TWI497608B - Gold - oxygen Half - efficiency Electro - crystal Structure and Process Method - Google Patents

Description

溝渠式井區電場屏護功率金氧半場效電晶體結構及製程方法

本發明係關於一種電晶體結構及製程方法，特別的是在功率金氧半場效電晶體結構中形成電場屏護井區之溝渠式井區電場屏護功率金氧半場效電晶體結構及製程方法。

習知技術中，功率金氧半場效電晶體(Power MOSFET)係已被廣泛使用在許多的元件與產品的應用上，例如分離元件、光電子元件、電源控制元件、直流對直流轉換器、馬達驅動等。然而，上述該等應用皆需要特殊的崩潰電壓、低導通電阻、高開關切換速度、和廣大的安全操作區域。此外，在大部分的應用中，該功率金氧半場效電晶體係需要能夠在有電感性負載的情形發生時被導通與截止，而當功率金氧半場效電晶體從導通狀態被切換至截止狀態時，該感應負載會在源極端與汲極端之間感應出一電磁力，並加快雪崩崩潰電流的增加速度，而使得當寄生的雙極性電晶體又再度導通時，該半導體元件便會遭到毀損。

目前的功率電晶體產品係不斷的追求低導通電阻(low Rds-on)，故藉由不斷的縮短基體深度(Pwell junction depth)及通道長度(Channel length)來達成形成低導通電阻的目的。

然而，在進行縮短基體深度及通道長度的同時，將會衍伸出汲極漏電流(Drain leakage)隨之變大或該電晶體的崩潰電壓隨之下降等問題。

故有需要提供一種新的元件結構除了可以實現淺接面(shallow junction)達成低導通電阻的目的外，又能同時解決高崩崩潰電壓及雪崩能量等的問題。

本發明之一目的係提供溝渠式井區電場屏護功率金氧半場效電晶體結構，係具有第一屏護井區與第二屏護井區，用以增加崩潰電壓耐受度的與降低漏電流的損失。

本發明之另一目的係提供上述之電晶體結構，且在該閘極溝渠與該源極溝渠之至少其一者的側壁與底部形成絕緣層，並且在該絕緣層上選擇性填充多晶矽層以形成閘極電極與源極電極。

本發明之又一目的係提供上述之電晶體結構，係藉由調整源極溝渠或閘極溝渠的溝渠深度，用以形成淺溝渠或深溝渠而供內嵌源極電極、閘極電極或屏護電極。

本發明之再一目的係提供上述之電晶體結構，係具有彼此分離的複數多晶矽電極(例如閘極電極與屏護電極)，用以達到高耐壓與降低電場之目的。

本發明之又一目的係提供上述之電晶體結構，係提供多階溝渠結構，例如二階溝渠溝渠係進一步形成具有上方階溝渠結構寬度較寬而下方階溝渠結構較窄的多階寬窄結構的溝渠結構。

本發明之又一目的係提供溝渠式井區電場屏護功率金氧半場效電晶體的製程方法，其透過佈值第一離子至磊晶層以形成第一屏護井區，以及透過佈值第二離子鄰近該磊晶層之源極溝渠以形成第二屏護井區，用以使得該功率金氧半場效電晶體具有高崩潰電壓耐受度與低漏電流的功效。

為達到上述目的或其它目的，本發明係提供一種溝渠式井區電場屏護功率金氧半場效電晶體結構，其包含基板、磊晶層、第一屏護井區、第二屏護井區、基體接面、介電質層。該磊晶層係設置於該基板之一側，且該磊晶層具有閘極溝渠與源極溝渠，且該等溝渠結構之側壁與底部之其一者係填充絕緣層；該第一屏護井區係佈植在該磊晶層中，且該第一屏護井區係包覆該閘極溝渠與該源極溝渠；該第二屏護井區係佈值於該磊晶層中，且該第二屏護井區係鄰近、部分包覆或包覆該源極溝渠；該基體接面係設置於該第二屏護井區之一側，且該基體接面係具有鄰近該源極溝渠之一重掺雜區；該源極接面係設置於該基體接面之一側，且該源極接面具有對應該源極溝渠的源極接點區；該介電質層係於該源極接面之一側，且該介電質層對應該閘極溝渠設置。

為達到上述目的或其它目的，本發明係提供一種溝渠式井區電場屏護功率金氧半場效電晶體結構的製程方法，其方法步驟包含：(a)提供基板，且於該基板上堆疊磊晶層；(b)形成氧化層於該磊晶層之一側，且透過具有圖案化的第一光阻層，蝕刻該氧化層與該磊晶層之至少一部份以形成具有閘極與源極的複數溝渠結構，其中該等溝渠係分別地形成淺溝渠或深溝渠之至少其一者；(c)佈值第一離子至該磊晶層，以形成第一屏護井區(shielding junction)；(d)佈值第二離子鄰近該磊晶層之該源極溝渠，以形成第二屏護井區；(e)填入絕緣層至該磊晶層之表面與該等溝渠結構之側壁或底部；(f)沉積多晶矽層至該等溝渠結構之至少其一者；(g)形成基體接面與源極接面於該第二屏護井區之一側；(h)沉積介電質層，且透過具有圖案化的第二光阻層，用以形成源極接點區；(i)摻雜重離子並透過該源極接點區，以在該等溝渠結構之間形成重掺雜區。

與習知技術相較，本發明之溝渠式井區電場屏護功率金氧半場效電晶體結構係藉由縮短基體接面的深度用以實現淺接面(shallow junction)，除可用以達成低導通電阻外，亦能達到高崩潰電壓及雪崩能量。

為充分瞭解本發明之目的、特徵及功效，茲藉由下述具體之實施例，並配合所附之圖式，對本發明做一詳細說明，說明如後：

參考第1a圖，係本發明實施例之溝渠式井區電場屏護功率金氧半場效電晶體結構示意圖。於本實施例中，溝渠式井區電場屏護功率金氧半場效電晶體結構，係由複數個單位晶胞10所組成，且該等單位晶胞10之任其一者的結構係包含基板12、磊晶層14、第一屏護井區16、第二屏護井區18、基體接面20與源極接面22。其中，該基板12的材質係可舉例為N⁺ 型的紅磷基板(Red phosphorous Substrate)。該磊晶層14係設置於該基板12之一側，且該磊晶層14具有閘極溝渠24與源極溝渠26，且該閘極溝渠24與源極溝渠26結構的側壁及/或底部係分別地具有絕緣層(SiO2)32，例如該磊晶層14之材質係可為N-型磊晶層(N-type Epitaxy layer)。

該第一屏護井區(shielding junction)16係佈值於該磊晶層14中，且該第一屏護井區16係包覆該閘極溝渠24與該源極溝渠26。於此，該第一屏護井區16係以N型屏護井區為例說明。

該第二屏護井區18係佈值於該磊晶層14中，且該第二屏護井區18係包覆該源極溝渠30。於此，該第二屏護井區18係以P型屏護井區為例說明。於其它實施例中，該第二屏護井區18亦可部分包覆或完全包覆該源極溝渠26。

舉例而言，該第二屏護井區18係可藉由多次性延伸佈植(multiple and deep)，以形成具有多層之P型屏護井區18’的結構，如第3圖所示；以及，該第二屏護井區18係可藉由局部性佈植及/或未驅入的情形下，以形成在該第一屏護井區16之P型屏護井區18”的結構，如第4圖所示；以及，該第二屏護井區18係可藉由局部性佈植且未驅入以形成在該第一屏護井區16與該磊晶層14之P型屏護井區18’’’的結構，如第5圖所示。

該基體接面(shallow body junction)20係設置於該第二屏護井區18之一側，且該基體接面20具有鄰近該源極溝渠26之重掺雜區30。於此，該基體接面20係以P基體接面20為例說明；以及，該重摻雜區30係以P⁺ 重摻雜區為例說明。

該源極接面22(shallow source junction)係設置於該基體接面20之一側，且該源極接面22係具有對應該源極溝渠26的源極接點區32。於此，該源極接面26係以N⁺ 源極接面為例說明。其中，該重掺雜區30、該源極接面22之至少其一部分與該源極溝渠26形成該源極接點區32。

該介電質層34係於該源極接面22之一側，且該介電質層34對應該閘極溝渠24設置，例如該介電質層34之材質係可為硼磷矽酸鹽玻璃(boronphosphosilicate glass)，而另一實施例中，該介電質層34係可透過蝕刻或研磨的方式進行平坦化的動作，形成如第2圖所示的結構。

於一實施例中，可再透過該金屬層設置於該介電質層34之一側，使得該金屬層透過該源極接點區32接觸形成金屬導線連接，例如該金屬層之材質係可為鋁金屬；以及，在該基板12的另一側再鍍上一導電金屬層以作為汲極端40。

再者，在該閘極溝渠24與該源極溝渠36之至少其一者的側壁、底部或絕緣層28中選擇性填充多晶矽層，用以分別地形成閘極電極36與源極電極38，例如在第1b圖中該閘極溝渠24中之該閘極電極36係相較第1a圖中之該閘極溝渠24中之該閘極電極36所佔之空間比例為多。再者，在第1c圖中，該源極溝渠26係僅填充絕緣層32，而可不填充任何的該源極電極38。

故藉由上述實施例，可以清楚的了解到，可對該閘極溝渠24與該源極溝渠26進行適當的填充與調配。此外，若當該基體接面20之深度係淺於該重掺雜區30之深度時，則可用以避免漏電的現象。

參考第6a至6i圖，係本發明實施例之溝渠式井區電場屏護功率金氧半場效電晶體結構的製程方法。於本實施例中，該製程步驟首先參考第6a-6c圖，提供一基板12且於該基板上12堆疊磊晶層14，且形成氧化層42於該磊晶層14之一側，用以作為罩幕層，且透過具有圖案化的第光阻層，用以蝕刻該氧化層42與該磊晶層14之至少一部份，用以形成具有高縱橫比(high aspect ratio)之閘極溝渠24與源極溝渠26的複數溝渠結構，並且在該等溝渠結構形成之後，接著移除該氧化層42，其中該等溝渠24、26係可依照其需求分別地形成淺溝渠或深溝渠之至少其一者；接著參考第6d圖，係佈值第一離子44至該磊晶層14，以形成第一屏護井區16，且該第一屏護井區16係藉由全面性(blanket implantation)植入與犧牲氧化層(SAC oxide)之熱處理驅入所形成。於此，該基板12的材質係以N⁺ 型的紅磷基板為例說明；該氧化層42的材質係以二氧化矽為例說明；該磊晶層14之材質係以N^- 型磊晶層為例說明；該第一離子55係以N型材質為例說明。

接著再參考第6e-6f圖，佈值第二離子46鄰近該磊晶層14之該源極溝渠26，以形成第二屏護井區18，且該第二屏護井區18係藉由具有圖案化的光阻層48與井區(junction)植入形成，並在該第二屏護井區18產生之後，一併移除該光阻層48。於此，該第二離子46係以P型材質為例說明。

接著參考第6g圖，係在該磊晶層14之表面與該等溝渠結構24、26之側壁及/或底部填入絕緣層28，並在填入該絕緣層28之後，再沉積多晶矽層48至該等溝渠結構24、26之至少其一者的剩餘的空間中。於另一實施例中，沉積該多晶矽層48係更可包含對該等溝渠結構24、26之至少其一者進行全部、一部份該多晶矽層48的沉積，並接著以全面性植入並配合驅入(drive in)的方式，使得在該第二屏護井區16之一側形成基體接面20與源極接面22。其中，上述直接利用全面性植入的方式係可用以減少光罩微影製程與成本，但亦可利用光罩(mask)來形成基體接面20。於此，該基體接面20係以P^- 型材質為例說明；以及，該源極接面22係以N⁺ 材質為例說明。

接著參考第6h圖，係沉積介電質層34的過程，於該過程中係透過具有圖案化的第二光阻層，用以形成源極接點區32，並在形成該源極接點區32之後，摻雜一重離子50並透過該源極接點區32，用以在該等溝渠結構24、26之間形成一重掺雜區30，該重掺雜區30係可用以降低漏電流及加強雪崩能量的耐受度。於一實施例中，摻雜該重離子50係會使得該重掺雜區304的深度大於該源極接面的深度。於另一實施例中，在沉積該介電質層34之後，係更進一步可包含平坦化位於對應基體接面20與該源極接面22之一側的該介電質層34。

此外，當該磊晶層14蝕刻時，會因為蝕刻選擇比的關係，造成蝕刻該多晶矽48的高度有所差異，而上述高度差異係會對該重離子50的植入造成影響，而形成很好的分佈控制及雪崩能量的改進，例如該介電質層34係可為硼磷矽酸鹽玻璃；以及，該重離子50係可為P⁺ 型材質。

值得注意的是，上述中的該基板係可為N⁺ 型基板、該磊晶層係可為N型磊晶層、該第一屏護井區係可為N 型屏護井區，以及該第二屏護井區係可為P型屏護井區、ν型屏護井區、或π型屏護井區之其一。

一併參考第7a至7d圖，係本發明另一實施例之溝渠式井區電場屏護功率金氧半場效電晶體結構示意圖。於第7a至7d圖中，該功率金氧半場效電晶體結構10’除前述的該基板12、該磊晶層14、該第一屏護井區16、該第二屏護井區18、該基體接面20、該源極接面22、該閘極溝渠24、該源極溝渠26、該絕緣層28、該閘極電極36與該源極電極38等外，更可包含屏護電極52，係內嵌於該絕緣層28且分離地設置於該閘極電極36與該源極電極38之至少其一之底部，且該屏護電極52係鄰近地設置於該閘極溝渠24與該源極溝渠26之底部，或該屏護電極52係設置於該閘極電極36與該源極電極38之底部。再者，該閘極溝渠24的該閘極電極36與該屏護電極52係透過該絕緣層28而構成閘極端54。其中，第7a至7d圖係例舉說明的實施態樣。

一併參考第8a至8d圖，係本發明又一實施例之溝渠式井區電場屏護功率金氧半場效電晶體結構示意圖。於第8a至8d圖中，該功率金氧半場效電晶體結構10”除前述的該基板12、該磊晶層14、該第一屏護井區16、該第二屏護井區18、該基體接面20、該源極接面22、該閘極溝渠24、該源極溝渠26、該絕緣層28、該閘極電極36與該源極電極38等外，其中該閘極溝渠24係更包含第一階閘極溝渠24’與第二階閘極溝渠24”，以及該源極溝渠26係更包含第一階源極溝渠26’與第二階源極溝渠26”。

其中，該閘極電極36係內嵌於該第一階閘極溝渠24’或該第一階閘極溝渠24’與該第二階閘極溝渠24”內，以及該源極電極38係內嵌於該第一階源極溝渠26’或該第一階源極溝渠26’與該第二階源極溝渠26”內。此外，於該實施例中，該第二階閘極溝渠24”與該第二階源極溝渠26”之至少其一的寬度係分別地窄於或等於該第一階閘極溝渠24’與該第一階源極溝渠26”之至少其一的寬度。

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。

10、10’、10”．．．金氧半場效電晶體結構

12．．．基板

14．．．磊晶層

16．．．第一屏護井區

18、18’、18”、18’’’．．．第二屏護井區

20．．．基體接面

22．．．源極接面

24．．．閘極溝渠

24’．．．第一階閘極溝渠

24”．．．第二階閘極溝渠

26．．．源極溝渠

26’．．．第一階源極溝渠

26”．．．第二階源極溝渠

28．．．絕緣層

30．．．重掺雜區

32．．．源極接點區

34．．．介電質層

36．．．閘極電極

38．．．源極電極

40．．．汲極端

42．．．氧化層

44．．．第一離子

46．．．第二離子

48．．．多晶矽

50．．．重離子

52．．．屏護電極

54．．．閘極端

第1a-1c圖係本發明於一實施例之溝渠式井區電場屏護功率金氧半場效電晶體結構示意圖；

第2圖係本發明於另一實施例之溝渠式井區電場屏護功率金氧半場效電晶體結構示意圖；

第3圖係本發明於另一實施例之溝渠式井區電場屏護功率金氧半場效電晶體結構示意圖；

第4圖係本發明於另一實施例之溝渠式井區電場屏護功率金氧半場效電晶體結構示意圖；

第5圖係本發明於另一實施例之溝渠式井區電場屏護功率金氧半場效電晶體結構示意圖；

第6a-6i圖係本發明實施例之溝渠式井區電場屏護功率金氧半場效電晶體結構示意圖；

第7a-7d圖係本發明實施例之溝渠式井區電場屏護功率金氧半場效電晶體結構示意圖；以及

第8a至8d圖係本發明又一實施例之溝渠式井區電場屏護功率金氧半場效電晶體結構示意圖。

10．．．金氧半場效電晶體結構

12．．．基板

14．．．磊晶層

16．．．第一屏護井區

18．．．第二屏護井區

20．．．基體接面

22．．．源極接面

24．．．閘極溝渠

26．．．源極溝渠

28．．．絕緣層

30．．．重掺雜區

32．．．源極接點區

34．．．介電質層

36．．．閘極電極

38．．．源極電極

40．．．汲極端

Claims (18)

1. 一種溝渠式井區電場屏護功率金氧半場效電晶體結構(MOSFET)的製程方法，其包含：(a)提供基板，且於該基板上堆疊磊晶層；(b)形成氧化層於該磊晶層之一側，且透過具有圖案化的第一光阻層，蝕刻該氧化層與該磊晶層之至少一部份以形成具有閘極(gate)與源極(source)的複數溝渠結構；(c)佈值第一離子至該磊晶層，以形成第一屏護井區(shielding junction)；(d)佈值第二離子鄰近該磊晶層之該源極溝渠，以形成第二屏護井區；(e)填入絕緣層至該磊晶層之表面與該等溝渠結構之側壁與底部之其一者；(f)沉積多晶矽層至該等溝渠結構之至少其一；(g)形成基體接面與源極接面於該第二屏護井區之一側；(h)沉積介電質層，且透過具有圖案化的第二光阻層，用以形成源極接點區，並平坦化位於對應閘極(gate)之該基體接面與該源極接面之一側的該介電質層；以及(i)摻雜重離子並透過該源極接點區，以在該等溝渠結構之間形成重掺雜區。
2. 如申請專利範圍第1項所述之製程方法，其步驟(f)更進一步包含對該等溝渠結構之至少其一者進行至少一部份該多晶矽層的沉積。
3. 如申請專利範圍第2項所述之製程方法，其步驟係在步驟(f)之後，該多晶矽層係內嵌於該等溝渠結構。
4. 如申請專利範圍第1項所述之製程方法，其步驟(i)更包含摻雜該重離子使得該重掺雜區的深度大於該源極接面的深度。
5. 如申請專利範圍第1項所述之製程方法，其中該第一屏護井區係藉由全面性(blanket implantation)植入與犧牲氧化層(SAC oxide)之熱處理驅入形成。
6. 如申請專利範圍第1項所述之製程方法，其中該第二屏護井區係藉由具有一圖案化的光阻層與井區(junction)植入形成。
7. 一種溝渠式井區電場屏護功率金氧半場效電晶體(MOSFET)結構，係由複數個單位晶胞(Unit cell)所組成，且該等單位晶胞之任其一者的結構係包含：基板；磊晶層，係設置於該基板之一側，且該磊晶層具有閘極溝渠與源極溝渠，且該閘極溝渠與該源極溝渠的側壁與底部之其一者係填充絕緣層；第一屏護井區，係佈值於該磊晶層中，且該第一屏護井區係包覆該閘極溝渠與該源極溝渠；第二屏護井區，係佈值於該磊晶層中，且該第二屏護井區鄰近、部分包覆或完全包覆該源極溝渠；基體接面，係設置於該第二屏護井區之一側，且該基體接面具有鄰近該源極溝渠之重掺雜區； 源極接面，係設置於該基體接面之一側，且該源極接面具有對應該源極溝渠的源極接點區；以及介電質層，係於該源極接面之一側，且該介電質層對應該閘極溝渠設置，其中在該第一屏護井區藉由局部性佈植且未驅入來形成該第二屏護井區或是在該第一屏護井區與該磊晶層藉由局部性佈植且未驅入來形成該第二屏護井區。
8. 申請專利範圍第7項所述之功率金氧半場效電晶體結構，其中該第一屏護井區係為N型屏護井區與該第二屏護井區係為P型屏護井區。
9. 如申請專利範圍第7項所述之功率金氧半場效電晶體結構，其中該第二屏護井區係藉由多次性延伸佈植(multiple and deep)或局部性佈植，以形成具有多階的第二屏護井區。
10. 如申請專利範圍第7項所述之功率金氧半場效電晶體結構，其中該基體接面係P^- 基體接面、該源極接面係N⁺ 源極接面、該重摻雜區係P⁺ 重摻雜區、該基板係N⁺ 型基板、該磊晶層係N型磊晶層、該第一屏護井區係N 型屏護井區，以及該第二屏護井區係P型屏護井區、ν型屏護井區、或π型屏護井區之其一。
11. 如申請專利範圍第7項所述之功率金氧半場效電晶體結構，其中該絕緣層上係填充多晶矽層。
12. 如申請專利範圍第7項所述之功率金氧半場效電晶體結構，其中該重掺雜區、該源極接面之至少其一部分與該 源極溝渠形成該源極接點區。
13. 如申請專利範圍第7項所述之功率金氧半場效電晶體結構，更包含閘極電極與源極電極，該閘極電極係內嵌於該閘極溝渠與該源極電極係內嵌於該源極溝渠。
14. 如申請專利範圍第13項所述之功率金氧半場效電晶體結構，更包含屏護電極，係內嵌於該絕緣層且分離地設置於該閘極電極與該源極電極之至少其一之底部，且該屏護電極係鄰近地設置於該閘極溝渠與該源極溝渠之底部，或該屏護電極係設置於該閘極電極與該源極電極之底部。
15. 如申請專利範圍第14項所述之功率金氧半場效電晶體結構，其中該閘極溝渠的該閘極電極與該屏護電極係透過該絕緣層而構成閘極端。
16. 如申請專利範圍第13項所述之功率金氧半場效電晶體結構，其中該閘極溝渠係更包含第一階閘極溝渠與第二階閘極溝渠，以及該源極溝渠係更包含第一階源極溝渠與第二階源極溝渠。
17. 如申請專利範圍第16項所述之功率金氧半場效電晶體結構，其中該閘極電極係內嵌於該第一階閘極溝渠或該第一階閘極溝渠與該第二階閘極溝渠內，以及該源極電極係內嵌於該第一階源極溝渠或該第一階源極溝渠與該第二階源極溝渠內。
18. 如申請專利範圍第17項所述之功率金氧半場效電晶體結構，其中該第二階閘極溝渠與該第二階源極溝渠之至少 其一的寬度係分別地窄於或等於該第一階閘極溝渠與該第一階源極溝渠之至少其一的寬度。