專利名稱：頂部漏極型金屬氧化物半導(dǎo)體柵控器件及其制造工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及例如MOSFET(金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管)、IGBT(絕緣柵雙極型晶體管)等的金屬氧化物半導(dǎo)體柵控器件(MOS柵控器件)以及它們的制造工藝，更具體地說，本發(fā)明涉及這樣一種器件，在該器件中，漏極被設(shè)置在含有其中形成器件的管芯或晶片的表面的結(jié)的頂面上。
背景技術(shù)：
垂直導(dǎo)電的MOS柵控器件是公知的。這里，MOS柵控器件指的是MOSFET、IGBT等。垂直導(dǎo)電的器件指的是這樣一種器件，其中通過管芯的電流傳導(dǎo)路徑的至少一部分與管芯的平面垂直。而管芯(die)則指的是從晶片分割(singulate)出的單個(gè)管芯或芯片，其中晶片內(nèi)所有的管芯在分割之前同時(shí)得到處理。術(shù)語(yǔ)管芯、晶片和芯片可互換使用。
圖1示出了使用溝槽型工藝的公知類型的垂直導(dǎo)電MOSFET。圖1是貫穿MOSFET管芯的截面圖并示出了器件的一個(gè)單元。常規(guī)上采用相互相對(duì)地橫向布置的多個(gè)相同的這種單元。這些單元可為平行條，或者圓形、矩形、正方形、六邊形或其它任何多邊形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的閉合單元，并且可呈現(xiàn)相同的截面圖。圖1所示器件的漏極處在管芯的底部上，其源極和柵極則處在相對(duì)的表面上。
在圖1中，晶片或管芯具有單晶硅的N+襯底20(例如浮動(dòng)區(qū)域)，其具有包括漂移區(qū)21的頂部外延生長(zhǎng)的N型硅層。P型基被注入和擴(kuò)散入外延層以形成P基區(qū)22，而N型被注入和擴(kuò)散以形成N+源區(qū)層23。分開的溝槽24和25(或者分開或封閉的單元)形成于晶片的頂部中。二氧化硅或其它絕緣襯墊(liner)具有厚的底部30和薄的垂直柵部31，它們?nèi)菁{了導(dǎo)電性多晶硅柵極32。頂部氧化物部分33完成對(duì)柵多晶硅32的絕緣封閉。然后，源極40被淀積在晶片或芯片的頂部并填充溝槽24以使得N+源23和P基短路，從而使由區(qū)域21、22和23形成的寄生雙極型晶體管失效。導(dǎo)電性漏極41被常規(guī)地形成在管芯的底部上。
在操作中，向柵極32和源極40之間施加?xùn)艠O導(dǎo)通電勢(shì)將使得覆蓋(line)了氧化層31的P基22的表面處的濃度(concentration)反轉(zhuǎn)(invert)，從而使得大多數(shù)載流子從漏極41向源極40垂直流動(dòng)。
對(duì)于許多應(yīng)用而言，非常希望降低柵極和漏極之間的電容并由此降低電荷Qgd和Qswitch，并且希望降低圖1的MOS柵控器件管芯的導(dǎo)通電阻RDSON以及柵電阻。還希望提供這樣一種MOS柵控管芯結(jié)構(gòu)，它可被封裝到多種外殼中，可與其它的管芯共同封裝在一起并同時(shí)具有降低的封裝電阻、最小化的寄生電感(stray inductance)以及良好的散熱能力。
頂部漏極型MOS柵控器件在由丹尼爾·M·金澤爾于2005年3月4日提交并轉(zhuǎn)讓給本共同發(fā)明的受讓人的題為“頂部漏極型MOSFET(IR-2471)”的第11/042,993號(hào)共同未決申請(qǐng)中得到了概括的說明。與常規(guī)MOSFET相比，這種器件具有相反的源極和漏極。因此，它的漏極結(jié)構(gòu)和柵極結(jié)構(gòu)都形成在芯片的頂部中，而其源極則位于芯片的底部。分開的垂直柵極溝槽被形成入管芯或晶片的頂部?；鶇^(qū)或溝道可逆區(qū)被設(shè)置成與溝槽壁相鄰，并且被埋在上部漂移區(qū)之下。設(shè)置在柵極溝槽之間的另外的溝槽或單元允許在其底部形成導(dǎo)電區(qū)以將埋入的P基和N+襯底短路。
這一新穎的功能反轉(zhuǎn)使R*Qsw和R*A相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)產(chǎn)生了顯著的改進(jìn)(分別為60％和26％)。它進(jìn)一步使柵電阻降低四倍以及為管芯的共同封裝提供了多種封裝選擇。
更具體地說，這種結(jié)構(gòu)能夠降低漏—柵重疊并且減少了在柵極和漏極之間使用較厚的氧化層，從而能夠產(chǎn)生降低的Qgd和Qsw。這種設(shè)計(jì)還能夠?qū)崿F(xiàn)較高的單元密度并可消除JFET效應(yīng)和降低RDSON。最后，這種設(shè)計(jì)可使柵電阻減小。

發(fā)明內(nèi)容
圖2是本發(fā)明的新穎的頂部漏極型器件的一個(gè)單元的剖面示意圖。圖中所示的器件為N溝道器件，但是可轉(zhuǎn)換其所有導(dǎo)電類型從而產(chǎn)生P溝道器件。管芯或晶片具有N+襯底50，在襯底50的上表面上形成有N-型外延硅層。P型注入和擴(kuò)散形成了埋入的P基或溝道51，而N+注入和擴(kuò)散則在N漂移區(qū)層53的頂部中形成漏區(qū)層52。三個(gè)溝槽60、61和62被形成入管芯或晶片的頂部，從而形成所示的單個(gè)單元。外溝槽60和62為柵極溝槽，它們分別具有垂直的二氧化硅(或其它絕緣物)底層63和64，并且分別具有垂直的柵極氧化層65和66。導(dǎo)電性多晶硅層67和68被形成入溝槽60和62，并且分別通過氧化層63、65和64、66與周圍的硅絕緣。然后，氧化填充物69和70分別在多晶硅柵極67和68上方填充溝槽60和62。
中央溝槽61在其底部接納導(dǎo)電層71以使得P基51和N+襯底50連通(短路)。然后，溝槽61的其余部分被填充絕緣氧化物72。
可為具有少量硅成分的鋁的漏極75被形成在管芯和晶片的頂部上方，而導(dǎo)電性源極76則被形成在晶片和管芯底部上。
為了使得圖2的器件導(dǎo)通，施加到柵極67、68和襯底50之間的電勢(shì)將沿著基區(qū)51的垂直表面形成反轉(zhuǎn)區(qū)(inversion region)，以使得大多數(shù)載流子(電子)能夠從頂部漏極75向底部源極76傳導(dǎo)。需再次注意，所有導(dǎo)電類型可以被反轉(zhuǎn)以形成P溝道器件，而不是圖中所示的N溝道器件。
與圖1相比，圖2所示結(jié)構(gòu)的效果使得漏極漂移區(qū)53和柵極67、68之間的重疊減小，從而產(chǎn)生較低的Qgd和Qsw。另外，較厚的氧化層65、66可用于柵極67、68和漏極漂移區(qū)53之間，這樣再次降低了Qgd和Qsw。
此外，單元密度可以比圖1中的單元密度更大以進(jìn)一步降低RDSON。而且，JFET效應(yīng)的消除會(huì)進(jìn)一步降低RDSON。
通常，對(duì)于具有等價(jià)設(shè)計(jì)的20伏N溝道MOSFET(由國(guó)際整流器公司商業(yè)銷售的)而言，與圖1的器件相比，圖2所示的頂部漏極型器件結(jié)構(gòu)的品質(zhì)因數(shù)(FOM)被顯著降低，如下面的表1所示。
表1

本發(fā)明進(jìn)一步包括在圖2的器件的結(jié)構(gòu)和制造工藝上的一系列的改進(jìn)。
因此，作為第一個(gè)改進(jìn)，本體短路(body short)、漏極區(qū)和柵極多晶硅的上表面被同時(shí)硅化(silicided)以降低其各自的電阻。
另外，多晶硅柵極和其溝槽壁之間的漏極氧化層的厚度被增加從而使QGD靈敏度最小化。
另外，為了簡(jiǎn)化工藝，本體短路溝槽和主溝槽被同時(shí)填充。
作為對(duì)工藝的進(jìn)一步改進(jìn)，提供了一種新穎型的順序蝕刻工藝以用于形成柵極多晶硅槽。因此，必須精確地控制柵極多晶硅槽以保持最小電容。出于這一目的，在進(jìn)行溝槽蝕刻時(shí)，首先進(jìn)行第一次蝕刻以形成第一深度，然后形成厚的氧化層，之后淀積氮化物并對(duì)溝槽底部進(jìn)行各向異性蝕刻。然后進(jìn)行第二次蝕刻并且在新的表面上形成柵極氧化物。現(xiàn)在多晶硅槽的深度不是十分關(guān)鍵，因?yàn)闇喜垌敳亢竦难趸锝档土藮烹娙荨Ｎg刻是自對(duì)準(zhǔn)的，并且可以使用角度注入以使溝槽深度的重要性進(jìn)一步被減小。可以為硅化物柵極設(shè)置淺的多晶硅槽。
在以下對(duì)于圖3至圖6的優(yōu)選工藝順序的說明中詳細(xì)描述了上述特征，這些工藝順序形成了例如圖2中示意性示出的器件。


圖1是現(xiàn)有技術(shù)的溝槽型MOSFET的單元的剖視圖；圖2是頂部漏極型MOSFET的單元的剖視圖；圖3是經(jīng)過早期工藝順序(其中形成了體溝槽和柵溝槽)之后根據(jù)本發(fā)明制造的單元的剖視圖；圖4是在溝槽中填充多晶硅之后類似于圖3的剖視圖；圖5是在選擇性地去除多晶硅的、對(duì)所選區(qū)域進(jìn)行注入、以及對(duì)漏、源和柵區(qū)進(jìn)行硅化之后類似于圖4的剖視圖；圖6是淀積金屬之后類似于圖5的剖視圖。
具體實(shí)施例方式
首先參照?qǐng)D3，其中示出了管芯或者晶片中的一個(gè)單元，該單元具有溝槽和本體短路溝槽。因此，管芯包括其頂表面上具有外延層81的N+本體80。層81中注入并且擴(kuò)散有P型層82，或者可選地，可以在形成外延層之前在N+本體80中擴(kuò)散形成P層或者溝道層82。然后在P層82的頂部注入并且擴(kuò)散(或者生長(zhǎng))N型漂移區(qū)83。
然后在層83的頂部淀積氮化硅層85。
然后利用本領(lǐng)域技術(shù)人員所公知的常規(guī)的掩膜和蝕刻步驟，蝕刻出本體短路溝槽91和柵極溝槽92，使所述溝槽穿通氮化物層85進(jìn)入漂移區(qū)83，并且將區(qū)域83分割為分開的多個(gè)臺(tái)型(mesa)部分。
然后在通過溝槽91和92所形成的臺(tái)型部分的頂部上方和溝槽內(nèi)形成相對(duì)較厚的氧化物分隔層100。然后蝕刻氧化物以在漂移區(qū)83的側(cè)面形成氧化物分隔部分，在圖中示出為溝槽91中的氧化層100a和溝槽92中的氧化層100b。氧化層100a和100b是漏極氧化層并且相對(duì)較厚，從而靈敏地最小化Qgd，這一點(diǎn)在后面將可以看出。
然后再次蝕刻硅以使溝槽深入至基區(qū)82的底部。
然后，在溝槽91和92的側(cè)壁和底部生長(zhǎng)相對(duì)較薄的柵氧化層110和111。這些柵氧化層的厚度與漏氧化層100a和100b的厚度相比相對(duì)較薄，從而使得開啟器件的閾值電壓相對(duì)較低。
然后如圖4所示，在晶片或者管芯的頂部淀積導(dǎo)電性多晶硅層120，以填充所有的溝槽91和92。
如圖5所示，部分蝕刻去除溝槽91和92中的多晶硅120，在溝槽92的底部中留下其高度稍高于柵極氧化部分111水平面的柵極多晶硅121。然后如圖5所示，掩蔽位溝槽92并且全部蝕刻去除溝槽91中所保留的多晶硅。如圖5所示，臺(tái)型部分上方的氧化層100和氮化層85也被去除。
在溝槽91的底部注入P+注入物，然后如圖5所示進(jìn)一步蝕刻溝槽。
注意，在圖5中，溝槽91的底部形成了高導(dǎo)電性的N++源注入部分130，并且在N++注入部分130上方形成P+本體注入部分131。這使得在本體80和基區(qū)82之間形成了有效的體短路，這一點(diǎn)正是溝槽91的最終目的。
在圖5中還進(jìn)行了N+源的注入和激活，用以形成N+漏區(qū)140。
在圖5中隨后進(jìn)行硅化(siliciding)操作以在漏區(qū)140上方形成導(dǎo)電性硅化物層150，并且在柵多晶硅121頂部形成硅化物層151。也可以在溝槽91的底部使用相同的導(dǎo)電性硅化物(例如硅化物152)以通過區(qū)域130和131使得N+本體80和P型溝道82電短路。
然后用適合的空隙填充材料160(它可以采用適當(dāng)?shù)难趸?填充圖5中所示的溝槽91和92。如圖6所示，空隙填充材料被從溝道之間的臺(tái)型部分移除。然后在管芯或晶片的頂部施加作為漏極金屬電極的正面金屬170并使其與漏區(qū)140相接觸。然后在晶片的底部施加圖6中的背面金屬171(器件的源極金屬)。
可以注意到，圖6的器件的工作方式將與圖2中所描述的相同。
雖然根據(jù)特定的實(shí)施方案對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了描述，但是對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說許多其它的變化和修改以及其它用途將是顯而易見的。因此，優(yōu)選為本發(fā)明不受本文特定公開的限制。
權(quán)利要求
1.一種頂部漏極型金屬氧化物半導(dǎo)體柵控器件，包括半導(dǎo)體本體，其具有一種導(dǎo)電類型；基層，其具有與所述基層之上的層相反的導(dǎo)電類型；漂移區(qū)層，其具有與所述基層之上的層相同的導(dǎo)電類型；多個(gè)橫向分開的金屬氧化物半導(dǎo)體柵控單元，各個(gè)所述單元都包括本體短路溝槽和與所述本體短路溝槽分開的柵極溝槽，并在所述溝槽之間限定出臺(tái)面；所述本體短路溝槽和所述柵極溝槽基本上垂直于所述本體的平面延伸，并延伸穿過所述漂移區(qū)和所述本體區(qū)；所述本體短路溝槽的底部具有將所述基區(qū)連接到所述本體區(qū)域的接觸部分；所述柵極溝槽具有覆蓋其壁的柵氧化層，所述柵氧化層沿所述基層的深度的至少一部分延伸；導(dǎo)電性多晶硅柵電極，其填充于所述柵極溝槽的底部；導(dǎo)電率增大的漏極區(qū)，其形成在具有所述一種導(dǎo)電類型的所述臺(tái)面頂部；導(dǎo)電性正面漏極電極，其連接至所述半導(dǎo)體本體的頂部和所述導(dǎo)電率增大的漏極區(qū)；以及導(dǎo)電性源極電極，其連接到所述半導(dǎo)體本體的底部。
2.如權(quán)利要求1所述的器件，其中，所述一種傳導(dǎo)類型為N型導(dǎo)電性。
3.如權(quán)利要求1所述的器件，還包括位于所述多晶硅柵極電極和所述濃度增大的漏極區(qū)域之上的導(dǎo)電性硅化物層。
4.如權(quán)利要求1所述的器件，其中，所述本體短路溝槽的底部處的所述接觸部分為導(dǎo)電性硅化物。
5.如權(quán)利要求3所述的器件，其中，所述本體短路溝槽的底部處的所述接觸部分為導(dǎo)電性硅化物。
6.如權(quán)利要求1所述的器件，其中，所述本體短路溝槽的底部具有注入部分，用以加強(qiáng)所述本體短路接觸部分和所述本體之間的接觸，所述注入部分為具有所述一種傳導(dǎo)類型的濃度增大的區(qū)域。
7.如權(quán)利要求1所述的器件，還包括具有所述相反的導(dǎo)電性的本體短路注入部分，所述本體短路注入部分從所述本體區(qū)域的下部到所述本體短路接觸部分的頂部沿著所述本體短路溝槽的長(zhǎng)度延伸。
8.如權(quán)利要求6所述的器件，還包括具有所述相反的導(dǎo)電性的本體短路注入部分，所述本體短路注入部分從所述本體區(qū)域的下部到所述本體短路接觸部分的頂部沿著所述本體短路溝槽的長(zhǎng)度延伸。
9.如權(quán)利要求1所述的器件，其中，所述柵極溝槽的底部具有第一寬度，并沿其長(zhǎng)度穿過所述基區(qū)；所述柵極溝槽的頂部具有延伸到所述第一寬度的第二寬度；所述第二寬度部分填充有絕緣裝填物并且寬于所述第一寬度。
10.一種頂部漏極型金屬氧化物半導(dǎo)體柵控器件，包括半導(dǎo)體本體，其具有一種導(dǎo)電類型；基區(qū)，其具有與所述基層之上的層相反的導(dǎo)電類型；漂移區(qū)層，其具有與所述基層之上的層相同的傳導(dǎo)類型；至少一個(gè)柵極溝槽，其基本上垂直于所述本體的平面延伸，并延伸穿過所述漂移區(qū)和所述本體區(qū)；所述柵極溝槽具有覆蓋其壁的柵氧化層，所述柵氧化層沿所述基層的深度的至少一部分延伸；限定出柵極電極的導(dǎo)電性多晶硅物質(zhì)，其沿所述柵氧化層的長(zhǎng)度填充所述柵極溝槽的底部；導(dǎo)電性漏極電極，其連接至所述漂移區(qū)層的頂面；以及導(dǎo)電性源極電極，連接于所述半導(dǎo)體本體的本體。
11.如權(quán)利要求10所述的器件，還包括用于將所述本體層連接至所述基層的埋入的導(dǎo)電性短路。
12.如權(quán)利要求10所述的器件，還包括導(dǎo)電性率增加的漏極區(qū)域，其具有所述一種導(dǎo)電類型，并且形成在所述漂移區(qū)的頂部以用于加強(qiáng)與所述導(dǎo)電性漏極電極的接觸。
13.如權(quán)利要求11所述的器件，還包括導(dǎo)電性率增加的漏極區(qū)域，其具有所述一種導(dǎo)電類型，并且形成在所述漂移區(qū)的頂部以用于加強(qiáng)與所述導(dǎo)電性漏極電極的接觸。
14.如權(quán)利要求11所述的器件，還包括本體短路溝槽，其與所述柵極溝槽分開，從所述漂移區(qū)延伸并進(jìn)入所述本體；所述導(dǎo)電性短路設(shè)置于所述本體短路溝槽的底部。
15.如權(quán)利要求10所述的器件，其中，所述一種傳導(dǎo)類型為N型導(dǎo)電性。
16.如權(quán)利要求12所述的器件，還包括位于所述多晶硅柵極電極和所述濃度增大的漏極區(qū)域之上的導(dǎo)電性硅化物層。
17.如權(quán)利要求14所述的器件，其中，所述本體短路溝槽的底部處的所述接觸部分為導(dǎo)電性硅化物。
18.如權(quán)利要求17所述的器件，其中，所述本體短路溝槽的底部具有注入部分，用以加強(qiáng)所述本體短路接觸部分和所述本體之間的接觸，所述注入部分為具有所述一種傳導(dǎo)類型的濃度增大的區(qū)域。
19.如權(quán)利要求10所述的器件，其中，所述柵極溝槽的底部具有第一寬度，并沿其長(zhǎng)度穿過所述基區(qū)；所述柵極溝槽的頂部具有延伸到所述第一寬度的第二寬度；所述第二寬度部分填充有絕緣裝填物并且寬于所述第一寬度。
20.如權(quán)利要求10所述的器件，其中，所述多晶硅物質(zhì)和所述漂移區(qū)層具有最小化的重疊，由此提供了最小化的Qgd。
21.一種用于制造頂部漏極型金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管的方法，所述處理方法包括同時(shí)將多對(duì)第一和第二平行溝槽形成入半導(dǎo)體晶片的表面，并使所述多對(duì)溝槽穿過頂部漂移區(qū)和位于所述漂移區(qū)之下的基區(qū)；同時(shí)加寬所述溝槽的上部；在所述第一和第二溝槽的壁上形成氧化層；在所述第一溝道的底部形成導(dǎo)電性多晶硅柵極物質(zhì)，所述導(dǎo)電性多晶硅柵極物質(zhì)沿所述基區(qū)的長(zhǎng)度的至少一部分延伸；在所述第二溝槽的底部形成用于將所述基層連接到下面的本體的本體短路接觸部分；用絕緣物填充所述第一和第二溝槽的至少一部分；在所述漂移區(qū)的頂部形成漏極接觸部分；以及在所述本體的底部形成源極接觸部分。
22.如權(quán)利要求20所述的方法，還包括同時(shí)在所述導(dǎo)電性多晶硅柵極掩模上、所述漂移區(qū)上以及所述第二溝槽的底部上形成導(dǎo)電性硅化物層，從而形成所述本體短路接觸部分的步驟。
全文摘要
一種溝槽型頂部漏極型金屬氧化物半導(dǎo)體柵控器件，其在管芯頂部具有漏極電極，以及在管芯底部表面具有源極電極。所述器件通過控制連接在漏極和柵極區(qū)域之間的電壓來導(dǎo)通。所述器件單元具有本體短路溝槽和柵極溝槽。柵極多晶硅設(shè)置于所述柵極溝槽的底部、以及鄰近于薄柵極氧化層(其為溝道區(qū)域形成襯)設(shè)置，并具有最小的漏極漂移區(qū)域重疊。本體短路溝槽的底部包含將本體區(qū)域短路到溝道區(qū)域的接觸部分。本體短路、頂部漏極區(qū)域和柵極多晶硅同時(shí)被硅化。柵極溝槽在其頂部加寬以提高Q
文檔編號(hào)H01L29/78GK1763969SQ200510095850
公開日2006年4月26日 申請(qǐng)日期2005年9月2日 優(yōu)先權(quán)日2004年9月2日
發(fā)明者丹尼爾·M·金策, 大衛(wèi)·保羅·瓊斯, 凱爾·斯普林 申請(qǐng)人:國(guó)際整流器公司