專利名稱:凹陷溝道的碰撞電離型場(chǎng)效應(yīng)晶體管及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明屬于功率半導(dǎo)體器件技術(shù)領(lǐng)域,具體涉及一種功率半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管及 其制造方法,特別涉及一種凹陷溝道的碰撞電離型場(chǎng)效應(yīng)晶體管及其制造方法。
背景技術(shù):
功率半導(dǎo)體器件是不斷發(fā)展的功率_電子系統(tǒng)的內(nèi)在驅(qū)動(dòng)力,尤其是在節(jié)約能 源、動(dòng)態(tài)控制、噪聲減少等方面,有著不可替代的功效。功率半導(dǎo)體主要應(yīng)用于對(duì)能源與負(fù) 載之間能量傳遞的控制,擁有精度高、速度快和功耗低的特點(diǎn)。最近20年來,功率器件及其 封裝技術(shù)迅猛發(fā)展,尤其是功率MOS晶體管,以其輸入阻抗高、關(guān)斷時(shí)間短等優(yōu)越的特性, 在許多應(yīng)用領(lǐng)域中取代了傳統(tǒng)的雙極型晶體管。如今的功率MOS晶體管主要有溝槽型MOS 晶體管(UM0SFET)和絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)等類型。一種η型UM0SFET的基本結(jié)構(gòu)如圖Ia所示,η型外延層101形成在η型漏區(qū)106 之上,η型源區(qū)103a、103b分別形成在ρ+區(qū)102a、102b之中,柵極105與襯底之間含有一 柵氧化層104。η型UM0SFET進(jìn)行工作時(shí),對(duì)柵極與源極間施加正電壓Ues,柵極是絕緣的,所 以不會(huì)有柵極電流流過。但是柵極的正電壓會(huì)將P+區(qū)中的空穴推開,而將P+區(qū)中的少子 (電子)吸引到柵極處的P+區(qū)表面。當(dāng)Ues大于Ut (開啟電壓或閾值電壓)時(shí),柵極處ρ+區(qū) 表面的電子濃度將超過空穴濃度,使P型半導(dǎo)體反型成N型而成為反型層,該反型層形成N 溝道而使PN結(jié)消失,漏極和源極導(dǎo)通。柵極控制源極與漏極之間的電流。UM0SFET因?yàn)椴?用了垂直的溝道,溝道的側(cè)壁可以制作柵極,其所占用面積比平面擴(kuò)散型MOSFET小,可以 進(jìn)一步提高器件的面積,并有效減少導(dǎo)通電阻、降低驅(qū)動(dòng)電壓。IGBT是由BJT(雙極型三極管)和MOS晶體管組成的復(fù)合全控型電壓驅(qū)動(dòng)式功率 半導(dǎo)體器件。一種N溝道增強(qiáng)型IGBT的基本結(jié)構(gòu)如圖Ib所示,η型源區(qū)114a、114b分別 形成在P型基區(qū)(亞溝道區(qū))113a、113b之中,柵疊層區(qū)包括柵氧化層115和柵電極116,溝 道在緊靠柵區(qū)邊界形成,η型漂移區(qū)112形成在η型漏區(qū)111之上,在漏區(qū)111另一側(cè)的ρ+ 區(qū)110稱為漏注入?yún)^(qū),它是IGBT特有的功能區(qū),與漏區(qū)和亞溝道區(qū)一起形成PNP雙極晶體 管,起發(fā)射極的作用,向漏區(qū)注入空穴,進(jìn)行導(dǎo)電調(diào)制,以降低器件的通態(tài)電壓。IGBT的開 關(guān)作用是通過加正向柵極電壓形成溝道,給PNP晶體管提供基極電流,使IGBT導(dǎo)通,反之, 加反向柵極電壓消除溝道,切斷基極電流,使IGBT關(guān)斷。IGBT兼有MOSFET的高輸入阻抗 和GTR(Giant Transistor,電力晶體管)的低導(dǎo)通壓降兩方面的優(yōu)點(diǎn),非常適合應(yīng)用于直 流電壓為600V及以上的變流系統(tǒng),如交流電機(jī)、變頻器、開關(guān)電源、照明電路、牽引傳動(dòng)裝 置等。但是,由于UM0SFET和IGBT均采用了柵控n-p-n或者p-n-p結(jié)構(gòu),它們的最小亞 閾值擺幅(SS)被限制在60mv/dec,這限制了晶體管的開關(guān)速度。在一些集成密度較高的芯 片上,減小器件的尺寸意味著更大的SS值,而對(duì)于高速芯片需要更小的SS值,較小的SS值 能在提高器件頻率的同時(shí)降低芯片功耗。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提出一種新型的功率半導(dǎo)體器件結(jié)構(gòu),以降低器件的SS值,進(jìn) 而能夠在提高器件頻率的同時(shí)降低芯片功耗。本發(fā)明提出的碰撞電離型場(chǎng)效應(yīng)晶體管,包括 一個(gè)半導(dǎo)體襯底;
位于所述半導(dǎo)體襯底底部的具有第一種摻雜類型的漏區(qū);
位于所述半導(dǎo)體襯底內(nèi)的凹槽結(jié)構(gòu);
覆蓋在所述凹槽之內(nèi)的柵極;
位于所述柵極與半導(dǎo)體襯底之間的柵介質(zhì)層;
位于所述凹槽兩側(cè)的,襯底頂部的具有第二種摻雜類型的源區(qū);
位于所述凹槽與所述源區(qū)之間的絕緣介質(zhì)層。進(jìn)一步地,所述半導(dǎo)體襯底為單晶硅、多晶硅或者為絕緣體上的硅(S0I)。所述柵 極為TiN、TaN、Ru02、Ru、WSi等金屬柵材料或者為摻雜的多晶硅。所述柵介質(zhì)層為SiO2、高 k材料或者為它們之間的混合物。所述絕緣介質(zhì)層為Si02、Si3N4或者為它們之間的混合物。更進(jìn)一步地,所述第一種摻雜類型為η型,所述第二種摻雜類型為P型;或者,所述 第一種摻雜類型為P型,所述第二種摻雜類型為η型。本發(fā)明所提出的碰撞電離型場(chǎng)效應(yīng)晶體管使用了凹陷溝道,可以在較小的面積內(nèi) 實(shí)現(xiàn)較長的溝道,因此其漏電流比傳統(tǒng)類型的場(chǎng)效應(yīng)晶體管漏電流要小,而類似雙柵的結(jié) 構(gòu)也提高了器件的驅(qū)動(dòng)電流。同時(shí),碰撞電離工作原理的使用,抑制了器件的亞閾值擺幅, 進(jìn)而提高了器件的開關(guān)速度。因此,本發(fā)明提出的功率半導(dǎo)體器件結(jié)構(gòu),可以降低器件的SS 值,進(jìn)而能夠在提高器件頻率的同時(shí)降低芯片功耗。同時(shí),本發(fā)明還提出上述碰撞電離型場(chǎng)效應(yīng)晶體管的制造方法,具體步驟為 提供一個(gè)半導(dǎo)體襯底;
進(jìn)行離子注入形成第一種摻雜類型的區(qū)域; 在所述半導(dǎo)體襯底上形成第一種絕緣薄膜; 淀積形成第一層光刻膠;
掩膜曝光后刻蝕第一種絕緣薄膜,直至暴露出硅襯底; 刻蝕硅襯底形成開口結(jié)構(gòu); 剝除剩余的第一層光刻膠; 覆蓋所述開口形成第二種絕緣薄膜;
淀積第三種絕緣薄膜,并對(duì)所述第三種絕緣薄膜進(jìn)行刻蝕形成邊墻結(jié)構(gòu); 刻蝕第二種絕緣薄膜暴露出硅襯底;
沿著已經(jīng)成型的邊墻結(jié)構(gòu),使用各向異性的刻蝕技術(shù)刻蝕暴露出的硅襯底;
使用各向同性的刻蝕技術(shù)繼續(xù)刻蝕暴露出的半導(dǎo)體襯底,形成器件的凹槽結(jié)構(gòu);
使用稀釋的氫氟酸清洗凹槽表面并去除第一層絕緣薄膜;
在所述凹槽內(nèi)依次形成第四種絕緣薄膜和第一種導(dǎo)電薄膜;
淀積形成第二層光刻膠;
掩膜曝光刻蝕形成器件的柵極結(jié)構(gòu);
剝除剩余的第二層光刻膠;淀積第五種絕緣薄膜,并刻蝕形成通孔; 淀積第二種導(dǎo)電薄膜,并刻蝕形成金屬電極; 進(jìn)行離子注入,形成第二種摻雜類型的區(qū)域; 淀積第六種絕緣薄膜,并刻蝕形成通孔; 淀積第三種導(dǎo)電薄膜,并刻蝕形成金屬電極。進(jìn)一步地,所述半導(dǎo)體襯底為單晶硅、多晶硅或者為絕緣體上的硅(S0I)。所述第 一種、第三種、第五種、第六種絕緣薄膜為Si02、Si3N4或者為它們之間的混合物。所述第二 種、第四種絕緣薄膜為SiO2、高k材料或者為它們之間的混合物。所述第一種導(dǎo)電薄膜為 TiN, TaN, RuO2, Ru, WSi等金屬柵材料或者為摻雜的多晶硅。所述第二種、第三種導(dǎo)電薄膜 為金屬鋁、金屬鎢或者為其它金屬導(dǎo)電材料。更進(jìn)一步地,所述第一種摻雜類型為η型,所述第二種摻雜類型為P型;或者,所述 第一種摻雜類型為P型,所述第二種摻雜類型為η型。
圖Ia為現(xiàn)有技術(shù)的一種UM0SFET結(jié)構(gòu)的截面圖。圖Ib為現(xiàn)有技術(shù)的一種IGBT結(jié)構(gòu)的截面圖。圖2為本發(fā)明所公開的碰撞電離型場(chǎng)效應(yīng)晶體管的一個(gè)實(shí)施例的截面圖。圖3a至圖3h為制造圖2所示碰撞電離型場(chǎng)效應(yīng)晶體管的實(shí)施例工藝流程圖。
具體實(shí)施例方式下面將參照附圖對(duì)本發(fā)明的示例性實(shí)施方式作詳細(xì)說明。在圖中,為了方便說明, 放大了層和區(qū)域的厚度,所示大小并不代表實(shí)際尺寸。參考圖是本發(fā)明的理想化實(shí)施例的 示意圖,本發(fā)明所示的實(shí)施例不應(yīng)該被認(rèn)為僅限于圖中所示區(qū)域的特定形狀,而是包括所 得到的形狀,比如制造引起的偏差。例如刻蝕得到的曲線通常具有彎曲或圓潤的特點(diǎn),但在 本發(fā)明實(shí)施例中,均以矩形表示,圖中的表示是示意性的,但這不應(yīng)該被認(rèn)為是限制本發(fā)明 的范圍。同時(shí)在下面的描述中,所使用的術(shù)語晶片和襯底可以理解為包括正在工藝加工中 的半導(dǎo)體晶片,可能包括在其上所制備的其它薄膜層。圖2是本發(fā)明所公開的一種碰撞電離型場(chǎng)效應(yīng)晶體管的實(shí)施例,它是沿該器件溝 道長度方向的剖面圖。該場(chǎng)效應(yīng)晶體管包括襯底區(qū)201、源區(qū)202a和202b、漏區(qū)213和一 個(gè)柵疊層區(qū)。源區(qū)202a、202b的摻雜類型通常與漏區(qū)213、襯底區(qū)201的摻雜類型相反,源 區(qū)202a、202b與漏區(qū)213的雜質(zhì)濃度為重?fù)诫s,而襯底區(qū)201的雜質(zhì)濃度為輕摻雜。柵疊 層區(qū)由高k材料層208和導(dǎo)電層209組成,導(dǎo)電層209為金屬柵材料或者為摻雜的多晶硅。 高k材料層205a、205b和氮化硅層206a、206b位于柵區(qū)與源區(qū)202a、202b之間。絕緣介質(zhì) 210、214是該場(chǎng)效應(yīng)晶體管的鈍化層,它們將所述晶體管與其它器件隔開,并保護(hù)所述晶體 管不受外界環(huán)境的影響。導(dǎo)體211a、211b、212、215是金屬材料,作為該場(chǎng)效應(yīng)晶體管的金 屬電極。對(duì)柵極施加合適的偏置電壓時(shí),靠近柵極下方的襯底表面會(huì)積累少數(shù)載流子(比 如空穴)而形成反型層21,從而形成導(dǎo)電溝道。源區(qū)202a、202b與反型層之間的區(qū)域22a、 22b以及反型層21與漏區(qū)213之間的區(qū)域23用作足以產(chǎn)生碰撞電離事件的載流子的加速路徑,加速勢(shì)壘的高度由施加在柵極上的電壓控制。當(dāng)柵極電壓足以形成反型層21時(shí),存 在穿過區(qū)域22a、22b、23的增強(qiáng)電場(chǎng),使區(qū)域22a、22b、23穿通。而即使很高的柵極電壓也 不會(huì)使源區(qū)與漏區(qū)之間的區(qū)域24實(shí)現(xiàn)穿通。本發(fā)明所公開的碰撞電離型場(chǎng)效應(yīng)晶體管可以通過很多方法制造。以下所敘述的 是本發(fā)明所公開的如圖2所示的碰撞電離型場(chǎng)效應(yīng)晶體管的制造方法的一個(gè)實(shí)例。圖3a 至圖3h描述了制造一個(gè)如圖2所示碰撞電離型場(chǎng)效應(yīng)晶體管的工序。盡管這些圖并不能完全準(zhǔn)確反映出實(shí)際的尺寸,它們還是完整的反映了區(qū)域和組 成元件之間的相互位置,特別是組成元件之間的上下和相鄰關(guān)系。首先,在提供一個(gè)輕摻雜η型的硅襯底301,接著進(jìn)行ρ型離子注入形成摻雜的區(qū) 域302,如圖3a所示。接下來,氧化形成二氧化硅薄膜303,并淀積形成一光阻層304,接著掩膜、曝光、 刻蝕形成如圖3b所示的開口結(jié)構(gòu)。接下來,剝除剩余的光阻層304,并依次淀積形成高k材料層305和氮化硅材料層 306,并刻蝕氮化硅材料形成邊墻結(jié)構(gòu),如圖3c所示。接下來,刻蝕高k材料層305暴露出硅襯底,并利用各項(xiàng)同性和各項(xiàng)異性刻蝕相結(jié) 合的方法,對(duì)硅襯底刻蝕形成器件的凹陷溝道區(qū)域307,然后利用稀釋的氫氟酸對(duì)溝道區(qū)域 進(jìn)行清洗,形成如圖3d所示的結(jié)構(gòu)。接下來,剝除剩余的二氧化硅薄膜303,并依次淀積形成高k材料層308、導(dǎo)體層 309和光阻層,然后掩膜、曝光、并刻蝕高k材料層308和導(dǎo)體層309形成器件的柵極結(jié)構(gòu), 最后剝除剩余的光阻層,如圖3e所示。導(dǎo)體層309可以為TiN、TaN、Ru02、Ru、WSi等金屬 柵材料或者為摻雜的多晶硅材料。接下來,淀積形成絕緣薄膜310,可以為氧化硅或者為氮化硅。再淀積一層光刻膠, 然后通過掩膜、曝光、刻蝕的方法形成通孔,并將光刻膠剝離,接著再淀積一層金屬,可以為 鋁或鎢,然后刻蝕形成源極電極311a、311b和柵極電極312,如圖3f所示。接下來,進(jìn)行η型離子注入形成器件的漏區(qū)313,如圖3g所示。最后,淀積形成絕緣薄膜314,可以為氧化硅或者為氮化硅,并淀積一層光刻膠,然 后掩膜、曝光、刻蝕形成通孔結(jié)構(gòu)。剝除剩余的光刻膠后,淀積金屬鋁或鎢,并刻蝕形成漏極 電極315,如圖3h所示。如上所述,在不偏離本發(fā)明精神和范圍的情況下,還可以構(gòu)成許多有很大差別的 實(shí)施例。應(yīng)當(dāng)理解,除了如權(quán)利要求所限定的,本發(fā)明不限于在說明書中所述的具體實(shí)例。
權(quán)利要求
一種碰撞電離型場(chǎng)效應(yīng)晶體管,其特征在于包括一個(gè)半導(dǎo)體襯底;位于所述半導(dǎo)體襯底底部的具有第一種摻雜類型的漏區(qū);位于所述半導(dǎo)體襯底內(nèi)的凹槽結(jié)構(gòu);覆蓋在所述凹槽之內(nèi)的柵極;位于所述柵極與半導(dǎo)體襯底之間的柵介質(zhì)層;位于所述凹槽兩側(cè)的,襯底頂部的具有第二種摻雜類型的源區(qū);位于所述凹槽與所述源區(qū)之間的絕緣介質(zhì)層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的碰撞電離型場(chǎng)效應(yīng)晶體管,其特征在于,所述半導(dǎo)體襯底為 單晶硅、多晶硅或者為絕緣體上的硅。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的碰撞電離型場(chǎng)效應(yīng)晶體管,其特征在于,所述柵極為TiN、 TaN, RuO2, Ru或WSi金屬柵材料,或者為摻雜的多晶硅。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的碰撞電離型場(chǎng)效應(yīng)晶體管,其特征在于,所述柵介質(zhì)層為 SiO2或高k材料,或者為它們之間的混合物。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的碰撞電離型場(chǎng)效應(yīng)晶體管,其特征在于,所述絕緣介質(zhì)層為 SiO2或Si3N4,或者為它們之間的混合物。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的碰撞電離型場(chǎng)效應(yīng)晶體管,其特征在于,所述第一種摻雜類 型為η型,所述第二種摻雜類型為ρ型;或者為所述第一種摻雜類型為ρ型,所述第二種摻 雜類型為η型。
7.—種如權(quán)利要求1所述的碰撞電離型場(chǎng)效應(yīng)晶體管的制造方法,其特征在于具體步 驟如下提供一個(gè)半導(dǎo)體襯底;進(jìn)行離子注入,形成第一種摻雜類型的區(qū)域;在所述半導(dǎo)體襯底上形成第一種絕緣薄膜;對(duì)所述第一種絕緣薄膜和半導(dǎo)體襯底進(jìn)行刻蝕,形成開口結(jié)構(gòu);覆蓋所述開口形成第二種絕緣薄膜;淀積第三種絕緣薄膜,并對(duì)所述第三種絕緣薄膜進(jìn)行刻蝕形成邊墻結(jié)構(gòu); 刻蝕第二種絕緣薄膜,暴露出硅襯底;沿著已經(jīng)成型的邊墻結(jié)構(gòu),刻蝕硅襯底,形成器件的凹槽結(jié)構(gòu); 使用稀釋的氫氟酸清洗凹槽表面并去除剩余的第一層絕緣薄膜; 在所述凹槽內(nèi)依次形成第四種絕緣薄膜和第一種導(dǎo)電薄膜; 掩膜曝光刻蝕,形成器件的柵極結(jié)構(gòu); 淀積第五種絕緣薄膜,并刻蝕形成通孔; 淀積第二種導(dǎo)電薄膜,并刻蝕形成金屬電極; 進(jìn)行離子注入,形成第二種摻雜類型的區(qū)域; 淀積第六種絕緣薄膜,并刻蝕形成通孔; 淀積第三種導(dǎo)電薄膜,并刻蝕形成金屬電極。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的制造方法,其特征在于,所述半導(dǎo)體襯底為單晶硅、多晶硅或 者為絕緣體上的硅。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的制造方法,其特征在于,所述第一種摻雜類型為η型,所述第 二種摻雜類型為P型;或者為所述第一種摻雜類型為P型,所述第二種摻雜類型為η型。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的制造方法,其特征在于,所述第一種、第三種、第五種、第六 種絕緣薄膜為SiO2或Si3N4,或者為它們之間的混合物。
11.根據(jù)權(quán)利要求7所述的制造方法,其特征在于,所述第二種、第四種絕緣薄膜為 SiO2或高k材料,或者為它們之間的混合物。
12.根據(jù)權(quán)利要求7所述的制造方法,其特征在于,所述第一種導(dǎo)電薄膜為TiN、TaN, RuO2, Ru或WSi金屬柵材料,或者為摻雜的多晶硅。
13.根據(jù)權(quán)利要求7所述的制造方法,其特征在于,所述第二種、第三種導(dǎo)電薄膜為金 屬鋁或金屬鎢。
全文摘要
本發(fā)明屬于功率半導(dǎo)體器件技術(shù)領(lǐng)域,具體為一種凹陷溝道的碰撞電離型場(chǎng)效應(yīng)晶體管及其制造方法。包括一個(gè)半導(dǎo)體襯底,位于襯底底部的具有第一種摻雜類型的漏區(qū),位于襯底內(nèi)的凹槽結(jié)構(gòu),覆蓋在凹槽內(nèi)的柵極,位于柵極與半導(dǎo)體襯底之間的柵介質(zhì)層;位于凹槽兩側(cè)、襯底頂部的具有第二種摻雜類型的源區(qū),位于凹槽與源區(qū)之間的絕緣介質(zhì)層。凹陷型溝道結(jié)構(gòu)和碰撞電離工作原理的使用,使晶體管在抑制亞閾值擺幅的同時(shí)可提高驅(qū)動(dòng)電流,進(jìn)而提高器件的開關(guān)速度和響應(yīng)頻率,同時(shí)也減小器件的關(guān)態(tài)功耗。本發(fā)明的場(chǎng)效應(yīng)晶體管非常適用于集成電路芯片的制造,特別是高速大功率芯片的制造。
文檔編號(hào)H01L29/78GK101894866SQ20101022054
公開日2010年11月24日 申請(qǐng)日期2010年7月8日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月8日
發(fā)明者劉昕彥, 張衛(wèi), 王鵬飛, 臧松干 申請(qǐng)人:復(fù)旦大學(xué)