CN1983633B - 高压半导体组件及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明是有关于一种高压组件及其制造方法，其中该高压半导体组件包括具有主要表面的硅基底、位于硅基底的主要表面上的闸极、邻近主要表面的部分基底中的源极区以及邻近主要表面的部分基底中的汲极区。汲极区与源极区分离。信道区被定义于邻近源极区与汲极区之间的主要表面的部分硅基底中。信道区的至少一部分位于闸极下。外加区域位于邻近信道区的主要表面上。外加区域是由高介电常数材料或导体材料所构成。
Description
技术领域
本发明是有关于一种高压半导体组件，且特别是有关于一种具有一个邻近闸电极的外加区域的高压半导体组件。此外加区域可以是高介电常数的介电材料，其例如是氮化物或是导体。导体例如是多晶硅。本发明也有关于制造上述的高压半导体组件的方法。
背景技术
在相关的技术领域中，金氧半(metal oxide semiconductor，MOS)晶体管组件已为众人所知。金氧半场效晶体管(metal oxide semiconductorfield effectt ransistor，MOSFET)是各种场效晶体管(field effecttransistor，FET)被广泛运用的一种。金氧半场效晶体管可以是n通道晶体管(NMOS)或p通道晶体管(PMOS)，并且可以应用在高功率组件。当电压施加于金氧半场效晶体管的闸极与源极区的接头之间时，所产生的电场穿过氧化层，并且在闸极下会产生一个所谓“反转通道”。此反转通道与源极区及汲极区是相同的导电类型，也就是p型或n型，从而提供一个电流可以通过的管道。
以n信道晶体管为例，在此组件的源极区与汲极区之间的硅通道是p型硅。当在闸电极上施加比启始电压(threshold voltage)更大的电压时，在p型材料中的电子会被反转，然后导通上述的信道并开启此组件。相反地，当在闸极上施加比启始电压更小的电压时，上述组件就会关闭。以p信道晶体管为例，此组件的源极区与汲极区之间的硅通道是n型硅。以互补式金氧半场效晶体管为例，在晶体管开启之前，电流不会流通。
图1A绘示一个典型的现有对称金氧半场效晶体管组件100，其包括氧化物填充物111。此金氧半场效晶体管组件100包括半导体基底102、源极区104、汲极区112、闸极125及信道区105。源极区104具有一金属或多晶硅的接触窗(cont act)104a，汲极区112也具有一金属或多晶硅的接触窗112a。氧化物填充物111至少环绕闸极125的侧边，且至少覆盖半导体基底102的主要表面102a的至少一部分。此金氧半场效晶体管组件100包括轻掺杂(lightly doped)区域126及128，其分别位于闸极125与源极区104之间与门极125与汲极区112之间。同样地，图1B绘示一个典型的现有非对称高压金氧半场效晶体管组件100，其具有类似的特征。
图2是现有的高压金氧半场效晶体管的汲极区电流Id对应汲极区电压Vd的关系图，其显示闸极电压持续增加时会发生“半饱和效应” (quasi-saturation effect)。由于n-区128的载子到达饱和速率，故决定了饱和电流，因此高压金氧半场效晶体管组件100的汲极区电流在闸极电压Vg逐渐增加时会饱和。借由增加n型掺质的浓度，可以增加半饱和电流。然而这种方式会不必要地降低金氧半场效晶体管组件100的崩溃电压。
图3绘示上述的现有高压金氧半场效晶体管组件100的闸极边缘电场线。边缘电场线的存在更使n-区128的载子浓度与闸极电压具有相关性。图4绘示现有的高压金氧半场效晶体管组件100电子浓度对应信道部位的关系图，其显示当闸极电压Vg增加时，载子浓度会随之增加。在n-区126及128的载子浓度会随着闸极电压Vg而增加是由于闸极的边缘电场。这可以解释为何高压金氧半晶体管即便进入半饱和区域时，汲极区电流Id与闸极电压Vg仍然具有微弱的相关性。
相对于传统的高压金氧半场效晶体管，必须提出具有强的闸极边缘电场及增大的半饱和电流的高压金氧半场效晶体管。达成此目标的方式可以是提供一种高压金氧半场效晶体管，具有邻近其闸电极的外加区域。此外加区域可以是高介电常数的介电材料，例如氮化物；或是导体，例如多晶硅。
发明内容
本发明的目的是提供一种高压半导体组件，以提出具有强的闸极边缘电场的高压半导体组件。
本发明的另一目的是提供一种高压半导体组件的制造方法，以增大高压半导体组件的半饱和电流。
简而言之，本发明包括一个高压半导体组件，其包括具有主要表面的硅基底、位于主要表面上的闸极、一轻掺杂部分以及一源极区及一汲极区。轻掺杂部分位于闸极两侧的硅基底内，且邻近于主要表面。源极区位于邻近主要表面且其全部位於轻掺杂部分之内，并邻近主要表面。汲极区也位于邻近主要表面且其全部位於轻掺杂部分之内，并邻近主要表面。汲极区与源极区分离。信道区是定义在硅基底的一部分之中，并邻近源极区与汲极区之间的主要表面。信道区至少部分位于闸极以下。一外加区域，其材质为高介电常数的介电材料或导体材料。此外加区域配置于邻近信道区的主要表面上以及轻掺杂部分上。高介电常数的介电材料及导体材料例如分别是氮化物或多晶硅。
另一方面，本发明包括一种高压半导体组件的制造方法。此方法包括提供硅基底，其具有主要表面。然后，在硅基底的主要表面上形成闸极。之后，于该闸极两侧的该硅基底内，且邻近于该主要表面形成一轻掺杂部分。在邻近主要表面的轻掺杂部分之内形成源极区，并在邻近主要表面的轻掺杂部分之内形成汲极区。在邻近源极区与汲极区之间的主要表面的部分硅基底中形成信道区。沉积一层由高介电常数的介电材料(例如氮化物)或 导体材料(例如多晶硅)的外加层在基底的主要表面上以及轻掺杂部分上。此层被选择性地蚀刻，以在邻近信道区的半导体基底的主要表面上留下至少一部分的外加层。
由于本发明的高压半导体组件具有外加区域，因此能够具有强的闸极边缘电场，并且可以增加半饱和电流。
为让本发明的上述和其它目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附图式，作详细说明如下。
附图说明
图1A是现有的对称高压金氧半场效晶体管组件的正视的部分剖面图。
图1B是现有的非对称高压金氧半场效晶体管组件的部分正视剖面图。
图2是图1的高压金氧半场效晶体管的汲极区电流对应汲极区电压关系图，其绘示在闸极电压增加时的半饱和效应。
图3是现有的高压金氧半场效晶体管的部分正视剖面图，其绘示闸极边缘电场线。
图4是图1的现有高压金氧半场效晶体管的电子浓度对应信道部位关系图，其绘示当闸极电压增加，载子浓度会随之增加。
图5A是本发明一实施例的一种高压金氧半场效晶体管组件的部分正视剖面图，此高压金氧半场效晶体管组件具有外加区域。外加区域填充高介电常数的介电材料或导体材料，以增加闸极对n型区的载子浓度的控制能力。
图5B是图5A的高压金氧半场效晶体管的部分正视剖面图，其中外加区域与闸极分离。
图6是一般的高压金氧半场效晶体管及具有填充氮化物的外加区域的高压金氧半场效晶体管在闸极电压增加时的汲极区电流对应汲极区电压的关系图。
图7是一般的高压金氧半场效晶体管及具有填充多晶硅的外加区域的高压金氧半场效晶体管在闸极电压增加时的汲极区电流对应汲极区电压的关系图。
图8是现有的高压金氧半场效晶体管的部分的正视剖面图，其绘示在热载子压力之后负电荷注入氧化物填充物的情形。
图9是比较具有热载子压力条件的前后，及在闸极电压增加时，图8的现有高压金氧半场效晶体管的汲极区电流对应汲极区电压关系图。
100：金氧半场效晶体管组件 102：半导体基底
102a、202a：主要表面 104、204：源极区
104a、204a、212a：接触窗 105、205：信道区
111：氧化物填充物 112、212：汲极区
125、225：闸极 126、128、226、228：n-区
200：高压金氧半场效晶体管 202：硅基底
211：介电层或氧化层 226、228：轻掺杂区
230：外加区域 Id：汲极区电流
Vd：汲极区电压 Vg：闸极电压
具体实施方式
在以下的内容中会应用特定的术语以便说明，但是这些术语不限定本发明的内容。词汇如“右”、“左”、“下”及“上”表示图中的参考方向。词汇如“向内的”及“向外的”分别表示指向及远离所描述的结构或构件的几何中心。这些词汇包括以上的特定用语、衍生用语及具有类似含意的用语。此外，在申请专利范围之中及说明书中相应部分的“一”表示“至少一个”。
在后续的说明中，实施例的内容将会限定导电率(conductivity)的参考值。然而，在本领域具有通常知识者可以推论p型导电性可以转换为n型导电性，而组件仍然可以具有正常的功能。换言之，也可以称为第一或第二导电类型。因此，标号n或p在以下的说明中可以表示n或p，故p及n是可以被置换的。
另外，n+及p+分别表示重掺杂(heavily doped)的n及p区域，且n++及p++分别表示超重掺杂的n及p区域。n-及p-分别表示轻掺杂的n及p区域，且n--及p--分别表示超轻掺杂的n及p区域。然而，这些相关的掺杂用语不应被解读为限定本发明。
请详细参照各图，其中相同的标号自始至终表示相同的构件。在5A至图5B绘示一个高压金氧半场效晶体管200，其具有一个外加区域230。依据本发明的较佳实施例，外加区域可以填充高介电常数材料例如氮化硅、氧化铝、氧化铪或类似材料，也可以是导体材料例如多晶硅。高压金氧半场效晶体管200包括轻掺杂区226、228，其分别位于闸极225与源极区204、闸极225与汲极区212之间的硅基底202中。高压金氧半场效晶体管200可包括一层介电层或氧化层211。外加区域230是用来增强闸极225对于n-区226、228的载子浓度的控制能力。高压金氧半场效晶体管200包括硅基底202、源极区204、汲极区212、闸极225及信道区205。闸极225是以多晶硅、金属或两者的组成结构来构成。源极区204具有金属或多晶硅接触窗204a，且汲极区212也具有金属或多晶硅接触窗212a。如图5A至5B所示，基底202是P型的基底；源极区204及汲极区212是重掺杂n型(n+)；且n-区226、228是轻掺杂的n型(n-)。
外加区域230配置于邻近闸极225的侧边，并覆盖硅基底202的部分主 要表面202a的至少一部分。在图5A中，外加区域230一般是邻接控制闸极225。图5B绘示一种变化的情形，即外加区域230配置于邻近控制闸极225的位置，但一般是与控制闸极225分离一预定的距离。
图2绘示高压金氧半场效晶体管组件100在不同的闸极电压Vg之下，汲极区电流对应汲极区电压的关系图。当闸极电压很低，汲极区电流显著地随着闸极电压而增加，正如一普通的金氧半场效晶体管组件100的行为。然而，当闸极电压Vg超过特定的标准，随着闸极电压Vg增强的电流增量变得很小。上述的特定标准是由制造过程及组件结构所决定。这种现象称为“半饱和效应”。
半饱和效应可以解释如下。当闸极电压Vg很低，本质(intrinsic)通道的电阻值(位于多晶硅闸极125以下的部分，其被闸极电压Vg控制)大于n-区126、128的串联电阻。在这种情形下，由大汲极区电压Vd所造成的大部分的电压降(voltage drop)是作用在本质金氧半场效晶体管组件100。本质金氧半场效晶体管组件的部分决定了高压金氧半场效晶体管组件100的行为，且会像一般金氧半场效晶体管一样地进入饱和区域。然而，当闸极电压Vg持续增加时，由于闸极电压Vg引发的闸极125以下的反转电荷增加，因此本质通道的电阻值将会降低。当闸极电压Vg超过特定的标准，本质通道电阻会远小于n-区126、128的串联电阻。在这种情形下，由大汲极区电压Vd所造成的大部分电压降转变成是作用在n-的电阻。大的电压降在n-区126、128中造成非常大的电场，并造成n-区126、128内的载子到达饱和速度。同时，n-区126、128取代本质信道区105，而主导汲极区电流Id。其会与n-区126、128的载子浓度及载子速率的积(product)成比例。由于n-区126、128的载子浓度几乎是常数，因此汲极区电流Id将几乎保持固定。这是因为无论闸极电压Vg如何持续增加，上述速率已经到达了饱和速率。由于当高压金氧半场效晶体管组件100进入半饱和区域时，汲极区电流Id与载子浓度及n-区126、128中的饱和速度的积成比例，因此n-的剂量可以有效地增加半饱和电流。然而，上述方式会不必要地减少高压金氧半场效晶体管组件100的崩溃电压。
理论上，当高压金氧半场效晶体管组件100进入半饱和区域时，汲极区电流Id应为常数，且不受闸极电压Vg影响。然而，在图2中仍然可以发现到闸极电压的微小影响。这是因为当闸极电压Vg增加时，自多晶硅闸极125(图3)的侧壁而产生的边缘电场线仍然会增加n-区128的载子浓度。因此，半饱和电流仍然会受到闸极电压的微小影响。
在本发明中，必须借由增设外加区域230(图5A至5B)以增强边缘电场，以增强闸极电压与半饱和电流的相关性。外加区域230是由高介电常数材料或导体材料所构成。高压金氧半场效电晶组件200的电流驱动能力 可以在不牺牲崩溃电压的情况下被增强。可以借由利用高介电数材料例如氮化硅、氧化铝、氧化铪或类似的物质做为外加区域230来增强高压金氧半场效晶体管200的半饱和电流，也可以借由导体材料例如已掺杂或未掺杂多晶硅或类似的物质做为外加区域230来增强高压金氧半场效晶体管200的半饱和电流。
图6是具有普通氧化物填充物111的一般高压金氧半场效晶体管组件100以及依据本发明一较佳实施例的一种具有外加区域230的高压金氧半场效晶体管200的汲极区电流Id对应汲极区电压Vd的关系图。其中高压金氧半场效晶体管200绘示于图5A至5B。如图6所示，以高介电常数材料所构成的外加区域230的高压金氧半场效晶体管200会比一般的高压金氧半场效晶体管组件100产生更强的边缘电场。因此，若与一般的高压金氧半场效晶体管组件100比较，高压金氧半场效晶体管200对于增加的闸极电压Vg会产生半饱和电流的增加。
具有导体材料所构成的外加区域230的高压金氧半场效晶体管200也可以增加半饱和电流。导体材料例如是已掺杂或未掺杂的多晶硅。图7是具有氧化物填充物111的一般高压金氧半场效晶体管组件100及具有多晶硅所构成的外加区域230的高压金氧半场效晶体管200的汲极区电流Id对应汲极区电压Vd的关系图。如图7所示，与一般高压金氧半场效晶体管组件100比较，具有多晶硅所构成的外加区域230的高压金氧半场效晶体管200对于n-区226、228的载子浓度具有更好的控制能力。因此，与一般高压金氧半场效晶体管组件100比较，高压金氧半场效晶体管200对于增加的闸极电压Vg会有饱和电流的增加。高压金氧半场效晶体管200的半饱和电流可以借由利用导体所构成的外加区域230来增加。其中导体材料例如是多晶硅。
在高压金氧半场效晶体管组件100中，热载子效应造成饱和电流减少是一个严重的问题。现有具有延伸(extended)n-区126、128的高压金氧半场效晶体管组件100可能会有热电子注入n-区126、128上的氧化物，如图8所示。注入的电子将会压抑闸极边缘产生的边缘电场，进而减少n-区126、128的载子浓度。在这种情况下，半饱和电流将会随着热载子压力减低，如图9所示。
可以观察到，具有导体的外加区域230的高压金氧半场效晶体管200对热载子劣化效应具有更佳的免疫力。当具有外加区域230的高压金氧半场效晶体管200被应用在高电压操作时，尽管热载子压力会造成注入电子，靠近导体的外加区域230的延伸多晶硅闸极225对于n-区226、228内的载子浓度仍然具有优良的控制能力。因此，除了较好的电流驱动能力之外，具有导体外加区域230的高压金氧半场效晶体管200可以对热载子压 力具有更好的免疫力。
本发明更包括形成高压金氧半场效晶体管200的形成方法。此方法包括提供具有主要表面202a的硅基底202。硅基底202的一部分可以是被掺杂的，以构成信道区205。形成一层氧化层在硅基底202的主要表面202a上。然后，闸极225形成在硅基底202的主要表面202a。闸极225的形成方法是成长或沉积多晶硅层，之后，选择性地移除部分多晶硅层及氧化层，而形成之。在硅基底202之中邻近主要表面202a的位置形成源极区204，并在硅基底202之中邻近主要表面202a的位置也形成汲极区212。源极区204及汲极区212的较佳形成方法是选择性地对主要表面202a进行掺杂。此掺杂是利用离子植入法、固态扩散法(solid diffusion)、液态扩散法(liquid diffusion)、旋涂沉积法(spin-on deposits)、电浆掺杂、气相掺杂(vapor phase doping)、激光掺杂或类似的制程。掺入硼会产生偏向p型的区域，掺入磷会产生偏向n型的区域，掺入砷会产生偏向n型的区域。其它的掺质也可以使用，例如锑、铋、铝、铟、镓及类似的掺质。掺质的选择视硅基底202及所需的掺杂强度而定。较佳的是，掺杂是以离子植入法来执行。接着，高压金氧半场效晶体管组件200的半成品可以进行热制程步骤，以使掺质充分地扩散而进入硅基底202。
汲极区212与源极区204分离。信道区205定义于源极区204及汲极区212之间且邻近主要表面202a的部分硅基底202中，且至少部分位置闸极225以下。在闸极225与源极区204之间与门极225与汲极区212之间的部分半导体基底是以类似源极区204及汲极区212的掺杂方式来掺杂。高压金氧半场效晶体管组件200的半成品可以再次进行热制程步骤，以使掺质充分地扩散而进入基底202。或者，也可以选择两个掺杂步骤都在热扩散制程之前进行。
由高介电常数材料或导体材料构成的外加区域230是沉积在半导体基底202的主要表面202a上。由高介电常数或导体材料构成的外加区域230会被选择性地蚀刻，以在主要表面202a上分别留下至少部分高介电常数材料或导体材料。此蚀刻制程例如是电浆蚀刻、干式蚀刻、反应性离子蚀刻、化学蚀刻及类似的蚀刻制程。其中可能会应用到光罩(未绘示)或微影制程(未绘示)，以选择欲留下的材料或不被蚀刻的材料，此方式在本发明技术领域已广为人知。
当外加区域230是由导体材料例如多晶硅构成，外加区域230不能直接接触硅基底202的主要表面202a，因此在沉积外加区域230的导体材料在邻近信道区205的硅基底202上之前，最好先沉积一层介电层如氧化物材料。
之后，接触窗204a及212a分别形成在源极区204及汲极区212上。接 触窗204a及212a例如是金属、多晶硅或两者的组成结构。
在本领域的技术人员而言，显然可以应用其它的制程步骤而不脱离本发明的范围。部分硅基底202或高压金氧半场效晶体管200上可以事先成长一层二氧化硅牺牲层，然后利用缓冲氧化物蚀刻(buffered oxideetch)、稀释的氢氟酸蚀刻或类似的蚀刻方法来进行蚀刻，以提供平滑的表面及圆角。此外，可以在外加区域230上依需求再附加其它层。举例而言，可以沉积或以其它方式形成一层二氧化硅层或类似材料，以覆盖闸225、外加区域230及部分主要表面202a。再者，可导电的硅基底202可以掺杂(doped)、植入(implanted)及扩散(diffused)以达到特定的导电率。
综上所述，可以知道本发明是针对一种高压金氧半场效晶体管，其具有高介电常数介电材料或导体材料构成的外加区域。此外加区域配置于邻近其控制闸极的位置。本发明还包括制造此高压金氧半场效晶体管的方法。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何熟习此技艺者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视所附的权利要求书所界定者为准。
Claims (10)
1.一种高压半导体组件，其特征在于其包括：
一硅基底，具有一主要表面；
一闸极，配置于该硅基底的该主要表面上；
一轻掺杂部分，位于该闸极两侧的该硅基底内，且邻近于该主要表面；
一源极区，其全部配置于该轻掺杂部分之内，且邻近于该主要表面；
一汲极区，其全部配置于该轻掺杂部分之内，且邻近该主要表面，该汲极区与该源极区分离；
一信道区，定义于该源极区及该汲极区之间的部分该硅基底中，且邻近于该主要表面，该信道区至少有一部分位于该闸极下；以及
一外加区域，配置于在闸极一侧的该主要表面以及该轻掺杂部分上且邻近于该信道区，该外加区域是由一种高介电常数介电材料所构成。
2.根据权利要求1所述的高压半导体组件，其特征在于其中该外加区域包括邻接该闸极或与该闸极分离一预定的距离。
3.根据权利要求1所述的高压半导体组件，其特征在于其中该外加区域是氮化硅。
4.一种高压半导体组件的制造方法，其特征在于其包括以下步骤：
提供一硅基底，该硅基底具有一主要表面；
形成一闸极在该硅基底的该主要表面上；
形成一轻掺杂部分，位于该闸极两侧的该硅基底内，且邻近于该主要表面；
形成一源极区，其全部在该轻掺杂部分之内，该源极区邻近该主要表面；
形成一汲极区，其全部在该轻掺杂部分之内，该汲极区邻近该主要表面，该汲极区与该源极区分离，一信道区被定义在部分硅基底中，该信道区邻近该源极区及该汲极区之间的该主要表面；
沉积一层外加层在该硅基底的该主要表面上以及该轻掺杂部分上，该外加层是由高介电常数材料所构成；以及
选择性地蚀刻该外加层，以留下闸极一侧且邻近该信道区的该硅基底的该主要表面上的至少部分该外加层。
5.根据权利要求4所述的高压半导体组件的制造方法，其特征在于其中留下的该外加层是邻接该闸极或与该闸极分离一预定的距离。
6.根据权利要求4所述的高压半导体组件的制造方法，其特征在于其中该外加层是氮化硅。
7.一种高压半导体组件，其特征在于其包括：
一硅基底，具有一主要表面；
一闸极，配置于该硅基底的该主要表面上；
一轻掺杂部分，位于该闸极两侧的该硅基底内，且邻近于该主要表面；
一源极区，其全部配置于该轻掺杂部分之内，且邻近该主要表面；
一汲极区，其全部配置于该轻掺杂部分之内，且邻近该主要表面，该汲极区与该源极区分离；
一信道区，被定义于部分该硅基底中，且邻近该源极区及该汲极区之间的该主要表面，该信道区至少有一部分位于该闸极下；以及
一外加区域，配置于在闸极一侧的邻近该信道区的该主要表面上以及该轻掺杂部分上，该外加区域是是已掺杂的多晶硅或未掺杂的多晶硅。
8.根据权利要求7所述的高压半导体组件，其特征在于其中该外加区域包括大体上邻近该闸极或大体上与该闸极分离一预定的距离。
9.一种高压半导体组件的制造方法，其特征在于其包括以下步骤：
提供一硅基底，该硅基底具有一主要表面；
形成一闸极在该硅基底的该主要表面上；
形成一轻掺杂部分，位于该闸极两侧的该硅基底内，且邻近于该主要表面；
形成一源极区，其全部在邻近该主要表面的该轻掺杂部分之内；
形成一汲极区，其全部在邻近该主要表面的该轻掺杂部分之内，该汲极区与该源极区分离，一信道区被定义于该源极区与该汲极区之间且邻近该主要表面的部分该硅基底中；
沉积一外加层在该硅基底的该主要表面上以及该轻掺杂部分上，该外加层是已掺杂的多晶硅或未掺杂的多晶硅；以及
选择性地蚀刻该外加层，以留下在闸极一侧且邻近该信道区的该硅基底的该主要表面的部分该外加层。
10.根据权利要求9所述的高压半导体组件的制造方法，其特征在于其中留下的该外加层包括邻接该闸极或与该闸极分离一预定的距离。
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