專利名稱：功率金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效晶體管結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型關(guān)于一種功率金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效晶體管(Power MOSFET) 結(jié)構(gòu)，尤指具有雪崩能量改進(jìn)及可達(dá)淺結(jié)(shallow junction)的功率金屬氧化 物半導(dǎo)體場(chǎng)效晶體管。
背景技術(shù)：
功率金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效晶體管(Power MOSFET)已被廣泛使用在許 多的應(yīng)用上，例如分離組件、光電子組件、電源控制組件、直流對(duì)直流轉(zhuǎn)換 器、馬達(dá)驅(qū)動(dòng)…等。這些應(yīng)用需要一個(gè)特殊的崩潰電壓、低導(dǎo)通電阻、高開 關(guān)切換速度、和廣大的安全操作區(qū)域。除此之外，對(duì)大部分的應(yīng)用來說，功 率金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效晶體管需要能夠在有電感性負(fù)載的情形發(fā)生時(shí)被導(dǎo) 通與截止。當(dāng)功率金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效晶體管從導(dǎo)通被切換至截止時(shí)，此 感應(yīng)負(fù)載會(huì)在源極與漏極之間感應(yīng)出 一電》茲力，并加快雪崩崩潰電流的增加 速度；而當(dāng)寄生的雙極性晶體管被導(dǎo)通時(shí)，組件便會(huì)毀損。
因此，在這種情形的下，功率金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效晶體管必須保持大 量的壓力來避免破壞性失敗的發(fā)生，此種能力即被稱為組件的"強(qiáng)健性 (ruggedness)"。 一般而言，功率金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效晶體管的強(qiáng)健性是被 定義在一個(gè)單一脈波電感性負(fù)載切換(Undamped Inductive load Switching, UIS)的測(cè)試下，還能保持雪崩崩潰電流的雪崩崩潰能量的電流值。
然而，由于目前的功率金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效晶體管產(chǎn)品不斷的在追求 低導(dǎo)通電阻(turn-on resistance),釆用的手段是不斷的以微縮組件的記憶單元 間距(cell pitch),以使記憶單元密度(cdl density)增加。然而，在縮小記憶單 元間距的設(shè)計(jì)下，雖然達(dá)到導(dǎo)通電阻下降的目的，但確也增加了整體電容值 (Capacitance)及降低了組件的雪崩崩潰能量(Avalanche Energy)。
因此，如何發(fā)展出一種功率金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效晶體管的結(jié)構(gòu)及其制 程方法，使其具有低導(dǎo)通電阻外更具有較佳的雪崩能量，將是本實(shí)用新型所欲積極提供之處。

實(shí)用新型內(nèi)容
有鑒于上述現(xiàn)有功率金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效晶體管產(chǎn)品的缺憾，實(shí)用新 型發(fā)明人有感其未臻于完善，遂竭其心智悉心研究克服，憑其從事該項(xiàng)產(chǎn)業(yè)
多年的累積經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)而研發(fā)出 一種具有一溝道式電場(chǎng)屏護(hù)(Field Plate Trench) 設(shè)計(jì)的功率金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效晶體管結(jié)構(gòu)，其是在組件單一記憶單元 (Single cell)的源極接點(diǎn)區(qū)加入一電場(chǎng)屏護(hù)設(shè)計(jì)，以期達(dá)到淺結(jié)(shallow junction)低導(dǎo)通電阻及較佳的雪崩崩潰能量提升的目的。
為達(dá)上述目的，本實(shí)用新型的一較佳實(shí)施態(tài)樣是提供一種功率金屬氧化 物半導(dǎo)體場(chǎng)效晶體管結(jié)構(gòu)，其包含 一襯底，于該襯底的下表面具有一漏極 金屬導(dǎo)線以作為漏極接點(diǎn)； 一外延層，是成長(zhǎng)于該襯底上，其中該外延層更 具有一柵極淺溝道結(jié)構(gòu)及一源極淺溝道結(jié)構(gòu)，于該些淺溝道結(jié)構(gòu)的側(cè)壁及底 部形成有氧化物層并沉積有多晶硅結(jié)構(gòu)以填滿該些淺溝道結(jié)構(gòu)； 一淺基體井 區(qū)，位于該外延層中，是借由一第一次離子注入制程所形成； 一淺源極結(jié)， 位于該淺基體井區(qū)之上，是借由一第二次離子注入制程所形成； 一介電質(zhì)層， 形成于該柵極淺溝道結(jié)構(gòu)上； 一源極接點(diǎn)區(qū)，是借由蝕刻該外延層及該源極 淺溝道結(jié)構(gòu)所形成；二重?fù)诫s區(qū)，位于該源極淺溝道結(jié)構(gòu)兩側(cè)的該外延層中， 是借由一傾角離子注入制程所形成；及一源極金屬導(dǎo)線，沉積于該介電質(zhì)層 及該源極接點(diǎn)區(qū)上以與該源極接點(diǎn)區(qū)接觸。
于本實(shí)用新型的一實(shí)施例中，該襯底為N+型紅磷襯底，該外延層為N-型外延外延層，該N+型紅磷襯底具有0 ~ 0.0015 Q-cm的電阻值。
于本實(shí)用新型的一實(shí)施例中，該柵極淺溝道結(jié)構(gòu)及該源極淺溝道結(jié)構(gòu)的 縱橫比約為1: 6，該些淺溝道結(jié)構(gòu)于該外延層中的蝕刻深度約為0.5~ 1.5ju m。
于本實(shí)用新型的一實(shí)施例中，該淺基體井區(qū)為一P-淺基體井區(qū)，該淺源 極結(jié)為一N+淺源極結(jié)，該些重?fù)诫s區(qū)為一P+重?fù)诫s區(qū)。
于本實(shí)用新型的 一 實(shí)施例中，該第 一及第二次離子注入制程為全面性注
入制程。于本實(shí)用新型的 一實(shí)施例中，該源極接點(diǎn)區(qū)于該外延層中的蝕刻深度約
為0.1 ~0.7ym。
于本實(shí)用新型的一實(shí)施例中，該傾角離子注入制程包含兩次旋轉(zhuǎn)傾角離 子注入制程，其傾角約為正負(fù)7度。


圖1至圖5為本實(shí)用新型較佳具體實(shí)施例的功率金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效 晶體管結(jié)構(gòu)的制造流程示意圖。主要組件符號(hào)說明
21 襯底 23 外延層 25 氧化層 27光阻層 28 源極淺溝道結(jié)構(gòu) 29a柵極淺溝道結(jié)構(gòu) 29b 4冊(cè)才及淺溝道結(jié)構(gòu) 31 氧化硅層 33多晶硅結(jié)構(gòu) 35 P-淺基體井區(qū) 37 N+淺源極結(jié) 39 介電質(zhì)層 41 源極接點(diǎn)區(qū) 43 P+重?fù)诫s區(qū) 45 源極金屬導(dǎo)線 47漏極金屬導(dǎo)線
具體實(shí)施方式
為充分了解本實(shí)用新型的目的、特征及功效，現(xiàn)借由下述具體的實(shí)施例， 并配合所附的圖式，對(duì)本實(shí)用新型做一詳細(xì)說明，說明如后
請(qǐng)參見圖1至5,是本實(shí)用新型較佳具體實(shí)施例的功率金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效晶體管結(jié)構(gòu)的制造流程示意圖，而圖5為本實(shí)用新型較佳具體實(shí)施例 中的功率金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效晶體管結(jié)構(gòu)完成圖，其中將以N通道型為示 例予以說明。如圖所示，本實(shí)用新型的功率金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效晶體管結(jié) 構(gòu)的制法包含下列步驟首先，提供一襯底21,于該襯底21上具有一外延 層23，然后于該外延層23上成長(zhǎng)一氧化層25。于本實(shí)施例中，該襯底21 可為高濃度摻雜的N+型紅磷襯底(Red phosphorous Substrate),該外延層23 可為N-型外延層(N- type Epitaxy layer),而該氧化層25可為氧化硅層(Si02) 并可利用一熱氧化制程來形成，其結(jié)構(gòu)如圖l所示。其中，該襯底21可作為 該功率金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效晶體管結(jié)構(gòu)的漏極，其下方表面可鍍上一導(dǎo)電 金屬層以作為漏極接點(diǎn)(請(qǐng)見圖5的漏極金屬導(dǎo)線47);該襯底21亦可為 一硅襯底；該氧化層25是做為掩模層用；而該N+型紅磷襯底的電阻值較佳 為具有0~ 0.0015 D-cm的電阻值。
請(qǐng)參見圖2,接著在該氧化層25上透過掩才莫光刻制程(Mask photolithograph)的方式形成圖案化的一光阻層27(Photo Resist),并以該光阻 層27為蝕刻掩模來蝕刻該氧化層25,之后再蝕刻該外延層23，進(jìn)而形成一 源極淺溝道結(jié)構(gòu)28及二柵極淺溝道結(jié)構(gòu)29a、 29b。該些淺溝道結(jié)構(gòu)28、 29a 及29b于該外延層23中的蝕刻深度可為0.5-1.5nm,于本實(shí)施例中約為 0.7 ~ 0.9 |i m，且較佳為具有約H: W=l: 6的高縱橫比(high aspect ratio, H/W)。 接著進(jìn)行移除步驟，留下該襯底21、該外延層23及該些淺溝道結(jié)構(gòu)28、 29a 及29b。
請(qǐng)參見圖3,接著以熱氧化制程形成一氧化硅層31于該外延層23的表 面及該些淺溝道結(jié)構(gòu)28、29a及29b的側(cè)壁及底部，之后進(jìn)行一多晶硅層(Poly Silicon)的沉積并填滿該些淺溝道結(jié)構(gòu)28、 29a及29b，最后再蝕刻部分的該 多晶硅層及該外延層23表面的該氧化硅層31，而留下該些淺溝道結(jié)構(gòu)28、 29a及29b內(nèi)的氧化硅層31及多晶硅結(jié)構(gòu)33。接著，進(jìn)行第一次離子注入制 程以于該外延層23中形成一P-淺基體井區(qū)35(shallowP-body junction),再進(jìn) 行第二次離子注入制程以于該外延層23中形成一 N+淺源極結(jié)37(shallow source junction),其結(jié)構(gòu)如圖3所示。于本實(shí)施例中，該第一次及第二次離子 注入可用全面性(blanket implantation)注入制程以節(jié)省光罩纟效影制程的次數(shù) 及成本，然亦可采用光罩的方式來形成基體井區(qū)或源極注入。第一次離子注
6入制程的濃度可為3E12 7E13,能量可為40keV 200keV,使該P(yáng)-淺基體井 區(qū)35于該外延層23的注入深度可為0.45 ~ 1.45 jam;而第二次離子注入制程 的濃度約為1E15 2E16，能量可為40 100keV,使該N+淺源極結(jié)37于該外 延層23的深度約為0.1~0.4|am。
前述實(shí)施例中是先進(jìn)行該些淺溝道結(jié)構(gòu)28、 29a及29b的制作，接著才 進(jìn)行該P(yáng)-淺基體井區(qū)35及該N+淺源極結(jié)37的注入；而于另一實(shí)施例中， 其程序可互相調(diào)換，即先進(jìn)行該P(yáng)-淺基體井區(qū)35及該N+淺源極結(jié)37的注 入，再進(jìn)行該些淺溝道結(jié)構(gòu)28、 29a及29b的制作。其注入制程與制作方式 皆相同，僅順序不同。
請(qǐng)參見圖4，隨后沉積一介電質(zhì)層39，再透過光罩微影蝕刻制程(Mask photol池ograph)的方式形成一圖案化的光阻層(圖未示)，以對(duì)該介電質(zhì)層39 進(jìn)行部分蝕刻。接著，去除掉上述光阻層后，以剩余下來的該介電質(zhì)層39 當(dāng)做掩模層，向下蝕刻該外延層23(Si etch)。于本實(shí)施例中，該介電質(zhì)層39 可為硼磷硅酸鹽玻璃(Boron-Phosphosilicate glass, BPSG)介電質(zhì)層。
上述該外延層23的蝕刻深度可做適當(dāng)?shù)恼{(diào)整(Si etch depth adjustment), 其蝕刻深度可為0.1 ~0.7jum,而于本實(shí)施例中約為0.3 ~0.5 |am。該外延層 23經(jīng)過黃光顯影及蝕刻后所形成的開口即為一源相J妾點(diǎn)區(qū)41(Source contact)。其中，由于蝕刻選擇比的關(guān)系，蝕刻制程對(duì)于該外延層23及該多 晶硅結(jié)構(gòu)33的蝕刻速度不一，對(duì)于該多晶硅結(jié)構(gòu)33的蝕刻速度會(huì)較為快速 而造成高度差(Si/Poly Si step height, poly recess),如圖5所示的該多晶硅結(jié)構(gòu) 33表面低于該源極接點(diǎn)區(qū)41的表面的情形，此種結(jié)構(gòu)將影響后續(xù)重?fù)诫s區(qū) 的結(jié)分布。
請(qǐng)繼續(xù)參見圖4,接著進(jìn)行一傾角離子注入制程以于該源極淺溝道結(jié)構(gòu) 28兩側(cè)的該外延層23中各形成一 P+重?fù)诫s區(qū)43,其中該些P+重?fù)诫s區(qū)43、 該多晶硅結(jié)構(gòu)33、該氧化硅層31、該源極淺溝道結(jié)構(gòu)28構(gòu)成一溝道式電場(chǎng) 屏護(hù)(FieldPlate)結(jié)構(gòu)。于本實(shí)施例中，該傾角離子注入制程可為兩次的旋轉(zhuǎn) 傾角離子注入制程，傾角約為正負(fù)7度，而于該源極淺溝道結(jié)構(gòu)28兩側(cè)的該 外延層23中形成互相對(duì)稱的該P(yáng)+重?fù)诫s區(qū)43,其中旋轉(zhuǎn)離子注入制程的注 入濃度約為5E14 5E15,能量約為20keV 120keV。
如前所述，由于該多晶硅結(jié)構(gòu)33表面與該源極接點(diǎn)區(qū)41表面的高度差，
7該P(yáng)+重?fù)诫s區(qū)43的結(jié)分布(junctionprofile)是呈階梯狀，如圖4所示。此 種結(jié)分布增加了在N+源極區(qū)下P+摻雜區(qū)的面積，因而大幅降低在該P(yáng)-淺基 體井區(qū)35、該源極金屬導(dǎo)線45與該源極接點(diǎn)區(qū)41間的寄生雙極性晶體管被 導(dǎo)通的機(jī)會(huì)，也因此大幅加強(qiáng)了雪崩崩潰能量的耐受度。
接著請(qǐng)參見圖5,再以金屬沉積(Metalization)及光罩微影蝕刻制程來形成 金屬連接導(dǎo)線，以及產(chǎn)生較佳的歐姆接觸(ohmiccontact)。前述金屬連接導(dǎo)線 為一源極金屬導(dǎo)線45，加上先前的一漏極金屬導(dǎo)線47，如此，具有一溝道式 電場(chǎng)屏護(hù)結(jié)構(gòu)功率晶體管的三端子，柵極(Gate)、源極(Source)及漏極(Drain) 便得以制作完成，而可達(dá)到淺結(jié)低導(dǎo)通電阻及提升雪崩能量的目的。
本實(shí)用新型是實(shí)際應(yīng)用于功率金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效晶體管的結(jié)構(gòu)內(nèi)。 根據(jù)前述方法，本實(shí)用新型的一種功率金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效晶體管的結(jié)構(gòu)， 請(qǐng)參閱圖5，其結(jié)構(gòu)包含 一襯底21，于該襯底21的下表面具有一漏極金屬 導(dǎo)線47以作為漏極接點(diǎn)； 一外延層23，是成長(zhǎng)于該襯底21上，其中該外延 層23更具有一柵才及淺溝道結(jié)構(gòu)29a、 29b及一源極淺溝道結(jié)構(gòu)28，于該些淺 溝道結(jié)構(gòu)的側(cè)壁及底部形成有氧化物層31并沉積有多晶硅結(jié)構(gòu)33以填滿該 些淺溝道結(jié)構(gòu)； 一淺基體井區(qū)，位于該外延層23中，是借由一第一次離子注 入制程所形成； 一淺源極結(jié)，位于該淺基體井區(qū)35的上，是借由一第二次離 子注入制程所形成； 一介電質(zhì)層39，形成于該柵4及淺溝道結(jié)構(gòu)29a、 29b上； 一源極接點(diǎn)區(qū)41 ，是借由蝕刻該外延層23及該源極淺溝道結(jié)構(gòu)28所形成； 二重?fù)诫s區(qū)，位于該源極淺溝道結(jié)構(gòu)28兩側(cè)的該外延層23中，是借由一傾 角離子注入制程所形成；及一源極金屬導(dǎo)線45，沉積于該介電質(zhì)層39及該 源極接點(diǎn)區(qū)41上以與該源極接點(diǎn)區(qū)41接觸。
在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，該襯底21可為N+型紅磷襯底，該外延層23可為N-型 外延層，其中該N+型紅磷襯底具有0-0.0015 Q-cm的電阻值。該柵極淺溝 道結(jié)構(gòu)29a、 29b及該源極淺溝道結(jié)構(gòu)28的縱橫比約為1: 6，該些淺溝道結(jié) 構(gòu)于該外延層23中的蝕刻深度可為0.5- 1.5 jim，于本實(shí)施例中約為0.7 ~ 0.9 pm。該淺基體井區(qū)為一P-淺基體井區(qū)35,該淺源極結(jié)為一N+淺源極結(jié)37， 該些重?fù)诫s區(qū)為一 P+重?fù)诫s區(qū)43。該源極接點(diǎn)區(qū)41于該外延層23中的蝕 刻深度可為0.1 ~0.7|am，而于本實(shí)施例中約為0.3~0.5"m。
如上所述，本實(shí)用新型完全符合專利三要件新穎性、進(jìn)步性和產(chǎn)業(yè)上的可利用性。以新穎性和進(jìn)步性而言，本實(shí)用新型是提供一種新的組件結(jié)構(gòu)，
可實(shí)現(xiàn)淺結(jié)來達(dá)成低導(dǎo)通電阻，并又能達(dá)到高雪崩能量及較低的電容值；就 產(chǎn)業(yè)上的可利用性而言，利用本實(shí)用新型所衍生的產(chǎn)品，當(dāng)可充分滿足目前 市場(chǎng)的需求。
本實(shí)用新型在上文中已以較佳實(shí)施例公開，然上述說明是以外延層為N-通道的功率金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效晶體管來做說明，但本實(shí)用新型亦可適用 于外延層為P-通道的功率金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效晶體管，其中僅需將原本的 P改為N,原本的N改為P即可實(shí)施本實(shí)用新型。此外，上述說明中，該些 淺溝道結(jié)構(gòu)的數(shù)量?jī)H為一種示例，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)理解的是，該實(shí)施例僅 用于描繪本實(shí)用新型，而不應(yīng)解讀為限制本實(shí)用新型的范圍。應(yīng)注意的是， 舉凡與該實(shí)施例等效的變化與置換，均應(yīng)設(shè)為涵蓋于本實(shí)用新型的范疇內(nèi)。 因此，本實(shí)用新型的保護(hù)范圍當(dāng)以所附的權(quán)利要求所界定者為準(zhǔn)。
權(quán)利要求1、一種功率金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效晶體管結(jié)構(gòu)，其特征在于包含一襯底，于該襯底的下表面具有一漏極金屬導(dǎo)線以作為漏極接點(diǎn)；一外延層，是成長(zhǎng)于該襯底上，其中該外延層更具有一柵極淺溝道結(jié)構(gòu)及一源極淺溝道結(jié)構(gòu)，于該些淺溝道結(jié)構(gòu)的側(cè)壁及底部形成有氧化物層并沉積有多晶硅結(jié)構(gòu)以填滿該些淺溝道結(jié)構(gòu)；一淺基體井區(qū)，位于該外延層中；一淺源極結(jié)，位于該淺基體井區(qū)上；一介電質(zhì)層，形成于該柵極淺溝道結(jié)構(gòu)上；一源極接點(diǎn)區(qū)，是借由蝕刻該外延層及該源極淺溝道結(jié)構(gòu)所形成；二重?fù)诫s區(qū)，位于該源極淺溝道結(jié)構(gòu)兩側(cè)的該外延層中；及一源極金屬導(dǎo)線，沉積于該介電質(zhì)層及該源極接點(diǎn)區(qū)上以與該源極接點(diǎn)區(qū)接觸。
2、 如權(quán)利要求1所述的功率金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效晶體管結(jié)構(gòu)，其特征 在于該襯底為N+型紅磷襯底，該外延層為N-型外延層。
3、 如權(quán)利要求2所述的功率金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效晶體管結(jié)構(gòu)，其特征 在于該N+型紅磷襯底具有0 ~ 0.0015 Q-cm的電阻值。
4、 如權(quán)利要求第1所述的功率金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效晶體管結(jié)構(gòu)，其特 征在于該柵極淺溝道結(jié)構(gòu)及該源極淺溝道結(jié)構(gòu)的縱4黃比為1: 6。
5、 如權(quán)利要求4所述的功率金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效晶體管結(jié)構(gòu)，其特征 在于該柵極淺溝道結(jié)構(gòu)及該源極淺溝道結(jié)構(gòu)于該外延層中的蝕刻深度為 0.5~ 1.5jxm。
6、 如權(quán)利要求1所述的功率金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效晶體管結(jié)構(gòu)，其特征 在于該淺基體井區(qū)為一 P-淺基體井區(qū)，該淺源極結(jié)為一 N+淺源極結(jié)，該些 重?fù)诫s區(qū)為一P+重?fù)诫s區(qū)。
7、 如權(quán)利要求1所述的功率金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效晶體管結(jié)構(gòu)，其特征 在于該源極接點(diǎn)區(qū)于該外延層中的蝕刻深度為0.1 -0.7nm。
專利摘要本實(shí)用新型提供一種功率金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效晶體管結(jié)構(gòu)，其在組件單一記憶單元的源極接點(diǎn)區(qū)加入一溝道式電場(chǎng)屏護(hù)設(shè)計(jì)，可達(dá)到淺結(jié)(shallowjunction)低導(dǎo)通電阻，此外利用源極接點(diǎn)區(qū)下重?fù)诫s區(qū)結(jié)分布的改變而可保有較佳的雪崩崩潰能量，以提升組件雪崩崩潰能量的耐受度。
文檔編號(hào)H01L29/06GK201392837SQ200820184239
公開日2010年1月27日 申請(qǐng)日期2008年12月29日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月29日
發(fā)明者蘇世宗 申請(qǐng)人:馬克斯半導(dǎo)體股份有限公司