TWI577010B - 功率金氧半導體場效電晶體 - Google Patents
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Description
本發明是有關於一種金氧半導體場效電晶體技術，且特別是有關於一種功率金氧半導體場效電晶體。
斷閘極式功率金氧半導體場效電晶體(split-gate power MOSFET)也可稱為遮蔽閘極式功率金氧半導體場效電晶體(shielded-gate power MOSFET)，其結構是將溝渠式金氧半場效電晶體內的閘極結構，以多晶矽間介電層(inter-poly-dielectric，IPD)隔開，而分為兩個電位。位於上方的閘極稱用於金氧半場效電晶體的通道(channel)形成，位於下方的閘極則會以金屬內連線電性耦合至源極(source)電位，用於截止(blocking)操作下二維電荷平衡的生成，並藉由多晶矽間介電層來改善傳統溝渠式金氧半場效電晶體中過高的閘極至汲極電容，從而降低切換損耗。
然而，由於在製造斷閘極式功率金氧半導體場效電晶體時所使用的熱氧化法，會造成摻雜離子的擴散，使得上述分開的兩個閘極不能有效地隔絕。進一步在斷閘極式功率金氧半導體場效電晶體進行高電壓的應用時，無法承受更高的電位。
本發明提供一種功率金氧半導體場效電晶體，能在高電壓場下維持功率金氧半導體場效電晶體的效能，並且使功率金氧半導體場效電晶體的製造信賴性獲得提升。
本發明的功率金氧半導體場效電晶體，包括基板、半導體層、第一閘極、第二閘極、熱氧化物層、第一CVD氧化物層以及閘極氧化層。半導體層形成於該基板上，且半導體層具有至少一溝渠。第一閘極位於溝渠內。第二閘極位於第一閘極上的溝渠內，其中第二閘極具有第一部分及第二部分，且第二部分位於半導體層及第一部分之間。熱氧化物層位於第一閘極與半導體層之間。第一CVD氧化物層則位於第一閘極與第二閘極之間。閘極氧化層位於第二閘極與半導體層之間。
在本發明的一實施例中，上述熱氧化物層還可位於第一CVD氧化物層與第一閘極之間。
在本發明的一實施例中，上述閘極氧化層還可延伸至第一CVD氧化物層與半導體層之間以及熱氧化物層與半導體層之間。
在本發明的一實施例中，上述的功率金氧半導體場效電晶體還可包括位於第一閘極與熱氧化物層之間的第二CVD氧化物層以及位於第二CVD氧化物層與熱氧化物層之間的氮化矽層。
在本發明的一實施例中，上述第二閘極的第二部分還可包括往下延伸至第一CVD氧化物層與閘極氧化層之間。
在本發明的一實施例中，上述的第二閘極中的第二部分還可覆蓋在上述第一部分上。
在本發明的一實施例中，上述的第一閘極的材料包括金屬、多晶矽、非晶矽或上述之組合。
在本發明的一實施例中，上述的第二閘極的材料包括金屬、多晶矽、非晶矽或上述之組合。
在本發明的一實施例中，上述的第一部分的材料不同於上述的第二部分的材料。
在本發明的一實施例中，上述的第一與第二CVD氧化物層各自獨立地包括高溫化學氣相沈積氧化物(HTO)層或是以四乙氧基矽烷(TEOS)為原料所形成的。
在本發明的一實施例中，上述的第一閘極可具有圓角。
基於上述，本發明的功率金氧半導體場效電晶體藉由CVD氧化物層作為隔開第一與第二閘極的結構層，所以能在高操作電壓下有效防止漏電的情形發生。此外，本發明的功率金氧半導體場效電晶體之第二閘極具有第一與第二部分，因此能藉由不同步形成的第一部分與第二部分來增加製程的變化。
為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。
10、20、30、40‧‧‧功率金氧半導體場效電晶體
100、300‧‧‧基板
102、302‧‧‧半導體層
102a、302a‧‧‧溝渠
104、304‧‧‧第一閘極
104a‧‧‧圓角
106、200、306、400‧‧‧第二閘極
106a、200a、306a、400a‧‧‧第一部分
106b、200b、306b、400b‧‧‧第二部分
108a、308a‧‧‧熱氧化物層
108b、308b‧‧‧閘極氧化層
110、314‧‧‧第一CVD氧化物層
112、316‧‧‧源極區
114、318‧‧‧井區
116、320‧‧‧絕緣層
310‧‧‧第二CVD氧化物層
312‧‧‧氮化矽層
t1、t2‧‧‧厚度
圖1是依照本發明的第一實施例的一種功率金氧半導體場效電晶體的剖面示意圖。
圖2是依照本發明的第二實施例的一種功率金氧半導體場效電晶體的剖面示意圖。
圖3是依照本發明的第三實施例的一種功率金氧半導體場效電晶體的剖面示意圖。
圖4是依照本發明的第四實施例的一種功率金氧半導體場效電晶體的剖面示意圖。
以下實施例中所附的圖式是為了能更完整地描述發明概念的示範實施例，但是，仍可使用許多不同的形式來實施本發明，且其不應該被視為受限於所記載的實施例。在圖式中，為了清楚起見，膜層、區域及/或結構元件的相對厚度及位置可能縮小或放大。此外，本文使用「第一」、「第二」等來描述不同的區域、膜層及/或區塊，但是這樣的用語僅用於區別一區域、膜層或區塊與另一區域、膜層或區塊。因此，以下所討論之第一區域、膜層或區塊可以被稱為第二區域、膜層或區塊而不違背實施例的教示。
圖1是依照本發明的第一實施例的一種功率金氧半導體場效電晶體的剖面示意圖。
請參照圖1，本實施例的功率金氧半導體場效電晶體10包括基板100、具有溝渠102a的半導體層102、第一閘極104、第
二閘極106、熱氧化物層108a、閘極氧化層108b以及第一CVD氧化物層110。其中，半導體層102形成於基板100上，半導體層102例如是摻雜的矽層或摻雜磊晶層。而第一閘極104是位於溝渠102a內。在第一實施例中，第一閘極104具有圓角104a；也就是說，第一閘極104的邊角是圓的而不是具有突出的尖端結構(fangs)，因此可以藉此降低輸入電容(例如：閘極-源極電容(Cgs))，或是減少產生反向漏電流(例如：閘極漏電流(Igss))，可以使得功率金氧半導體場效電晶體10的信賴性獲得提升。
請繼續參照圖1，第二閘極106則位於第一閘極104上的溝渠102a內，其中第二閘極106具有第一部分106a及第二部分106b，且第二部分106b位於半導體層102及第一部分106a之間。在本實施例中，第一閘極104及第二閘極106的材料例如各自獨立為金屬、多晶矽、非晶矽或上述之組合，且其形成的方法包括化學氣相沉積(Chemical Vapor Deposition)、物理氣相沉積(Physical vapor deposition)或其他適當的成膜製程。此外，在本實施例中，第二閘極106的第一部分106a與第二部分106b可以是不同時形成的，因此，第一部分106a的材料可不同於第二部分106b的材料。再者，在製作功率金氧半導體場效電晶體10期間，第二閘極106的第一部分106a可以作為蝕刻製程中保護第一CVD氧化物層110的保護層，因此第一部分106a較佳是具有比氧化物低的蝕刻速率(etching rate)的材料，以保護位於第一閘極104與第二閘極106之間的第一CVD氧化物層110，所以第二閘極106的第一部
分106a除了一般可作為閘極的金屬、多晶矽、非晶矽等導電材料之外，也可選用具有比氧化物低的蝕刻速率的非導電材料，如氮化矽等。同時，第二閘極106之第二部分106b是位於第一部分106a的側壁並與其直接接觸，因此第二部分106b除了可以修補第一部分106a在作為蝕刻製程期間的保護層時，其側面所造成的缺陷，還能與第一部分106a形成完整的第二閘極106。
請繼續參照圖1，熱氧化物層108a位於第一閘極104與半導體層102之間。在本實施例中，使用熱氧化法製作的熱氧化物層108a在製作時例如採取較高的製程溫度(900℃~1200℃)，因此所形成的二氧化矽具有較高的緻密性，可以作為製程前期(即，在形成第一閘極104與第二閘極106之前)的表面保護。第一CVD氧化物層110則位在第一閘極104與第二閘極106之間，且熱氧化物層108a還可位於第一CVD氧化物層110與第一閘極104之間。在本實施例中，第一CVD氧化物層110是指利用化學氣相沉積(CVD)形成的氧化物，例如高溫化學氣相沈積氧化物(high temperature CVD oxide，HTO)層或是一層以四乙氧基矽烷(tetraethyl orthosilicate，TEOS)為原料所形成的膜層，且其形成的方法例如低壓化學氣相沉積。由於第一CVD氧化物層110的氧化物品質比熱氧化法所形成的氧化物層優異，所以第一CVD氧化物層110可以有效地隔絕第一閘極104與第二閘極106，使得本實施例之功率金氧半導體場效電晶體10能承受更高的電位而不漏電。
請繼續參照圖1，閘極氧化層108b位於第二閘極106與
半導體層102之間，且在半導體層102內通常具有源極區112與井區114，所以在圖1顯示閘極氧化層108b大部分是在第二閘極106與井區114之間。至於汲極區(未繪出)通常配置在基板100未形成半導體層102的那一面。在第一實施例中，因為閘極氧化層108b可藉由製程設計而與熱氧化物層108a同時形成，之後再經由其他步驟減薄，所以基本上閘極氧化層108b與熱氧化物層108a可視為同一層，不過閘極氧化層108b的厚度t1通常比熱氧化物層108a的厚度t2要薄，且閘極氧化層108b可延伸至第一CVD氧化物層110與半導體層102之間。但本發明並不限於此，上述閘極氧化層108b的材料也可以不同於熱氧化物層108a的材料。例如，閘極氧化層108b也可與第一CVD氧化物層110使用相同方法製作。另外，在第二閘極106上可依照設計，配置絕緣層118之類的膜層。
圖2是依照本發明的第二實施例的一種功率金氧半導體場效電晶體的剖面示意圖，其中使用與第一實施例相同的元件符號來表示相同或近似的部份，並且其相關描述在此不予贅述。
請參照圖2，第二實施例之功率金氧半導體場效電晶體20的第二閘極200中的第二部分200b不但位於半導體層102及第一部分200a之間，還覆蓋在第一部分200a上；意即，第二部分200b包覆整個第一部分200a，因此，第二部分200b除了可以修補第一部分200a在蝕刻製程期間所受到的損害還能填滿第一部分200a的縫隙(gap filling)，即使第一部分200a不是導電材料，也因
為第二部分200b配置於主動區內，所以第二閘極200能順利運作。
圖3是依照本發明的第三實施例的一種功率金氧半導體場效電晶體的剖面示意圖。
請參照圖3，本實施例的功率金氧半導體場效電晶體30包括基板300、具有溝渠302a的半導體層302、第一閘極304、第二閘極306、熱氧化物層308a、閘極氧化層308b、氮化矽層312、第一CVD氧化物層314以及第二CVD氧化物層310，其中半導體層302形成於基板300上，第一閘極304是位於溝渠302a內，第二閘極306則位於第一閘極304上的溝渠302a內，且第二閘極306具有第一部分306a和介於半導體層302及第一部分306a之間的第二部分306b。至於上述半導體層302、第一閘極304與第二閘極306的詳細材料或構造，可參照第一實施例的相同構件，故不再贅述。
請繼續參照圖3，本實施例的功率金氧半導體場效電晶體30與第一實施例之間的差異在於具有第二CVD氧化物層310和氮化矽層312，其中第二CVD氧化物層310位於第一閘極304與熱氧化物層308a之間，而氮化矽層312是位於第二CVD氧化物層310與熱氧化物層308a之間。上述第二CVD氧化物層310與第一CVD氧化物層314都是指利用化學氣相沉積(CVD)形成的氧化物，且各自獨立地例如高溫化學氣相沈積氧化物(HTO)層或是一層以四乙氧基矽烷(TEOS)為原料所形成的膜層，且其形成的方法例如低壓化學氣相沉積。至於閘極氧化層308b除了位於第二閘極
306與半導體層302之間，還延伸至第一CVD氧化物層314與半導體層302之間。而且，第二閘極306的第二部分306b還可往下延伸至第一CVD氧化物層314與閘極氧化層308b之間。在半導體層302內通常具有源極區316與井區318，至於汲極區(未繪出)通常配置在基板300未形成半導體層302的那一面。此外，如有需要，在第二閘極306上的溝渠302a內可配置絕緣層320之類的膜層。在本實施例中，上述氮化矽層312的形成的方法例如化學氣相沉積或其他適當的成膜製程。此外，氮化矽層312可以防止半導體層302或第二閘極306內的摻雜元素進一步的擴散，有效地隔絕半導體層302與第二閘極306，使得第三實施例之功率金氧半導體場效電晶體30的信賴性獲得提升。
圖4是依照本發明的第四實施例的一種功率金氧半導體場效電晶體的剖面示意圖，其中使用與第三實施例相同的元件符號來表示相同或近似的部份，並且其相關描述在此不予贅述。
請參照圖4，第四實施例之功率金氧半導體場效電晶體40的第二閘極400中的第二部分400b不但位於半導體層302及第一部分400a之間，還覆蓋在第一部分400a上，所以整個第一部分400a被第二部分400b包覆。因此，第二部分400b可以修補第一部分400a在蝕刻製程期間所受到的損害以及填滿第一部分400a的縫隙(gap filling)。另一方面，假使第一部分400a不是導電材料，因為第二部分400b完整配置於主動區內，所以第二閘極400也能順利運作。
綜上所述，本發明藉由在第一閘極與第二閘極之間形成CVD氧化物層，以有效地增進第一閘極與第二閘極之間的氧化物品質，所以本發明之功率金氧半導體場效電晶體能承受更高的操作電壓而不漏電，所以元件本身的信賴性可獲得提升。
雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。
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104a‧‧‧圓角
106‧‧‧第二閘極
106a‧‧‧第一部分
106b‧‧‧第二部分
108a‧‧‧熱氧化物層
108b‧‧‧閘極氧化層
110‧‧‧第一CVD氧化物層
112‧‧‧源極區
114‧‧‧井區
116‧‧‧絕緣層
t1、t2‧‧‧厚度
Claims (10)
- 一種功率金氧半導體場效電晶體，包括：基板；半導體層，形成於該基板上，且該半導體層具有至少一溝渠；第一閘極，位於該溝渠內；第二閘極，位於該第一閘極上的該溝渠內，其中該第二閘極具有第一部分及第二部分，且該第二部分位於該半導體層及該第一部分之間，其中該第二部分覆蓋在該第一部分上；熱氧化物層，位於該第一閘極與該半導體層之間；第一CVD氧化物層，位於該第一閘極與該第二閘極之間；以及閘極氧化層，位於該第二閘極與該半導體層之間。
- 如申請專利範圍第1項所述的功率金氧半導體場效電晶體，其中該熱氧化物層更包括位於該第一CVD氧化物層與該第一閘極之間。
- 如申請專利範圍第1項所述的功率金氧半導體場效電晶體，其中該閘極氧化層更包括延伸至該第一CVD氧化物層與該半導體層之間。
- 如申請專利範圍第1項所述的功率金氧半導體場效電晶體，更包括：第二CVD氧化物層，位於該第一閘極與該熱氧化物層之間；以及 氮化矽層，位於該第二CVD氧化物層與該熱氧化物層之間。
- 如申請專利範圍第3項所述的功率金氧半導體場效電晶體，其中該第二閘極的該第二部分更包括往下延伸至該第一CVD氧化物層與該閘極氧化層之間。
- 如申請專利範圍第1項所述的功率金氧半導體場效電晶體，其中該第一閘極的材料包括金屬、多晶矽、非晶矽或上述之組合。
- 如申請專利範圍第1項所述的功率金氧半導體場效電晶體，其中該第二閘極的材料包括金屬、多晶矽、非晶矽或上述之組合。
- 如申請專利範圍第1項所述的功率金氧半導體場效電晶體，其中該第一部分的材料不同於該第二部分的材料。
- 如申請專利範圍第1項所述的功率金氧半導體場效電晶體，其中該第一CVD氧化物層與該第二CVD氧化物層各自獨立地包括高溫化學氣相沈積氧化物(HTO)層或是以四乙氧基矽烷(TEOS)為原料所形成的。
- 如申請專利範圍第1項所述的功率金氧半導體場效電晶體，其中該第一閘極具有圓角。
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