利以及第6,888,196号专利，其是透过钨金属接触层电气连接前端的该铝合金金属层，而在空间上形成平面的方式接触该源极区，也会使得当晶体管的密度变高时而产生导热性不佳的问题。
因此，本发明有鉴于习知沟槽式金氧半晶体管的缺失，乃亟思发明一种沟槽式金氧半晶体管结构及其制程，并可改善导热特性。
发明内容
本发明的目的主要是提供一沟槽式金氧半晶体管结构，并具有较佳的导热特性。
本发明的目的主要是提供一沟槽式金氧半晶体管结构制程，并使得沟槽式金氧半晶体管具有较佳的导热特性。
为达上述目的，本发明提供一种沟槽式金氧半晶体管结构，包括：一基板；一磊晶层顶端部，其形成于该基板顶端部；复数个沟槽，其形成于该磊晶层顶端部；一栅极氧化层，其形成于该些沟槽的侧壁以及底端部；复数个沟槽式栅极，其分别对应填满于该些沟槽中，并形成该金氧半晶体管的栅极；复数个主体区，其形成于该磊晶层顶端部；复数个源极区，其形成于对应的主体区顶端部；一绝缘层，其沉积形成于该磊晶层顶端面上；复数个接触沟槽，其贯穿形成于该绝缘层，且贯穿至所对应的该些主体区以及所对应的沟槽式栅极；复数个金属接触层，其分别为一金属部且填充于各个接触沟槽中，其底端并分别接触所对应的该些源极区、所对应的该些主体区以及所对应的沟槽式栅极；一第一金属阻障层，其形成于该接触沟槽的侧壁与底部，并接触所对应的该些源极区、所对应的该些主体区以及所对应的沟槽式栅极；一第二金属阻障层，其形成于该绝缘层顶端；以及一铜金属层，其形成于该第二金属阻障层顶端，并透过该金属接触层而电气连接至所对应的该些源极区、所对应的该些主体区以及所对应的沟槽式栅极；其中该基板、该磊晶层以及该源极区为相同极性的半导体，该主体区为与该源极区相反极性的半导体，且该基板与该源极区的浓度高于该磊晶层。
另外，本发明提供一种沟槽式金氧半晶体管结构制程，包括：提供一磊晶层顶端部于一基板顶端部；提供复数个沟槽，且该些沟槽形成于该磊晶层顶端部；覆盖一栅极氧化层于该些沟槽的侧壁以及底端部；形成复数个沟槽式栅极并分别对应填满于该些沟槽中，而形成该金氧半晶体管的栅极；形成复数个主体区于该磊晶层顶端部；形成复数个源极区于对应的主体区顶端部；形成一绝缘层于该磊晶层顶端面上；形成复数个接触沟槽贯穿该绝缘层，且贯穿至所对应的该些主体区以及所对应的沟槽式栅极；形成复数个金属接触层分别填充于各个接触沟槽中，其底端并分别接触所对应的该些源极区、所对应的该些主体区以及所对应的沟槽式栅极；形成一第一金属阻障层于该接触沟槽的侧壁与底部，并接触所对应的该些源极区、所对应的该些主体区以及所对应的沟槽式栅极；形成一第二金属阻障层于该绝缘层顶端；以及形成一铜金属层于该第二金属阻障层顶端，并透过该金属接触层而电气连接至所对应的该些源极区、所对应的该些主体区以及所对应的沟槽式栅极；其中该基板、该磊晶层以及该源极区为相同极性的半导体，该主体区为与该源极区相反极性的半导体，且该基板与该源极区的浓度高于该磊晶层。
前述的基板可以是一N型基板以用于N通道的沟槽式金氧半晶体管结构，该磊晶层是一N型磊晶层，该基板与该源极区的N型布植浓度高于该磊晶层。或是，前述的基板也可以是一P型基板以用于P通道的沟槽式金氧半晶体管结构，该磊晶层是一P型磊晶层，该基板与该源极区的P型布植浓度高于该磊晶层。
再者，前述的绝缘层可以是一氧化硅层；该第一金属阻障层可以是由先沉积钛金属或钽金属，再沉积氮化钛或氮化钽所形成；以及该第二金属阻障层是由沉积钽金属所形成或先沉积钽金属再沉积氮化钽所形成。
前述该些沟槽中的栅极氧化层分布在该些沟槽侧壁与底部且具有均匀厚度。或是，该些沟槽底部的栅极氧化层厚度具有大于该些沟槽侧壁的栅极氧化层厚度，以降低该栅极氧化层的电容特性。
本发明的沟槽式金氧半晶体管中，可进一步包括复数个高浓度布植区分别对应形成于该些接触沟槽的底部。
为使熟悉该项技艺人士了解本发明的目的、特征及功效，兹藉由下述具体实施例，并配合图式，对本发明详加说明如后。
附图说明
图1显示习知沟槽式金氧半晶体管结构的侧剖面图；以及
图2至图10为本发明沟槽式金氧半晶体管结构及其制程中各个状态的侧剖面图。
主要组件符号说明
N+型基板 100
N型磊晶层 105
P型主体区 110
栅极氧化层 115
沟槽式栅极 130
N+型源极区 125
绝缘层 135
阻障层 140
钨金属接触层 145
铝合金金属层 150
N+型基板 200
N型磊晶层 205
沟槽 206
栅极氧化层 210
沟槽式栅极 215
P型主体区 220
高浓度P型布植区 221
N+型源极区 225
绝缘层 230
金属接触层 237
第一光罩层 240
接触沟槽 241
氧化层 245
分隔部 246
第二光罩层 250
第一金属阻障层 255
第二金属阻障层 256
铜金属层 260
具体实施方式
请参考图2所显示，图2为本发明沟槽式金氧半晶体管结构的制程中一状态的侧剖面图，一N+型基板200的顶端部包括一N型磊晶层205，并施以曝光显影制程(Lithography process)以及干蚀刻制程(dry etchingprocess)，使得该N型磊晶层205中形成复数个沟槽206。接着再施以一沉积制程(deposition process)或一热氧化制程(thermally grown process)，使得该N型磊晶层205以及该沟槽206表面形成一氧化硅层，用以作为沟槽式金氧半晶体管结构中的一栅极氧化层210。
前述步骤中，在形成该栅极氧化层210之前，可形成一氧化牺牲层(sacrificial oxide)(图中未显示)分布，该氧化牺牲层未保护的区域对应该些沟槽206，并施以湿蚀刻制程(wet etched process)藉以沿着前述干蚀刻制程所形成的该些沟槽206表面上移除硅材料。
请参考图3所显示，图3为本发明沟槽式金氧半晶体管结构的制程中一状态的侧剖面图，其是透过一沉积程序形成一多晶硅层于该栅极氧化层210顶端面以及填充该些沟槽206的中空内部。接着，可透过一干蚀刻制程或化学机械表面处理程序(CMP，chemical-mechanical polishingprocess)移除前述该栅极氧化层210表面上的多晶硅层，而因此形成沟槽式金氧半晶体管结构中的沟槽式栅极215。再者，透过曝光显影程序而使得一光罩(图3未显示)覆盖于该栅极氧化层210以及沟槽式栅极215，且接着藉由离子布植制程(ion implantation process)以及扩散制程(diffusion process)，而形成复数个P型主体区220于该N型磊晶层205中。另外，透过曝光显影程序而形成另一光罩(图3未显示)，并再藉由另一离子布植制程(ion implantation process)以及另一扩散制程(diffusionprocess)，而形成复数个N+型源极区225于该些P型主体区220中。该些N+型源极区225是作为沟槽式金氧半晶体管结构中的源极区(source)。
请参考图4所显示，图4为本发明沟槽式金氧半晶体管结构的制程中一状态的侧剖面图，一绝缘层230形成于该栅极氧化层210以及该沟槽式栅极215上，且该绝缘层230是沉积制程所形成的一氧化硅层。在该绝缘层230的沉积制程之后，透过一曝光显影程序而形成一第一光罩层240于该绝缘层230表面，且该第一光罩层240的布置是定义出沟槽式金氧半晶体管结构中的金属接触层，特别是该第一光罩层240的镂空区域是定义出形成金属接触层的区域。
请参考图5所显示，图5为本发明沟槽式金氧半晶体管结构的制程中一状态的侧剖面图，利用图4中的第一光罩层240作为一干蚀刻制程的蚀刻光罩，以施以干蚀刻制程而形成复数个接触沟槽241，且使得该些接触沟槽241贯穿该绝缘层230、该些N+型源极区225、该些P型主体区220，以及该沟槽式栅极215。接着，透过一离子布植制程使得各个该接触沟槽241底部形成一高浓度P型布植区221。
请参考图6所显示，图6为本发明沟槽式金氧半晶体管结构的制程中一状态的侧剖面图，透过一沉积制程沉积一第一金属阻障层255于该些接触沟槽241内表面以及该绝缘层230上表面。接着，透过一CVD(chemical vapor deposition)沉积制程沉积一金属接触层237于该接触沟槽241(如图5所示)且填满该接触沟槽241，而形成对应的金属插塞(metalplugs)，以作为沟槽式金氧半晶体管结构中的电气连接层。基于本发明的一具体实施例，该第一金属阻障层255可藉由沉积钛金属后再沉积一氮化钛(以下称钛/氮化钛层)，或藉由沉积钽金属后再沉积一氮化钽(以下称钽/氮化钽层)，且是利用沉积钨金属并填满该接触沟槽241而形成该金属接触层237。在该金属接触层237的沉积制程之后，透过化学机械表面处理程序或干蚀刻制程移除该金属接触层237以及该第一金属阻障层255覆盖在该绝缘层230的部分，以完成该金属接触层237，并作为沟槽式金氧半晶体管结构中的电气连接金属层。
请参考图7所显示，图7为本发明沟槽式金氧半晶体管结构的制程中一状态的侧剖面图，一氧化层245沉积在该金属接触层237、该第一金属阻障层255以及该绝缘层230上，以及一第二光罩层250布置于该氧化层245上。
请参考图8所显示，图8为本发明沟槽式金氧半晶体管结构的制程中一状态的侧剖面图，配合前述的第二光罩层250(如图7所显示)作为一蚀刻光罩，并施以一干蚀刻制程，以在该绝缘层230上表面形成复数个分隔部246。
请参考图9所显示，图9为本发明沟槽式金氧半晶体管结构的制程中一状态的侧剖面图，透过沉积制程沉积钽或钽/氮化钽层形成一第二金属阻障层256于该金属接触层237、该第一金属阻障层255、该绝缘层230以及该分隔部246上，且沉积一铜金属层260于该第二金属阻障层256上。
请参考图10所显示，图10为本发明沟槽式金氧半晶体管结构的制程中一状态的侧剖面图，藉由化学机械表面处理程序去除该分隔部246、该第二金属阻障层256以及该铜金属层260多余的部分，以形成沟槽式金氧半晶体管结构中提供电气连接的金属层。
基于图2至图10显示的本发明沟槽式金氧半晶体管结构的制程的具体实施例，该第一光罩层240以及该第二光罩层250是用于定义出该接触沟槽241与电气连接金属层的位置以及布置，且钨金属是填满该些接触沟槽而形成电气连接金属层。不同于习知技术中使用铝金属作为电气连接金属层，本发明是使用铜金属作为沟槽式金氧半晶体管结构的前电气连接金属层。由于铜金属具有比较好的导热性，因此沟槽式金氧半晶体管结构导热性可随着晶体管尺寸的降低而逐渐被忽视。
以上所述仅为用以解释本发明的较佳实施例，并非企图据以对本发明作任何形式上的限制，是以，凡有在相同的创作精神下所作有关本发明的任何修饰或变更，皆仍应包括在本发明意图保护的范畴。
Claims (18)
1、一种沟槽式金氧半晶体管结构，包括：
一基板；
一磊晶层顶端部，其形成于该基板顶端部；
复数个沟槽，其形成于该磊晶层顶端部；
一栅极氧化层，其形成于该些沟槽的侧壁以及底端部；
复数个沟槽式栅极，其分别对应填满于该些沟槽中，并形成该金氧半晶体管的栅极；
复数个主体区，其形成于该磊晶层顶端部；
复数个源极区，其形成于对应的主体区顶端部；
一绝缘层，其沉积形成于该磊晶层顶端面上；
复数个接触沟槽，其贯穿形成于该绝缘层，且贯穿至所对应的该些主体区以及所对应的沟槽式栅极；
复数个金属接触层，其分别为一金属部且填充于各个接触沟槽中，其底端并分别接触所对应的该些源极区、所对应的该些主体区以及所对应的沟槽式栅极；
一第一金属阻障层，其形成于该接触沟槽的侧壁与底部，并接触所对应的该些源极区、所对应的该些主体区以及所对应的沟槽式栅极；
一第二金属阻障层，其形成于该绝缘层顶端；以及
一铜金属层，其形成于该第二金属阻障层顶端，并透过该金属接触层而电气连接至所对应的该些源极区、所对应的该些主体区以及所对应的沟槽式栅极；
其中该基板、该磊晶层以及该源极区为相同极性的半导体，该主体区为与该源极区相反极性的半导体，且该基板与该源极区的浓度高于该磊晶层。
2、如权利要求1所述的沟槽式金氧半晶体管结构，其特征在于：该基板为一N型基板以用于N通道的沟槽式金氧半晶体管结构，该磊晶层为一N型磊晶层，该基板与该源极区的N型布植浓度高于该磊晶层。
3、如权利要求1所述的沟槽式金氧半晶体管结构，其特征在于：该基板为一P型基板以用于P通道的沟槽式金氧半晶体管结构，该磊晶层为一P型磊晶层，该基板与该源极区的P型布植浓度高于该磊晶层。
4、如权利要求1所述的沟槽式金氧半晶体管结构，其特征在于：该绝缘层为一氧化硅层。
5、如权利要求1所述的沟槽式金氧半晶体管结构，其特征在于：该第一金属阻障层是由先沉积钛金属或钽金属，再沉积氮化钛或氮化钽所形成。
6、如权利要求1所述的沟槽式金氧半晶体管结构，其特征在于：该第二金属阻障层是由沉积钽金属所形成或先沉积钽金属再沉积氮化钽所形成。
7、如权利要求1所述的沟槽式金氧半晶体管结构，其特征在于：该些沟槽中的栅极氧化层分布在该些沟槽侧壁与底部且具有均匀厚度。
8、如权利要求1所述的沟槽式金氧半晶体管结构，其特征在于：该些沟槽底部的栅极氧化层厚度具有大于该些沟槽侧壁的栅极氧化层厚度，以降低该栅极氧化层的电容特性。
9、如权利要求1所述的沟槽式金氧半晶体管结构，其特征在于：进一步包括复数个高浓度布植区分别对应形成于该些接触沟槽的底部。
10、一种沟槽式金氧半晶体管结构制程，包括：
提供一磊晶层顶端部于一基板顶端部；
提供复数个沟槽，且该些沟槽形成于该磊晶层顶端部；
覆盖一栅极氧化层于该些沟槽的侧壁以及底端部；
形成复数个沟槽式栅极并分别对应填满于该些沟槽中，而形成该金氧半晶体管的栅极；
形成复数个主体区于该磊晶层顶端部；
形成复数个源极区于对应的主体区顶端部；
形成一绝缘层于该磊晶层顶端面上；
形成复数个接触沟槽贯穿该绝缘层，且贯穿至所对应的该些主体区以及所对应的沟槽式栅极；
形成复数个金属接触层分别填充于各个接触沟槽中，其底端并分别接触所对应的该些源极区、所对应的该些主体区以及所对应的沟槽式栅极；
形成一第一金属阻障层于该接触沟槽的侧壁与底部，并接触所对应的该些源极区、所对应的该些主体区以及所对应的沟槽式栅极；
形成一第二金属阻障层于该绝缘层顶端；以及
形成一铜金属层于该第二金属阻障层顶端，并透过该金属接触层而电气连接至所对应的该些源极区、所对应的该些主体区以及所对应的沟槽式栅极；
其中该基板、该磊晶层以及该源极区为相同极性的半导体，该主体区为与该源极区相反极性的半导体，且该基板与该源极区的浓度高于该磊晶层。
11、如权利要求10所述的沟槽式金氧半晶体管结构制程，其特征在于：该基板为一N型基板以用于N通道的沟槽式金氧半晶体管结构，该磊晶层为一N型磊晶层，该基板与该源极区的N型布植浓度高于该磊晶层。
12、如权利要求10所述的沟槽式金氧半晶体管结构制程，其特征在于：该基板为一P型基板以用于P通道的沟槽式金氧半晶体管结构，该磊晶层为一P型磊晶层，该基板与该源极区的P型布植浓度高于该磊晶层。
13、如权利要求10所述的沟槽式金氧半晶体管结构制程，其特征在于：该绝缘层为一氧化硅层。
14、如权利要求10所述的沟槽式金氧半晶体管结构制程，其特征在于：该第一金属阻障层是由先沉积钛金属或钽金属，再沉积氮化钛或氮化钽所形成。
15、如权利要求10所述的沟槽式金氧半晶体管结构制程，其特征在于：该第二金属阻障层是由沉积钽金属所形成或先沉积钽金属再沉积氮化钽所形成。
16、如权利要求10所述的沟槽式金氧半晶体管结构制程，其特征在于：该些沟槽中的栅极氧化层分布在该些沟槽侧壁与底部且具有均匀厚度。
17、如权利要求10所述的沟槽式金氧半晶体管结构制程，其特征在于：该些沟槽底部的栅极氧化层厚度具有大于该些沟槽侧壁的栅极氧化层厚度，以降低该栅极氧化层的电容特性。
18、如权利要求10所述的沟槽式金氧半晶体管结构制程，其特征在于：进一步包括复数个高浓度布植区分别对应形成于该些接触沟槽的底部。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Open date: 20090722 |