TWI431777B - 高電壓金氧半導體電晶體及其製作方法 - Google Patents
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Description
本發明係相關於一種高電壓金氧半導體(high voltage metal-oxide-semiconductor，HVMOS)電晶體，尤指一種可改善熱載子(hot carrier)效應之高電壓金氧半導體電晶體以及相關之高電壓金氧半導體電晶體製作方法。
當一金氧半導體電晶體被施加高電場應力(stress)時，在用以將載子由源極(source)傳送至汲極(drain)的一通道(channel)上，亦會出現極強的垂直電場，該通道中的部分載子會因此被強制注入閘極(gate)，造成矽/二氧化矽(Si/SiO2)介面的破壞。請參照第1圖，其為一N型金氧半導體電晶體(N-type metal-oxide-semiconductor，NMOS)的示意圖。該N型金氧半導體電晶體包含有位於一基板SUB上之一P井(P well)、由兩個間隔元件(spacer)SP所保護之一多晶矽閘極(gate poly)PO以及分別位在兩載子汲取漂移區(carrier drain drift region)NDD中的兩載子附加區(carrier plus region)N+。當該N型金氧半導體電晶體被啟動而進入一開啟狀態(on-state)時，多晶矽閘極PO之下會形成一通道NC，以透過載子汲取漂移區NDD以及載子附加區N+來連結該汲極以及該源極。當該閘極的一偏壓電壓被提昇到如同該汲極的一偏壓電壓一樣高時，即可說該N型金氧半導體電晶體承受著高電場應力，在這樣的情況之下，通道NC的周邊會建立起一強力電場，而熱載子(hot carrier)，亦即負載有極高能量的載子，會被強制注入多晶矽閘極PO，並被限制在一閘極氧化層(gate oxide layer)之中，對該N型金氧半導體電晶體造成永久性的傷害，而閘極電壓亦因此無法有效地控制通道的傳導性。
對於應用高電壓製程所產生的一習知高電壓金氧半導體電晶體(high voltage MOS，HVMOS)而言，通道熱載子可能會導致十分嚴重的問題。舉例來說，當一高電壓金氧半導體電晶體在最大操作電壓下運作或是承受高電場應力的情況過久，閥值電壓(threshold voltage)亦會因此而有所漂移而造成永久傷害。請參照第2圖，其為當一習知高電壓金氧半導體電晶體在最大運作電壓下操作時，該電晶體之一閥值電壓Vt的變化相對於時間的變化之示意圖。假若在140℃的溫度之下，該習知高電壓金氧半導體電晶體的閘極與汲極均承受20V的最大運作電壓，由圖可知，在24小時之後，其閥值電壓Vt會有大約150%的漂移。
於是，為了製造更加可靠的半導體產品，高電壓金氧半導體電晶體的熱載子問題仍需要解決以及改進，以使得閥值電壓在各種情況下皆能維持穩定。
有鑑於此，本發明提供了一種高電壓金氧半導體(high voltage metal-oxide-semiconductor，HVMOS)電晶體以及相關之製作方法，以改善通道熱載子的問題。
依據本發明之一實施例，其提供了一種高電壓金氧半導體電晶體，包含有：一多晶矽閘極(gate poly)，其中當該高電壓金氧半導體電晶體被啟動時，該多晶矽閘極在一深度方向之一投影區域會產生一通道；兩載子汲取漂移區(carrier drain drift region)，分別位於該多晶矽閘極之該投影區域旁，其中該兩載子汲取漂移區之中至少一載子汲取漂移區具有一漸變雜質(gradient doping)濃度；以及兩載子附加區(carrier plus region)，分別位於該兩載子汲取漂移區之中，其中當該高電壓金氧半導體電晶體被啟動時，該兩載子附加區以及該兩載子汲取漂移區分別藉由該通道與相對應之一方互相連結。
依據本發明之另一實施例，其提供了一種高電壓金氧半導體電晶體的製作方法，包含有：形成一多晶矽閘極；於該多晶矽閘極之一投影區域旁，分別形成兩載子汲取漂移區，其中該兩載子汲取漂移區之中至少一載子汲取漂移區具有一漸變雜質濃度；以及於該兩載子汲取漂移區之中，分別形成兩載子附加區。
請參照第3圖，其為依據本發明之一實施例來製作一高電壓金氧半導體電晶體(high voltage metal-oxide-semiconductor，HVMOS)中之一N型載子汲取漂移區(N-type carrier drain drift region，NDD region)的部分流程示意圖。首先，在一基板SUB上的一多晶矽閘極之預定位置設置一光阻(photo resist) PR，並以一第一傾斜角度θ1(例如：7°到45°之間的其中一角度)來執行一第一N型雜質佈植(doping implantation)以形成一第一佈植區NDD1，如圖中的箭頭所示。接下來，在不同方向分別以一第二傾斜角度θ2與一第三傾斜角度θ3來執行一第二N型雜質佈植與一第三N型雜質佈植，以形成一第二佈植區NDD2。請參照第4圖來進一步了解該第二N型雜質佈植與該第三N型雜質佈植的細節。第4圖為第3圖中該第二N型雜質佈植與該第三N型雜質佈植的前視示意圖，該些箭頭記號分別代表執行該第二N型雜質佈植與該第三N型雜質佈植的角度。最後，在一第四傾斜角度θ4執行一第四N型雜質佈植以形成一第三佈植區NDD3。
請參照第5圖以更加清楚地了解前述的流程。第5圖為第3圖中的製作流程之一俯瞰示意圖。經由第3圖、第4圖以及第5圖，應可清楚地看出上述流程所產生的一載子汲取漂移區(包括有第一佈植區NDD1、第二佈植區NDD2以及第三佈植區NDD3)具有漸變雜質(gradient doping)濃度，在該載子汲取漂移區，雜質的濃度會隨所在區域的不同而漸增或漸減。在此實施例中，假設第一佈植區NDD1具有25%的濃度(亦即，在四次的佈植之中，第一佈植區NDD1僅受到其中一次佈植的處理影響)，而第二佈植區NDD2則會具有75%的濃度(亦即，在四次的佈植之中，第二佈植區NDD2僅受到其中三次佈植的處理影響)，最後，第三佈植區NDD3則會具有100%的濃度(亦即，第三佈植區NDD3會受到完整的四次佈植的處理影響)。
請參照第6圖，其為依據本發明之一實施例所實現之一N型高電壓金氧半導體電晶體N1的結構示意圖。N型高電壓金氧半導體電晶體N1具有由兩個間隔元件(spacer) SP所保護之一多晶矽閘極(gate poly) PO以及分別位在兩載子汲取漂移區(包含有第一佈植區NDD1、第二佈植區NDD2以及第三佈植區NDD3)中的兩載子附加區N+。當該N型金氧半導體電晶體N1承受高電場應力時，該些載子汲取漂移區中的漸次分佈的雜質濃度會減少熱載子的產生，是故閥值電壓的漂移問題便可大幅地獲得改善。
上述之設計流程僅為本發明之一較佳實施例，並非用來限制本發明之範圍。舉例來說，該些具有漸變雜質濃度的載子汲取漂移區亦可應用一熱擴散(thermal diffusion)處理來加以產生，而這一類設計上的變化亦屬於本發明的範疇之內。
總結來說，本發明提供了一種高電壓金氧半導體電晶體以及相關之製作方法，經由製作具有漸變雜質濃度的載子汲取漂移區，可大幅降低熱載子的數量以及通道熱載子的問題，而閥值電壓飄移的問題亦可因而獲得改善。
以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。
N1．．．N型高電壓金氧半導體電晶體
NC．．．通道
NDD．．．載子汲取漂移區
NDD1．．．第一佈植區
NDD2．．．第二佈植區
NDD3．．．第三佈植區
N+．．．載子附加區
PO．．．多晶矽閘極
PR．．．光阻
SP．．．間隔元件
SUB．．．基板
Vt．．．閥值電壓
θ2、θ3．．．角度
第1圖為習知N型金氧半導體電晶體的示意圖。
第2圖為習知高電壓金氧半導體電晶體之閥值電壓變化在該電晶體操作於最大運作電壓之下相對於時間變化的示意圖。
第3圖為依據本發明之一實施例來製作一高電壓金氧半導體電晶體中之一N型載子汲取漂移區的部分流程示意圖。
第4圖為第3圖中該第二雜質佈植與該第三雜質佈植的前視示意圖。
第5圖為第3圖中的製作流程之一俯瞰示意圖。
第6圖為依據本發明之一實施例所實現之一N型高電壓金氧半導體電晶體的結構示意圖。
N1．．．N型高電壓金氧半導體電晶體
PO．．．多晶矽閘極
NDD1．．．第一佈植區
NDD2．．．第二佈植區
NDD3．．．第三佈植區
N+．．．載子附加區
SP．．．間隔元件
SUB．．．基板
Claims (14)
- 一種高電壓金氧半導體(high voltage metal-oxide-semiconductor，HVMOS)電晶體，包含有：一多晶矽閘極(gate poly)，其中當該高電壓金氧半導體電晶體被啟動時，該多晶矽閘極在一深度方向(thickness direction)之一投影(projected)區域會產生一通道(channel)；兩載子汲取漂移區(carrier drain drift region)，分別位於該多晶矽閘極之該投影區域旁；以及兩載子附加區(carrier plus region)，分別位於該兩載子汲取漂移區之中，每個該載子附加區係完全被每個所對應的該載子汲取漂移區包圍，其中當該高電壓金氧半導體電晶體被啟動時，該兩載子附加區以及該兩載子汲取漂移區分別藉由該通道來與相對應之一方互相連結，且至少一該載子汲取漂移區包含一第一區、一第二區以及一第三區從該通道依序設置到該兩載子附加區，至少一該載子汲取漂移區具有一漸變雜質(gradient doping)濃度從該第一區、該第二區往該第三區遞增，且該載子附加區與該第一區、該第二區以及該第三區中的至少兩者直接接觸。
- 如申請專利範圍第1項所述之高電壓金氧半導體電晶體，其中該兩載子汲取漂移區中每一載子汲取漂移區均具有該漸變雜質濃度。
- 如申請專利範圍第1項所述之高電壓金氧半導體電晶體，其中該高電壓金氧半導體電晶體係為一N型(N-type)電晶體。
- 如申請專利範圍第3項所述之高電壓金氧半導體電晶體，其中該兩載子汲取漂移區係為N型汲取漂移(N-type drain drift，NDD)區。
- 如申請專利範圍第3項所述之高電壓金氧半導體電晶體，其中該兩載子附加區係為N型載子附加(N+)區。
- 一種高電壓金氧半導體電晶體(high voltage metal-oxide-semiconductor，HVMOS)的製作方法，包含有：形成一多晶矽閘極(gate poly)，其中當該高電壓金氧半導體電晶體被啟動時，該多晶矽閘極在一深度方向(thickness direction)之一投影(projected)區域會產生一通道(channel)；於該多晶矽閘極之一投影區域旁，分別形成兩載子汲取漂移區(carrier drain drift region)；以及於該兩載子汲取漂移區之中，分別形成兩載子附加區(carrier plus region)，其中每個該載子附加區係完全被每個所對應的該載子汲取漂移區包圍，且至少一該載子汲取漂移區包含一第一區、一第二區以及一第三區從該通道依序設置到該兩載子附加區，至少一該載子汲取漂移區具有一漸變雜質(gradient doping)濃度從該第一區、該第二區往該第三區遞增，且該載子附加區與 該第一區、該第二區以及該第三區中的至少兩者直接接觸。
- 如申請專利範圍第6項所述之製作方法，其中該兩載子汲取漂移區係應用不同傾斜角度之佈植(implantation)所形成。
- 如申請專利範圍第7項所述之製作方法，其中該不同傾斜角度係分佈於7°至45°之間。
- 如申請專利範圍第6項所述之製作方法，其中該兩載子汲取漂移區係應用一熱擴散(thermal diffusion)處理所形成。
- 如申請專利範圍第6項所述之製作方法，其中該兩載子汲取漂移區中每一載子汲取漂移區均具有該漸變雜質濃度。
- 如申請專利範圍第6項所述之製作方法，其中該高電壓金氧半導體電晶體係為一N型(N-type)電晶體。
- 如申請專利範圍第11項所述之製作方法，其中該兩載子汲取漂移區係為N型汲取漂移(N-type drain drift，NDD)區。
- 如申請專利範圍第12項所述之製作方法，其中該兩載子附加區係為N型載子附加(N+)區。
- 如申請專利範圍第7項所述之製作方法，其中應用不同傾斜角度 之佈植以形成該兩載子汲取漂移區的步驟包含有：於一第一傾斜角度執行一第一佈植處理以形成一第一佈植區域；於一第二傾斜角度執行一第二佈植處理以形成一第二佈植區域；於一第三傾斜角度執行一第三佈植處理以形成一第三佈植區域；以及於一第四傾斜角度執行一第四佈植處理以形成一第四佈植區域；其中該第一、第二、第三以及第四傾斜角度均不相同，且該第一、第二、第三以及第四傾斜角度均部分相互重疊在一起以形成具有該漸變雜質濃度之該載子汲取漂移區。
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