TW201515217A

TW201515217A - 橫向雙擴散金氧半導體裝置及其製造方法

Info

Publication number: TW201515217A
Application number: TW102135625A
Authority: TW
Inventors: Tsung-Hsiung Lee; Jui-Chun Chang; Shang-Hui Tu
Original assignee: Vanguard Int Semiconduct Corp
Priority date: 2013-10-02
Filing date: 2013-10-02
Publication date: 2015-04-16
Also published as: TWI511284B

Abstract

一種橫向雙擴散金氧半導體裝置包括：磊晶半導體層，位於一半導體基板上；閘介電層，位於該磊晶半導體層上；閘堆疊物，位於該閘介電層上；第一摻雜區，位於該閘堆疊物之第一側之該磊晶半導體層內；第二摻雜區，位於該閘堆疊物之第二側之該磊晶半導體層內；第三摻雜區，位於該第一摻雜區內；第四摻雜區，位於該第二摻雜區內；絕緣層，覆蓋該第三摻雜區、該閘介電層與該閘堆疊物；導電接觸物，位於絕緣層、該第三摻雜區、該第一摻雜區與該磊晶半導體層之內；以及第五摻雜區，位於該導電接觸物下方之該磊晶半導體層之內。

Description

橫向雙擴散金氧半導體裝置及其製造方法

本發明係關於積體電路裝置，且特別是關於一種橫向雙擴散金氧半導體裝置(Lateral double diffused metal oxide semiconductor device)及其製造方法。

近年來，由於行動通訊裝置、個人通訊裝置等通訊裝置的快速發展，包括如手機、基地台等無線通訊產品已都呈現大幅度的成長。於無線通訊產品當中，常採用橫向雙擴散金氧半導體(LDMOS)裝置之高電壓元件以作為射頻(900MHz-2.4GHz)電路相關之元件。

橫向雙擴散金氧半導體裝置不僅具有高操作頻寬，同時由於可以承受較高崩潰電壓而具有高輸出功率，因而適用於作為無線通訊產品之功率放大器的使用。另外，由於橫向雙擴散金氧半導體(LDMOS)裝置可利用傳統互補型金氧半導體(CMOS)製程技術所形成，故其製作技術方面較為成熟且可採用成本較為便宜之矽基板所製成。

請參照第1圖，顯示了可應用於射頻電路元件中之一種傳統N型橫向雙擴散金氧半導體(N type LDMOS)裝置之一剖面示意圖。如第1圖所示，N型橫向雙擴散金氧半導體裝置主要包括一P+型半導體基板100、形成於P+型半導體基板100上之一P-型磊晶半導體層102、以及形成於P-型磊晶半導體層102之一部上之一閘極結構G。於閘極結構G之下方及其左側下方之P-型磊晶半導體層102之一部內則設置有一P-型摻雜區104，而於閘極結構G之右側下方鄰近於P-型摻雜區104之P-磊晶半導體層102之一部內則設置有一N-型漂移區(drift region)106。於P型摻雜區104之一部內設置有一P+型摻雜區130與一N+型摻雜區110，而P+型摻雜區130部份接觸了N+型摻雜區110之一部，以分別作為此N型橫向雙擴散金氧半導體裝置之一接觸區(P+型摻雜區130)與一源極(N+型摻雜區110)之用，而於鄰近N-型漂移區106右側之P-磊晶半導體層102之一部內則設置有另一N+型摻雜區108，以作為此N型橫向雙擴散金氧半導體裝置之一汲極之用。此外，於閘極結構G之上形成有一絕緣層112，其覆蓋了閘極結構G之側壁與頂面，以及部份覆蓋了鄰近閘極結構G之N+型摻雜區108與110。再者，N型橫向雙擴散金氧半導體裝置更設置有一P+型摻雜區120，其大體位於N+型摻雜區110與其下方P-型摻雜區104之一部下方的P-型磊晶半導體區102之內，此P+型摻雜區120則實體地連結了P-型摻雜區104與P+半導體基板100。

基於P+型摻雜區120的形成，於如第1圖所示之N型橫向雙擴散金氧半導體裝置操作時可使得一電流(未顯示)自其汲極端(N+摻雜區108)橫向地流經閘極結構G下方之通道(未顯示)並朝向源極端(N+摻雜區110)流動，並接著經由P-型摻雜區104與P+摻雜區120的導引而抵達P+型半導體基板100處，如此可避免造成相鄰電路元件之間的電感耦合(inductor coupling) 及串音(cross talk)等不期望問題的發生。然而，此P+摻雜區120的形成需要高濃度、高劑量的離子佈值(未顯示)的實施以及如高於900℃之一較高溫度的熱擴散製程的處理，且閘極結構G與N+摻雜區110之左側之間須保持一既定距離D1，以確保N型橫向雙擴散金氧半導體裝置的表現。如此，上述P+型摻雜區120的製作及閘極結構G與N+摻雜區110之間所保持之既定距離D1將相對地增加了此N型橫向雙擴散金氧半導體裝置之導通電阻(Ron)以及此N型橫向雙擴散金氧半導體裝置之元件尺寸，進而不利於N型橫向雙擴散金氧半導體裝置的製造成本與元件尺寸的更為減少。

有鑑於此，便需要較為改善之一種橫向雙擴散金氧半導體裝置及其製造方法，以產少橫向雙擴散金氧半導體裝置之製造成本與元件尺寸。

依據一實施例，本發明提供了一種橫向雙擴散金氧半導體裝置，包括：一半導體基板，具有一第一導電類型；一磊晶半導體層，位於該半導體基板上，具有該第一導電類型；一閘介電層，具有步階狀之剖面結構，位於該磊晶半導體層上；一閘堆疊物，順應地位於該閘介電層之上；一第一摻雜區，位於該閘堆疊物之一第一側之該磊晶半導體層之一部內，具有該第一導電類型；一第二摻雜區，位於相對該閘堆疊物之該第一側之一第二側之該磊晶半導體層之一部內，具有相反於該第一導電類型之一第二導電類型，其中該第二摻雜區之一部係位於該閘堆疊物與該閘介電層之下；一第三摻雜區，位於該第一摻雜區之一部內，具有該第二導電類型；一第四摻雜區，位於該第二摻雜區之一部內，具有該第二導電類型；一絕緣層，覆蓋該第三摻雜區、該閘介電層與該閘堆疊物；一導電接觸物，位於絕緣層、該第三摻雜區、該第一摻雜區與該磊晶半導體層之一部中；以及一第五摻雜區，位於該導電接觸物下方之該磊晶半導體層之一部內，具有該第一導電類型，其中該第五摻雜區實體接觸該半導體基板與該導電接觸物且環繞該導電接觸物之部份側壁與底面。

依據另一實施例，本發明提供了一種橫向雙擴散金氧半導體裝置之製造方法，包括：提供一半導體基板，具有一第一導電類型；形成一磊晶半導體層於該半導體基板上，具有該第一導電類型；形成一第一摻雜區於該磊晶半導體層之一部內，具有相對於該第一導電類型之一第二導電類型；形成一第一介電層於該磊晶半導體層內之該第一摻雜區之上；形成一第二介電層於該磊晶半導體層之一部上，鄰近該第一介電層並接觸該第一介電層，其中該第一介電層與該第二介電層具有不同厚度；形成一閘堆疊物於該第一介電層之一部上以及該第二介電層之一部上；形成一第二摻雜區於鄰近該閘堆疊物之一第一側之該磊晶半導體層之一部內，具有該第一導電類型；形成一第三摻雜區於該閘堆疊物之該第一側之該第二摻雜區之一部內，具有相反於該第一導電類型之一第二導電類型；形成一絕緣層於該第一介電層、該閘堆疊物、與該第二介電層上；形成一第一溝槽於該閘堆疊物之該第一側內，其中該第一溝槽穿透了該絕緣層、該第二介電層、該第三摻雜區、該第一摻雜區及該磊晶半導體層之一部；施行一第一離子佈值製程，於為該第一溝槽所露出之該磊晶半導體層之一部內形成一第四摻雜區，其中該第四摻雜區接觸該半導體基板且具有該第一導電類型；形成一第一導電接觸物於該第一溝槽內並接觸該第四摻雜區；形成一層間介電層於該絕緣層與該第一導電接觸物之上；形成一第二溝槽於相對於該閘堆疊物之該第一側之一第二側，其中該第二溝槽穿透了該層間介電層、該絕緣層與該第二介電層之一部，以露出該第一摻雜區之一部；施行一第二離子佈值製程，於為該第二溝槽所露出之該第一摻雜區之一部內形成一第五摻雜區，其中該第五摻雜區具有該第二導電類型；以及形成一第二導電接觸物於該第二溝槽內並接觸該第五摻雜區。

為讓本發明之上述目的、特徵及優點能更明顯易懂，下文特舉一較佳實施例，並配合所附的圖式，作詳細說明如下。

100‧‧‧半導體基板

102‧‧‧P-型磊晶半導體層

104‧‧‧P-型摻雜區

106‧‧‧N-型漂移區

108‧‧‧N+型摻雜區

110‧‧‧N+型摻雜區

112‧‧‧絕緣層

120‧‧‧P+型摻雜區

200‧‧‧半導體基板

202‧‧‧磊晶半導體層

204‧‧‧墊氧化物層

206‧‧‧墊氮化物層

208‧‧‧開口

210‧‧‧離子佈值製程

212‧‧‧摻雜區

214‧‧‧介電層

216‧‧‧介電層

218‧‧‧導電層

220‧‧‧罩幕層

222‧‧‧開口

224‧‧‧摻雜區

226‧‧‧間隔物

228‧‧‧開口

230‧‧‧摻雜區

232‧‧‧絕緣層

234‧‧‧溝槽

236‧‧‧離子佈植製程

238‧‧‧摻雜區

240‧‧‧導電層

242‧‧‧導電層

244‧‧‧層間介電層

246‧‧‧溝槽

248‧‧‧摻雜區

250‧‧‧導電層

252‧‧‧導電層

G‧‧‧閘極結構

G’‧‧‧閘堆疊物

H‧‧‧深度

D1‧‧‧距離

D2‧‧‧距離

第1圖為一剖面示意圖，顯示了習知之一種橫向雙擴散金氧半導體裝置。

第2-8圖為一系列剖面示意圖，顯示了為依據本發明之一實施例之一種橫向雙擴散金氧半導體裝置之製造方法。

第9圖為一剖面示意圖，顯示了為依據本發明之一實施例之一種橫向雙擴散金氧半導體裝置。

請參照第2-8圖之剖面示意圖，顯示了為依據本發明之一實施例之適用於射頻電路元件之一種橫向雙擴散金氧半導體裝置之製造方法。

請參照第2圖，首先提供如矽基板之一半導體基板200。於一實施例中，半導體基板200具有如P型導電類型之一第一導電類型以及介於0.001歐姆-公分(Ω-cm)-0.005歐姆-公分(Ω-cm)之電阻率(resistivity)。接著形成一磊晶半導體層202於半導體基板200之上，磊晶半導體層202包括如矽之磊晶材料。磊晶半導體層202具有如P型導電特性之第一導電類型摻質以及約介於0.5歐姆-公分(Ω-cm)-1歐姆-公分(Ω-cm)之電阻率。於一實施例中，磊晶半導體層202之電阻率係高於半導體基板200之電阻率。

請參照第3圖，接著於磊晶半導體層202上依序形成一墊氧化物(pad oxide)層204與一墊氮化物(pad nitride)層206。墊氧化物層204包括如二氧化矽之材料，而墊氮化物層206則包括如氮化矽之材料。接著，施行包括微影與蝕刻之一圖案化製程(未顯示)，以於墊氮化物層206之一部內形成一開口208，而開口208則露出了位於下方之墊氧化物層204之一部。接著，採用墊氮化物層206作為離子佈值罩幕以施行一離子佈值製程210，於為開口208所露出之區域內佈值具有如N型導電特性之一第二導電類型之摻質離子並使之穿透為開口208所露出之墊氧化物層206部分，以進入了磊晶半導體層202之一部內。

請參照第4圖，於施行離子佈值製程210(參見第3 圖)後，於磊晶半導體層202之一部內便形成了一摻雜區212，其具有相反於磊晶半導體層202之第一導電類型之第二導電類型以及介於5x10¹¹原子/平方公分-5x10¹³原子/平方公分之摻質濃度。在此，摻雜區212係作為一漂移區(drift-region)之用。接著，施行一蝕刻製程(未顯示)，例如為一乾蝕刻製程，並採用墊氮化物層206作為一蝕刻罩幕，以蝕刻去除為開口208所露出墊氧化物層204之部分，進而露出了位於磊晶半導體層202內之摻雜區212之一頂面。接著，施行一沉積製程(未顯示)，以於開口208所露出之磊晶半導體層202上形成一介電層214。在此，介電層214之頂面略高於與墊氮化物層206之頂面。然而，介電層214之頂面亦可略低於或等高於與墊氮化物層206之頂面。於一實施例中，介電層214可包括如二氧化矽之材質，且可藉由如熱氧化法之一沉積製程所形成。

請參照第5圖，接著施行一蝕刻製程(未顯示)，採用介電層214作為蝕刻罩幕，依序去除磊晶半導體層202上之墊氮化物層206與墊氧化物層204，進而於磊晶半導體層202上留下介電層214並露出磊晶半導體層202之其他部分的頂面。在此，於去除墊氧化物層204時，亦可能部分地去除了介電層214之一部。接著，施行一沉積製程(未顯示)，以形成另一介電層216於未為介電層214所覆蓋之磊晶半導體層202的頂面上。且於形成介電層216之沉積製程中，亦可於介電層214之表面上更形成介電材料(未顯示)，進而增大了介電層214之厚度。於一實施例中，介電層216可包括相同於介電層214之介電材料，例如為二氧化矽，且可藉由如熱氧化法之一沉積製程所形成。

請參照第6圖，接著依序於介電層214以及介電層216之表面上坦覆且順應地形成一導電層218以及一罩幕層220，並藉由包括微影與蝕刻之一圖案化製程(未顯示)的施行，將所形成之導電層218與罩幕層220圖案化成為相分隔之數個圖案化之導電層218與罩幕層220，且此些相分隔之數個圖案化之導電層218與罩幕層220在此分別繪示為一閘堆疊物G’。於一實施例中，導電層218包括如經摻雜多晶矽之導電材料，而罩幕層220則包括如二氧化矽或氮化矽之罩幕材料。另外，於此些閘堆疊物G’之間則形成有相分隔之數個開口222(在此顯示為相分隔之兩個開口222)。如第6圖所示，此些開口222分別露出了介電層216之一部以及介電層214之一部，而此些閘堆疊物G’之一則部分地跨越了相鄰近介電層214與介電層216之一部。跨越了相鄰近介電層214與介電層216之一部之此閘堆疊物G’內之導電層218係作為一閘電極層之用，而為之所覆蓋之介電層214與介電層216之一部則作為一閘介電層之用，且此閘介電層具有步階狀(step-shaped)之剖面結構。接著，施行一離子佈值製程(未顯示)，採用圖案化之導電層218、罩幕層220及介電層214作為一離子佈值罩幕，佈值具有如P型導電類型之一第一導電類型之摻質，並使之穿透為此些開口222之一所露出之介電層216而進入磊晶半導體層202內以形成一摻雜區224。在此，摻雜區224具有如P型導電類型之一第一導電類型以及介於1x10¹³原子/平方公分-5x10¹⁴原子/平方公分之摻質濃度。接著，順應地沉積一層介電材料並且接著施行一回蝕刻製程(etch-back process，皆未顯示)，以於各開口222內鄰近閘堆疊物G’之側壁上形成一間隔物(spacer)226。間隔物226的形成將原先各開口222縮小成為另一開口228。接著，施行一離子佈值製程(未顯示)並採用間隔物226、閘堆疊物G’及介電層214作為離子佈值罩幕，佈值具有如N型導電類型之第二導電類型之摻質，並使之穿透為此些開口222之一所露出之介電層216，進而於摻雜區224之一部內形成一摻雜區230。在此，摻雜區230係作為一源極/汲極區之用，且摻雜區230之底面與側面係為摻雜區224所包覆，而摻雜區224具有如N型導電類型之第二導電類型以及介於1x10¹⁵原子/平方公分-5x10¹⁵原子/平方公分之摻質濃度。

請參照第7圖，接著順應地沉積一絕緣層232於基板200之上，以覆蓋閘堆疊物G’、間隔物226、介電層216與介電層214的表面。絕緣層232包括如二氧化矽之絕緣材料，且可藉由如化學汽相沉積(CVD)之製程所形成。接著藉由包括微影與蝕刻之一圖案化製程(未顯示)的實施，以形成一溝槽234。如第7圖所示，溝槽234具有一深度H(距磊晶半導體層202之頂面)以穿透摻雜區224與摻雜區230之一部以及其上之絕緣層232及其下之磊晶半導體層202之一部。接著施行一離子佈植製程236，並採用絕緣層232作為離子佈值罩幕，以佈值具有如P型導電類型之第一導電類型之摻質至為溝槽234所露出之磊晶半導體層202之一部內，並於其內形成一摻雜區238。於一熱擴散製程(未顯示)實施之後，摻雜區238實體接觸了半導體基板200並包覆了溝槽234之底面以及部分之下方側壁。在此，摻雜區238具有如P型導電類型之第一導電類型以及介於1x10¹⁵原子/ 平方公分-5x10¹⁵原子/平方公分之摻質濃度，摻雜區238內的摻質濃度係高於磊晶半導體層202內之摻質濃度。

請參照第8圖，接著依序沉積一導電層240與另一導電層242於如第7圖所示之結構上，其中導電層240順應地形成於絕緣層232之表面上以及為溝槽234所露出之磊晶半導體層202之底面與側壁之上，而導電層242則形成於第一金屬層240之表面上並填滿了溝槽234。於一實施例中，導電層240包括如鈦-氮化鈦合金(Ti-TiN)之導電材料，而導電層242則包括如如鎢之導電材料。接著施行一蝕刻製程(未顯示)，去除高於絕緣層232之頂面上之導電層240與導電層242之部分，進而於溝槽234內留下導電層240與導電層242，以作為一導電接觸物之用。接著坦覆地沉積一層間介電層244，以覆蓋絕緣層232以及導電層240與導電層242之頂面。層間介電層244可包括如二氧化矽、旋塗玻璃(SOG)之介電材料，且可經過平坦化而具有一平坦表面。接著藉由包括微影與蝕刻製程之一圖案化製程(未顯示)的實施，於擴散區212之一部之上的介電層214、絕緣層232與層間介電層244內形成一溝槽246，且溝槽246露出了擴散區212之一部。接著，施行一離子佈值製程(未顯示)，並採用適當佈值遮罩的應用，佈值具有如N型導電類型之第二導電類型之摻質，進而於摻雜區212之一部內形成一摻雜區248。在此，摻雜區248係作為一源極/汲極區之用，且摻雜區248之底面與側面係為摻雜區212所包覆，而摻雜區248具有如N型導電類型之第二導電類型以及介於1x10¹⁵原子/平方公分-5x10¹⁵原子/平方公分之摻質濃度。接著依序沉積一導電層250與一導電層252，其中導電層250係順應地形成於層間介電層244之表面上以及為溝槽246所露出之側壁上，而導電層252則形成於導電層250之表面上並填滿了溝槽246，形成於溝槽246內之導電層250與導電層252之部分係作為一導電接觸物之用。如此，如第8圖所示，依據本發明一實施例之橫向雙擴散金氧半導體裝置便大體完成。

另外，請參照第9圖，顯示了依據本發明之另一實施例之橫向雙擴散金氧半導體裝置。如第9圖所示之橫向雙擴散金氧半導體裝置大體相似於第8圖之橫向雙擴散金氧半導體裝置，且其製作係大體參照如第1-8圖所示之製程所形成，在此僅將於第8圖中所示之去除導電層240與導電層242之蝕刻製程替換為施行包括微影與蝕刻之一圖案化製程，進而使得導電層240與導電層242係經過圖案化而仍部分殘留於絕緣層232之上。

於一實施例中，如第8-9圖所示之橫向雙擴散金氧半導體裝置中之閘堆疊物G’之一以及摻雜區230與248係經過適當電性連結，而其所包括之第一導電類型之多個區域係為P型區域，而第二導電類型之多個區域係為N型區域，因此所形成之橫向雙擴散金氧半導體裝置係為一N型橫向雙擴散金氧半導體裝置，而摻雜區230此時係作為一源極區，而摻雜區248此時係作為一汲極區之用。於此實施例中，於第8-9圖所示之橫向雙擴散金氧半導體裝置之操作時，可使得一電流(未顯示)自其汲極端(摻雜區248)橫向地流經位於摻雜區230與248之間之閘堆疊物G’之下方通道(未顯示)並朝向源極端(摻雜區230)流動之後，接著為摻雜區224、導電層240與242以及摻雜區238的導引而抵達半導體基板200處，藉以避免造成鄰近電路元件之間的電感耦合(inductor coupling)及串音(cross talk)等不期望問題的發生。於此實施例中，藉由形成於溝槽234(見於第7圖)內之導電層240與242以及埋設於磊晶半導體層202內並接觸半導體基板200之擴散區238的形成，便可免除採用高濃度、高劑量的離子佈值以形成如第1圖所示之P+摻雜區120，且亦可使得作為閘極結構之閘堆疊物G’與溝槽234右側之摻雜區230之一部保持一既定距離D2，其係少於如第1圖所示之既定距離D1。如此，相較於第1圖所示之N型橫向雙擴散金氧半導體裝置，如第8-9圖所示之橫向雙擴散金氧半導體裝置於作為N型橫向雙擴散金氧半導體裝置之實施例中便有利於降低N型橫向雙擴散金氧半導體裝置的製造成本與元件尺寸，且擴散區238及導電層240與242的形成亦有助於降低N型橫向雙擴散金氧半導體裝置之導通電阻(Ron)。另外，如第8-9圖所示之橫向雙擴散金氧半導體裝置中為位於摻雜區230與248之間之閘堆疊物G’所覆蓋之介電層216與介電層214之一部(即閘介電層)因具有步階狀(step)之剖面結構，因此便可降低如第8-9圖所示之橫向雙擴散金氧半導體裝置內之元件寄生電容以及提升其崩潰電壓表現。

另外，於另一實施例中，如第8-9圖所示之橫向雙擴散金氧半導體裝置中所包括之第一導電類型之多個區域係為N型區域，而第二導電類型之多個區域係為P型區域，因此所形成之橫向雙擴散金氧半導體裝置係為一P型橫向雙擴散金氧半導體裝置。

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，任何熟習此項技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作更動與潤飾，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。