CN106935645B - 具有底部栅极的金氧半场效晶体管功率元件 - Google Patents

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Abstract

一种具有底部栅极的金氧半场效晶体管功率元件，包含：一第一导电型基板；一第一导电型外延层，位于该第一导电型基板之上；多个元件沟槽，设立于该第一导电型外延层的上表面，每一元件沟槽中具有由深至浅排列的一底部栅极、一分离栅极及一沟渠栅极，其中该底部栅极及该第一导电型外延层之间具有一底部绝缘层，在该底部栅极及该分离栅极之间具有一中间绝缘层，在该分离栅极及该沟渠栅极之间具有一上层绝缘层。

Description

具有底部栅极的金氧半场效晶体管功率元件
技术领域
本发明涉及一种金氧半场效晶体管功率元件，更涉及一种具有底部栅极的金氧半场效晶体管功率元件。
背景技术
金氧半场效晶体管功率元件(Metal Oxide Semiconductor Field EffectTransistor Power Device)一般简称为功率晶体管(Power MOSFET)，是一种可以广泛使用在模拟电路与数字电路的场效晶体管，目前已成为功率元件(Power device)的主流，经常被应用在许多电力电子用途。金氧半场效晶体管功率元件具有非常低的导通电阻，及极大的栅极输入阻抗，因此输入端的功率散逸(power dissipation)相当小。再者，与功率双极性晶体管(Power Bipolar Transistor)相比，金氧半场效晶体管功率元件只具有单一载子，没有少数载子存储的缺点，故具有切换速度非常快的优点。所以，金氧半场效晶体管功率元件已成为高频低压功率元件的主流。
再者，为了增加元件密度及更进一步降低元件导通阻值，具有沟渠式栅极(trenchgate)的金氧半场效晶体管功率元件成为设计重点。然而，随着元件密度的提升，栅极-漏极间电荷(Qgd)会变大，使栅极的充放电速度变慢而影响元件的效能再者。为了降低栅极-漏极间电荷(Qgd)以改善元件切换损耗，必须降低元件电容值，例如使用分离栅极架构以减少栅漏极面积，然而金氧半场效晶体管功率元件的元件电容仍有进一步改善的需求。
发明内容
为了克服现有技术问题，本发明的一目的为提供一种可降低元件电容值的金氧半场效晶体管功率元件。
为达成上述目的，本发明提供一种具有底部栅极的金氧半场效晶体管功率元件，包含：一第一导电型基板；一第一导电型外延层，位于该第一导电型基板之上；多个的元件沟槽，设立于该第一导电型外延层的上表面，每一元件沟槽中具有由深至浅排列的一底部栅极、一分离栅极及一沟渠栅极，其中该底部栅极及该第一导电型外延层之间具有一底部绝缘层，在该底部栅极及该分离栅极之间具有一中间绝缘层，在该分离栅极及该沟渠栅极之间具有一上层绝缘层。
为达成上述目的，本发明提供一种金氧半场效晶体管功率元件的制作方法，包含：提供一第一导电型基板及一第一导电型外延层，该第一导电型外延层位于该第一导电型基板之上；在该第一导电型外延层的上表面设立多个元件沟槽，每一元件沟槽中具有由深至浅排列的一底部栅极、一分离栅极及一沟渠栅极，其中该底部栅极及该第一导电型外延层之间具有一底部绝缘层，在该底部栅极及该分离栅极之间具有一中间绝缘层，在该分离栅极及该沟渠栅极之间具有一上层绝缘层。
藉由此金氧半场效晶体管功率元件的绝缘连接的底部栅极，可进一步降低栅漏极面积，且藉此降低此金氧半场效晶体管功率元件的等效电容及电阻，更有效提升操作频宽。
以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。
附图说明
图1至图9为依据本发明一较佳具体实例的具有底部栅极的金氧半场效晶体管功率元件制作流程剖视图。
其中，附图标记
100 复合基板
101 高掺杂浓度N型硅基板
102 低掺杂浓度N型外延层
200 元件沟槽
300 终端沟槽
400 源极沟槽
20 底部栅极
22 分离栅极
24 沟渠栅极
20A 多晶硅层
22A 沉积氧化层
30 氧化层
32 底部绝缘层
34 中间绝缘层
36 上层绝缘层
38 栅极绝缘层
40 P型本体区
42 N型源极区
44 层间介电层
46 接触金属层
48 金属电极层
具体实施方式
下面结合附图对本发明的结构原理和工作原理作具体的描述：
参见图1-图9所示，为依据本发明一较佳具体实例的具有底部栅极的金氧半场效晶体管功率元件制作流程剖视图。如图1所示，依据本发明，首先提供一复合基板100，此复合基板100例如可包含一高掺杂浓度N型硅基板101(N+硅基板)与一低掺杂浓度N型外延层102(N-外延层)所构成。于此图中所绘示的低掺杂浓度N型外延层102较高掺杂浓度N型硅基板101来的厚，但是须知此图仅为示意说明本发明的具体实例，于实际的元件中，低掺杂浓度N型外延层102应比较高掺杂浓度N型硅基板101来的薄。随后藉由光阻布形制成形成多个光阻图案(未图示)，并藉由该些光阻图案作为蚀刻掩膜(etching mask)对于低掺杂浓度N型外延层102进行蚀刻以制作出多个沟槽(trench)200,300。如图1所示，此些沟槽包含在元件区(虚线左侧)的元件沟槽200及在终端区(虚线右侧)的终端沟槽300，且终端沟槽300的宽度大于元件沟槽200。在制作多个沟槽200、300之后，可随选地进行一牺牲氧化层(sacrificial oxidation)步骤，亦即形成一个薄氧化层后再进行一氧化蚀刻步骤，以移除沟槽壁面上的受损的表面并使多个沟槽200、300的侧壁变光滑。如图1所示，随后对于具有多个沟槽200、300的低掺杂浓度N型外延层102进行热氧化工艺，以在多个沟槽200、300之内，及低掺杂浓度N型外延层102的露出上表面形成一氧化层30，此氧化层30的厚度例如可为3000-6000埃。再者，此氧化层30也可由沉积方式形成。
如图2所示，在形成氧化层30之后即再对于所得结构沉积一多晶硅层20A，随后于此多晶硅层20A填入多个沟槽200、300之中且覆盖整个低掺杂浓度N型外延层102之上，此多晶硅层20A的厚度(自低掺杂浓度N型外延层102上的氧化层30上表面开始计算)例如可为1.5-2.5微米。
如图3所示，在形成多晶硅层20A之后，随后进行一回蚀步骤(例如为一干蚀刻步骤)，以去除多晶硅层20A直至终端沟槽300中没有多晶硅层20A且部分的多晶硅层20A残留于元件沟槽200中为止。如此图所示，在此回蚀步骤之后，在元件沟槽200中的氧化层30上留有部分残留多晶硅，此部分残留多晶硅即作为本发明金氧半场效晶体管功率元件的一底部栅极20，且在底部栅极20与低掺杂浓度N型外延层102之间的热氧化层部分即成为一底部绝缘层32。
如图4所示，随后再进行一氧化层成长步骤，例如可用LPTEOS(低压四乙氧基硅烷(Tetraethyl Orthosilicate))工艺或是CVD工艺成长一沉积氧化层22A。此沉积氧化层22A覆盖底部栅极20之上且填满多个沟槽200、300，并也覆盖原本在低掺杂浓度N型外延层102上的氧化层30之上。此沉积氧化层22A的厚度为1000-3000埃(自低掺杂浓度N型外延层102上的氧化层30上表面开始计算)，且随后进行一表面研磨工艺(CMP)去除低掺杂浓度N型外延层102上表面的沉积氧化层22A及氧化层30(如图5所示)，以使后续的氧化层蚀刻步骤能够更易控制。
如图6所示，随后进行一干蚀刻工艺，以去除在元件沟槽200及在终端沟槽300中的氧化层22A部分，直至在元件沟槽200的底部栅极20上有一层氧化层为止，此氧化层作为底部栅极20及后续形成的分离栅极(未示于此图，详见后述说明)之间的中间绝缘层34。
如图7所示，随即进行类似图2-6的步骤，亦即再先成长一多晶硅层(厚度为2-3微米)、回蚀此多晶硅层，直至此多晶硅层仅残留于元件沟槽200中为止。如此图所示，在元件沟槽200的中间绝缘层34上有作为分离栅极22的多晶硅层。随后再进行一氧化层成长步骤，例如可用LPTEOS(低压四乙氧基硅烷)工艺或是CVD工艺成长一沉积氧化层。随后进行一表面研磨工艺以去除低掺杂浓度N型外延层102上表面的沉积氧化层。随后进行一干蚀刻工艺，以去除在元件沟槽200及在终端沟槽300中的氧化层部分，直至在元件沟槽200的分离栅极22上有一层氧化层为止，此氧化层即作为分离栅极22及待形成的沟渠栅极(详见后述)之间的上层绝缘层36。
如图8所示，随即再成长一多晶硅层(厚度为2-3微米)、回蚀此多晶硅层，直至此多晶硅层仅残留于元件沟槽200中为止。如此图所示，在元件沟槽200的上层绝缘层36上有作为沟槽栅极24的多晶硅层。随即再进行一氧化层回蚀步骤。
如图9所示，在形成沟槽栅极24之后，分别进行离子布植及热趋入，以形成接近低掺杂浓度N型外延层102上表面，且在元件沟槽200两侧的P型本体区40及N型源极区42。随后在所得结构表面上形成层间介电层(interlayer dielectric,ILD)44，再以光阻布形方式蚀刻出源极沟槽400及于源极沟槽400上形成接触金属层46。此接触金属层46例如可为钛(Ti)或是氮化钛(TiN)层，以使后续形成的金属电极层及下面的硅半导体层能形成金属硅化物(silicide)，降低电阻值。在形成接触金属层46之后，即形成位在接触金属层46上的一金属电极层48，及一层保护钝化层(未图示)。
复参见图9，为依据本发明的较佳具体实例所制作的具有底部栅极的金氧半场效晶体管功率元件侧示图。此金氧半场效晶体管功率元件具有一复合基板100(包含一高掺杂浓度N型硅基板101与一低掺杂浓度N型外延层102)、位在元件区的多个元件沟槽200及位在终端区的至少一个终端沟槽300。在元件沟槽200之中由深至浅依序分布的底部栅极20、分离栅极22及沟渠栅极24，其中底部栅极20及低掺杂浓度N型外延层102之间具有底部绝缘层32、在底部栅极20及分离栅极22之间具有中间绝缘层34、在分离栅极22及沟渠栅极24之间具有上层绝缘层36。在元件沟槽200两侧分别具有P型本体区40及位在P型本体区40之中的N型源极区42。此外，元件沟槽200之中的沟渠栅极24及元件沟槽200之外的N型源极区42之间隔有栅极氧化层38。在相邻元件沟槽200之间具有源极沟槽400，且在源极沟槽400之旁与沟渠栅极24及N型源极区42之上具有层间介电层44。在源极沟槽400的内侧表面及层间介电层44具有接触金属层46，而在接触金属层46之上具有一金属电极层48，以作为源极电极。
在图9所示的金氧半场效晶体管功率元件，沟渠栅极24电连接到栅极电极(未图示)以得到操作电压；而分离栅极22可藉由埋入电极(未图示)而电连接到N型源极区42。再者，底部栅极20藉由中间绝缘层34而与分离栅极22电隔绝，而未与任何其他元件电连接。藉由此金氧半场效晶体管功率元件的绝缘连接的底部栅极20，可进一步降低栅漏极面积，且藉此降低此金氧半场效晶体管功率元件的等效电容及电阻，更有效提升操作频宽。
上述的实施例仅为本发明部分实施方式说明，对此技术知悉者可知本发明仍有其余实施方式，例如上述的N型复合基板100可由P型基板取代，而连带的N型源极区的N型掺杂由P型掺杂取代、P型本体区40的P型掺杂由N型掺杂取代，仍可达成具有底部栅极的金氧半场效晶体管功率元件，皆在本案专利保护范围之内。
当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (16)

1.一种具有底部栅极的金氧半场效晶体管功率元件，其特征在于，包含：
一第一导电型基板；
一第一导电型外延层，位于该第一导电型基板之上；
多个元件沟槽，设立于该第一导电型外延层的上表面，每一元件沟槽中具有由深至浅排列的一底部栅极、一分离栅极及一沟渠栅极，其中该底部栅极及该第一导电型外延层之间具有一底部绝缘层，在该底部栅极及该分离栅极之间具有一中间绝缘层，在该分离栅极及该沟渠栅极之间具有一上层绝缘层；
一终端沟槽，位于该第一导电型外延层的上表面，且该终端沟槽的宽度大于该元件沟槽的宽度；
多个源极沟槽，位于该第一导电型外延层的上表面，且每一该源极沟槽在深度方向延伸超过该金氧半场效晶体管功率元件的源极；
其中该底部栅极未与任何其他元件电连接且是位于该第一导电型外延层内的该元件沟槽中；
其中该沟渠栅极电连接到一栅极电极而得到操作电压，该分离栅极藉由一埋入电极而电连接到一第一导电型源极区。
2.根据权利要求1的具有底部栅极的金氧半场效晶体管功率元件，其特征在于，该底部栅极、该分离栅极及该沟渠栅极为多晶硅制成。
3.根据权利要求1的具有底部栅极的金氧半场效晶体管功率元件，其特征在于，该底部栅极与该分离栅极及该沟渠栅极电隔离。
4.根据权利要求1的具有底部栅极的金氧半场效晶体管功率元件，其特征在于，该底部绝缘层为热氧化层或是沉积氧化层。
5.根据权利要求1的具有底部栅极的金氧半场效晶体管功率元件，其特征在于，该中间绝缘层及该上层绝缘层为沉积氧化层。
6.根据权利要求1的具有底部栅极的金氧半场效晶体管功率元件，其特征在于，更包含：
位在元件沟槽外侧的第二导电型本体区，及位在第二导电型本体区的上侧部分的该第一导电型源极区。
7.根据权利要求1的具有底部栅极的金氧半场效晶体管功率元件，其特征在于，第一导电型为N型或是P型。
8.根据权利要求6的具有底部栅极的金氧半场效晶体管功率元件，其特征在于，更包含：
位在该沟渠栅极及该第一导电型源极区上的一层间介电层；及
位在该层间介电层上的一接触金属层。
9.一种金氧半场效晶体管功率元件的制作方法，其特征在于，包含：
提供一第一导电型基板及一第一导电型外延层，该第一导电型外延层位于该第一导电型基板之上；
在该第一导电型外延层的上表面设立多个元件沟槽，每一元件沟槽中具有由深至浅排列的一底部栅极、一分离栅极及一沟渠栅极，其中该底部栅极及该第一导电型外延层之间具有一底部绝缘层，在该底部栅极及该分离栅极之间具有一中间绝缘层，在该分离栅极及该沟渠栅极之间具有一上层绝缘层；
提供一终端沟槽，位于该第一导电型外延层的上表面，且该终端沟槽的宽度大于该元件沟槽的宽度；
提供多个源极沟槽，位于该第一导电型外延层的上表面，且每一该源极沟槽在深度方向延伸超过该金氧半场效晶体管功率元件的源极；
其中该底部栅极未与任何其他元件电连接且是位于该第一导电型外延层内的该元件沟槽中；
其中该沟渠栅极电连接到一栅极电极而得到操作电压，该分离栅极藉由一埋入电极而电连接到一第一导电型源极区。
10.根据权利要求9的金氧半场效晶体管功率元件的制作方法，其特征在于，该底部栅极、该分离栅极及该沟渠栅极为多晶硅制成。
11.根据权利要求9的金氧半场效晶体管功率元件的制作方法，其特征在于，该底部栅极与该分离栅极及该沟渠栅极电隔离。
12.根据权利要求9的金氧半场效晶体管功率元件的制作方法，其特征在于，该底部绝缘层为热氧化层或是沉积氧化层。
13.根据权利要求9的金氧半场效晶体管功率元件的制作方法，其特征在于，该中间绝缘层及该上层绝缘层为沉积氧化层。
14.根据权利要求9的金氧半场效晶体管功率元件的制作方法，其特征在于，更包含：
形成位在元件沟槽外侧的第二导电型本体区，及形成位在第二导电型本体区的上侧部分的该第一导电型源极区。
15.根据权利要求9的金氧半场效晶体管功率元件的制作方法，其特征在于，第一导电型为N型或是P型。
16.根据权利要求14的金氧半场效晶体管功率元件的制作方法，其特征在于，更包含：
形成位在该沟渠栅极及该第一导电型源极区上的一层间介电层；及
形成位在该层间介电层上的一接触金属层。
CN201511021386.5A 2015-12-30 2015-12-30 具有底部栅极的金氧半场效晶体管功率元件 Active CN106935645B (zh)

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