TWI770782B

TWI770782B - 屏蔽閘極溝槽式金氧半場效電晶體

Info

Publication number: TWI770782B
Application number: TW110102340A
Authority: TW
Inventors: 賴東明
Original assignee: 博盛半導體股份有限公司
Priority date: 2021-01-21
Filing date: 2021-01-21
Publication date: 2022-07-11
Also published as: TW202230475A

Abstract

一種屏蔽閘極溝槽式金氧半場效電晶體，其特徵在於各溝槽結構內皆具有屏蔽電極(shielded)及溝槽閘極(gate)，另外，透過離子佈植技術(Ion implantation)在溝槽下方之磊晶層內具有一離子注入區，該區域佈植有與磊晶層相反電性之少數載子，使本發明在不需增加磊晶層厚度的情況下，即可達到提高崩潰電壓之功效。

Description

屏蔽閘極溝槽式金氧半場效電晶體

本發明為一種溝槽式金氧半導體場效電晶體，尤指一種透過離子佈植將相反電性載子注入磊晶層，進而有效提升崩潰電壓之屏蔽閘極溝槽式金氧半場效電晶體。

金屬氧化物半導體場效電晶體(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor，簡稱MOSFET)，是一種被廣泛運用的電子元件，金氧半場效電晶體又具有多種不同設計結構，溝槽式金氧半場效電晶體即是其中一種，請參閱「第1圖」，為單一閘極溝槽式金氧半場效電晶體之示意圖，其使用了溝槽式閘極的方式，將閘極埋入矽晶中，此構造可降低、甚至消除相鄰阱區所造成的寄生JFET效應，進而有效降低元件阻值，其中，溝槽式金氧半場效電晶體更可分為單一閘極、屏蔽閘極、加厚底閘極等，如中華民國專利公告號TWI446540B揭露一種屏蔽閘極溝槽式金氧半場效電晶體元件及其製造方法，並請搭配參閱「第2圖」，屏蔽閘極結構為在每個溝槽閘極下方形成有底部屏蔽電極。

崩潰電壓(Breakdown voltage)意指半導體元件所能承受的最高電壓值，崩潰電壓程度常作為半導體元件的評量標準之一，亦是現今半導體產業研發之重點，習知技術常透過增加磊晶層之厚度，以達到提高崩潰電壓的效果，然而，磊晶層厚度的增加亦會同步使磊晶層電阻(R _EPI)提高，形成高導通電阻(Rds (on))，進而影響電流傳導效率，再者，改變磊晶層厚度，亦會提高製造成本；因此，業內極需一種低成本，且在不增加磊晶層厚度的情況下，仍能提升崩潰電壓之解決方案。

有鑑於上述的問題，本發明人係依據多年來從事電晶體研發相關的經驗，針對屏蔽閘極溝槽式金氧半場效電晶體研究及改進；緣此，本發明之主要目的在於提供一種利用離子佈植少數載子之技術，以提高崩潰電壓的屏蔽閘極溝槽式金氧半場效電晶體。

為達上述目的，本發明之屏蔽閘極溝槽式金氧半場效電晶體，包含有一基板、一磊晶層、一溝槽、一屏蔽電極、一溝槽閘極、一主體區、及一離子注入區；其中，離子注入區位於溝槽下方之磊晶層區域，並透過離子佈植技術(Ion implantation)，將與磊晶層區域相反電性之載子摻雜入離子注入區，以此來達到提升崩潰電壓之目的。

為使貴審查委員得以清楚了解本發明之目的、技術特徵及其實施後之功效，茲以下列說明搭配圖示進行說明，敬請參閱。

請參閱「第3圖」，圖中所示為本發明之組成示意圖，如圖中所示的屏蔽閘極溝槽式金氧半場效電晶體3，係包含有一基板31、一磊晶層32、一溝槽33、一屏蔽電極34、一溝槽閘極35、一主體區36、一源極絕緣層37、一源極金屬層38、及一離子注入區39，其中， (1)基板31摻雜有一第一摻雜濃度的一第一導電載子，磊晶層32位於基板31上方，並摻雜有一第二摻雜濃度的第一導電載子，且第一摻雜濃度高於第二摻雜濃度； (2)溝槽33係經由黃光和蝕刻(Photo and etching)製程，由磊晶層32往基板31方向成型之槽體，並在溝槽33內具有一屏蔽電極34(shielded gate)，及一溝槽閘極35(gate)，屏蔽電極34位於溝槽閘極35之下方，其中，屏蔽電極34外周緣及下方具有一第一絕緣層331，屏蔽電極34與溝槽閘極35間具有一第二絕緣層341，溝槽閘極35外側四周緣具有一閘氧化層332，另，第一絕緣層331之厚度大於閘氧化層332之厚度； (3)主體區36位於溝槽33之側面，即圖中所示兩溝槽(33、33’)之間並位於磊晶層32上方，並摻雜有第二導電載子，主體區36包含有一源極區域361，其位於主體區36上表面，源極區域361摻雜有第一導電載子；較佳的，主體區36係可分為上半部與下半部，其中，上半部係較下半部有較高的第二導電載子濃度； (4)源極絕緣層37覆蓋住溝槽33上方，其可例如: 矽玻璃、硼磷矽玻璃(BPSG)、矽化合物之其中一種或其組合，但不以此為限；源極金屬層38藉由沉積方式成型於主體區36上方； (5)離子注入區39位於溝槽33下方區域的磊晶層32中，係佈植有一第三摻雜濃度的第二導電載子； (6)前述的第一導電載子及第二導電載子係為在純矽中摻雜（doping）少量元素，以此來形成半導體材料，其中，第一導電載子及第二導電載子可分別為ⅢA(P型導電載子)族元素，如:硼元素，則形成為P型半導體，或為VA族元素(N型導電載子)，如:砷或磷等，則形成為N型半導體；其中，當屏蔽閘極溝槽式金氧半場效電晶體3為N型之溝槽式金氧半導體場效電晶體時，第一導電載子為一N型導電載子，第二導電載子為一P型導電載子，反之，當屏蔽閘極溝槽式金氧半場效電晶體3為P型之溝槽式金氧半導體場效電晶體時，第一導電載子為一P型導電載子，第二導電載子為一N型導電載子；本發明係以N型之溝槽式金氧半導體場效電晶體、第一導電載子為VA族元素、第二導電載子為ⅢA族元素做舉例說明，但不以此為限，特此陳明。

請參閱「第4圖」，為本發明之實施示意圖，並請搭配參閱「第1圖」~「第3圖」，本發明之屏蔽閘極溝槽式金氧半場效電晶體3，係在不增加磊晶層32之厚度情況，透過離子佈植技術將與磊晶層32相反電性之少數載子摻雜入離子注入區39，在對屏蔽閘極溝槽式金氧半場效電晶體3施加逆向偏壓時，位於離子注入區39之第二導電載子便可有效提升崩潰電壓，比起習知透過增加磊晶層之厚度來提升崩潰電壓，免去了增加磊晶層電阻(R _EPI)，進而造成導通電阻(Rds (on))上升，並同時會導致成本提高的問題；此外，本發明之屏蔽閘極溝槽式金氧半場效電晶體3，各溝槽33內皆為具有屏蔽電極34之溝槽閘極35結構，其係較單一閘極(single gate)結構具有更低的導通電阻，且透過離子佈植技術將少數載子摻雜入離子注入區39後，對於提升崩潰電壓之成效，亦是具有屏蔽電極34之溝槽閘極35結構較為優異；更佳的，本發明之屏蔽閘極溝槽式金氧半場效電晶體3，更可在較濃且薄的磊晶層32情況下，提升崩潰電壓，如此，係可在追求更低的導通電阻(Rds (on))時，亦能兼顧良好的崩潰電壓性能。

請參閱「第5圖」，其為本發明實驗數據圖，並請搭配參閱「第1圖」~「第3圖」，如圖所示，本發明之屏蔽閘極溝槽式金氧半場效電晶體3為各溝槽33內皆為具有屏蔽電極34之溝槽閘極35結構，若分別將本發明之屏蔽閘極結構及單一閘極結構，皆以離子佈植技術將少數載子摻雜入離子注入區39，本發明屏蔽閘極結構之崩潰電壓將由100V提升至110~115V，而單一閘極結構之崩潰電壓則由30V提升至31~32V，由此可知，本發明之屏蔽閘極溝槽式金氧半場效電晶體3具有顯著提升崩潰電壓之成效；上述數據結果僅為屏蔽閘極結構、及單一閘極結構在具有相同離子注入區39結構時之其中一種示例，實際提升崩潰電壓之結果，並不以此數據結果為限。

請參閱「第6圖」，其為本發明之另一實施例，並請搭配參閱「第3圖」，如圖所示，本發明之屏蔽閘極溝槽式金氧半場效電晶體3，在溝槽33下方區域的磊晶層32中，係可在多處佈植有第二導電載子，以形成有多個離子注入區39，本圖僅以各溝槽33下方具有兩個離子注入區39作為示例，但不以此為限；多個離子注入區39亦可顯著提升屏蔽閘極溝槽式金氧半場效電晶體3之崩潰電壓。

綜上可知，本發明之屏蔽閘極溝槽式金氧半場效電晶體係為一溝槽式金氧半場效電晶體，且其各溝槽皆成型有屏蔽電極及溝槽閘極，並利用離子佈植技術，在各溝槽下方注入與磊晶層相反電性之載子；依此，本發明其據以實施後，確實可達到有效提升崩潰電壓之目的，並較單一閘極結構有更顯著之成效。

以上所述者，僅為本發明之較佳之實施例而已，並非用以限定本發明實施之範圍；任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神與範圍下所作之均等變化與修飾，皆應涵蓋於本發明之專利範圍內。

綜上所述，本發明係具有「產業利用性」、「新穎性」與「進步性」等專利要件；申請人爰依專利法之規定，向　鈞局提起發明專利之申請。

1:習知單一閘極溝槽式金氧半場效電晶體 2:習知屏蔽閘極溝槽式金氧半場效電晶體 3:屏蔽閘極溝槽式金氧半場效電晶體 31:基板 32:磊晶層 33:溝槽 34:屏蔽電極 331:第一絕緣層 341:第二絕緣層 332:閘氧化層 35:溝槽閘極 36:主體區 37:源極絕緣層 361:源極區域 38:源極金屬層 39:離子注入區

第1圖，習知單一閘極溝槽式金氧半場效電晶體組成示意圖。第2圖，習知屏蔽閘極溝槽式金氧半場效電晶體組成示意圖。第3圖，為本發明之組成示意圖。第4圖，為本發明之實施示意圖。第5圖，為本發明之實驗數據圖表。第6圖，本發明之另一實施例。

3:屏蔽閘極溝槽式金氧半場效電晶體

31:基板

32:磊晶層

33:溝槽

34:屏蔽電極

331:第一絕緣層

341:第二絕緣層

332:閘氧化層

35:溝槽閘極

36:主體區

37:源極絕緣層

361:源極區域

38:源極金屬層

39:離子注入區

Claims

一種屏蔽閘極溝槽式金氧半場效電晶體，其包含: 一基板，摻雜有一第一摻雜濃度的一第一導電載子；一磊晶層，位於該基板上方，摻雜有一第二摻雜濃度的該第一導電載子；至少一溝槽，成型於該磊晶層往該基板方向之延伸；一屏蔽電極，成型該溝槽內；一溝槽閘極，位於該溝槽內及該屏蔽電極上方；一第一絕緣層，成型於該屏蔽電極外周緣及下方；一第二絕緣層，成型於該溝槽閘極與該屏蔽閘極之間；一閘氧化層，成型於該溝槽閘極外側四周緣；一主體區，位於該溝槽之側面；一源極區域，位於該主體區的上方，該源極區離子植入具有該第一摻雜濃度的該第一導電載子；一源極絕緣層，其覆蓋住溝槽上方；一源極金屬層，其位於該主體區上方；以及一離子注入區，位於該磊晶層內且該溝槽下方之位置，摻雜有一第三摻雜濃度的一第二導電載子。
如請求項1所述之屏蔽閘極溝槽式金氧半場效電晶體，其中，該第一摻雜濃度高於該第二摻雜濃度。
如請求項1所述之屏蔽閘極溝槽式金氧半場效電晶體，其中，當該屏蔽閘極溝槽式金氧半場效電晶體為N型之溝槽式金氧半導體場效電晶體時，該第一導電載子為一N型導電載子，該第二導電載子為一P型導電載子。
如請求項1所述之屏蔽閘極溝槽式金氧半場效電晶體，其中，當該屏蔽閘極溝槽式金氧半場效電晶體為P型之溝槽式金氧半導體場效電晶體時，該第一導電載子為一P型導電載子，該第二導電載子為一N型導電載子。
如請求項1所述之屏蔽閘極溝槽式金氧半場效電晶體，其中，該磊晶層內且該溝槽下方之位置具有多個該離子注入區。