TW502444B - Insulated gate semiconductor device and manufacturing method thereof - Google Patents

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502444 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明說明（1 ) 【發明所屬技術領域】 本發明係有關一種具有高耐壓構造的絕緣閘型半導 體裝置及其製造方法。尤指，可提升閘極與源極間的耐壓 度及閘極與汲極間的耐壓度的技術。 【習知之技術】 參照第5圖說明以往之絕緣閘型半導體裝置。絕緣閘 型半導體裝置一般係稱為MOS電晶體。以下，針對具有 高耐壓構造的MOS電晶體加以說明。此種m〇S電晶體係 用於LCD驅動器等的輸出缓衝器（output buffer)。 第5圖中’P型發基板51的表面上，利用熱擴散形成 有較深的N-型源極層52、N—型汲極層53。N—型源極 層52和N —型汲極層53係由較低雜質濃度的N型擴散層 所構成。 N—型源極層52與N—型汲極層53間的區域係通道 區CH 〇 54、55係由選擇氧化法所形成的厚閘極絕緣膜。厚閑 極絕緣膜54係形成於N—型汲極層53的端部，厚閘極絕 緣膜55係形成於N —型源極層52的端部。56係由上述選 擇氧化法所同時形成的場氧化膜。厚閘極絕緣膜54、55 及場氧化膜56 —般係稱為矽局部氧化（LOCOS)膜。 57係形成於MOS電晶體之通道區CH上的薄閘極絕 緣膜。薄閘極絕緣膜57與厚閘極絕緣膜54、55形成一體 而構成閘極絕緣膜。 N +型源極層58係形成於厚閘極絕緣膜54與場氧化 --------------------訂-------！線4^" (請先閱讀背面之注音？事項再填寫本頁) 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 x 297公釐） 1 312845 502444 A7 五、發明說明（2 ) (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 膜56間的矽基板51表面。同樣地，N+型汲極層59係形 成於厚閘極絕緣膜55與場氧化膜56間的矽基板51表面。 N+型源極層58和N+型汲極層59係由高雜質濃度的n 型擴散層所構成。此外，閘極電極6〇覆蓋於薄的閘極絕緣 膜57 ’且部分搭疊在厚閘極絕緣膜54、55上。 上述MOS電晶體之構造歸納如下。閘極電極6〇的一 端係與N +型源極層58、N +型汲極層59分開。將閘極電 極60與N+型源極層58間的區域、閘極電極6〇與N+型 没極層59間的區域稱為偏置區（〇ffset rey⑽）。該偏置區 形成有厚閘極絕緣膜54、55 ,該厚閘極絕緣膜54、55下 的半導體基板51表面則形成有型源極層52、N一型汲 極層53;而N—型源極層52、N—型汲極層53係延伸至n +型源極層58和N +型汲極層59的下方。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印制衣 根據上述構造，由於閘極電極60與N +型源極層58 間的電場強度會減弱，所以可提升閘極與源極間的耐壓 度。此外’同樣地’由於閘極電極60與N +型汲極層59 間的電場強度會減弱，所以可提升閘極與汲極間的财壓 度。在此’閘極與源極間的耐壓度係指在閘極施加高電壓 時，可破壞閘極與源極間之絕緣的電壓。而閑極與汲極間 的耐壓度係指在間極施加高電壓時，破壞閘極與汲極間之 絶緣的電壓。 此外，根據上述構造，也可提升源極耐壓度、汲極耐 壓度、以及源極與汲極間的耐壓度。在此，源極耐壓度係 在源極施加高電壓時引起崩潰的電壓。沒極耐壓度係在汲 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 2 312845 502444 A7 B7 五、發明說明（3 ) 極施加高電壓時引起崩潰的電壓。而源極與汲極間的耐壓 度係在源極與汲極間施加高電壓時引起崩潰的電壓。 然而，上述以往之構造，由於部分閘極電極6〇搭疊 在部分的厚閘極絕緣膜54、55上，所以閘極電極6〇與N +型源極層58及N+型汲極層59間的段差hl报大。 因此’由BPSG膜等構成的層間絕緣膜61會反映出該 段差hi而產生段差H1，使層間絕緣膜61的平坦性變差。 另外 ’ BPSG 係砍酸硼璘玻璃（Β〇ΓΟη phosphorous Silicate

Glass)的簡稱。 若層間絕緣膜61的平坦性變差，則形成於層間絕緣 膜61上的配線層的加工精確度會有劣化等問題產生^例 如，層間絕緣膜61上形成鋁配線層時，首先在層間絕緣膜 61上利用濺射法形成銘層。並且，在該銘層上形成光阻劑 層。其次，利用步進機在光阻劑層進行曝光。然後，對光 阻劑層施以顯像處理，並加工光阻劑層，使其具有預定的 線寬。當層間絕緣膜61的平坦性變差時，則顯像後的光阻 劑層的線寬精確度會變差。 最後，使用已加工的光阻劑層當作遮罩，對鋁層進行 蝕刻，以形成鋁配線層。然而，若光阻劑層的線寬精確度 不佳，亦會使鋁配線層的線寬精確度變差。亦即，層間絕 緣膜61的平坦性的惡化，會導致配線層的加工精確度劣 化。 【發明之概述】 因此’本發明乃儘量縮小閘極電極60與源極層58、 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) ------ 訂---------線息 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 3 312S45 502444 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 五、發明說明（4 汲極層59間的段差hi，以改善層間絕緣膜61的平坦性 者。 本發明之絕緣閘型半導體裝置，係具備··形成於第一 導電型半導體基板上的第一閘極絕緣膜；與該第一閘極絕 緣膜相鄰接，並具有比第一閘極絕緣膜還厚之膜厚的第二 閘極絕緣膜；形成於前述第一和第二閘極絕緣膜上的閘極 電極；及形成於離開前述閘極電極的位置上的第二導電型 源極層和沒極層’前述閘極電極係由：形成於前述第一閘 極絕緣膜上的第一矽層及重疊於前述第一砍層上，且搭叠 於前述第二閘極絕緣膜一部份上的第二矽層所構成。 根據上述構成’由於搭疊在第二閘極絕緣膜上的閘極 電極只由第二矽層構成，所以對於第二閘極絕緣膜上的閘 極電極部分’可縮小其膜厚。如此，可使閘極電極與源極 層、沒極層間所產生的段差比習知者小。因而，可使形成 於該等上方的層間絕緣膜平坦性良好。另一方面，由於在 第一閘極絕緣膜上重疊第一和第二矽層，所以可完全確保 閘極電極的膜厚。 本發明之絕緣閘型半導體裝置的製造方法，係包含： 在第一導電型半導體基板上形成第一閘極絕緣膜的製程； 在前述第一閘極絕緣膜的預定區域上重疊形成第一矽層和 耐氧化膜的製程；藉由將前述耐氧化膜當作遮罩的選擇氣 化，形成場氧化膜和第二閘極絕緣膜的製程；去除前逑耐 氧化膜後，全面形成第二矽層的製程；形成閘極電極的製 程，該閘極電極係由殘留在前述第一閘極絕緣膜上的前逃 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公餐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂---------線泰 502444 A7

五、發明說明（5 ) 經濟部智慧財產局員工消費合作杜印製 第一矽層、及重疊在該第一矽層上且搭疊於前述第二閘極 絕緣膜上的第二砍層所構成；及在離開前述閘極電極的位 置上形成第二導電型源極層和没極層的製程。 上述構成中’第一矽層在利用選擇氧化而形成場氧化 膜和第二閘極絕緣膜時，產生所謂墊矽層（pad sUieaii layer) 的作用。墊矽層可將LOCOS的鳥嘴縮小。此外，墊矽層 可緩和選擇氧化時的壓力而防止在半導體基板上產生結晶 缺陷。本發明之製造方法中，係直接殘留第一矽層而用來 作為閘極電極的一部份。 由於搭疊在第二閘極絕緣臈上的閘極電極只由第二 矽層形成，所以對於第二閘極絕緣膜上的閘極電極部分， 可縮小其膜厚。如此，可使閘極電極與源極層、汲極層間 所產生的段差比習知者小。 因此，根據本發明之製造方法，可獲得緩和段差和縮 短製程之效果。 【發明之實施形態】 以下參照第1圖至第4圖來說明本發明實施形態之絕 緣閘型半導體裝置的製造方法。 如第1圖所示，利用離子楂入製程和擴散製程在1>型 矽基板1 (硼雜質濃度約的表面上形成N 型源極層2A、N—型沒極層2B。N—型源極層2A與N 一型汲極層2B形成通道區CH。在此，離子植入條件和擴 散條件可依照源極耐壓度目標與汲極耐壓度目標而作適當 選擇。 巧張尺議_c臟娜⑵Q χ 29^-一5-^Γ— --------------------^-------— (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 502444 經 濟 部 智 慧 財 產 局 員 X 消 費 合 作 社 印 製 A7 B7 五、發明說明（6 ) 例如，以30V的耐壓度為目標時，以植入量約lxl〇i3 /cm2的條件植入磷離子，然後放入約11〇(rc的熱處理爐 中進行數小時的熱擴散。 接著’經由熱氧化在P型矽基板1上形成具有l〇nm 至1 5nm左右膜厚的第一閘極絕緣膜3(在此為si〇2膜）。 該第一閘極絕緣膜3上經由LPCVD法形成具有50nm至 100nm左右膜厚的第一多晶矽層4及具有50nm至10〇nm 左右膜厚的氮化矽膜（Si3N4膜）5,將未圖式的光阻劑當 作遮罩選擇性地對氮化矽膜5施以乾式蝕刻。該乾式蝕 刻’係利用例如CHF3氣體的反應性離子蝕刻。在此，也 可形成非晶矽層來取代第一多晶矽層4。 以此方式’之後在形成Ν+型源極層、ν+型汲極層 的區域上與通道區CH上選擇性地形成氮化矽膜5。另外， 進行上述乾式蝕刻時，亦可使用上述光阻劑作為遮罩，再 蝕刻第一多晶矽層4。 其次，進行1000°C左右的熱氧化，如第2圖所示，已 由蝕刻去除氮化矽膜5的區域上，形成5〇〇nm左右的厚第 二閘極絕緣膜6A、6B (在此為Si02膜）、場氧化膜7 ^ 在此，氮化矽膜5係作為耐氧化膜而作用。此外，由 於第一閘極絕緣膜3係稱為墊氧化膜，所以可防止在場氧 化膜7之稱為鳥嘴的下方P型矽基板丨上產生結晶缺陷。 又，第一多晶矽層4係稱為墊多晶矽層，除了可使鳥 嘴變短，也可防止在P型矽基板i上產生結晶缺陷。第一 多晶矽層4之後即形成閘極電極的一部份。因此，最好在 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（21G X 297公f )1 -------1 -------— (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 6 502444 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明說明（7 ) 第一多晶碎層4場氧化後或場氧化前，利用離子植入等將 硼或磷之類的雜質導入第一多晶矽層4,以降低其電阻係 數。 如第3圖所示，使用熱磷酸（p〇cl3)等藥品將氮化 砍膜5去除後，利用LPCVD法全面沉積5〇ιπιι至l〇〇nm 的第二多晶矽層為了使第二多晶矽層8之後能形成閘 極電極的一部份，故摻雜麟等雜質，使電阻係數下降。接 著’在第二多晶矽層8上全面塗布光阻劑，並使用預定的 遮罩曝光。然後施以顯像處理，形成用以覆蓋閘極電極形 成區域的光阻劑層9。 如第4圖所示，將光阻劑層9當作遮罩，以蝕刻去除 第二多晶矽層8及第一多晶矽層4。藉此，形成閘極電極 10。閘極電極1〇係由：殘留於第一閘極絕緣膜3上之第一 多晶砍膜4;重疊於該多晶矽層4上之第二多晶矽層8的 部分；及部分搭疊於第二閘極絕緣膜、6B上之第二多 晶矽層8的部分所構成。 透過離子植入，形成N +源極層π與n +沒極層12。 在CMOS製程中，以光阻劑將形成p通道型M〇s電晶體 之區域當作遮罩。接者，進行用以形成源極/汲極的離子 植入=序。離子植入條件可適當選擇，一般係在植入量約 lxl015/cm2的條件下植入砷離子。 藉此，N+型源極層11可以自行對準方式形成於第二 閘極絕緣臈6八和場氧㈣7的—端。此外，n+型沒極層 12可以自^對準方式形成於第二閘極絕緣膜6B和場氧化 巧張尺度適用中ii_ii^(CNS)A4規格⑵G χ撕公楚） 7 312845 — — — — — — — — — — — * I I I I I I I ·11111111 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 502444 經濟部智慧財產局員工消費合作社印f A7 五、發明說明（8 膜7的一端D亦g XT ,，， P ’ N +型源極層i i形成於第二閘極絕緣 膜和場氧化膜7之間。N +型汲極層12形成於第二閘 極絕緣膜6B和場氧化膜7之間。 由上述製造方法所形成的絕緣閘型半導體裝置，亦即 根據N通道型高耐勤S電晶體，閘極電極1G的一端係 離開N+型源極層、N+汲極層12，且在其偏置區形成較 厚的第二閘極絕緣m 6A、6B。而在該較厚的第二閘極絕 緣膜A 6B下的矽基板5 1表面，係形成有N一型源極層 2A、N—型汲極層2B。 藉此，可使閘極電極10與N+型源極層u間的電場 強度、閘極電極10與投+型汲極層12間的電場強度減弱。 藉此，可提升閘極與源極間的耐壓度以及閘極與汲極間的 耐壓度。 此外’ N—型源極層2A中形成有較淺的型源極層 11’且在N —型汲極層2B中形成有較淺的ν+型汲極層 12如此’可提升源極耐壓度、没極耐壓度、以及源槿與 汲極間的耐壓度。 由於閛極電極10係在第一閘極絕緣膜3上形成第一 多晶砍層4與第二多晶矽層8的積層構造，且較厚的第二 閘極絕緣膜6A、6B上形成第二多晶矽層8的單層構造， 所以即使閘極電極1 〇在第一閘極絕緣膜3上的厚度與習知 的閘極電極的厚度相同，第二閘極絕緣膜6 A ' 6B上的膜 厚t2當然會比習知例的膜厚ti還薄。 如此，閘極電極10與N +型源極層11、N +型汲極舞 本紙張尺度適用中國國家標準（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) 訂---------線赢 502444 A7

五、發明說明（9 ) (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 12間的段差h2會比習知者小，故可改善層間絕緣膜13的 平坦性。亦即，如第4圖所示，層間絕緣膜13的段差Ή2 可比習知例之段差HI小。因此，改善層間絕緣膜J3的平 坦性後，即提升層間絕緣膜13上由微影製程形成A1配線 層等的加工精_度。 如以上所述，根據本發明之絕緣閘型半導體裝置及其 製造方法，可實現高耐壓特性，且由於閘極電極1〇與贝 +型源極層11間的段差hi、閘極電極1〇與Ν+型汲極層 12間的段差比習知者小，所以可發揮改善層間絕緣膜 13平坦性的效果。 【圖面之簡單說明】 第1圖為用以說明本發明實施型態之半導體裝置製造 方法的剖視圖。 第2圖為用以說明本發明實施型態之半導體裝置製造 方法的剖視圖。 第3圖為用以說明本發明實施型態之半導體裝置製造 方法的剖視圖。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 第4圖為用以說明本發明實施型態之半導體裝置製造 方法的剖視圖。 第5圖為用以說明習知例之半導體裝置製造方法的剖 視圖。 【符號之說明】 1 Ρ型矽基板 2A N—型源極層 2B N—型汲極層 3 第一絕緣膜 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 9 312845 502444 A7 B7 五、發明說明（10 ) 4 第一多晶矽層 5 氮化矽膜 6A、6B 第二閘極絕緣膜 7 場氧化膜 8 第二多晶矽層 9 光阻劑層 10 閘極電極 11 N +型源極層 12 N +型汲極層 13 層間絕緣膜 51 P型矽基板 52 N—型源極層 53 N一型汲極層 54、55 厚閘極絕緣膜 56 場氧化膜。 57 薄閘極絕緣膜。 58 N+型源極層 59 N +型汲極層 60 閘極電極 61 層間絕緣膜 A1 配線層 CH 通道區 HI、hi 、h2 段差 tl、t2 膜厚 —------------------訂 ---------線 (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 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 10 312845

Claims (1)

1. DU2444 A8B8C8D8 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 六、申請專利範圍1. -種絕緣閘型半導體裝置’係具備：形成於第一導電型 半導體基板上的第一閘極絕緣膜；與該第一閘極絕緣琪 相鄰接’並具有大於第—閘極絕緣膜之族厚的第二閘極 絕緣膜;形成於前述第一和第二閘極絕緣膜上的閘極電 極；及形成於離開前述閘極電極的位置上的第二導電型 源極層和汲極層， 前述閉極電極係由：形成於前述第m緣膜上 的第一矽層，及重疊於前述第一矽層上，且搭疊於前述 第二閘極絕緣膜一部份上的第二矽層所構成。 2 ·如申明專利la圍第1項之絕緣閘型半導體裝置，其中， 前述第二導電型源極層和汲極層係形成於離開第二矽 層一端的位置上。 3·如申請專利範圍第〖項之絕緣閘型半導體裝置，其中， 前述第一矽層係墊多晶矽層。 4.如申請專利範圍第1項之絕緣閘型半導體裝置，其中， 前述第二導電型源極層和汲極層係形成於低濃度的第 一導電型源極層和沒極層中。 5·如申請專利範園第！項至第4項中任一項之絕緣閘型半 導體裝置，其中，前述第一和第二矽層係由多晶矽層或 非晶矽層所構成。 6· —種絕緣閘型半導體裝置之製造方法，係包含： 在第一導電型半導體基板上形成第一閘極絕緣膜 的製程； 在前述第一閘極絕緣膜的預定區域上重疊形成第 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 11 312845 ί 0 Mmmmw 1 —9 Mmmmw ί tt i mmmmmm n 1 tmmm · imam n 1 1· MMmw M·— emmmw JrJ· _1 n mmmmm ί (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) ϋ at β 線 黪· 3U2444 A8S2D8 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 六、申請專利範圍 一砍層和耐氧化膜的製程； 藉由將前述耐氧化膜當作遮罩的選擇氧化，形成場 氧化膜和第二閘極絕緣膜的製程； 去除前述耐氧化膜後，全面形成第二矽層的製程; 形成閘極電極的製程，該閘極電極係由殘留在前逑 第一閘極絕緣膜上的前述第一矽層、及重疊在該第一矽 層上，且搭疊於前述第二閘極絕緣膜丄的第二矽層所構 成；及 在離開前述閘極電極的位置上形成第二導電型源 極層和汲極層的製程。 7· —種絕緣閘型半導體裝置之製造方法，係包含： 在第一導電型半導體基板上形成低濃度的第二導 電型源極層和汲極層的製程； 在前述半導體基板上形成第一閘極絕緣膜的製 程； 在前述第一閘極絕緣膜的預定區域中重疊形成第 一矽層和耐氧化膜的製程； 藉由將前述耐氧化膜當作遮罩的選擇氧化，形成場 氧化膜和第二閘極絕緣膜的製程； 去除前述耐氧化膜後，全面形成第二矽層的製程； 形成閘極電極的製程，該閘極電極係由：殘留在前 述第一閘極絕緣膜上的前述第一矽層；及重疊在該第一 石夕層上’且搭疊於前述第二閛極絕緣膜上的第二矽層所 構成；及 丨！ — ! —i ! — — —訂·丨—I _ —丨丨-線. (請先閱讀背面之注意事項再填窝本頁) 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 12 312845

   六、申請專利範圍 在離開前述閘極電極的位置上形成高濃度的第二 導電型源極層和汲極層的製程。 •如申請專利範圍帛6、7項之絕緣間型半導體裝置之製 乂方法，其中，前述第一和第二矽層係由多晶矽層或非 晶矽層所構成。 如申請專利範園第6、7項之絕緣閘型半導體裝置之製 造方法’其中，耐氧化膜係由氮化矽所構成。 (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 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 13 312845