TWI897312B - 功率半導體裝置及其製造方法 - Google Patents

Abstract

功率半導體裝置包含汲極金屬、位在汲極金屬上的基底層、位在基底層上的磊晶層、閘極結構、源極/汲極掺雜區、遮蔽區、閘極氧化層以及位在磊晶層上的源極金屬。磊晶層具有第一導電類型。閘極結構位在磊晶層中。閘極結構在橫向上為非對稱的。閘極結構包含第一閘極與第二閘極，且第二閘極位在第一閘極上方。源極/汲極掺雜區位在鄰接第二閘極的第一側的磊晶層中。遮蔽區位在磊晶層中，且至少包圍第一閘極並具有第二導電類型。閘極氧化層位在閘極結構與磊晶層之間。

Description

功率半導體裝置及其製造方法

本揭露是有關於一種功率半導體裝置，尤其是具有溝槽式閘極結構的功率半導體裝置。

隨著半導體技術的進步，金屬氧化物半導體場效電晶體的應用越來越廣泛。功率半導體可在電子元件中作為開關使用。功率半導體可應用在高電壓與高電流的元件設計中。功率半導體的切換速度與導通電阻皆與其閘極結構的設計密切相關。

本揭露之一技術態樣為一種功率半導體裝置。

在本揭露一實施例中，功率半導體裝置包含汲極金屬、位在汲極金屬上的基底層、位在基底層上的磊晶層、閘極結構、源極/汲極掺雜區、遮蔽區、閘極氧化層以及位在磊晶層上的源極金屬。磊晶層具有第一導電類型。閘極結構位在磊晶層中。閘極結構在橫向上為非對稱的。閘極結構包含第一閘極與第二閘極，且第二閘極位在第一閘極上方。源極/汲極掺雜區位在鄰接第二閘極的第一側的磊晶層中。遮蔽區位在磊晶層中，且至少包圍第一閘極並具有第二導電類型。閘極氧化層位在閘極結構與磊晶層之間。

本揭露之另一技術態樣為一種半導體裝置的製造方法。

在本揭露一實施例中，功率半導體裝置的製造方法包含形成磊晶層在基底層上，其中磊晶層具有第一導電類型；形成第一溝槽於磊晶層中，其中第一溝槽具有溝槽側壁；佈值溝槽側壁以形成遮蔽區，其中遮蔽區具有第二導電類型且至少圍繞溝槽側壁的下部；形成源極/汲極掺雜區在鄰接溝槽側壁的上部的磊晶層中；形成第二溝槽，使第二溝槽於橫向上為非對稱的；形成閘極氧化層於第一溝槽與第二溝槽中；以及形成閘極結構於第一溝槽與第二溝槽中。

在上述實施例中，有溝槽式閘極結構的半導體裝置使通道區為縱向，增加電流密度。通道區的方向與角度可由容置第二閘極的溝槽側壁決定。藉由設置遮蔽區，可遮蔽垂直型功率半導體裝置中的強電場。藉由設置具有不同厚度的閘極氧化層以及設置分裂閘極，可提升崩潰電壓。本揭露可整合形成具有特定方向與角度的通道區、具有不同厚度的閘極氧化層以及分裂閘極的步驟，優化功率半導體裝置的製程。遮蔽區的摻雜濃度、區域大小可變化以調整導通電阻與崩潰電壓。

以下將以圖式揭露本發明之複數個實施方式，為明確說明起見，許多實務上的細節將在以下敘述中一併說明。然而，應瞭解到，這些實務上的細節不應用以限制本發明。

第1圖為根據本揭露一實施例的功率半導體裝置100的剖面圖。功率半導體裝置100包含汲極金屬110、基底層120、磊晶層130、閘極結構140、源極/汲極掺雜區150、遮蔽區160、閘極氧化層170以及源極金屬180。

基底層120位在汲極金屬110上，例如為碳化矽(SiC)基板。磊晶層130位在基底層120上並具有第一導電類型(N型)。閘極結構140位在磊晶層130中。舉例來說，本實施例中的功率半導體裝置100為N型的金屬氧化物半導體場效電晶體(MOSFET)。基底層120為N型重摻雜基板(N+)。磊晶層130的摻雜濃度較基底層120的摻雜濃度低(N-)。磊晶層130可做為源極S與汲極D間的漂移區(drift region)。

閘極結構140在橫向D1上為非對稱的。閘極結構140包含第一閘極142與第二閘極144，且第二閘極144位在第一閘極142上方。第一閘極142與第二閘極144彼此分離，為分裂閘極(split gate)。第二閘極144為閘極電極(gate poly)，第一閘極142為遮蔽電極，並且電性連接源極金屬180。第二閘極144的第二寬度W2大於第一閘極142的第一寬度W1。第一閘極142在橫向D1上的第一中心位置C1與第二閘極144在橫向D1上的第二中心位置C2錯開。

源極/汲極掺雜區150位在鄰接第二閘極144的第一側1442的磊晶層130中。源極/汲極掺雜區150包含具有第一導電類型(N+)的源極區域152以及具有第二導電類型(P)的井區154，使源極區域152以及井區154與第二閘極144構成通道區156。換句話說，功率半導體裝置100為具有單側溝槽式閘極結構的半導體裝置。

遮蔽區160位在磊晶層130中且至少包圍第一閘極142並具有第二導電類型(P+)。遮蔽區160包含相連的第一遮蔽區162、第二遮蔽區164以及第三遮蔽區166。遮蔽區160透過佈值步驟形成。第一遮蔽區162形成於鄰近第一閘極142的第一側1422的磊晶層130中，第二遮蔽區164形成於鄰近第一閘極142的第二側1424的磊晶層130中。第一遮蔽區162位在通道區156下方。第三遮蔽區166形成於第一閘極142的底部的磊晶層130中。在本實施例中，第二遮蔽區164延伸至鄰接第二閘極144的第二側1444的磊晶層130中，但本揭露不以此為限。

閘極氧化層170位在閘極結構140與磊晶層130之間。源極金屬180位在磊晶層130上。閘極氧化層170包含第一閘極氧化層172以及第二閘極氧化層174。第一閘極氧化層172位在第一遮蔽區162、第二遮蔽區164、第三遮蔽區166與第一閘極142之間，以及位在鄰接第二閘極144的第二側1444的磊晶層130與第二閘極144之間。第二閘極氧化層174位在源極/汲極掺雜區150與第二閘極144的第一側1442之間。第二閘極氧化層174的第二厚度T2小於第一閘極氧化層172的第一厚度T1。

由於閘極結構140為溝槽式的結構，通道區156方向為縱向而非水平方向，可增加閘極結構140的密度以提升電流密度。藉由設置遮蔽區160，可遮蔽垂直型功率半導體裝置中的強電場。

遮蔽區160可包含多個第一遮蔽區162。第一遮蔽區162的長度以及間距皆可根據實際需求設置，以調整功率半導體裝置100的導通電阻與崩潰電壓。

第1圖中所示的第二閘極144的第一側1442較為突出，因此通道區156的方向與角度可由容置第二閘極144的溝槽側壁190決定。溝槽側壁190包含第一側壁192、第二側壁194與第三側壁196。第一側壁192鄰接第一閘極142的第一側1422。第三側壁196鄰接第二閘極144的第一側1442。第二側壁194同時鄰接第一閘極142的第二側1424與第二閘極144的第二側1444。第三側壁196與第二側壁194相對。第一側壁192與第二側壁194相對。第一側壁192與第三側壁196之間具有彎曲側壁198。第一側壁192相當於溝槽側壁190的下部，第三側壁196相當於溝槽側壁190的上部。第二側壁194涵蓋溝槽側壁190的上部與下部。第二側壁194的斜率大致相等。

遮蔽區160至少圍繞溝槽側壁190的下部。本實施例中，第二遮蔽區164延伸至溝槽側壁190的上部，與第二側壁194相鄰。第一遮蔽區162與第三側壁196相鄰。

第一側壁192與第二側壁194在橫向D1上的第一距離L1小於第三側壁196與第二側壁194在橫向D1上的第二距離L2。第一閘極142容置於第一溝槽TR1中，第二閘極144容置於第二溝槽TR2中。第一距離L1相當於容置第一閘極142的第一溝槽TR1的平均寬度，第二距離L2相當於容置第二閘極144的第二溝槽TR2的平均寬度。

形成於第二溝槽TR2中的第二閘極144於基底層120上的垂直投影與第一遮蔽區162在基底層120上的垂直投影重疊。第二溝槽TR2是第一溝槽TR1再經由蝕刻步驟後形成，將於後續詳述。

在其他實施例中，第一遮蔽區162、第二遮蔽區164以及第三遮蔽區166中之一者的摻雜濃度較高。在其他實施例中，第一遮蔽區162與第二遮蔽區164的外側還包含具有第一導電類型(N型)的摻雜區(圖未示)，與第一遮蔽區162以及第二遮蔽區164對應排列。具有第一導電類型(N型)的摻雜區的長度、間距以及與第一遮蔽區162以及第二遮蔽區164的交錯距離皆可根據實際需求設置，以調整功率半導體裝置100的導通電阻與崩潰電壓。

第2圖至第6圖為第1圖的功率半導體裝置100的製造方法的中間步驟的剖面圖。已敘述過的元件連接關係、材料與功效將不再重複贅述，合先敘明。

參閱第2圖，功率半導體裝置100的製造方法開始於提供位在基底層120上的磊晶層130。接著，形成第一溝槽TR1於磊晶層130中。在形成第一溝槽TR1的步驟中可包含圖案化光阻層(圖未示)、藉由光阻層蝕刻遮罩層200、移除光阻層、最後蝕刻磊晶層130。藉由遮罩層200的圖案形成第一溝槽TR1。遮罩層200的材料例如為四乙氧基硅烷(Tetraethoxysilane，TEOS)。接著，佈值第一溝槽TR1以形成具有第二導電類型(P型)的第一遮蔽區162、第二遮蔽區164以及第三遮蔽區166。功率半導體裝置100的製造方法接續至形成源極/汲極掺雜區150在鄰接溝槽側壁190的上部的磊晶層130。

功率半導體裝置100的製造方法接續至形成第一閘極氧化層172於第一溝槽TR1中。第一閘極氧化層172具有第一厚度T1。第一閘極氧化層172覆蓋第一溝槽TR1的第一側壁192、第二側壁194與底部。在一實施例中，第一閘極氧化層172的形成方法是在1000度至1600度環境下進行熱氧化。在另一實施例中，第一閘極氧化層172的形成方法是二氧化矽的原子層沉積(Atomic Layer Deposition, ALD)。

參閱第3圖，功率半導體裝置100的製造方法接續至填充多晶矽材料140M於第一溝槽TR1(見第2圖)中並覆蓋第一閘極氧化層172與遮罩層200。多晶矽材料140M藉由低壓化學氣相沉積 Low Pressure Chemical Vapor Deposition (LPCVD)製程形成。

功率半導體裝置100的製造方法接續至形成另一遮罩層300於多晶矽材料140M上，並藉由光阻層400圖案化遮罩層300。接著再藉由遮罩層300圖案化多晶矽材料140M。遮罩層300的材料與遮罩層200相同。

參閱第4圖，功率半導體裝置100的製造方法接續至形成將多晶矽材料140M與源極金屬180電性連接的延伸結構146。接著移除光阻層400。

參閱第5圖，功率半導體裝置100的製造方法接續至蝕刻多晶矽材料140M(見第3圖)以形成第一閘極142。上述步驟相當於形成第一閘極142於第一閘極氧化層172中。功率半導體裝置100的製造方法接續至形成透過光阻層500圖案化遮罩層200。光阻層500具有一傾斜角度θ，因此蝕刻後的遮罩層200也具有一傾斜角度θ。舉例來說，傾斜角度θ相對於垂直方向大約為15度，但本揭露不以此為限。藉由光阻層500與遮罩層200可決定後續形成第二溝槽TR2的淺溝槽區域R。

參閱第6圖，功率半導體裝置100的製造方法接續至形成第二溝槽TR2，並且使第二溝槽TR2在橫向D1上為非對稱的。形成第二溝槽TR2的步驟包含根據第5圖中所示的淺溝槽區域R移除位在溝槽側壁190的上部的第一側壁192的磊晶層130以形成第三側壁196。此步驟也相當於移除位在第一遮蔽區162上方的磊晶層130的一部份。

參閱第1圖，功率半導體裝置100的製造方法接續至形成第二閘極氧化層174於第二溝槽TR2中，並移除光阻層500。第二閘極氧化層174位在第一閘極142上方以及第三側壁196上。第二閘極氧化層174位在第三側壁196上的部份具有第二厚度T2，且第二厚度T2小於第一厚度T1。藉由設置具有不同厚度的閘極氧化層170，可提升崩潰電壓。

功率半導體裝置100的製造方法接續至形成第二閘極144於第二溝槽TR2中。形成第二閘極144的步驟可包含先藉由低壓化學氣相沉積 Low Pressure Chemical Vapor Deposition (LPCVD)製程形成多晶矽材料，再透過蝕刻或化學機械研磨製程移除第二溝槽TR2外的部份。通道區156的方向與角度由第三側壁196決定。

上述的步驟相當於將閘極氧化層170形成於第一溝槽TR1與第二溝槽TR2中以及將閘極結構140形成於第一溝槽TR1與第二溝槽TR2中。最後，將源極金屬180形成於磊晶層130以及閘極結構140上方。

綜上所述，具有溝槽式閘極結構的半導體裝置使通道區為縱向，增加電流密度。通道區的方向與角度可由容置第二閘極的溝槽側壁決定。藉由設置遮蔽區，可遮蔽垂直型功率半導體裝置中的強電場。藉由設置具有不同厚度的閘極氧化層以及設置分裂閘極，可提升崩潰電壓。本揭露可整合形成具有特定角度的通道區、具有不同厚度的閘極氧化層以及分裂閘極的步驟，優化高功率半導體裝置的製程。遮蔽區的摻雜濃度、區域大小可變化以調整導通電阻與崩潰電壓。

雖然本發明已以實施方式揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

100:功率半導體裝置 110:汲極金屬 120:基底層 130:磊晶層 140:閘極結構 140M:多晶矽材料 142:第一閘極 144:第二閘極 1422,1442:第一側 1424,1444:第二側 146:延伸結構 150:源極/汲極掺雜區 152:源極區域 154:井區 156:通道區 160:遮蔽區 162:第一遮蔽區 164:第二遮蔽區 166:第三遮蔽區 170:閘極氧化層 172:第一閘極氧化層 174:第二閘極氧化層 180:源極金屬 190:溝槽側壁 192:第一側壁 194:第二側壁 196:第三側壁 198:彎曲側壁 200,300:遮罩層 400,500:光阻層 W1:第一寬度 W2:第二寬度 C1:第一中心位置 C2:第二中心位置 T1:第一厚度 T2:第二厚度 D1:橫向 TR1:第一溝槽 TR2:第二溝槽 L1:第一距離 L2:第二距離 θ:傾斜角度 R:淺溝槽區域

第1圖為根據本揭露一實施例的功率半導體裝置的剖面圖。 第2圖至第6圖為第1圖的功率半導體裝置的製造方法的中間步驟的剖面圖。

100:功率半導體裝置

110:汲極金屬

120:基底層

130:磊晶層

140:閘極結構

142:第一閘極

144:第二閘極

1422,1442:第一側

1424,1444:第二側

150:源極/汲極掺雜區

152:源極區域

154:井區

156:通道區

160:遮蔽區

162:第一遮蔽區

164:第二遮蔽區

166:第三遮蔽區

170:閘極氧化層

172:第一閘極氧化層

174:第二閘極氧化層

180:源極金屬

190:溝槽側壁

192:第一側壁

194:第二側壁

196:第三側壁

198:彎曲側壁

W1:第一寬度

W2:第二寬度

C1:第一中心位置

C2:第二中心位置

T1:第一厚度

T2:第二厚度

D1:橫向

TR1:第一溝槽

TR2:第二溝槽

L1:第一距離

L2:第二距離

Claims (10)

1. 一種功率半導體裝置，包含：一汲極金屬；一基底層，位在該汲極金屬上；一磊晶層，位在該基底層上並具有一第一導電類型；一溝槽側壁，包含一第一側壁、一第二側壁、一第三側壁與一彎曲側壁，該第一側壁與該第二側壁相對，該第三側壁與該第二側壁相對，該彎曲側壁位在該第一側壁與該第三側壁之間，該第三側壁具有傾斜角度以控制一通道區的分佈；一閘極結構，位在該磊晶層中，其中該閘極結構在一橫向上為非對稱的，該閘極結構包含一第一閘極與一第二閘極，且該第二閘極位在該第一閘極上方，該第一閘極位在該第一側壁與該第二側壁之間，該第二閘極位在該第三側壁與該第二側壁之間；一源極/汲極掺雜區，位在鄰接該第二閘極的一第一側的該磊晶層中；一遮蔽區，位在該磊晶層中且至少包圍該第一閘極、該第一側壁與該第二側壁並具有一第二導電類型；一閘極氧化層，位在該閘極結構與該磊晶層之間；以及一源極金屬，位在該磊晶層上。
2. 如請求項1所述之功率半導體裝置，其中該第一閘極與該第二閘極彼此分離，且該第一閘極電性連接該源極金屬。
3. 如請求項1~2中任一所述之功率半導體裝置，其中該第一閘極在該橫向上的一第一中心位置與該第二閘極在該橫向上的一第二中心位置錯開。
4. 如請求項1~2中任一所述之功率半導體裝置，還包含：一第一閘極氧化層，位在該遮蔽區與該第一閘極之間以及位在鄰接該第二閘極的一第二側的該磊晶層與該第二閘極之間，其中該第一側與該第二側相對；以及一第二閘極氧化層，位在該源極/汲極掺雜區與該第二閘極的該第一側之間。
5. 如請求項4所述之功率半導體裝置，其中該第二閘極氧化層的一第二厚度小於該第一閘極氧化層的一第一厚度。
6. 一種功率半導體裝置的製造方法，包含：形成一磊晶層在一基底層上，其中該磊晶層具有一第一導電類型；形成一第一溝槽於該磊晶層中，其中該第一溝槽具有一溝槽側壁，該溝槽側壁包含一第一側壁與一第二側壁；佈值該溝槽側壁以形成一遮蔽區，其中該遮蔽區具有一第二導電類型且至少圍繞該溝槽側壁的一下部；形成一源極/汲極掺雜區在鄰接該溝槽側壁的一上部的該磊晶層中；形成一第二溝槽，使該第二溝槽於一橫向上為非對稱的，包含：透過具有一傾斜角度的一遮罩層移除位在該溝槽側壁的該上部的一第一側壁的該磊晶層以形成一第三側壁以及位在該第一側壁與該第三側壁之間的一彎曲側壁，其中該第三側壁用以決定一通道區的分佈；形成一閘極氧化層於該第一溝槽與該第二溝槽中；以及形成一閘極結構於該第一溝槽與該第二溝槽中。
7. 如請求項6所述之功率半導體裝置的製造方法，其中形成該第二溝槽，使該第二溝槽於該橫向上為非對稱的還包含：使該第一側壁至該第二側壁的一第一距離小於該第三側壁至該第二側壁的一第二距離，該第三側壁與該第二側壁相對，且該第三側壁與該第一側壁相連。
8. 如請求項6所述之功率半導體裝置的製造方法，其中形成該閘極氧化層於該第一溝槽與該第二溝槽中包含：形成一第一閘極氧化層於該第一溝槽中；以及在形成該第二溝槽後，形成一第二閘極氧化層於該第二溝槽的該第三側壁中。
9. 如請求項8所述之功率半導體裝置的製造方法，其中形成該閘極氧化層於該第一溝槽與該第二溝槽中還包含：使得該第二閘極氧化層的一第二厚度小於該第一閘極氧化層的一第一厚度。
10. 如請求項8所述之功率半導體裝置的製造方法，其中形成該閘極結構於該第一溝槽與該第二溝槽中包含：在形成該第一閘極氧化層於該第一溝槽中之後，形成一第一閘極於該第一閘極氧化層中；以及在形成該第二閘極氧化層於該第二溝槽的該第三側壁中之後，形成一第二閘極。