TWI529943B - 溝槽式功率金氧半場效電晶體與其製造方法 - Google Patents

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Description

溝槽式功率金氧半場效電晶體與其製造方法
本發明是關於一種功率金氧半場效電晶體，且特別是關於一種具有低導通阻抗與高崩潰電壓的溝槽式功率金氧半場效電晶體與其製造方法。
功率型金屬氧化場效電晶體(Power Metal Oxide Semiconductor Field Transistor,Power MOSFET)是一種電壓控制元件，主要有水平式與垂直式兩種結構，其具有開關速度快、高頻特性良好、輸入阻抗高與驅動功率小等優點。功率型金屬氧化場效電晶體被廣泛地應用於電力裝置之切換元件，例如是電源供應器、整流器或低壓馬達控制器等等。現今之功率金氧半導體場效電晶體多採取垂直結構的設計，以提升元件密度。
功率型金屬氧化場效電晶體的工作損失可分成切換損失(switching loss)及導通損失(conducting loss)兩大類，其中在電晶體導通狀態(ON)下的導通電阻Rds為影響工作損失的重要參數。導通電阻Rds愈小，電晶體的導通損失愈小，功率消耗愈低。功率型金屬氧化場效電晶體的導通電阻Rds通常與漂移區的厚度相關，降低漂移區的厚度可以縮小導電電阻Rds，但是降低漂移區的厚度會導致崩潰電壓降低而影響電晶體的耐壓特性。
本發明提供一種溝槽式功率型金屬氧化場效電晶體與其製造方法，其利用降低表面電場(reduced surface field,RESURF)技術在基體區域(body region)下方設置氧化物層以增加崩潰電壓，藉此在相同的崩潰電壓特性下獲得較低的導通電阻。
本發明實施例提出一種溝槽式功率金氧半場效電晶體，包括一基材、一磊晶層、一氧化物層、一通道區域、一基體區域、一第二重摻雜區以及一溝槽閘極結構。基材具有一第一重摻雜區；磊晶層形成於基材上方，其中磊晶層中具有一漂移區；氧化物層形成於漂移區上方；通道區域形成於氧化物層的一側；基體區域形成於氧化物層與通道區域上方，其中通道區域連接基體區域與漂移區；第二重摻雜區形成於基體區域上方；第一溝槽閘極結構形成於第二重摻雜區與基體區域的側邊。其中，通道區域位於溝槽閘極結構與氧化物層之間。
在本發明一實施例中，其中通道區域的寬度小於該氧化物層的寬度。
在本發明一實施例中，其中通道區域與漂移區為N型摻雜區，基體區域為P型摻雜區，第一重摻雜區與第二重摻雜區為N型摻雜區。
在本發明一實施例中，其中氧化物層、通道區域、基體區域、第二重摻雜區與第一溝槽閘極結構形成於該磊晶層中，而第一溝槽閘極結構可延伸至漂移區之中。
從另一個觀點來看，本發明實施例另提出一種溝槽式功率金氧半場效電晶體的製作方法，包括下列步驟：提供一基板；形成一磊晶層於基板上方，並在磊晶層中形成一漂移區與一氧化物層，其中氧化物層位於漂移區上方；形成一溝槽閘極結構與一通道區域於磊晶層中，其中通道區域位於氧化物層與溝槽閘極結構之間；形成一基體區域於氧化物層與通道區域上方，其中通道區 域連接基體區域與漂移區；以及形成一重摻雜區於基體區域上方。
在本發明一實施例中，在上述形成磊晶層之步驟中，包括下列步驟：形成一下磊晶層於基板上；形成一主氧化物層在一下磊晶層的上方；蝕刻主氧化層以形成多個區段，其中該些區段之一形成氧化物層；以及使下磊晶層向上成長增加厚度以覆蓋氧化物層並形成磊晶層。
綜上所述，本發明之溝槽式功率金氧半場效電晶體與其製造方法係利用在磊晶層中形成一埋入式的氧化物層以改變縱向電場分布，藉此提高元件的崩潰電壓，所以可以突破矽限制(silicon limitation)，獲得較低的導通電阻。
為讓本發明之上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。
110‧‧‧基板
119‧‧‧下磊晶層
120‧‧‧磊晶層
130‧‧‧主氧化物層
131、132、133‧‧‧氧化物層
150、155‧‧‧溝槽式閘極結構
151‧‧‧導電閘極
152‧‧‧絕緣層
153‧‧‧溝槽
160‧‧‧第二重摻雜區
170‧‧‧基體區域
181‧‧‧第一通道區域
182‧‧‧第二通道區域
S210~S250‧‧‧流程圖步驟
300‧‧‧溝槽式功率金氧半場效電晶體
310‧‧‧漂移區
320‧‧‧第一重摻雜區
圖1A~圖1H繪示本發明一實施例的溝槽式功率金氧半場效電晶體的製造方法示意圖。
圖2繪示本發明實施例的溝槽式功率金氧半場效電晶體的製作方法流程圖。
圖3繪示本發明一實施例的溝槽式功率金氧半場效電晶體的局部結構示意圖。
在下文中，將藉由圖式說明本發明之實施例來詳細描述本發明，而圖式中的相同參考數字可用以表示類似的元件。有關本發明之前述及其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之各實施例的詳細說明中，將可清楚的呈現。以下實施例中所提到的方向用語，例如：「上」、「下」、「前」、「後」、「左」、「右」等，僅是參考附加圖式的方向。因此，使用的方向用語是用來說明，而並非用來限制本專利。並且，在下列各實施例中，採用相同的標號來表示相同或近似的元件。
圖1A~圖1H繪示本發明一實施例的溝槽式功率金氧半場效電晶體的製造方法示意圖。如圖1A所示，首先，提供一基板110，然後於基板110上形成下磊晶層(epitaxial layer)119，其中基板110例如為矽基板(silicon substrate)，其具有高摻雜濃度的第一重摻雜區以作為溝槽式功率金氧半場效電晶體的汲極(drain)，下磊晶層119為低摻雜濃度，其可形成溝槽式功率金氧半場效電晶體的漂移區。
舉例來說，基板110可以局部或整個基板都是重摻雜區域以決定汲極的區域。本實施例以整個基板110為第一重摻雜區為例說明，但本實施例不限制於此。下磊晶層119與基板110的摻雜類型相同，但下磊晶層119的摻雜濃度小於基板110的摻雜濃度。以N型電晶體為例，基板110為高濃度的N型摻雜(N+)，而下磊晶層119則為低濃度的N型摻雜(N-)。反之，以PMOS為例，基板110為高濃度的P型摻雜(P+ doping)，而下磊晶層119則為低濃度的P型摻雜(P- doping)。在溝槽式功率金氧半場效電晶體中，汲極形成於基板110，而源極則形成於磊晶層的上表面，閘極則形成於磊晶層的溝槽中，其中磊晶層可以直接由下磊晶層119向上成長增加厚度後實現。
接著，參照圖1B與圖1C，直接以氧化方式，在下磊晶層119上方形成主氧化物層130，並且經由蝕刻形成多個區段以形成多個分隔的氧化物層131、132、133。圖1C以三個區域為例說明，氧化物層132即由其中一個區域所構成，但在本實施例中，主氧化物層130可以依照需求蝕刻形成多個區段以同時在不同位置形成氧化物層。氧化物層131、132、133例如為二氧化矽(SiO2)。然後，如圖1D所示，以選擇性磊晶(selective epitaxial growth)製程，使下磊晶層119繼續向上成長增加厚度以覆蓋氧化物層131、132、133並形成磊晶層120，如圖1E所示。氧化物層131、132、133會被增生後的磊晶層120覆蓋而形成埋入式的氧化物層。接著如 圖1E所示，對選擇性磊晶後所形成的磊晶層120進行表面平坦化製程，其方式例如是利用化學機械研磨法(Chemical Mechanical Polishing/Planarization；CMP)，如圖1F所示，但本實施例不限制表面平坦化製程的方式。
在本實施例中，如圖1F所示，利用兩道製程所形成的磊晶層120可視為單一的磊晶層120，其功能可作為溝槽式功率金氧半場效電晶體的磊晶層使用。以選擇性磊晶的方式增加下磊晶層119厚度的主要原因是為了使氧化物層131、132、133被埋入磊晶層120之中。在本發明另一實施例中，下磊晶層119可以直接成長至所需的高度以形成磊晶層120，然後蝕刻出複數個凹槽，在其凹槽底部形成氧化物層131、132、133，接著在氧化物層131、132、133上方進行選擇性磊晶製程以覆蓋氧化物層131、132、133。因此，本實施例並不限制形成內埋式的氧化物層131、132、133的方式，也不限制以兩段式形成磊晶層的製作方法，只要可以形成內埋式的氧化物層131、132、133即可。
由上述可知，圖1B~圖1F之步驟主要功能是在磊晶層120中形成氧化物層131、132、133，並使其位於漂移區的上方，而磊晶層120的上半部則可以用來形成功率電晶體的其餘結構，如閘極結構、源極、基體區域等。
請參照圖1G，接著，在磊晶層120中形成多個溝槽153，然後分別於溝槽153中形成溝槽式閘極結構150、155。溝槽式閘極結構150由絕緣層152與導電閘極151所構成，其絕緣層152位於溝槽153的內側壁，用以隔離導電閘極151與磊晶層120。絕緣層152例如是二氧化矽，而導電閘極151例如是複晶矽閘極或是導電金屬皆可。
溝槽式功率金氧半場效電晶體具有多個溝槽式閘極結構150、155，其中氧化物層132位於溝槽式閘極結構150與溝槽式閘極結構155之間。氧化物層132與溝槽式閘極結構150之間的 間隔形成第一通道區域181，而氧化物層132與溝槽式閘極結構155之間的間隔形成第二通道區域182。上述兩個通道區域181、182形成於氧化物層132的兩側，係作為源級與汲極之間的電流通道使用，其材質與磊晶層120相同。
請參照圖1H，利用摻雜製程，在氧化物層132上方形成基體區域(body region)170與第二重摻雜區160，基體區域170位於氧化物層132與第二重摻雜區160之間，其中第二重摻雜驅160可作為源極，基體區域170為電晶體的基底。基體區域170與第二重摻雜區160的主要差異在於摻雜濃度與摻雜的半導體型。以NMOS電晶體為例，第二重摻雜區160為N型摻雜，而基體區域170為P型摻雜(如P型井，P-well)。基體區域170的摻雜濃度小於第二重摻雜區160的摻雜濃度。
氧化物層132為一內埋式結構，其緊鄰基體區域170的底部。更詳細的說，氧化物層132位於基體區域170與磊晶層120的接面處以降低位於PN接面(PN junction)的縱向電場強度，藉此提高元件的崩潰電壓。氧化物層132可以在基體區域170下方形成一降低表面場結構(RESURF structure)，藉以提高電晶體的崩潰電壓。同理，氧化物層131、133各自位於對應的基體區域下方，藉此改變其電場分布狀態，形成使縱向電場強度降低的RESURF結構，利用RESURF技術提高溝槽式功率金氧半場效電晶體的源極-汲極間的崩潰電壓(Drain-Source Breakdown Voltage，BVdss)。藉由氧化物層131、132、133所形成的降低表面電場結構，可以使本實施例的溝槽式功率金氧半場效電晶體具有較高的源-汲極崩潰電壓，以及在相同的崩潰電壓特性下，獲得相對較低的源-汲極導通電阻(Drain-Source On-state Resistance，Rdson，簡稱導通電阻)。
進一步說明，垂直式的功率電晶體可藉由增加漂移區的厚度或降低基體區域170的摻雜濃度來提高崩潰電壓，但是增加漂移區 的厚度或降低基體區域170的摻雜濃度會使得功率電晶體的導通電阻提高，這會造成切換功率的損失。然而，藉由氧化物層131、132、133的設置，可以使得功率電晶體在相同的磊晶層厚度與相同的摻雜濃度下，得到更高的源極-汲極崩潰電壓，藉此突破矽限制(silicon limitation)。也就是說，在相同的崩潰電壓要求下，本實施例的功率電晶體結構可以得到更低的導通電阻。
上述實施例可以歸納出一種溝槽式功率金氧半場效電晶體的製作方法，如圖2所示，圖2繪示本發明實施例的溝槽式功率金氧半場效電晶體的製作方法流程圖。如圖2所示，製作方法包括下列步驟：首先，提供一基板(步驟S210)；接著，形成一磊晶層於基板上，並在磊晶層形成漂移區與氧化物層，其中氧化物層位於漂移區上方(步驟S220)；然後，形成一溝槽閘極結構與一通道區域於磊晶層中，其中通道區域位於氧化物層與溝槽閘極結構之間(步驟S230)；接著，形成一基體區域於氧化物層與通道區域上方，其中通道區域連接基體區域與漂移區(S240)；然後，形成一重摻雜區於基體區域上方(步驟S250)。
在本發明一實施例中，在上述步驟S220中，其中形成磊晶層之步驟更包括下列步驟：形成一下磊晶層於基板上；形成一主氧化物層在一下磊晶層的上方；將主氧化層蝕刻成多個區段，其中該些區段之一形成氧化物層；以及使下磊晶層向上成長增加厚度以覆蓋氧化物層並形成完整的磊晶層。上述方式為實現內埋式氧化物層的其中一種方式，本發明不限制於此。
值得注意的是，一個溝槽式功率金氧半場效電晶體可以包括多個氧化物層，分別位於對應的基體區域與漂移區之間，這些氧化物層可以利用上述步驟S220同時形成，或是多次進行步驟S220分別形成。不同位置的。在步驟S230中，可以同時形成多個溝槽閘極結構與多個對應的通道區域，個別的通道區域分別位於對應的溝槽閘極結構與氧化物層之間以作為電流路徑使用。多個通道 區域則可以用來降低功率電晶體的導通電阻。
上述步驟S210~S250可以依照製程需求調整先後順序，例如步驟S230與步驟S240可以調換，本實施例並不限制上述步驟S210~S250的順序。上述步驟S210~S250的實施細節詳述於上述圖1A.~圖1H與本發明其他實施例的說明中，在此不加贅述。
請參照圖3，圖3繪示本發明一實施例的溝槽式功率金氧半場效電晶體的局部結構示意圖。基板110具有第一重摻雜區320，作為溝槽式功率金氧半場效電晶體300的汲極。第一重摻雜區320可為基板110之局部或整個基板110，本實施例中以整個基板110為第一重摻雜區320為例說明。磊晶層120中具有第二重摻雜區160、基體區域170、氧化物層132、第一通道區域181、第二通道區域182與漂移區310。第二重摻雜區160作為溝槽式功率金氧半場效電晶體300的源極，基體區域170位於第二重摻雜區160與氧化物層132之間。第一通道區域181、第二通道區域182與氧化物層132位於基體區域170與漂移區310之間，用以間隔基體區域170與漂移區310。第一通道區域181與第二通道區域182位於氧化物層132的兩側，連接基體區域170與漂移區310，用以提供兩個電流路徑以降低導通電阻。也就是說，基體區域170經由第一通道區域181與第二通道區域182連接至漂移區310並且可經由第一通道區域181與第二通道區域182導通電流。第一通道區域181與第二通道區域182的寬度會影響導通時的阻抗，其寬度可以依照需求設置，例如小於氧化物層132的寬度。
以N型功率電晶體為例，基板110為重摻雜濃度的N型摻雜區(即重摻雜區N+)以形成第一重摻雜區，第一通道區域181與第二通道區域182為低摻雜濃度的N型摻雜區(即輕摻雜區N-)。氧化物層132下方的磊晶層120為低摻雜濃度的N型摻雜區以形成漂移區310。漂移區310也可以利用離子佈值的方式在氧化物層132下方形成局部的摻雜區域來形成。在本實施例中，氧化物層 132下方的磊晶層120為低摻雜濃度的N型摻雜區以形成漂移區310。基體區域170為低摻雜濃度的P型摻雜區，而第二重摻雜區160則是高摻雜濃度的N型摻雜區以形成源極。溝槽閘極結構150、155形成於磊晶層120的溝槽中，其可依照設計需求向下延伸至漂移區310內。溝槽閘極結構150、155位於氧化物層132的兩側，而第一通道區域181與第二通道區域182則分別形成於溝槽閘極結構150、155與氧化物層132之間。
一般而言，在高摻雜濃度的半導體中，摻雜物和半導體原子的濃度比約是千分之一，而低摻雜濃度則可能會到十億分之一的比例，其比例可依照不同的元件需求而定，本實施例並不受限。摻雜的方式例如是利用離子植入法(Ion Implantation)與熱擴散法(Diffusion)。
一個完整的溝槽式金氧半場效功率電晶體是由多個如圖3的結構單元所構成以增加通道的寬度與導通電流，圖3僅繪示溝槽式金氧半場效功率電晶體的局部結構。經由上述實施例的說明，本技術領域具有通常知識者應當可以輕易推知其餘結構實施細節，在此不加贅述。
綜上所述，本發明之溝槽式功率金氧半場效電晶體利用降低表面電場技術在於基體區域下方形成內埋式氧化物層以降低縱向電場強度。此一降低表面電場結構可提高電晶體的崩潰電壓，所以可以突破矽限制，在相同的結構下得到更低的導通電阻特性。
雖然本發明之實施例已揭露如上，然本發明並不受限於上述實施例，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明所揭露之範圍內，當可作些許之更動與調整，因此本發明之保護範圍應當以後附之申請專利範圍所界定者為準。
110‧‧‧基板
120‧‧‧磊晶層
131、132、133‧‧‧氧化物層
150、155‧‧‧溝槽式閘極結構
160‧‧‧第二重摻雜區
170‧‧‧基體區域
181‧‧‧第一通道區域
182‧‧‧第二通道區域
300‧‧‧溝槽式功率金氧半場效電晶體
310‧‧‧漂移區
320‧‧‧第一重摻雜區

Claims (9)

  1. 一種溝槽式功率金氧半場效電晶體，包括：一基材，具有一第一重摻雜區；一磊晶層，形成於該基材上方，其中該磊晶層中具有一漂移區；一氧化物層，形成於該漂移區上方；一通道區域，形成於該氧化物層的一側；一基體區域，形成於該氧化物層與該通道區域上方，其中該通道區域連接該基體區域與該漂移區；一第二重摻雜區，形成於該基體區域上方；以及一溝槽閘極結構，形成於該第二重摻雜區與該基體區域的側邊；其中，該通道區域位於該溝槽閘極結構與該氧化物層之間。
  2. 如請求項1所述的溝槽式功率金氧半場效電晶體，其中該通道區域的寬度小於該氧化物層的寬度。
  3. 如請求項1所述的溝槽式功率金氧半場效電晶體，其中該通道區域與該漂移區為N型摻雜區，該基體區域為P型摻雜區，該第一重摻雜區與該第二重摻雜區為N型摻雜區。
  4. 如請求項1所述的溝槽式功率金氧半場效電晶體，其中該溝槽閘極結構延伸至該漂移區之中。
  5. 如請求項1所述的溝槽式功率金氧半場效電晶體，其中該氧化物層、該通道區域、該基體區域、該第二重摻雜區與該溝槽閘極結構形成於該磊晶層中。
  6. 如請求項1所述的溝槽式功率金氧半場效電晶體，其中該溝槽閘極結構形成於該磊晶層的一溝槽內，該溝槽閘極結構包括：一絕緣層，形成於該溝槽的內側壁；以及一導電閘極，形成於該溝槽內，且該絕緣層位於該導電閘極與該磊晶層之間。
  7. 一種溝槽式功率金氧半場效電晶體的製作方法，包括：提供一基板； 形成一磊晶層於該基板上方，並在該磊晶層中形成一漂移區與一氧化物層，其中該氧化物層位於該漂移區上方；形成一溝槽閘極結構與一通道區域於該磊晶層中，其中該通道區域位於該氧化物層與該溝槽閘極結構之間；形成一基體區域於該氧化物層與該通道區域上方，其中該通道區域連接該基體區域與該漂移區；以及形成一重摻雜區於該基體區域上方。
  8. 如請求項7所述的溝槽式功率金氧半場效電晶體的製作方法，其中該通道區域與該漂移區為N型摻雜區，該基體區域為P型摻雜區，該重摻雜區為N型摻雜區。
  9. 如請求項7所述的溝槽式功率金氧半場效電晶體的製作方法，其中在形成該磊晶層之步驟包括：形成一下磊晶層於該基板上；形成一主氧化物層在一下磊晶層的上方；蝕刻該主氧化層以形成多個區段，其中該些區段之一形成該氧化物層；以及使該下磊晶層向上成長增加厚度以覆蓋該氧化物層並形成該磊晶層。
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