TWI525825B - 橫向擴散半導體裝置及其製作方法 - Google Patents

Description

橫向擴散半導體裝置及其製作方法

本發明係有關於一種半導體裝置，特別是關於一種橫向擴散金氧半電晶體(Lateral Diffused MOS Transistor，LDMOS)。

功率半導體裝置(power semiconductor devices)常應用在許多電子電路中，而最常用在高電壓積體電路上的裝置係橫向擴散金氧半電晶體(LDMOS)。橫向擴散金氧半電晶體的優點為可提供高崩潰電壓(breakdown voltage)特性，而且橫向擴散金氧半電晶體製程可以和超大型積體電路(VLSI)製程相配合。現今更發展出具有處理高電壓的能力之雙極互補型金氧半導體-橫向雙擴散金氧半導體(bipolar-CMOS-LDMOS)。隨著省電及高速的趨勢，業界需要具有低導通電阻(on-resistance)，且具有足夠高崩潰電壓特性之半導體裝置。

根據上述，本發明於一觀點提供一種橫向擴散半導體裝置，包括：一基底；一第一隔離物和一第二隔離物，至少部分位於基底中，以定義一主動區；一第一飄移 區和一第二飄移區，位於主動區中，其中第一飄移區位於第二飄移區中；一閘極，位於基底上；一源極區，位於第一飄移區中；一汲極區，位於第二飄移區中；及一環形場板，位於基底上，其中環形場板包圍源極區和汲極區之至少一者。

本發明於一觀點提供一種橫向擴散半導體裝置之製作方法，包括：提供一基底；形成一第一隔離物和一第二隔離物，其中第一隔離物和第二隔離物至少部分位於基底中，以定義一主動區；形成一第一飄移區和一第二飄移區於主動區中，其中第一飄移區位於第二飄移區中；形成一閘極於基底上；形成一環形場板於基底上方；形成一源極區於第一飄移區中；及形成一汲極區於第二飄移區中，其中環形場板包圍源極區和汲極區之至少一者。

102‧‧‧基底

104‧‧‧墊層

106‧‧‧第二墊層

108‧‧‧第一圖案化光阻層

110‧‧‧隔離物

112‧‧‧第一飄移區

114‧‧‧第二飄移區

116‧‧‧閘極介電層

118‧‧‧多晶矽層

120‧‧‧第二圖案化光阻層

122‧‧‧閘極層

123‧‧‧多晶矽層

124‧‧‧閘極介電層

125‧‧‧介電層

126‧‧‧閘極

128‧‧‧第一部分

130‧‧‧第二部分

132‧‧‧環形場板

134‧‧‧間隙壁

136‧‧‧第一摻雜區

138‧‧‧第二摻雜區

140‧‧‧源極區

142‧‧‧汲極區

306‧‧‧環形場板

302‧‧‧第一部分

304‧‧‧第二部分

502‧‧‧第一部分

504‧‧‧第二部分

506‧‧‧第三部分

508‧‧‧環形場板

510‧‧‧第一隔離物

512‧‧‧第二隔離物

第1A圖~第1J圖顯示本發明一實施例橫向擴散金氧半電晶體之製作方法各階段的剖面圖。

第2圖顯示本發明一實施例橫向擴散金氧半電晶體之平面圖。

第3圖顯示本發明另一實施例橫向擴散金氧半電晶體之剖面圖。

第4圖顯示本發明另一實施例橫向擴散金氧半電晶體之平面圖。

第5圖顯示本發明又另一實施例橫向擴散金氧半電晶 體之剖面圖。

第6圖顯示本發明又另一實施例橫向擴散金氧半電晶體之平面圖。

以下詳細討論實施本發明之實施例。可以理解的是，實施例提供許多可應用的發明概念，其可以較廣的變化實施。所討論之特定實施例僅用來發明使用實施例的特定方法，而不用來限定發明的範疇。

本發明係於橫向擴散金氧半電晶體形成一多晶矽材料之環形場板(ring shaped field plate)，且於環形場板施加一電位。環形場板位於隔離物上之第一部分可讓橫向擴散金氧半電晶體之飄移區的電場更平滑，進而減少或延緩崩潰(break down)的發生。環形場板鄰近閘極一側之第二部分由於底部具有介電層，可提供足夠高的崩潰電壓，且由於本發明的場板採用多晶矽之組成材料，可提供低導通電阻(on-resistance)，進而減低裝置之能耗。

以下根據第1A圖~第1J圖描述本發明一實施例橫向擴散金氧半電晶體(LDMOS)之製作方法。請參照第1A圖，提供一適用於製作積體電路之基底102。基底102可以半導體材料形成，例如矽、鍺化矽、碳化矽、砷化鎵或其它適合之半導體材料。另外，基底102上可包括一磊晶層，且磊晶層可以為絕緣層上之矽的磊晶層。接著，形成一第一墊層104和一第二墊層106於基底102上。在一實施例中，第一墊層104可以為氧化矽，第二墊層106可以為氮化矽。 第一墊層104可以利用熱氧化法、化學氣相沉積法或物理氣相沉積法形成。第二墊層106可以利用化學氣相沉積法或物理氣相沉積法形成。

請參照第1B圖，塗佈一光阻層(未繪示)於第二墊層106上。接著進行一微影製程，例如包括曝光、顯影步驟，圖案化光阻層，形成一第一圖案化光阻層108。請參照第1C圖，以第一圖案化光阻層108為罩幕，進行一蝕刻製程，移除未被第一圖案化光阻層108覆蓋之第一墊層104和第二墊層106。後續，移除第一圖案化光阻層108。

請參照第1D圖，於未被第一墊層104和第二墊層106覆蓋的基底102之部分區域形成複數個隔離物110，其中以隔離物110於基底102中定義出主動區域(active area，簡稱OD)。在一實施例中，隔離物110可以為場氧化層。在另一實施例中，隔離物110可以為淺溝槽隔離物。場氧化層可以一氧化製程，氧化於未被第一墊層104和第二墊層106覆蓋的基底102之部分區域形成。淺溝槽隔離物110之形成步驟可包括：以第一墊層104和第二墊層106為罩幕，進行一蝕刻製程，於基底102中形成凹槽，後續於凹槽中填入絕緣材料，並移除凹槽外多餘之絕緣材料。

請參照第1E圖，進行一第一離子佈植步驟，於基底102之主動區域中形成一第二飄移區114。進行一第二離子佈植步驟，於基底102之主動區域中形成一第一飄移區112。在一實施例中，第一飄移區112位於第二飄移區114中。在一實施例中，第一飄移區112為P型，第二飄移區114 為N型。當第一飄移區112為P型，其第一離子佈植步驟之摻雜物可以為硼，當第二飄移區114為N型，其第二離子佈植步驟之摻雜物可以磷。第二飄移區114之面積可較第一飄移區112大，且部分第一飄移區112和第二飄移區114可位於隔離物110下。

請參照第1F圖，形成一閘極介電層116於基底102和隔離物110上，形成一多晶矽層118於閘極介電層116上。在一實施例中，閘極介電層116為氧化矽，閘極介電層116另可以為氮化矽或高介電常數材料，例如Ta₂O₅、HfO₂、HSiO_x、Al₂O₃、InO₂、La₂O₃、ZrO₂或TaO₂。多晶矽層118可以化學氣相沉積法或其他適合之方法形成。閘極介電層116可以熱氧化法、化學氣相沉積法或其他適合之方法形成。

請參照第1G圖，塗佈一光阻層(未繪示)於多晶矽層118上。接著進行一微影製程，例如包括曝光、顯影步驟，圖案化光阻層，形成一第二圖案化光阻層120。請參照第1H圖，以第二圖案化光阻層120為罩幕，進行一蝕刻製程，形成一閘極126和一環形場板132，其中環形場板132包括鄰近閘極126一側之第一部分128，和一第二部分130，位於閘極126另一側之隔離物110上。在一實施例中，閘極126包括一閘極介電層124和一閘極層122，環形場板132包括一介電層125和一多晶矽層123。在一實施例中，閘極126之閘極介電層124和環形場板132之介電層125以同一製程步驟形成，且兩者包括相同的材料(例如氧化矽、氮化矽或 高介電常數材料)，閘極126之閘極層122和環形場板132之多晶矽層123以同一製程步驟形成，且兩者包括相同的材料。值得注意的是，本實施例環形場板132是和閘極126採用相同的材料和微影製程形成，因此形成環形場板132可大體上不增加裝置的製作成本。在一實施例中，如第1H圖所示，第一飄移區112可延伸至閘極126之下方，在一範例中，第一飄移區112在閘極126下方延伸之距離Lch約為0.1μm~30μm。

請參照第1I圖，沉積一絕緣層(未繪示)，後續進行一蝕刻製程，於環形場板132和閘極126之側壁形成間隙壁134。在一實施例中，間隙壁134之組成材料可包括氧化矽或氮化矽，其中氧化矽可以四乙氧基矽烷(TEOS)為前驅物形成。值得注意的是，本實施例間隙壁134可填入環形場板132之第一部分128和閘極126間之間隙，以防止後續之離子佈植步驟將摻雜物植入環形場板132之第一部分128和閘極126間之間隙下之第二飄移區114中，因此可減少造成飄移區的損壞，也使裝置之崩潰電壓不被影響。

請參照第1J圖，進行數個離子佈植製程，於鄰近閘極126之一側形成一源極區140，於閘極126之另一側的環形場板132之第一部分128旁形成一汲極區142。在一實施例中，源極區140包括第一摻雜區136和第二摻雜區138，例如第一摻雜區136可以為P型，第二摻雜區138可以為N型，且汲極區142可以為N型。在一實施例中，閘極126係施加閘極汲極(V_G)，源極區140係施加源極/基極電壓(V_S/V_B)，汲 極區142施加汲極電壓(V_D)。

第2圖顯示本發明一實施例橫向擴散金氧半電晶體(LDMOS)之平面圖，第1J圖為第2圖I-I’剖面線的剖面圖。如第2圖所示，本實施例之環形場板132包圍源極區140，可於環形場板132施加一電位，環形場板132之第一部分128和第二部分130有相同電位。環形場板132位於隔離物110上之第二部分130可讓飄移區之電場更平滑，避免電場的聚集，進而減少或延緩崩潰的發生，環形場板132鄰近閘極126一側之第一部分128由於底部具有介電層125，可提供足夠高的崩潰電壓，且由於本實施例的環形場板132採用多晶矽之組成材料，可提供低導通電阻(on-resistance)，進而減低裝置之能耗。另外值得注意的是，由於本實施例橫向擴散金氧半電晶體相較於傳統之裝置可提供較高的崩潰電壓，在滿足特定電壓的產品需求下，具有較大的裝置設計彈性，例如，飄移區之尺寸的設計可有較大的彈性。

第3圖顯示本發明另一實施例橫向擴散金氧半電晶體(LDMOS)之剖面圖，第4圖顯示此實施例橫向擴散金氧半電晶體之平面圖，第3圖為第4圖I-I’剖面線的剖面圖。本實施例第3、4圖之橫向擴散金氧半電晶體與第1J、2圖之橫向擴散金氧半電晶體差異在於：第3、4圖實施例之環形場板包圍汲極區，而第1J、2圖之環形場板包圍源極區，其餘之單元則相類似，為簡潔，相同之部分在此不重複描述。如第3圖和第4圖所示，本實施例之環形場板306包圍汲極區142，且環形場板306包括位於鄰近閘極126一側 之第一部分302，和位於閘極126該側之隔離物110上之第二部分304。本實施例同樣可施加一電位於環形場板306之第一部分302和第二部分304，使環形場板306之第一部分302和第二部分304有相同電位，環形場板306位於隔離物上之第二部分304可讓飄移區之電場更平滑，避免電場的聚集，進而減少或延緩崩潰(break down)的發生，環形場板306鄰近閘極126一側之第一部分由於底部具有介電層125，可提供足夠高的崩潰電壓，且由於本實施例的環形場板採用多晶矽之組成材料，可提供低導通電阻(on-resistance)，進而減低裝置之能耗。

第3圖和第4圖之橫向擴散金氧半電晶體與第1J、2圖之橫向擴散金氧半電晶體製作方法之差異僅在於：形成環形場板之微影製程的光罩圖案不同，其餘製作步驟則類似，因此，本實施例之橫向擴散金氧半電晶體製作方法可參考第1A~1J圖及相關敘述。

第5圖顯示本發明另一實施例橫向擴散金氧半電晶體(LDMOS)之剖面圖，第6圖顯示此實施例橫向擴散金氧半電晶體之平面圖，第5圖為第6圖I-I’剖面線的剖面圖。本實施例第5、6圖之橫向擴散金氧半電晶體與第1J、2圖之橫向擴散金氧半電晶體差異在於：第5、6圖實施例之環形場板包圍源極區和汲極區，而第1J、2圖之環形場板僅包圍源極區，其餘之單元則相類似，為簡潔，相同之部分在此不重複描述。如第5圖和第6圖所示，本實施例之環形場板508包圍源極區140和汲極區142，且環形場板508包括 位於鄰近閘極126第一側之第一部分502、位於閘極第二側之第一隔離物510上之第二部分504和位於閘極第一側之第二隔離物512上之第三部分506。本實施例可施加一電位於環形場板508之第一部分502、第二部分504和第三部分506，使環形場板508之第一部分502、第二部分504和第三部分506有相同電位，環形場板508之第二部分504和第三部分506可讓飄移區之電場更平滑，避免電場的聚集，進而減少或延緩崩潰(break down)的發生，環形場板508鄰近閘極126一側之第一部分502由於底部具有介電層125，可提供足夠高的崩潰電壓，且由於本實施例的環形場板508採用多晶矽之組成材料，可提供低導通電阻(on-resistance)，進而減低裝置之能耗。

雖然本發明之較佳實施例說明如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技術領域之技術者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，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。

102‧‧‧基底

110‧‧‧隔離物

112‧‧‧第一飄移區

114‧‧‧第二飄移區

122‧‧‧閘極層

123‧‧‧多晶矽層

124‧‧‧閘極介電層

125‧‧‧介電層

126‧‧‧閘極

128‧‧‧第一部分

130‧‧‧第二部分

132‧‧‧環形場板

134‧‧‧間隙壁

Claims (17)

1. 一種橫向擴散半導體裝置，包括：一基底；一第一隔離物和一第二隔離物，至少部分位於該基底中，以定義一主動區；一第一飄移區和一第二飄移區，位於該主動區中，其中該第一飄移區位於該第二飄移區中；一閘極，位於該基底上；一源極區，位於該第一飄移區中；一汲極區，位於該第二飄移區中；及一環形場板，位於該基底上，其中該環形場板包圍該源極區。
2. 如申請專利範圍第1項所述之橫向擴散半導體裝置，其中該環形場板包括一介電層和位於該介電層上之一多晶矽層。
3. 如申請專利範圍第2項所述之橫向擴散半導體裝置，其中該閘極包括一閘極介電層和一閘極層，該環形場板之介電層的組成材料與該閘極介電層之組成材料相同，且該閘極層之組成材料與該多晶矽層之組成材料相同。
4. 如申請專利範圍第3項所述之橫向擴散半導體裝置，其中該閘極介電層和該介電層包括SiO2、Si3N4、Ta2O5、HfO2、HSiOx、Al2O3、InO2、La2O3、ZrO2或TaO2。
5. 如申請專利範圍第1項所述之橫向擴散半導體裝置，其中該環形場板包括一第一部分和一第二部分，其中該第一部分鄰近該閘極之一側，該第二部分在該閘極之另一側的第一隔離物上。
6. 如申請專利範圍第5項所述之橫向擴散半導體裝置，其中該環形場板之第一部分和第二部分之電位相同。
7. 如申請專利範圍第1項所述之橫向擴散半導體裝置，其中該環形場板更包圍該源極區和該汲極區。
8. 如申請專利範圍第7項所述之橫向擴散半導體裝置，其中該環形場板包括一第一部分、一第二部分和一第三部分，其中該第一部分鄰近該閘極，該第二部分位於該第一隔離物上，該第三部分位於該第二隔離物上。
9. 如申請專利範圍第8項所述之橫向擴散半導體裝置，其中該環形場板之第一部分、第二部分和第三部分的電位相同。
10. 如申請專利範圍第1項所述之橫向擴散半導體裝置，尚包括一間隙壁，位於該閘極之兩側，其中該環形場板包括一部分，鄰近該閘極，且該間隙壁填入該閘極與該環形場板之該部分間之間隙。
11. 如申請專利範圍第1項所述之橫向擴散半導體裝置，其中該第一飄移區為P型，該第二飄移區為N型。
12. 如申請專利範圍第11項所述之橫向擴散半導體裝置，其中該源極區包括第一摻雜區和一第二摻雜區，其中該第一摻雜區為P型，該第二摻雜區為N型，且該汲極 區為N型。
13. 一種橫向擴散半導體裝置之製作方法，包括：提供一基底；形成一第一隔離物和一第二隔離物，以於該基底中定義一主動區；形成一第二飄移區於該主動區中；形成一第一飄移區於該第二飄移區中；形成一閘極和一環形場板於該基底上；形成一源極區於該第一飄移區中；形成一汲極區於該第二飄移區中，其中該環形場板包圍該源極區和該汲極區之至少一者；及形成一間隙壁於該閘極之兩側，其中該環形場板包括一部分，鄰近該閘極，且該間隙壁填入該閘極與該環形場板之該部分間之間隙。
14. 如申請專利範圍第13項所述之橫向擴散半導體裝置之製作方法，其中該閘極包括一閘極介電層和一位於該閘極介電層上之閘極層，該環形場板包括一介電層和一位於該介電層上之多晶矽層，該閘極之閘極介電層和該環形場板之介電層以同一製程步驟形成，且兩者包括相同的材料，該閘極之閘極層和該環形場板之多晶矽層以同一製程步驟形成，且兩者包括相同的材料。
15. 如申請專利範圍第13項所述之橫向擴散半導體裝置之製作方法，其中形成該源極區包括形成一第一摻雜區和一第二摻雜區，其中該第一摻雜區為P型，該第二摻 雜區為N型。
16. 一種橫向擴散半導體裝置，包括：一基底；一第一隔離物和一第二隔離物，至少部分位於該基底中，以定義一主動區；一第一飄移區和一第二飄移區，位於該主動區中，其中該第一飄移區位於該第二飄移區中；一閘極，位於該基底上；一源極區，位於該第一飄移區中；一汲極區，位於該第二飄移區中；及一環形場板，位於該基底上，其中該環形場板包圍該汲極區，且該環形場板包括一第一部分和一第二部分，其中該第一部分鄰近該閘極之一側，該第二部分在該閘極之該側的第二隔離物上。
17. 如申請專利範圍第16項所述之橫向擴散半導體裝置，其中該環形場板之第一部分和第二部分之電位相同。