CN102013428B - 金氧半导体芯片及其制作方法 - Google Patents

Abstract

一种金氧半导体芯片，包括一重掺杂的半导体基板、一外延层、至少一元件与一金属图案层；重掺杂的半导体基板构成一漏极掺杂区；外延层于半导体基板上；外延层的上表面定义有一主动区、一终端区与一切割道保留区，在切割道保留区具有一蚀刻壁，延伸至半导体基板的一上表面；此半导体基板的上表面的边缘区域暴露于外；元件位于主动区，并具有一栅极与一源极；金属图案层位于外延层与半导体基板上，包括一栅极接触垫、一源极接触垫与一漏极金属图案，其中，栅极接触垫电连接栅极，源极接触垫电连接源极，至少部分的漏极金属图案位于半导体基板的上表面。此芯片的设计可降低导通耗损；其制作方法可降低制作成本，也有利于后续的封装与装配程序。

Description

金氧半导体芯片及其制作方法

技术领域

本发明涉及一种金氧半导体芯片及其制作方法，尤其是一种具有垂直导通电流的金氧半导体芯片及其制作方法。 

背景技术

金氧半导体元件依据其电流走向的不同，可区分为平面式(planar)与垂直式(vertical)两种。在平面式金氧半导体元件中，源极与漏极设置于半导体底材的同一个平面上，以产生水平方向的导通电流。相较之下，垂直式金氧半导体元件的源极与漏极则是分别设置于半导体底材的上表面与下表面，以产生垂直方向的导通电流。 

对于水平式金氧半导体元件而言，其耐压取决于源极与漏极间的通道宽度。相较之下，垂直式金氧半导体元件的耐压则是取决于半导体底材的掺杂浓度。因此，水平式金氧半导体元件往往会在半导体底材上占据较大的面积，而不利于元件密度的提高。在垂直式金氧半导体元件中，依据其栅极设置的不同，又可区分为水平式栅极(planar gate)与沟渠式栅极(trenched gate)等不同类型。其中，沟渠式栅极金氧半导体元件将栅极设置于半导体底材表面的沟渠内，以缩小栅极在半导体底材表面所占据的面积，尤其有利于提高元件密度。 

图1为一典型垂直式金氧半导体元件的示意图。图1以沟渠式栅极金氧半导体元件为例。如图1中所示，金氧半导体元件形成于一半导体底材110上。此半导体底材110由一重掺杂的半导体基板120与一轻掺杂的外延层140所构成。其中，半导体基板120的下表面覆盖有金属层130，作为此金氧半导体元件的漏极。外延层140内具有一沟渠145。金氧半导体元件的栅极160设置于此沟渠145内，并且利用一栅极氧化层162与外延层140分隔。井区150位于栅极160的两侧。源极掺杂区170设置于井区150内，并利用栅极氧化层162与栅极160分隔。在栅极160上方覆盖有一介电层180。源极金属层190则是位于外延层140与介电层180的上方，电性连接至源极掺杂区170，并透过一重掺杂区152电性连接至井区150。 

值得注意的是，垂直式金氧半导体元件的源极与栅极位于半导体底材110的上表面，漏极则是位于半导体底材110的下表面。在封装过程中，源极与栅极的接点可制作于芯片的正面，但是漏极的接点则必 须制作于芯片的背面，而会造成封装制程的困难，同时也对芯片的应用造成不必要的限制。 

发明内容

本发明的目的在于提供一种金氧半导体芯片，其栅极、源极与漏极设置于半导体底材的同一侧表面，以利于后续的封装制程与应用上的便利性。 

本发明的其他目的和优点可以从本发明所揭示的技术特征中得到进一步的了解。 

依据本发明的一实施例，本发明提供一种金氧半导体芯片。此金氧半导体芯片包括一重掺杂的半导体基板、一外延层、至少一元件与一金属图案层。其中，重掺杂的半导体基板构成一漏极掺杂区。外延层于半导体基板上。此外延层的上表面定义有一主动区、一终端区与一切割道保留区，并且，在切割道保留区内具有一蚀刻壁，延伸至半导体基板的一上表面。此半导体基板的上表面的边缘区域暴露于外。元件位于主动区，并具有一栅极与一源极。金属图案层位于外延层与半导体基板上，包括一栅极接触垫、一源极接触垫与一漏极金属图案，其中，栅极接触垫电连接栅极，源极接触垫电连接源极，至少部分的漏极金属图案位于半导体基板的上表面，并且该漏极金属图案延伸至该半导体基板的上表面边缘，其中，该终端区环绕该主动区，该漏极金属图案设置于该终端区的外侧，并与主动区保持距离。 

依据本发明的一实施例，本发明提供一种金氧半导体芯片的制作方法。首先，提供一重掺杂的半导体基板。随后，形成一外延层于半导体基板的上表面。此外延层的上表面定义有多个主动区、多个终端区与一切割道保留区，其中，终端区环绕相对应的主动区，切割道保留区环绕终端区并定义出各个芯片的范围。接下来，形成至少一元件于主动区。此元件包括一栅极与一源极。然后，形成至少一深沟槽于切割道保留区。此深沟槽至少暴露部分的半导体基板的上表面。随后，形成一金属图案层于外延层与半导体基板上。此金属图案层至少具有一栅极接触垫、一源极接触垫与一漏极金属图案。其中，栅极接触垫与源极接触垫位于主动区，并且分别电连接元件的栅极与源极。至少部分的漏极金属图案位于半导体基板的上表面。然后，沿着切割道保留区形成一切割道，将半导体基板分割成多个芯片。 

在本发明的一实施例中，漏极金属图案由外延层的上表面延伸至半导体基板的上表面。在本发明的另一实施例中，漏极金属图案完全位于半导体基板的上表面。 

由于本发明的金氧半导体芯片的制作方法在形成源极接触垫与栅极接触垫的步骤中，同时形成漏极金属图案于半导体基板或是外延层 的上表面边缘，因此，本发明不需要在半导体基板的下表面另外制作一漏极金属层，同时也不需要另外的微影蚀刻步骤来定义漏极金属图案，而可以降低制作成本。其次，漏极金属图案、源极接触垫与栅极接触垫设置于金氧半导体芯片的同一侧，也有利于后续的封装与装配程序。 

此外，传统的金氧半导体芯片的电流路径，由位于外延层上表面的源极垂直向下延伸，穿过外延层与半导体基板后，直抵位于半导体基板下表面的漏极金属层。相较之下，本发明的金氧半导体芯片的电流路径虽然也是由位于外延层上表面的源极向下延伸，不过，电流在流经外延层后，其流动方向会改为水平方向，朝向位于半导体基板边缘区域的漏极金属图案。对于宽度与厚度较为接近的小尺寸芯片而言，本实施例的金氧半导体芯片的设计有助于缩短源极至漏极的电流路径长度，以降低导通耗损。 

以上的概述与接下来的详细说明皆为示范性质，是为了进一步说明本发明的权利要求。而有关本发明的其他目的与优点，将在后续的说明与附图加以阐述。 

附图说明

图1为一典型垂直式金氧半导体元件的示意图； 

图2A至图2E为本发明金氧半导体芯片的制作方法的一较佳实施例的示意图； 

图3A与图3B为本发明的金氧半导体芯片一实施例的剖面与俯视示意图； 

图4为本发明的金氧半导体芯片的另一实施例的剖面示意图；及 

图5为本发明的金氧半导体芯片的又一实施例的剖面示意图。 

附图标记说明： 

公知： 

半导体底材 110 

半导体基板 120 

金属层 130 

外延层 140 

沟渠 145 

栅极 160 

栅极氧化层 162 

井区 150 

重掺杂区 152 

源极掺杂区 170 

介电层 180 

源极金属层 190 

本发明： 

金氧半导体芯片 200，300，400 

半导体基板 220，320，420 

外延层 240，340，440 

蚀刻壁 242 

主动区 A3 

终端区 A2 

切割道保留区 A1 

深沟槽 260 

金属层 245 

金属图案层 250 

栅极接触垫 252，352，452 

源极接触垫 254，354，454 

漏极金属图案 255，355，455 

切割道 295 

散热结构 500 

绝缘层 490 

具体实施方式

本发明提供一种金氧半导体芯片及其制作方法，其利用晶圆(wafer)切割所需预留的区域，制作深沟槽以暴露重掺杂的半导体基板，使后续制作于芯片上表面的金属图案层可以透过此深沟槽电连接至半导体基板，以达到将漏极制作于芯片正面的目的。 

图2A至图2E显示本发明金氧半导体芯片的制作方法的第一实施例的示意图。如图2A所示，首先，提供一重掺杂的半导体基板220。随后，形成一外延层240于半导体基板220的上表面。此外延层240的导电型与半导体基板220相同，不过，其外延层240的掺杂浓度远低于半导体基板220。在外延层240的上表面定义有多个主动区A3、多个终端区A2与一切割道(scribe line)保留区A1。这些主动区A3以阵列方式排列于外延层240的上表面。终端区A2环绕相对应的主动区A3。切割道保留区A1环绕终端区A2以定义出各个芯片的范围。切割道保留区A1的空间预留给后续的晶圆切割制程使用。 

接下来，形成至少一元件(cell)于外延层240的主动区A3内。此元件为金氧半导体元件，包括一栅极(未图示)与一源极(未图示)。关于此元件的制作步骤，可采用一般的沟渠式金氧半导体元件或是平面式金氧半导体元件的制程。然后，如图2B所示，形成至少一深沟槽260于切割道保留区A1以暴露至少部分的半导体基板220的上表面。在本 实施例中，深沟槽260的宽度接近于切割道保留区A1的宽度。 

随后，如图2C所示，沿着外延层240与半导体基板220的表面起伏，形成一金属层245于外延层240与半导体基板220上。然后，如图2D所示，以微影蚀刻方式去除位于外延层240上方的部分金属层245，以形成金属图案层250于外延层240与半导体基板220上。 

此金属图案层250具有至少一栅极接触垫252、至少一源极接触垫254与至少一漏极金属图案255。其中，栅极接触垫252与源极接触垫254位于主动区A3内，并且分别电连接至位于其下方的元件的栅极与源极。至少部分的漏极金属图案255位于半导体基板220的上表面以电连接至半导体基板220。 

如图2D所示，本实施例在形成金属图案层250的步骤中，仅去除位于外延层240上方的部分金属层245，而完全保留位于半导体基板220上以及覆盖于外延层240侧壁的部分金属层245作为漏极金属图案255。不过，本发明并不限于此。依据设计上的需求，此微影蚀刻步骤亦可去除部分位于半导体基板220上或是覆盖于外延层240侧壁的金属层245。 

其次，在形成金属图案层250的步骤中可同时形成一漏极接触垫(未图示)于漏极金属图案255中，以通入漏极电压。又，依据设计上的需求，此漏极接触垫可以形成于半导体基板220的上表面或是外延层240的上表面。 

相较于传统的金氧半导体芯片必须在半导体基板的下表面制作一漏极金属层，本实施例则是在形成源极接触垫254与栅极接触垫252的步骤中，同时形成漏极金属图案255。至于半导体基板220的下表面，则可覆盖一绝缘层(未图示)提供绝缘保护。 

接下来，如图2E所示，沿着切割道保留区A1形成一切割道295，在一实施例中，切割道295位于深沟槽260内，由此将半导体基板220分割成多个区块。又，在此实施例中，先前制作步骤所形成的深沟槽260的宽度必须大于切割道295的宽度，以确保经此晶圆切割步骤后，仍有部分的漏极金属图案255覆盖于半导体基板220的上表面。 

相较于传统的金氧半导体芯片的制作方法必须在半导体基板的下表面另外制作一漏极金属层，本实施例的金氧半导体芯片的制作方法省略漏极金属层的制作，改以位于半导体基板220上表面的漏极金属图案255取代的。又，如图2C与图2D所示，在一实施例中，位于半导体基板220与外延层240上的漏极金属图案255，可以与栅极接触垫252以及源极接触垫254利用同一道微影蚀刻制程定义出来，而不需要增加额外的微影蚀刻制程以定义漏极金属图案255。不过，本发明并不限于此。由于半导体基板220的上表面与外延层240的上表面存在段 差，在一实施例中，可采用两次微影蚀刻制程，分别在外延层240的上表面定义出栅极接触垫252以及源极接触垫254，以及在半导体基板220的上表面定义出漏极金属图案255。 

其次，为了进行晶圆切割步骤，在各个芯片的交界处本就需要预留足够宽度的切割道保留区A1。本实施例的制作方法直接利用此切割道保留区A1的空间制作漏极金属图案255，更可有效利用芯片的表面空间，节省材料成本。 

图3A与图3B为本发明的金氧半导体芯片200一较佳实施例的剖面图与俯视图。其中，图3A沿着第图3B的B-B轴的剖面示意图。如图3A所示，此金氧半导体芯片200包括一重掺杂的半导体基板220、一外延层240、至少一金氧半导体元件(未图标)与一金属图案层250。其中，重掺杂的半导体基板220构成一漏极掺杂区。半导体基板220的边缘由切割道定义出来。外延层240于半导体基板220上。 

同时请参照图3B，此外延层240的上表面定义有一主动区A3、一终端区A2与一切割道保留区A1。其中，终端区A2环绕主动区A3，切割道保留区A1环绕终端区A3。在外延层240边缘的蚀刻壁242位于切割道保留区A1，并且延伸至半导体基板220的上表面，而与半导体基板220的上表面的边缘区域构成一阶梯状结构，且半导体基板220的上表面的边缘区域暴露于外。 

金氧半导体元件位于主动区A3内，具有一栅极及一源极。金属图案层250位于外延层240与半导体基板220上，并具有一栅极接触垫252、一源极接触垫254与一漏极金属图案255。其中，栅极接触垫252电连接至金氧半导体元件的栅极，源极接触垫254电连接至金氧半导体元件的源极，至少部分的漏极金属图案255位于半导体基板220的上表面。 

前述金氧半导体元件可以采取封闭型(close cell)或是开方型(stripecell)的设计方式。栅极接触垫252与源极接触垫254也不限于如图3B中所示采用二个独立的方形金属垫结构。举例来说，栅极接触垫252与源极接触垫254可采取长条状设计，或是将源极接触垫254设置于主动区A3中央，栅极接触垫252环绕源极接触垫254。 

如图3B所示，在本实施例中，漏极金属图案255环绕终端区A2，并且是由外延层240的上表面，沿着深沟槽260的侧边，延伸至半导体基板220的上表面中暴露的边缘区域。此漏极金属图案255必须设置于终端区A2的外侧，并与主动区A3保持足够的距离，以免对于主动区A3的元件的运作造成干扰。 

其次，在图3B的实施例中，终端区A2被漏极金属图案255所包围。并且，漏极金属图案255由外延层240的上表面延伸至半导体基 板220的上表面。不过，本发明并不限于此。依据实际上的需求，请参考图4，为本发明的金氧半导体芯片另一实施例的剖面图，如图4所示，本发明的金氧半导体芯片300与图3A的金氧半导体芯片200结构上大致相同，栅极接触垫352电连接至金氧半导体元件的栅极，源极接触垫354电连接至金氧半导体元件的源极，两者之间的差异在于，金氧半导体芯片300的漏极金属图案355可以完全位于半导体基板320的上表面，或是仅有部分延伸至外延层340的上表面。 

由于本发明的金氧半导体芯片200，300具有漏极金属图案255，355位于半导体基板220，320与外延层240，340的上表面，以通入漏极电压，因此，在半导体基板220，320的下表面不需另外制作一漏极金属层。其次，传统的金氧半导体芯片的电流路径是由外延层上表面的源极垂直向下穿过外延层与半导体基板。相较之下，如图3A所示，本实施例的金氧半导体芯片200的电流路径虽然也是由位于外延层240上表面的源极垂直向下，不过，在穿过外延层240之后，电流会改为水平方向，朝向位于半导体基板220的上表面的边缘区域的漏极金属图案255流动。 

对于小尺寸芯片来说，芯片的宽度与厚度的尺寸较为接近。也就是说，外延层240的中央至边缘的距离d1容易小于或等于半导体基板220的厚度t。而在外延层240，340的中央至边缘的距离d1小于或等于半导体基板220，320的厚度t，或者是切割道保留区A1与主动区A3的中央的距离小于或等于半导体基板220，320的厚度t的情况下，相较于传统的金氧半导体芯片，本发明的金氧半导体芯片200，300可以有效缩短源极至漏极的电流路径长度，降低导通耗损。 

又，由于本发明的金氧半导体芯片200，300的栅极、源极与漏极的接点设置于同一侧，因此，请参考图5，为本发明的金氧半导体芯片一较佳实施例的剖面图。如图5所示，本发明的金氧半导体芯片400在半导体基板420远离外延层440的一侧可设置一散热结构500，散热结构500透过一绝缘层490与半导体基板420相连接，以降低金氧半导体芯片的工作温度，提升其工作效率。此金氧半导体芯片400可采用覆晶(flip-chip)方式，直接利用位于外延层440表面的源极接触垫454、栅极接触垫452与漏极金属图案455与电路板(未图标)电性连接。金氧半导体芯片400运作所产生的高热，则可透过外延层440与半导体基板420向上排除。 

但是，以上所述者，仅为本发明的较佳实施例而已，当不能以此限定本发明实施的范围，即凡依本发明权利要求及发明说明内容所作的简单的等效变化与修改，皆仍属本发明权利要求涵盖的范围内。另外本发明的任一实施例或权利要求不须达成本发明所揭示的全部目的 或优点或特点。此外，摘要部分和标题仅是用来辅助专利文件搜寻之用，并非用来限制本发明的权利要求范围。 

Claims (14)

1.一种金氧半导体芯片，其特征在于，包括：

一重掺杂的半导体基板，构成一漏极掺杂区；

一外延层，位于该半导体基板上，该外延层的上表面定义有一主动区、一终端区与一切割道保留区，并具有一蚀刻壁位于该切割道保留区，该蚀刻壁延伸至该半导体基板的一上表面，并且该半导体基板的该上表面的一边缘区域暴露于外；

至少一元件，位于该主动区，该元件具有一栅极与一源极；以及

一金属图案层，位于该外延层与该半导体基板上，具有一栅极接触垫、一源极接触垫与一漏极金属图案，其中，该栅极接触垫电连接该栅极，该源极接触垫电连接该源极，至少部分该漏极金属图案位于该半导体基板的该上表面，并且该漏极金属图案延伸至该半导体基板的上表面边缘，其中，该终端区环绕该主动区，该漏极金属图案设置于该终端区的外侧，并与该主动区保持距离。

2.如权利要求1所述的金氧半导体芯片，其特征在于，该漏极金属图案由该外延层的该上表面延伸至该半导体基板的该上表面。

3.如权利要求1所述的金氧半导体芯片，其特征在于，该漏极金属图案完全位于该半导体基板的该上表面。

4.如权利要求1所述的金氧半导体芯片，其特征在于，该漏极金属图案环绕该终端区。

5.如权利要求1所述的金氧半导体芯片，其特征在于，更包括一绝缘层，位于该半导体基板的一下表面。

6.如权利要求1所述的金氧半导体芯片，其特征在于，该外延层的中央至边缘的距离小于或等于该半导体基板的厚度。

7.一种金氧半导体芯片的制作方法，其特征在于，包括：

提供一重掺杂的半导体基板；

形成一外延层于该半导体基板的上表面，该外延层的上表面定义有多个主动区、多个终端区与一切割道保留区，其中，该终端区环绕该相对应的主动区，该切割道保留区环绕该些终端区；

形成至少一元件于该主动区，该元件包括一栅极与一源极；

形成至少一深沟槽于该切割道保留区，该深沟槽至少暴露部分该半导体基板的该上表面；

形成一金属图案层于该外延层与该半导体基板上，该金属图案层至少具有一栅极接触垫、一源极接触垫与一漏极金属图案，该栅极接触垫与该源极接触垫位于该主动区，并且分别电连接该栅极与该源极，至少部分该漏极金属图案形成于该半导体基板的该上表面，并且该漏极金属图案延伸至该半导体基板的上表面边缘，其中，该漏极金属图案设置于该些终端区的外侧，并与该主动区保持距离；以及

沿着该切割道保留区形成一切割道，将该半导体基板分割成多个区块。

8.如权利要求7所述的金氧半导体芯片的制作方法，其特征在于，形成该金属图案层的步骤包括：

形成一金属层于该外延层与该半导体基板上；以及

以微影蚀刻方式，至少去除位于该外延层上方的部分该金属层，以形成该栅极接触垫与该源极接触垫于该外延层上。

9.如权利要求7所述的金氧半导体芯片的制作方法，其特征在于，该深沟槽的宽度大于该切割道的宽度。

10.如权利要求8所述的金氧半导体芯片的制作方法，其特征在于，该漏极金属图案由该外延层的该上表面延伸至该半导体基板的该上表面。

11.如权利要求8所述的金氧半导体芯片的制作方法，其特征在于，该漏极金属图案完全位于该半导体基板的该上表面。

12.如权利要求8所述的金氧半导体芯片的制作方法，其特征在于该漏极金属图案包围该终端区。

13.如权利要求7所述的金氧半导体芯片的制作方法，其特征在于，更包括形成一绝缘层于该半导体基板的一下表面。

14.如权利要求7所述的金氧半导体芯片的制作方法，其特征在于，该切割道保留区与该主动区的中央的距离小于或等于该半导体基板的厚度。

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