TW201203376A

TW201203376A - Low gate charging rectifier having MOS structure and P-N junction, and method of manufacturing the same

Info

Publication number: TW201203376A
Application number: TW099122707A
Authority: TW
Inventors: Tzu-Hsiung Chen
Original assignee: Tzu-Hsiung Chen
Priority date: 2010-07-09
Filing date: 2010-07-09
Publication date: 2012-01-16
Also published as: TWI425575B; US20120007152A1; US8415719B2

Description

201203376 六、發明說明：【發明所屬之技術領域】本案係為一種低閘容金氧半ρ·Ν接面⑸w Ga 細伽）二極體結構及鄕齡法，尤指具紐 I g 通壓，(VF)，較高反向耐電壓值，與較低反向^時= ，種低閛谷金氧半P-N接面二極體結構。【先前技術】蕭基二極體相t子作域仅單錄快與正向細_(戰，咖纖半導體摻雜濃度所造成之蕭基能障值有關），且因(為作為載子之早極性讀，沒有少數載子復合之因素，反向回復間較短。而P-N二極體，為一種雙載子元件’傳導電流量大。作元件的正向操作壓降值(Vf)—般較蕭基二極體高，且因電洞載仅作用使P-N二極體反應速度較慢，反向回復時間較長。為綜合蕭基二極體與P-N二極體的優點，一種間式二極體的架構：利时面式金氧半場效電晶體之·與源極料位設定為陽極。而晶背(WaferBack-side)沒極設定為陰極之二極體被提出來。該元件具有與蕭基二極體相匹敵或更低之正向導通壓降值 (VF)。反向偏壓漏電流的性能接近p_N二極體，較蕭基二極體為低。在南溫的反向回復時間與蕭基二極體相近。元件的介面可而j 受溫度則較蕭基二極體更高。在應用上為較蕭基二極體性能更優良之元件。關於閘式二極體裝置，其代表性前案可參閱2〇〇3年之美國專

利，第 6624030 號提案名稱 RECTIFIER DEVICE HAVING A LATERALLY GRADED P-N JUNCTION FOR A CHANNEL REGION所揭露之元件結構為代表。請參閱第一圖⑻〜(!）所示， 201203376 其製作方法主要包括步驟··首先，如第一圖⑻所示，提供基板2〇與已長好之層22，於其上成長氧化層奶祝〇别幻50。而後如第-_麻，於氧化層5G上形成絲物h倉6娜52 後進行微影製程及侧製程，以移除部分氧化層5〇，然後進行第 -離子佈植層硼軒之植人㈣驗⑽鄉丨⑽論中之後如第-圖(〇所示’於光阻去除後，進行第一離子佈植層娜子之熱驅入(Thermal Diffusion)，形成邊緣之p型層(1>_)28與中心之p型層(P-)30。然後進行第二離子佈植層氟化瓣子之植入(_^即2 I〇nImplantation)。接著如第一圖(d),(e)所示，進行第二微影製程及飿刻製程’利用光阻層54以移除部分氧化層5〇。如第一圖(f) 所示’移除光阻層54後成長閘氧化層(gate〇xide)56，閘極複晶矽層(gatep〇ly)58 ’與氮化矽層(Nitride)6〇，並進行碎離子之植入(As Ion Implantation)。接著如第一圖(g)所示，披覆一化學氣相沉積之氧化層(CVDOxide)62 ’並於其上進行第三微影製程，留下閘極圖案之光阻層64。然後，如第一圖⑻所示，對化學氣相沉積之氧化層62，進行濕式餘刻。於第一圖⑺所示，對基板進行一乾式餘刻以移除，分之氮化補6〇 ’然後進行—第三離子佈植層硼離子之 • 植入kn Implantation)。接著如第一圖①所示，於去除光阻層64之後，進行一第四離子佈植層硼離子之植入(心工⑽ ImPlantation)，以形成p型包覆層(ρ·^ p〇cke〇 %。如第一圖㈨所=，對基板進行-濕式侧，以移除氧化層62，然後再對基板進行-乾式侧以移除-部分之職複晶韻58。然後，如第一石圖(1)所示’航化韻6〇以紐狀方式去除，紐對基板進行 :離子之植入(As Ion Implantati〇n)。元件之製程部分於此完成，後 =則陸續上表面金屬層，微影製程無刻製料，以完成晶圓之 201203376 導、法製作之閘式二極體，觸基二極體相較，正向产;之妹果當’反向漏電流低’界面耐受溫度較高，可靠 ;)?、、，。果較佳’而反向回復時間則較蕭基二極體高(於室溫【發明内容】法，=所簡容金辭P_N接面二極體結構及其製作方 =設計上，為金氧半N型通道場效元件結構與 —赠共構之架構，並將部分之咖蓋覆明由—厚^ 2電層或低導電多砂層來取代，藉由此種元件結構3，= =正操作時為金氧半N型通道場效元件與P_N面‘體、y’八接近蕭基二極體之反應速度快與正向導通壓降低的特性。而於反向偏壓操作時，藉由元件P_N接面二極體= 型通道_之行為，使元件具有非常低‘ 施蓋_域_，叫低_寄生電容，具有較低之反向回復時間trr。因為降低無效 1=，Γ降低元件之閘極漏電流。所用之閘極氧化層可進一 ^底，因而正向導通壓降值(VF)亦進—步降低。因此，本案元件同時具有蕭基二極體與Ρ·Ν二極體之優點。且處、快，正向導通壓降值(VF)值低，然後又有反向偏摩漏/雷法α速: 低之反向回復時間㈣等特性的二極體元件°。 /·冰小，有較為完成上述結構，本案所述之製作方法至少包含下棱供一基板；於該基板上形成一第一罩幕層；對嗜美^ 蝴一罩幕層形二第-= 基板進行一乾式蝴，進而於構内成長一氧化層；對該基板進行一第二微影餘刻製ί，進 201203376 而去除部分該第一罩幕層以形成區域之底部成長-閘氧化層；於二凹陷區域；於該第二凹陷該第-氧化層上’披覆一多晶石夕°層甲^層上、該第-罩幕層上、植製程，以於該基板形成—第基板進行離子佈沉積-第二罩幕層；對該第佈植區域；於該多晶石夕層上移除部分該第二罩幕層，並^ :進行一乾式回蝕刻製程，以側壁上與該第-溝渠結構内之;7凹陷區域内之該多晶石夕層的之包覆結構；對該多晶矽層—=的側壁上形成-邊壁狀晶石夕層’進而形成-閘極結構 U程，以移除部分之該多 :，以_基板形成一第二離子d::::離子佈植製處理，以活化該第-離子佈植層與該板進行-熱退火效之- P型區域；以一濕、韻/?佈植層，以形成有狀之包覆結構；移除裸露部/之該第^罩幕層之該邊壁該第二凹陷區域之底部與側壁、&多晶9，於5亥第一溝渠結構、第-罩幕層與該第一氧化層甲5之表面與側壁、該屬濺鍍層，·以及對該金屬濺鍍層以形成一金除部分該金屬濺鍍層。4如帛二微職職程，以去體，ί;=結=案所述之低閘容金氧接面二極 -閘氣^區域，係形成於該基板上方；閘氧化層，軸於相陷區域的底部邊緣；—閘骑構 =賴氧化層上且覆蓋該凹陷區域的侧壁；一金屬層，蓋係以且該 ^凹=域之底部與該閉極結構；以及一離子佈植區域，偏複數個冰淺不同之區域形成於該凹陷區域底部的該基板中離子佈植區域相鄰於該閘極結構。【實施方式】本發明提供-種低閘容金氧半Ρ_Ν接面二極體結構及其製作 201203376

Sift 知相異，而此低閘容金氧半P_N接面二極體結 =係大幅減>、閘極蓋覆於閘極氧化層上之面積，因而大幅降低閉生電容’使侧容金氧半ρ·Ν接面二極體得有較低之反向門=IΓ，大幅改善元件的性能。同時，因為降低間極蓋覆於閘極氧化層上之面積，使得閘極漏電流亦同步降低。並且，在與前案相同的漏電流表現下，本案之面二極體可以使用較薄之·氧化層，因此正向導通壓降進-步降低。於侧容金氧半Ρ_Ν接面二極體的製程 2案只使用三層光罩，三次微影製程即可完成。而前案需四二生產微影製程。因此’本案不僅於元件的性能表現較佳，於生產成本方面，更可進一步降低。综合而言，本發明具有較低之反向回復時間tlT，與較低之正餅值(VF)，或較低之反向漏電流，較低之介面電容，較高，触高可靠度，絲佳生麵本聽㈣點之整體1條懈發糊梅半㈣接面二極失所(㈣姆_手段之缺較佳接面二極體結構之製作方法，其 ⑷戶提供-基板2〇(如第二圖與-低掺雜濃度N型蟲日；:型矽基板2〇1(N+矽基板）濃度之磊晶層202俜^^=層)所構成，而其中低掺雜假偏：、·# # 綠成於冋心雜遭度之石夕基板2〇1之上，且其所i之元晶層202係具有一定的厚度，以提供本發明後續如第二圖⑼所示’透過一氧化製程於該基板之蟲晶層202上 201203376 形成一第一罩幕層210(為一氧化層）；並於該第一罩幕層210上形成一光阻層211(如第二圖(c)所示）。其中，第一罩幕層210可透過以下任一種方法來實現：（A)透過一氧化製程所完成之一氧化層； (B)以化學氣相沉積所形成之氧化層；（〇以化學氣相沉積所形成之氣化妙層。接著，於該光阻層211上定義出有光阻圖形區2111，與無光阻圖形區2110(如第二圖(d)所示）；根據該光阻圖形對無光阻圖形區2110之該第一罩幕層210進行蝕刻並去除剩餘的該光阻層2111

後而於該第一罩幕層210上形成一第一凹陷區域22(如第二圖(e) 所示）。接著，以剩餘的第一罩幕層210對基板之磊晶層202，進行一乾蝕刻製程以形成第一溝渠結構220 (如第二圖⑺所示）；於該第一溝渠結構220内成長一第一氧化層221(如第二圖(g)所示）。接著，進行一第二微影製程，以於所塗佈之光阻層上定義出，光阻圖形區域222i與無光阻區域2220(如第二圖⑼所示）； j光阻圖形，對該無光阻區域222〇之剩餘的第一罩幕層2⑴進行二乾式細j，並去除剩餘的該光阻層222卜賴形成第二凹 =23 (如第二圖(i)所示）；於第二凹陷區域223之底部(亦即蟲晶二之表面)成長一閘氧化層23，並於閉氧化層μ上、第一= 圖、第一氧化層221上，披覆-多晶石夕閘極層24 (如第二、祕Ϊί，對基板之蠢晶層202進行一離子佈植製程，亦即利用佈植將硼離子植人，以於基板之私層Μ形成味離子佈植區域25(如第二圖(k)所示）。接著’於多晶矽閘極層24上沉積第二罩幕層 26(如第二_所示）；接著，對該第二罩幕層，氮切層％石進^ 201203376 -乾式回蝕刻製程，以移除您内之多晶娜層的側：凹陷區域層的側壁上形成-邊辟狀j 4狀構内之多晶石夕開極所形成之lUt# /來實現.⑷崎學氣相沉積 :)晶娜層’進而形成L__•結二

-、、菜基板之蟲晶層2G2進行一離子佈植製程，亦即利用二=:，離子植入，以於基板之綱㈣形成-ϊ 處理(例t快連^如/^圖⑼所示）；接著，對基板進行-熱退火 27，L形=f _)，妨化第―與第二離子雜層25、 =成有效之P型區域251、271(如第二_所示)。著移Ϊί二Γ刻製程，移除邊壁狀之氮化魏覆結_，接間極結構24ί:ί: 中，該全屬Hi形成一金屬難層3〇。而在此實施例金屬魏層30係由一第一金屬屬層32的材料為銘金屬或其他金屬。並且，屬居处二g形成後更進行—快速氮化製程，進錢得該第-金印月匕凡王的接著於該凹陷區域、該第_ 極結=之表面與該卜罩幕層、第_^=^底面、該問㈣該金屬層3〇進行一第三微影製程，以於所塗佈之光曰疋義出有光阻圖形區域3011與無光阻區域3〇1〇(如第二^ 201203376 (S)所不），對該金屬層3〇進行一姓刻製 3〇，並去除剩餘的該光阻層則，進去除部分該金屬層閘容金氧半P_N接面二極體。喊如第二_)所示，低 ‘合以上技術說明，相較於㈣的案所述之製作方法所完成雜錢半心體、、、。構，利用本有較低閘極電倾，因此具有魏之反㈣極體結構具覆蓋面積，而降低反向電壓漏a電:之較，專之閘氧化層，使正向導通壓降值使用

程上，本案只使用三層光罩，三次微可- 與四次微影製程，於生產成本方二需本優勢，，叫酿產成【圖式簡單說明】本案得藉由下_式及，俾得-更深人之了解：第圖⑻①’其係為美國專利第6624030號所揭露之閘式二極體裝置製作方法示意圖。第一圖(a)〜⑴’其係為本案為改善習用技術手段之缺失所發展出一低閘容金氧半P_N接面二極體結構之較佳實施例示意圖。【主要元件符號說明】本案圖式中所包含之各元件列示如下：基板20 尚掺雜濃度N型矽基板211 低掺雜濃度N型磊晶層212 第一罩幕層210 第一凹陷區域22 第一溝渠結構220 201203376 第一氧化層221 第二凹陷區域223 閘極氧化層23 多晶矽閘極層24 第二罩幕層氮化矽層26 第一離子佈植層25 氮化矽之邊壁狀之包覆結構260 第二離子佈植層27 閘極結構241 活化之第一離子佈植層251 活化之第二離子佈植層271 第一金屬層31 第二金屬層32 金屬層30(第一與第二金屬層之合稱) 光阻層211 無光阻圖形區2110、2220、3010 有光阻圖形區2111、2221、3011

Claims

201203376 七、甲請專利範圍： 1. 一種低閘容金氧半p_N接面二極體. 包含下列料：極杜作方法，該方法至少提供一基板；於该基板上形成一第一罩幕層； ^該基板進行-第-微影_製程，進而絲第一罩幕層形成一第一凹陷區域； ” 以剩餘之該第一罩幕層，對該進而於該基板上形成-第-溝渠結構板進订乾式則’ 層；進行-氧化製程，以於該第—溝渠結構内成長一氧化第一板進行一第二微雜刻製程，進而去除部分該弟罩幕層以形成一第二凹陷區域；於該第二凹陷區域之底部成長1 於該閘氧化層上、該第一罩盖/乳化層」上，彼覆一多晶石夕層；罩幕層上、該第一氧化層 -第:第-離子佈植製程’以於該基板形成 ^該多晶梦層上__第二十該第二罩幕層進 ^，部分該第二罩幕層，乾式回蝕刻製程，以移除石夕層的侧壁上與該θ第^於該第二凹陷區域内之該多晶上形成一邊壁狀^包一溝渠結構内之該多晶矽層的側壁對該多晶矽層進%覆_^構；矽層，進而形成—閘餘刻製程，以移除部分之該多晶對該基板進行二$結構；一離子佈植製程，以於該基板形成 m 12 201203376 一第二離子佈植層；對該基板進行一熱退火處理，以活化該第一離子佈植層與該第二離子佈植層，以形成有效之一 P型區域；以濕餘刻製程’移除該第二罩幕層之該邊壁狀之包覆結構；移除裸露部分之該閘氧化層；

層；以及於該第一溝渠結構、該第二凹陷區域之底部與側壁、该多晶石夕閘極之表面與側壁、該第—罩幕層與，第了氧化層上進行一金屬濺鍍製程，以形成—金屬以去除部對該金屬濺鍍層進行一第三微影蝕刻製程，分該金屬賤鑛層。 2. 如申請專利範圍第1項所述之低閘容金氧半P_N接面二極體製作方法，其中該第一罩幕層係利用—氧化製程所& ，氧化層；以一化學氣相沉積所形成之氧化層；=以^學氣相沉積所形成之氮化石夕層。千 3. 如申請專利範圍第！項所述之低閘容金氧半ρ_Ν接面二極體製作方法，其中該第一微影蝕刻製程包含下列步驟了於該第一罩幕層上形成一光阻層；於該光阻層上定義出一光阻圖形；

根據該光阻圖形對該第一罩幕層進行触刻而形成該一凹陷區域； Χ 去除該光阻層；以及以剩餘之第一罩幕層’對該基板進行一乾式姓刻，進而於該基板上形成該第一溝渠結構。 4.如申請專利範圍第1項所述之低閘容金氧半ρ_Ν接面二極 13 [S] 201203376 巾該基板係為—高掺料度N财基板 (成。夕基板)與一低掺雜濃度N型蟲晶層(N_蟲晶層)所構 5·如利範㈣1賴述之低閘容錢半㈣接面二極體製作，法，其中該第二微影敍刻製程包含下列步驟：於該第-罩幕層與該溝渠結構上形成一光阻層；於該光阻層上定義出一光阻圖形；曰根據該光阻圖形對該剩餘之第—罩幕層進雜刻進而去除部分該第一罩幕層以形成該第二凹陷區域；以及去除該光阻層。 6. 如體申=專方矛1 範圍甘第1項所述之低問容金氧半阳接面二極體製作方法，其中該第二罩幕層係利用以化形成之氮化石夕層；或以化學氣相沉積所形成之積所 7. 如體利範㈣1摘述之賴容金氧半㈣接二二極 =作方法，其中該第—離子佈植係以—淺層離子佈植的 :式將娜子植人，而該第二離子佈植係以—深層離子佈植的方式將娜子植入，並配合一快速熱退火製程後形成 _ _化之第-離子佈健與該活化之第二離子佈植區。 .如申請專利顧第1項所述之低·金氧半Ρ·Ν接面二極體製作方法，其中該金屬層係包含：一第一金屬層，形成於該溝渠結構之底部、該閘極咭構之表面與該側壁結構上，其係以一鈦金屬或氮化欽所完成；以及一第二金屬層，形成於該第一金屬層上，其係以一鋁金屬完成；其中，泫金屬濺鍍層更進行一快速氮化製程，使得該 201203376 第一金屬層能完全的接著於該第二凹陷區域該第一溝渠結構之底面、該閘極結構之表面與該第一罩幕層、第一氧化層結構上。 9. 如申請專利範圍第1項所述之低閘容金氧半P-N接面二極體製作方法，其中該第三微影飯刻製程包含下列步驟：於該金屬層上形成一光阻層；於該光阻層上定義出一光阻圖形；根據該光阻圖形對該金屬層進行敍刻，進而去除部分該金屬層；以及 • 纟除該光阻層。 10. —種低閘容金氧半P-N接面二極體，其至少包含：一基板；一凹陷區域，係形成於該基板上方；一閘氧化層，形成於該凹陷區域的底部邊緣；一閘極結構，係形成於該閘氧化層上且覆蓋該凹陷區域的側壁；一金屬層，係覆蓋於該凹陷區域之底部與該閘極結構；以 • 及一離子佈植區域，係以複數個深淺不同之區域形成於該凹陷區域底部的該基板中，且該離子佈植區域相鄰於該閘極結構。 11. 如申凊專利範圍第10項所述之低閘容金氧半p_N接面二極體，其中該閘極結構係為多晶矽的_ L形閘極結構。 12. 如申請專利範圍第10項所述之低閘容金氧半p_N接面二極體，其令該金屬層係包含：一第金屬層，形成於該溝渠結構之底部、該閘極結構之 15 201203376 表面與該側壁結構上，里在一第-金眉、’、一鈦金屬或氮化鈦所完成；以及或-銅金m料於該第—金屬層上，錢以—銘金屬明專利範圍第10項所述之低閘容金氧半P-N接面二極體，其令該離子佈植區域係可為由一第一深度佈植區域與一第二深度佈植區域所構成之該離子佈植區域。 14.如申睛專利範圍第1〇項所述之低閘容金氧半p_N接面二極體’其中該離子饰植區威係可為由一第一深度佈植區域、一第二深度佈植區域以及一第三深度佈植區域所構成

之該離子佈植區域。八、圖式：