TWI492277B

TWI492277B - 具有快速切換能力之溝渠式功率金氧半導體結構之製造方法

Info

Publication number: TWI492277B
Application number: TW100112494A
Authority: TW
Inventors: Yuan Shun Chang; Kao Way Tu
Original assignee: Great Power Semiconductor Corp
Priority date: 2011-04-11
Filing date: 2011-04-11
Publication date: 2015-07-11
Also published as: TW201241883A

Description

具有快速切換能力之溝渠式功率金氧半導體結構之製造方法

本發明係關於溝槽式功率金氧半導體結構與其製造方法，尤指具有快速切換能力之功率金氧半導體結構與其製造方法。

在溝槽式功率金氧半導體的應用領域中，切換速度的表現越來越被重視，此特性的改善，能明顯改善高頻電路操作中的切換損失。第1圖為傳統的n通道閘極溝槽式功率金氧半場效電晶體(MOSFET)結構的剖面圖。此結構由n型汲極區110、P型本體區120、n型源極區130、連結至源極電極的金屬層140、閘極氧化層150以及閘極複晶結構160所構成。

當金氧半場效電晶體(MOSFET)由導通變為斷路時，會產生一反向電流移除金氧半場效電晶體之本體二極體(body diode)內的超額少數載子。由於傳統的溝槽式功率半導體結構，其順向源汲極電壓(V_FSD )會被限制在0.75伏特左右，無法大幅降低，因而需要較長之時間來移除接面多出之超額少數載子，也因此造成功率金氧半場效電晶體(MOSFET)逆向恢復(Reverse Recovery)的能力受限，進而影響功率金氧半場效電晶體(MOSFET)之切換速度，導致切換損失的增加。

因此，尋找一個擁有具有低順向源汲極電壓(V_FSD )之溝槽式功率半導體結構，又不會影響到金氧半場效電晶體(MOSFET)元件的崩潰電壓(BVDSS)與可靠度，以克服習知技術之種種缺失，是本技術領域一個重要之課題。

有鑑於上述問題，本發明之目的是溝渠式功率半導體結構之製造方法，能夠有效地降低順向源汲極電壓(V_FSD )，又不會影響到閘極氧化層的耐壓特性與崩潰電壓(BVDSS)，進而得到具有快速切換能力與低切換功率損耗的溝渠式功率半導體。

為達成上述目的，本發明提供具有快速切換能力之溝渠式功率金氧半導體結構之製造方法。包括：先提供一基材，形成具有一第一導電型之一磊晶層於該基材上。隨後，形成複數閘極結構於該磊晶層內。接下來，形成具有該第一導電型之一淺層摻雜區於該磊晶層之表面，並且形成一遮蔽結構於該淺層摻雜區上。然後，利用該遮蔽結構形成具有一第二導電型之複數井區於該磊晶層內，並且形成具有該第一導電型之一源極摻雜區於井區之表面。其中，該淺層摻雜區之摻雜濃度小於該源極摻雜區之摻雜濃度與該井區之摻雜濃度，且該淺層摻雜區之摻雜濃度大於該磊晶層之摻雜濃度。

本發明並提供具有快速切換能力之溝渠式功率金氧半導體結構。包括：一第一導電型之磊晶層，複數個閘極結構位於該磊晶層內。複數個第二導電型之井區位於該磊晶層內，且相鄰之該井區間存在一距離。一第一導電型之淺層摻雜區，位於相鄰之該井區之間，一遮蔽結構於該第一導電型之淺層摻雜區上。以及，一第一導電型之源極摻雜區，位於該井區之表面。其中，該第一導電型之淺層摻雜區與該源極摻雜區之間，存在一第二導電型之淺層摻雜區。該源極接觸窗之深度大於該源極摻雜區之深度。該第一導電型之淺層摻雜區之摻雜濃度小於該源極摻雜區之摻雜濃度，且該淺層摻雜區之摻雜濃度大於該磊晶層之摻雜濃度。

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。

本發明之主要技術特徵，係在於形成與源極摻雜區相同導電型的一淺層摻雜區於相鄰的井之間。當功率金氧半場效電晶體由導通變為斷路時，此淺層摻雜區可以提供反向電流一條路徑，使得順向源汲極電壓(V_FSD )降低到約0.1伏特~0.2伏特，如此，反向電流能快速將接面多出之超額少數載子快速移除，大幅提升功率金氧半場效電晶體的逆向恢復(Reverse Recovery)能力，於電晶體於切換時，避免功率的過多耗損。本發明之結構，又可以避免影響到閘極氧化層的耐壓特性與崩潰電壓(BVDSS)，得到具有高可靠度且快速切換能力的功率金氧半場效電晶體。

第2A至2E圖顯示本發明溝渠式功率半導體結構之製作方法之第一實施例。如第2A圖所示，先成長一第一導電型之一磊晶層210於基材上(本實施例的第一導電型以n型為例)，隨後，蝕刻出複數個溝槽於磊晶層210內，並於溝槽內依序形成一閘極介電層250與一閘極複晶結構260，以形成閘極結構於磊晶層210內。

接下來，如第2B圖所示，先植入n型摻雜物於磊晶層210內，並進行熱擴散製程，形成一n型擴散區211。隨後，植入摻雜濃度大於磊晶層210與n型擴散區211的n型摻雜物，於磊晶層210之表面，以形成一淺層摻雜區270。上述的n型擴散區211的摻雜濃度大於磊晶層210的摻雜濃度，在此先形成的n型擴散區211，能夠使後續井區形成時，縮短橫向擴散的距離，並留下I_SD (源極至汲極電流)的路徑，此步驟非必要步驟，亦可以省略。上述淺層摻雜區270的掺雜濃度，大於n型擴散區211的摻雜濃度，並且小於井區的摻雜濃度。

接下來，如第2C圖所示，形成一遮蔽結構290於淺層摻雜區270上方，此遮蔽結構290，可用來定義出後續步驟中，井區與源極摻雜區的位置。本發明遮蔽結構290的較佳實施例，是先成長一介電層280於磊晶層210表面，隨後，形成一複晶結構261於介電層280上方。就一較佳實施例而言，可進一步於後續步驟中，將上述的複晶結構261，連結至源極電極，即可於淺層摻雜區270上方，提供一個等效的電位及路徑，有助於將功率金氧半場效電晶體由導通變為斷路時，快速移除超額少數載子。

隨後，如第2D圖所示，利用遮蔽結構290為遮罩，植入第二導電型摻雜物於磊晶層210內，此第二導電型之摻雜物以p型摻雜物為例，隨後，進行熱擴散製程，形成一p型井區300。接下來，植入n型摻雜物於井區內，並進行熱擴散製程。因為n型摻雜物的摻雜濃度大於p型井區300，因此會形成一n型源極摻雜區310於井區300內。於熱擴散步驟後，n型摻雜物與p型摻雜物會擴散到遮蔽結構290下方，因此形成第2D圖中井區300與源極摻雜區310的位置。本實施例中，因為井區300的濃度大於原本形成於磊晶層210表面之淺層摻雜區270(見第2C圗中)的濃度，因此會形成淺層摻雜區270’，與一p型淺層摻雜區320於源極摻雜區310與淺層摻雜區270’之間，此p型淺層摻雜區320位於井區300的表面，且其p型摻雜濃度小於井區300的摻雜濃度。

接下來，如第2E圖所示，形成一介電結構330於閘極結構上，並且藉由介電結構330與遮蔽結構290，形成一源極接觸窗340，以裸露出井區300與源極摻雜區310。隨後，於源極接觸窗340的下方，植入p型摻雜物，用以形成一接觸摻雜區350。最後，覆蓋一層源極金屬層360於接觸窗340與遮蔽結構290的上方。由於此源極金屬層360係同時連接源極摻雜區310與複晶結構261，因此，複晶結構261與源極為等電位。上述的接觸摻雜區350，可用來降低源極金屬層360與井區300的接觸電阻，此步驟非必要步驟，亦可以省略。本發明結構中，當功率金氧半場效電晶體由導通變為斷路時，此淺層摻雜區270’與p型淺層摻雜區320可以作為反向電流之一條通道，使得順向源汲極電壓(V_FSD )降低到約0.1伏特~0.2伏特，以提升功率金氧半場效電晶體的逆向恢復(Reverse Recovery)能力。

第3圖顯示本發明溝渠式功率半導體結構之製作方法之第二實施例。本實施例與第一實施例差異的地方，在於形成介電結構530於閘極結構上方時，同時形成另一介電結構531於複晶結構461上方。此介電結構531之存在可以在複晶結構461兩側留下較大範圍的源極摻雜區510。最後，再將複晶結構461以電性連結到源極電極。其餘步驟，皆與第一實施例相同，在此不予贅述。

第4A至4C圖顯示本發明溝渠式功率半導體結構之製作方法之第三實施例。本實施例與第一實施例差異的地方在於，將形成淺層摻雜區670的步驟，提前於形成閘極結構之前。如第4A圖所示，形成磊晶層610於基材上之步驟後，先形成n型擴散區611於磊晶層610內(此步驟亦可省略)，隨後，形成淺層摻雜區670於磊晶層之表面。

接下來，如第4B圖所示，先形成一層保護層770於磊晶層610的表面，並且定義出閘極結構的位置，隨後，製作出閘極溝槽780於磊晶層610內，與淺層摻雜區671的區域。

接下來，如第4C圖所示，形成介電層680於淺層摻雜區671上方，並且同時形成閘極介電層650於閘極溝槽780內，接下來，同時沉積一多晶矽層(未圖示)於介電層680與閘極介電層650上方，隨後，施以微影蝕刻製程，將多餘之多晶矽層除去，最後留下複晶結構661與閘極複晶結構660。本實施例為同時製作出閘極結構與遮蔽結構690，不過，亦可以將上述的兩個結構分開形成。於上述完成淺層摻雜區671的步驟後，可施以低溫的製程，進行後續的製程步驟，如此能夠使得淺層摻雜區671維持於磊晶層表面，避免過度擴散，得到擁有較佳特性的淺層摻雜區671。

如上所述，本發明完全符合專利三要件：新穎性、進步性和產業上的利用性。本發明在上文中已以較佳實施例揭露，然熟習本項技術者應理解的是，該實施例僅用於描繪本發明，而不應解讀為限制本發明之範圍。應注意的是，舉凡與該實施例等效之變化與置換，均應設為涵蓋於本發明之範疇內。因此，本發明之保護範圍當以下文之申請專利範圍所界定者為準。

先前技術：

110‧‧‧n型汲極區

120‧‧‧P型本體區

130‧‧‧n型源極區

140‧‧‧金屬層

150‧‧‧閘極氧化層

160‧‧‧閘極複晶結構

本發明：

210,610‧‧‧磊晶層

211,611‧‧‧n型擴散區

250,650‧‧‧閘極介電層

260,660‧‧‧閘極複晶結構

261,461,661‧‧‧複晶結構

270,270’,670,671‧‧‧淺層摻雜區

280,680‧‧‧介電層

290,690‧‧‧遮蔽結構

300‧‧‧井區

310,510‧‧‧源極摻雜區

320‧‧‧p型淺層摻雜區

330,530‧‧‧介電結構

531‧‧‧介電結構

340,540‧‧‧源極接觸窗

350‧‧‧接觸摻雜區

360‧‧‧源極金屬層

770‧‧‧保護層

780‧‧‧閘極溝槽

第1圖顯示傳統的n通道閘極溝槽式功率金氧半場效電晶體(MOSFET)結構的剖面圖。

第2A至2E圖顯示本發明溝渠式功率半導體結構之製作方法之第一實施例。

第3圖顯示本發明溝渠式功率半導體結構之製作方法之第二實施例。

第4A至4C圖顯示本發明溝渠式功率半導體結構之製作方法之第三實施例。

210‧‧‧磊晶層

270’‧‧‧淺層摻雜區

290‧‧‧遮蔽結構

300‧‧‧井區

310‧‧‧源極摻雜區

320‧‧‧p型淺層摻雜區

Claims

一種具有快速切換能力之溝渠式功率金氧半導體結構之製造方法，包括以下步驟：提供一基材；形成具有一第一導電型之一磊晶層於該基材上；形成複數閘極結構於該磊晶層內；形成具有該第一導電型之一淺層摻雜區於該磊晶層之表面；形成一遮蔽結構於該淺層摻雜區上；利用該遮蔽結構形成具有一第二導電型之複數井區於該磊晶層內；以及利用該遮蔽結構形成具有該第一導電型之一源極摻雜區於井區之表面；其中，該淺層摻雜區之摻雜濃度小於該源極摻雜區之摻雜濃度與該井區之摻雜濃度，該淺層摻雜區之摻雜濃度大於該磊晶層之摻雜濃度。
如申請專利範圍第1項之一種具有快速切換能力之溝渠式功率金氧半導體結構之製造方法，其中，形成該淺層摻雜區之步驟係於形成該複數閘極結構之前。
如申請專利範圍第2項之一種具有快速切換能力之溝渠式功率金氧半導體結構之製造方法，其中，形成該遮蔽結構於該淺層摻雜區上的步驟與形成複數閘極結構於該磊晶層內的步驟係同時完成。
如申請專利範圍第1項之一種具有快速切換能力之溝渠式功率金氧半導體結構之製造方法，其中，該遮蔽結構包括：一介電層；以及一複晶層，位於該介電層之上。
如申請專利範圍第1項之一種具有快速切換能力之溝渠式功率金氧半導體結構之製造方法，更包括：形成一第一介電結構於該閘極結構上；利用該遮蔽結構與該第一介電結構形成一源極接觸窗於該磊晶層內；形成一第二導電型之接觸摻雜區於該源極接觸窗下方；以及形成一導電層於該源極接觸窗與該遮蔽結構上；其中，該源極接觸窗之深度大於該源極摻雜區之深度。
如申請專利範圍第5項之一種具有快速切換能力之溝渠式功率金氧半導體結構之製造方法，其中，於形成該第一介電結構之步驟，同時形成一第二介電結構於該遮蔽結構上。
一種具有快速切換能力之溝渠式功率金氧半導體結構，包括：一第一導電型之磊晶層；複數個閘極結構，位於該磊晶層內；複數個第二導電型之井區，位於該磊晶層內，且相鄰之該井區間存在一距離；一第一導電型之淺層摻雜區，位於相鄰之該井區之間；一遮蔽結構，位於該第一導電型之淺層摻雜區上；以及一第一導電型之源極摻雜區，位於該井區之表面；其中，該第一導電型之淺層摻雜區之摻雜濃度小於該源極摻雜區之摻雜濃度，該淺層摻雜區之摻雜濃度大於該磊晶層之摻雜濃度。
如申請專利範圍第7項之一種具有快速切換能力之溝渠式功率金氧半導體結構，更包括：一第二導電型之淺層摻雜區，位於該第一導電型之淺層摻雜區與該源極摻雜區之間。
如申請專利範圍第7項之一種具有快速切換能力之溝渠式功率金氧半導體結構，其中，該第一導電型之淺層摻雜區之深度小於該源極摻雜區之深度。
如申請專利範圍第7項之一種具有快速切換能力之溝渠式功率金氧半導體結構，其中，該遮蔽結構包括：一介電層；以及一複晶層，位於該介電層之上。
如申請專利範圍第7項之一種具有快速切換能力之溝渠式功率金氧半導體結構，更包括：一第一介電結構位於該閘極結構上；一源極接觸窗於該磊晶層內；一導電層於該源極接觸窗與該遮蔽結構上；以及一第二導電型之接觸摻雜區，位於該源極接觸窗下方，其摻雜濃度大於該井區之摻雜濃度。
如申請專利範圍第10項之一種具有快速切換能力之溝渠式功率金氧半導體結構，更包括：一第二介電結構位於該複晶層上，其中該複晶層電性連結至一源極電極。