專利名稱：溝渠式金氧半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)及其制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明關(guān)于一種新穎具有保護(hù)環(huán)(guard ring)的溝渠式金屬氧化物半導(dǎo)體(trench M0S)，以及其制造方法，特別是關(guān)于一種能夠解決溝渠區(qū)域會(huì)發(fā)生低崩潰電壓?jiǎn)栴}的溝渠式金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)結(jié)構(gòu)以及其制造方法。
背景技術(shù)：
在溝渠式金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)或是垂直晶體管結(jié)構(gòu)中，晶體管的柵極是形成在基材上方的溝渠中，而源極/漏極區(qū)域則一起形成在柵極的兩側(cè)。這種類型的垂直晶體管可以允許高電流量通過(guò)，而溝道則可以在低電壓下被打開(kāi)/關(guān)閉。然而，這樣的結(jié)構(gòu)已知在溝渠的底部會(huì)發(fā)生低崩潰電壓(low breakdownvoltage) ο當(dāng)漏極和柵極/源極之間的反向偏壓(reverse bias)增加時(shí)，雪崩現(xiàn)象 (avalanche)將首先出現(xiàn)在溝渠式接觸柵極的溝渠底部。上述問(wèn)題的一個(gè)可行解決辦法是，建構(gòu)一個(gè)摻雜區(qū)域，稱為保護(hù)環(huán)。如此溝渠式金屬氧化物半導(dǎo)體器件將會(huì)被不同摻雜區(qū)域的原生偏壓所保護(hù)。另一種方法是，建構(gòu)一個(gè)厚的場(chǎng)氧化層和N+外延區(qū)域來(lái)作為保護(hù)環(huán)。在一方面，此等保護(hù)環(huán)的保護(hù)是不夠的。在另一方面，形成厚的場(chǎng)氧化物需要額外的步驟。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明在第一方面提出了一種溝渠式金屬氧化物半導(dǎo)體新的結(jié)構(gòu)，在高偏壓的存在下增加溝渠式金屬氧化物半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的崩潰電壓。溝渠式金屬氧化物半導(dǎo)體的新結(jié)構(gòu)有一個(gè)新穎的保護(hù)環(huán)，其環(huán)繞溝渠式柵極來(lái)增加崩潰電壓。本發(fā)明的溝渠式金屬氧化物半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，包含基材、外延層、溝渠、柵極絕緣結(jié)構(gòu)、溝渠式柵極、源極、漏極、保護(hù)環(huán)與位于保護(hù)環(huán)中的強(qiáng)化結(jié)構(gòu)。基材具有第一導(dǎo)電類型、第一面、以及與第一面相對(duì)的第二面。外延層具有第一導(dǎo)電類型，并位于第一面上。溝渠位于外延層中。柵極絕緣結(jié)構(gòu)覆蓋溝渠的內(nèi)壁。溝渠式柵極位于溝渠中，具有第一導(dǎo)電類型與第一深度。源極具有第一導(dǎo)電類型、位于外延層中，并鄰近溝渠式柵極。保護(hù)環(huán)具有第二導(dǎo)電類型、位于外延層中，并鄰近源極。強(qiáng)化結(jié)構(gòu)位于保護(hù)環(huán)之中、具有第二深度與電絕緣材料。漏極位于第二面上。在本發(fā)明的一實(shí)施例中，柵極絕緣結(jié)構(gòu)與電絕緣材料包含一種氧化物。在本發(fā)明的另一實(shí)施例中，第二深度大于第一深度。在本發(fā)明的另一實(shí)施例中，強(qiáng)化結(jié)構(gòu)包含強(qiáng)化溝渠、強(qiáng)化絕緣結(jié)構(gòu)與強(qiáng)化材料。強(qiáng)化溝渠位于外延層中，強(qiáng)化絕緣結(jié)構(gòu)包含電絕緣材料，并覆蓋強(qiáng)化溝渠的內(nèi)壁。強(qiáng)化材料則填入強(qiáng)化溝渠中。在本發(fā)明的另一實(shí)施例中，溝渠式柵極亦具有強(qiáng)化材料。 在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，強(qiáng)化材料是空氣。本發(fā)明在第二方面另外提出了一種形成溝渠式金氧半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的方法。本方法特別是還能與目前制造溝渠式金屬氧化物半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的工藝兼容。首先，提供基材和外延層?；木哂械谝粚?dǎo)電類型，第一面、以及與第一面相對(duì)的第二面。外延層具有第一導(dǎo)電類型，并位于第一面上。其次，進(jìn)行注入步驟，而形成位于外延層中、具有第二導(dǎo)電類型的至少一區(qū)域，而形成一保護(hù)環(huán)。然后，進(jìn)行刻蝕步驟，而形成具有第一深度的柵極溝渠，與具有第二深度的強(qiáng)化結(jié)構(gòu)，而柵極溝渠及強(qiáng)化結(jié)構(gòu)均位于外延層中。接下來(lái)，進(jìn)行氧化步驟，而形成柵極絕緣結(jié)構(gòu)，以覆蓋柵極溝渠的內(nèi)壁，并形成強(qiáng)化絕緣結(jié)構(gòu)，而覆蓋強(qiáng)化溝渠的內(nèi)壁。然后，以第一導(dǎo)電類型的材料填入柵極溝渠及強(qiáng)化溝渠之中，使得強(qiáng)化溝渠成為位于保護(hù)環(huán)中的強(qiáng)化結(jié)構(gòu)。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，在注入步驟之前進(jìn)行刻蝕步驟。在本發(fā)明的另一實(shí)施例中，在注入步驟之后進(jìn)行刻蝕步驟。在本發(fā)明的另一實(shí)施例中，柵極溝渠的開(kāi)口大于強(qiáng)化溝渠的開(kāi)口。在本發(fā)明的另一實(shí)施例中，第二深度大于第一深度。
在本發(fā)明的另一實(shí)施例中，材料完全填滿柵極溝渠及強(qiáng)化溝渠。在本發(fā)明的另一實(shí)施例中，材料會(huì)密封強(qiáng)化溝渠而形成氣隙。


圖1-4所示為形成本發(fā)明溝渠式金屬氧化物半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)與強(qiáng)化結(jié)構(gòu)的方法。圖5A/圖5B各別表示本發(fā)明溝渠式金屬氧化物半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。其中，附圖標(biāo)記說(shuō)明如下101基材130柵極溝渠102第一面131柵極絕緣結(jié)構(gòu)103 第二面132 內(nèi)壁104第一開(kāi)口133柵極導(dǎo)體105第二開(kāi)口135溝渠式柵極106源極140強(qiáng)化溝渠107漏極141強(qiáng)化絕緣結(jié)構(gòu)108圖案化掩膜142內(nèi)壁110外延層145強(qiáng)化結(jié)構(gòu)120區(qū)域146氣隙121保護(hù)環(huán)147空氣
具體實(shí)施例方式本發(fā)明在第一方面提供一種形成溝渠式金氧半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的方法，其具有位于保護(hù)環(huán)內(nèi)的強(qiáng)化結(jié)構(gòu)，以實(shí)質(zhì)上提升溝渠式金屬氧化物半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的崩潰電壓。圖1-4繪示形成本發(fā)明溝渠式金屬氧化物半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)與強(qiáng)化結(jié)構(gòu)的方法。請(qǐng)參考圖1，首先，提供基材101和外延層110?；?01可能是一種半導(dǎo)體材料，例如Si，并具有第一面102和第二面103。第二面103與第一面102相對(duì)。此外，基材101可以具有第一導(dǎo)電類型，例如P型或N型，舉例而言，為N+型。外延層110位于基材101的第一面102上。外延層110也具有第一導(dǎo)電類型，例如P型或N型，舉例而言，N+型。
其次，請(qǐng)參考圖2A，從第一面102進(jìn)行注入步驟，而形成至少一個(gè)區(qū)域120，或是多個(gè)區(qū)域120，其為第二導(dǎo)電類型，例如P型或N型，舉例而言，P型。然而，第一導(dǎo)電類型和第二導(dǎo)電性是不同的。圖2B繪示出圖2A中多個(gè)區(qū)域120的頂視圖。區(qū)域120可能是矩形并位于外延層110中，以形成一個(gè)或多個(gè)保護(hù)環(huán)121。然后，如圖3所繪示，進(jìn)行刻蝕步驟，如干刻蝕步驟，而分別并同時(shí)形成第一深度的柵極溝渠130，和第二深度的強(qiáng)化溝渠140。柵極溝渠130和強(qiáng)化溝渠140均位在外延層110中，但是其深度可能有所不同。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，強(qiáng)化溝渠140的第二深度可能會(huì)大于柵極溝渠130的第一深度。本發(fā)明形成溝渠式金屬氧化物半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)方法的一個(gè)特點(diǎn)在于，具有一個(gè)額外的強(qiáng)化溝渠140，其包圍柵極溝渠130，并位在至少一個(gè)保護(hù)環(huán)121中。本發(fā)明形成溝渠式金屬氧化物半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)方法的另一個(gè)特點(diǎn)是，柵極溝渠130和強(qiáng)化溝渠140都是在相同的刻蝕步驟中形成，以展現(xiàn)工藝的兼容性。強(qiáng)化溝渠140和柵極溝渠130的開(kāi)口大小，可以控制其深度的大小。
—般來(lái)說(shuō)，越大的開(kāi)口在刻蝕完成后，會(huì)得到深度越大的結(jié)果。例如，可以使用圖案化掩膜108來(lái)定義不同深度的柵極溝渠130和強(qiáng)化溝渠140。圖案化掩膜108可以有用來(lái)定義柵極溝渠130的第一開(kāi)口 104，和用來(lái)定義強(qiáng)化溝渠140的第二開(kāi)口 105。較佳者，第二開(kāi)口 105比第一開(kāi)口 104大。在刻蝕步驟完成后，即可剝除圖案化掩膜108。視情況需要，可以使用適當(dāng)?shù)捻樞騺?lái)進(jìn)行刻蝕步驟和注入步驟。例如，可以在注入步驟之前進(jìn)行刻蝕步驟?；蚴?，可以在注入步驟之后才進(jìn)行刻蝕步驟。圖3繪示出注入步驟之后才進(jìn)行刻蝕步驟。接下來(lái)，如圖4所繪示，進(jìn)行氧化步驟。氧化步驟可能會(huì)形成氧化物，例如形成柵極絕緣結(jié)構(gòu)131而覆蓋柵極溝渠130的內(nèi)壁132，并形成覆蓋強(qiáng)化溝渠140內(nèi)壁142的強(qiáng)化絕緣結(jié)構(gòu)141。氧化步驟可以是干式氧化步驟。柵極絕緣結(jié)構(gòu)131可以具有大約50納米(nm)的厚度，而強(qiáng)化絕緣結(jié)構(gòu)141可以具有約為52納米的厚度。特別是，柵極絕緣結(jié)構(gòu)131會(huì)作為增加最終結(jié)構(gòu)的崩潰電壓的一個(gè)基本結(jié)構(gòu)，而強(qiáng)化絕緣結(jié)構(gòu)141會(huì)作為增加最終結(jié)構(gòu)的崩潰電壓的一個(gè)強(qiáng)化結(jié)構(gòu)。形成本發(fā)明溝渠式金屬氧化物半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)方法的另一個(gè)特點(diǎn)在于，使用相同的氧化步驟來(lái)建立柵極絕緣結(jié)構(gòu)131和強(qiáng)化絕緣結(jié)構(gòu)141，以展現(xiàn)工藝的兼容性。然后，如圖5A所繪示，將柵極溝渠130和強(qiáng)化溝渠140中同時(shí)填滿第一導(dǎo)電類型的材料，而得到一溝渠式金氧半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)100。此材料，例如為柵極導(dǎo)體133，可以是摻雜硅，如N+類型，而在原位(in-situ)摻雜多晶硅過(guò)程中所形成。在此之后，柵極溝渠130，柵極絕緣結(jié)構(gòu)131，柵極導(dǎo)體133 —起形成一溝渠式柵極135。另外，強(qiáng)化溝渠140和強(qiáng)化絕緣結(jié)構(gòu)141則成為強(qiáng)化結(jié)構(gòu)145。強(qiáng)化結(jié)構(gòu)145是完全位在保護(hù)環(huán)121之中的。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，如圖5A所繪示，如果開(kāi)口足夠大的話，材料可以完全填滿柵極溝渠130和強(qiáng)化溝渠140。在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例中，如圖5B所繪示，材料可密封強(qiáng)化溝渠140的開(kāi)口，而形成一個(gè)空隙146。空氣的空隙146可以進(jìn)一步增加溝渠式金屬氧化物半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)100的崩潰電壓。經(jīng)過(guò)上述步驟后，即可得到本發(fā)明溝渠式金屬氧化物半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)100。如圖5A或是圖5B所繪示，本發(fā)明的溝渠式金屬氧化物半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)100包括基材101、外延層110、溝渠130、柵極絕緣結(jié)構(gòu)131、溝渠式柵極135、源極106、漏極107、保護(hù)環(huán)121和強(qiáng)化結(jié)構(gòu)145?；?01可以是一種半導(dǎo)體材料，如Si，并具有第一面102以及與第一面102相對(duì)的第二面103。此外，基材101可以具有第一導(dǎo)電類型，例如P型或N型，舉例而言，為N+型。外延層110位于基材101的第一面102上，以容置鄰近溝渠式柵極135的源極106。外延層110也具有第一導(dǎo)電類型，例如P型或N型，舉例而言，為N+型。漏極107則位于基材101的第二面103上。溝渠130位于在外延層110中以容納柵極絕緣結(jié)構(gòu)131，其可以為氧化物，而柵極導(dǎo)體133則形成溝渠式的柵極135。柵極絕緣結(jié)構(gòu)131覆蓋溝渠130的內(nèi)壁132。溝渠式柵極135位于溝渠130中，其包括柵極導(dǎo)體133，例如N+型的摻雜硅，和具有第一深度，例如50納米。保護(hù)環(huán)121是由至少一個(gè)摻雜區(qū)域120，所形成的，又具有第二導(dǎo)電類型，例如P型或N型，舉例而言，P-型。然而，第一導(dǎo)電類型和第二導(dǎo)電性是不同的。保護(hù)環(huán)121可為單一或雙重矩形，并位在外延層Iio中，又鄰近源極106,如圖2B所示。保護(hù)環(huán)121經(jīng)由原生 偏壓來(lái)保護(hù)溝渠式金屬氧化物半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)100。強(qiáng)化結(jié)構(gòu)145具有第二深度，例如60納米，并完全位于保護(hù)環(huán)121之內(nèi)。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，強(qiáng)化溝渠140的第二深度大于柵極溝渠130的第一深度。強(qiáng)化結(jié)構(gòu)145包含強(qiáng)化溝渠140、作為強(qiáng)化絕緣結(jié)構(gòu)141用的電絕緣材料，其例如可以是一種氧化物，而覆蓋了強(qiáng)化溝渠140的內(nèi)壁142、還有柵極導(dǎo)體133，其可以是N+類型的摻雜硅。作為增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)化絕緣結(jié)構(gòu)141，可以增加溝渠式金屬氧化物半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)100的崩潰電壓。在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例中，強(qiáng)化結(jié)構(gòu)包含一種強(qiáng)化材料。一方面，強(qiáng)化材料，例如與柵極導(dǎo)體133相同者，會(huì)填入強(qiáng)化溝渠140中。在另一方面，強(qiáng)化材料也可能是空氣147，而形成氣隙146，如圖5B所示。氣隙146還可以進(jìn)一步增加溝渠式金屬氧化物半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)100的崩潰電壓。以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，本發(fā)明可以有各種更改和變化。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種溝渠式金氧半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其特征在于，包括 具有一第一導(dǎo)電型的一基材，并具有一第一面以及相對(duì)所述第一面的一第二面； 一外延層，具有所述第一導(dǎo)電型并位于所述第一面上； 一溝渠，位于所述外延層中； 一柵極絕緣結(jié)構(gòu)，覆蓋所述溝渠的一內(nèi)表面； 一溝渠式閘極，位于所述溝渠中、具有所述第一導(dǎo)電型以及一第一深度； 具有所述第一導(dǎo)電型的一源極，位于所述外延層中并鄰近所述柵極； 具有一第二導(dǎo)電型的一保護(hù)環(huán)，位于所述外延層中并鄰近所述源極； 具有一第二深度的一強(qiáng)化結(jié)構(gòu)，具有一電絕緣材料并位于所述保護(hù)環(huán)之中；以及 位于所述第二面的一漏極。
2.如權(quán)利要求I所述的溝渠式金氧半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述第一導(dǎo)電型為N型。
3.如權(quán)利要求I所述的溝渠式金氧半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述第一導(dǎo)電型為P型。
4.如權(quán)利要求I所述的溝渠式金氧半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述柵極絕緣結(jié)構(gòu)與所述電絕緣材料包含一種氧化物。
5.如權(quán)利要求I所述的溝渠式金氧半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述溝渠式柵極包含所述第一導(dǎo)電型的多晶娃。
6.如權(quán)利要求I所述的溝渠式金氧半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述第二深度大于所述第一深度。
7.如權(quán)利要求I所述的溝渠式金氧半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述源極鄰近所述保護(hù)環(huán)。
8.如權(quán)利要求I所述的溝渠式金氧半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述強(qiáng)化結(jié)構(gòu)包含 一強(qiáng)化溝渠，位于所述外延層中； 所述電絕緣材料的一強(qiáng)化絕緣結(jié)構(gòu)，其覆蓋所述強(qiáng)化溝渠的一內(nèi)壁；以及 一強(qiáng)化材料，填滿所述強(qiáng)化溝渠。
9.如權(quán)利要求8所述的溝渠式金氧半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述溝渠式柵極具有所述強(qiáng)化材料。
10.如權(quán)利要求8所述的溝渠式金氧半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述強(qiáng)化材料為空氣。
11.一種形成溝渠式金氧半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的方法，包含 提供一基材與一外延層，其中所述基材具有一第一導(dǎo)電型、一第一面、以及相對(duì)所述第一面的一第二面，而所述第一導(dǎo)電型的所述外延層位于所述第一面上； 進(jìn)行一注入步驟，以形成位于所述外延層中具有一第二導(dǎo)電型的至少一區(qū)域，以形成一保護(hù)環(huán)； 進(jìn)行一刻蝕步驟，以形成具有一第一深度的一柵極溝渠以及具有一第二深度的一強(qiáng)化溝渠，其中所述柵極溝渠以及所述強(qiáng)化溝渠位于所述外延層中； 進(jìn)行一氧化步驟，以形成一柵極絕緣結(jié)構(gòu)以覆蓋所述柵極溝渠的一內(nèi)壁，并形成一強(qiáng)化絕緣結(jié)構(gòu)，其覆蓋所述強(qiáng)化溝渠的一內(nèi)壁；以及 將具有所述第一導(dǎo)電型的一材料填入所述柵極溝渠與所述強(qiáng)化溝渠中，使得所述強(qiáng)化溝渠成為位于所述保護(hù)環(huán)中的一強(qiáng)化結(jié)構(gòu)。
12.如權(quán)利要求11所述的形成溝渠式金氧半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于，所述第一導(dǎo)電型為N型。
13.如權(quán)利要求11所述的形成溝渠式金氧半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于，所述第一導(dǎo)電型為P型。
14.如權(quán)利要求11所述的形成溝渠式金氧半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于，所述注入步驟在所述刻蝕步驟之前進(jìn)行。
15.如權(quán)利要求11所述的形成溝渠式金氧半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于，所述注入步驟在所述刻蝕步驟之后進(jìn)行。
16.如權(quán)利要求11所述的形成溝渠式金氧半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于，所述柵極溝渠的一開(kāi)口大于所述強(qiáng)化溝渠的一開(kāi)口。
17.如權(quán)利要求11所述的形成溝渠式金氧半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于，所述第二深度大于所述第一深度。
18.如權(quán)利要求11所述的形成溝渠式金氧半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于，所述材料完全填滿所述柵極溝渠與所述強(qiáng)化溝渠。
19.如權(quán)利要求11所述的形成溝渠式金氧半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于，所述材料密封所述強(qiáng)化溝渠以形成一氣隙。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種溝渠式金氧半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，包含基材、外延層、溝渠、柵極絕緣結(jié)構(gòu)、溝渠式柵極、保護(hù)環(huán)、以及位于此保護(hù)環(huán)中的強(qiáng)化結(jié)構(gòu)?；木哂械谝粚?dǎo)電型、第一面、以及相對(duì)第一面的第二面。外延層具有第一導(dǎo)電型并位于第一面上。溝渠位于外延層中。柵極絕緣結(jié)構(gòu)覆蓋溝渠的內(nèi)表面。溝渠式柵極位于溝渠中并具有第一導(dǎo)電型。保護(hù)環(huán)具有第二導(dǎo)電型并位于外延層中。強(qiáng)化結(jié)構(gòu)具有電性絕緣材料并位于此保護(hù)環(huán)之中。
文檔編號(hào)H01L21/336GK102820321SQ20121004805
公開(kāi)日2012年12月12日 申請(qǐng)日期2012年2月28日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月10日
發(fā)明者郭錦德, 陳逸男, 劉獻(xiàn)文 申請(qǐng)人:南亞科技股份有限公司