TW201041138A - Semiconductor devices and fabrication methods thereof - Google Patents
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Description
201041138 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係有關於一種積體電路，特別有關於一種金 屬-氧化物-半導體（MOS)裝置，更特別有關於一種MOS 結構用於高電壓操作。 【先前技術】 許多用於高電壓應用（具有高崩潰電壓）的金屬-氧化 物-半導體場效電晶體（MOSFET)包括一垂直構造。藉由 使用垂直構造，使該電晶體可能維持該阻隔電壓和高電 流。在NMOS例子中，該電晶體的電壓規格為η型磊晶 層（又稱n-epi層）的摻雜和厚度的函數，而電壓規格為通 道寬度的函數（亦即通道愈寬，則電流愈大）。於一平面構 造中，電流和崩潰電壓規格二者皆為通道維度（通道各自 的寬度和長度）的函數，導致“石夕資產（silicon estate)”未被 充分地利用。藉由使用垂直構造，元件區域大致上正比 於其所維持的電流，且該元件的厚度（貫際上為該n-epi 層的厚度）為正比於崩潰電壓。垂直式MOSFET通常設計 用於開關的應用。一般而言，於許多應用上使用NMOS， 而非PMOS，基於在相同的尺度下具較佳的效能（因為電 子比電洞具有較高的移動性）。 於一傳統的垂直式NMOS中，一般使用n+沉區（n+ sinker)於垂直没極電流收集。第1圖顯示傳統的垂直式 NMOS具有一 p型基底的剖面示意圖。該垂直式NMOS 具有一 p型基底102、一 n+埋藏層（NBL) 104以及一 η型 0 5 0 3 - A 3 444 3 T U T (i am n g wo 201041138 沉區108用於垂直汲極電流收集、一 η型蠢晶層106、一 ρ型基體110、源極η+區112和ρ+區114二者皆連接至 源極接觸116、一閘極118、以及一汲極接觸120。該η 型沉區108需要一個大的橫向空間122，以將源極116和 汲極120隔離。然而，用於隔離的所需的空間122會增 加元件的面積並且導致於開啟狀態下汲極至源極的電阻 (drain to source resistance in on-state j 簡稱 RDSon)增加。 再者，因為不同的熱預算，很難控制該n型沉區108的 0 輪廓。該η型沉區108係用於該NBL 104和汲極接觸120 之間的一垂直連接。由於高能量植入步驟有植入深度的 限制，因此需要較大的熱驅入(thermal drive-in)將植入的 原子更深地推進。在此熱製程中，該η型沉區108受到 大的熱預算（溫度X時間）並且導致一等方向性擴散。因 此’該η型沉區108的輪廓變的較廣且較深，此導致NBL 104與η型沉區108的連接具有不想要的元件區域。更又 甚者，需要一多重植入步驟用於形成一深η型沉區108。 Ο 因此’該η型沉區108的基體將變得較預期的更廣，並 且該η型儿區108的基體佔據額外的元件面積。 第2圖顯示另一傳統的具有一絕緣層上有石夕（s〇〗)基 底的垂直式NM0S的剖面示意圖。該NM0S具有一 p型 基底102、一埋藏氧化物（Β〇χ)層2〇2、一 n+區域204連 接至一汲極接觸120、一 η型磊晶層106、p型井210、 源極η+區112和ρ+區ι14二者皆連接至源極接觸116、 一閘極118、以及一絕緣氧化物層206和208。該氧化物 層206和208提供ρη接面隔離和較高的崩潰電壓。該 0503-A34443TWrF/jamngwo 201041138 BOX層202亦為高電壓操作所需。此結構仍然需要大的 橫向空間122，以將源極116和汲極120之間隔離。 有鑑於此，業界亟需新的方法與結構以降低所需的 元件空間和高崩潰電壓用於高邊（high-side)操作。 【發明内容】 本發明之實施例在此描述一金屬-氧化物-半導體 (MOS)裝置結構用於高崩潰電壓（BV)和低開啟電阻 RDs〇n高電壓應用。可實現兩一般的目的：其一為降低元 件面積，且另一為實現具高邊能力之元件。為了降低元 件面積，没極電流於一垂直方向流動，且由一 n+埋藏層 (NBL)收集。被一絕緣體環繞的一深電極（例如金屬或多 晶矽）連接至NBL用於汲極電流擷取。由於已選定一高介 電強度的絕緣體（例如氧化物），可達成在源極和汲極之間 具一小的橫向空間。由該深電極、絕緣體、及NBL的形 成可允許降低源見面積及高邊操作。 根據本發明之一實施例，一種半導體裝置包括：一 基底；一埋藏n+層設置於該基底中；一 η型磊晶層設置 於該埋藏η+層之上；一 ρ型井設置於該η型磊晶層中； 一源極η+區域設置於該ρ型井中且一端連接至一源極接 觸；―第'一絕緣層設置於該ρ型井和該η型蠢晶層的頂 部；一閘極設置於該第一絕緣層的頂部；以及一金屬電 極自該埋藏η+層延伸至一汲極接觸，其中該金屬電極藉 由一第二絕緣層而與該η型磊晶層和該ρ型井絕緣。該 埋藏η+層接觸該金屬電極的部分可進一步地以η+摻雜。 0503-A3444?TVvT,jamngwo 6 201041138 該p型井鄰接該源極n+區域的部分可進一步地以p+摻 雜，且連接至該源極接觸。該第一絕緣層可以為一高電 壓氧化層。該第二絕緣層具有一環形，環繞該金屬電極。 該第二絕緣層為一介電層，例如氧化物。於另一實施例 中，可使用一多晶石夕電極而非金屬電極。 根據本發明又一實施例，一種半導體裝置的製造方 法包括：提供一半導體基底；植入一埋藏n+層於該基底 中；形成一 η型磊晶層於該埋藏n+層之上；植入一 p型 Q 井於該η型蟲晶層中；沉積一第一絕緣層於該p型井和 該η型磊晶層的頂部，其中該第一絕緣層僅覆蓋用於一 閘極的一特定區域；形成該閘極於該第一絕緣層的頂 部；植入一源極η+區域於該ρ型井中；蝕刻一溝槽於該 η型磊晶層中及/或該ρ型井中以露出該埋藏η+層且提供 用來形成一汲極電極和一氧化物絕緣層的空間；沉積一 氧化物於該溝槽中；實施該氧化物的化學機械研磨（CMP) 步驟；蝕刻位於該溝槽中的氧化物以形成一孔洞，其延 〇 伸至該埋藏η+層；進一步植入一 η+區域於該孔洞所露出 的該埋藏η+層區域中；以及形成一汲極電極於該孔洞 中。該第一絕緣層可以為一高電壓氧化（HVOX)層。該閘 極可藉由實施多晶石夕沉積和#刻步驟而形成。於一實施 例中，該汲極電極可以為金屬且藉由實施沉積和蝕刻金 屬於孔洞中而形成。於另一實施例中，該汲極電極可以 為多晶矽且藉由實施沉積和蝕刻多晶矽於孔洞中而形 成。該方法可包括植入一 Ρ+區域鄰接該源極η+區域於該 ρ型井中；以及形成一源極接觸連接該ρ+區域和該源極 0503-A34443TWF/jamngwo 7 201041138 、 , n+區域。 >本發明所揭露實施例的特 氧化物）而降低元件 匕括因為"電隔離（例如 例中，達敎並提高射轉（_於—實施 如氧化物）_更_介電絕緣(例 舉實 【實施方式】 "以下以各實施例詳細說明並伴隨著圖式說明之r 例，做為本發明之參考 圃式說月之扼 相 歹号依據。在圖式或說明書描述中， 相似或相同之部分皆使用 施例之形狀或是厚度可擴* * ί i在圖式中，實 再者，圖m *擴 間化或是方便標示。 :立圖式中各70件之部分將以分別描述說明之，值得 緣示或描述之元件’為所屬技術領域 ^有通吊知識者所知的形式，另外，特定之實施例僅 為揭不本發明使用之特定方式，其並非用以限定本發明。 本發明之實施例提供一金屬_氧化物_半導體（m〇s) 裝置結構，用於高崩潰電麼（BV)和低開啟電阻R〇_之 高電壓應肖。實施例，亦提供此結構及此結構的製造方 法，以及討論該結構和方法的各種變化例。整個說明書 中各種圖示的實施例，相似標號係用以表示相似之構件曰。 第3圖顯示一垂直式NMOS元件的實施範例的剖面 示意圖，並且此垂直式NMOS元件包括一深電極用於垂 直汲極電流收集。該垂直式NMOS元件具有一 p型基底 0503- A34443 T W F^j am n g wo 8 201041138 102、一 n+埋藏層（NBL) 104、一 η型磊晶層106、p型井 210、源極n+區1丨2和p士區114二者皆連接至源極接觸 116、一閘極ι18、以及，汲極接觸120。再者’具有深 電極3〇2連接至汲極接觸120用於垂直>及極電流收集， 一 n+區域306位於深電换302下方以降低接觸電阻，以 及絕緣層3 04環繞該深電極3。該深電極302可以藉由 使用例如金屬或多晶石夕達成。環繞該深電極302的絕緣 層304可以是介電材料，例如氧化物，並且可以是一環 0 形。該結構，包括電極3〇2和NBL 104以收集垂直 >及極 電流’能達成高邊操作（high-side operation)。 於一實施例中，金屬電極302和氧化物絕緣層3〇4 能夠達成高於700V的高電壓操作。再者，因為使用比矽 更強的氧化介電絕緣層304,使較強健的崩潰電壓成為可 能。更有甚者，由於該有效的絕緣使用絕緣層3〇4環繞 金屬電極302,因而可降低元件區域，這是因為降低了 = 極116和汲極120之間所需用於隔離的橫向空間122。 ϋ 第4圖係顯示第3圖的結構的電位（電壓）分佈示音 圖，其中於第4圖中電極302為金屬且絕緣層3〇4為^ 化物。於第4圖中，該Ρ型基底1〇2、源極接觸116、開 極118、及ρ型井210在靠近表面（頂部或底部），具有相 對低的電壓，約低於1〇〇V。該電位（電壓）隨著該剖面圖 中的位置接近該電極302、NBL 104、及沒極接觸12〇增 加，直至超過700V。該氧化物絕緣層3〇4、ns磊晶層 106、及ρ型基底102顯示電位的逐漸變化，從低於ι〇〇ν 至超過7請，《員示該結構可維持高邊操作（Mgh_side 0 503 - A34443T W F /j amng wo 201041138 operation)超過 700V。 第5圖顯示本發明之一實施例的NMOS裝置的製造 步驟的流程示意圖。於步驟502中，提供一半導體基底（例 如P型基底102)以製造該NM0S裝置。於步驟504中， 植入一埋藏n+層於該基底中以形成該NBL 104。於步驟 506中，形成一 η型磊晶層106於該埋藏n+層104之上。 於步驟508中，植入一 p型井210於該η型磊晶層106 中。於步驟510中，沉積一第一絕緣層308於該η型磊 晶層106和該ρ型井210的頂部，其中該第一絕緣層308 僅覆蓋用於一閘極118的一特定區域。於一實施例中， 該第一絕緣層308為一高電壓氧化層。於步驟512中， 形成該閘極118於該第一絕緣層308的頂部。於步驟514 中，植入一源極η+區域112於該ρ型井210中。於一實 施例中，可植入一 Ρ+區域鄰接該源極η+區域以一起連接 到源極接觸116。於步驟516中，蝕刻一溝槽於該η型磊 晶層106中及/或該ρ型井210中，以露出該埋藏η+層104 且提供一空間供一汲極電極302和一環繞該汲極電極302 之氧化物絕緣層304。於步驟518中，沉積一氧化物於該 溝槽中以形成一絕緣層304。於步驟520中，實施一氧化 物的化學機械研磨（CMP)步驟。於另一實施例中，可能僅 使用‘‘回#刻法（etch-back method)”而非化學機械研磨 法，尤其是用於崩潰電壓小於500V。於步驟522中，蝕 刻位於該溝槽中的氧化物以形成一孔洞，其延伸至該埋 藏n+層以提供做為電極302之空間。於步驟524中，進 一步植入一 n+區域306於該孔洞所露出的該埋藏n+層區 0503-A34443TWF/；jamngwo 201041138 域中’以改善該電極302至該埋藏n+層區域ι〇4的接觸 電阻。於步騍526中，形成一汲極電極302於該孔洞中。 該沒極電極3G2可為金屬及多晶料其中之―，並且其 可藉由沉積和蝕刻金屬或多晶矽而形成。
第6圖係顯示第3圖的結構的幾何參數示意圖。第6 圖顯示該絕緣層304環繞該電極302的-對稱的橫向長 f L1該電極302的橫向長度L2、以及該絕緣層3〇4的 四度H1。高寬比（aspect mi〇)為高度（例如Ηι)對橫向長 度（例如U4L2)的比值。於此實施例中，當u=2^m， Ηΐ=5〇μΠ1〜8〇μιη，則該高寬比為2.08〜3.33。關於L2的數 值，於此範例中為3μηι〜1〇μηι，且相對 忉〜2〇。此高寬比可依據製程中的蝕刻能力而決定，例二 對於一小面積蝕刻一深溝槽可達到的深度和精度。 以上揭路的實施例的特徵包括因為介電隔離（例如氧 化物）而降低^件的面積’並提高操作電壓（例如於一實施 例中’達到大於7請），以及目為師更強的介電絕緣(例 如氧化物）’而達到更強健的崩潰電壓。 —本發明雖以各種實施例揭露如上，然其並非用以限 定本發明的範圍’任何所屬技術領域中具有通常知識 者，在不脫離本發明之精神和範圍内，當可做些許的更 動與潤飾。本發明之保護範圍#視後附之巾請專利範圍 所界定者為準。 0503 - Α.·)4443T WF,/j amng wo 11 201041138 【圖式簡單說明】 第1圖顯示傳統具有一 P型基底的垂直式NMOS的 剖面示意圖。 第2圖顯示另一傳統具有一絕緣層上有矽（SOI)基底 的垂直式NM0S的剖面示意圖。 第3圖顯示一垂直式NM0S元件的實施範例的剖面 示意圖，並且此垂直式NM0S元件包括一用於垂直汲極 電流收集之深電極。 第4圖係顯示第3圖的結構的電位（電壓）分佈示意 圖。 第5圖顯示本發明之一實施例的NM0S裝置的製造 步驟的流程圖。 第6圖係顯示第3 圖的結構的幾何麥數不意圖。 【主要元件符號說明】 102〜p型基底； 104- -η+埋藏層； 106〜η型蠢晶層， 108- / η型沉區； 110〜ρ型基體； 112- /源極η+區； 114〜ρ+區； 116- 〃源極接觸； 118〜閘極； 120- 〃汲極接觸； 122〜橫向空間； 202- 〃埋藏氧化物層； 204〜η+區域； 206- /氧化物層； 208〜氧化物層； 210- -ρ型井； 302〜深電極； 304- λ絕緣層； 3 06〜η+區域； 308- j第一絕緣層； 0503-A3444?TWF:jamngwo 201041138 502-526〜製程步驟。
0503-A34443TM/F/j amngwo 13
Claims (1)
- 201041138 七、申請專利範圍： 1. 一種半導體裝置，包括： 一基底； 一埋藏n+層，設置於該基底中； 一 η型磊晶層’設置於該埋藏層之上； 一 p型井，設置於該η型磊晶層中； 一源極η+區域’設置於該ρ型井中且一端連接至一 源極接觸； 一第一絕緣層，設置於該ρ型井和該η型磊晶層的 頂部； S 一閘極，設置於該第一絕緣層的頂部；以及 一金屬電極，自該埋藏n+層延伸至一汲極接觸，其 中該電極藉由一第二絕緣層而與該n型磊晶層和該； 井絕緣。 2.如申請專利範圍第丨項所述之半導體裝置，其中 該埋藏η+層接觸該金屬電極的一部分為η+型摻雜。 3·如申請專利範圍第1項所述之半導體裝置，其中 該Ρ型井鄰接該源極奸區域的—部分為ρ+型摻雜且連 至該源極接觸。 @ 其中 其中 其中 ^4.如申請專利範圍第1項所述之半導體裝置， 該第一絕緣層為一高電壓氧化層。 如申請專利範圍第1項所述之半導體裝置， 該第一絕緣層具有—環形’環繞該金屬電極。 —%中'^專利範圍第1項所述之半導體裝置， 該罘二絕緣層為—氧化層。 050?-A34443TWF/jailln2w〇 、 14 201041138 7. —種半導體裝置，包括： 一基底； 一埋藏n+層，設置於該基底中； 一 η型磊晶層，設置於該埋藏n+層之上； 一 P型井，設置於該η型磊晶層中； 一源極η+區域，設置於該ρ型井中且一端連接 — 源極接觸； 一第一絕緣層，設置於該ρ型井和該11型磊晶層的 〇 項部； 一閘極，設置於該第一絕緣層的頂部；以及 一多晶矽電極，自該埋藏η+層延伸至一汲極接觸， 其中該電極藉由-第二絕緣層而與該η型蠢晶層和該 型井絕緣。 _ 8.如申請專利範圍第7項所述之半導體裝置，其中 該埋藏η+層接觸該多晶石夕電極的一部分為型捧雜。 9.如巾請專利範圍第7項所述之半導體裝置，其中 ϋ該Ρ型井鄰接該源極奸區域的一部分為型捧雜且連接 至該源極接觸。 1〇.如申請專利範圍f 7項所述之半導體t置’其中 該第-絕緣層為一高電壓氧化層。 、 1L如中晴專利範圍第7項所述之半導體裝置，其中 絕緣層具有—環形，環繞該金屬電極。 12.如中晴專利範圍第7項所述之半導體裝置，其中 該第二絕緣層為一氧化層。 13·種半導體裝置的製造方法，包括： 0503-A34443TWF/jamngw〇 15 201041138 提供一半導體基底； 植入一埋藏Π+層於該基底中； 形成一 η型磊晶層於該埋藏n+層之上； 植入一 P型井於該！！型磊晶層中； 型磊晶層的頂 一特定區域； 沉積一第一絕緣層於該P型井和該n 部，其中該第一絕緣層僅覆蓋用於一閘極的 形成該閘極於該第一絕緣層的頂部； 植入一源極n+區域於該p型井中； 蝕刻-溝槽於該η型磊晶層中及/或該p型井中以露 出該埋藏n+層且提供用來形成—祕電極和—氧化物絕 緣層的空間； 沉積一氧化物於該溝槽中； 實施該氧化物的化學機械研磨步驟. =位於該溝槽中的氧化物以形成一孔洞，其延伸 主琢埋藏n+層； .步植人1+區域於該孔洞所露出的該埋藏n+層 ^域中，以及 形成一汲極電極於該孔洞中。 、止方沐^申叫專利範圍第13項所述之半導體裝置的製 把方法’其中該第一絕緣層為一高電壓氧化層。 造方 而形成。疋错由實施多晶心積和侧步驟 造方法專利範圍第13項所述之半導體裝置的s 法其中該汲極電極為金屬。 05G3-A34443TWF;jamngw〇 16 201041138 17.如申请專利範圍第項所述之半導體裝置的製 &方法，其中該汲極電極是藉由沉積和蝕刻於孔洞中的 金屬而形成。 18.如申請專利範圍第13項所述之半導體裝置的製 造方法，其中該汲極電極為多晶矽。 項所述之半導體裝置的製 由沉積和餃刻於孔洞中的 19.如申請專利範圍第18 造方法’其中該汲極電極是藉 多晶梦而形成。置的製 及 植入一 P+區域鄰接該p型井中的診 形成一源極接觸連接該P+區域和該 源極n+區域；以 源極n+區域。 ❹ 0503-A34443TWF/jamngwo
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | Annulment or lapse of patent due to non-payment of fees |