CN107403838B - 功率金氧半导体场效晶体管 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种功率金氧半导体场效晶体管，包括基板、半导体层、第一栅极、第二栅极、热氧化物层、第一化学气相沉积氧化物层以及栅极氧化层。半导体层形成于基板上并具有至少一沟槽。第一栅极位于沟槽内。第二栅极位于第一栅极上的沟槽内，其中第二栅极具有第一部分及第二部分，且第二部分位于半导体层及第一部分之间。热氧化物层位于第一栅极与半导体层之间。第一化学气相沉积氧化物层则在第一栅极与第二栅极之间。栅极氧化层一般位于第二栅极与半导体层之间。本发明提供的功率金氧半导体场效晶体管能在高电压场下维持功率金氧半导体场效晶体管的效能，并且使功率金氧半导体场效晶体管的制造信赖性获得提升。
Description
技术领域
本发明涉及一种金氧半导体场效晶体管技术，尤其涉及一种功率金氧半导体场效晶体管。
背景技术
断栅极式功率金氧半导体场效晶体管(split-gate power MOSFET)也可称为遮蔽栅极式功率金氧半导体场效晶体管(shielded-gate power MOSFET)，其结构是将沟槽式金氧半场效晶体管内的栅极结构，以多晶硅间介电层(inter-poly-dielectric，IPD)隔开，而分为两个电位。位于上方的栅极用于金氧半场效晶体管的信道(channel)形成，位于下方的栅极则会以金属互连电性耦合至源极(source)电位，用于截止(blocking)操作下二维电荷平衡的生成，并藉由多晶硅间介电层来改善传统沟槽式金氧半场效晶体管中过高的栅极至漏极电容，从而降低切换损耗。
然而，由于在制造断栅极式功率金氧半导体场效晶体管时所使用的热氧化法，会造成掺杂离子的扩散，使得上述分开的两个栅极不能有效地隔绝。进一步在断栅极式功率金氧半导体场效晶体管进行高电压的应用时，无法承受更高的电位。
发明内容
本发明提供一种功率金氧半导体场效晶体管，能在高电压场下维持功率金氧半导体场效晶体管的效能，并且使功率金氧半导体场效晶体管的制造信赖性获得提升。
本发明的功率金氧半导体场效晶体管，包括基板、半导体层、第一栅极、第二栅极、热氧化物层、第一化学气相沉积氧化物层以及栅极氧化层。半导体层形成于该基板上，且半导体层具有至少一沟槽。第一栅极位于沟槽内。第二栅极位于第一栅极上的沟槽内，其中第二栅极具有第一部分及第二部分，且第二部分位于半导体层及第一部分之间。热氧化物层位于第一栅极与半导体层之间。第一化学气相沉积氧化物层则位于第一栅极与第二栅极之间。栅极氧化层位于第二栅极与半导体层之间。
在本发明的一实施例中，上述热氧化物层还可位于第一化学气相沉积氧化物层与第一栅极之间。
在本发明的一实施例中，上述栅极氧化层还可延伸至第一化学气相沉积氧化物层与半导体层之间以及热氧化物层与半导体层之间。
在本发明的一实施例中，上述的功率金氧半导体场效晶体管还可包括位于第一栅极与热氧化物层之间的第二化学气相沉积氧化物层以及位于第二化学气相沉积氧化物层与热氧化物层之间的氮化硅层。
在本发明的一实施例中，上述第二栅极的第二部分还可包括往下延伸至第一化学气相沉积氧化物层与栅极氧化层之间。
在本发明的一实施例中，上述的第二栅极中的第二部分还可覆盖在上述第一部分上。
在本发明的一实施例中，上述的第一栅极的材料包括金属、多晶硅、非晶硅或上述的组合。
在本发明的一实施例中，上述的第二栅极的材料包括金属、多晶硅、非晶硅或上述的组合。
在本发明的一实施例中，上述的第一部分的材料不同于上述的第二部分的材料。
在本发明的一实施例中，上述的第一与第二化学气相沉积氧化物层各自独立地包括高温化学气相沉积氧化物(high temperature CVD oxide,HTO)层或是以四乙氧基硅烷(TEOS)为原料所形成的。
在本发明的一实施例中，上述的第一栅极可具有圆角。
基于上述，本发明的功率金氧半导体场效晶体管藉由化学气相沉积氧化物层作为隔开第一栅极与第二栅极的结构层，所以能在高操作电压下有效防止漏电的情形发生。此外，本发明的功率金氧半导体场效晶体管的第二栅极具有第一部分与第二部分，因此能藉由不同步形成的第一部分与第二部分来增加工艺的变化。
为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图作详细说明如下。
附图说明
图1是依照本发明的第一实施例的一种功率金氧半导体场效晶体管的剖面示意图；
图2是依照本发明的第二实施例的一种功率金氧半导体场效晶体管的剖面示意图；
图3是依照本发明的第三实施例的一种功率金氧半导体场效晶体管的剖面示意图；
图4是依照本发明的第四实施例的一种功率金氧半导体场效晶体管的剖面示意图。
附图标记：
10、20、30、40：功率金氧半导体场效晶体管
100、300：基板
102、302：半导体层
102a、302a：沟槽
104、304：第一栅极
104a：圆角
106、200、306、400：第二栅极
106a、200a、306a、400a：第一部分
106b、200b、306b、400b：第二部分
108a、308a：热氧化物层
108b、308b：栅极氧化层
110、314：第一化学气相沉积氧化物层
112、316：源极区
114、318：井区
116、320：绝缘层
310：第二化学气相沉积氧化物层
312：氮化硅层
t1、t2：厚度
具体实施方式
以下实施例中附图是为了能更完整地描述发明概念的示范实施例，但是，仍可使用许多不同的形式来实施本发明，且其不应该被视为受限于所记载的实施例。在图式中，为了清楚起见，膜层、区域和/或结构元件的相对厚度及位置可能缩小或放大。此外，本文使用“第一”、“第二”等来描述不同的区域、膜层和/或区块，但是这样的用语仅用于区别一区域、膜层或区块与另一区域、膜层或区块。因此，以下所讨论的第一区域、膜层或区块可以被称为第二区域、膜层或区块而不违背实施例的启示。
图1是依照本发明的第一实施例的一种功率金氧半导体场效晶体管的剖面示意图。
请参照图1，本实施例的功率金氧半导体场效晶体管10包括基板100、具有沟槽102a的半导体层102、第一栅极104、第二栅极106、热氧化物层108a、栅极氧化层108b以及第一化学气相沉积氧化物层110。其中，半导体层102形成于基板100上，半导体层102例如是掺杂的硅层或掺杂磊晶层。而第一栅极104是位于沟槽102a内。在第一实施例中，第一栅极104具有圆角104a；也就是说，第一栅极104的边角是圆的而不是具有突出的尖端结构(fangs)，因此可以藉此降低输入电容(例如：栅极-源极电容(Cgs))，或是减少产生反向漏电流(例如：栅极漏电流(Igss))，可以使得功率金氧半导体场效晶体管10的信赖性获得提升。
请继续参照图1，第二栅极106则位于第一栅极104上的沟槽102a内，其中第二栅极106具有第一部分106a及第二部分106b，且第二部分106b位于半导体层102及第一部分106a之间。在本实施例中，第一栅极104及第二栅极106的材料例如各自独立为金属、多晶硅、非晶硅或上述的组合，且其形成的方法包括化学气相沉积(Chemical Vapor Deposition，CVD)、物理气相沉积(Physical vapor deposition)或其他适当的成膜工艺。此外，在本实施例中，第二栅极106的第一部分106a与第二部分106b可以是不同时形成的，因此，第一部分106a的材料可不同于第二部分106b的材料。再者，在制作功率金氧半导体场效晶体管10期间，第二栅极106的第一部分106a可以作为蚀刻工艺中保护第一化学气相沉积氧化物层110的保护层，因此第一部分106a较佳是具有比氧化物低的蚀刻速率(etching rate)的材料，以保护位于第一栅极104与第二栅极106之间的第一化学气相沉积氧化物层110，所以第二栅极106的第一部分106a除了一般可作为栅极的金属、多晶硅、非晶硅等导电材料之外，也可选用具有比氧化物低的蚀刻速率的非导电材料，如氮化硅等。同时，第二栅极106的第二部分106b是位于第一部分106a的侧壁并与其直接接触，因此第二部分106b除了可以修补第一部分106a在作为蚀刻工艺期间的保护层时，其侧面所造成的缺陷，还能与第一部分106a形成完整的第二栅极106。
请继续参照图1，热氧化物层108a位于第一栅极104与半导体层102之间。在本实施例中，使用热氧化法制作的热氧化物层108a在制作时例如采取较高的工艺温度(900℃～1200℃)，因此所形成的二氧化硅具有较高的致密性，可以作为工艺前期(即，在形成第一栅极104与第二栅极106之前)的表面保护。第一化学气相沉积氧化物层110则在第一栅极104与第二栅极106之间，且热氧化物层108a还可位于第一化学气相沉积氧化物层110与第一栅极104之间。在本实施例中，第一化学气相沉积氧化物层110是指利用化学气相沉积(CVD)形成的氧化物，例如高温化学气相沉积氧化物(high temperature CVD oxide，HTO)层或是一层以四乙氧基硅烷(tetraethyl orthosilicate，TEOS)为原料所形成的膜层，且其形成的方法例如低压化学气相沉积。由于第一化学气相沉积氧化物层110的氧化物质量比热氧化法所形成的氧化物层优异，所以第一化学气相沉积氧化物层110可以有效地隔绝第一栅极104与第二栅极106，使得本实施例的功率金氧半导体场效晶体管10能承受更高的电位而不漏电。
请继续参照图1，栅极氧化层108b位于第二栅极106与半导体层102之间，且在半导体层102内通常具有源极区112与井区114，所以在图1显示栅极氧化层108b大部分是在第二栅极106与井区114之间。至于漏极区(未显示)通常配置在基板100未形成半导体层102的那一面。在第一实施例中，因为栅极氧化层108b可藉由工艺设计而与热氧化物层108a同时形成，之后再经由其他步骤减薄，所以基本上栅极氧化层108b与热氧化物层108a可视为同一层，不过栅极氧化层108b的厚度t1通常比热氧化物层108a的厚度t2要薄，且栅极氧化层108b可延伸至第一化学气相沉积氧化物层110与半导体层102之间。但本发明并不限于此，上述栅极氧化层108b的材料也可以不同于热氧化物层108a的材料。例如，栅极氧化层108b也可与第一化学气相沉积氧化物层110使用相同方法制作。另外，在第二栅极106上可依照设计，配置绝缘层118之类的膜层。
图2是依照本发明的第二实施例的一种功率金氧半导体场效晶体管的剖面示意图，其中使用与第一实施例相同的元件符号来表示相同或近似的部分，并且其相关描述在此不予赘述。
请参照图2，第二实施例的功率金氧半导体场效晶体管20的第二栅极200中的第二部分200b不但位于半导体层102及第一部分200a之间，还覆盖在第一部分200a上；即，第二部分200b包覆整个第一部分200a，因此，第二部分200b除了可以修补第一部分200a在蚀刻工艺期间所受到的损害还能填满第一部分200a的缝隙(gap filling)，即使第一部分200a不是导电材料，也因为第二部分200b配置于有源区内，所以第二栅极200能顺利运作。
图3是依照本发明的第三实施例的一种功率金氧半导体场效晶体管的剖面示意图。
请参照图3，本实施例的功率金氧半导体场效晶体管30包括基板300、具有沟槽302a的半导体层302、第一栅极304、第二栅极306、热氧化物层308a、栅极氧化层308b、氮化硅层312、第一化学气相沉积氧化物层314以及第二化学气相沉积氧化物层310，其中半导体层302形成于基板300上，第一栅极304是位于沟槽302a内，第二栅极306则位于第一栅极304上的沟槽302a内，且第二栅极306具有第一部分306a和介于半导体层302及第一部分306a之间的第二部分306b。至于上述半导体层302、第一栅极304与第二栅极306的详细材料或构造，可参照第一实施例的相同构件，故不再赘述。
请继续参照图3，本实施例的功率金氧半导体场效晶体管30与第一实施例之间的差异在于具有第二化学气相沉积氧化物层310和氮化硅层312，其中第二化学气相沉积氧化物层310位于第一栅极304与热氧化物层308a之间，而氮化硅层312是位于第二化学气相沉积氧化物层310与热氧化物层308a之间。上述第二化学气相沉积氧化物层310与第一化学气相沉积氧化物层314都是指利用化学气相沉积(CVD)形成的氧化物，且各自独立地例如高温化学气相沉积氧化物(HTO)层或是一层以四乙氧基硅烷(TEOS)为原料所形成的膜层，且其形成的方法例如低压化学气相沉积。至于栅极氧化层308b除了位于第二栅极306与半导体层302之间，还延伸至第一化学气相沉积氧化物层314与半导体层302之间。而且，第二栅极306的第二部分306b还可往下延伸至第一化学气相沉积氧化物层314与栅极氧化层308b之间。在半导体层302内通常具有源极区316与井区318，至于漏极区(未显示)通常配置在基板300未形成半导体层302的那一面。此外，如有需要，在第二栅极306上的沟槽302a内可配置绝缘层320之类的膜层。在本实施例中，上述氮化硅层312的形成的方法例如化学气相沉积或其他适当的成膜工艺。此外，氮化硅层312可以防止半导体层302或第二栅极306内的掺杂元素进一步的扩散，有效地隔绝半导体层302与第二栅极306，使得第三实施例的功率金氧半导体场效晶体管30的信赖性获得提升。
图4是依照本发明的第四实施例的一种功率金氧半导体场效晶体管的剖面示意图，其中使用与第三实施例相同的元件符号来表示相同或近似的部分，并且其相关描述在此不予赘述。
请参照图4，第四实施例的功率金氧半导体场效晶体管40的第二栅极400中的第二部分400b不但位于半导体层302及第一部分400a之间，还覆盖在第一部分400a上，所以整个第一部分400a被第二部分400b包覆。因此，第二部分400b可以修补第一部分400a在蚀刻工艺期间所受到的损害以及填满第一部分400a的缝隙(gap filling)。另一方面，假使第一部分400a不是导电材料，因为第二部分400b完整配置于有源区内，所以第二栅极400也能顺利运作。
综上所述，本发明藉由在第一栅极与第二栅极之间形成化学气相沉积氧化物层，以有效地增进第一栅极与第二栅极之间的氧化物质量，所以本发明的功率金氧半导体场效晶体管能承受更高的操作电压而不漏电，所以元件本身的信赖性可获得提升。
虽然本发明已以实施例揭示如上，然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的改动与润饰，均在本发明保护范围内。
Claims (6)
1.一种功率金氧半导体场效晶体管，其特征在于，包括：
基板；
半导体层，形成于所述基板上，且所述半导体层具有至少一沟槽；
第一栅极，位于所述沟槽内；
第二栅极，位于所述第一栅极上的所述沟槽内，其中所述第二栅极具有第一部分及第二部分，所述第二部分位于所述半导体层及所述第一部分之间并且覆盖在所述第一部分上，所述第一部分是非导电材料，所述第二部分是导电材料；
热氧化物层，位于所述第一栅极与所述半导体层之间；
第一化学气相沉积氧化物层，位于所述第一栅极与所述第二栅极之间；
栅极氧化层，位于所述第二栅极的所述第二部分的侧壁与所述半导体层之间以及位于所述第一化学气相沉积氧化物层与所述半导体层之间；
第二化学气相沉积氧化物层，位于所述第一栅极与所述热氧化物层之间；以及
氮化硅层，位于所述第二化学气相沉积氧化物层与所述热氧化物层之间以及位于所述第一化学气相沉积氧化物层与所述栅极氧化层之间，其中
所述氮化硅层与所述第二栅极的所述第二部分的底面直接接触，所述第一部分的所述底面与所述第一化学气相沉积氧化物层直接接触，并且所述第二部分的所述底面与所述第一化学气相沉积氧化物层直接接触。
2.根据权利要求1所述的功率金氧半导体场效晶体管，其特征在于，所述第二栅极的所述第二部分还包括往下延伸至所述第一化学气相沉积氧化物层与所述栅极氧化层之间。
3.根据权利要求1所述的功率金氧半导体场效晶体管，其特征在于，所述第一栅极的材料包括金属、多晶硅、非晶硅或上述的组合。
4.根据权利要求1所述的功率金氧半导体场效晶体管，其特征在于，所述第二栅极的所述第二部分的材料包括金属、多晶硅、非晶硅或上述的组合。
5.根据权利要求1所述的功率金氧半导体场效晶体管，其特征在于，所述第一化学气相沉积氧化物层与所述第二化学气相沉积氧化物层各自独立地包括高温化学气相沉积氧化物层或是以四乙氧基硅烷为原料所形成的。
6.根据权利要求1所述的功率金氧半导体场效晶体管，其特征在于，所述第一栅极具有圆角。
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