TW452890B - MOS-gated device having a buried gate and process for forming same - Google Patents

MOS-gated device having a buried gate and process for forming same Download PDF

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Description

452890 經濟部智慧財產局員工消費合作社印*1衣 A7 B7____ 五、發明說明（1 ) 本發明是有關於半導體裝置，特別是有關一種金屬半導 體閘控裝置及其形成製法。 包含一閘溝結構之金氧半導體電晶體比一平面電晶體提 供了高電流，低電壓切換應用等重大好處。在後者的結構 中’在高電流時會產生壓縮，對於設計操作在此條件下的 電晶體而言，會產生相當程度的限制， 一個汲極金氧半導體裝置的閘溝通常包含一條由源極延 伸到汲極的渠溝’並且有側壁及一底板，皆鄰接著一層熱 成長二氧化矽。此鄰接的渠溝填充有摻雜的多晶矽。此閘 溝結構允許較少的壓縮電流，所以提供了較低的特定通電 電阻値（on-resistance)。此外，此閘溝減少了在金氧半導體 通道中’沿著渠溝的垂直側壁由源極底端經過電晶體的體 極延伸到下面的汲極的胞元間隔。通道密度因而增加，並 減少了通道之通電電阻。關於閘溝汲極金氧半導體的結構 與效能在Bulucea及Rossen所著"高電流ι〇〇(安培範圍）開關 之閘溝式汲極金氧半導體電晶體技術"，固態·^子學， 1^1，Vol.34, No.5, pp493- 507中有提及，在此提出來作爲參 考。除用在设極金氧半導體裝置之外，閘溝也有效的使用 在絕緣閘雙極性電晶體（IGBTs) ’金氧半導體控制閘流體 (MCTs)，及其他金氧半導體閘控裝置。 圖1以圖示描述了先前技藝閘溝金氧半導體閘控裝置】〇〇 的橫剖面》雖然圖1中顯示只有一個金氧半導體場效電晶 體，但目前通常在工業上所使用的裝置包含了金氧半導體 場效電晶體的陣列，並以不同的網狀或條紋狀的排列方式 4 - 本紙張尺度適用尹國國家標準（CNS)A4規格（210* 297公笼） -r---:---- ^------；--訂---------線· (請先閲請背面之注意事項再填寫本頁) 4528 9 A7 Β7 五、發明說明（2 ) 佈置。 裝置100包含一個捧雜的基底丨〇1(表示爲N+)，其上長有 —摻雜磊晶層102。磊晶層1〇2包含汲極區丨〇3，大量接雜 (P+)體極區104’及1>-井105。緊鄰著磊晶層1〇3中體極區的 是大量摻雜的（N+)源極區106，而源極區是由擁有介電質側 壁108及底板1〇9的閘溝107所隔離。閘溝1〇7大致上填滿了 閘極半導體材料丨10 s由於在裝置1〇〇中源極區1〇6及閘極半 導體材料Π0必須是電氣絕緣才能作用，因而被覆蓋上— 層介電質丨11。接觸開口 112使金屬113能與體極區1〇4及源 極區106接觸。 接觸開口] 12形成於絕緣層1丨丨中，此層通常是經由傳統 光罩/蚀刻技術所構成之氧化物沉積層。裝置1 〇〇的大小視 絕緣所需之介電質最小厚度（源極區1〇6與閘溝1〇7間之側面 距離）以及對光罩/蝕刻製程的容許程度而定。絕緣層】u的 厚度是由最小所需電壓隔絕以及使得影響裝置交換速度與 交換損耗之源極到閘極電容値爲最小的需求來決定。交換 損耗直接正比於電容値，而此電容値反比於介電質厚度^ 因此’在先前技藝裝置1〇〇中絕緣層U 1的厚度最小値通常 約爲 0,5-0.8 μηι 。 如同剛才所提到的’絕緣層111的最小厚度限制了裝置 100的最小尺寸。我們希望能減少尺寸並增進半導體元件 的效能。本發明提供了這些優點。 本發明包含一種閘溝式金氧半導體閘控裝置，其中包含 捧4單晶半導體材料的基底，該基底上鋪有一層摻雜上層 _ -5- 本纸張尺度適用中國國家標準（CNS)A4 <靖先閱讀背面之iit事項再填寫本頁> %.1—1111 — Αδτ- I ) ( ----I . 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 規格（210 X 297公釐） 4528 9 Ο 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 Α7 五、發明說明（3 ) ’該上層有一上表面且在該上表面上有複數個具第一極性 的大量摻雜的體極區，在該上層中體極區覆蓋著汲極區， 邊上層之上表面上另含有複數個具第二極性的大量掺雜的 源極區，並由該上表面延伸到該上層内達—選擇的深度， 閘溝將該等源極區之一與第二個源極區分隔開，該閘溝自 上層的上表面延伸到汲極區，該閘溝具有包含—絕緣材料 層的一底板及側壁，該閘溝係以一導電閘極材料填充至一 選擇的高度，大致上是在上層的上表面以下，並在該閘極 材料上覆蓋一層絕緣材料隔離層，該閘溝中的絕緣材料隔 離層有一上表面與該上層的上表面大致上爲共平面，其中 基底包括單晶矽’而上層包括一層磊晶層。 本發明也包含了閘溝式金氧半導體閘控裝置的製程，該 製程包括： ⑷在-半導體基底上形成—摻雜上層，該上層有一上表 面及一位於下方的汲極區； ⑻在忒上層中形成一個具第—極性的井區，該井區覆 蓋在汲極區上： (0在該上層的上表面上形成—閘溝遮罩： (d)形成複數個閘溝，由哕卜 再田μ上層的上表面經過該井區而 延伸到汲極區； ⑷在每個閉溝中形成含有絕緣材料的側壁及底板； ⑺以-導電性間極材料填充每個閉溝到大致上在該上層 的上表面下方之一選擇的高度； (g)將該閘溝遮罩從上層的上表面移開； _______ -6- 本纸張尺度適财酬家標準（CNb)A4規格⑵Q ------------ III]-------- 衣：--,------訂 --------線 _ (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁} 452890 經 濟 部 智 慧 財 產 局 員 工 消 費 合 作 社 印 製 A7 Β7 五、發明說明（4 ) (h)在開溝内及該上層的上表面上形成一絕緣材料的隔 離層’ 1¾絕緣層覆蓋著該閘極材料並塡充閘溝； ⑴將該絕緣層從上層的上表面移開，殘留在裡面且實質 上填充孩閘溝的絕緣層具有—上表面，與上層的上表面大 致上共平面； G)在該等體極區形成複數個有第二極性、大量摻雜的源極 區，眾等源極區從上層的上表面延伸到—個選擇的深度； (k) 在菽上層的上表面上形成複數個具有第—極性、大量 捧雜的體極區’該等體極區覆蓋在上層的汲極區上；並且 (l) 在孩上層的上表面上的體極區與源極區形成一金屬接 觸： (m) β基底最好是包含單晶矽，而該上層最好包含一磊 晶層。 概& (，本發明是有關在一包含一層摻雜上層的單晶半 導體基底上形成一閘溝式金氧半導體閘控裝置。此摻雜上 層，在其上表面上包含有複數個具有第一極性並覆蓋著井 區及汲極區的大量摻雜的體極區。此上層在它的上表面上 另包含複數個與體極區之極性相反的第二極性的大量摻雜 的源極區，忒等源極區延伸到上層的—個選擇的深度。 ----- I-------^--------訂---------線· (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 閘4攸上層的上表面經由井區延伸到汲極區，並將第一 個源極區與第二個源極區分開。此閘溝有一底板及側壁， 皆包括-絕緣材料層，$溝並含有導電閘極材料填滿到— 個選擇的高度’以及一層絕緣材料的隔離層覆蓋著閘極材 料並填充閘溝。料中絕緣村料覆蓋層的上表面因而實質
528 £ 4 A7 B7 五、發明說明（5 上與上層的上表面共平面。 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 本發明另項優點在於提供-種形成高密度、自動對齊的 問溝式金氧半導體問控裝置的製法。在一基底上形成一層 含有一上表面及一位於下方之汲極區的摻雜上層，並且在 汲極區上的上層中形成一具有第—極性的井區。在上層的 上表面上形成一個閘溝遮罩，且在上層中由上表面經過井 區延伸到汲極區蝕刻了複數個閘溝。 在每個填滿導電閘極材料到一選擇高度的閘溝内，形成 包含絕緣材料的側壁及底板。移開閘溝遮罩，在上層的最 高的表面上及閘溝内形成一層絕緣材料的隔離層，在該閘 溝處此隔離層覆蓋閘極材料且實質上填充該閘溝。將絕緣 層由上層的最高的表面上移除；殘留在閘溝中的絕緣層含 有一個與上層的上表面實質上共平面的上表面。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 在上層的上表面上形成複數個具有第一極性的大量掺雜 的體極區3在上表面形成一個源極遮罩，並在體極區内形 成延伸至上層内達一選擇的深度的複數個具有一第二極性 的大量接雜的源極區。在移除源極遮罩後，在上潛的上表 面上形成與該體極區與源極區相連的金屬接觸。 本發明將透過實施例加上參考所附圖示來加以説明： 圖1圖示説明先前技藝的閘溝式金氧半導體閘控裝置1〇〇 的剖面圖。 圖2是本發明的閘溝式金氧半導體閘控裝置200的剖面圖 ;圖2A- D説明了裝置200的形成製法。
圖3A及3B圖示説明根據本發明的另一個裝置3〇〇 ;圖3C -8 - 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 x 297公釐） ^ b28 9 i 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明說明（6 ) 是裝置300的平面示意圖。 閘溝式金氧半導體閘控裝置’省除了閘極-源極絕緣隔 離所需表面區域’可以使得裝置的大小充分的減小。同時 也可避免在絕緣層中形成接觸開口的遮罩程序；閘溝因此 能自動對齊。 圖2描述一個改良的閘溝式金氧半導體閘控裝置2〇〇 s裝 置200包括一個上面設有一層磊晶摻雜上層2〇2的n+摻雜基 底201。磊晶層202包含汲極區203，大量接雜的p+體極區 204 ’以及P-井區205。磊晶層203中鄰接體極區204的是大 量挣雜的N+源極區206，而兩源極區是由含有絕緣側壁2〇g 與底板209的閘溝2〇7分隔開。在閘溝2〇7内含有一閘極材料 210’填充至某個選擇的南度2Π’以及一層覆蓋絕緣層212 °閘極材丨__1〇的選擇高度211大約與N +源極區206的選擇 深度216^_面，因此使得源極區206與閘極材料210間產生 重疊。緣層212的表面213與磊晶層2〇2的表面214大 致上共平#。不需要作遮罩程序來形成接觸開口就能使沉 積之金屬層21 5接觸到體極區204以及源極區206。 因閘極材料210隱藏於閘溝207内以便容納足夠厚度的絕 緣層212來提供閘極的隔離’形成ν+源極區206的擴散必須 夠深以確保和閘極材料210重疊。雖然在裝置2〇〇中顯示源 極區206爲Ν極性以及體極區204爲Ρ極性，但由圖2中可了 解這些區域的極性是可以互換的。 圖2Α- D圖示説明裝置2〇〇的形成製法。如圖2Α所示，在 一個可以是單晶矽摻雜的半導體體極2〇1上，形成—層包 9- 本紙張文度適用中國國家標準<CNS)A4規格（210 X 297公爱） --------Ϊ J ----农---·---；--訂---------線· (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 4 528^ A7 B7 經濟部智慧財產局員工消費合作杜印製 五、發明說明（7 含及極區203的掺雜上層202。上層202可以是磊晶成長矽或 是對較低電壓裝置（ca 12V)而言，基底201的大量摻雜部分 。透過摻雜到上層表面214，在層202中形成P井區205。在 表面214上形成一閘溝遮罩TM圖版以界定出閘溝，而且在 上層202中，對由p井區205延伸到汲極區203的閘溝207予以 蚀刻。在閘溝207中形成最好包含由沉積或長晶所生成之 二氧化矽的閘溝絕緣侧壁208及底板209，然後在閘溝207中 填充一導電性閘極材料210至一選擇的深度211，這材料可 以是，例如，金屬，矽化物，或是摻雜的多晶矽。 參照圖2B ’在移除閘溝遮罩TM後，藉由絕緣隔離層212 的形成冗成閘溝207的塡充，此絕緣層212可以是二氧化石夕 ’覆蓋在閘溝207中的閉極材料210以及表面214上。不需要 從閘溝207中移除絕緣材料212，便可執行一平面電介質的 蝕刻以對表面214重新曝光。閘溝207中絕緣層212的表面 2Π因而與上層2〇2的上表面2丨4大致上共平面。然而，爲了 增加源極接觸與改良裝置通電電阻特性，最好能將表面 213蝕刻至稍稍在表面214下方。 又如圖2B所示，以離子植入在上層2〇2中形成^^源椏區 206並擴散至大約與絕緣材料21〇的選擇高度21丨共平面的選 擇深度216，並因此在閘極材料21 〇與源極區2〇6之間提供重 疊。 參照圖2C，在表面214上形成一個體極遮罩M ,並藉由 對上層202的進一步摻雜形成P+體極區2〇4。在移除體極遮 罩Μ後，接著沉積金屬215以提供與體極區2〇4和源極區2〇6 —-------- ^ --------訂·---------, (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)
經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 5289 0 A7 ___B7 __ 五、發明說明（8 ) 的接觸’如圖2D所示，完成了裝置200的形成。在基底的 另一邊可沉積金屬（未顯示出）以提供和汲極區203的接觸。 雖然在剛剛所描述的製程中，在體極區204形成前先形成 源極區206，但這個次序並不是那麼的重要，而且所敘述 的遮罩程序可因方便起見而有所不同。 本發明裝置中的閘溝207可以是開放式胞元條纹狀拓樸 或是封閉式胞元蜂巢狀拓樸。此外，在封閉式胞元蜂巢狀 祐樸中’閘溝可以是方形，或是更好的六邊形。雖然裝置 200，如圖2所示，是一個功率金氧半導體場效電晶體，本 發明也適用於構成其他金氧半導體閘控裝置如絕緣閘極雙 極性電晶體（IGBT) ’金氧半導體控制閘流體，以及累積式 場效電晶體（ACCUFET)。 圖3Α- C描述本發明的另一實施例。裝置3〇〇包含一摻雜 的Ν+基底301，在其上設有一摻雜上層3〇2。上層3〇2包含汲 極區jOj及Ρ井305。如圖3Α所示，在層302中形成Ρ+體極區 304且此區由一閘溝307分隔開。同樣地，如圖3B所示，以 離子植入形成N+源極區3 06，並擴散到上層3 〇2中之選擇之 水度〇 16，且同樣也由閘溝3〇7分隔開。閘溝3〇7含有絕緣側 壁308以及一底板309,並包含填充至—選擇高度3n的導電 閘極材料310,以及一覆蓋的絕緣層312。閘絕緣層312的表 面313與上層302的表面314大致上共平面^在表面314上沉 積金屬層315以便接觸體極區304和源極區3〇6。 如圖3C所示，裝置300包括複數個交替的p+體極區3〇4與 N+源極區306的陣列317。每個陣列317緊鄰接一閘溝川7， _ -11 - 本紙張（度適用中_家標準（CNS)A4規格⑽·χ 297公1------ — — — — — —--' 1 i I — ^ I I I I I I I ----I----* (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁}
4 528 9 L A7 B7 五、發明說明（9 ) 並與第二個陣列317由閘溝307分隔開。另外，如圖3C所示 ’閘溝307旁邊的陣列317的縱向維度中，源極區306佔較大 部分’體極區304佔較小的部份。 在裝置300的構成中，絕緣層312平面化以重新曝光表面 314後’藉由摻雜’在上層3〇2中形成p+體極區。在表面314 上形成一個橫越閘溝3〇7的非關鍵源極遮罩（未顯示出），並 且由離子植入與擴散形成源極區306。陣列317中體極區304 與源極區306的排列由閘溝307分隔開，如圖3A-C裝置300的 圖示説明’更進—步的顯示出裝置尺寸減小的優點。 一種改良的閘溝式金氧半導體閘控裝置，包含一個上面 設有一推雜上層的單晶半導體基底。此上層之上表面上包 含複數個具有第一極性並覆蓋著汲極區的大量摻雜的體極 區。此上層在它的上表面上另包含複數個與體極區之極性 相反的第二極性的大量摻雜的源極區。閘溝由上層的上表 面延伸到设極區並將兩個源極區分隔開。此閘溝有一底板 及侧壁，皆包含一層絕緣材料，閘溝並含有—塡充至一選 擇向度的導電閘極材料，以及一絕緣材料隔離層，覆蓋閘 極材料並實質上塡滿閘溝。閘溝中絕緣材料覆蓋層的上表 面因而大致上和上層的上表面共平面。一種改良的閘溝式 金氧丰導體閘控裝置的形成製法，提供—種閘溝中填充了 導電閘極材料到一選擇高度的裝置，在閘極上形成—層上 表面與裝置上層的上表面大致上共平面的隔離絕緣層。 -12- 遇用中®國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) •衣·-------訂---------線. 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製

Claims (1)

  1. 452891 A8 68 C8 D8 ______-^ 六、申請專利範圍 ------：---Α— t请先閱讀背面之注意事項存填寫本頁) 1. 一種改良的閘溝式金氧半導體閘控装置，包含一個含 有摻雜的單晶半導體材料的基底，在該基底上設有一 層摻雜的上層，該上層有一上表面且在該上表面上包 含複數個具有第一極性的大量摻雜的體極區，在該上 潛中體極區覆蓋著一汲極區，該上層的上表面上更包 含了複數個具有第二極性的大量摻雜的源極區，益由 該上表面延伸到上層内達一個選擇的深度，一閘溝將 該等源極區與第二個源極區分隔開，該閘溝由上層的 上表面延伸到汲極區，該閘溝具有包含一層絕緣層的 —底板及側壁，該閘溝以一導電閘極村料填充至一選 擇高度’該高度大致上在上層的上表面下方，且填充 一覆蓋該閘極材料上之一層絕緣材料隔離層，在該閘 溝中的絕緣材料覆蓋層有一個上表面與該上層的上表 面大致上共平面，其中基底包含單晶矽，且上層包含 了 一層蟲晶層。 2 ·如申請專利範園第1項之裝置，其中該上層包含一個具 第一極性的井區，該井區位於該體極區與源極區下方 並覆蓋著該ί及極區，其中之一該源極區係介於及緊鄰 著其中之一該源極區與閘溝之間，且最好是其中之一 該源極區係介於及緊鄰於兩個閘溝之間。 3 .如申請專利範圍第1項之裝置，該複數個體極區與該複 數個源極區包含複數個體極區與源極區交錯的陣列， 每個陣列皆緊鄰著一閘溝，且其中之一陣列由該閘溝 ^__ -13~ _ _ — 不紙張尺度適用中國國家標準（CNS > Λ4規格（210X297公釐） 六、申請專利範圍 將其與第二個陣列分隔開，且每一個該體極區與源極 區交錯的陣列在沿著該閘溝具有一縱向維度，該縱向 維度中，源極區佔較大部分而體極區佔較小部份。 4 如申請專利範圍第j項之裝置，其中在閘溝中閘極材料 的選擇咼度與上層中源極區的選擇深度大致上共平面 ，在其中该閘溝中形成側壁，底板，以及隔離層的該 絕緣材料包含二氧化矽。 5 .如申請專利範圍第4項之裝置，其中在該閘溝中之導電 閘極材料是由金屬，矽化物，以及摻雜的多晶矽的群 组中所選出，且該第一極化是p ,第二極化是N，或者 孩第一極化是N ’而第二極化是p。 6 .如申請專利範園第丨項之裝置，包含複數個有開放式胞 元條紋狀拓樸的閘溝，或是複數個具封閉式胞元蜂巢 狀拓樸的問溝，且其中在該封閉式胞元蜂巢狀拓樸中 之胞元是方形或是六邊形。 7. —種改良的閘溝式金氧半導體閘控裝置的形成方法， 該方法包含： 經濟部智达时產局員工消費合作社印製 (a) 在一半導體基底上形成—摻雜上層，該上層有一 上表面及一位於下方的汲極區； (b) 在該上層中形成一個具第—極性的井區，該井區 覆蓋在没極區上； (c) 在該上層的上表面上形成—閘溝遮罩； (d) 形成複數個閘溝，由該上層的上表面經過該井區 _-14-__ 本帙張尺度適用中國國家橾牟ΐ CNS ) A4規格（210X297公釐) ----- 4 528 9 Ο Α8 88 C8 ____D8 申請專利範圍 ~ -— 而延伸到沒極區； (e) 在每個該閘溝中形成含有絕緣材料的側壁及底板； (f) 以一導電性閘極材料填充每個閘溝到大致上在令 上層的上表面方下之一選擇的高度； (g) 將該閘溝遮罩由該上層的上表面移開； (h) 在問溝内及該上層的上表面上形成一絕緣材料的 隔離層’該絕緣層覆蓋著該閘極材料並填充閉溝； (i) 將該絕緣層從上層的上表面移開，殘留在裡面且 實質上填充該閘溝的絕緣層具有一上表面，與上層的 上表面大致上共平面； (j) 在该等體極區形成複數個具第二極性、大量接雜 的源極區，該等源極區從上層的上表面延伸到一選擇 的深度； (k) 在該上層的上表面上形成複數個具有第一極性、 大量摻雜的體極區，該等體極區覆蓋在上層的汲極區 上；並且 (l) 在該上層的上表面上的體極區與源極區形成—金 屬接觸； (m) 該基底最好是包含單晶矽’且該上層最好包含一磊 晶層" 8 .如申請專利範圍第7項之方法，在該上層中包含基底的 大量摻雜部分，其中之一該源極區係介於及緊鄰其中 之一該源極區與一閘溝之間。 ，15- 本A張尺度遠用中国國家標準（CNS ) A4規格（210X297公' ' (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁〕 政* 丨訂 經濟部智慧时4局貝工消費合作社印製 452890 ABCD 六、申請專利範圍 9.如申請專利範圍第8項之方法，其中之一該源極區係介 於及緊鄰於兩問溝之間，而該形成井區之步驟包含摻 雜該上層。 10-如申請專利範圍第9項之方法，該形成大量摻雜的體極 區〈步驟包含進-步摻雜該上層之步驟，且該形成大 量挣雜的源極區之步驟包含遮軍的離子植入與擴散之 步報’其巾料的離子植人與擴散之步驟係達到在該 摻雜層中-選擇之深度，該深度大致上與填滿該間溝 的閘極材料之填充高度共平面。 Π·如申請專利範固第7,之方法，其中形成該源極區與體 極區之步驟包含： 植入坂第二極性的離予到基底的整個上表面，然後在 孩基底的上表面上形成一個體極遮罩，該遮罩包含橫 越該等閘溝的開口： 經濟部智总ρί產局員工消赍合作社印製 摻雜該第一極性的摻雜物到該基底的上表面，然後移 除該體極遮罩；該複數個體極區與該複數個源極區包 含複數個體極區與源極區交錯的陣列，每一陣列皆緊 鄰著一閘溝且其中之一該陣列由閘溝將其與第二個陣 列分隔開。 12. 如申請專利範圍第丨丨項之方法，在每個體極區與源極 區交錯的陣列中’沿著該閘溝有—縱向維度，該縱向 維度中’源極區佔較大部份而體極區佔較小部份= 13. 如申請專利範圍第7項之方法，在該閘溝中之導電閘極 ________ - 16 - 本纸張尺度適用中国國家標準（CNS ) A4規格（2丨0X29*7公釐） 4 528 9 Ο 8 8 8 8 ABCD 申請專利範圍 材料是由金屬，碎化物，以及摻雜的多晶矽的群組中 所選出，在閘溝中閘極材料的選擇高度與上層中源極 區的選擇深度大致上共平面，且該第一極化是ρ，第二 極化是Ν，或者該第一極化是Ν，而第二極化是Ρ。 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智总財產局员工消骨合作社印製 -17- 本纸張尺度適$中國國家標準（CNS ) Α4規格（210 X 297公釐）
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