具有錐形柵極結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體器件和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明通常涉及半導(dǎo)體器件和對應(yīng)的形成方法，且更具體地涉及形成對高電場和機械應(yīng)力抵抗的半導(dǎo)體器件的柵極結(jié)構(gòu)。
【背景技術(shù)】
[0002]半導(dǎo)體器件通常包括通過柵極氧化物與鄰近的半導(dǎo)體主體絕緣的導(dǎo)電柵電極。在器件的操作期間，施加到柵電極的電位在柵極氧化物兩端發(fā)展并控制在半導(dǎo)體主體的溝道區(qū)中流動的電流。
[0003]某些應(yīng)用，例如功率開關(guān)應(yīng)用需要相當大的開關(guān)電壓，其如果沒有被正確計及則可引起器件故障。隨著時間的過去，用于形成柵極氧化物的電介質(zhì)材料在受到過大的電場時趨向于擊穿(break down)。因此，柵極氧化物的區(qū)(其中電場最高)代表最易受電介質(zhì)擊穿攻擊的區(qū)。
[0004]電介質(zhì)擊穿的問題可由柵極氧化物中的物理缺陷而更復(fù)雜。這些缺陷中的一些由于施加在柵極氧化物上的機械應(yīng)力而出現(xiàn)。例如，與器件制造和操作相關(guān)聯(lián)的高溫可導(dǎo)致鄰近柵極氧化物的材料的不希望有的熱膨脹。這個熱膨脹可充分地使柵極氧化物變形，使得性能降低(例如通過增加的泄漏電流)或可引起完全的器件故障。
[0005]處理上面描述的問題的一種工藝技術(shù)涉及設(shè)定在器件制造期間被嚴密地監(jiān)控的最小柵極氧化物厚度。柵極氧化物厚度在器件性能中起重要的作用。使柵極氧化物變厚降低了電容但增加了器件的導(dǎo)通電阻。器件的閾值電壓(Vt)是柵極氧化物厚度和在溝道區(qū)中的半導(dǎo)體材料的摻雜水平的函數(shù)。因此，使柵極氧化物變厚并實現(xiàn)目標閾值電壓的唯一方式是減小在溝道區(qū)中的摻雜水平，這又增加器件的導(dǎo)通狀態(tài)電阻。因此，對器件的柵極氧化物厚度的調(diào)整導(dǎo)致在性能和可靠性之間的折衷。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]公開了半導(dǎo)體器件。根據(jù)實施例，半導(dǎo)體器件包括具有第一表面的半導(dǎo)體主體。第一溝槽在半導(dǎo)體主體中形成，并包括在垂直方向上從第一表面延伸的第一和第二側(cè)壁和在第一橫向方向上在第一和第二側(cè)壁之間延伸的第一溝槽底部。存在填充第一溝槽的場電介質(zhì)。第二溝槽在場電介質(zhì)中的第一溝槽內(nèi)形成，并包括內(nèi)和外側(cè)壁。第一溝槽的第一和第二側(cè)壁以及第二溝槽的內(nèi)和外側(cè)壁在垂直于第一橫向方向并垂直于垂直方向的第二橫向方向上沿著半導(dǎo)體主體延伸。第二溝槽包括鄰近于在第二橫向方向上的窄部分的加寬部分。在加寬部分中，內(nèi)和外側(cè)壁平行于在第二橫向方向上的第一側(cè)壁延伸。在窄部分中，內(nèi)和外側(cè)壁之一不垂直和不平行于在第二橫向方向上的第一側(cè)壁。
[0007]根據(jù)另一實施例，公開了半導(dǎo)體器件。半導(dǎo)體器件包括具有與第二表面垂直地間隔開的第一表面的半導(dǎo)體主體。第一溝槽從第一表面垂直地延伸到半導(dǎo)體主體內(nèi)，并包括在平行于第一表面的橫向方向上跨越半導(dǎo)體主體延伸的第一和第二側(cè)壁。場電極被布置在第一溝槽中并通過場電介質(zhì)與半導(dǎo)體主體電絕緣。第一柵電極被布置在第一溝槽中。第一柵電極通過場電介質(zhì)與場電極電絕緣，并通過第一柵極氧化物與半導(dǎo)體主體電絕緣。第一柵電極包括在橫向方向上連續(xù)地連接并鄰近于彼此的加寬和錐形部分。第一柵極氧化物與在橫向方向上的第一側(cè)壁形成非垂直角。
[0008]此外，公開了形成半導(dǎo)體器件的方法。根據(jù)實施例，該方法包括在半導(dǎo)體主體中形成第一溝槽，第一溝槽包括在垂直方向上從半導(dǎo)體主體的第一表面延伸的第一和第二側(cè)壁和在第一橫向方向上在第一和第二側(cè)壁之間延伸的第一溝槽底部。用場電介質(zhì)將第一溝槽填充一直到第一表面。在場電介質(zhì)中的第一溝槽內(nèi)形成第二溝槽，第二溝槽包括內(nèi)和外側(cè)壁。第一溝槽的第一和第二側(cè)壁以及第二溝槽的內(nèi)和外側(cè)壁被形成，以便在垂直于第一橫向方向并垂直于垂直方向的第二橫向方向上沿著半導(dǎo)體主體延伸。形成第二溝槽包括形成鄰近于在第二橫向方向上的窄部分的加寬部分。在加寬部分中的外側(cè)壁平行于在第二橫向方向上的第一側(cè)壁延伸。在窄部分中的外側(cè)壁遠離在第二橫向方向上的第一側(cè)壁延伸。
[0009]本領(lǐng)域中的技術(shù)人員在閱讀下面的詳細描述時并在觀看附圖時將認識到附加的特征和優(yōu)點。
【附圖說明】
[0010]附圖的元件不一定相對于彼此按比例。相似的參考數(shù)字指明對應(yīng)的類似部分。各種所示實施例的特征可組合，除非它們彼此排斥。實施例在附圖中被描繪并在接下來的描述中被詳述。
[0011]根據(jù)實施例，包括圖1A和1B的圖1描繪具有在溝槽中形成的柵極的半導(dǎo)體器件，使得柵極氧化物形成具有溝槽側(cè)壁的垂直角。
[0012]根據(jù)實施例，包括圖2A-2C的圖2描繪具有在場電介質(zhì)中的柵極溝槽的半導(dǎo)體器件，柵極溝槽具有加寬和窄部分，其中柵極溝槽的側(cè)壁與半導(dǎo)體主體的側(cè)壁形成非垂直角。
[0013]根據(jù)實施例，包括圖3A-3B的圖3描繪具有在柵極溝槽中形成的柵電極和柵極氧化物的半導(dǎo)體器件。
[0014]根據(jù)實施例，圖4描繪柵極溝槽的加寬和窄部分的交替配置。
[0015]根據(jù)實施例，包括圖5A-5C的圖5描繪可用于形成不垂直于半導(dǎo)體主體的側(cè)壁的柵極溝槽的掩蔽步驟。
[0016]根據(jù)實施例，包括圖6A-6B的圖6描繪在掩蔽蝕刻場電介質(zhì)以形成柵極溝槽之后的半導(dǎo)體器件。
【具體實施方式】
[0017]本文描述的實施例提供具有與半導(dǎo)體主體形成非垂直和非平行角的柵極氧化物的半導(dǎo)體器件。半導(dǎo)體器件可被配置為溝槽-柵極器件，其中柵電極在半導(dǎo)體主體的第一表面之下在溝槽內(nèi)形成。可通過在第一表面中蝕刻具有第一和第二側(cè)壁的第一溝槽、用場電介質(zhì)填充第一溝槽(例如通過在溝槽中形成夾層電介質(zhì))一直到第一表面、蝕刻暴露第一和第二側(cè)壁之一的場電介質(zhì)中的第二溝槽、在第二溝槽內(nèi)沿著被暴露的側(cè)壁形成柵極氧化物并在鄰近于柵極氧化物的第二溝槽中形成導(dǎo)電柵電極來提供這個布置。第二溝槽是錐形的，使得它包括加寬部分和窄部分。從第一表面的平面透視圖，在加寬部分中的第二溝槽的側(cè)壁被間隔開并平行于彼此。在窄部分中，第二溝槽的側(cè)壁朝著彼此延伸。因此，在第二溝槽中形成的柵電極和柵極電介質(zhì)也具有對應(yīng)的錐形幾何結(jié)構(gòu)。
[0018]有利地，柵極氧化物的得到的配置在柵極結(jié)構(gòu)的端部處的柵極氧化物中逐漸分散電場。也就是說，在柵極結(jié)構(gòu)的端部處的柵電極和柵極氧化物的逐漸變細消除了在器件的操作期間易受電介質(zhì)擊穿的氧化物的突然的拐角。此外，柵極氧化物的機械持久性被提高了，因為鄰近材料的膨脹力跨越較大的表面積并跨越多于兩個的平面而分布。此外，控制柵極氧化物厚度的能力被改進了，因為在場中的第二溝槽的非垂直角在氧化期間比垂直角更不容易受到柵極氧化物變薄。
[0019]參考圖1，描繪了半導(dǎo)體器件100。圖1A描繪在半導(dǎo)體主體104的第一表面102之上的器件100的平面透視圖，而圖1B描繪沿著在圖1A中指示的線A-A’的器件100的橫截面透視圖。
[0020]圖1的器件包括布置在第一表面102之下的第一溝槽108中的柵電極106。柵電極可在第二溝槽110中形成，第二溝槽110在第一溝槽106中的場電介質(zhì)112內(nèi)形成。柵電極106通過柵極氧化物114與半導(dǎo)體主體104電絕緣。以參考Blank的美國專利申請13/307, 465的圖14A-14D描述的方式可形成圖1的半導(dǎo)體器件，該專利申請的內(nèi)容通過引用被全部并入。
[0021]如在圖1A的自頂向下視圖中所示的，包括柵電極106和柵極氧化物114的柵極結(jié)構(gòu)的端部116形成具有第一溝槽108的側(cè)壁的垂直角。在圖1中的柵極結(jié)構(gòu)的幾何結(jié)構(gòu)不利地使器件100更易受到起因于高度集中的電場的故障。在器件100的操作期間，最高電梯度在柵極氧化物114的拐角(包括在柵極結(jié)構(gòu)的端部116處的拐角)處產(chǎn)生。也就是說，柵極氧化物114的90度拐角代表最易受到電介質(zhì)擊穿攻擊的器件100的區(qū)。此外，柵極氧化物114的厚度最難在這個區(qū)中控制。由于諸如2D (二維)氧化效應(yīng)的現(xiàn)象以及3D (三維)一般在第一溝槽106的拐角處比鄰近區(qū)更薄。作為結(jié)果，柵極氧化物114變?nèi)跚腋资艿诫姎夤收虾?或電熱故障。
[0022]參考圖2，描繪了消除上面討論的90度角的半導(dǎo)體器件200。圖2A描繪器件200的平面圖。圖2A描繪器件200的平面圖。圖2B描繪沿著在圖2A中指示的橫截面線A-A’的器件200的橫截面視圖。圖2C描繪沿著在圖2A中指示的橫截面線B-B’的器件200的橫截面視圖。平面A-A’和B-B’平行于彼此并與彼此間隔開。
[0023]半導(dǎo)體器件200在具有與第二表面206垂直地間隔開的第一表面204的半導(dǎo)體主體202中形成。第一和第二表面204、206可平行于彼此。
[0024]半導(dǎo)體器件200包括具有從第一表面204延伸到半導(dǎo)體主體202中的第一和第二側(cè)壁210、212的第一溝槽