具有場效應(yīng)結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體器件及制造其的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本文所述的實施例涉及具有帶有不同柵極材料的場效應(yīng)結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體器件，且特別是涉及具有帶有金屬柵極的場效應(yīng)晶體管和具有多晶半導(dǎo)體柵極的M0S柵控二極管的半導(dǎo)體器件。另外的實施例涉及用于制造這樣的半導(dǎo)體器件的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]為了減小在功率半導(dǎo)體器件中的開關(guān)損耗，期望減小在功率半導(dǎo)體器件的晶體管單元之間的距離。允許晶體管單元的收縮的一個嘗試是保持在功率半導(dǎo)體器件的鄰近溝槽之間的溝道形成區(qū)的大小小。因為大小減小或節(jié)距收縮需要待形成的各個結(jié)構(gòu)的較高調(diào)整，自調(diào)整工藝被越來越多地使用。
[0003]晶體管單元的節(jié)距收縮的一個結(jié)果是柵極導(dǎo)體或其它導(dǎo)電特征的電阻的增加。一般，高摻雜多晶硅用作柵極導(dǎo)體或其它導(dǎo)電特征的導(dǎo)電材料，因為多晶硅可容易被沉積和處理。然而，多晶硅的比電阻與由多晶硅制成的導(dǎo)電結(jié)構(gòu)的減小橫截面面積不成比例地增加，因為多晶硅的多晶結(jié)構(gòu)的影響變得更明顯。金屬作為導(dǎo)電材料的使用減小了電阻，但也帶來附加的工藝問題。
[0004]鑒于上面，存在對改進(jìn)的需要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]根據(jù)實施例，半導(dǎo)體器件包括半導(dǎo)體襯底、集成在半導(dǎo)體襯底中的至少第一場效應(yīng)結(jié)構(gòu)和集成在半導(dǎo)體襯底中的至少第二場效應(yīng)結(jié)構(gòu)。第一場效應(yīng)結(jié)構(gòu)包括在第一柵極電介質(zhì)上并與第一柵極電介質(zhì)接觸的第一柵電極，第一柵極電介質(zhì)被布置在第一柵電極和半導(dǎo)體襯底之間，其中第一柵電極由多晶半導(dǎo)體材料組成。第二場效應(yīng)結(jié)構(gòu)包括在第二柵極電介質(zhì)上并與第二柵極電介質(zhì)接觸的第二柵電極，第二柵極電介質(zhì)被布置在第二柵電極和半導(dǎo)體襯底之間，其中第二柵電極由金屬、金屬合金、金屬層堆疊、金屬合金層堆疊之一及其組合組成，并與半導(dǎo)體襯底電絕緣。
[0006]根據(jù)實施例，用于制造半導(dǎo)體器件的方法包括:提供具有第一側(cè)面的半導(dǎo)體襯底；形成在第一場效應(yīng)結(jié)構(gòu)的第一柵極電介質(zhì)上并與第一柵極電介質(zhì)接觸的第一柵電極，其中第一柵極電介質(zhì)被布置在第一柵電極和半導(dǎo)體襯底之間，且其中第一柵電極由多晶半導(dǎo)體材料組成；以及形成在第二場效應(yīng)結(jié)構(gòu)的第二柵極電介質(zhì)上并與第二柵極電介質(zhì)接觸的第二柵電極，其中第二柵極電介質(zhì)被布置在第二柵電極和半導(dǎo)體襯底之間，其中第二柵電極由金屬、金屬合金、金屬層堆疊、金屬合金層堆疊之一及其組合組成，且其中第二柵電極與半導(dǎo)體襯底電絕緣。
[0007]本領(lǐng)域中的技術(shù)人員在閱讀下面的詳細(xì)描述時且當(dāng)觀看附圖時將認(rèn)識到附加的特征和優(yōu)點。
【附圖說明】
[0008]附圖中的部件并不一定按比例，相反將重點放在說明本發(fā)明的原理上。而且，在附圖中，相似的參考符號指明對應(yīng)的部件。在附圖中:
圖1A到1F圖示用于制造根據(jù)實施例的半導(dǎo)體器件的方法的工藝；
圖2A到2H圖示用于制造根據(jù)實施例的半導(dǎo)體器件的方法的工藝；
圖3圖示根據(jù)實施例的半導(dǎo)體器件；以及
圖4A到4G圖示用于制造根據(jù)另一實施例的半導(dǎo)體器件的方法的工藝。
【具體實施方式】
[0009]在下面的詳細(xì)描述中，參考形成其一部分的附圖，且其中作為例證示出本發(fā)明可被實踐的特定實施例。在這個方面中，關(guān)于正被描述的(多個)附圖的取向來使用方向術(shù)語，例如“頂部”、“底部”、“前面”、“后面”、“最前面”、“末尾”、“橫向”、“垂直”等。因為實施例的部件可位于多個不同的取向中，方向術(shù)語用于說明的目的且決不是限制性的。應(yīng)理解，其它實施例可被利用，且結(jié)構(gòu)或邏輯改變可被做出而不偏離本發(fā)明的范圍。下面的詳細(xì)描述因此不應(yīng)在限制性意義上被理解，且本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求限定。正被描述的實施例使用特定的語言，其不應(yīng)被解釋為限制所附權(quán)利要求的范圍。
[0010]在這個說明書中，半導(dǎo)體襯底的第二側(cè)面或表面被考慮為由下或背側(cè)側(cè)面或表面形成，而第一側(cè)面或表面被考慮為由半導(dǎo)體襯底的上、前或主側(cè)面或表面形成。考慮到這個取向，如在本說明書中使用的術(shù)語“在…之上”和“在…之下”因此描述結(jié)構(gòu)特征對另一結(jié)構(gòu)特征的相對位置。
[0011 ] 術(shù)語“電連接”和“電連接的”描述在兩個元件之間的歐姆接觸。
[0012]接著參考圖1A到1F描述實施例。這個實施例包括具有帶有多晶硅柵極141的第一場效應(yīng)結(jié)構(gòu)151和帶有金屬柵極142的第二場效應(yīng)結(jié)構(gòu)152的半導(dǎo)體器件100的形成。這個實施例是關(guān)于多晶硅柵極141和金屬柵極142的選擇性形成的較少掩模工藝。
[0013]如圖1A所示，提供具有第一側(cè)面111和與第一側(cè)面111相對的第二側(cè)面112的半導(dǎo)體襯底110。半導(dǎo)體襯底110可以是一般η摻雜的單片半導(dǎo)體襯底?？商鎿Q地，半導(dǎo)體襯底110可包括單片半導(dǎo)體主體124和在半導(dǎo)體主體124上形成的外延層123。半導(dǎo)體主體124可以是高η摻雜的，并以后形成半導(dǎo)體器件的η摻雜漏極區(qū)124。外延層123 —般是弱η摻雜層，其以后形成半導(dǎo)體器件的漂移區(qū)。形成有η摻雜半導(dǎo)體襯底110的半導(dǎo)體器件是所謂的η溝道器件。
[0014]作為另外的替換，半導(dǎo)體襯底110、單片半導(dǎo)體主體124和外延層123也可以具有Ρ型。在這種情況下，待形成的半導(dǎo)體器件是所謂的Ρ溝道器件。
[0015]半導(dǎo)體襯底110可由適合于制造半導(dǎo)體部件的任何半導(dǎo)體材料制成。這樣的材料的示例包括而不限于示例性半導(dǎo)體材料(例如硅(Si))、第IV族化合物半導(dǎo)體材料(例如碳化娃(SiC)或娃鍺(SiGe))、二元、三元或四元II1-V半導(dǎo)體材料(例如砷化鎵(GaAs)、磷化鎵(GaP )、磷化銦(InP )、氮化鎵(GaN)、氮化鋁鎵(AlGaN)、磷化銦鎵(InGaPa )或磷砷化銦鎵(InGaAsP))和二元或三元I1-VI半導(dǎo)體材料(例如碲化鎘(CdTe)和碲化鎘汞(HgCdTe))，僅舉幾個示例。上面提到的半導(dǎo)體材料也被稱為同質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體材料。當(dāng)組合兩種不同的半導(dǎo)體材料時，形成異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體材料。異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體材料的示例包括而不限于硅(SiA x)和SiGe異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體材料。對于功率半導(dǎo)體應(yīng)用，目前主要使用S1、SiC和GaN材料。
[0016]在另外的工藝中，至少第一溝槽114和第二溝槽115在半導(dǎo)體襯底110中在半導(dǎo)體襯底110的第一側(cè)面111處形成。第一場效應(yīng)結(jié)構(gòu)151以后在第一溝槽114中形成，而第二場效應(yīng)結(jié)構(gòu)152以后在第二溝槽115中形成?？衫缤ㄟ^使用蝕刻掩模(未示出)的各向異性蝕刻來形成第一和第二溝槽114、115。臺面區(qū)113保留在相鄰的第一和第二溝槽114、115之間。一般，第一和第二溝槽114、115都在使用公共蝕刻掩模的公共蝕刻工藝中形成。
[0017]可根據(jù)特定的要求來選擇第一和第二溝槽114、115的數(shù)量。例如，第一和第二溝槽114、115的數(shù)量可以相同。可替換地，用于形成相應(yīng)的第二場效應(yīng)結(jié)構(gòu)152，例如場效應(yīng)晶體管的第二溝槽115的數(shù)量可例如大于用于形成相應(yīng)的第一場效應(yīng)結(jié)構(gòu)，例如M0S柵控二極管的第一溝槽114的數(shù)量。
[0018]此外，因為功率半導(dǎo)體器件包括多個單元，每個單元形成相應(yīng)的場效應(yīng)結(jié)構(gòu)，第一和第二溝槽114、115的局部密度，即在給定面積中的溝槽的數(shù)量可根據(jù)半導(dǎo)體器件100的期望總體性質(zhì)來變化。
[0019]第一溝槽114被形成為具有在橫向方向上的第一寬度wl。第二溝槽115被形成為具有在橫向方向上的第二寬度w2。第二寬度w2大于第一寬度wl。例如，對于高電壓器件，寬度w2可以在從大約100 nm到大約1000 nm或甚至更大，例如一直到大約2500 nm的范圍內(nèi)。第一寬度wl可以在從大約50 nm到大約200 nm的范圍內(nèi)。
[0020]在另外的工藝中，場氧化物133和場電極136在第一和第二溝槽114、115中的每一個的下部分中形成。通過第一和第二溝槽114、115的被暴露部分的熱氧化來形成場氧化物133。場氧化物133比較厚以經(jīng)得起在半導(dǎo)體器件的操作期間出現(xiàn)的高電壓。場氧化物133的厚度可以在從大約50 nm到大約2000 nm的范圍內(nèi)。場氧化物133 —般比以后形成的第一和第二柵極電介質(zhì)131、132厚。
[0021]通過摻雜多晶硅的沉積(后面是各向異性蝕刻)來形成場電極136以從在第一和第二溝槽114、115外部的區(qū)移除多晶硅。多晶硅然后被內(nèi)蝕刻，使得多晶硅的上表面相對于半導(dǎo)體襯底110的上表面凹進(jìn)。
[0022]在另外的工藝中，多晶硅的上部分被熱氧化以形成如圖1A所示的在場電極136上的絕緣蓋。也可通過沉積氧化物層，例如通過高密度壓力沉積(HDP)(后面是內(nèi)蝕刻步驟)來形成絕緣蓋。
[0023]在另外的工藝中，相應(yīng)的ρ摻雜主體區(qū)122和η摻雜源極區(qū)121在第一和第二場效應(yīng)結(jié)構(gòu)151、152中的每一個的半導(dǎo)體襯底110中形成。主體區(qū)122 —般通過較少掩模注入來形成，而源極區(qū)121通過使用掩模的注入工藝來形成。
[0024]主體區(qū)122和源極區(qū)121特別是在第一和第二溝槽114、115之間的臺面區(qū)113中形成。一般，主體區(qū)122橫向地延伸一直到相應(yīng)的溝槽114、115的側(cè)壁以形成沿著溝槽114、115的側(cè)壁的溝道區(qū)。相應(yīng)的單個溝道區(qū)從相應(yīng)的源極區(qū)121伸展到漂移區(qū)123。
[0025]根據(jù)實施例，場電極136與源極區(qū)121電連接，使得施加到源極區(qū)121的電位也在半導(dǎo)體器件100的操作期間被施加到場電極136。可替換地，場電極136或場電極136中的一些可與源極區(qū)121電絕緣，并可在半導(dǎo)體器件的第一側(cè)面處與分開的接觸焊盤電接觸以允許將不同于源極電位的電位施加到場電極。
[0026]根據(jù)實施例，第一柵極電介質(zhì)131至少在第一溝槽114中形成。一般，通過在包括第二溝槽115的部分的半導(dǎo)體襯底110的所有被暴露表面上的半導(dǎo)體材料的熱氧化來形成第一柵極電介質(zhì)131。第一柵極電介質(zhì)131具有可以在3 nm和15 nm之間且特別是在4 nm和7 nm之間的第一厚度。第一厚度比較薄并連同主體區(qū)122的摻雜濃度一起限定第一場效應(yīng)結(jié)構(gòu)151的閾值。
[0027]圖1A因此圖示提供具有第一側(cè)面111的半導(dǎo)體襯底110和形成在第一溝槽114中的第一場效應(yīng)結(jié)構(gòu)151的第一柵極電介質(zhì)131的工藝。更具體地，圖1A圖示在半導(dǎo)體襯底110的第一側(cè)面111處形成在第一場效應(yīng)結(jié)構(gòu)151的半導(dǎo)體襯底110中的第一溝槽114和在第二場效應(yīng)結(jié)構(gòu)152的半導(dǎo)體襯底110中的第二溝槽115，其中第一溝槽114具有在橫向方向上的第一寬度wl，而第二溝槽115具有在橫向方向上的第二寬