TWI794969B

TWI794969B - 半導體元件及其製造方法

Info

Publication number: TWI794969B
Application number: TW110133976A
Authority: TW
Inventors: 杜碩倫; 吳錫垣
Original assignee: 旺宏電子股份有限公司
Priority date: 2021-09-13
Filing date: 2021-09-13
Publication date: 2023-03-01
Also published as: TW202312495A

Abstract

一種半導體元件，包括：基底；源極區與汲極區位於所述基底中；閘極結構，位於所述極區與所述汲極區之間的所述基底中；絕緣層，位於閘極結構與所述汲極區之間；多個場板，位於所述絕緣層上，其中最接近所述閘極結構的所述場板與所述源極區電性連接；第一井區，位於所述基底中；本體接觸區，位於所述第一井區中，其中所述本體接觸區與所述源極區以及最接近所述閘極結構的所述場板電性連接；以及第一摻雜漂移區，位於所述基底中，其中所述閘極結構位於所述第一井區與所述第一摻雜漂移區之間，且所述汲極區位於所述第一摻雜漂移區內。

Description

半導體元件及其製造方法

本發明實施例是有關於一種半導體元件及其製造方法。

高電壓(high-voltage，HV)電晶體(例如金屬氧化物半導體場效電晶體(metal-oxide-semiconductor field-effect transistor，MOSFET))可充當高電壓切換調節器及功率管理積體電路(integrated circuit，IC)中的高電壓開關。為了處理所述及其他高電壓應用中所涉及的高電壓，期望使高電壓電晶體具有高崩潰電壓(breakdown voltage)及低導通電阻(on-resistance)。

本發明實施例提出各種半導體元件，可以減少閘極汲極電容(Cgd)，降低開關功率損耗，且可使得元件具有高崩潰電壓與低導通電阻。

在本發明的一實施例中，一種半導體元件，包括：基底；源極區與汲極區位於所述基底中；閘極結構，位於所述極區與所述汲極區之間的所述基底中；絕緣層，位於閘極結構與所述汲極區之間；多個場板，位於所述絕緣層上，其中最接近所述閘極結構的所述場板與所述源極區電性連接；第一井區，位於所述基底中；本體接觸區，位於所述第一井區中，其中所述本體接觸區與所述源極區以及最接近所述閘極結構的所述場板電性連接；以及第一摻雜漂移區，位於所述基底中，其中所述閘極結構位於所述第一井區與所述第一摻雜漂移區之間，且所述汲極區位於所述第一摻雜漂移區內。

在本發明的一實施例中，一種半導體元件的製造方法，包括：形成閘極結構於所述基底上，所述閘極結構包括閘介電層以及在所述閘介電層上的閘極導體層；形成源極區與汲極區於所述基底中，其中所述閘極結構介於所述源極區與所述汲極區之間；形成絕緣層於閘極結構與所述汲極區之間；形成多個場板於所述絕緣層上，其中最接近所述閘極結構的所述場板與所述源極區電性連接；於所述基底中形成第一井區；於所述第一井區中形成本體接觸區，其中所述源極區位於所述本體接觸區；以及於所述本體區中形成本體接觸區，所述本體接觸區與所述源極區以及最接近所述閘極結構的所述場板電性連接。

100:基底

101A、101B、101C:絕緣層

101C1、101C2:材料層

102:n型深井區

104:隔離結構

105:p型摻雜漂移區

106:n型摻雜漂移區

108、110:p井區

112:閘介電層

112’:閘介電材料層

114:導體層

114G:閘極導體層

114P、114P₁、114P₂、114P₃、114P₄:場板

114’:導體材料層

116:p型本體區

118:閘極結構

120:n+汲極區

122:n+源極區

124:p+本體接觸區

125、135:介電層

126、128、130、1281、1282:接觸窗

132、134、134A、134B、142、144:導線

136、138、140:介層窗

150:金屬矽化物層

M1:第一層導線層

M2:第二層導線層

OP1:開口

圖1A至圖1G是示出根據本發明實施例之半導體元件的示例性製造流程的剖面圖。

圖2至圖12示出各種半導體元件的剖面圖。

本發明的實施例提供一種半導體元件。此半導體元件例如高電壓電晶體裝置。高電壓電晶體裝置具有場板，且最接近所述閘極結構的場板與所述源極區電性連接可以減少閘極汲極耦合電容(Cgd)，進而降低開關功率損耗，使得元件具有高崩潰電壓與低導通電阻。

本文中所揭露的技術可將高電壓電晶體元件的導通電阻及崩潰電壓最佳化。高電壓電晶體元件可藉由標準製程來製作，例如三井製程(triple well process)、雙極-互補金屬氧化物半導體-雙重擴散金屬氧化物半導體(Bipolar-complementary metal-oxide-semiconductor(CMOS)-double-diffused metal-oxide-semiconductor(DMOS)，BCD)製程、具有三井製程或雙井製程(twin well process)的非磊晶生長層(non-epitaxially-grown layer，non-EPI)製程及/或單多晶矽或雙多晶矽製程(single poly or double poly process)。高電壓電晶體元件可為低側開關金屬氧化物半導體(MOS)電晶體、高側開關MOS電晶體、完全隔離式開關MOS電晶體或高電壓低表面電場(RESURF)LDMOS電晶體。高電壓電晶體可為n通道金屬氧化物半導體(n-channel MOS，NMOS)電晶體、p通道金屬氧化物半導體(p-channel MOS，PMOS)電晶體或互補金屬氧化物半導體(CMOS)電晶體。所述技術可應用於任何適合的結構、任何適合的製程及/或任何適合的操作電壓。除高電壓元件之外，所述技術亦可用於直流(DC，direct current)應用及/或低電壓應用。

所述技術可應用於任何適合基底中的任何適合電晶體元件。僅出於說明目的，以下說明中的一些實例是有關於作為一種高電壓電晶體類型的n通道橫向擴散金屬氧化物半導體場效電晶體(或LDMOS電晶體)。n通道LDMOS電晶體可位於p型半導體基底中，或作為另一選擇，可位於形成於基底上的p型磊晶層中。以下說明中的一些實例是有關於藉由製作製程來製作單個電晶體，或同時形成多個電晶體。此外，在以下的說明中有關p型可以例如是摻雜有硼或是氟化硼(BF₂)摻質；n型以例如是摻雜有磷或是砷摻質。

請參照圖1A，在基底100中形成隔離結構104。基底100例如是p型半導體基底，例如是p型矽基底。隔離結構104的形成方法例如是以淺溝渠隔離法。淺溝渠隔離法的步驟如下。以微影與蝕刻製程在基底100中形成多個溝渠。之後，在基底100上以及溝渠中形成絕緣材料。然後，再以化學機械研磨法或是回蝕刻法，進行平坦化製程，以移除基底100頂面上的絕緣材料。絕緣材料包括以化學氣相沉積法或是熱氧化法形成的氧化矽、氮化矽或其組合。

請參照圖1B，在基底100中形成n型深井區102、p型摻雜漂移區105、p井區108與110以及n型摻雜漂移區106。n型深井區102又稱為n型摻雜埋入層。在一些實施例中，n型深井區102例如是以離子植入製程形成。在另一些實施例中，n型深井區102可以是n型磊晶層。在一實施例中，基底100為p型基底，n型深井區102埋在基底100中。基底100被分為上部p型基底(無元件標號)與下部p型基底(無元件標號)。

n型磊晶層的形成方法例如是先進行離子植入製程，再進行磊晶成長製程。

p型摻雜漂移區105位於隔離結構104之間的主動區下方的基底100中。n型摻雜漂移區106位於p型摻雜漂移區105上方。n型摻雜漂移區106自基底100的表面向下延伸，至與p型摻雜漂移區105的頂面鄰接。p型摻雜漂移區105與n型摻雜漂移區106可以使用相同的離子植入罩幕依序形成。在基底100上形成離子植入罩幕之後，進行離子植入製程，依序將p型摻質與n型摻質植入基底100中，以形成p型摻雜漂移區105與n型摻雜漂移區106。n型摻雜漂移區106又稱為第一摻雜漂移區，p型摻雜漂移區105又稱為第二摻雜漂移區。

p井區108位於隔離結構104下方，p井區108的底面比隔離結構104的底面深，且p井區108的側面與p型摻雜漂移區105以及n型摻雜漂移區106的側面鄰接。p井區110位於p井區108之間，且p井區110的底面與p型摻雜漂移區105鄰接。因此，p井區110可以與p井區108以及p型摻雜漂移區105將n型摻雜漂移區106圍出兩個獨立的區域，而在此獨立區域中形成的電晶體元件可以與基底100完全隔離，以能夠被獨立地施加偏壓。p井區108、110可以採用離子植入製程同時形成。因此，p井區108、110可以具有相同的摻雜濃度。p井區110又稱為第一井區，p井區108又稱為第二井區。

p型摻雜漂移區105與p井區108、110的摻雜濃度略高於基底100的摻雜濃度。p型摻雜漂移區105的摻雜濃度可以與p井區108、110的摻雜濃度等於、略高於或略低於p井區108、110的摻雜濃度。n型摻雜漂移區106的摻雜濃度可以等於或略高於p型摻雜漂移區105的摻雜濃度。

請參照圖1C，在n型摻雜漂移區106上形成絕緣層101A。絕緣層101A的形成方法例如是先形成絕緣材料層，例如是氧化矽層，然後，經由微影與蝕刻製程進行圖案化製程，以形成絕緣層101A。接著，在基底100上形成閘介電材料層112’以及導體材料層114’。閘介電材料層112’例如是以熱氧化法形成的氧化矽。在本實施例中，絕緣層101A的厚度大於閘介電材料層112’的厚度，因此，絕緣層101A與閘介電材料層112’形成階梯。導體材料層114’覆蓋閘介電材料層112’與絕緣層101A。導體材料層114’例如是以化學氣相沉積法沉積的摻雜多晶矽。

請參照圖1D，經由微影與蝕刻製程進行圖案化製程，將閘極介電材料層112’以及導體材料層114’圖案化，以形成具有開口OP1的閘介電層112與導體層114。開口OP1裸露出p井區110。

請參照圖1D，進行離子植入製程，將p型摻質植入於開口OP1所裸露的p井區110中，以形成p型本體區116。p型本體區116的摻雜濃度高於p井區110的摻雜濃度，藉此，以定義出元件的通道區。

請參照圖1E，經由微影與蝕刻製程進行圖案化製程，將導體層114圖案化，以同時形成閘極導體層114G與多個場板114P。閘極導體層114G覆蓋部分的p井區110以及部分的n型摻雜漂移區106上方的閘介電層112，並且閘極導體層114G延伸覆蓋部分的絕緣層101A。閘極導體層114G與閘介電層112共同形成兩個閘極結構118。多個場板114P位於絕緣層101A上。多個場板114P的寬度可以相等或是相異。

請參照圖1F，在p型本體區116中形成p+本體接觸區124以及n+源極區122。在兩個n型摻雜漂移區106中形成n+汲極區120。p+本體接觸區124的摻雜濃度高於p型本體區116的摻雜濃度。n+源極區122以及n+汲極區120的摻雜濃度高於n型摻雜漂移區106的摻雜濃度。p+本體接觸區124、n+源極區122以及n+汲極區120的形成方法可以分別在基底100上形成植入罩幕，然後進行離子植入製程，將p型或n型摻質植入於基底100中。之後，再將植入罩幕移除。n+源極區122以及n+汲極區120可以同時形成。

請參照圖1G，在基底100上形成介電層125。然後，再介電層125中形成接觸窗126、128與130。接觸窗126、128與130的形成方法例如是進行微影與蝕刻，以在介電層125中形成接觸窗孔，接著，在介電層125上以及接觸窗孔中形成導電材料。然後，經由回蝕刻或是化學機械研磨製程，將介電層125上導電材料，留在接觸窗孔中的導電材料，做為接觸窗126、128與130。接觸窗126形成在n+汲極區120上且與n+汲極區120電性連接。接觸窗128形成在最接近閘極結構118的場板114P₁上且與最接近閘極結構118的場板114P₁電性連接。接觸窗130形成在p+本體接觸區124與n+源極區122上並與其二者電性連接。

之後，在介電層125上形成導體材料層，並將其圖案化，以形成第一層導線層M1的導線132與134。導線132經由接觸窗126與n+汲極區120電性連接。導線134經由接觸窗130，以電性連接p+本體接觸區124與n+源極區122，並經由接觸窗128，以電性連接最接近兩個閘極結構118的場板114P₁。最接近兩個閘極結構118的場板114P₁、p+本體接觸區124與n+源極區122經由接觸窗128、接觸窗130以及導線134連接而等電位。

在以上的實施例中，每個絕緣層101A上具有兩個場板114P₁、114P₂。然而，場板114P的數量可以更多個，如圖2所示。

請參照圖2，每個絕緣層101A上的場板114P包括場板114P₁、114P₂、114P₃與114P₄。接觸窗128連接場板114P中最接近閘極導體層114G的場板114P₁。場板114P₁、p+本體接觸區124與n+源極區122經由接觸窗128、接觸窗130以及導線134連接而等電位。

再者，上述實施例的絕緣層101A也可以以其他的方法來形成(如圖3所示)，或省略絕緣層101A(如圖4所示)。

請參照圖3，本實施例之絕緣層101B形成在基底100的n型摻雜漂移區106之中，且自摻雜漂移區106的頂面朝向基底100的底面延伸。而且，n+汲極區120位於絕緣層101B與隔離結構104之間。絕緣層101B可以在形成隔離結構104的同時形成，且可以採用形成隔離結構104的方法形成。絕緣層101與隔離結構104可以形成為具有相同的深度。

請參照圖4，本實施例省略上述實施例的絕緣層101A。閘介電層112延伸至摻雜漂移區106。場板114P和閘極導體層114G均著陸在閘介電層112上，且場板114P下方的閘介電層112與n型摻雜漂移區106直接接觸，其取代絕緣層101A而做為絕緣層101C。在本實施例中，絕緣層101C為閘介電層112的一部分，因此，絕緣層101C與閘介電層112同時形成，且具有相同的材料與相同的厚度。也就是絕緣層101C的底面的高度可以與隔離結構104的底面的高度相同。

再者，上述實施例的絕緣層101A是單層，且是在閘極導體層114G形成之前形成，且閘極導體層114G與場板114P是同時形成。因此，絕緣層101A的頂面會被場板114P覆蓋且會被閘極導體層114G覆蓋。然而，在其他實施例中，絕緣層可以是多層，且絕緣層與場板也可以在其他的時間點再形成。閘極導體層可以被場板覆蓋，或彼此分離。

請參照圖5，本實施例中的絕緣層101D與場板114P是在閘極結構118形成之後才形成。在閘極結構118形成之後，在基底100上形成阻擋部(PRO)，以做為絕緣層101D。絕緣層101D可以先形成絕緣材料層，然後，經由微影與蝕刻製程圖案化來形成之。絕緣層101D覆蓋部分的閘極結構118、n型摻雜漂移區106，裸露出閘極結構118的另一部分、p+本體接觸區124與n+源極區122以及n+汲極區120。之後進行自行對準矽化製程，以在閘電極114、p+本體接觸區124、n+源極區122以及n+汲極區120上形成金屬矽化物層150。在進行自行對準矽化製程之後，在基底100上形成介電層125，再繼續進行形成接觸窗126、128與130等後續的製程。

絕緣層101D(阻擋部)可以是單層或是多層。在一些實例中，絕緣層101D(阻擋部)包括材料層101D₁與材料層101D₂。材料層101D₁例如是氧化矽，材料層101D₂例如是氮化矽。在本實施例中，接觸窗128包括接觸窗128₁與128₂。接觸窗128₁與128₂著陸在材料層101D₂上，且是用來做為場板114P。也就是說，本實施例的場板114P是在形成閘極結構118形成之後，且是在形成接觸窗126與130的同時形成。場板114P的頂面與接觸窗126與130的頂面在相同高度。做為場板114P的接觸窗128的數目可以依照時機的需要來設計。形成在介電層125上的導線134可以直接連接接觸窗128，且經由接觸窗130電性連接p+本體接觸區124與n+源極區122。做為場板114P的接觸窗128包含導電材料，例如金屬、金屬合金、矽化物、其他合適的導電材料或其組合。在一些實施例中，做為場板114P的接觸窗128包含氮化鈦、鈦、鎢或其組合。

在以上圖1F至圖5的實施例中，p+本體接觸區124與n+源極區122以及在其兩側的場板114P是經由第一層導線層M1來連接。然而，本發明實施例也可以經由其他層導線層來連接。

請參照圖6，依照前述實施例的方法形成接觸窗126、128與130之後，在介電層125上形成第一層導線層M1。第一導線層M1包括導線132、134A與134B。導線132、134A與134B彼此分離，且分別連接接觸窗126、128₁與130。之後，在介電層125 上方形成介電層135，再於介電層135中形成介層窗136、138與140。其後，再於介電層135上形成第二層導線層M2的導線142與144。

在本實施例中，p+本體接觸區124與n+源極區122經由接觸窗130連接導線134B，再經由介層窗140連接到導線144。位於兩個閘極結構118兩側的接觸窗128₁(用來做為場板114P)連接導線134A，再經由介層窗138連接到導線144。也就是說，p+本體接觸區124、n+源極區122與接觸窗128₁(用來做為場板114P)經由第二層導線層M2電性連接。

以上個實施例之半導體元件又可稱LDMOS電晶體。為在一些實施例中，在不影響元件正常操作的前提下，上述的一些井區或摻雜區是可以省略。

請參照圖7，在本實施例中，省略了p型摻雜漂移區105與p型本體區116。p井區108與110的底面與基底100接觸。p+本體接觸區124與n+源極區122直接形成在p井區110之中，且其底面和側壁與p井區110接觸。此種元件又可稱為EDMOS電晶體。

同樣地，上述圖2至圖6也可以省略p型摻雜漂移區105與p型本體區116，來形成各種的EDMOS電晶體，如圖8至圖12所示。

綜上所述，本發明實施例在閘極結構與汲極區之間設置多個場板。將最接近閘極結構的場板與本體接觸區以及源極區電性連接，可以產生法拉第遮蔽效應，可減少閘極與汲極之間的電容，使得所形成的半導體元件具有低閘極電荷(gate charge)Qgd，進而降低開關功率損耗。再者，將其他的場板浮置，可以分散電場，使元件具有高崩潰電壓與低導通電阻。