TWI750375B - 溝槽閘極金氧半場效電晶體及其製造方法 - Google Patents

Abstract

提供一種溝槽閘極金氧半場效電晶體的製造方法。於基底上形成硬罩幕層。以硬罩幕層為罩幕，移除部分基底，以於基底中形成溝槽。於溝槽的下部形成第一絕緣層以及第一導體層。於溝槽的上部側壁形成犧牲層，犧牲層連接硬罩幕層。於犧牲層及硬罩幕層存在的情況下，利用熱氧化製程於第一導體層上形成層間絕緣層。於溝槽的上部形成第二絕緣層以及第二導體層。另提供一種溝槽閘極金氧半場效電晶體。

Description

溝槽閘極金氧半場效電晶體及其製造方法

本發明是有關於一種電晶體及其製造方法，且特別是有關於一種溝槽式閘極金氧半場效電晶體及其製造方法。

功率開關電晶體被廣泛地應用在電力開關（power switch）元件上，例如是電源供應器、整流器或低壓馬達控制器等等。常見的一種功率開關電晶體為溝槽式閘極金氧半場效電晶體。習知的溝槽式閘極金氧半場效電晶體的製程中，溝槽頂部邊緣會因熱氧化製程而嚴重變形，導致後續形成的摻雜區的深度不易控制。更具體地說，溝槽頂部邊緣會過度擴張而嚴重傾斜，導致摻雜區在靠近溝槽的底面與摻雜區在遠離溝槽的底面存在明顯高度差異。此種摻雜區的輪廓差異會降低電晶體的製程穩定性，尤其對短通道（short channel）溝槽式閘極金氧半場效電晶體元件影響更大。

有鑒於此，本發明提供一種溝槽式閘極金氧半場效電晶體的製造方法，可利用現有的製程使溝槽頂部邊緣不受熱氧化製程影響而變形，提高電晶體的製程穩定性。

本發明提供一種溝槽式閘極金氧半場效電晶體的製造方法，其包括以下步驟。於基底上形成硬罩幕層。以硬罩幕層為罩幕，移除部分基底，以於基底中形成溝槽。於溝槽的下部形成第一絕緣層以及第一導體層。於溝槽的上部的側壁形成犧牲層，犧牲層連接硬罩幕層。於犧牲層及硬罩幕層存在的情況下，利用熱氧化製程於第一導體層上形成層間絕緣層。於溝槽的上部形成第二絕緣層以及第二導體層。

在本發明的一實施例中，於形成層間絕緣層的步驟之後，移除犧牲層以及硬罩幕層。

在本發明的一實施例中，於形成層間絕緣層的步驟之後，移除犧牲層以及部分硬罩幕層。

在本發明的一實施例中，於移除部分硬罩幕層的步驟中，留下的硬罩幕層的材料包括氮化矽或氮氧化矽。

在本發明的一實施例中，硬罩幕層為多層複合結構，且犧牲層的材料與硬罩幕層中其中一層的材料相同。

在本發明的一實施例中，於形成層間絕緣層的步驟之後，溝槽於基底表面處具有寬度W1，且於基底表面起算的深度100~150 nm處具有寬度W2，則W1/W2的比值大於1且小於1.08。

本發明另提供一種溝槽式閘極金氧半場效電晶體，其包括基底、第一導體層、第一絕緣層、第二導體層、第二絕緣層以及層間絕緣層。基底具有溝槽。第一導體層配置於溝槽的下部。第一絕緣層配置於第一導體層與基底之間。第二導體層配置於溝槽中且位於第一導體層上。第二絕緣層配置於第二導體層與基底之間。層間絕緣層配置於第一導體層與第二導體層之間，層間絕緣層係以熱氧化製程形成。此外，溝槽於基底表面處具有寬度W1且於從基底表面起算深度約100~150 nm處具有寬度W2，則W1/W2的比值大於1且小於1.08。

在本發明的一實施例中，溝槽式閘極金氧半場效電晶體更包括含氮硬罩幕層，配置於溝槽兩側的基底上。

在本發明的一實施例中，層間絕緣層的中心部位的頂面高於其邊緣部位的頂面。

在本發明的一實施例中，以熱氧化製程形成層間絕緣層時，溝槽兩側的基底表面具有含氮硬罩幕層。

基於所述，本發明的製造方法簡單，且可利用現有的製程輕易地提高電晶體的製程穩定性。本發明的溝槽式閘極金氧半場效電晶體中，溝槽頂角處不受熱氧化製程影響而變形，意即基底表面與溝槽頂部側壁於溝槽頂角處大致維持直角，故後續形成的摻雜區深度容易控制使其深度一致，可大幅提升元件的製程穩定性。

為讓本發明的所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。

圖1A至1G為依據本發明一實施例所繪示的一種溝槽式閘極金氧半場效電晶體的製造方法的剖面示意圖。

請參照圖1A，提供基底101。在一實施例中、基底101包括基層100以及形成於基層100上的磊晶層102。在一實施例中，基層100為具有第一導電型的半導體基層，例如是N型重摻雜的矽基層。在一實施例中，磊晶層102為具有第一導電型的磊晶層，例如是N型輕摻雜的磊晶層，且其形成方法包括進行選擇性磊晶生長（selective epitaxy growth，SEG）製程。

接著，於基底101上形成硬罩幕層HM，且硬罩幕層HM裸露出部分基底101。在一實施例中，於磊晶層102上形成硬罩幕材料層。在一實施例中，形成硬罩幕材料層的方法包括進行熱氧化製程、化學氣相沉積（CVD）製程或其組合。然後，對硬罩幕材料層進行圖案化製程（例如微影蝕刻製程），以形成硬罩幕層HM。在一實施例中，硬罩幕層HM為含氮硬罩幕層。例如，硬罩幕層HM的材料可包括氮化矽或氮氧化矽。在一實施例中，硬罩幕層HM為包括（由下而上）氧化矽層104、氮化矽層105以及氧化矽層106的三層複合結構，如圖1A所示。在一實施例中，氧化矽層106的厚度大於氧化矽層104的厚度。

此外，硬罩幕層HM的結構並不以圖1A為限。在另一實施例中，硬罩幕層HM的材料可包括氧化矽-氮化矽-氮氧化矽-氧化矽的四層複合結構、氧化矽-氮化矽的雙層複合結構、氮氧化矽單層結構或任何合適的結構。

然後，以硬罩幕層HM為罩幕，移除部分基底101，以於基底101中形成溝槽T。在一實施例中，溝槽T具有實質上垂直的側壁，如圖1A所示。

請參照圖1B以及圖1C，於溝槽T的下部形成第一絕緣層108a以及第一導體層110。如圖1B所示，於溝槽T的表面以及硬罩幕層HM的頂面上形成第一絕緣材料層108。在一實施例中，第一絕緣材料層108的材料包括氧化矽，且其形成方法包括進行化學氣相沉積製程。接著，於溝槽T的下部形成第一導體層110。在一實施例中，於第一絕緣材料層108上形成第一導體材料層，且第一導體材料層填滿溝槽T。第一導體材料層包括摻雜多晶矽，且其形成方法包括進行化學氣相沉積製程。接著，移除部分第一導體材料層，直到剩餘的第一導體材料層的頂面低於基底101或磊晶層102的頂面。所述移除步驟包括進行回蝕刻製程。

接著，如圖1C所示，移除部分第一絕緣材料層108，以形成第一絕緣層108a，且第一絕緣層108a裸露出部分磊晶層102。所述移除步驟包括進行回蝕刻製程。在一實施例中，移除部分第一絕緣材料層108的步驟也會移除掉部分硬罩幕層HM。更具體地說，部分的氧化矽層106也被移除。在一實施例中，第一絕緣層108a的頂面低於第一導體層110的頂面。

請參照圖1D，於溝槽T的上部的側壁上形成犧牲層112。在一實施例中，於基底101上先形成犧牲材料層，且犧牲材料層覆蓋硬罩幕層HM的頂面、溝槽T的上部側壁以及第一絕緣層108a和第一導體層110的頂面。然後，進行非等向性蝕刻製程，移除部分犧牲材料層，以形成間隙壁形式的犧牲層112。在一實施例中，視情況地，也可以移除部分第一導體層110，使得第一導體層110的頂面與第一絕緣層108a的頂面大致上齊平。

請參照圖1E，於第一導體層110上形成層間絕緣層114。在一實施例中，層間絕緣層114的材料包括氧化矽，且其形成方法包括進行熱氧化製程。在一實施例中，層間絕緣層114的頂面高於第一絕緣層108a的頂面。在一實施例中，層間絕緣層114的頂面大致呈弧狀，且其中心部位的頂面高於其邊緣部位的頂面。

在本發明中，犧牲層112與硬罩幕層HM材料相同，可連接構成保護結構，以於層間絕緣層114的形成步驟中保護溝槽T的頂角處不受熱氧化製程影響而變形，故溝槽頂部邊緣形狀維持固定，意即基底表面與溝槽T頂部側壁於溝槽T頂角處大致維持直角。一般而言，形成層間絕緣層的製程時間較久，會造成溝槽T頂角的嚴重變形，導致後續形成摻雜區的植入深度難以控制使其一致。然而，本發明由犧牲層112與硬罩幕層HM構成的保護結構可保護溝槽T的頂角處大致維持直角，故不會有習知的頂角變形導致摻雜區深度不一致的問題。

請參照圖1F，移除犧牲層112以及至少部分硬罩幕層HM。在一實施例中，進行至少一蝕刻製程，以移除全部的犧牲層112以及全部的硬罩幕層HM。在一實施例中，上述移除步驟後，溝槽T的頂角處維持完整，溝槽T頂部側壁與基底101表面的夾角大致呈90度。

請參照圖1G，於溝槽T的上部形成第二絕緣層116以及第二導體層120。首先，於溝槽T內形成第二絕緣層116，且第二絕緣層116覆蓋溝槽T的上部側壁。在一實施例中，第二絕緣層116的材料包括氧化矽，且其形成方法包括進行熱氧化製程。熱氧化製程會消耗部分的基底101，因此溝槽T的頂角處會略為擴張。在一實施例中，上述熱氧化製程後，溝槽T與基底101的夾角大於90度且小於110度或甚至小於105度。

在一實施例中，溝槽T於基底表面處具有寬度W1且從基底101的表面算起的深度D1處具有寬度W2。在一實施例中，當深度D1例如是約100~150 nm時，W1/W2的比值例如是大於1且小於1.08。

此外，假設溝槽T的最大深度為D0，從基底表面到基底下方深度D1的溝槽T的側壁略為傾斜，而從基底下方深度D1到基底下方深度D0的溝槽T的側壁則實質上垂直。例如，當深度D1例如是約100~150 nm時，W1/W2的比值例如是大於1且小於1.08，溝渠T從基底表面到基底下方深度D1的寬度呈線性縮小，且當深度例如大於100~150 nm時，溝渠T的寬度大致相同。

更具體地說，由於溝槽頂部的傾斜程度輕微，D1僅100~150 nm且溝槽T與基底101的夾角僅略大於90度且小於110度，故溝槽頂部邊緣實質上維持完整，不會影響後續形成的摻雜區124的深度。因此，本發明中，後續形成的摻雜區124在靠近溝槽T的底面與摻雜區124在遠離溝槽T的底面未有明顯的高度差異，摻雜區124的深度大致位於相同水平（level）。

接著，於基底101的表面形成遮罩絕緣層（screen insulating layer）118。在一實施例中，遮罩絕緣層118的材料包括氧化矽，且其形成方法包括進行熱氧化製程或化學氣相沉積製程。遮罩絕緣層118可作為後續形成主體層122以及摻雜區124的植入遮罩。

在一實施例中，可於不同步驟中形成彼此連接的第二絕緣層116以及遮罩絕緣層118，如圖1G所示。然而，本發明並不以此為限。

在另一實施例中，也可於相同步驟中形成第二絕緣層116以及遮罩絕緣層118。例如，進行化學氣相沉積製程來形成第二絕緣層116以及遮罩絕緣層118，則溝槽T的頂角處可維持完整，溝槽T與基底101的夾角大致維持90度。

請繼續參照圖1G，於溝槽T的上部形成第二導體層120。在一實施例中，於磊晶層102上形成第二導體材料層，且第二導體材料層填滿溝槽T。在一實施例中，第二導體材料層包括摻雜多晶矽，且其形成方法包括進行化學氣相沉積製程。之後，進行化學機械研磨製程及/或回蝕刻製程，以移除溝槽T外的第二導體材料層。

然後，於磊晶層102中形成主體層122。在一實施例中，主體層122為具有第二導電型的主體層，例如是P型主體層，且其形成方法包括進行離子植入製程。

接著，於主體層122中形成摻雜區124。在一實施例中，摻雜區124為具有第一導電型的摻雜區124，例如是N型重摻雜區，且其形成方法包括進行離子植入製程。至此，完成本發明的溝槽式閘極金氧半場效電晶體10的製作。

在上述實施例中，於圖1F的步驟中，是以移除掉全部的犧牲層112以及全部的硬罩幕層HM為例來說明之，但並不用以限定本發明。以下，將說明另一種實施方式。

圖2A至2C為依據本發明另一實施例所繪示的一種溝槽式閘極金氧半場效電晶體的製造方法的剖面示意圖。

請參照圖2A，進行如圖1A至圖1E的步驟，形成如圖1E的中間結構。接著，請參照圖2B，移除全部的犧牲層112以及部分的硬罩幕層HM。在一實施例中，進行至少一蝕刻製程，以移除全部的犧牲層112以及硬罩幕層HM中的氧化層106，而留下硬罩幕層HM中的氮化物層105以及氧化層104。在一實施例中，上述移除步驟後，溝槽T的頂角處維持完整，溝槽T與基底101的夾角大致呈90度左右。

請參照圖2C，進行如圖1G的步驟，完成本發明的溝槽式閘極金氧半場效電晶體20的製作。在一實施例中，硬罩幕層HM中的氮化物層105以及氧化層104可取代圖1G的遮罩絕緣層118的形成步驟。換言之，圖2C的硬罩幕層HM可作為形成主體層122以及摻雜區124的植入遮罩。

在以上的實施例中，是以第一導電型為N型，第二導電型為P型為例來說明，但本發明並不以此為限。本領域具有通常知識者應了解，第一導電型也可以為P型，而第二導電型為N型。

接下來，將說明本發明的溝槽式閘極金氧半場效電晶體的結構。請參照圖1G以及圖2C，本發明的溝槽式閘極金氧半場效電晶體10/20包括基底101、第一導體層110、第一絕緣層108a、第二導體層120、第二絕緣層116以及層間絕緣層114。基底101具有溝槽T。第一導體層110配置於溝槽T的下部。第一絕緣層108a配置於第一導體層110與基底101之間。第二導體層120配置於溝槽T中且位於第一導體層110上。第二絕緣層116配置於第二導體層120與基底101之間。層間絕緣層114配置於第一導體層110與第二導體層120之間。此外，溝槽T於基底表面處具有寬度W1且從基底表面起算的深度100~150 nm處具有寬度W2，則W1/W2的比值大於1且小於1.08，例如1.01、1.02、1.03、1.04、1.05、1.06、1.07或1.08，其比值包括任意兩個前述數值之間的任何範圍。

在一實施例中，如圖2C所示，溝槽式閘極金氧半場效電晶體20更包括硬罩幕層HM。硬罩幕層HM配置於溝槽T兩側的基底101上。在一實施例中，硬罩幕層HM為含氮硬罩幕層。硬罩幕層HM的材料可包括氮化矽或氮氧化矽。在一實施例中，硬罩幕層HM為包括（由下而上）氧化矽層104以及氮化矽層105的雙層複合結構，如圖2C所示。此外，硬罩幕層HM的結構並不以圖2C為限。在另一實施例中，硬罩幕層HM的材料可包括氧化矽-氮化矽-氮氧化矽的三層複合結構、氮氧化矽單層結構或任何合適的結構。

在本發明的溝槽式閘極金氧半場效電晶體10/20中，第二導體層120（或上部電極）作為閘極，第一導體層110（或下部電極）作為遮蔽電極或源電極，摻雜區124作為源極，且基底101作為汲極。層間絕緣層114作為閘極與遮蔽閘極之間的閘間絕緣層。

基於所述，本發明的製造方法簡單，且可利用現有的製程輕易地提高電晶體的製程穩定性。本發明的溝槽式閘極金氧半場效電晶體中，溝槽頂角處不受熱氧化製程影響而變形，意即基底表面與溝槽頂部側壁於溝槽頂角處大致維持直角，故後續形成的摻雜區深度容易控制使其深度一致，換句話說，摻雜區的深度容易控制，可大幅提升元件的製程穩定性。

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。

10、20‧‧‧溝槽式閘極金氧半場效電晶體100‧‧‧基層101‧‧‧基底102‧‧‧磊晶層104、106‧‧‧氧化物層105‧‧‧氮化物層108‧‧‧第一絕緣材料層108a‧‧‧第一絕緣層110‧‧‧第一導體層112‧‧‧犧牲層114‧‧‧層間絕緣層116‧‧‧第二絕緣層118‧‧‧遮罩絕緣層120‧‧‧第二導體層122‧‧‧主體層124‧‧‧摻雜區D0、D1‧‧‧深度HM‧‧‧硬罩幕層T‧‧‧溝槽W1、W2‧‧‧寬度

圖1A至1G為依據本發明一實施例所繪示的一種溝槽式閘極金氧半場效電晶體的製造方法的剖面示意圖。 圖2A至2C為依據本發明另一實施例所繪示的一種溝槽式閘極金氧半場效電晶體的製造方法的剖面示意圖。

100‧‧‧基層

101‧‧‧基底

102‧‧‧磊晶層

104、106‧‧‧氧化物層

105‧‧‧氮化物層

108a‧‧‧第一絕緣層

110‧‧‧第一導體層

112‧‧‧犧牲層

114‧‧‧層間絕緣層

HM‧‧‧硬罩幕層

T‧‧‧溝槽

Claims (9)

1. 一種溝槽式閘極金氧半場效電晶體的製造方法，包括：於基底上形成硬罩幕層；以所述硬罩幕層為罩幕，移除部分所述基底，以於所述基底中形成溝槽；於所述溝槽的下部形成第一絕緣層以及第一導體層；於所述溝槽的上部側壁形成犧牲層，其中所述犧牲層連接所述硬罩幕層；於所述犧牲層及所述硬罩幕層存在的情況下，利用熱氧化製程於所述第一導體層上形成層間絕緣層；以及於所述溝槽的上部形成第二絕緣層以及第二導體層，其中於形成所述層間絕緣層的步驟之後，所述溝槽於基底表面處具有寬度W1，且於所述基底表面起算的深度100~150nm處具有寬度W2，則W1/W2的比值大於1且小於1.08。
2. 如申請專利範圍第1項所述的製造方法，於形成所述層間絕緣層的步驟之後，移除所述犧牲層以及所述硬罩幕層。
3. 如申請專利範圍第1項所述的製造方法，於形成所述層間絕緣層的步驟之後，移除所述犧牲層以及部分所述硬罩幕層。
4. 如申請專利範圍第3項所述的製造方法，其中於移除部分所述硬罩幕層的步驟中，留下的所述硬罩幕層的材料包括氮化矽或氮氧化矽。
5. 如申請專利範圍第1項所述的製造方法，其中所述硬罩幕層為多層複合結構，且所述犧牲層的材料與所述硬罩幕層中其中一層的材料相同。
6. 一種溝槽式閘極金氧半場效電晶體，包括：基底，具有溝槽；第一導體層，配置於所述溝槽的下部；第一絕緣層，配置於所述第一導體層與所述基底之間；第二導體層，配置於所述溝槽中且位於所述第一導體層上；第二絕緣層，配置於所述第二導體層與所述基底之間；以及層間絕緣層，配置於所述第一導體層與所述第二導體層之間，其中所述層間絕緣層係以熱氧化製程形成；其中所述溝槽於基底表面處具有寬度W1且於所述基底表面起算的深度100~150nm處具有寬度W2，則W1/W2的比值大於1且小於1.08。
7. 如申請專利範圍第6項所述的溝槽式閘極金氧半場效電晶體，更包括含氮硬罩幕層，配置於所述溝槽兩側的所述基底上。
8. 如申請專利範圍第6項所述的溝槽式閘極金氧半場效電晶體，其中所述層間絕緣層的中心部位的頂面高於其邊緣部位的頂面。
9. 如申請專利範圍第6項所述的溝槽式閘極金氧半場效電晶體，其中以所述熱氧化製程形成所述層間絕緣層時，所述溝槽兩側的所述基底表面具有含氮硬罩幕層。

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