TW201332106A - 高壓金氧半場效電晶體元件 - Google Patents

Abstract

一種高壓金氧半場效電晶體元件，其包含：一基底、一深井區、一源極/基體區、一汲極區以及一第一摻雜區。深井區具有一邊緣部與一中間部。源極/基體區設置於該深井區中，其中定義出一通道區。第一摻雜區設於深井區中並位於該閘極結構之下方。位於邊緣部範圍之第一摻雜區之摻雜濃度與深井區之邊緣部之摻雜濃度間具有一第一比值。位於中間部範圍之第一摻雜區之摻雜濃度與深井區之中間部之摻雜濃度間具有一第二比值。第一比值與第二比值之變異度小於或等於5%。

Description

高壓金氧半場效電晶體元件

本發明是有關於一種高壓金氧半場效電晶體元件的結構，且特別是有關於一種可提升元件崩潰電壓之高壓金氧半場效電晶體元件的結構。

習知之高壓金氧半場效電晶體(High Voltage Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，以下簡稱HV MOSFET)元件布局通常設計成圓形，從圓形的HV MOSFET元件之上視剖面圖來看，圓心部分即為汲極(Drain)，而環繞汲極之外環部分即為源極(Source)。此外，圓形HV MOSFET的通道寬度是由汲極與源極之間區域之圓周長來決定，因此，若欲提高HV MOSFET元件的導通電流，則需增加圓形HV MOSFET元件的半徑，但也相對的增加了HV MOSFET元件的面積。

而為了同時增加HV MOSFET元件的導通電流並且使HV MOSFET元件的面積達到最小化，目前已發展出跑道形HV MOSFET元件以及M形HV MOSFET元件。然而，若欲得到較大的導通電流，M形HV MOSFET元件是目前之較佳選擇。

但是，習知製程所完成之M形HV MOSFET元件的崩潰電壓(Breakdown Voltage，簡稱BDV)分別小於圓形與跑道形之HV MOSFET元件之崩潰電壓，因此若同時整合此三種形狀之HV MOSFET元件於同一積體電路晶片中時，則會受限於M形HV MOSFET元件的崩潰電壓，致使整體積體電路晶片之耐壓能力下降。

但經發明人研究顯示，習知之M形HV MOSFET元件，因具有多彎角的特殊元件形狀，而使得元件之部分區域具有較高電場與較大的電流，相對的降低此區域的耐壓能力，進而影響整體M形HV MOSFET元件之崩潰電壓，因此發明人於先前提出之申請案號為100130576之”高壓金氧半導體電晶體元件及其製作方法”來改善此一缺失，但仍有未盡理想之處。

有鑑於此，如何進一步提升M形HV MOSFET元件之崩潰電壓，用以達成整合各形狀之HV MOSFET元件的目標，係為發展本案之主要目的。

本發明的目的在於提供一種高壓金氧半場效電晶體元件，其包含：一基底，具有一第一導電類型；一深井區，設置於基底中，具有不同於第一導電類型之一第二導電類型，且深井區具有一邊緣部與一中間部，邊緣部位於中間部的周圍並包圍中間部；一源極/基體區，設置於深井區中，其中定義出一通道區；一汲極區，設置於深井區中；一閘極結構，設置於源極/基體區與汲極區之間，其中包含有一絕緣層；以及一第一摻雜區，設於該區中並位於絕緣層之下方，且第一摻雜區具有第一導電類型，而位於邊緣部範圍之第一摻雜區之摻雜濃度與深井區之邊緣部之摻雜濃度間具有一第一比值，位於中間部範圍之第一摻雜區之摻雜濃度與深井區之中間部之摻雜濃度間具有一第二比值，且第一比值與第二比值之變異度小於或等於5%。

在本發明的較佳實施例中，上述基底為一矽基板。

在本發明的較佳實施例中，上述源極/基體區包含：一高壓井區，設置於上述深井區中，具有上述第一導電類型；一基體接觸區，設置於上述高壓井區中，具有上述第一導電類型，其摻質濃度較上述高壓井區為高；以及一源極接觸區，設置於上述高壓井區中，具有上述第二導電類型。

在本發明的較佳實施例中，上述汲極區包含：一漂移區(DRIFT)，設置於上述深井區中，具有上述第二導電類型；以及一汲極接觸區，設置於上述漂移區中，具有上述第二導電類型，其摻質濃度較上述漂移區為高。

在本發明的較佳實施例中，上述閘極結構更包含：一閘極介電層，設置於該通道區上方；一閘極導體層，設置於上述閘極介電層表面上；以及一場電極結構，設置於上述絕緣層表面上。

在本發明的較佳實施例中，上述第一摻雜區係為一降場層。

在本發明的較佳實施例中，上述高壓金氧半場效電晶體元件為一M型高壓金氧半場效電晶體元件。

在本發明的較佳實施例中，上述第一導電類型為P型，上述第二導電類型為N型。

在本發明的較佳實施例中，上述第一導電類型為N型，上述第二導電類型為P型。

請參見圖1，其係HV MOSFET元件之剖面示意圖，其中包含有一基底1，其具有第一導電類型；而深井區11設置於該基底1中，具有不同於該第一導電類型之第二導電類型。而源極/基體區12與汲極區13皆設置於該深井區11中，而源極/基體區12中具有第一導電類型之高壓井區17，而高壓井區17中定義出一通道區14，閘極結構15係設置於該通道區14上方，而該通道區14與汲極區13間設有絕緣層19，可用例如場氧化層(field oxide)等結構來完成。至於第一摻雜區16係設於深井區11中並位於該場氧化層之下方，且該第一摻雜區16具有該第一導電類型。以下內容以第一導電類型為P型而第二導電類型為N型舉例說明，但實際應用並不限於此，也可以是第一導電類型為N型而第二導電類型為P型。

經發明人研究後發現，HV MOSFET元件在經歷較高溫度且較長時間之熱製程後，由於熱製程中高溫所造成的熱擴散效應，會導致M形HV MOSFET元件內部之摻質產生分佈上的變化，造成用以完成P型降場層(P-top)之第一摻雜區16中的P型摻質與深井區11中的N型摻質之濃度比值不均勻，導致部份區域中第一摻雜區16的P型摻質與深井區11的N型摻質之濃度比值已偏離預設值過遠而誘發崩潰電壓的下降。尤其是深井區11之邊緣部111中之N型摻質，因其易向深井區11外部擴散而濃度將大幅下降，導致深井區11之邊緣部111與中間部112中之N型摻質濃度將產生如圖2所示之不均勻現象，圖2中係表示出深井區11之上視圖，其係原本均勻分佈之N型摻質之濃度經過長時間熱製程造成的熱擴散效應後所形成之濃度分佈示意圖，造成深井區11之邊緣部111之N型摻質濃度比中間部112之N型摻質濃度為低。

有鑑於此，本案於圖3A至圖3C中提出一種技術方案來解決此類問題，首先，圖3A中表示出於一P型基底3中形成一N型深井區31，且控制該N型深井區31中邊緣部311之N型摻質濃度與中間部312之N型摻質濃度於摻雜完成時呈現不同，主要是邊緣部311之N型摻質濃度大於中間部312之N型摻質濃度。然後，如圖3B所示，於該N型深井區31中形成源極/基體(body)區32與汲極區33以及第一摻雜區36，然後再完成閘極結構35等其它結構而形成如圖3C所示之高壓金氧半電晶體元件剖面圖。其中該P型基底3可為P型矽基板，而源極/基體(body)區32包含有P型高壓井區320、摻質濃度較P型高壓井區320為高之P+基體接觸區321以及N+源極接觸區322。至於汲極區33包含有N型漂移區(N-DRIFT)330以及摻質濃度較N型漂移區330為高之N+汲極接觸區331。至於閘極結構35則包含有設置於通道34、N型深井區31與第一摻雜區36上方之閘極介電層(gate dielectric layer)350以及絕緣層(insulator layer)352，以及設置於該閘極介電層(gate dielectric layer)350以及絕緣層352表面上之閘極導體層351以及場電極結構353。

如此一來，由於在摻雜完成時，N型深井區31中邊緣部311之N型摻質濃度被控制在大於中間部312之N型摻質濃度濃度，因此，在經過長時間熱製程造成的熱擴散效應後，深井區31之邊緣部311之N型摻質濃度將可因擴散而降低至與中間部312之N型摻質濃度的水準，最好是讓第一摻雜區36的P型摻質與深井區31的N型摻質之濃度比值在邊緣部311與中間部312間之相對百分偏差(percentage difference)變異度小於或等於5%。如此一來，便可有效改善習用手段缺失，達到提昇崩潰電壓的功效增進，而且還可以搭配申請案號為100130576之”高壓金氧半導體電晶體元件及其製作方法”的技術手段一起使用，如此將可達到更好的效果。

而如何於摻雜完成時將N型深井區31中邊緣部311之N型摻質濃度控制在大於中間部312之N型摻質濃度之狀況，本案提出下列幾種作法：第一種作法，就是可利用兩道遮罩來進行N型摻質之植入，其中第一遮罩係具有一開口來進行出N型摻質植入而定義出深井區31，然後再利用第二遮罩之開口來露出邊緣部311而進行第二次的N型摻質植入，如此將可使得邊緣部311之N型摻質濃度大於中間部312之N型摻質濃度。第二種作法，就是利用如圖4中所示之遮罩40來進行一次N型摻質之植入，其中遮罩之開口41係完全露出邊緣部311但於中間部312則設置有柵欄狀條狀物42，如此一來，在進行完N型摻質植入後，中間部312中將有部份區域未能植入N型摻質，如此也可以使得邊緣部311之N型摻質濃度大於中間部312之N型摻質濃度。至於第三種作法，就是將以漸層式遮罩(gradient mask)來進行一次N型摻質之植入，其中漸層式遮罩邊緣之網點密度較低，越往中間之網點密度較高，如此一來，在進行完N型摻質植入後，也可以使得邊緣部311之N型摻質濃度大於中間部312之N型摻質濃度。

另外，將第一摻雜區36的P型摻質與深井區31的N型摻質之濃度比值在邊緣部311與中間部312間之變異度控制在小於或等於5%之方式還有下列方法。主要是在不對N型深井區31中邊緣部311之N型摻質進行濃度調整的狀況下，改對第一摻雜區36中的P型摻質濃度來進行調整，也就是將屬於邊緣部311範圍內第一摻雜區36的P型摻質濃度調低，而將屬於中間部312範圍內第一摻雜區36的P型摻質濃度調高。其作法也有下列幾種變化：第一種作法，就是可利用兩道遮罩來進行第一摻雜區36的P型摻質之植入，其中第一遮罩係具有一開口來露出所有的第一摻雜區36並進行出P型摻質植入，然後再利用第二遮罩之開口來露出中間部312而進行第二次的P型摻質植入，如此將可使得中間部312範圍內之第一摻雜區36的P型摻質濃度大於邊緣部311範圍內之第一摻雜區36的P型摻質濃度。第二種作法，就是利用如圖5中所示之遮罩50來進行一次P型摻質之植入，遮罩中屬於中間部312範圍內之開口51係完全露出第一摻雜區36，但屬於邊緣部311範圍內之開口52則為柵欄狀，如此也可使得中間部312範圍內之第一摻雜區36的P型摻質濃度大於邊緣部311範圍內之第一摻雜區36的P型摻質濃度。至於第三種作法，也就是將以漸層式遮罩(gradient mask)來進行一次P型摻質之植入，其中漸層式遮罩中間部開口中之網點密度較低，越往邊緣之開口中網點密度較高，如此一來，在進行完P型摻質植入後，也可以使得中間部312範圍內之第一摻雜區36的P型摻質濃度大於邊緣部311範圍內之第一摻雜區36的P型摻質濃度。而由於摻雜完成之第一摻雜區36並不會像深井區31中N型摻質會因熱製程而較易擴散逸失，因此在經過長時間熱製程造成的熱擴散效應後，深井區31之邊緣部311之N型摻質濃度將可因擴散而降低，剛好與讓邊緣部311範圍中第一摻雜區36中濃度較低的P型摻質匹配，因此濃度比值在邊緣部311與中間部312間之變異度仍可控制在小於或等於5%。

綜上所述，本發明利用對摻雜濃度之調整而減少了元件完成後之濃度比值的不均勻，進而改善習用手段中M形HV MOSFET元件之崩潰電壓不足的現象。

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，任何熟習此技藝者，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。

1．．．基底

11．．．深井區

111．．．深井區之邊緣部

112．．．深井區之中間部

12．．．源極/基體區

13．．．汲極區

14．．．通道區

15．．．閘極結構

16．．．第一摻雜區

17．．．高壓井區

19．．．絕緣層

3．．．基底

31．．．深井區

311．．．深井區之邊緣部

312．．．深井區之中間部

32．．．源極/基體區

320．．．高壓井區

321．．．基體接觸區

322．．．源極接觸區

33．．．汲極區

330．．．漂移區

331．．．汲極接觸區

34．．．通道區

35．．．閘極結構

350．．．閘極介電層

351．．．閘極導體層

352．．．絕緣層

353．．．場電極結構

36．．．第一摻雜區

40．．．遮罩

41．．．開口

42．．．柵欄狀條狀物

50．．．遮罩

51．．．開口

52．．．柵欄狀開口

圖1：其係HV MOSFET元件之剖面示意圖。

圖2：其係顯示深井區原本均勻分佈之N型摻質之濃度經過長時間熱製程造成的熱擴散效應後所形成之濃度分佈示意圖。

圖3A至圖3C：顯示本案所發展出來之一種形成HV MOSFET元件的方法之示意圖。

圖4顯示一種應用於本案之遮罩的示意圖。

圖5顯示另一種應用於本案之遮罩的示意圖。

3．．．基底

31．．．深井區

32．．．源極/基體區

320．．．高壓井區

321．．．源極接觸區

322．．．基體接觸區

33．．．汲極區

330．．．漂移區

331．．．汲極接觸區

34．．．通道區

35．．．閘極結構

350．．．閘極介電層

351．．．閘極導體層

352．．．絕緣層

353．．．場電極結構

36．．．第一摻雜區

Claims (9)

1. 一種高壓金氧半場效電晶體元件(HV MOSFET)，包含：一基底，具有一第一導電類型；一深井區，設置於該基底中，具有不同於該第一導電類型之一第二導電類型，且該深井區具有一邊緣部與一中間部，該邊緣部位於該中間部的周圍並包圍該中間部；一源極/基體區，設置於該深井區中，其中定義出一通道區；一汲極區，設置於該深井區中；一閘極結構，設置於該源極/基體區與該汲極區之間，其中包含有一絕緣層；以及一第一摻雜區，設於該深井區中並位於該閘極結構之該絕緣層下方，且該第一摻雜區具有該第一導電類型，而位於該邊緣部範圍之該第一摻雜區之摻雜濃度與該深井區之該邊緣部之摻雜濃度間具有一第一比值，位於該中間部範圍之該第一摻雜區之摻雜濃度與該深井區之該中間部之摻雜濃度間具有一第二比值，且該第一比值與該第二比值之變異度小於或等於5%。
2. 如申請專利範圍第1項所述之高壓金氧半場效電晶體元件，其中該基底為一矽基板。
3. 如申請專利範圍第1項所述之高壓金氧半場效電晶體元件，其中該源極/基體區包含：一高壓井區，設置於該深井區中，具有該第一導電類型；一基體接觸區，設置於該高壓井區中，具有該第一導電類型，其摻質濃度較該高壓井區為高；以及一源極接觸區，設置於該高壓井區中，具有該第二導電類型。
4. 如申請專利範圍第1項所述之高壓金氧半場效電晶體元件，其中該汲極區包含：一漂移區(DRIFT)，設置於該深井區中，具有該第二導電類型；以及一汲極接觸區，設置於該漂移區中，具有該第二導電類型，其摻質濃度較該漂移區為高。
5. 如申請專利範圍第1項所述之高壓金氧半場效電晶體元件，其中該閘極結構更包含：一閘極介電層，設置於該通道區上方；一閘極導體層，設置於該閘極介電層表面上；以及一場電極結構，設置於該絕緣層表面上。
6. 如申請專利範圍第1項所述之高壓金氧半場效電晶體元件，其中該第一摻雜區係為一降場層。
7. 如申請專利範圍第1項所述之高壓金氧半場效電晶體元件，其係為一M型高壓金氧半場效電晶體元件。
8. 如申請專利範圍第1項所述之高壓金氧半場效電晶體元件，其中該第一導電類型為P型，該第二導電類型為N型。
9. 如申請專利範圍第1項所述之高壓金氧半場效電晶體元件，其中該第一導電類型為N型，該第二導電類型為P型。