TWI748729B - Semiconductor structure - Google Patents
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Abstract
Description
本揭露係關於半導體結構,特別是關於能夠減少基板漏電流之半導體結構。This disclosure relates to semiconductor structures, and in particular, to semiconductor structures that can reduce substrate leakage current.
一般而言,高壓積體電路(high voltage integrated circuit,HVIC)能用於驅動諸如金氧半場效電晶體(MOSFET)、絕緣閘極雙極性電晶體(IGBT)等大電流元件。由於HVIC具有符合成本效益且容易與其他製程相容的優點,因此HVIC經常被應用在電源控制系統中。Generally speaking, high voltage integrated circuits (HVIC) can be used to drive high current components such as metal oxide half field effect transistors (MOSFET) and insulated gate bipolar transistors (IGBT). Because HVIC has the advantages of being cost-effective and easily compatible with other processes, HVIC is often used in power control systems.
HVIC包含高端(high side)部分與低端部分(low side),並藉由位準移位器(level shifter)連接高端部分與低端部分。其中,諸如N型位準移位器的提升型位準移位器用於將位準提高(level up),也就是從低端部分至高端部分,而諸如P型位準移位器的降低型位準移位器則用於將位準降低(level down),也就是從高端部分到低端部分。但由於P型位準移位器需要在高電壓甚至是超高電壓(UHV)環境下操作,因此需要在維持高擊穿電壓(breakdown voltage)的情況下,同時避免產生基板漏電流(substrate leakage current)。此外,因為P型位準移位器能感測高端部分的異常訊號,並將異常訊號傳至訊號檢測電路中,因此若存在基板漏電流,則會影響P型位準移位器的感測能力。The HVIC includes a high side part and a low side part, and a level shifter is used to connect the high side part and the low side part. Among them, the raising type level shifter such as the N-type level shifter is used to level up (level up), that is, from the low end part to the high end part, and the lowering type such as the P-type level shifter The level shifter is used to level down, that is, from the high-end part to the low-end part. However, since the P-type level shifter needs to operate in a high voltage or even an ultra-high voltage (UHV) environment, it is necessary to maintain a high breakdown voltage while avoiding substrate leakage current (substrate leakage). current). In addition, because the P-type level shifter can sense the abnormal signal of the high-end part and transmit the abnormal signal to the signal detection circuit, if there is a substrate leakage current, it will affect the sensing of the P-type level shifter ability.
是以,現存的半導體結構雖已逐步滿足它們既定的用途,但它們仍未在各方面皆徹底的符合要求。因此,關於進一步加工後可做為位準移位器之半導體結構仍有一些問題需要克服。Therefore, although existing semiconductor structures have gradually met their intended use, they have not yet fully met the requirements in all aspects. Therefore, there are still some problems to be overcome regarding the semiconductor structure that can be used as a level shifter after further processing.
鑒於上述問題,本揭露藉由設置高壓井區及埋置層於磊晶層中,來形成包含經串聯的兩個PNP結構而不易導通的PNPNP結構,並藉由設置導電層來連接漂移區與汲極區而使半導體結構導通,來避免半導體結構中的基板漏電流的產生,進而獲得具有更優良的電性特徵的半導體結構。In view of the above problems, the present disclosure forms a PNPNP structure that includes two PNP structures connected in series and is difficult to conduct by arranging a high-voltage well region and a buried layer in the epitaxial layer, and connects the drift region and the drift region by providing a conductive layer. The drain region makes the semiconductor structure conductive to avoid the generation of substrate leakage current in the semiconductor structure, thereby obtaining a semiconductor structure with better electrical characteristics.
根據一些實施例,提供半導體結構。半導體結構包含:基板、磊晶層、埋置層、源極區及汲極區、漂移區、閘極結構、第一隔離結構以及高壓井區。基板具有第一導電型態。磊晶層具有不同於第一導電型態的第二導電型態且設置於基板上。埋置層具有第二導電型態且設置於基板。源極區及汲極區分別具有第一導電型態且分別設置於磊晶層中。漂移區具有第一導電型態且設置於磊晶層中,位於源極區及汲極區之間,且與汲極區電性連接。閘極結構設置於源極區及漂移區上。第一隔離結構設置於漂移區與汲極區之間。高壓井區具有第一導電型態,設置於磊晶層中,且與埋置層及第一隔離結構接觸。According to some embodiments, a semiconductor structure is provided. The semiconductor structure includes: a substrate, an epitaxial layer, a buried layer, a source region and a drain region, a drift region, a gate structure, a first isolation structure, and a high-voltage well region. The substrate has a first conductivity type. The epitaxial layer has a second conductivity type different from the first conductivity type and is disposed on the substrate. The buried layer has the second conductivity type and is disposed on the substrate. The source region and the drain region respectively have the first conductivity type and are respectively disposed in the epitaxial layer. The drift region has the first conductivity type and is disposed in the epitaxial layer, is located between the source region and the drain region, and is electrically connected to the drain region. The gate structure is arranged on the source region and the drift region. The first isolation structure is disposed between the drift region and the drain region. The high-voltage well region has the first conductivity type, is disposed in the epitaxial layer, and is in contact with the buried layer and the first isolation structure.
本揭露的半導體結構可應用於多種型態的半導體裝置,為讓本揭露之特徵和優點能更明顯易懂,下文特舉出較佳實施例,並配合所附圖式,作詳細說明如下。The semiconductor structure of the present disclosure can be applied to various types of semiconductor devices. In order to make the features and advantages of the present disclosure more comprehensible, preferred embodiments are listed below in conjunction with the accompanying drawings, which are described in detail as follows.
以下揭露提供了很多不同的實施例或範例,用於實施所提供的半導體結構之不同元件。各元件和其配置的具體範例描述如下,以簡化本揭露實施例。當然,這些僅僅是範例,並非用以限定本揭露。舉例而言,敘述中若提及第一元件形成在第二元件之上,可能包含第一和第二元件直接接觸的實施例,也可能包含額外的元件形成在第一和第二元件之間,使得它們不直接接觸的實施例。此外,本揭露實施例可能在不同的範例中重複參考數字及/或字母。如此重複是為了簡明和清楚,而非用以表示所討論的不同實施例及/或形態之間的關係。The following disclosure provides many different embodiments or examples for implementing different elements of the provided semiconductor structure. Specific examples of each component and its configuration are described below to simplify the embodiments of the present disclosure. Of course, these are only examples and are not intended to limit the disclosure. For example, if the description mentions that the first element is formed on the second element, it may include an embodiment in which the first and second elements are in direct contact, or may include additional elements formed between the first and second elements. , So that they do not directly touch the embodiment. In addition, the embodiment of the present disclosure may repeat reference numbers and/or letters in different examples. Such repetition is for conciseness and clarity, rather than to indicate the relationship between the different embodiments and/or forms discussed.
在不同圖式和說明的實施例中,相似的元件符號被用來標明相似的元件。可以理解的是,在方法的前、中、後可以提供額外的操作,且一些敘述的操作可為了該方法的其他實施例被取代或刪除。In the different drawings and illustrated embodiments, similar component symbols are used to designate similar components. It can be understood that additional operations may be provided before, during, and after the method, and some of the described operations may be replaced or deleted for other embodiments of the method.
第1至11圖是根據本揭露的一些實施例,說明在各個階段形成半導體結構1的剖面示意圖。FIGS. 1-11 are schematic cross-sectional diagrams illustrating the formation of the
參照第1圖,提供基板100,且埋置(buried)層設置於基板100中。基板100可為塊材(bulk)半導體、或絕緣上覆半導體(semiconductor-on-insulator,SOI)基板。基板100可為晶圓,例如為矽晶圓。一般而言,絕緣上覆半導體基板包含形成在絕緣層上的一層半導體材料。絕緣層可例如為埋置氧化(buried oxide,BOX)層、氧化矽層或類似的材料,其提供絕緣層在矽或玻璃基板上。其他的基板種類則包含例如為多重層或梯度(gradient)基板。Referring to FIG. 1, a
基板100可為元素半導體,其包含矽(silicon)、鍺(germanium);基板100亦可為化合物半導體,其包含:舉例而言,碳化矽(silicon carbide)、砷化鎵(gallium arsenide)、磷化鎵(gallium phosphide)、磷化銦(indium phosphide)、砷化銦(indium arsenide)及/或銻化銦(indium antimonide),但本揭露不限於此;基板100亦可為合金半導體,其包含:舉例而言,SiGe、GaAsP、AlInAs、AlGaAs、GaInAs、GaInP及/或GaInAsP或其任意組合,但本揭露不限於此;或者基板100可為其他任何合適的材料。The
在一些實施例中,可藉由舉例而言,離子植入(ion implantation)製程、擴散(diffusion)製程、熱驅入(drive in)製程、或其他任何合適的製程來形成埋置層110於基板100中,但本揭露不限於此。另外,還可進一步藉由快速熱退火(rapid thermal annealing,RTA)製程來活化被植入的摻質。在一些實施例中,摻質可為諸如硼(B)的P型摻質、或諸如磷(P)的N型摻質,並可根據導電型態選擇對應的摻質。In some embodiments, the buried
在一些實施例中,基板100具有第一導電型態,且埋置層110具有不同於第一導電型態的第二導電型態。舉例而言,若基板100所具有的第一導電型態為P型,則埋置層110具有的第二導電型態為N型;相反地,若基板100所具有的第一導電型態為N型,則埋置層110具有的第二導電型態為P型。在一些實施例中,第一導電型態與第二導電型態可依據需求調整,同時,摻雜濃度、摻雜深度及摻雜區域大小亦可依據需求調整。在一些實施例中,本揭露的半導體結構可被後續加工為P型位準移位器(P-type level shifter),換句話說,可具有P型金氧半場效電晶體(P-type MOSFET)結構,因此,後續以基板100所具有的第一導電型態為P型,且埋置層110具有的第二導電型態為N型的情況進行說明。In some embodiments, the
參照第2圖,設置磊晶層200於基板100上。在一些實施例中,磊晶層200設置於基板100及埋置層110上。磊晶層200可覆蓋埋置層110的上表面。Referring to FIG. 2, an
磊晶層200可包含矽、鍺、矽與鍺、III-V族化合物或上述之組合。上述磊晶層200可藉由磊晶成長(epitaxial growth)製程形成,例如金屬有機物化學氣相沉積法(metal-organic chemical vapor deposition,MOCVD)、金屬有機物化學氣相磊晶法(metal-organic vapor phase epitaxy,MOVPE)、電漿增強型化學氣相沉積法(plasma-enhanced chemical vapor deposition,PECVD)、遙控電漿化學氣相沉積法(remote plasma chemical vapor deposition,RPCVD)、分子束磊晶法(molecular beam epitaxy,MBE)、氫化物氣相磊晶法(hydride vapor phase Epitaxy,HVPE)、液相磊晶法(liquid phase epitaxy,LPE)、氯化物氣相磊晶法(chloride vapor phase epitaxy,Cl-VPE)或類似的方法形成。The
在一些實施例中,在形成磊晶層200於基板100上的步驟之後,可藉由執行前述擴散製程、熱趨入製程及/或快速熱退火製程,使得設置於基板100中的埋置層110進一步設置至磊晶層200中。也就是說,改變埋置層110的摻雜輪廓,使得埋置層110的一部分設置於基板100中,且使得埋置層110的另一部分設置於磊晶層200中,亦即埋置層110可沿著基板100與磊晶層200的界面兩側擴張。在一些實施例,磊晶層200可具有不同於第一導電型態的第二導電型態。在一些實施例中,磊晶層200可為N型磊晶層;或者磊晶層200可作為用於傳輸載子(carriers)的高壓N型井區。在一些實施例中,由於基板100為P型;埋置層110為N型;且磊晶層200為N型,因此,埋置層110可使得電子與電洞產生再結合(recombination),而用於阻擋位於埋置層110下方的基板100的電洞(hole)的移動。In some embodiments, after the step of forming the
參照第3圖,設置高壓井區350於磊晶層200中,以使高壓井區350與埋置層110接觸。在一些實施例中,由於高壓井區350設置於磊晶層200中,因此高壓井區350使得磊晶層200可包含彼此分離的第一磊晶區210及第二磊晶區220。在一些實施例中,可藉由執行前述離子植入、擴散製程、熱趨入製程及/或快速熱退火製程,來形成高壓井區350。在一些實施例中,高壓井區350具有第一導電型態。在一些實施例中,高壓井區350為P型高壓井區。Referring to FIG. 3, a high-
參照第4圖,在基板100上定義半導體結構的主動區域(active area),並根據主動區域設置隔離結構。在一些實施例中,隔離結構可設置於磊晶層200上。在一些實施例中,隔離結構可為氧化物、氮化物、氮氧化物、其組合、或其他任何合適的隔離材料。舉例而言,隔離結構可為場區氧化物(field oxide)。在一些實施例中,隔離結構可包含氧化矽。在一些實施例中,隔離結構可由熱氧化法所形成的矽局部氧化(local oxidation of silicon,LOCOS)來形成。在一些實施例中,隔離結構可包含第一隔離結構410、第二隔離結構420、第三隔離結構430、第四隔離結構440及第五隔離結構450。Referring to FIG. 4, the active area of the semiconductor structure is defined on the
在一些實施例中,第一隔離結構410可設置於後續形成的漂移區與後續形成的汲極區之間。在一些實施例中,第一隔離結構410設置於高壓井區350上,且第一隔離結構410與高壓井區350接觸。亦即,高壓井區350同時與埋置層110及第一隔離結構接觸410,因此高壓井區350讓磊晶層200分離為第一磊晶區210及第二磊晶區220。在一些實施例中,第一隔離結構410覆蓋高壓井區350的上表面。在一些實施例中,埋置層110的一部分與高壓井區350重疊。In some embodiments, the
在一些實施例中,第二隔離結構420可設置於後續形成的閘極結構與後續形成的漂移區之間。在一些實施例中,第三隔離結構430可設置於後續形成的閘極結構與後續形成的源極區之間。在一些實施例中,第四隔離結構440可設置於後續形成的基極區與後續形成的源極區之間。在一些實施例中,第五隔離結構450可設置於後續形成的基極區與半導體結構的邊界之間。換句話說,由於隔離結構能夠提供絕緣效果,因此可在其他任何合適的位置上形成隔離結構。In some embodiments, the
參照第5圖,閘極結構500設置於磊晶層200上,且閘極結構500設置於第二隔離結構420與第三隔離結構430之間。閘極結構500包含閘極導電層510、及其上設置有閘極導電層510的閘極介電層520。在一些實施例中,閘極介電層520與磊晶層200接觸,且閘極介電層520覆蓋介於第二隔離結構420及第三隔離結構430之間的磊晶層200的上表面。在一些實施例中,閘極結構500的一部分與第二隔離結構420重疊,且閘極結構500的一部分與第三隔離結構430重疊。Referring to FIG. 5, the
在一些實施例中,可先沉積用於形成閘極介電層520的閘極介電材料層,再沉積用於形成閘極導電層510的導電材料層於前述閘極介電材料層上。在一些實施例中,前述閘極介電材料層之材料可包含氧化矽、氮化矽、氮氧化矽、高介電常數(high-k)的介電材料、其組合或其它合適之介電材料。在一些實施例中,前述閘極介電材料層可藉由化學氣相沉積(chemical vapor deposition,CVD)製程或旋轉塗佈(spin coating)製程形成。在一些實施例中,前述CVD可為低壓化學氣相沉積法(low pressure chemical vapor deposition,LPCVD)、低溫化學氣相沉積法(low temperature chemical vapor deposition,LTCVD)、快速升溫化學氣相沉積法(rapid thermal chemical vapor deposition,RTCVD)、PECVD、原子層化學氣相沉積法之原子層沉積法(atomic layer deposition,ALD)或其它合適的CVD製程。在一些實施例中,前述導電材料層之材料可為非晶矽(amorphous silicon)、多晶矽(polysilicon)、一或多種金屬、金屬氮化物、導電金屬氧化物、其組合或其他合適之導電材料。在一些實施例中,前述導電材料層可藉由CVD、濺鍍(sputtering)、電阻加熱蒸鍍法、電子束蒸鍍法、或其它合適的沉積方式形成。In some embodiments, a gate dielectric material layer for forming the
接著,藉由微影製程與蝕刻製程將閘極介電材料層及導電材料層分別圖案化以形成包含閘極介電層520及閘極導電層510的閘極結構500。在一些實施例中,前述蝕刻製程可包含乾式蝕刻、或濕式蝕刻、或其他合適的蝕刻方式。乾式蝕刻可包含但不限於電漿蝕刻、無電漿氣體蝕刻、濺射蝕刻(sputter etching)、離子研磨(ion milling)、反應離子蝕刻(reactive ion etching,RIE)。濕式蝕刻可包含但不限於使用酸性溶液、鹼性溶液或是溶劑來移除待移除結構的至少一部分。此外,蝕刻製程也可以是純化學蝕刻、純物理蝕刻、或其任意組合。Then, the gate dielectric material layer and the conductive material layer are respectively patterned by a lithography process and an etching process to form a
在一些實施例中,在後續形成的汲極區與源極區靠近閘極結構500的位置處,可進一步設置諸如輕摻雜汲極(lightly doped drain,LDD)結構的輕摻雜結構,從而降低熱載子(hot-carrier)效應造成半導體結構中產生不必要的導通的問題。在一些實施例中,閘極結構500可進一步包含設置於閘極結構500之兩側側壁上的絕緣間隙物(spacers)。In some embodiments, a lightly doped drain (LDD) structure such as a lightly doped drain (LDD) structure may be further provided where the drain region and the source region formed subsequently are close to the
參照第6圖,設置絕緣層600於磊晶層200上。在一些實施例中,設置絕緣層600於磊晶層200、閘極結構500以及隔離結構上。在一些實施例中,絕緣層600包含氧化物、氮化物、其組合或其他任何合適的絕緣材料。在一些實施例中,絕緣層600可包含氧化矽、氮化矽、氮氧化矽、以四乙氧基矽烷(tetraethoxysilane,TEOS)作為前驅物而形成的氧化物、以矽烷(silane,SiH4)作為前驅物而形成的氧化物。在一些實施例中,絕緣層600可以前述沉積製程來形成。在一些實施例中,絕緣層600可為由熱氧化(thermal oxidation)製程,使TEOS作為前驅物而形成的氧化矽,因此絕緣層600可為緻密的氧化矽層。Referring to FIG. 6, an insulating
參照第7圖,設置導電層700於絕緣層600上,且導電層700設置於第一隔離結構410上。在一些實施例中,導電層700可電性連接後續形成的漂移區與汲極區。在一些實施例中,導電層700與閘極結構500之間設置有絕緣層600,以使導電層700與閘極結構500電性隔離。在一些實施例中,導電層700可包含前述導電材料。在一些實施例中,導電層700可包含第二多晶矽。在一些實施例中,第二多晶矽可為P型多晶矽。Referring to FIG. 7, the
需特別說明的是,在一些實施例中,當閘極結構500中的閘極導電層510包含第一多晶矽;絕緣層600包含諸如氧化矽的氧化物;且導電層700包含第二多晶矽時,可形成多晶矽-氧化物-多晶矽(polysilicon-oxide-polysilicon,POP)結構。在一些實施例中,包含在導電層700中的第二多晶矽的阻值(resistance)大於包含在閘極結構500中的第一多晶矽的阻值。舉例而言,在一些實施例中,第二多晶矽的阻值為第一多晶矽的阻值的5~250倍。由於第一多晶矽是用於形成閘極導電層510,因此第一多晶矽的阻值需為較低,以降低導通電阻。同時,由於第二多晶矽是用於形成導電層700,因此阻值較高的第二多晶矽能夠使得整體半導體結構得以於高電壓狀態下操作。導電層700的詳細設置方式將於後進行說明。It should be particularly noted that, in some embodiments, when the gate
參照第8圖,設置源極區310、漂移(drift)區320、汲極區330以及基極區340於磊晶層200中。在一些實施例中,可藉由舉例而言,離子植入(ion implantation)製程、擴散(diffusion)製程、熱驅入(drive in)製程、或其他任何合適的製程來形成源極區310、漂移區320、汲極區330及/或基極區340於磊晶層200中。Referring to FIG. 8, a
在一些實施例中,源極區310與汲極區330分別具有第一導電型態。在一些實施例中,源極區310與汲極區330可為P型摻雜區,舉例而言,P型重摻雜(P
+)區。在一些實施例中,源極區310可具有階梯式由外向內提升的摻雜濃度,亦即,相較於遠離後續形成的接觸插塞的源極區310,靠近後續形成的接觸插塞的源極區310具有更大的摻雜濃度。
In some embodiments, the
在一些實施例中,前述埋置層110係從源極區310朝向汲極區330延伸。在一些實施例中,前述埋置層110與介於漂移區320與汲極區330之間的第一隔離結構410部分地重疊。In some embodiments, the aforementioned buried
接續上述,在一些實施例中,漂移區320可具有第一導電型態。在一些實施例中,漂移區320可為P型摻雜區。在一些實施例中,漂移區320可設置於源極區310與汲極區330之間。舉例而言,漂移區320與源極區310的距離可與漂移區320與汲極區330之間的距離相同或不同。舉例而言,漂移區320與源極區310的距離可小於漂移區320與汲極區330之間的距離。在一些實施例中,漂移區320與汲極區330電性連接,以使本揭露的一些實施例的半導體結構能夠導通。在一些實施例中,源極區310與漂移區320設置於前述閘極結構500之下,且源極區310與漂移區320分別設置於閘極結構500的兩側。在一些實施例中,漂移區320的摻雜濃度可低於源極區310與汲極區330的摻雜濃度。Following the above, in some embodiments, the
在一些實施例中,基極區340具有第二導電型態。在一些實施例中,基極區340可為N型摻雜區,舉例而言,N型重摻雜(N
+)區。在一些實施例中,源極區310設置於漂移區320與基極區340之間。
In some embodiments, the
參照第9圖,設置層間介電((interlayer dielectric))層800於絕緣層600及導電層700上。在一些實施例中,層間介電層800可包含、或可為氧化矽、氮化矽、氮氧化矽、TEOS衍生物、SiH
4衍生物、磷矽玻璃(phosphosilicate glass,PSG)、硼磷矽酸鹽玻璃(borophosphosilicate glass,BPSG)、氟化石英玻璃(fluorinated silica glass,FSG)、氫倍半矽氧烷(hydrogen silsesquioxane,HSQ)、摻雜碳的氧化矽、非晶質氟化碳(fluorinated carbon)、聚對二甲苯(parylene)、苯並環丁烯(bis-benzocyclobutenes,BCB)、聚醯亞胺(polyimide)、低介電常數(low-k)材料、其組合、或其他任何合適的材料,但本揭露不限於此。在一些實施例中,層間介電層800與閘極介電層520可以相同或不同的製程形成。
Referring to FIG. 9, an interlayer dielectric (interlayer dielectric)
參照第10圖,形成複數個導通孔CT。在一些實施例中,複數個導通孔CT中的一些導通孔CT可貫穿層間介電層800與絕緣層600,並分別暴露源極區310、漂移區320、汲極區330、基極區340以及閘極結構500的上表面的一部分。複數個導通孔CT中的另一些導通孔CT可貫穿層間介電層800,並暴露導電層700的上表面的一部分。Referring to Fig. 10, a plurality of via holes CT are formed. In some embodiments, some of the plurality of vias CT may penetrate through the
參照第11圖,填入導電材料於導通孔CT中,以形成接觸插塞,並形成金屬層900於層間介電層800及接觸插塞上,使金屬層900與接觸插塞彼此接觸。在一些實施例中,通孔材料可包含金屬材料、導電材料、其組合或其他任何合適的材料。在一些實施例中,填入通孔材料的方法包含:CVD、濺鍍法、電阻加熱蒸鍍法、電子束蒸鍍法、或其它任何適合的沉積製程,但本揭露不限於此。此外,在填入通孔材料之後,可進一步執行化學機械研磨(chemical mechanical polishing,CMP)製程。Referring to FIG. 11, a conductive material is filled in the via hole CT to form a contact plug, and a
在一些實施例中,接觸插塞包含第一接觸插塞810、第二接觸插塞820、第三接觸插塞830、第四接觸插塞840及第五接觸插塞850。在一些實施例中,第一接觸插塞810可貫穿層間介電層800與絕緣層600,且可電性連接金屬層900與漂移區320。在一些實施例中,第二接觸插塞820可貫穿層間介電層800,且電性連接金屬層900與導電層700。在一些實施例中,第二接觸插塞820可提供為兩個。在一些實施例中,第三接觸插塞830貫穿層間介電層800與絕緣層600,且電性連接金屬層900與汲極區330,因此第三接觸插塞830及與第三接觸插塞830連接的金屬層900可共同作為汲極電極。在一些實施例中,第一接觸插塞810、第二接觸插塞820、第三接觸插塞830、導電層700及金屬層900共同形成載子通道,以使本揭露的半導體結構1導通。In some embodiments, the contact plug includes a first contact plug 810, a
在一些實施例中,第四接觸插塞840可貫穿層間介電層800與絕緣層600,且電性連接金屬層900與閘極結構500,因此閘極導電層510、第四接觸插塞840及與第四接觸插塞840連接的金屬層900可共同作為閘極電極。在一些實施例中,第五接觸插塞850可貫穿層間介電層800與絕緣層600,且電性連接金屬層900與源極區310,因此第五接觸插塞850及與第五接觸插塞850連接的金屬層900可共同作為源極電極。此外,第五接觸插塞850亦可電性連接金屬層900與基極區340,而使第五接觸插塞850及與第五接觸插塞850連接的金屬層900可共同作為基極電極。In some embodiments, the fourth contact plug 840 can penetrate the
在一些實施例中,本揭露的前述半導體結構1可作為高壓積體電路(high voltage integrated circuit,HVIC)中的P型位準移位器,也就是作為PMOS進行使用。In some embodiments, the
需特別說明的是,根據本揭露的一些實施例,在前述半導體結構1中,由於高壓井區350與第一隔離結構410及埋置層110接觸,使得磊晶層200包含位於高壓井區350的一側的第一磊晶區210、以及位於高壓井區350的另一側的第二磊晶區220。在一些實施例中,其內設置有漂移區320的磊晶層200的區域為第一磊晶區210,而其內設置有汲極區330的磊晶層200的區域則為第二磊晶區220。亦即,位於高壓井區350與漂移區320之間的磊晶層200為第一磊晶層210,而位於高壓井區350與汲極區330之間的磊晶層200為第二磊晶層200。其中,根據前述一些實施例選擇導電型態,在諸如施加電壓及/或偏壓的操作狀態下,具有P型導電型態的漂移區320、具有N型導電型態的第一磊晶區210、具有P型導電型態的高壓井區350、具有N型導電型態的第二磊晶區220及具有P型導電型態的基板100整體為空乏狀態。由於漂移區320、第一磊晶區210、高壓井區350、第二磊晶區220及基板100為PNPNP結構,也就是形成類似於兩個PNP型雙接面電晶體(bipolar junction transistor,BJT)串聯的結構。因此,前述PNPNP結構中的兩個PNP型BJT不易被同時導通,故當PNPNP結構整體為空乏狀態時,能夠有效地預防及/或減少本揭露的一些實施例的半導體結構的基板漏電流的產生,同時還能進一步改善電荷平衡(charge balance),而獲得具有更優良的電性特徵的半導體結構。It should be particularly noted that, according to some embodiments of the present disclosure, in the
參照第12圖,其為本揭露的一些實施例的半導體結構2的剖面示意圖。為使便於說明,相同或相似的元件將不再贅述。如第12圖所示,高壓井區350可延伸至基板100的一部分。源極區310可具有第一子源極區311、第二子源極區312及第三子源極區313。其中,第一子源極區311的摻雜濃度高於第二子源極區312的摻雜濃度,且第二子源極區312的摻雜濃度高於第三子源極區313的摻雜濃度。Refer to FIG. 12, which is a schematic cross-sectional view of the
參照第13圖,其為本揭露的一些實施例的高壓積體電路3的方塊圖。高壓積體電路3包含高端部分與低端部分,且高端部分與低端部分之間的接口(interface)仰賴位準偏移器。如第13圖所示,高壓端VH與接地端之間存在控制高端閘極驅動器(high side gate driver)34的電晶體T1、諸如馬達、風扇等設備的負載36以及控制低端閘極驅動器(low side gate driver)35的電晶體T2。提升型位準移位器31使位準從低端部分提高至高端部分,而降低型位準移位器32使位準從高端部分降低到低端部分。同時,降低型位準移位器32還與邏輯控制電路33連接,以利用邏輯控制電路33檢測訊號。在一些實施例中,本揭露的半導體結構1及2係用於作為降低型位準移位器32。Refer to FIG. 13, which is a block diagram of the high-voltage
參照第14圖,其係為如第11圖所示的半導體結構1設置於如第13圖所示的高壓積體電路中的俯視示意圖。在一些實施例中,如前述第11圖所示的半導體結構1的剖面示意圖係為如第14圖所示電路佈局4中的沿著線段AA’截取的剖面示意圖。類似地,在一些實施例中,如前述第12圖所示的半導體結構2亦可設置於如第13圖所示的高壓積體電路中。在一些實施例中,電路佈局4包含高端部分37、低端部分39以及將高端部分37與低端部分39電性隔離的隔離部分38。在一些實施例中,本揭露的半導體結構1或2可設置於隔離部分38上,以節省整體電路佈局4的尺寸。Refer to FIG. 14, which is a schematic top view of the
需特別說明的是,如第14圖所示,本揭露的半導體結構1的導電層700可沿著隔離部分38的形狀設置。舉例而言,若隔離部分38為環形形狀、或是跑道型形狀,則導電層700可沿著隔離部分38環繞設置。舉例而言,導電層700可具有螺旋形狀。在一些實施例中,以如第14圖所示的俯視圖觀察時,導電層700可在漂移區320與汲極區330之間沿著平行於漂移區320及/或汲極區330的方向延伸。在一些實施例中,導電層700甚至可延伸超過半導體結構1的邊界,設置於隔離部分38上。搭配第11圖及第14圖,根據導電層700的形狀,載子可從漂移區320往第一接觸插塞810、金屬層900、靠近漂移區320的第二接觸插塞820、導電層700、遠離漂移區320的第二接觸插塞820、金屬層900、第三接觸插塞830與汲極區330依序傳輸,進而導通半導體結構1。It should be particularly noted that, as shown in FIG. 14, the
還需特別說明的是,在前述一些實施例中,由於導電層700包含較高阻值的第二多晶矽,因此可達到耐受高電壓狀態下操作的效果,進一步地,由於導電層700可沿著隔離部分38的形狀設置,因此能夠藉由控制導電層700環繞設置的圈數來控制導電層700的長度,以調整導電層700整體的阻值。舉例而言,繞行隔離部分38的圈數越多時,本揭露的一些實施例的半導體結構1可耐受在更高電壓狀態下進行操作。舉例而言,導電層700可繞行1圈、2圈、3圈、4圈、5圈或能夠達到使得導電層700達到預期阻值的任何圈數。此外,根據本揭露的一些實施例,導電層700設置於絕緣層600上,因此導電層700與基板100之間具有絕緣層600、第一隔離結構410及磊晶層200,所以能夠減少導電層700對於位於導電層700之下的基板100的電場產生影響。It should be particularly noted that in some of the foregoing embodiments, since the
參照第15圖,其係為如第11圖所示的半導體結構1設置於如第13圖所示的高壓積體電路中的俯視示意圖。接續上述,若本揭露的一些實施例中的半導體結構1不必要在極高電壓狀態下進行操作時,導電層700可在半導體結構1的邊界範圍內折返地設置於漂移區320及汲極區330之間。舉例而言,以俯視圖觀察時,導電層700可具有鋸齒狀形狀。Referring to FIG. 15, it is a schematic top view of the
綜上所述,根據本揭露的一些實施例,半導體結構藉由設置具有不同導電型態的高壓井區及埋置層於磊晶層中,將磊晶層分離為第一磊晶區及第二磊晶區,而形成PNPNP結構,來避免減少基板漏電流的產生。此外,半導體結構藉由設置導電層以及與導電層搭配的接觸插塞,提供載子導通的路徑,而使得半導體結構能夠有效的操作。因此,根據本揭露的一些實施例,能夠在無需使用更厚的磊晶層、且無需精準地控制漂移區的摻雜濃度的情況下,提供具有低成本、高製程裕度、高可靠性、高擊穿電壓與高跨壓幅度的半導體結構。In summary, according to some embodiments of the present disclosure, the semiconductor structure separates the epitaxial layer into the first epitaxial region and the second epitaxial layer by arranging high-voltage well regions with different conductivity types and buried layers in the epitaxial layer. Two epitaxial regions are formed to form a PNPNP structure to avoid reducing substrate leakage current. In addition, the semiconductor structure is provided with a conductive layer and a contact plug matched with the conductive layer to provide a path for carrier conduction, so that the semiconductor structure can operate effectively. Therefore, according to some embodiments of the present disclosure, it is possible to provide low-cost, high-process margin, high-reliability, low-cost, high-process margin, and high-reliability, without using a thicker epitaxial layer, and without accurately controlling the doping concentration of the drift region. Semiconductor structure with high breakdown voltage and high span voltage amplitude.
雖然本揭露的實施例及其優點已揭露如上,但應該瞭解的是,任何所屬技術領域中具有通常知識者,在不脫離本揭露之精神和範圍內,當可作更動、替代與潤飾。此外,本揭露之保護範圍並未侷限於說明書內所述特定實施例中的製程、機器、製造、物質組成、裝置、方法及步驟,任何所屬技術領域中具有通常知識者可從本揭露一些實施例之揭示內容中理解現行或未來所發展出的製程、機器、製造、物質組成、裝置、方法及步驟,只要可以在此處所述實施例中實施大抵相同功能或獲得大抵相同結果皆可根據本揭露一些實施例使用。因此,本揭露之保護範圍包括上述製程、機器、製造、物質組成、裝置、方法及步驟。另外,每一申請專利範圍構成個別的實施例,且本揭露之保護範圍也包括各個申請專利範圍及實施例的組合。Although the embodiments of the present disclosure and their advantages have been disclosed as above, it should be understood that any person with ordinary knowledge in the relevant technical field can make changes, substitutions and modifications without departing from the spirit and scope of the present disclosure. In addition, the scope of protection of the present disclosure is not limited to the manufacturing process, machinery, manufacturing, material composition, device, method, and steps in the specific embodiments described in the specification. Anyone with ordinary knowledge in the technical field can implement some implementations from this disclosure. The disclosed contents of the examples understand the current or future developed processes, machines, manufacturing, material composition, devices, methods, and steps, as long as they can implement substantially the same functions or obtain substantially the same results in the embodiments described herein. The present disclosure uses some embodiments. Therefore, the protection scope of the present disclosure includes the above-mentioned manufacturing processes, machines, manufacturing, material composition, devices, methods, and steps. In addition, the scope of each patent application constitutes an individual embodiment, and the protection scope of this disclosure also includes the scope of each patent application and the combination of the embodiments.
以上概述數個實施例,以便在本揭露所屬技術領域中具有通常知識者可以更理解本揭露實施例的觀點。在本揭露所屬技術領域中具有通常知識者應該理解,他們能以本揭露實施例為基礎,設計或修改其他製程和結構,以達到與在此介紹的實施例相同之目的及/或優勢。在本揭露所屬技術領域中具有通常知識者也應該理解到,此類等效的製程和結構並無悖離本揭露的精神與範圍,且他們能在不違背本揭露之精神和範圍之下,做各式各樣的改變、取代和替換。The above summarizes several embodiments so that those with ordinary knowledge in the technical field of the present disclosure can better understand the viewpoints of the embodiments of the present disclosure. Those with ordinary knowledge in the technical field of the present disclosure should understand that they can design or modify other manufacturing processes and structures based on the embodiments of the present disclosure to achieve the same purpose and/or advantages as the embodiments described herein. Those with ordinary knowledge in the technical field to which this disclosure belongs should also understand that such equivalent manufacturing processes and structures do not depart from the spirit and scope of this disclosure, and they can, without violating the spirit and scope of this disclosure, Make all kinds of changes, substitutions and replacements.
1,2:半導體結構
3:高壓積體電路
4,5:電路佈局
31:提升型位準移位器
32:降低型位準移位器
33:邏輯控制電路
34:高端閘極驅動器
35:低端閘極驅動器
36:負載
37:高端部分
38:隔離部分
39:低端部分
100:基板
110:埋置層
200:磊晶層
210:第一磊晶區
220:第二磊晶區
310:源極區
311:第一子源極區
312:第二子源極區
313:第三子源極區
320:漂移區
330:汲極區
340:基極區
350:高壓井區
410:第一隔離結構
420:第二隔離結構
430:第三隔離結構
440:第四隔離結構
450:第五隔離結構
500:閘極結構
510:閘極導電層
520:閘極介電層
600:絕緣層
700:導電層
800:層間介電層
810:第一接觸插塞
820:第二接觸插塞
830:第三接觸插塞
840:第四接觸插塞
850:第五接觸插塞
900:金屬層
CT:導通孔
T1,T2:電晶體
VH:高壓端1,2: Semiconductor structure
3: High voltage integrated
藉由以下的詳述配合所附圖式,我們能更加理解本揭露實施例的觀點。值得注意的是,根據工業上的標準慣例,一些部件(feature)可能沒有按照比例繪製。事實上,為了能清楚地討論,不同部件的尺寸可能被增加或減少。 第1圖至第11圖是根據本揭露的一些實施例,分別繪示在各個階段形成的半導體結構的剖面示意圖; 第12圖是根據本揭露的一些實施例的半導體結構的剖面示意圖; 第13圖是根據本揭露的一些實施例的高壓積體電路(high voltage integrated circuit,HVIC)的方塊圖;以及 第14圖及第15圖是根據本揭露的一些實施例,分別繪示半導體結構設置於高壓積體電路中的俯視示意圖。 With the following detailed description and accompanying drawings, we can better understand the viewpoints of the embodiments of the present disclosure. It is worth noting that, according to industry standard conventions, some features may not be drawn to scale. In fact, in order to be able to discuss clearly, the size of different components may be increased or decreased. 1 to 11 are schematic cross-sectional views of semiconductor structures formed at various stages according to some embodiments of the present disclosure; FIG. 12 is a schematic cross-sectional view of a semiconductor structure according to some embodiments of the disclosure; FIG. 13 is a block diagram of a high voltage integrated circuit (HVIC) according to some embodiments of the present disclosure; and FIG. 14 and FIG. 15 are schematic top views respectively showing the semiconductor structure disposed in the high-voltage integrated circuit according to some embodiments of the present disclosure.
1:半導體結構 1: Semiconductor structure
100:基板 100: substrate
110:埋置層 110: Buried layer
200:磊晶層 200: epitaxial layer
210:第一磊晶區 210: The first epitaxial zone
220:第二磊晶區 220: second epitaxial zone
310:源極區 310: source region
320:漂移區 320: drift zone
330:汲極區 330: Drain Area
340:基極區 340: Base Area
350:高壓井區 350: high pressure well area
410:第一隔離結構 410: The first isolation structure
420:第二隔離結構 420: second isolation structure
430:第三隔離結構 430: third isolation structure
440:第四隔離結構 440: Fourth isolation structure
450:第五隔離結構 450: Fifth isolation structure
500:閘極結構 500: Gate structure
510:閘極導電層 510: gate conductive layer
520:閘極介電層 520: gate dielectric layer
600:絕緣層 600: insulating layer
700:導電層 700: conductive layer
800:層間介電層 800: Interlayer dielectric layer
810:第一接觸插塞 810: first contact plug
820:第二接觸插塞 820: second contact plug
830:第三接觸插塞 830: third contact plug
840:第四接觸插塞 840: fourth contact plug
850:第五接觸插塞 850: Fifth contact plug
900:金屬層 900: Metal layer
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