TWI517398B - 橫向雙擴散金氧半導體裝置及其製造方法 - Google Patents

Description

橫向雙擴散金氧半導體裝置及其製造方法

本發明係關於積體電路裝置，且特別是關於一種橫向雙擴散金氧半導體裝置(Lateral double diffused metal oxide semiconductor device)及其製造方法。

近年來，由於行動通訊裝置、個人通訊裝置等通訊裝置的快速發展，包括如手機、基地台等無線通訊產品已都呈現大幅度的成長。於無線通訊產品當中，常採用橫向雙擴散金氧半導體(LDMOS)裝置之高電壓元件以作為射頻(900MHz-2.4GHz)電路相關之元件。

橫向雙擴散金氧半導體裝置不僅具有高操作頻寬，同時由於可以承受較高崩潰電壓而具有高輸出功率，因而適用於作為無線通訊產品之功率放大器的使用。另外，由於橫向雙擴散金氧半導體(LDMOS)裝置可利用傳統互補型金氧半導體(CMOS)製程技術所形成，故其製作技術方面較為成熟且可採用成本較為便宜之矽基板所製成。

請參照第1圖，顯示了可應用於射頻電路元件中之一種傳統N型橫向雙擴散金氧半導體(N type LDMOS)裝置之一剖面示意圖。如第1圖所示，N型橫向雙擴散金氧半導體裝置主要包括一P+型半導體基板100、形成於P+型半導體基板100上之 一P-型磊晶半導體層102、以及形成於P-型磊晶半導體層102之一部上之一閘極結構G。於閘極結構G之下方及其左側下方之P-型磊晶半導體層102之一部內則設置有一P-型摻雜區104，而於閘極結構G之右側下方鄰近於P-型摻雜區104之P-磊晶半導體層102之一部內則設置有一N-型漂移區(drift region)106。於P型摻雜區104之一部內設置有一P+型摻雜區130與一N+型摻雜區110，而P+型摻雜區130部份接觸了N+型摻雜區110之一部，以分別作為此N型橫向雙擴散金氧半導體裝置之一接觸區(P+型摻雜區130)與一源極(N+型摻雜區110)之用，而於鄰近N-型漂移區106右側之P-磊晶半導體層102之一部內則設置有另一N+型摻雜區108，以作為此N型橫向雙擴散金氧半導體裝置之一汲極之用。此外，於閘極結構G之上形成有一絕緣層112，其覆蓋了閘極結構G之側壁與頂面，以及部份覆蓋了鄰近閘極結構G之N+型摻雜區108與110。再者，N型橫向雙擴散金氧半導體裝置更設置有一P+型摻雜區120，其大體位於N+型摻雜區110與其下方P-型摻雜區104之一部下方的P-型磊晶半導體區102之內，此P+型摻雜區120則實體地連結了P-型摻雜區104與P+半導體基板100。

基於P+型摻雜區120的形成，於如第1圖所示之N型橫向雙擴散金氧半導體裝置操作時可使得一電流(未顯示)自其汲極端(N+摻雜區108)橫向地流經閘極結構G下方之通道(未顯示)並朝向源極端(N+摻雜區110)流動，並接著經由P-型摻雜區104與P+摻雜區120的導引而抵達P+型半導體基板100處，如此可避免造成相鄰電路元件之間的電感耦合(inductor coupling) 及串音(cross talk)等不期望問題的發生。然而，此P+摻雜區120的形成需要高濃度、高劑量的離子佈值(未顯示)的實施以及如高於900℃之一較高溫度的熱擴散製程的處理，且閘極結構G與N+摻雜區110之左側之間須保持一既定距離D1，以確保N型橫向雙擴散金氧半導體裝置的表現。如此，上述P+型摻雜區120的製作及閘極結構G與N+摻雜區110之間所保持之既定距離D1將相對地增加了此N型橫向雙擴散金氧半導體裝置之導通電阻(Ron)以及此N型橫向雙擴散金氧半導體裝置之元件尺寸，進而不利於N型橫向雙擴散金氧半導體裝置的製造成本與元件尺寸的更為減少。

有鑑於此，便需要較為改善之一種橫向雙擴散金氧半導體裝置及其製造方法，以產少橫向雙擴散金氧半導體裝置之製造成本與元件尺寸。

依據一實施例，本發明提供了一種橫向雙擴散金氧半導體裝置，包括：一半導體基板，具有一第一導電類型；一磊晶半導體層，形成於該半導體基板上，具有該第一導電類型；一閘極結構，設置於該磊晶半導體層之一部上；一第一摻雜區，設置於鄰近該閘極結構之一第一側之該磊晶半導體層之一部內，具有該第一導電類型；一第二摻雜區，設置於相對該閘結構之該第一側之一第二側之該磊晶半導體層之一部內，具有相反於該第一導電類型之一第二導電類型；一第三摻雜區，設置於該第一摻雜區之一部內，具有該第二導電類型；一第四摻雜區，設置於該第二摻雜區之一部內，具有該第二導電類 型；一溝槽，形成於該第三摻雜區、該第一摻雜區與該第一摻雜區下方之該磊晶半導體層之一部中；一絕緣層，覆蓋該第三摻雜區與該閘極結構之上以及該第四摻雜區之一部之上；一導電層，順應地形成於該溝槽內之底面及數個側壁之上並覆蓋該絕緣層；一介電層，設置於該溝槽內並位於該導電層上；以及一擴散區，設置於該第一摻雜區下方之該磊晶半導體層之一部內，具有該第一導電類型，該擴散區實體接觸該半導體基板並環繞該溝槽之部份側壁與底面。

依據另一實施例，本發明提供了一種橫向雙擴散金氧半導體裝置之製造方法，包括：提供一半導體基板，具有一第一導電類型；於該半導體基板之一部內形成一第一摻雜區，具有該第一導電類型；形成一磊晶半導體層於該半導體基板上，具有該第一導電類型，其中於形成該磊晶半導體層時，該第一摻雜區向上延伸而形成一擴散區於該磊晶半導體層之一部內；形成一閘極結構於該磊晶半導體層之一部上；形成一第二摻雜區於鄰近該閘極結構之一第一側之該磊晶半導體層之一部內，具有該第一導電類型；形成一第三摻雜區於相對該閘極結構之該第一側之一第二側之該磊晶層之一部內，具有相反於該第一導電類型之一第二導電類型；形成一第四摻雜區於該第二摻雜區之一部內，具有該第二導電類型；形成一第五摻雜區於該第三摻雜區之一部內，具有該第二導電類型；形成一絕緣層於該第三摻雜區與該閘極結構之上以及於該第四摻雜區之一部之上；形成一溝槽於鄰近該絕緣層之該第三摻雜區、該第二摻雜區下方之該磊晶半導體層內之一部中，並部份露出 該擴散區；施行一離子佈植程序，佈值該第一導電類型之摻質至於為該溝槽所露出之該擴散區內；順應地形成一導電層於該溝槽內之底面及數個側壁之上並覆蓋該絕緣層，其中該導電層實體接觸該擴散區；以及形成一介電層於該溝槽內並位於該導電層上，其中該擴散區實體接觸該半導體基板並環繞該溝槽之部份側壁與底面。

為讓本發明之上述目的、特徵及優點能更明顯易懂，下文特舉一較佳實施例，並配合所附的圖式，作詳細說明如下。

100‧‧‧半導體基板

102‧‧‧P-型磊晶半導體層

104‧‧‧P-型摻雜區

106‧‧‧N-型漂移區

108‧‧‧N+型摻雜區

110‧‧‧N+型摻雜區

112‧‧‧絕緣層

120‧‧‧P+型摻雜區

200‧‧‧半導體基板

202‧‧‧罩幕層

204‧‧‧開口

206‧‧‧離子佈植程序

208‧‧‧摻雜區

210‧‧‧磊晶半導體層

212、212’‧‧‧擴散區

214‧‧‧閘介電層

216‧‧‧閘電極層

220‧‧‧摻雜區

222‧‧‧摻雜區

224‧‧‧摻雜區

226‧‧‧摻雜區

228‧‧‧絕緣層

230‧‧‧開口

232‧‧‧溝槽

234‧‧‧離子佈植程序

236‧‧‧導電層

238‧‧‧介電層

G‧‧‧閘極結構

H‧‧‧深度

D1‧‧‧距離

D2‧‧‧距離

第1圖為一剖面示意圖，顯示了習知之一種橫向雙擴散金氧半導體裝置。

第2-7圖為一系列剖面示意圖，顯示了為依據本發明之一實施例之一種橫向雙擴散金氧半導體裝置之製造方法

請參照第2-7圖之剖面示意圖，顯示了為依據本發明之一實施例之適用於射頻電路元件之一種橫向雙擴散金氧半導體裝置之製造方法。

請參照第2圖，首先提供如矽基板之一半導體基板200。於一實施例中，半導體基板200具有如P型導電類型之一第一導電類型以及介於0.001歐姆-公分(Ω-cm)-0.003歐姆-公分(Ω-cm)電阻率。接著，於半導體基板200之上形成圖案化之罩幕層202，此圖案化之罩幕層202包括一開口204，而開口204露 出了半導體基板200一部。圖案化之罩幕層202材料例如為光阻，因此可藉由如傳統微影與蝕刻等相關製程而形成。

接著，施行一離子佈植程序206，以佈植具有如P型導電類型之第一導電類型的摻質於為開口204所露出之半導體基板200之一部內，進而於半導體基板200內形成了一摻雜區208。於一實施例中，離子佈植程序206所形成之摻雜區208之摻雜濃度高於半導體基板200。

請參照第3圖，於移除圖案化之罩幕層202後，接著形成一磊晶半導體層210。磊晶半導體層210可於其形成時臨場地摻雜有如P型導電特性之第一導電類型摻質，且由於磊晶半導體層210的形成溫度可能為高於900℃之一溫度，因此於磊晶半導體層210的形成時，位於半導體基板200之摻雜區208內的P型摻質便會向上擴散並進入磊晶半導體層210之一部內，進而於磊晶半導體層210形成後形成了如第3圖內所示之一擴散區212。於一實施例中，磊晶半導體層210之摻質濃度低於半導體基板200，而形成於磊晶半導體層210之一部內之擴散區212之摻質濃度高於磊晶半導體層210。

請參照第4圖，接著於磊晶半導體層210之一部上形成經圖案化之一閘極結構G，此閘極結構G主要包括依序形成於磊晶半導體層210之一部上之一閘介電層214與一閘電極層216。閘極結構G內之閘介電層214與閘電極層216可採用傳統閘極製程與相關材料所製成，故在此不再詳細描述其製作情形。接著採用數個適當遮罩(未顯示)以及數道離子佈植製程(未顯示)的施行，以分別於如閘極結構G之左側之一側的磊晶半導 體層210形成一摻雜區220，以及於如閘極結構G之右側之一相對側的磊晶半導體層210之一部內形成另一摻雜區222。於一實施例中，摻雜區220具有如P型導電類型之第一導電類型，而摻雜區222則具有如相反於P型導電類型之N型導電類型之一第二導電類型，且形成摻雜區220與222所使用之離子佈植製程可為斜角度之離子佈植製程。接著採用另一適當佈植遮罩(未顯示)以及一離子佈植製程(未顯示)之使用，以分別於閘極結構G之相對側之此些摻雜區220與222之一部內分別形成一摻雜區224與一摻雜區226，並接著藉由一熱擴散製程(未顯示)的實施，進而得到如第4圖內所示之設置情形。於一實施例中，形成於摻雜區220之一部內之摻雜區224以及形成於摻雜區222之一部內之摻雜區226分別具有如N型導電類型之第二導電類型，且形成摻雜區224與226之離子佈植製程可為垂直於磊晶半導體層210表面之離子佈植。此外，於此些摻雜區220、222、224與226相關製作中所使用之熱擴散製程亦使得形成於磊晶半導體層210下方之擴散區212進一步向上擴散而形成了如第4圖所示之情形。於一實施例中，摻雜區222係作為一漂移區(drift-region)之用，而摻雜區224與226則分別作為一源極/汲極區之用。

請參照第5圖，接著於磊晶半導層210上形成一絕緣層228，絕緣層228則順應地覆蓋了閘極結構G之數個側壁與頂面。接著使用一圖案化製程(未顯示)，以於絕緣層228之一部內形成了一開口230。如第5圖所示，開口230露出了摻雜區224之一部，而此時磊晶半導體層210之其餘部份及閘極結構G之表面則仍為絕緣層228所覆蓋。於一實施例中，絕緣層228可包括 例如二氧化矽、氮化矽之絕緣材料，且可藉由例如化學氣相沉積法之方法所形成。

請參照第6圖，接著採用絕緣層228作為蝕刻罩幕，施行一蝕刻製程(未顯示)，以於為開口230所露出之磊晶半導體層210內形成了一溝槽232。如第6圖所示，溝槽232具有一深度H，其主要穿透了摻雜區224、摻雜區220以及磊晶半導體層210之一部，且溝槽232更向下延伸而穿透了擴散區212一部並露出之。如第6圖所示，溝槽232之底部的側壁與底面則為擴散區212所環繞。接著，施行一離子佈植程序234，並採用絕緣層228作為佈植罩幕，以佈植如P型導電類型之第一導電類型摻質至為溝槽232所露出之擴散區212內，進而提升擴散區212之摻質濃度，經離子佈植程序234處理之擴散區212則標示為擴散區212’(請參照第7圖)。

請參照第7圖，接著順應地形成如鋁銅合金、鋁矽銅合金、鈦-鈦鎳合金(Ti-TiN)、鎢、經摻雜之多晶矽(doped polysilicon)、或經摻雜之磊晶半導體材料(doped epitaxial semiconductor material)之導電材料於絕緣層228上並使之延伸於溝槽232之側壁與底面上。此時溝槽232內僅部份填入有導電材料且非完全為導電材料所填滿。接著藉由適當之圖案化罩幕層(未顯示)以及圖案化製程(未顯示)的實施，以將導電材料圖案化成為一導電層236。如第7圖所示，導電層236係形成於鄰近溝槽232之絕緣層228上且延伸於溝槽232之底面與側壁上，藉以覆蓋為溝槽232所露出之摻雜區224、220、磊晶半導體層210及擴散區212’之表面，且導電層236亦覆蓋於閘極結構G上 以及鄰近閘極結構G之摻雜區222之一部，但導電層236並未覆蓋摻雜區226。接著坦覆地沈積如二氧化矽、旋塗玻璃(SOG)之介電材料於導電層236之上，並使得此介電材料填滿溝槽232並覆蓋了導電層236、絕緣層228及閘極結構G，進而形成了具有一大體平坦之表面之介電層238，以作為一層間介電層(ILD)之用。如此，依據本發明一實施例之橫向雙擴散金氧半導體裝置便大體完成。

於一實施例中，藉由後續適當電性元件的形成已分別連結(未顯示)如第7圖所示之橫向雙擴散金氧半導體裝置中之閘極結構G以及摻雜區224與226，而其所包括之第一導電類型之多個區域係為P型區域，而第二導電類型之多個區域係為N型區域，因此所形成之橫向雙擴散金氧半導體裝置係為一N型橫向雙擴散金氧半導體裝置，而摻雜區224此時係作為一源極區，而摻雜區226此時係作為一汲極區之用。於此實施例中，可使得一電流(未顯示)自其汲極端(摻雜區226)橫向地流經閘極結構G下方通道(未顯示)並朝向源極端(摻雜區224)流動之後，接著為摻雜區220、導電層236以及摻雜區212’導引而抵達半導體基板100處，藉以避免造成鄰近電路元件之間的電感耦合(inductor coupling)及串音(cross talk)等不期望問題的發生。於此實施例中，藉由形成於溝槽232(見於第6圖)內之導電層226以及埋設於磊晶半導體層210並接觸半導體基板200之擴散區212’的形成，便可免除採用高濃度、高劑量的離子佈值以形成如第1圖所示之P+摻雜區120，且亦可使得閘極結構G與溝槽232右側之摻雜區224之一部保持一既定距離D2，其係少於如 第1圖所示之既定距離D1。如此，相較於第1圖所示之N型橫向雙擴散金氧半導體裝置，如第7圖所示之橫向雙擴散金氧半導體裝置於作為N型橫向雙擴散金氧半導體裝置之實施例中便有利於降低N型橫向雙擴散金氧半導體裝置的製造成本與元件尺寸，且擴散區212’的形成亦有助於降低N型橫向雙擴散金氧半導體裝置之導通電阻(Ron)。

雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此項技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

200‧‧‧半導體基板

208‧‧‧摻雜區

210‧‧‧磊晶半導體層

212’‧‧‧擴散區

214‧‧‧閘介電層

216‧‧‧閘電極層

220‧‧‧摻雜區

222‧‧‧摻雜區

224‧‧‧摻雜區

226‧‧‧摻雜區

228‧‧‧絕緣層

236‧‧‧導電層

238‧‧‧層間介電層

G‧‧‧閘極結構

D2‧‧‧距離

Claims (10)

1. 一種橫向雙擴散金氧半導體裝置，包括：一半導體基板，具有一第一導電類型；一磊晶半導體層，形成於該半導體基板上，具有該第一導電類型；一閘極結構，設置於該磊晶半導體層之一部上；一第一摻雜區，設置於鄰近該閘極結構之一第一側之該磊晶半導體層之一部內，具有該第一導電類型；一第二摻雜區，設置於相對該閘結構之該第一側之一第二側之該磊晶半導體層之一部內，具有相反於該第一導電類型之一第二導電類型；一第三摻雜區，設置於該第一摻雜區之一部內，具有該第二導電類型；一第四摻雜區，設置於該第二摻雜區之一部內，具有該第二導電類型；一溝槽，形成於該第三摻雜區、該第一摻雜區與該第一摻雜區下方之該磊晶半導體層之一部中；一絕緣層，覆蓋該第三摻雜區與該閘極結構之上以及該第四摻雜區之一部之上；一導電層，順應地形成於該溝槽內之底面及數個側壁之上並覆蓋該絕緣層；一介電層，設置於該溝槽內並位於該導電層上；以及 一擴散區，設置於該第一摻雜區下方之該磊晶半導體層之一部內，具有該第一導電類型，該擴散區實體接觸該半導體基板並環繞該溝槽之部份側壁與底面。
2. 如申請專利範圍第1項所述之橫向雙擴散金氧半導體裝置，其中該第一導電類型為P型，而該第二導電類型為N型。
3. 如申請專利範圍第1項所述之橫向雙擴散金氧半導體裝置，其中該第三摻雜區為一源極區，而該第四摻雜區為一汲極區。
4. 如申請專利範圍第1項所述之橫向雙擴散金氧半導體裝置，其中該擴散區具有高於該磊晶半導體層之一摻雜濃度。
5. 如申請專利範圍第1項所述之橫向雙擴散金氧半導體裝置，其中該導電層包括鋁銅合金、鋁矽銅合金、鈦-鈦鎳合金(Ti-TiN)、鎢、經摻雜之多晶矽、或經摻雜之磊晶半導體材料。
6. 一種橫向雙擴散金氧半導體裝置之製造方法，包括：提供一半導體基板，具有一第一導電類型；於該半導體基板之一部內形成一第一摻雜區，具有該第一導電類型；形成一磊晶半導體層於該半導體基板上，具有該第一導電類型，其中於形成該磊晶半導體層時，該第一摻雜區向上延伸而形成一擴散區於該磊晶半導體層之一部內；形成一閘極結構於該磊晶半導體層之一部上； 形成一第二摻雜區於鄰近該閘極結構之一第一側之該磊晶半導體層之一部內，具有該第一導電類型；形成一第三摻雜區於相對該閘極結構之該第一側之一第二側之該磊晶半島層之一部內，具有相反於該第一導電類型之一第二導電類型；形成一第四摻雜區於該第二摻雜區之一部內，具有該第二導電類型；形成一第五摻雜區於該第三摻雜區之一部內，具有該第二導電類型；形成一絕緣層於該第三摻雜區與該閘極結構之上以及於該第四摻雜區之一部之上；形成一溝槽於鄰近該絕緣層之該第三摻雜區、該第二摻雜區下方之該磊晶半導體層內之一部中，並部份露出該擴散區；施行一離子佈植程序，佈值該第一導電類型之摻質至於為該溝槽所露出之該擴散區內；順應地形成一導電層於該溝槽內之底面及數個側壁之上並覆蓋該絕緣層，其中該導電層實體接觸該擴散區；以及形成一介電層於該溝槽內並位於該導電層上，其中該擴散區實體接觸該半導體基板並環繞該溝槽之部份側壁與底面。
7. 如申請專利範圍第6項所述之橫向雙擴散金氧半導體裝置之製造方法，其中該第一導電類型為P型，而該第二導電類型為N型。
8. 如申請專利範圍第7項所述之橫向雙擴散金氧半導體裝置之製造方法，其中該第四摻雜區為源極區，而該第五摻雜區為汲極區。
9. 如申請專利範圍第6項所述之橫向雙擴散金氧半導體裝置之製造方法，其中於該離子佈值程序之後，為該溝槽所露出之該擴散區具有高於該磊晶半導體層之摻雜濃度。
10. 如申請專利範圍第6項所述之橫向雙擴散金氧半導體裝置之製造方法，其中該導電層包括鋁銅合金、鋁矽銅合金、鈦-鈦鎳合金(Ti-TiN)、鎢、經摻雜之多晶矽、或經摻雜之磊晶半導體材料。