TWI420666B - 封閉型溝槽式功率金氧半場效電晶體結構及其製作方法 - Google Patents

Description

封閉型溝槽式功率金氧半場效電晶體結構及其製作方法

本發明係關於一種溝槽式功率金氧半場效電晶體結構及其製作方法，特別是關於一種封閉型(closed cell)溝槽式功率金氧半場效電晶體結構及其製作方法。

隨著電路應用的高頻化，電晶體切換速度的要求也逐漸提高。高切換速度之電晶體結構可以有效降低切換損失，進一步的提升電源效率。

第1A圖係一典型開放型(striped cell)溝槽式功率金氧半場效電晶體結構之剖面示意圖。如圖中所示，此溝槽式功率金氧半場效電晶體結構具有一N型重摻雜之基板10、一N型磊晶層12、一P型本體13、一閘極氧化層15、一溝槽式閘極16與複數個源極區17。其中，磊晶層12係形成於基板10上，本體13係形成於磊晶層12上。閘極氧化層15係環繞溝槽式閘極16，以分隔溝槽式閘極16與P型本體13。溝槽式閘極16係由複數個長條狀多晶矽結構所構成。這些長條狀多晶矽結構係以一定間隔距離形成於本體13內，其底部並延伸至本體13下方之磊晶層12中。複數個源極區17分別排列於這些長條狀多晶矽結構之兩側。

第1B圖係一典型封閉型(closed cell)溝槽式功率金氧半場效電晶體結構之剖面示意圖。如圖中所示，此溝槽式功率金氧半場效電晶體結構具有一N型重摻雜之基板20、一N型磊晶層22、一P型本體23、一閘極氧化層25、一溝槽式閘極26與複數個源極區27。其中，磊晶層22係形成於基板20上，本體23係形成於磊晶層22上。閘極氧化層25係環繞溝槽式閘極26，以分隔溝槽式閘極26與P型本體23。溝槽式閘極26係呈現一網狀結構，形成於本體23內，並定義出複數個方格。溝槽式閘極26之底部並延伸至本體23下方之磊晶層22中。並且，複數個源極區27分別形成於溝槽式閘極26所定義出之方格內。

封閉型溝槽式功率金氧半場效電晶體結構所具有之通道(channel)寬度係正比於其方形源極區27之周長。開放型溝槽式功率金氧半場效電晶體結構所具有之通道寬度係正比於其長條狀源極區17之側邊長度。因此，相較於開放型溝槽式功率金氧半場效電晶體結構，封閉型溝槽式功率金氧半場效電晶體結構在單位面積中可以提供較大之通道寬度，而具有較低的導通電阻(Ron)。

然而，相較於開放型溝槽式功率金氧半場效電晶體結構，封閉型溝槽式功率金氧半場效電晶體結構中的溝槽式閘極26係覆蓋較大之表面積。由於閘極/汲極電容(Cgd)值之大小係與溝槽式閘極16,26之底面積成正相關，因此，封閉型溝槽式功率金氧半場效電晶體結構會具有較高之閘極/汲極電容值。

如前述，封閉型溝槽式功率金氧半場效電晶體結構具有較低之導通電阻，但卻會產生較高之閘極/汲極電容而導致切換損失之增加，進而限制了電晶體結構之切換速度，不利於電路應用之高頻化。爰是，如何降低封閉型溝槽式功率金氧半場效電晶體結構之閘極/汲極電容值，以兼顧低導通電阻與低閘極/汲極電容值，為本技術領域亟欲解決之問題。

本發明之主要目的是透過縮減溝槽式閘極與汲極之接面面積，以降低封閉型溝槽式功率金氧半場效電晶體結構之閘極/汲極電容值。

為達成上述目的，本發明提供一種封閉型(closed cell)溝槽式金氧半場效電晶體結構。此溝槽式金氧半場效電晶體結構包括一第一導電型之汲極區、一第二導電型之本體、一溝槽式閘極與複數個具有第一導電型之源極區。其中，本體係位於汲極區上。溝槽式閘極係位於本體內。此溝槽式閘極具有至少二長條部分與一交錯部分，其中，長條部份之底部係位於汲極區內，交錯部份之底部係位於本體內。源極區係位於本體內，並且至少鄰接於溝槽式閘極之長條部份。

本發明並提供一種封閉型溝槽式金氧半場效電晶體結構之製作方法。此製作方法包括下列步驟：(a)提供一第一導電型之汲極區；(b)形成一第二導電型之第一摻雜區於汲極區上；(c)形成一溝槽於第一摻雜區內，溝槽之底部係位於汲極區，並且，此溝槽具有至少二長條區與一交錯區；(d)形成一閘極介電層於溝槽之內側表面；(e)沉積一第一多晶矽層於溝槽內，此第一多晶矽層係大致填滿長條區，但在交錯區之中央處產生一凹陷；(f)蝕刻第一多晶矽層，於交錯區形成一窗口以曝露溝槽之底部；(g)透過蝕刻後之第一多晶矽層，形成一第二導電型之第二摻雜區鄰接於交錯區；以及(h)形成一第二多晶矽層於該窗口內。

相較於傳統封閉型溝槽式功率金氧半場效電晶體結構，溝槽式閘極之底面完全位於汲極區內。本發明之封閉型溝槽式功率金氧半場效電晶體結構中，僅溝槽式閘極之長條部份的底部是位於汲極區內，交錯部份的底部則是位於本體內。因此，本發明之封閉型溝槽式功率金氧半場效電晶體結構可以有效縮減汲極與閘極間之接面面積，並維持大致相同的通道寬度。因而，可以兼顧低汲極/閘極電容值與低導通電阻。

關於本發明之優點與精神可以藉由以下的發明詳述及所附圖式得到進一步的瞭解。

本發明之精神在於利用金氧半場效電晶體結構之本體遮蔽溝槽式閘極之交錯部分的底部，以達到縮減溝槽式閘極與汲極之接面面積，同時維持通道寬度之目的。在本發明所提供之製作方法之一實施例中，利用溝槽之交錯區寬度大於長條區寬度之特點形成一多晶矽遮罩，此多晶矽遮罩遮蔽長條區的底部，但在交錯區的底部具有一窗口。然後再透過此窗口形成一與本體具有相同導電型之摻雜區，藉以遮蔽溝槽式閘極之交錯部分的底部。

第2I與2J圖分別係本發明封閉型(closed cell)溝槽式金氧半場效電晶體結構第一實施例之俯視圖與剖面圖。其中，第2J圖係對應於第2I圖中B-B’剖面線。

如第2J圖所示，此封閉型溝槽式金氧半場效電晶體結構具有一第一導電型之汲極區、一第二導電型之本體130、一溝槽式閘極172與複數個具有第一導電型之源極區180。汲極區係由一重摻雜之基板100與一磊晶層120所構成。前述第一導電型可以是N型，第二導電型可以是P型。不過亦不限於此。本體130係位於磊晶層120上。溝槽式閘極172係位於本體130內。同時請參照第2I圖，此溝槽式閘極172具有至少二長條部分172a與一交錯部分172b。長條部份172a之底部係位於汲極區內，交錯部份172b之底部則是位於本體130內。源極區180係位於本體130內，並且至少鄰接於溝槽式閘極之長條部份172a。

如第2J圖所示，在本實施例中，溝槽式閘極172之長條部分172a與交錯部份172b具有大致相同的深度。本體130之下表面具有一平面部分130a與至少一向下突出部份130b。其中，平面部分130a係對應於溝槽式閘極172之長條部份172a，其深度小於溝槽式閘極172之深度。向下突出部分130b對應於溝槽式閘極172之交錯部分172b，其深度大於溝槽式閘極172之深度。因此，長條部份172a之底部會延伸至本體130下方之磊晶層120內，但溝槽式閘極之交錯部份172b的底部則會位於本體之向下突出部分130b內。

雖然在本實施例中，溝槽式閘極之長條部分172a與交錯部份172b具有大致相同的深度。不過，本發明並不限於此。長條部份172a與交錯部份172b亦可具有不同之深度。只要本體之向下突出部份130b之深度足以覆蓋交錯部份172b的底部即可。

其次，在本實施例中，本體130之下表面具有向下突出部份130b，而使溝槽式閘極之交錯部分172b的底部位於本體130內。不過，本發明亦不限於此。請參照第3A與3B圖，第3B圖係對應於第3A圖中C-C’剖面之剖面示意圖，在本發明之第二實施例中，本體230之下表面亦可為一平面。溝槽式閘極272之長條部份272a與交錯部份272b則是具有不同之深度。其中，長條部份272a具有較大的深度，其底部係位於本體230之下表面的下方，交錯部份272b具有較小的深度，其底部則是位於本體230之下表面的上方。

此外，在本實施例中，本體130之下表面延伸出一向下突出部份130b覆蓋溝槽式閘極172之交錯部份172b的底部。不過，本發明亦不限於此。如第4圖所示，在本發明之第三實施例中，本體可區分為一第一摻雜區330a與至少一第二摻雜區330b。其中，第二摻雜區330b係位於第一摻雜區330a之下方，並且與第一摻雜區330a互相分離。溝槽式閘極172係位於第一摻雜區330a內，交錯部份172b之底部係位於第二摻雜區330b內。

第2A至2J圖顯示本發明封閉型溝槽式金氧半場效電晶體結構之製作方法之一較佳實施例。第2B圖係對應於第2A圖中A-A’剖面線之剖面示意圖。首先，如第2B圖所示，提供一第一導電型之基板100，並形成一第一導電型之磊晶層120於其上，以構成一汲極區。然後，形成一第二導電型之本體130於汲極區上。接下來，形成一溝槽140於本體130內。本體130之深度小於溝槽140之深度。溝槽140之底部係位於本體130下方之汲極區內。

同時請參照第2A圖，此溝槽140具有至少二長條區142與一交錯區144。長條區142之溝槽寬度w1小於交錯區144之溝槽寬度w2。隨後，如第2C圖所示，形成一閘極介電層150於溝槽140之內側表面。接下來，如第2D圖所示，沉積一第一多晶矽層160於溝槽140內。由於長條區142之溝槽寬度w1小於交錯區144之溝槽寬度w2，因此，適當控制第一多晶矽層160之厚度，可使第一多晶矽層160大致填滿長條區142，但在對應於交錯區144中央處會產生一明顯凹陷。

接下來，如第2E圖所示，利用非等向性蝕刻技術蝕刻第一多晶矽層160。由於對應於交錯區144中央處之第一多晶矽層160具有一明顯凹陷，因此，適當控制蝕刻製程之參數，可使長條區142之溝槽底部完全為多晶矽結構162所覆蓋，但在交錯區144內的多晶矽結構162中則形成有一窗口164曝露溝槽之底部。

隨後，如第2F圖所示，透過此蝕刻後之第一多晶矽層162，以離子佈植方式植入第二導電型摻雜至交錯區144之溝槽下方，形成一第二導電型之摻雜區165b鄰接於交錯區144。就一較佳實施例而言，此離子佈植步驟可直接利用蝕刻後之第一多晶矽層162為遮罩，而不需使用額外的光罩。又，經過此離子佈植步驟，除了會在交錯區144之溝槽下方形成摻雜區165b，也會在本體之表面形成摻雜區165a。不過，由於此摻雜區165a之導電型與本體130相同，因此，此離子佈植步驟不會影響本體130之摻雜型態。

然後，如第2G圖所示，全面沉積一第二多晶矽層170，填滿位於溝槽內之窗口164。隨後，如第2H圖所示，回蝕(etch back)去除多餘之第二多晶矽層170，留下位於溝槽內之多晶矽結構172作為此金氧半場效電晶體結構之閘極。最後，如第2I與2J圖所示，於本體130內形成複數個具有第一導電型之源極區180。這些源極區180至少鄰接於溝槽式閘極的長條部份172a。

值得注意的是，如第2A與2B圖所示，本實施例之溝槽140具有水平走向之部分與垂直走向之部分，而定義出複數個方格區域於本體130內。源極區180則是形成於這些方格區域內。在水平走向之溝槽140與垂直走向之溝槽140的交錯處，即為前述之交錯區144，其他部份即為前述之長條區142。由此半導體結構之俯視圖來看，交錯區144係呈現一正四邊形，其邊長大致等於長條區142之寬度w1。不過，本發明並不限於此。此交錯區144並不限於是四邊形。如第5圖所示，在本發明之第四實施例中，溝槽440可區分為三個不同走向之部分，而在本體430中定義出複數個三邊形區域。源極區(未圖示)則是形成於此三邊形區域內。此溝槽440之交錯區444係呈現一正六邊形。此六邊形之邊長大致等於長條區442之寬度w3。交錯區444的寬度w4大於長條區442的寬度w3。

在前述實施例中，交錯區144,444的外型完全是受到溝槽140的排列方式而決定，並且，交錯區144,444的寬度w2.w4與長條區142,442的寬度w1,w3具有一比例關係。如第2A圖所示，在本發明之第一實施例中，溝槽140具有垂直走向之部份與水平走向之部份，因而交錯出呈現正四邊形之交錯區144。又，如第5圖所示，在本發明之第4實施例中，溝槽440區分為三個不同走向之部份，而交錯出呈現正六邊形之交錯區444。不過，本發明並不限於此。如第6圖所示，在本發明之第五實施例中，交錯區544的外型並非完全取決於溝槽540的排列方式，交錯區544的寬度w6也並非完全取決於長條區542的寬度w5。基本上，只要所形成之交錯區544的寬度w6大於長條區542的寬度w5即可。

又，如第2F與2G圖所示，本實施例在形成第二摻雜區170b於交錯區144之溝槽下方的步驟後，會進行一驅入(drive-in)步驟，使第二摻雜區170b的範圍延伸連接本體130，而在本體130之下表面構成一向下突出部份。不過，本發明並不限於此。前述驅入步驟係一選擇性的步驟。如第4圖所示，在本發明之第三實施例中，本體330包括第一摻雜區330a與第二摻雜區330b。第二摻雜區330b僅僅覆蓋交錯區144的底部，而與第一摻雜區330a互相分離。

相較於第1B圖之傳統封閉型溝槽式功率金氧半場效電晶體結構，溝槽式閘極26之底面完全位於汲極區內。如第2I圖所示，在本發明之封閉型溝槽式功率金氧半場效電晶體結構中，僅溝槽式閘極172之長條部份172a的底部是位於汲極區內，交錯部份172b的底部則是位於本體130內。因此，本發明之封閉型溝槽式功率金氧半場效電晶體結構可以有效縮減汲極與閘極間之接面面積，同時維持大致相同的通道寬度。也因此，本發明之封閉型溝槽式功率金氧半場效電晶體結構可以有效降低汲極/閘極電容值，並且維持低導通電阻。

惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。另外本發明的任一實施例或申請專利範圍不須達成本發明所揭露之全部目的或優點或特點。此外，摘要部分和標題僅是用來輔助專利文件搜尋之用，並非用來限制本發明之權利範圍。

10,20．．．基板

12,22．．．磊晶層

13,23．．．本體

15,25．．．閘極氧化層

16,26．．．溝槽式閘極

17,27．．．源極區

100．．．基板

120．．．磊晶層

130,230,330．．．本體

130a．．．平面部分

130b．．．向下突出部份

330a．．．第一摻雜區

330b．．．第二摻雜區

140,440,540．．．溝槽

142,442,542．．．長條區

144,444,544．．．交錯區

150．．．閘極介電層

160．．．第一多晶矽層

162．．．多晶矽結構

164．．．窗口

165b．．．摻雜區

165a．．．摻雜區

170．．．第二多晶矽層

172,272．．．溝槽式閘極

172a,272a．．．長條部分

172b,272b．．．交錯部分

180．．．源極區

第1A圖係一典型開放型(striped cell)溝槽式功率金氧半場效電晶體結構之剖面示意圖。

第1B圖係一典型封閉型(closed cell)溝槽式功率金氧半場效電晶體結構之剖面示意圖。

第2A至2J圖顯示本發明封閉型溝槽式金氧半場效電晶體結構之製作方法之第一實施例，其中，第2I與2J圖分別係此封閉型溝槽式金氧半場效電晶體結構之俯視圖與剖面示意圖。

第3A與3B圖係本發明封閉型溝槽式金氧半場效電晶體結構第二實施例之俯視圖與剖面示意圖。

第4圖係本發明封閉型溝槽式金氧半場效電晶體結構第三實施例之示意圖。

第5圖係本發明封閉型溝槽式金氧半場效電晶體結構第四實施例之俯視示意圖。

第6圖係本發明封閉型溝槽式金氧半場效電晶體結構第五實施例之俯視示意圖。

100．．．基板

120．．．磊晶層

130．．．本體

130a．．．平面部分

130b．．．向下突出部份

150．．．閘極介電層

172．．．溝槽式閘極

172a．．．長條部分

172b．．．交錯部分

180．．．源極區

Claims (14)

1. 一種封閉型(closed cell)溝槽式金氧半場效電晶體結構，包括：一第一導電型之汲極區；一第二導電型之本體，位於該汲極區上；一溝槽式閘極，位於該本體內，該溝槽式閘極具有至少二長條部分與一交錯部分，其中，該長條部份之底部係位於該汲極區內，該交錯部份之底部係位於該本體內；以及複數個具有該第一導電型之源極區，位於該本體內，並且至少鄰接於該溝槽式閘極之該長條部份。
2. 如申請專利範圍第1項之封閉型溝槽式金氧半場效電晶體結構，其中，該本體之下表面具有一平面部分與至少一向下突出部份，該交錯部份之底部係位於該突出部分內。
3. 如申請專利範圍第2項之封閉型溝槽式金氧半場效電晶體結構，其中，該平面部份之深度小於該溝槽式閘極之深度。
4. 如申請專利範圍第1項之封閉型溝槽式金氧半場效電晶體結構，其中，該溝槽式閘極之該長條部分與該交錯部份之深度相同。
5. 如申請專利範圍第1項之封閉型溝槽式金氧半場效電晶體結構，其中，該本體具有一第一摻雜區與一第二摻雜區，該第二摻雜區係位於該第一摻雜區之下方，並且與該第一摻雜區互相分離，該溝槽式閘極係位於該第一摻雜區內，該交錯部份之底部係位於該第二摻雜區內。
6. 如申請專利範圍第1項之封閉型溝槽式金氧半場效電晶體結構，其中，該溝槽式閘極之該交錯部分之上表面呈現一多邊形，該多邊形之邊數大於或等於四。
7. 如申請專利範圍第1項之封閉型溝槽式金氧半場效電晶體結構，其中，該交錯部分之寬度大於該長條部份之寬度。
8. 一種封閉型溝槽式金氧半場效電晶體結構之製作方法，包括：提供一第一導電型之汲極區；形成一第二導電型之第一摻雜區於該汲極區上；形成一溝槽於該第一摻雜區內，該溝槽之底部係位於該汲極區，該溝槽具有至少一長條區與一交錯區；以及形成一閘極介電層於該溝槽之內側表面；沉積一第一多晶矽層於該溝槽內，該第一多晶矽層係大致填滿該長條區，但在該交錯區之中央處產生一凹陷；蝕刻該第一多晶矽層，於該交錯區形成一窗口以曝露該溝槽之底部；透過蝕刻後之該第一多晶矽層，形成一第二導電型之第二摻雜區鄰接於該交錯區；以及形成一第二多晶矽層於該窗口內。
9. 如申請專利範圍第8項之封閉型溝槽式金氧半場效電晶體結構之製作方法，其中，該交錯區呈現一多邊形，該多邊形之邊長大致等於該長條區之寬度，該多邊形之邊數大於或等於四。
10. 如申請專利範圍第8項之封閉型溝槽式金氧半場效電晶體結構之製作方法，其中，該交錯區之寬度大於該長條區之寬度。
11. 如申請專利範圍第8項之封閉型溝槽式金氧半場效電晶體結構之製作方法，其中，該第二摻雜區係延伸連接該第一摻雜區，以構成一本體。
12. 如申請專利範圍第8項之封閉型溝槽式金氧半場效電晶體結構之製作方法，其中，該第二摻雜區與該第一摻雜區係互相分離。
13. 如申請專利範圍第8項之封閉型溝槽式金氧半場效電晶體結構之製作方法，其中，該第一摻雜區之深度小於該溝槽之深度。
14. 如申請專利範圍第8項之封閉型溝槽式金氧半場效電晶體結構之製作方法，更包括形成複數個具有該第一導電型之源極區於該本體內，並且，該些源極區至少鄰接於該溝槽之該長條區。