TW201421703A - 具有終端結構之金氧半二極體元件及其製法 - Google Patents
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Abstract
一種具有終端結構之金氧半二極體元件及其製法，該元件包含：一基板具有複數個平台區；而在N型磊晶層表面，為一被蝕刻出一淺溝渠區域之P型半導體區，其圍繞在該平台區周圍，增加了金屬接觸面積，降低正向導通壓降值(Vf)；一閘極氧化層位於該平台區之表面上；一多晶矽層位在該閘極氧化層上；一屏蔽氧化層位在部分之該多晶矽層上的中間部分。該終端結構包含一溝渠；一氧化層，至少位於該溝渠內；側壁多晶矽層，位在該溝渠側壁之該氧化層上。屏蔽氧化層之厚度較閘極氧化層之厚度厚，因此可以降低寄生電容；溝渠中之氧化層及側壁多晶矽層可有利於分散表面電場，因此可以提升該金氧半二極體元件之反向耐壓。
Description
本發明係為一種具有終端結構之金氧半二極體元件，尤指一種具有較低之漏電流及有較大反向耐壓之金氧半二極體元件。
蕭基二極體為以電子作為載子之單極性元件，其特性為速度快與正向導通壓降值(VF)低，但反向偏壓漏電流則較大(與金屬功函數及半導體摻雜濃度所造成之蕭基能障值有關)，且因為以電子作為載子之單極性元件，沒有少數載子復合之因素，反向回復時間較短。而P-N二極體，為一種雙載子元件，傳導電流量大。但元件的正向操作壓降值(VF)一般較蕭基二極體高，且因電洞載子之作用使P-N二極體反應速度較慢，反向回復時間較長。
為綜合蕭基二極體與P-N二極體的優點，一種閘式二極體的架構，利用平面式金氧半場效電晶體之閘極與源極等電位，設定為陽極。而晶背汲極設定為陰極之二極體被提出來。該元件具有與蕭基二極體相匹敵或更低之正向導通壓降值(VF)。反向偏壓漏電流的性能接近P-N二極體，較蕭基二極體為低。在高溫的反向回復時間與蕭基二極體相近。元件的介面可耐受溫度則較蕭基二極體更高。在應用上為較蕭基二極體性能更優良之元件。
關於閘式二極體裝置，其代表性前案可參閱2003年之美國專利，第6624030號提案名稱RECTIFIER DEVICE HAVING A LATERALLY GRADED P-N JUNCTION FOR A CHANNEL REGION所揭露之元件結構為代表。請參閱第一圖A~L所示，其製作方法主要包括步驟：首先，如第一圖A所示，提供N+基板20與已長好之N-型磊晶層22，於其上成長場氧化層(Field Oxide)50。而後如第一圖B所示，於場氧化層50上形成光阻層52後進行微影製程及蝕刻製程，以移除部分場氧化層50，然後進行第一離子佈植層硼離子之植入。之後，如第一圖C所示，於光阻去除後，進行第一離子佈植層硼離子之熱驅入，形成邊緣之P型層28與中心之P型層30。然後進行第二離子佈植層氟化硼離子之植入。接著如第一圖D及E所示，進行第二微影製程及蝕刻製程，於元件周圍為光阻54所覆蓋，以移除元件中心區域之場氧化層50。如第一圖F所示，成長閘氧化層56，閘極複晶矽層58，與氮化矽層60，並進行砷離子之植入。接著如第一圖G所示，披覆一化學氣相沉積之氧化層62，並於其上進行第三微影製程，留下閘極圖案之光阻層64。然後，如第一圖H所示，對化學氣相沉積之氧化層62，進行濕式蝕刻。於第一圖I 所示，對基板進行一乾式蝕刻以移除部分之氮化矽層60，然後進行一第三離子佈植層硼離子之植入，以形成區域66。接著如第一圖J所示，於去除光阻層64之後，進行一第四離子佈植層硼離子之植入，以形成P型包覆層(P-type Pocket)36。如第一圖K所示，對基板進行一濕式蝕刻，以移除氧化層62，然後再對基板進行一乾式蝕刻以移除一部分之閘極複晶矽層58。然後，進行一砷離子佈植製程，以形成一N+之佈植區24，如第一圖L所示，將氮化矽層60以濕蝕刻之方式去除，然後對基板進行砷離子之植入。元件之製程部分於此完成，後續則陸續上表面金屬層，微影製程與蝕刻製程等，以完成晶圓之前端製程。
由上述之工法製作之閘式二極體，其閘極複晶矽層58會有較大之寄生電容，反應速度較慢。且於高壓產品之正向導通壓降值(Vf)較高。
為了克服習知技術問題，本發明之一目的為提供一種可有利於分散電場及提升反向耐壓之具有終端結構之金氧半二極體元件。
依據本發明之一實施例，本發明提供一種具有終端結構之金氧半二極體元件，包含：
一基板具有至少一第一導電型磊晶層，該第一導電型磊晶層具有複數個平台區；
複數個淺溝渠區域分別環繞該些平台區；
複數個第二導電型半導體區，位在該些平台區外側淺溝渠區域內；
複數個閘極氧化層分別位於該些平台區之上；
複數個多晶矽層分別位在該些閘極氧化層上；
複數個屏蔽氧化層分別位在該些多晶矽層上，且覆蓋該些多晶矽層之部份上表面，其中該屏蔽場氧化層之厚度較該閘極氧化層厚；
一終端結構包含：
一溝渠，形成於該第一導電型磊晶層上；
一氧化層，至少位於該溝渠內；
側壁多晶矽層，位在該溝渠側壁之該氧化層上；及
一金屬複合層，覆蓋該些第二導電型半導體區、該多晶矽層、該屏蔽氧化層、及至少該溝渠中的該氧化層及該側壁多晶矽層。
由於屏蔽氧化層之厚度較閘極氧化層之厚度厚，因此可以降低寄生電容；再者，溝渠中氧化層及側壁多晶矽層可有利於分散表面電場，因此可以提升該金氧半二極體元件之反向耐壓。圍繞在該平台區周圍之淺溝渠區域之P型半導體區，由於增加了金屬接觸面積，因此降低正向導通壓降值(Vf)。
再者，依據本發明之另一實施例，本發明提供一種具有終端結構之金氧半二極體元件製法，包含：
(a)提供一基板具有至少一第一導電型磊晶層，該第一導電型磊晶層中具有一溝渠，其中該溝渠一側為該金氧半二極體元件之一元件區域，而該溝渠之另一側為該金氧半二極體元件之一終端區域，其中在該溝渠中至少具有一氧化層；
(b)於所得結構上依序成長一閘極氧化層、一多晶矽層及一屏蔽氧化層；
(c)利用光阻及蝕刻，於該元件區域上形成複數個平台，於平台外側具有淺溝渠區域，及於該溝渠側壁上形成側壁多晶矽層；
(d)於淺溝渠區域中進行離子佈植以形成第二導電型半導體區；及
(e)於該元件區域及該溝渠上形成一金屬複合層。
由於在由上述製法所製成之具有終端結構之金氧半二極體元件製法中，在閘極氧化層及多晶矽層之上具有一屏蔽氧化層，因此可以降低寄生電容；再者，CVD氧化層及側壁多晶矽層可有利於分散表面電場，因此可以提升該金氧半二極體元件之反向耐壓。圍繞在該平台區周圍之淺溝渠區域之P型半導體區，由於增加了金屬接觸面積，因此降低正向導通壓降值(Vf)。
請參閱第二圖A至第二圖S，其係為本案為改善習用技術手段之缺失所發展出一具有終端結構之金氧半二極體(MOS diode)元件之製作流程示意圖。
從圖中我們可以清楚的看出，首先，提供一基板20(如第二圖A所示)，該基板20係為一高掺雜濃度N型矽基板201(N+矽基板)與一低掺雜濃度N型磊晶層202(N-磊晶層)所構成。於此圖中所繪示的低掺雜濃度N型磊晶層202係較高掺雜濃度N型矽基板201來的厚，但是須知此圖僅為示意說明本發明之具體實例，於實際之元件中，低掺雜濃度N型磊晶層202在實際上應比較高掺雜濃度N型矽基板201來的薄。
如第二圖B所示，透過一氧化製程於該基板20上形成一第一罩幕層210(場氧化層，亦可稱為場氧化層結構)；然後於該第一罩幕層210上形成一第一光阻層211(如第二圖C所示)。隨後以微影製程於該第一光阻層211上定義出一有光阻圖形區2111，與無光阻區2110(如第二圖D所示)。根據有光阻圖形區2111對該第一罩幕層210進行蝕刻以形成在第一罩幕層210中的一缺口30（亦即對應於無光阻區2110的露出部份），且此缺口30之左側為對應本發明之金氧半二極體元件之元件區域(device region)，而此缺口30本身及其右側為對應本發明之金氧半二極體之終端區域(termination region)。在此須知上述說明之左側及右側僅為說明方便，而非為對於本發明之限制。
隨後如第二圖E所示根據該光阻圖形對該低掺雜濃度N型磊晶層202再進行蝕刻，並去除剩餘的該光阻圖形區2111後而於該基板20中形成一溝渠31。隨後如第二圖F所示，在所得結構之上成長一層熱氧化層310，由於此熱氧化層310之厚度較薄，因此僅繪示出在溝渠31中之結構，而須知在第一罩幕層210之表面上也會有此熱氧化層310，僅是未以圖示繪出。隨後於所得結構上再成長一層較熱氧化層310厚之化學汽相沈積（chemical vapor deposition,CVD）氧化層320(如第二圖G所示)，將該熱氧化層310覆蓋。
在成長完CVD氧化層320後，再於所得結構之整個表面上形成一第二光阻層(未圖示)。於該第二光阻層上以微影製程定義出一有光阻圖形區3301與無光阻區3300(如第二圖H所示)，其中該有光阻圖形區3301係覆蓋包含該溝渠31之終端區域，以露出對應於元件區域之部份。隨後進行一蝕刻步驟，以移除在無光阻區3300之第一罩幕層210、熱氧化層（未圖示）及CVD氧化層320，並接著移除有光阻圖形區3301(如第二圖I所示)。
隨後如第二圖J所示，於所得結構以熱氧化方式成長一層閘極氧化層350及形成一多晶矽層360，其中因為閘極氧化層350之厚度較薄，因此並未特地繪示出在終端區域之閘極氧化層350。隨後再於所得結構上成長一層場氧化層370，以做為一屏蔽氧化層(shielding oxide layer)370(如第二圖K所示)，並包覆該多晶矽層360；其中該屏蔽氧化層370之厚度較閘極氧化層350之厚度為厚，例如其厚度可為（但不限定為）1000埃。接著再於所得結構上形成一第三光阻層(未圖示)。於該第三光阻層上定義出一有光阻圖形區3801與無光阻區3800(如第二圖L所示)。
隨後如第二圖M所示，利用該有光阻圖形區3801做罩幕進行等向性之濕蝕刻(isotropic wet etching)，以移除未被有光阻圖形區3801覆蓋之屏蔽氧化層370部份。如第二圖M所示，由於濕蝕刻之非等向性緣故，會在有光阻圖形區3801下之屏蔽氧化層370形成下切區(未標號)。隨後利用乾蝕刻(dry etching)侵蝕在所得結構上之多晶矽層360及閘極氧化層350。並於溝渠31側壁上留下部份之側壁多晶矽層360’(如第二圖N所示)。隨後再於所得結構上再進行一次乾蝕刻，以對於低掺雜濃度N型磊晶層202進行蝕刻，且此乾蝕刻係僅對於矽磊晶層蝕刻而不會影響在終端區域之CVD氧化層320及在溝渠內之多晶矽層360。藉上述之乾蝕刻製程，可在有光阻圖形區3801兩側之低掺雜濃度N型磊晶層202上形成淺溝渠區域390(如第二圖O所示)。隨後進行離子佈植（例如硼離子），以在淺溝渠區域390下之低掺雜濃度N型磊晶層202上形成P型半導體區395(如第二圖P所示)，由於在終端區域之低掺雜濃度N型磊晶層202覆蓋有第一罩幕層210及CVD氧化層320，因此在該處之低掺雜濃度N型磊晶層202不會形成離子佈植區。
如第二圖Q所示，在形成P型半導體區395後，移除有光阻圖形區3801並於所得結構上形成一複合金屬層40，該複合金屬層40包含一第一金屬層401和一第二金屬層402，其中第一金屬層401的材料為鈦金屬或氮化鈦，第二金屬層402的材料為鋁金屬或其他金屬。再者該第一金屬層401係先於該第二金屬層402形成，且在該第一金屬層401形成後可進行一快速氮化製程(Rapid Thermal Nitridation，簡稱RTN)，進而使得該第一金屬層401能完全的接著於所接觸的結構上。
接著於所得結構上形成一第四光阻層(未圖示)，且於該第四光阻層上定義出一有光阻圖形區4001與無光阻區4000(如第二圖R所示)，其中該有光阻圖形區4001係包覆元件區域及至少包含溝渠31之終端區域部份。接著利用有光阻圖形區4001作為罩幕進行金屬蝕刻步驟，以移除未被有光阻圖形區4001包覆之第一金屬層401和一第二金屬層402，並去除該光阻層(如第二圖S所示)。
如第二圖S所示，為依據本發明製程所製作之具有終端結構之金氧半二極體元件，該金氧半二極體元件包含在虛線左側之元件區域及在虛線右側之終端區域。該元件區域主要包含一基板20（具有高掺雜濃度N型矽基板201及低掺雜濃度N型磊晶層202)，其中該低掺雜濃度N型磊晶層202具有複數個平台區203(可一併參見第二圖O，此處僅繪示出一個以做示意)；在平台區203兩側之P型半導體區395；至少一閘極氧化層350位於平台區203之表面上；至少一多晶矽層360位在該閘極氧化層350上；至少一屏蔽氧化層370位在該多晶矽層360上（且僅覆蓋該多晶矽層360之部份上表面）；一金屬複合層40（包含第一金屬層401和第二金屬層402）位在該P型半導體區395、該多晶矽層360（未被場氧化層370覆蓋部份）及該屏蔽氧化層370上。在平台區203兩側之P型半導體區395可形成此金氧半二極體元件之源極，該金屬複合層40連結金氧半元件之源極與閘極，可作為該金氧半二極體元件之陽極，而在基板20可形成對應之陰極（未以圖示）。
再者，在虛線右側之終端區域主要包含該基板20（也具有高掺雜濃度N型矽基板201及低掺雜濃度N型磊晶層202)；一形成於該低掺雜濃度N型磊晶層202上之溝渠（未標號，可參見第二圖E之元件31）；在溝渠外側之場氧化層結構210；位在溝渠內及在場氧化層結構210上表面之CVD氧化層320及在溝渠側壁上之之側壁多晶矽層360’；及金屬複合層40（包含第一金屬層401和第二金屬層402）位在該溝渠內之CVD氧化層320上、側壁多晶矽層360’上及溝渠外的部份CVD氧化層320上。在該金氧半二極體元件上施加反向電壓時，由於此一溝渠結構可有效分散表面電場，因此可以提升該金氧半二極體元件之反向耐壓。
綜上所述，雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
20．．．N+基板
22．．．N-型磊晶層
24．．．砷離子佈植區
28、30．．．第一離子佈植層
50．．．場氧化層
52、54、64．．．光阻層
56．．．閘氧化層
58．．．閘極複晶矽層
60．．．氮化矽層
62．．．化學氣相沉積之氧化層
66．．．第三離子佈植層
20．．．基板
201．．．高掺雜濃度N型矽基板(N+基板)
202．．．低掺雜濃度N型磊晶層(N-型磊晶層)
203．．．平台
210．．．第一罩幕層(場氧化層)
2110,3300,3800,4000．．．曝光後之無光阻區域
2111,3301,3801,4001．．．曝光後之有光阻區域
30．．．缺口
31．．．溝渠
310．．．氧化層
320．．．CVD氧化層
350．．．閘極氧化層
360．．．多晶矽層
360’．．．側壁多晶矽層
370．．．屏蔽氧化層
390．．．淺溝渠區域
395．．．P型半導體區
40．．．金屬複合層
401．．．第一金屬層
402．．．第二金屬層
本案得藉由下列圖式及說明，俾得一更深入之了解：
第一圖A~L，其係為美國專利第6624030號所揭露之閘式二極體裝置製作方法示意圖。
第二圖A~S其係為本案之具有終端結構之金氧半二極體元件(MOS diode)之製作流程示意圖。
20．．．基板
201．．．高掺雜濃度N型矽基板(N+基板)
202．．．低掺雜濃度N型磊晶層(N-型磊晶層)
210．．．場氧化層結構
310．．．氧化層
320．．．氧化層
350．．．閘極氧化層
360．．．多晶矽層
360’．．．側壁多晶矽層
370．．．屏蔽氧化層
395．．．P型半導體區
40．．．金屬複合層
401．．．第一金屬層
402．．．第二金屬層
Claims (16)
- 一種具有終端結構之金氧半二極體元件，包含：
一基板具有至少一第一導電型磊晶層，該第一導電型磊晶層具有複數個平台區；
複數個淺溝渠區域分別環繞該些平台區；
複數個第二導電型半導體區，位在該些平台區外側淺溝渠區域內；
複數個閘極氧化層分別位於該些平台區之上；
複數個多晶矽層分別位在該些閘極氧化層上；
複數個屏蔽氧化層分別位在該些多晶矽層上，且覆蓋該些多晶矽層之部份上表面，其中該屏蔽場氧化層之厚度較該閘極氧化層厚；
一終端結構包含：
一溝渠，形成於該第一導電型磊晶層上；
一氧化層，至少位於該溝渠內；
側壁多晶矽層，位在該溝渠側壁之該氧化層上；及
一金屬複合層，覆蓋該些第二導電型半導體區、該多晶矽層、該屏蔽氧化層、及至少該溝渠中的該氧化層及該側壁多晶矽層。 - 如申請專利範圍第1項之具有終端結構之金氧半二極體元件，其中該第一導電型為N型；第二導電型為P型。
- 如申請專利範圍第1項之具有終端結構之金氧半二極體元件，其中該金屬複合層包含一第一金屬層及一第二金屬層。
- 如申請專利範圍第1項之具有終端結構之金氧半二極體元件，其中該第一金屬層為鈦金屬或氮化鈦。
- 如申請專利範圍第1項之具有終端結構之金氧半二極體元件，其中該第二金屬層為鋁。
- 如申請專利範圍第1項之具有終端結構之金氧半二極體元件，其中更包含一場氧化層結構，位於終端結構中的該第一導電型磊晶層上，且在該溝渠外。
- 如申請專利範圍第4項之具有終端結構之金氧半二極體元件，其中在該第一金屬層形成後，再進行一快速氮化製程(Rapid Thermal Nitridation)處理。
- 一種具有終端結構之金氧半二極體元件製法，包含：
(a)提供一基板具有至少一第一導電型磊晶層，該第一導電型磊晶層中具有一溝渠，其中該溝渠一側為該金氧半二極體元件之一元件區域，而該溝渠之另一側為該金氧半二極體元件之一終端區域，其中在該溝渠中至少具有一氧化層；
(b)於所得結構上依序成長一閘極氧化層、一多晶矽層及一屏蔽氧化層；
(c)利用光阻及蝕刻，於該元件區域上形成複數個平台，於平台外側具有淺溝渠區域，及於該溝渠側壁上形成側壁多晶矽層；
(d)於淺溝渠區域中進行離子佈植以形成第二導電型半導體區；及
(e)於該元件區域及該溝渠上形成一金屬複合層。 - 如申請專利範圍第8項之具有終端結構之金氧半二極體元件製法，其中步驟(c)中更包含：
(c1)使用光阻及等向性蝕刻，以移除未被光阻覆蓋之屏蔽氧化層。 - 如申請專利範圍第9項之具有終端結構之金氧半二極體元件製法，其中在步驟(c1)之後更包含：
(c2)使用光阻及對於多晶矽層與氧化層之非等向性蝕刻，以移除未被光阻覆蓋之多晶矽層及閘極氧化層。 - 如申請專利範圍第10項之具有終端結構之金氧半二極製法，其中在步驟(c2)之後更包含：
(c3)使用光阻及對於磊晶矽之非等向性蝕刻，以在第一導電型磊晶層上蝕刻出該淺溝渠區域，以界定該平台。 - 如申請專利範圍第8項之具有終端結構之金氧半二極體元件製法，其中該第一導電型為N型；第二導電型為P型。
- 如申請專利範圍第8項之具有終端結構之金氧半二極體元件製法，其中該金屬複合層包含一第一金屬層及一第二金屬層。
- 如申請專利範圍第13項之具有終端結構之金氧半二極體元件製法，其中該第一金屬層為鈦金屬或氮化鈦，該第二金屬層為鋁。
- 如申請專利範圍第14項之具有終端結構之金氧半二極體元件製法，其中在該第一金屬層形成後，再進行一快速氮化製程(Rapid Thermal Nitridation)處理。
- 如申請專利範圍第8項之具有終端結構之金氧半二極體元件製法，其中該屏蔽場氧化層之厚度較該閘極氧化層厚。
Priority Applications (2)
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|---|---|---|---|
| TW101143404A TWI466302B (zh) | 2012-11-21 | 2012-11-21 | 具有終端結構之金氧半二極體元件及其製法 |
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Applications Claiming Priority (1)
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| TW101143404A TWI466302B (zh) | 2012-11-21 | 2012-11-21 | 具有終端結構之金氧半二極體元件及其製法 |
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| TWI466302B TWI466302B (zh) | 2014-12-21 |
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Family Applications (1)
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|---|---|---|---|
| TW101143404A TWI466302B (zh) | 2012-11-21 | 2012-11-21 | 具有終端結構之金氧半二極體元件及其製法 |
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