TWI470798B - 金氧半導體晶片及其製作方法 - Google Patents

Description

金氧半導體晶片及其製作方法

本發明係關於一種金氧半導體晶片及其製作方法，尤其是一種具有垂直導通電流的金氧半導體晶片及其製作方法。

金氧半導體元件依據其電流走向之不同，可區分為平面式(planar)與垂直式(vertical)兩種。在平面式金氧半導體元件中，源極與汲極係設置於半導體底材的同一個平面上，以產生水平方向之導通電流。相較之下，垂直式金氧半導體元件的源極與汲極則是分別設置於半導體底材之上表面與下表面，以產生垂直方向的導通電流。

對於水平式金氧半導體元件而言，其耐壓係取決於源極與汲極間之通道寬度。相較之下，垂直式金氧半導體元件之耐壓則是取決於半導體底材之摻雜濃度。因此，水平式金氧半導體元件往往會在半導體底材上佔據較大之面積，而不利於元件密度的提高。在垂直式金氧半導體元件中，依據其閘極設置之不同，又可區分為水平式閘極(planar gate)與溝渠式閘極(trenched gate)等不同類型。其中，溝渠式閘極金氧半導體元件將閘極設置於半導體底材表面之溝渠內，以縮小閘極在半導體底材表面所佔據之面積，尤其有利於提高元件密度。

第1圖係一典型垂直式金氧半導體元件之示意圖。圖中係以溝渠式閘極金氧半導體元件為例。如圖中所示，金氧半導體元件係形成於一半導體底材110上。此半導體底材110係由一重摻雜之半導體基板120與一輕摻雜之磊晶層140所構成。其中，半導體基板120之下表面覆蓋有金屬層130，作為此金氧半導體元件之汲極。磊晶層140內具有一溝渠145。金氧半導體元件之閘極160係設置於此溝渠145內，並且利用一閘極氧化層162與磊晶層140分隔。井區150係位於閘極160之兩側。源極摻雜區170係設置於井區150內，並利用閘極氧化層162與閘極160分隔。在閘極160上方覆蓋有一介電層180。源極金屬層190則是位於磊晶層140與介電層180之上方，並且電性連接至源極摻雜區170與井區150。

值得注意的是，垂直式金氧半導體元件之源極與閘極係位於半導體底材110之上表面，汲極則是位於半導體底材110之下表面。在封裝過程中，源極與閘極的接點可製作於晶片之正面，但是汲極的接點則必須製作於晶片之背面，而會造成封裝製程的困難，同時也對晶片之應用造成不必要的限制。

本發明之目的在於提供一種金氧半導體晶片，其閘極、源極與汲極設置於半導體底材之同一側表面，以利於後續之封裝製程與應用上的便利性。

本發明的其他目的和優點可以從本發明所揭露的技術特徵中得到進一步的了解。

依據本發明之一實施例，本發明提供一種金氧半導體晶片。此金氧半導體晶片包括一重摻雜之半導體基板、一磊晶層、至少一元件與一金屬圖案層。其中，重摻雜之半導體基板係構成一汲極摻雜區。磊晶層係於半導體基板上。此磊晶層之上表面定義有一主動區、一終端區與一切割線保留區，並且，在切割線保留區內具有一蝕刻壁，延伸至半導體基板之一上表面。此半導體基板之上表面的邊緣區域係曝露於外。元件係位於主動區，並具有一閘極與一源極。金屬圖案層係位於磊晶層與半導體基板上，包括一閘極接觸墊、一源極接觸墊與一汲極金屬圖案，其中，閘極接觸墊係電連接閘極，源極接觸墊係電連接源極，至少部分的汲極金屬圖案係位於半導體基板之上表面。

依據本發明之一實施例，本發明提供一種金氧半導體晶片之製作方法。首先，提供一重摻雜之半導體基板。隨後，形成一磊晶層於半導體基板之上表面。此磊晶層之上表面定義有複數個主動區、複數個終端區與一切割線保留區，其中，終端區係環繞相對應之主動區，切割線保留區係環繞終端區並定義岀各個晶片的範圍。接下來，形成至少一元件於主動區。此元件包括一閘極與一源極。然後，形成至少一深溝槽於切割線保留區。此深溝槽至少暴露部分之半導體基板的上表面。隨後，形成一金屬圖案層於磊晶層與半導體基板上。此金屬圖案層至少具有一閘極接觸墊、一源極接觸墊與一汲極金屬圖案。其中，閘極接觸墊與源極接觸墊係位於主動區，並且分別電連接元件之閘極與源極。至少部分的汲極金屬圖案係位於半導體基板之上表面。然後，沿著切割線保留區形成一切割線，將半導體基板分割成複數個晶片。

在本發明之一實施例中，汲極金屬圖案係由磊晶層之上表面延伸至半導體基板之上表面。在本發明之另一實施例中，汲極金屬圖案係完全位於半導體基板之上表面。

由於本發明之金氧半導體晶片之製作方法在形成源極接觸墊與閘極接觸墊的步驟中，同時形成汲極金屬圖案於半導體基板或是磊晶層的上表面，因此，本發明不需要在半導體基板的下表面另外製作一汲極金屬層，同時也不需要另外的微影蝕刻步驟來定義汲極金屬圖案，而可以降低製作成本。其次，汲極金屬圖案、源極接觸墊與閘極接觸墊設置於金氧半導體晶片之同一側，也有利於後續的封裝與裝配程序。

此外，傳統之金氧半導體晶片的電流路徑，係由位於磊晶層上表面之源極垂直向下延伸，穿過磊晶層與半導體基板後，直抵位於半導體基板下表面之汲極金屬層。相較之下，本發明之金氧半導體晶片的電流路徑雖然也是由位於磊晶層上表面的源極向下延伸，不過，電流在流經磊晶層後，其流動方向會改為水平方向，朝向位於半導體基板邊緣區域的汲極金屬圖案。對於寬度與厚度較為接近之小尺寸晶片而言，本實施例之金氧半導體晶片的設計有助於縮短源極至汲極之電流路徑長度，以降低導通耗損。

以上的概述與接下來的詳細說明皆為示範性質，是為了進一步說明本發明的申請專利範圍。而有關本發明的其他目的與優點，將在後續的說明與圖示加以闡述。

本發明提供一種金氧半導體晶片及其製作方法，其利用晶圓(wafer)切割所需預留的區域，製作深溝槽曝露重摻雜之半導體基板，使後續製作於晶片上表面之金屬圖案層可以透過此深溝槽電連接至半導體基板，以達到將汲極製作於晶片正面之目的。

第2A至2E圖顯示本發明金氧半導體晶片之製作方法之第一實施例。如第2A圖所示，首先，提供一重摻雜之半導體基板220。隨後，形成一磊晶層240於半導體基板220之上表面。此磊晶層240之導電型與半導體基板220相同，不過，其磊晶層240之摻雜濃度遠低於半導體基板220。在磊晶層240的上表面定義有複數個主動區A3、複數個終端區A2與一切割線(scribe line)保留區A1。這些主動區A3係以陣列方式排列於磊晶層240之上表面。終端區A2係環繞相對應之主動區A3。切割線保留區A1係環繞終端區A2以定義岀各個晶片的範圍。切割線保留區A1之空間係預留給後續之晶圓切割製程使用。

接下來，形成至少一元件(cell)於主動區A3之磊晶層240內。此元件包括一閘極(未圖示)與一源極(未圖示)。關於此元件的製作步驟，可採用一般之溝渠式金氧半導體元件或是平面式金氧半導體元件的製程。然後，如第2B圖所示，形成至少一深溝槽260於切割線保留區A1以暴露至少部分之半導體基板220的上表面。在本實施例中，深溝槽260之寬度接近於切割線保留區A1之寬度。

隨後，如第2C圖所示，沿著磊晶層240與半導體基板220之表面起伏，形成一金屬層245於磊晶層240與半導體基板220上。然後，如第2D圖所示，以微影蝕刻方式去除位於磊晶層240上方之部分金屬層245，以形成金屬圖案層250於磊晶層240與半導體基板220上。

此金屬圖案層250具有至少一閘極接觸墊252、至少一源極接觸墊254與至少一汲極金屬圖案255。其中，閘極接觸墊252與源極接觸墊254係位於主動區A3內，並且分別電連接至位於其下方之元件的閘極與源極。至少部分的汲極金屬圖案255係位於半導體基板220之上表面以電連接至半導體基板220。

如第2D圖所示，本實施例在形成金屬圖案層250之步驟中，僅去除位於磊晶層上方之部分金屬層245，而完全保留位於半導體基板220上以及覆蓋於磊晶層240側壁之部分金屬層245作為汲極金屬圖案255。不過，本發明並不限於此。依據設計上的需求，此微影蝕刻步驟亦可去除部份位於半導體基板220上或是覆蓋於磊晶層240側壁之金屬層245。

其次，在形成金屬圖案層250之步驟中可同時形成一汲極接觸墊(未圖示)於汲極金屬圖案255中，以通入汲極電壓。又，依據設計上的需求，此汲極接觸墊可以形成於半導體基板220之上表面或是磊晶層240之上表面。

相較於傳統之金氧半導體晶片必須在半導體基板之下表面製作一汲極金屬層，本實施例則是在形成源極接觸墊254與閘極接觸墊252的步驟中，同時形成汲極金屬圖案255。至於半導體基板220之下表面，則可覆蓋一絕緣層(未圖示)提供絕緣保護。

接下來，如第2E圖所示，沿著切割線保留區A3形成一切割線295，將半導體基板220分割成複數個區塊。在第2B圖之製作步驟中所形成之深溝槽260的寬度必須大於切割線295的寬度，以確保經此晶圓切割步驟後，仍有部分之汲極金屬圖案255覆蓋於半導體基板220之上表面。

相較於傳統之金氧半導體晶片之製作方法必須在半導體基板之下表面另外製作一汲極金屬層，本實施例之金氧半導體晶片的製作方法省略汲極金屬層之製作，改以位於半導體基板220上表面之汲極金屬圖案255取代之。又，如第2C與2D圖所示，位於半導體基板220與磊晶層240上之汲極金屬圖案255，可以與閘極金屬墊252以及源極金屬墊254利用同一道微影蝕刻製程定義出來。因此，本實施例不需要增加額外的微影蝕刻製程以定義汲極金屬圖案255。其次，為了進行晶圓切割步驟，在各個晶片的交界處本就需要預留足夠寬度的切割線保留區A1。本實施例之製作方法直接利用此切割線保留區A1之空間製作汲極金屬圖案255，更可有效利用晶片之表面空間，節省材料成本。

第3A與3B圖係本發明之金氧半導體晶片200一較佳實施例之剖面圖與俯視圖。其中，第3A圖係沿著第3B圖之B-B剖面的剖面示意圖。如第3A圖所示，此金氧半導體晶片200包括一重摻雜之半導體基板220、一磊晶層240、至少一金氧半導體元件(未圖示)與一金屬圖案層250。其中，重摻雜之半導體基板220係構成一汲極摻雜區。半導體基板220的邊緣係由切割線定義出來。磊晶層240係於半導體基板220上。

同時請參照第3B圖，此磊晶層240之上表面定義有一主動區A3、一終端區A2與一切割線保留區A1。其中，終端區A2係環繞主動區A3，切割線保留區A1係環繞終端區A3。在磊晶層240邊緣之蝕刻壁242係位於切割線保留區A1，並且係延伸至半導體基板220之上表面，而與半導體基板220之邊緣區域構成一階梯狀結構。半導體基板220之上表面的邊緣區域則是曝露於外。

金氧半導體元件係位於主動區A3內。金屬圖案層250係位於磊晶層240與半導體基板220上，並具有一閘極接觸墊252、一源極接觸墊254與一汲極金屬圖案255。其中，閘極接觸墊252係電連接至金氧半導體元件之閘極，源極接觸墊254係電連接至金氧半導體元件之源極，至少部分的汲極金屬圖案255係位於半導體基板220之上表面。

如第3B圖所示，在本實施例中，汲極金屬圖案255係環繞終端區A2，並且是由磊晶層240之上表面，沿著深溝槽260之側邊，延伸至半導體基板220之上表面。值得注意的是，此汲極金屬圖案255必須設置於終端區A2之外側，並與主動區A3保持足夠的距離，以免對於主動區A3之元件的運作造成干擾。

其次，在第3B圖之實施例中，終端區A2係被汲極金屬圖案255所包圍。並且，汲極金屬圖案255係由磊晶層240之上表面延伸至半導體基板220之上表面。不過，本發明並不限於此。依據實際上的需求，如第4圖所示，汲極金屬圖案355可以完全位於半導體基板320之上表面，或是僅有部分延伸至磊晶層340之上表面。

由於本發明之金氧半導體晶片200,300具有汲極金屬圖案255,355位於半導體基板220,320與磊晶層240,340之上表面，以通入汲極電壓，因此，在半導體基板220,320之下表面不需另外製作一汲極金屬層。其次，傳統之金氧半導體晶片的電流路徑是由磊晶層上表面之源極垂直向下穿過磊晶層與半導體基板。相較之下，如第3A圖所示，本實施例之金氧半導體晶片200的電流路徑雖然也是由位於磊晶層240上表面之源極垂直向下，不過，在穿過磊晶層240之後，電流會改為水平方向，朝向位於半導體基板220邊緣區域的汲極金屬圖案255流動。

對於小尺寸晶片來說，晶片之寬度與厚度的尺寸較為接近。也就是說，磊晶層240之中央至邊緣的距離d1容易小於半導體基板220之厚度t。而在磊晶層240,340之中央至邊緣的距離d1小於半導體基板220,320之厚度t，或者是切割線保留區A1與主動區A3之中央之距離小於半導體基板220,320之厚度的情況下，相較於傳統之金氧半導體晶片，本發明之金氧半導體晶片200,300可以有效縮短源極至汲極之電流路徑長度，降低導通耗損。

又，由於本發明之金氧半導體晶片200,300,400的閘極、源極與汲極的接點係設置於同一側，因此，如第5圖所示，就本發明之一較佳實施例而言，在半導體基板420遠離磊晶層440之一側可設置一散熱結構500，透過一絕緣層490與半導體基板420相連接，以降低金氧半導體晶片之工作溫度，提升其工作效率。此金氧半導體晶片400可採用覆晶(flip-chip)方式，直接利用位於磊晶層440表面之源極接觸墊454、閘極接觸墊452與汲極接觸圖案455與電路板(未圖示)電性連接。金氧半導體晶片400運作所產生之高熱，則可透過磊晶層440與半導體基板420向上排除。

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。

110．．．半導體底材

120．．．半導體基板

140．．．輕摻雜之磊晶層

130．．．金屬層

140．．．磊晶層

145．．．溝渠

160．．．閘極

162．．．閘極氧化層

150．．．井區

170．．．源極摻雜區

180．．．介電層

190．．．源極金屬層

200,300,400．．．金氧半導體晶片

220,320,420．．．半導體基板

240,340,440．．．磊晶層

242．．．蝕刻壁

A3．．．主動區

A2．．．終端區

A1．．．切割線保留區

260．．．深溝槽

245．．．金屬層

250．．．金屬圖案層

252,352,452．．．閘極接觸墊

254,354,454．．．源極接觸墊

255,355,455．．．汲極金屬圖案

295．．．切割線

500．．．散熱結構

490．．．絕緣層

第1圖係一典型垂直式金氧半導體元件之示意圖。

第2A至2E圖顯示本發明金氧半導體晶片之製作方法之一較佳實施例。

第3A與3B圖係本發明之金氧半導體晶片一實施例之剖面與俯視示意圖。

第4圖係本發明之金氧半導體晶片另一實施例之剖面示意圖。

第5圖係本發明之金氧半導體晶片又一實施例之剖面示意圖。

200．．．金氧半導體晶片

220．．．半導體基板

240．．．磊晶層

242．．．蝕刻壁

A3．．．主動區

A2．．．終端區

A1．．．切割線保留區

252．．．閘極接觸墊

254．．．源極接觸墊

255．．．汲極金屬圖案

Claims (18)

1. 一種金氧半導體晶片，包括：一重摻雜之半導體基板，構成一汲極摻雜區；一磊晶層，於該半導體基板上，該磊晶層之上表面定義有一主動區、一終端區與一切割線(scribe line)保留區，並具有一蝕刻壁位於該切割線保留區，延伸至該半導體基板之一上表面，並且，該半導體基板之該上表面之一邊緣區域係曝露於外；至少一元件，位於該主動區，該元件具有一閘極與一源極；以及一金屬圖案層，位於該磊晶層與該半導體基板上，具有一閘極接觸墊、一源極接觸墊與一汲極金屬圖案，其中，該閘極接觸墊係電連接該閘極，該源極接觸墊係電連接該源極，至少部分該汲極金屬圖案係位於該半導體基板之該上表面並延伸至暴露於外之該邊緣區域，該終端區環繞該主動區，該汲極金屬圖案設置於該終端區的外側，並與該主動區保持距離。
2. 如申請專利範圍第1項之金氧半導體晶片，其中，該汲極金屬圖案係由該磊晶層之該上表面延伸至該半導體基板之該上表面。
3. 如申請專利範圍第1項之金氧半導體晶片，其中，該汲極金屬圖案完全位於該半導體基板之該上表面。
4. 如申請專利範圍第1項之金氧半導體晶片，其中，該汲極金屬圖案係環繞該終端區。
5. 如申請專利範圍第1項之金氧半導體晶片，更包括一絕緣層，位於該半導體基板之一下表面。
6. 如申請專利範圍第5項之金氧半導體晶片，更包括一金屬散熱結構，位於該絕緣層之下方。
7. 如申請專利範圍第1項之金氧半導體晶片，其中，該磊晶層之中央至邊緣之距離不大於該半導體基板之厚度。
8. 如申請專利範圍第1項之金氧半導體晶片，其中，該磊晶層之導電型與該半導體基板相同，該磊晶層之摻雜濃度小於該 半導體基板。
9. 一種金氧半導體晶片之製作方法，包括：提供一重摻雜之半導體基板；形成一磊晶層於該半導體基板之上表面，該磊晶層之上表面定義有複數個主動區、複數個終端區與一切割線保留區，其中，該終端區係環繞該相對應之主動區，該切割線保留區係環繞該些終端區；形成至少一元件於該主動區，該元件包括一閘極與一源極；形成至少一深溝槽於該切割線保留區，該深溝槽至少暴露部分該半導體基板之該上表面；形成一金屬圖案層於該磊晶層與該半導體基板上，該金屬圖案層至少具有一閘極接觸墊、一源極接觸墊與一汲極金屬圖案，該閘極接觸墊與該源極接觸墊係位於該主動區，並且分別電連接該閘極與該源極，至少部分該汲極金屬圖案係位於該半導體基板之該上表面並延伸至暴露於外之該邊緣區域，該汲極金屬圖案設置於該終端區的外側，並與該主動區保持距離；以及沿著該切割線保留區形成一切割線，將該半導體基板分割成複數個區塊並確保至少部分該汲極金屬圖案延伸至暴露於外之該邊緣區域。
10. 如申請專利範圍第9項之金氧半導體晶片之製作方法，其中，形成該金屬圖案層之步驟包括：形成一金屬層於該磊晶層與該半導體基板上；以及以微影蝕刻方式，至少去除位於該磊晶層上方之部分該金屬層，以形成該閘極接觸墊與該源極接觸墊於該磊晶層上。
11. 如申請專利範圍第10項之金氧半導體晶片之製作方法，其中，去除位於該磊晶層上方之部分該金屬層之步驟，同時去除位於該半導體基板上之部分該金屬層。
12. 如申請專利範圍第9項之金氧半導體晶片之製作方法，其中，該深溝槽之寬度大於切割線之寬度。
13. 如申請專利範圍第9項之金氧半導體晶片之製作方法，其 中，該些主動區係以矩陣方式分布於該磊晶層之該上表面。
14. 如申請專利範圍第9項之金氧半導體晶片之製作方法，其中，該汲極金屬圖案係由該磊晶層之該上表面延伸至該半導體基板之該上表面。
15. 如申請專利範圍第9項之金氧半導體晶片之製作方法，其中，該汲極金屬圖案完全位於該半導體基板之該上表面。
16. 如申請專利範圍第9項之金氧半導體晶片之製作方法，其中，該汲極金屬圖案係包圍該終端區。
17. 如申請專利範圍第9項之金氧半導體晶片之製作方法，更包括形成一絕緣層於該半導體基板之一下表面。
18. 如申請專利範圍第9項之金氧半導體晶片之製作方法，其中，該切割線保留區與該主動區之中央之距離小於該半導體基板之厚度。