TWI532166B - 橫向擴散金氧半導體元件及其製造方法 - Google Patents

Description

橫向擴散金氧半導體元件及其製造方法

本發明係關於一種橫向擴散金氧半導體元件及其製造方法，尤指一種具有低的導通電阻(On-state resistance，Ron)/崩潰電壓(Breakdown Voltage,VB)值的橫向擴散金氧半導體元件及其製造方法。

隨著半導體積體電路製造技術的發展，對於形成於單一晶片上的控制電路、記憶體、低壓操作電路以及高壓操作電路等元件的需求也隨之增加，其中習知技術更常利用絕緣閘極雙載子電晶體(insulated gate bipolar transistor，IGBT)與雙擴散金氧半導體(double-diffused metal oxide semiconductor，DMOS)元件作為單一晶片內的高壓元件。

雙擴散金氧半導體元件可概分為橫向擴散金氧半導體元件(lateral DMOS，以下簡稱為LDMOS)與垂直擴散金氧半導體元件(vertical DMOS，VDMOS)，其中LDMOS因與標準互補型金氧半導體(CMOS)元件製程具有較佳的整合性，且具有較佳的切換效率(power switching efficiency)，又更常為業界所採用。

第1圖為習知橫向擴散金氧半導體元件的剖面示意圖。如第1圖所示，橫向擴散金氧半導體元件100包含有一P型的基底110、一N型井120設置於基底110中、一場氧化層130設置於基底110上、一閘極140設置於部分場氧化層130上，一側壁子150設置於閘極140的兩側。一P型摻雜區160位於N型井120中，而源極170則位於側壁子150一側邊的P型摻雜區160中，汲極180設置於側壁子150另一側邊的N型井120中。

當施加於橫向擴散金氧半導體元件100之閘極140的電壓大於閾值電壓(threshold voltage)時，橫向擴散金氧半導體元件100即被開啟。此時，自汲極180輸入之高壓訊號會經由N型井120傳向源極170。N型井120係用以作為一電阻，使得流經N型井120之高壓訊號產生壓降成為低壓訊號，以利內部電路使用。然而，由於P型摻雜區160與N型井120之介面具有極端的摻雜電性差異，故造成局部電場集中，導致橫向擴散金氧半導體元件100的崩潰電壓降低以及導通電阻增高。是以，習知之橫向擴散金氧半導體元件之R/B(導通電阻/崩潰電壓)值居高不下。因此，產業上亟需一橫向擴散金氧半導體元件，可有效解決上述問題，而有效減少R/B值。

本發明提出一種橫向擴散金氧半導體元件其及製造方法，具有相較於習知較低的R/B值。

本發明提供一種橫向擴散金氧半導體元件，包含有一基底、一第一深井區、至少一場氧化層、一閘極、一第二深井區、一第一摻雜區、一汲極以及一共用源極。基底具有第一導電型之第一深井區。至少一場氧化層位於基底上。閘極設置於基底上且覆蓋部分場氧化層。第二深井區具有一第二導電型，設置於基底中且緊鄰第一深井區。第一摻雜區具有一第二導電型，設置於第二深井區中，且第一摻雜區的摻雜濃度高於第二深井區的摻雜濃度。汲極設置於閘極外側的第一深井區中。共用源極設置於閘極內側的第一摻雜區中。

本發明提供一種橫向擴散金氧半導體元件，包含有一基底、一磊晶層、第一深井區、一埋入層、至少一場氧化層、一閘極、一第二深井區、一第一摻雜區、一汲極以及一共用源極。磊晶層位於基底上，具有第一導電型之第一深井區。埋入層位於基底與磊晶層之間。至少一場氧化層位於磊晶層上。閘極設置於磊晶層上且覆蓋部分場氧化層。第二深井區具有一第二導電型，設置於磊晶層中且緊鄰第一深井區。第一摻雜區具有一第二導電型，設置於第二深井區中，且第一摻雜區的摻雜濃度高於第二深井區的摻雜濃度。汲極設置於閘極外側的第一深井區中。共用源極設置於閘極內側的第一摻雜區中。

本發明提供一種橫向擴散金氧半導體元件的製造方法，包含有下列步驟。首先，提供一基底。接著，形成一第一深井區於基底中，第一深井區具有一第一導電型。接續，形成一第二深井區於基底中且緊鄰第一深井區，第二深井區具有一第二導電型。續之，形成一汲極於第一深井區中。繼之，形成至少一場氧化層，於基底上。接續，形成一第一摻雜區於第二深井區中，第一摻雜區具有一第二導電型，且第一摻雜區的摻雜濃度高於第二深井區的摻雜濃度。再者，形成一閘極，於第一摻雜區以及汲極之間的基底上且覆蓋部分場氧化層。最後，形成一共用源極於第一摻雜區中。

基於上述，本發明提出一種橫向擴散金氧半導體元件及其製造方法，其具有一第二深井區，而此第二深井區的電性與第一摻雜區相同，但第二深井區的摻雜濃度小於第一摻雜區的摻雜濃度，故本發明之橫向擴散金氧半導體元件具有一漸變式的摻雜濃度梯度結構，因而可相較於習知之橫向擴散金氧半導體元件具有較低的R(導通電阻)/B(崩潰電壓)值。此外，本發明之橫向擴散金氧半導體元件更具有一埋入層，用以作為絕緣層，而能進一步防止位於埋入層上，特別是第二深井區的電流流向下而漏電的情形。

第2圖為依據本發明第一較佳實施例之橫向擴散金氧半導體元件的上視及剖面示意圖。如第2圖所示(，其中(2a)為上視圖，(2b)為剖面圖)，一種橫向擴散金氧半導體元件200，包含有一基底210、一第一深井區220、至少一場氧化層230、一閘極240、一第二深井區250、一第一摻雜區260、一汲極270以及一共用源極280。基底210具有第一深井區220，其中基底210包含一矽基底、一含矽基底、一矽覆絕緣基底或其他半導體基底。場氧化層230位於基底210上，包含二氧化矽層，但亦可為其他淺溝隔離(STI)等絕緣結構，本發明不以此為限。閘極240設置於基底210上且覆蓋部分場氧化層230，其中閘極240可包含一閘極介電層242、一閘極電極244以及一側壁子246，當然亦可包含一蓋層(未繪示)，而閘極240的材質為本領域所熟知，故不在此贅述。

第一深井區220具有一第一導電型，第二深井區250具有一第二導電型，緊鄰第一深井區220且設置於基底210中，而基底210較佳具有第二導電型。再者，在本實施例中，第一深井區220係位於第二深井區250外圍，且第一深井區220與第二深井區250不重疊，但此設置僅為本發明之一實施態樣，本發明不以此為限。在本實施例中，第一導電型為N型，第二導電型為P型，但熟習該項技藝之人士應知，隨著欲形成的電晶體導電類型不同，第一導電型亦可為P型，而第二導電型可為N型。第一摻雜區260亦具有一第二導電型，設置於第二深井區250中，且第一摻雜區260的摻雜濃度高於第二深井區250的摻雜濃度，因而形成一具有漸變濃度梯度的結構。共用源極280設置於閘極240內側的第一摻雜區260中，汲極270設置於閘極240外側的第一深井區中。如此，汲極270緊鄰場氧化層230設置，是以當橫向擴散金氧半導體元件200導通，高電壓電流由汲極270流入時，可防止電流穿過閘極介電層242流至閘極電極244而導致橫向擴散金氧半導體元件200失效。另外，將汲極270設置於閘極240的周圍，而採用共用源極280的設置，可獲得一較為均勻的電場，進而提升崩潰電壓。

必須強調的是，本發明較佳實施例之閘極240具有一操場跑道(racetrack)佈局形狀(如第2a圖)，其中閘極240係由一對互相平行的直線部分與一對分別設置於閘極240直線部分兩端的曲線端部分所構成。但在其他實施例中，閘極240亦可具有一矩形且為中空的佈局圖案，本發明不以此為限。此外，在一較佳實施例中，更包含一對具有第二導電型的摻雜區290，位於共用源極280兩端的基底210中，設置範圍係對應且部分重疊於閘極240的曲線端部分與共用源極280。摻雜區290的設置係可避免曲線端部分產生通道，進而避免電場的產生。第二深井區250與第一深井區220之交界面S1可包含一操場跑道佈局曲面，其類似閘極240的操場跑道(racetrack)佈局形狀的曲面。在一較佳實施例中，第二深井區250與第一深井區220之交界面S1係位於閘極240的正下方，易言之，第二深井區250與第一深井區220之交界面S1係位於汲極270與共用源極280之間。再者，第一摻雜區260與第二深井區250之交界面S2亦包含一操場跑道佈局曲面，且在一較佳實施例中，第二深井區250與第一摻雜區260之交界面S2亦位於閘極240的正下方，易言之，第二深井區250與第一摻雜區260之交界面S2亦位於汲極270與共用源極280之間，且交界面S1環繞交界面S2。如此，可藉由調整第一摻雜區260、第二深井區250以及第一深井區220的濃度來有效控制橫向擴散金氧半導體元件200導通時，其內部電壓分佈，以進一步提高橫向擴散金氧半導體元件200的崩潰電壓以及減少其電阻值。舉例而言，本發明係使第一摻雜區260的摻雜濃度大於第二深井區250的摻雜濃度，俾使第一摻雜區260與第二深井區250的摻雜濃度具有一緩和的摻雜濃度梯度。因此，當電流流經時，便不具有一極端的摻雜濃度差異，而能改善電場分佈集中的問題，進而提升橫向擴散金氧半導體元件200的崩潰電壓以及減少其導通電阻。因此，本發明可有效減少R/B(導通電阻/崩潰電壓)值，而能有效改善橫向擴散金氧半導體元件200的電性品質。

在一較佳的實施例中，第一深井區220與第一摻雜區260之間只設置有第二深井區250，換言之，不再另外設置其他元件於第一深井區220與第一摻雜區260之間，以進一步避免電場曲線分佈雜亂或電場集中於特定區域而降低崩潰電壓或增加導通電阻的問題。

更進一步而言，汲極270設置於閘極240外側的第一深井區中，亦可具有一操場跑道佈局曲面。共用源極280則設至於閘極240內側的第一摻雜區260中。在電路佈局的設計上，共用源極280係由閘極240所包圍環繞，而共用源極280亦可為具有一操場跑道佈局曲面的船形結構。再者，共用源極280更可包含一第二摻雜區282與複數個島狀第三摻雜區284，且第二摻雜區282與島狀第三摻雜區284分別具有一第一導電型與一第二導電型。在一較佳實施例中，第二深井區250、第一摻雜區260與島狀第三摻雜區284的摻雜濃度由高至低依序為島狀第三摻雜區284、第一摻雜區260以及第二深井區250。如此，以提供一漸變式濃度梯度的結構，以改善橫向擴散金氧半導體元件200的電性分佈，進而降低橫向擴散金氧半導體元件200的R(導通電阻)/B(崩潰電壓)值。另外，島狀第三摻雜區284上可再設置有複數個基體接觸插塞284a；第二摻雜區282上亦可再設置有複數個源極接觸插塞282a，以電連接其他電子元件。

第3圖為依據本發明第二較佳實施例之橫向擴散金氧半導體元件的剖面示意圖。如第3圖所示，本實施例與(上述)第一實施例的差異在於，本實施例的橫向擴散金氧半導體元件300更包含一磊晶層310位於基底210上，而第一導電型之第一深井區220則位於磊晶層310中。再者，橫向擴散金氧半導體元件300又包含一埋入層320位於基底210與磊晶層310之間，用以電性隔絕埋入層320上之第二深井區250等，以防止電流向下造成漏電。埋入層320可例如為一重摻雜區、一N+埋入層或一氧化層等絕緣層，本發明不以此為限。在其他實施例中，橫向擴散金氧半導體元件300可只包含一埋入層320位於基底210中，而沒有磊晶層310的設置。

第4圖至第10圖例示本發明一較佳實施例之橫向擴散金氧半導體元件的製作方法。下文與圖示中僅以單一橫向擴散金氧半導體元件為例說明橫向擴散金氧半導體元件的製作方法，但本發明之實際應用上並不限於製作單一橫向擴散金氧半導體元件，且本發明之橫向擴散金氧半導體元件亦可與其他低壓電晶體等元件一起製作，本發明不以此為限。另外，為方便說明，以下以N型為例視為第一導電型，而P型視為第二導電型，但熟知本領域者可知，隨著欲形成的電晶體導電類型不同，P型亦可以視為第一導電型，而N型視為第二導電型。

如第4圖所示，首先提供一基底210，其中此基底例如為一矽基底、一含矽基底或一矽覆絕緣等半導體基底。本實施例係以P型矽基底為例，而在基底210中選擇性地形成一埋入層320，此埋入層320可例如以N+重離子佈植製程等形成之N+重離子摻雜區，亦可例如以熱氧化製程形成一氧化絕緣層，本發明不以此為限。接著，在形成埋入層320之後，可再形成一磊晶層310於基底210上，此磊晶層310例如以磊晶方法形成。然而，在其他實施例中，亦可能以矽覆絕緣基底組成一矽-氧化層-矽的結構。此時，氧化層即可做為本實施例中之埋入層320，而上層的矽即可對應為磊晶層310。當然，本發明亦可直接應用在一矽基底210中，而不再另外形成一埋入層320或磊晶層310，如第一實施例所述結構。

如第5圖所示，形成一第一深井區220於磊晶層310中，而第一深井區220為一N型深井區，其例如可利用離子佈植製程先將N型摻質植入磊晶層310中，再利用熱處理製程驅入(drive-in)摻質而形成。

如第6圖所示，形成一第二深井區250於磊晶層310中，且緊鄰第一深井區220。第二深井區250例如為一P型深井區，而第二深井區250可例如利用離子佈植製程先將P型摻質植入第一深井區220中，再利用熱處理製程驅入(drive-in)摻質而形成。

如第7圖所示，形成一圖案化氮化矽層(未繪示)於基底210上，此圖案化氮化矽層例如以蝕刻微影方法形成，用以定義場氧化層230的位置。之後，先例如以微影以及離子佈植製程P1形成一N型的汲極270’。然後，再利用圖案化氮化矽層為遮罩，進行氧化製程形成場氧化層230。氧化層230是作為隔離結構，但隔離結構並不限定為場氧化層230，而亦可為淺溝渠隔離結構(shallow trench isolation,STI)等之絕緣物件。在本實施例中，場氧化層230係形成於第一深井區220中並突出基底210的表面。接著，進行例如一微影以及離子佈植製程P2，以形成一P型的第一摻雜區260於第二深井區250中，其中第一摻雜區260的摻雜濃度高於第二深井區250的摻雜濃度，以此形成一漸變式的摻雜濃度的P型摻雜結構。

如第8圖所示，形成一閘極介電層242以及一閘極電極244於第一摻雜區260以及汲極270’之間的基底210上，再加以圖案化使其覆蓋部分的場氧化層230，且具有一操場跑道佈局形狀。閘極介電層242以及閘極電極244的形成方法為本領域所熟知，故不在此贅述。

如第9圖所示，利用例如微影及離子佈植製程P3於場氧化層230一側的第一深井區220中形成一具有N型輕摻雜的汲極270”，並同時於場氧化層230另一側之第一摻雜區260中形成一具有N型輕摻雜的共用源極280’。另外，同樣利用微影及離子佈植製程P4於共用源極280’中，以形成複數個輕摻雜的P型島狀第三摻雜區284’，同時未進行微影及離子佈植製程P4的部分共用源極280’即形成一輕摻雜的N型第二摻雜區282’。

如第10圖所示，例如以蝕刻微影製程於閘極電極244周圍形成一側壁子246。接著，再利用例如微影及離子佈植製程P5於場氧化層230一側的第一深井區220中形成一具有重摻雜的N型汲極270，並同時於場氧化層230另一側之第一摻雜區260中形成一具有重摻雜的N型共用源極(未繪示)。另外，再利用微影及離子佈植製程P6於共用源極中形成複數個重摻雜的P型島狀第三摻雜區284，同時未進行蝕刻微影及離子佈植製程P6的部分共用源極即形成一重摻雜的N型第二摻雜區282，因此第二摻雜區282以及島狀第三摻雜區284形成一共用源極280。如此，完成本發明之橫向擴散金氧半導體元件200的製作。

總上所述，本發明提出一種橫向擴散金氧半導體元件及其製造方法，其具有一第二深井區，而此第二深井區的電性與第一摻雜區相同，且第二深井區的摻雜濃度小於第一摻雜區，故本發明之橫向擴散金氧半導體元件具有一漸變式的摻雜濃度梯度結構。如此一來，本發明之橫向擴散金氧半導體元件可解決習知第一摻雜區與第一深井區之摻雜電性不同以及摻雜濃度差異太大所造成之電場集中以及電性分佈不佳的問題，因而可降低橫向擴散金氧半導體元件的R(導通電阻)/B(崩潰電壓)值，進而改善其電性品質。此外，本發明之橫向擴散金氧半導體元件更具有一埋入層，用以作為絕緣層，而能進一步防止位於埋入層上，特別是第二深井區的電流流向下而漏電的情形。

以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。

100、200、300．．．橫向擴散金氧半導體元件

110、210．．．基底

120．．．N型井

130、230．．．場氧化層

140、240．．．閘極

150、246．．．側壁子

160．．．P型摻雜區

170．．．源極

180、270、270’、270”．．．汲極

220．．．第一深井區

242．．．閘極介電層

244．．．閘極電極

250．．．第二深井區

260．．．第一摻雜區

280、280’．．．共用源極

282、282’．．．第二摻雜區

282a．．．源極接觸插塞

284、284’．．．島狀第三摻雜區

284a．．．基體接觸插塞

290．．．摻雜區

310．．．磊晶層

320．．．埋入層

S1、S2．．．交界面

P1、P2、P3、P4、P5．．．微影以及離子佈植製程

第1圖為習知橫向擴散金氧半導體元件的剖面示意圖。

第2圖為依據本發明第一較佳實施例之橫向擴散金氧半導體元件的上視及剖面示意圖。

第3圖為依據本發明第二較佳實施例之橫向擴散金氧半導體元件的剖面示意圖。

第4圖至第10圖例示本發明一較佳實施例之橫向擴散金氧半導體元件的製作方法。

200．．．橫向擴散金氧半導體元件

210．．．基底

220．．．第一深井區

230．．．場氧化層

240．．．閘極

242．．．閘極介電層

244．．．閘極電極

246．．．側壁子

250．．．第二深井區

260．．．第一摻雜區

270．．．汲極

280．．．共用源極

282．．．第二摻雜區

282a．．．源極接觸插塞

284．．．島狀第三摻雜區

284a．．．基體接觸插塞

S1、S2．．．交界面

Claims (23)

1. 一種橫向擴散金氧半導體元件，包含有：一基底，具有一第一導電型之第一深井區；至少一場氧化層，位於該基底上；一閘極，設置於該基底上且覆蓋部分該場氧化層；一第二深井區，具有一第二導電型，設置於該基底中且緊鄰該第一深井區；一第一摻雜區，具有一第二導電型，設置於該第二深井區中，且該第一摻雜區的摻雜濃度高於該第二深井區的摻雜濃度；一汲極，設置於該閘極外側的該第一深井區中，其中該閘極以及該汲極夾置該場氧化層；一輕摻雜的汲極位於該汲極上；以及一共用源極，設置於該閘極內側的該第一摻雜區中。
2. 如申請專利範圍第1項所述之橫向擴散金氧半導體元件，其中該閘極具有一操場跑道佈局形狀。
3. 如申請專利範圍第2項所述之橫向擴散金氧半導體元件，其中該第二深井區與該第一深井區之交界面包含一操場跑道佈局曲面。
4. 如申請專利範圍第3項所述之橫向擴散金氧半導體元 件，其中該第二深井區與該第一深井區之交界面位於該閘極正下方。
5. 如申請專利範圍第2項所述之橫向擴散金氧半導體元件，其中該第一摻雜區與該第二深井區之交界面包含一操場跑道佈局曲面。
6. 如申請專利範圍第1項所述之橫向擴散金氧半導體元件，其中該第一深井區與該第一摻雜區之間只設置有第二深井區。
7. 如申請專利範圍第1項所述之橫向擴散金氧半導體元件，其中該共用源極更包含一第二摻雜區與複數個島狀第三摻雜區，且該第二摻雜區與該些島狀第三摻雜區分別具有一第一導電型與一第二導電型。
8. 如申請專利範圍第7項所述之橫向擴散金氧半導體元件，其中該第二深井區、該第一摻雜區與該些島狀第三摻雜區的摻雜濃度由高至低依序為該些島狀第三摻雜區、該第一摻雜區以及該第二深井區。
9. 一種橫向擴散金氧半導體元件，包含有：一基底； 一磊晶層位於該基底上，具有一第一導電型之第一深井區；一埋入層位於該基底與該磊晶層之間；至少一場氧化層，位於該磊晶層上；一閘極，設置於該磊晶層上且覆蓋部分該場氧化層；一第二深井區，具有一第二導電型，設置於該磊晶層中且緊鄰該第一深井區；一第一摻雜區，具有一第二導電型，設置於該第二深井區中，且該第一摻雜區的摻雜濃度高於該第二深井區的摻雜濃度；一汲極，設置於該閘極外側的該第一深井區中，其中該閘極以及該汲極夾置該場氧化層；一輕摻雜的汲極位於該汲極上；以及一共用源極，設置於該閘極內側的該第一摻雜區中。
10. 如申請專利範圍第9項所述之橫向擴散金氧半導體元件，其中該閘極具有一操場跑道佈局形狀。
11. 如申請專利範圍第9項所述之橫向擴散金氧半導體元件，其中該埋入層包含一重摻雜區或一N+埋入層。
12. 如申請專利範圍第10項所述之橫向擴散金氧半導體元件，其中該第二深井區與該第一深井區之交界面包含一操場 跑道佈局曲面。
13. 如申請專利範圍第12項所述之橫向擴散金氧半導體元件，其中該第二深井區與該第一深井區之交界面位於該閘極正下方。
14. 如申請專利範圍第10項所述之橫向擴散金氧半導體元件，其中該第一摻雜區與該第二深井區之交界面包含一操場跑道佈局曲面。
15. 如申請專利範圍第9項所述之橫向擴散金氧半導體元件，其中該第一深井區與該第一摻雜區之間只設置有第二深井區。
16. 如申請專利範圍第9項所述之橫向擴散金氧半導體元件，其中該共用源極更包含一第二摻雜區與複數個島狀第三摻雜區，且該第二摻雜區與該些島狀第三摻雜區分別具有一第一導電型與一第二導電型。
17. 如申請專利範圍第16項所述之橫向擴散金氧半導體元件，其中該第二深井區、該第一摻雜區與該些島狀第三摻雜區的摻雜濃度由高至低依序為該些島狀第三摻雜區、該第一摻雜區以及該第二深井區。
18. 一種橫向擴散金氧半導體元件的製造方法，包含有：提供一基底；形成一第一深井區於該基底中，該第一深井區具有一第一導電型；形成一第二深井區於該基底中且緊鄰該第一深井區，該第二深井區具有一第二導電型；形成一汲極於該第一深井區中；形成至少一場氧化層，於該基底上；形成一第一摻雜區於該第二深井區中，該第一摻雜區具有一第二導電型，且該第一摻雜區的摻雜濃度高於該第二深井區的摻雜濃度；形成一閘極，於該第一摻雜區以及該汲極之間的該基底上且覆蓋部分該場氧化層，其中該閘極以及該汲極夾置該場氧化層；形成一輕摻雜的汲極於該汲極上；以及形成一共用源極於該第一摻雜區中。
19. 如申請專利範圍第18項所述之橫向擴散金氧半導體元件的製造方法，其中該閘極具有一操場跑道佈局形狀。
20. 如申請專利範圍第18項所述之橫向擴散金氧半導體元件的製造方法，其中該基底包含一半導體基底及一形成於該半 導體基底上的一磊晶層，且該第一深井區位於該磊晶層中。
21. 如申請專利範圍第20項所述之橫向擴散金氧半導體元件的製造方法，其中該基底更包含一埋入層，且該基底之形成步驟包含：形成該埋入層於該半導體基底中；以及形成該磊晶層於該半導體基底上，其中該埋入層接觸該磊晶層。
22. 如申請專利範圍第21項所述之橫向擴散金氧半導體元件的製造方法，其中該埋入層包含以重摻雜離子佈植製程形成。
23. 如申請專利範圍第18項所述之橫向擴散金氧半導體元件的製造方法，其中形成該共用源極的步驟，更包含：形成一第二摻雜區與複數個島狀第三摻雜區，且該第二摻雜區與該些島狀第三摻雜區分別具有一第一導電型與一第二導電型。