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TWI599041B - 具有底部閘極之金氧半場效電晶體功率元件及其製作方法 - Google Patents

具有底部閘極之金氧半場效電晶體功率元件及其製作方法 Download PDF

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TWI599041B
TWI599041B TW104138847A TW104138847A TWI599041B TW I599041 B TWI599041 B TW I599041B TW 104138847 A TW104138847 A TW 104138847A TW 104138847 A TW104138847 A TW 104138847A TW I599041 B TWI599041 B TW I599041B
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陳冠宇
李序恒
陳美玲
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節能元件控股有限公司
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Description

具有底部閘極之金氧半場效電晶體功率元件及其製作方法
本發明係為一種金氧半場效電晶體功率元件，更係有關於一種具有底部閘極之金氧半場效電晶體功率元件。
金氧半場效電晶體功率元件(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor Power Device)一般簡稱為功率電晶體(Power MOSFET)，是一種可以廣泛使用在類比電路與數位電路的場效電晶體，目前已成為功率元件(Power device)的主流，經常被應用在許多電力電子用途。金氧半場效電晶體功率元件具有非常低的導通電阻，及極大的閘極輸入阻抗，因此輸入端的功率散逸(power dissipation)相當小。再者，與功率雙極性電晶體(Power Bipolar Transistor)相比，金氧半場效電晶體功率元件只具有單一載子，沒有少數載子存儲的缺點，故具有切換速度非常快的優點。所以，金氧半場效電晶體功率元件已成為高頻低壓功率元件的主流。
再者，為了增加元件密度及更進一步降低元件導通阻值，具有溝渠式閘極(trench gate)的金氧半場效電晶體功率元件成為設計重點。然而，隨著元件密度的提升，閘極-汲極間電荷(Qgd)會變大，使閘極的充放電速度變慢而影響元件的效能再者。為了降低閘極-汲極間電荷(Qgd)以改善元件切換損耗，必須 降低元件電容值，例如使用分離閘極架構以減少閘汲極面積，然而金氧半場效電晶體功率元件之元件電容仍有進一步改善之需求。
為了克服習知技術問題，本發明之一目的為提供一種可降低元件電容值之金氧半場效電晶體功率元件。
為達成上述目的，本發明提供一種具有底部閘極之金氧半場效電晶體功率元件，包含：一第一導電型基板；一第一導電型磊晶層，位於該第一導電型基板之上；多數之元件溝槽，設立於該第一導電型磊晶層之上表面，每一元件溝槽中具有由深至淺排列之一底部閘極、一分離閘極及一溝渠閘極，其中該底部閘極及該第一導電型磊晶層之間具有一底部絕緣層，在該底部閘極及該分離閘極之間具有一中間絕緣層，在該分離閘極及該溝渠閘極之間具有一上層絕緣層。
為達成上述目的，本發明提供一種金氧半場效電晶體功率元件之製作方法，包含：提供一第一導電型基板及一第一導電型磊晶層，該第一導電型磊晶層係位於該第一導電型基板之上；在該第一導電型磊晶層之上表面設立多數之元件溝槽，每一元件溝槽中具有由深至淺排列之一底部閘極、一分離閘極及一溝渠閘極，其中該底部閘極及該第一導電型磊晶層之間具有一底部絕緣層，在該底部閘極及該分離閘極之間具有一中間絕緣層，在該分離閘極及該溝渠閘極之間具有一上層絕緣層。
藉由此金氧半場效電晶體功率元件之絕緣連接的底部閘極，可進一步降低閘汲極面積，且藉此降低此金氧半場效電晶體功率元件之等效電容及電阻，更有效提升操作頻寬。
100‧‧‧複合基板
101‧‧‧高掺雜濃度N型矽基板
102‧‧‧低掺雜濃度N型磊晶層
200‧‧‧元件溝槽
300‧‧‧終端溝槽
400‧‧‧源極溝槽
20‧‧‧底部閘極
22‧‧‧分離閘極
24‧‧‧溝渠閘極
20A‧‧‧多晶矽層
22A‧‧‧沈積氧化層
30‧‧‧氧化層
32‧‧‧底部絕緣層
34‧‧‧中間絕緣層
36‧‧‧上層絕緣層
38‧‧‧閘極絕緣層
40‧‧‧P型本體區
42‧‧‧N型源極區
44‧‧‧層間介電層
46‧‧‧接觸金屬層
48‧‧‧金屬電極層
圖1至圖9為依據本發明一較佳具體實例之具有底部閘極之金氧半場效電晶體功率元件製作流程剖視圖。
參見圖1-圖9所示，為依據本發明一較佳具體實例之具有底部閘極之金氧半場效電晶體功率元件製作流程剖視圖。如圖1所示，依據本發明，首先提供一複合基板100，此複合基板100例如可包含一高掺雜濃度N型矽基板101(N+矽基板)與一低掺雜濃度N型磊晶層102(N-磊晶層)所構成。於此圖中所繪示的低掺雜濃度N型磊晶層102係較高掺雜濃度N型矽基板101來的厚，但是須知此圖僅為示意說明本發明之具體實例，於實際之元件中，低掺雜濃度N型磊晶層102應比較高掺雜濃度N型矽基板101來的薄。隨後藉由光阻佈形製成形成多數光阻圖案(未圖示)，並藉由該些光阻圖案作為蝕刻罩幕(etching mask)對於低掺雜濃度N型磊晶層102進行蝕刻以製作出多數溝槽(trench)200,300。如圖1所示，此些溝槽包含在元件區(虛線左側)之元件溝槽200及在終端區(虛線右側)之終端溝槽300，且終端溝槽300之寬度係大於元件溝槽200。在製作多數溝槽200、300之後，可隨選地進行一犧牲氧化層(sacrificial oxidation)步驟，亦即形成一個薄氧化層後再進行一氧化蝕刻步驟，以移除溝槽壁面上之受損的表面並使多數溝槽200、300之側壁變光滑。如圖1所示，隨後對於具有多數溝槽200、300之低掺雜濃度N型磊晶層102進行熱氧化製程，以在多數溝槽200、300之內，及低掺雜濃度N型磊晶層102之露出上表面形成一氧化層30，此氧化層30之厚度例如可為3000-6000埃。再者，此氧化層30也可由沈積方式形成。
如圖2所示，在形成氧化層30之後即再對於所得結構沈積一多晶矽層20A，隨後於此多晶矽層20A填入多數溝槽200、300之中且覆蓋整個低掺 雜濃度N型磊晶層102之上，此多晶矽層20A之厚度(自低掺雜濃度N型磊晶層102上之氧化層30上表面開始計算)例如可為1.5-2.5微米。
如圖3所示，在形成多晶矽層20A之後，隨後進行一回蝕步驟(例如為一乾蝕刻步驟)，以去除多晶矽層20A直至終端溝槽300中沒有多晶矽層20A且部份之多晶矽層20A殘留於元件溝槽200中為止。如此圖所示，在此回蝕步驟之後，在元件溝槽200中的氧化層30上留有部份殘留多晶矽，此部份殘留多晶矽即作為本發明金氧半場效電晶體功率元件之一底部閘極20，且在底部閘極20與低掺雜濃度N型磊晶層102之間的熱氧化層部份即成為一底部絕緣層32。
如圖4所示，隨後再進行一氧化層成長步驟，例如可用LPTEOS(低壓四乙氧基矽烷(Tetraethyl Orthosilicate))製程或是CVD製程成長一沈積氧化層22A。此沈積氧化層22A覆蓋底部閘極20之上且填滿多數溝槽200、300，並也覆蓋原本在低掺雜濃度N型磊晶層102上之氧化層30之上。此沈積氧化層22A之厚度為1000-3000埃(自低掺雜濃度N型磊晶層102上之氧化層30上表面開始計算)，且隨後進行一表面研磨製程(CMP)去除低掺雜濃度N型磊晶層102上表面的沈積氧化層22A及氧化層30(如圖5所示)，以使後續的氧化層蝕刻步驟能夠更易控制。
如圖6所示，隨後進行一乾蝕刻製程，以去除在元件溝槽200及在終端溝槽300中的氧化層22A部份，直至在元件溝槽200之底部閘極20上有一層氧化層為止，此氧化層作為底部閘極20及後續形成的分離閘極(未示於此圖，詳見後述說明)之間的中間絕緣層34。
如圖7所示，隨即進行類似圖2-6之步驟，亦即再先成長一多晶矽層(厚度為2-3微米)、回蝕此多晶矽層，直至此多晶矽層僅殘留於元件溝槽200中為止。如此圖所示，在元件溝槽200之中間絕緣層34上有作為分離閘極22之多晶矽層。隨後再進行一氧化層成長步驟，例如可用LPTEOS(低壓四乙氧基矽烷)製程或是CVD製程成長一沈積氧化層。隨後進行一表面研磨製程以去除低掺雜濃度N型磊晶層102上表面的沈積氧化層。隨後進行一乾蝕刻製程，以去除在元件溝槽200及在終端溝槽300中的氧化層部份，直至在元件溝槽200之分離閘極22上有一層氧化層為止，此氧化層即作為分離閘極22及待形成之溝渠閘極(詳見後述)之間的上層絕緣層36。
如圖8所示，隨即再成長一多晶矽層(厚度為2-3微米)、回蝕此多晶矽層，直至此多晶矽層僅殘留於元件溝槽200中為止。如此圖所示，在元件溝槽200之上層絕緣層36上有作為溝槽閘極24之多晶矽層。隨即再進行一氧化層回蝕步驟。
如圖9所示，在形成溝槽閘極24之後，分別進行離子佈植及熱趨入，以形成接近低掺雜濃度N型磊晶層102上表面，且在元件溝槽200兩側之P型本體區40及N型源極區42。隨後在所得結構表面上形成層間介電層(interlayer dielectric,ILD)44，再以光阻佈形方式蝕刻出源極溝槽400及於源極溝槽400上形成接觸金屬層46。此接觸金屬層46例如可為鈦(Ti)或是氮化鈦(TiN)層，以使後續形成之金屬電極層及下面的矽半導體層能形成金屬矽化物(silicide)，降低電阻值。在形成接觸金屬層46之後，即形成位在接觸金屬層46上之一金屬電極層48，及一層保護鈍化層(未圖示)。
復參見圖9，為依據本發明之較佳具體實例所製作之具有底部閘極之金氧半場效電晶體功率元件側示圖。此金氧半場效電晶體功率元件具有一複合基板100(包含一高掺雜濃度N型矽基板101與一低掺雜濃度N型磊晶層102)、位在元件區之多個元件溝槽200及位在終端區之至少一個終端溝槽300。在元件溝槽200之中由深至淺依序分布之底部閘極20、分離閘極22及溝渠閘極24，其中底部閘極20及低掺雜濃度N型磊晶層102之間具有底部絕緣層32、在底部閘極20及分離閘極22之間具有中間絕緣層34、在分離閘極22及溝渠閘極24之間具有上層絕緣層36。在元件溝槽200兩側分別具有P型本體區40及位在P型本體區40之中的N型源極區42。此外，元件溝槽200之中的溝渠閘極24及元件溝槽200之外的N型源極區42之間隔有閘極氧化層38。在相鄰元件溝槽200之間具有源極溝槽400，且在源極溝槽400之旁與溝渠閘極24及N型源極區42之上具有層間介電層44。在源極溝槽400之內側表面及層間介電層44具有接觸金屬層46，而在接觸金屬層46之上具有一金屬電極層48，以作為源極電極。
在圖9所示之金氧半場效電晶體功率元件，溝渠閘極24係電連接到閘極電極(未圖示)以得到操作電壓；而分離閘極22可藉由埋入電極(未圖示)而電連接到N型源極區42。再者，底部閘極20係藉由中間絕緣層34而與分離閘極22電隔絕，而未與任何其他元件電連接。藉由此金氧半場效電晶體功率元件之絕緣連接的底部閘極20，可進一步降低閘汲極面積，且藉此降低此金氧半場效電晶體功率元件之等效電容及電阻，更有效提升操作頻寬。
上述之實施例僅為本發明部份實施方式說明，對此技術知悉者可知本發明仍有其餘實施方式，例如上述之N型複合基板100可由P型基板取代，而連帶的N型源極區之N型摻雜由P型摻雜取代、P型本體區40之P型摻雜由N型摻雜 取代，仍可達成具有底部閘極之金氧半場效電晶體功率元件，皆在本案專利保護範圍之內。
100‧‧‧複合基板
101‧‧‧高掺雜濃度N型矽基板
102‧‧‧低掺雜濃度N型磊晶層
20‧‧‧底部閘極
22‧‧‧分離閘極
24‧‧‧溝渠閘極
32‧‧‧底部絕緣層
34‧‧‧中間絕緣層
36‧‧‧上層絕緣層
38‧‧‧閘極絕緣層
40‧‧‧P型本體區
42‧‧‧N型源極區
44‧‧‧層間介電層
46‧‧‧接觸金屬層
48‧‧‧金屬電極層
400‧‧‧源極溝槽

Claims (16)

  1. 一種具有底部閘極之金氧半場效電晶體功率元件，包含：一第一導電型基板；一第一導電型磊晶層，位於該第一導電型基板之上；多數之元件溝槽，設立於該第一導電型磊晶層之上表面，每一元件溝槽中具有由深至淺排列之一底部閘極、一分離閘極及一溝渠閘極，其中該底部閘極及該第一導電型磊晶層之間具有一底部絕緣層，在該底部閘極及該分離閘極之間具有一中間絕緣層，在該分離閘極及該溝渠閘極之間具有一上層絕緣層；其中該底部閘極係藉由該中間絕緣層而與該分離閘極電隔絕，且該底部閘極未與任何其他元件電連接；其中該金氧半場效電晶體功率元件更包含至少一源極溝槽，該源極溝槽延伸至部份之P型本體區，但未延伸至該P型本體區外。
  2. 如請求項1之具有底部閘極之金氧半場效電晶體功率元件，其中該底部閘極、該分離閘極及該溝渠閘極為多晶矽製成。
  3. 如請求項1之具有底部閘極之金氧半場效電晶體功率元件，其中該底部閘極與該分離閘極及該溝渠閘極電隔離。
  4. 如請求項1之具有底部閘極之金氧半場效電晶體功率元件，其中該底部絕緣層為氧化層或是沈積氧化層。
  5. 如請求項1之具有底部閘極之金氧半場效電晶體功率元件，其中該中間絕緣層及該上層絕緣層為沈積氧化層。
  6. 如請求項1之具有底部閘極之金氧半場效電晶體功率元件，更包含： 位在元件溝槽外側之第二導電型本體區，及位在第二導電型本體區之上側部份的一第一導電型源極區。
  7. 如請求項5之具有底部閘極之金氧半場效電晶體功率元件，其中第一導電型為N型或是P型。
  8. 如請求項1之具有底部閘極之金氧半場效電晶體功率元件，更包含：位在該溝渠閘極及該第一導電型源極區上之一層間介電層；及位在該層間介電層上之一接觸金屬層。
  9. 一種金氧半場效電晶體功率元件之製作方法，包含：提供一第一導電型基板及一第一導電型磊晶層，該第一導電型磊晶層係位於該第一導電型基板之上；在該第一導電型磊晶層之上表面設立多數之元件溝槽，每一元件溝槽中具有由深至淺排列之一底部閘極、一分離閘極及一溝渠閘極，其中該底部閘極及該第一導電型磊晶層之間具有一底部絕緣層，在該底部閘極及該分離閘極之間具有一中間絕緣層，在該分離閘極及該溝渠閘極之間具有一上層絕緣層；形成至少一源極溝槽，該源極溝槽延伸至部份之P型本體區，但未延伸至該P型本體區外；其中該底部閘極係藉由該中間絕緣層而與該分離閘極電隔絕，且該底部閘極未與任何其他元件電連接。
  10. 如請求項9之金氧半場效電晶體功率元件之製作方法，其中該底部閘極、該分離閘極及該溝渠閘極為多晶矽製成。
  11. 如請求項9之金氧半場效電晶體功率元件之製作方法，其中該底部閘極與該分離閘極及該溝渠閘極電隔離。
  12. 如請求項9之金氧半場效電晶體功率元件之製作方法，其中該底部絕緣層為熱氧化層或是沈積氧化層。
  13. 如請求項9之金氧半場效電晶體功率元件之製作方法，其中該中間絕緣層及該上層絕緣層為沈積氧化層。
  14. 如請求項9之金氧半場效電晶體功率元件之製作方法，更包含：形成位在元件溝槽外側之第二導電型本體區，及形成位在第二導電型本體區之上側部份的一第一導電型源極區。
  15. 如請求項14之金氧半場效電晶體功率元件之製作方法，，其中第一導電型為N型或是P型。
  16. 如請求項9之金氧半場效電晶體功率元件之製作方法，更包含：形成位在該溝渠閘極及該第一導電型源極區上之一層間介電層；及形成位在該層間介電層上之一接觸金屬層。
TW104138847A 2015-11-23 2015-11-23 具有底部閘極之金氧半場效電晶體功率元件及其製作方法 TWI599041B (zh)

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