专利名称：在分立的功率mos场效应管集成传感场效应管的器件及方法
技术领域：
本发明的实施例主要关于半导体器件，更确切地说，是关于包含功率MOS场效应管以及一个或多个带有共栅极和漏极端以及分立的源极端的传感MOS场效应管在内的半导体器件。
背景技术：
在电路中，确定电流流经负载的方法之一就是使用金属氧化物半导体场效应管 (M0S场效应管)，用于电流传感。传统的电流传感功率MOS场效应管通常包含上千个并联在一起的晶体管单元，共享共漏极、源极和栅极电极。器件内的每个晶体管单元或元件都是相同的，器件漏极端的电流在它们之间也相同。在这种设计中常见的情况是，其中某些晶体管的源极电极与剩余的源极电极分开，连接到一个分立的源极端上。因此，所产生的电流传感 MOS场效应管可以看成是相当于两个或多个并联的晶体管，具有共栅极和漏极端，以及分立的源极端。这些晶体管中的第一部分，包含电流传感功率MOS场效应管中的大多数的晶体管单元，通常称为主场效应管。第二部分，包含具有分立的源极端的多个晶体管单元，称为传感场效应管。在使用过程中，传感场效应管仅仅传导共漏极端上的一小部分电流，这一小部分电流与传感比η成反比，其中η为电流比，取决于主场效应管中的晶体管单元数量与传感场效应管中的晶体管单元数量之比。定义传感比η，是为了使传感场效应管和主场效应管的源极端保持在同一电势下进行传导。当传感比已知时，流经器件的总电流，以及器件所连接的负载上的负载电流，可以通过测量传感场效应管上的源极电流(即在漏极和源极电极之间，流经传感场效应管的电流通路的电流)计算出来。美国专利号为5，079，456的专利提出了一种用于测量并/或控制传感场效应管中的电流等级的方法和装置，其中传感场效应管含有一个功率晶体管以及一个传感晶体管。 将这两个晶体管偏置，在线性模式下工作，传感晶体管的源极-漏极电压Vds，与功率晶体管的预设的那部分Vds作比较。所产生的控制信号表示比较的结果，在一个实施例中，该控制信号用在反馈装置中，用于将传感晶体管的Vds，驱动到功率晶体管的预设部分Vds因此，使传感晶体管上所承载的电流的等级，与功率晶体管上所承载的电流的预设部分相等。美国专利号为5，408，141的专利提出了一种集成的功率器件，包含一个功率晶体管和五个传感晶体管。其中四个传感晶体管，在尺寸上，都与功率晶体管成比例，并且利用与功率晶体管的零件相同的制备过程，制造在功率晶体管的有源区的外围区域附近。第五个传感晶体管位于功率晶体管的有源区内部，利用金属互联的第二等级，连接到第五个传感晶体管所需的源极区上，以形成源极接触。美国专利号为5，962，912的专利提出了一种具有晶体管单元结构的功率半导体零件，该零件含有一个金属电阻追踪，通过一个非导电层，与功率半导体零件的半导体本体以及控制电极绝缘。该电阻追踪位于功率半导体单元之间的水平区域中。利用电阻追踪，零件的有源区不会做得更小，同时制备电阻追踪与零件的金属层，零件的金属层提供与功率半导体的主电极接触，因此增加电阻追踪不需要额外的制备步骤。然而，传感场效应管和主场效应管之间的引线接合会影响期间的性能。此外，在不增加掩膜层以及制备工艺程序的数量的前提下，有必要研发一种在一个分立的功率MOS场效应管内集成一个或多个传感场效应管的功率器件。正是在这一前提下，提出了本发明的各种实施例。
发明内容
本发明的目的是，在不增加掩膜层以及制备工艺程序的数量的前提下，提供一种在一个分立的功率MOS场效应管内集成一个或多个传感场效应管的功率器件及其制备方法。本发明的技术方案是提供一种半导体器件，包含一个含有源极、本体和栅极的主场效应管；一个含有源极、本体和栅极的传感场效应管，其中传感场效应管的晶体管部分被主场效应管的晶体管包围，并位于主场效应管的晶体管附近；一个位于半导体器件边缘处的传感场效应管源极垫，其中传感场效应管源极垫与传感场效应管的晶体管部分分开，并通过传感场效应管探针金属，连接到传感场效应管的晶体管部分；以及一个电绝缘结构，使主场效应管的源极和本体区与传感场效应管的源极和本体区电绝缘，其中主场效应管、传感场效应管以及电绝缘结构形成在一个单独的半导体晶片中，通过配置绝缘结构使传感场效应管的晶体管部分以及传感场效应管源极垫位于主场效应管的有源区外部，其中半导体器件是一个分立的垂直场效应管。其中传感场效应管探针金属、主场效应管源极金属以及栅极金属都是同一个单独金属层中分开的部分。其中传感场效应管探针金属并不是一个电阻。其中传感场效应管的晶体管部分不如传感场效应管探针金属宽。其中传感场效应管的晶体管部分位于主场效应管的中心附近。其中传感场效应管晶体管部分、传感场效应管探针金属以及传感场效应管源极垫都通过绝缘结构，与主场效应管分开，并且通过传感场效应管源极垫，位于主场效应管的外围。其中绝缘结构含有一个或多个深势阱，形成在外延层的顶部，其中深势阱使传感场效应管的源极和本体区，与主场效应管的源极和本体区绝缘，其中深势阱的导电类型与主场效应管本体区的导电类型相同。其中深势阱的深度大于主场效应管本体区的深度。其中深势阱的深度约在1微米至2微米之间，主场效应管的本体区深度约在0. 5 微米至0.7微米之间。其中深势阱的掺杂浓度小于主场效应管本体区的掺杂浓度。
其中深势阱的掺杂浓度约为4X 10"Vcm3。其中传感场效应管的晶体管部分和主场效应管之间的深势阱，约为两倍的晶体管单元间距的宽度。其中传感场效应管的晶体管部分和主场效应管之间的深势阱宽度约为2至10微米。其中主场效应管和传感场效应管是由金属氧化物半导体场效应管MOSFET构成的。其中传感场效应管和主场效应管之间的电绝缘结构，是由绝缘沟槽附近的本体环构成的，其中一个位于电绝缘上方的金属层，将传感场效应管的栅极电连接到主场效应管的栅极。本发明的另一技术方案是提供一种用于制备含有一个主场效应管和一个传感场效应管的半导体器件的方法，包含a)在一个衬底中，制备主场效应管的源极、本体和栅极；b)在衬底中，制备传感场效应管的源极、本体和栅极，其中传感场效应管位于主场效应管的中心附近，其中传感场效应管的晶体管部分被主场效应管的晶体管包围着，并位于主场效应管的晶体管附近，以减少传感场效应管测量的失真和误差，其中传感场效应管和主场效应管为垂直场效应管，共享一个公共衬底；c)在衬底中，制备一个电绝缘结构，使主场效应管的源极和本体区，与传感场效应管的源极和本体区电绝缘；并且d)制备一个位于主场效应管边缘处的传感场效应管源极垫，并通过传感场效应管探针金属连接到传感场效应管上，其中传感场效应管和传感场效应管源极垫，通过电绝缘结构，与主场效应管分开。所述的方法，其中a)至d)包含i)在一个重掺杂的第一导电类型的衬底上方，制备一个第一导电类型的外延层；ii)在外延层上方制备一个深势阱掩膜；并且iii)在半导体器件的绝缘结构区域中的外延层的顶部，植入第二导电类型的掺杂物，以形成深势阱区，第二导电类型与第一导电类型相反。其中iii)还包含制备深势阱区，使深势阱区的深度约为1至2微米，掺杂浓度约为 4 X IO1Vcm30所述的方法，还包含制备主场效应管栅极沟槽、传感场效应管栅极沟槽以及绝缘沟槽，其中绝缘沟槽位于主场效应管和传感场效应管之间，并构成一部分所述的电绝缘，其中绝缘沟槽不连接栅极电压；在所述的电绝缘结构上方，沉积一个绝缘层；并且在所述的电绝缘上方的绝缘层，制备一个金属层，所述的金属层将传感场效应管的栅极连接到主场效应管的栅极。其中所述的半导体器件是一个分立的垂直场效应管。
阅读以下详细说明并参照以下附图之后，本发明的其他特征和优势将显而易见图1表示依据本发明的一个实施例，该半导体器件的俯视平面图。图IA表示依据本发明的一个实施例，半导体器件的俯视平面图，以表示钝化层。图2表示图1所示的半导体器件沿B-B线的剖面示意图。图3A-3D所示的示意图，表示依据本发明的一个实施例，半导体器件的可选传感场效应管结构的俯视图。图4A-4H表示依据本发明的一个实施例，制备一种半导体器件的一系列剖面示意图。图5A表示依据本发明的一个实施例，一种位于器件中心附近的带有传感场效应管探针的半导体器件的俯视示意图。图5B表示图5A所示的带有钝化层的半导体器件的俯视图。图6A表示图5A-5B所示的传感场效应管探针的俯视示意图。图6B表示图6A沿A-A，线的剖面图。图6C表示图6A沿B-B，线的剖面图。图7表示图5A-5B所示的半导体器件沿A_A’线的剖面图。图8表示主晶片和传感场效应管探针的电流线的示意图。图9和图10B-B，至16B-B，表示制备图5A-5B和6C所示的一类半导体器件沿B-B， 线的一系列剖面示意图。图9A和图10C-C，至16C-C，表示制备图5A-5B和7所示的一类半导体器件沿C-C， 线的一系列剖面示意图。
具体实施例方式尽管为了解释说明，以下详细说明包含了许多具体细节，但是本领域的任何技术人员都应理解基于以下细节的多种变化和修正都属本发明的范围。因此，本发明的典型实施例的提出，对于请求保护的发明没有任何一般性的损失，而且不附加任何限制。同时参照图1、图IA和图2可以理解本发明实施例的各个方面。图1表示依据本发明的一个实施例，半导体器件100的俯视平面图。如图1所示，半导体器件100包含一个公共衬底101、一个沉积在公共衬底101中的主场效应管102、以及一个或多个也沉积在公共衬底中的传感场效应管104。如图1中的示例所示，传感场效应管104可以位于被主场效应管102的有源区包围的区域中。主场效应管102可以是金属氧化物半导体场效应管(M0S 场效应管)，通常是功率MOS场效应管，可以将其配置成条纹单元或封闭式单元。传感场效应管104也可以是金属氧化物半导体场效应管(M0S场效应管)，从而配置成条纹单元或封闭式单元。主场效应管102和传感场效应管104都形成于公共衬底101。每个主场效应管 102和传感场效应管104都含有各自的源极、栅极和漏极结构。源极结构形成在公共衬底 101的本体层中。漏极垫103(参见图幻形成在衬底101的背部。构成主场效应管102的栅极和源极结构，一般位于主场效应管源极金属106的下方。传感场效应管104的源极结构电连接到传感场效应管源极金属108上。构成传感场效应管104的栅极和源极结构，一般位于一部分传感场效应管源极金属108的下方。然而，为了避免引线接合作用带来的损害，这些结构通常并不位于传感场效应管源极垫118(有时也称为传感垫)的下方。由于传感场效应管单元的数量通常比主场效应管单元的数量小多个数量级，因此这种对传感场效应管单元造成的损害，将极大地影响所需的传感比的准确性。虽然主场效应管元件也会受到引线接合作用所带来的损害，但是受损的主场效应管单元的数量比主场效应管单元的总数小得多，从而不会极大地影响所需传感比的准确性。传感场效应管源极金属108可以覆盖整个传感场效应管源极区，并延伸到有源传感场效应管单元104之外的区域，传感垫就直接形成在场效应管源极金属108上，或在传感场效应管源极金属108上方的钝化层上方。为了简便，图1并没有表示出钝化层。图IA给出了与图1 相同的俯视图，但表示出了钝化层208以及钝化层208中所开的窗口，依据本发明的一个实施例，该窗口用于接合到主场效应管源极金属106、传感场效应管源极金属108以及外部栅极金属111。钝化层208中的窗口所裸露的金属，实际上构成了栅极垫120、主场效应管源极垫107以及传感场效应管源极垫118。显然，传感场效应管104并不是直接位于传感场效应管源极垫118的下方。主场效应管102和传感场效应管104的栅极结构，通过一个公共栅极金属110，相互电连接到一起。第一金属隙112可以将主场效应管源极金属106与公共栅极金属110电绝缘。第二金属隙114可以位于公共栅极金属110和传感场效应管源极金属108之间。第三金属隙115可以位于主场效应管源极金属106和外部栅极金属111之间。导体填充沟槽 (图1没有表示出)形成在衬底101的本体中，并通过内衬在沟槽侧壁上的一层氧化物与衬底绝缘，例如通过导体填充沟槽，可以实现主场效应管102和传感场效应管104的栅极端， 与公共栅极金属110之间的电连接。这些导体填充沟槽还将公共栅极金属110与外部栅极金属111连接起来。主场效应管源极金属106、传感场效应管源极金属108、外部栅极金属 111以及公共栅极金属110，可以形成于沉积在衬底101上方的单一带图案的金属层。栅极垫120可以沉积在外部栅极金属111上。主场效应管源极金属106、传感场效应管源极金属108、外部栅极金属111以及公共栅极金属110，都可以被钝化层208覆盖(参见图IA和图幻。到主场效应管源极金属 106上的外部电连接，可以通过钝化层208中的通孔，连接到沉积在钝化层208上的主场效应管源极垫上。还可选择，主场效应管源极垫可以形成于一部分主场效应管源极金属106， 主场效应管源极金属106通过钝化层208中的窗口裸露出来。与之类似，到传感场效应管源极金属108上的外部电连接，可以通过钝化层208，连接到沉积在传感场效应管源极金属 108上方的钝化层上的传感场效应管源极金属垫118(传感垫)。还可选择，传感场效应管源极垫118可以形成于一部分传感场效应管源极金属108，传感场效应管源极金属108通过钝化层108中的窗口裸露出来。几乎主场效应管源极金属106的整个表面，一般都可用于引线接合。另外，到栅极金属110的外部电连接，可以通过钝化层，连接到沉积在栅极金属110上方的钝化层上的栅极垫120。然而，在图1、图IA和图2所示的实施例中，栅极垫 120形成于外部栅极金属111。公共栅极金属110和外部栅极金属111，通过栅极滑道沟槽 222(图幻，在下面连接在一起。主场效应管102和传感场效应管104的漏极，可以通过衬底101的下部，电连接到一个公共漏极垫103(参见图幻，公共漏极垫103可能形成在公共衬底101的背部。半导体器件100也含有一个电绝缘体122，它形成在主场效应管102和传感场效应管104之间的公共衬底101的本体层中，如图2所示。在图1所示的示例中，电绝缘体122位于第一金属隙112和第二金属隙114之间。作为示例，可以以掺杂本体207和沟槽环209 的组合形式，制成电绝缘体122。电绝缘体122在公共衬底101的本体内，为主场效应管102 和传感场效应管104的源极结构之间提供电绝缘。如图2所示，主场效应管102可以含有多个场效应管结构，每个场效应管结构都包含一个带有沟槽的栅极202、以及通过适当掺杂衬底101的部分本体区201所形成的源极 204。每个主场效应管器件的栅极202都以沟槽的形式，内衬有氧化物等绝缘体，并用导电的多晶硅填充。栅极202可以垂直于B-B横截面，穿过一个或多个平行于B-B横截面的沟槽栅极，电连接到栅极滑道沟槽222上，栅极滑道沟槽222通过绝缘层206，经由一个或多个导电通孔203，电连接到公共栅极金属110上。栅极滑道沟槽222也连接到外部栅极金属111上。一个主场效应管单元的源极204可以通过一个主场效应管源极金属106，并联到其他的这种器件上，源极区204可以穿过绝缘层206，通过导电通孔205，电连接到主场效应管源极金属106上。主场效应管源极金属106可以通过穿过一部分钝化层208的导电通孔，电连接到主场效应管源极垫上，那部分钝化层208位于源极垫下方，主场效应管源极金属106上方。还可选择，主场效应管源极垫可以形成于未被钝化层108中的窗口覆盖的那部分主场效应管源极金属106。一般允许几乎主场效应管源极金属106的整个表面，用作接合引线的接合区。同样地，传感场效应管104也含有多个器件结构，每个器件结构都包含一个带沟槽的栅极210，带沟槽的栅极210通过一个或多个垂直的栅极沟槽，电耦合到栅极滑道224 上。栅极滑道2M通过通孔211，连接到公共栅极金属110上。从公共栅极金属110开始， 经由外部栅极金属111和栅极滑道222，栅极滑道2 也电连接到栅极垫120上。传感场效应管源极212经由传感场效应管源极金属108，通过通孔225，电耦合到其他传感场效应管单元源极上。带沟槽的栅极210、源极212以及本体区221都可以与上述主场效应管栅极202、源极204和本体201所述的方式配置。传感场效应管源极金属108可以通过形成在钝化层208中的导电通孔，电连接到传感场效应管源极垫(传感垫)118上。还可选择， 传感垫形成于一部分传感场效应管源极金属108，那部分传感场效应管源极金属108通过钝化层208中的窗口裸露出来。公共栅极金属110将主场效应管102的带沟槽的栅极滑道 222，与传感场效应管104的带沟槽的栅极滑道224电连接起来。第一金属隙112将主场效应管源极金属106与公共栅极金属110电绝缘，第二金属隙114将传感场效应管源极金属 108与公共栅极金属110电绝缘。如上所述，主场效应管和传感场效应管器件的源极和本体区都形成在同一个衬底 101中。电绝缘体122使这两个源极和本体区绝缘。作为示例，电绝缘体122可能含有本体植入环207以及一个电绝缘和电浮动的多晶硅填充沟槽209，在主场效应管102和传感场效应管104之间提供电绝缘。制备本体植入环207可以通过对部分衬底101进行适当地掺杂。沟槽209的结构类似于沟槽栅极202、210，但与沟槽栅极电绝缘。为了使主场效应管和传感场效应管源极金属106和108以及公共栅极金属110电绝缘，钝化层208可以填充在金属隙112和114中，并且钝化层208沉积在主场效应管源极金属106、传感场效应管源极金属108和公共栅极金属110上方。还可选择，省去一部分或全部钝化层208，接合引线直接分别连接到主场效应管源极金属106、传感场效应管源极金属108以及公共栅极金属110 上。
依据本发明的实施例，半导体器件还可能有多种不同的设计布局。图3A-3D表示依据本发明的一个实施例，一种半导体器件的几个可选的传感场效应管结构的俯视示意图。作为示例，半导体器件300可能含有一个传感场效应管，位于主场效应管的有源区内部，如图3A所示。半导体器件300含有一个传感场效应管304，位于主场效应管302的中心附近。主场效应管302和传感场效应管304的源极金属位于场效应管以及相应的源极垫 303和308以及栅极垫306之间。形成在公共金属层中的缝隙305、307，将公共金属层分成主场效应管302和传感场效应管304的栅极金属区和源极金属区。主场效应管和传感场效应管的源极垫303、308位于相应的金属区上方。栅极垫306位于一部分栅极金属区上方。 用虚线表示的电绝缘体309可能形成在衬底的本体部分中，以一种适宜的方式，使主场效应管302和传感场效应管304的源极区电绝缘。传感场效应管304位于主场效应管302的拐角附近，如图中的半导体器件301 所示。还可选择，使传感场效应管304位于主场效应管302的边缘附近，如图3C中的半导体321所示。仅仅改变一个源极掩膜层，就可以调节主场效应管和传感场效应管之间的电流比。带有不同电流比的多个传感场效应管可以轻松地集成在主功率MOS场效应管内。 图3D表示一种半导体器件310，它含有两个传感场效应管312和314，位于主场效应管302 的拐角附近。主场效应管和两个传感场效应管的源极金属位于场效应管和相应的源极垫 311、313、315和栅极垫317之间。形成在公共金属层中的缝隙316、318、319，将公共金属层分成主场效应管和每个传感场效应管的栅极金属区和源极金属区。主场效应管和传感场效应管的源极垫311、313、315位于相应的金属区上方。栅极垫317位于一部分栅极金属区上方。用虚线表示的电绝缘体320可能形成在衬底的本体部分中，以一种适宜的方式，使主场效应管和传感场效应管的源极区电绝缘。制备上述类型的半导体器件还可能有许多不同的方法。作为示例，图4A-4H表示依据本发明的一个实施例，制备一种N-通道MOS场效应管半导体器件的一系列剖面示意图。可以使用类似的工艺，制备P-通道MOS场效应管器件。如图4A所示，N-外延层404 可以形成在N+衬底402上方。然后，在N-外延层404上方制备一个沟槽掩膜(图中没有表示出)。通过沟槽掩膜，将N-外延层404刻蚀到预设的深度，形成主场效应管栅极沟槽 403A、主场效应管栅极滑道沟槽40;3B、传感场效应管栅极沟槽405A和传感场效应管栅极滑道沟槽405B以及绝缘沟槽406，如图4B所示。然后在沟槽403A、403B、405A、405B和406的侧壁上，生长栅极氧化物410。用多晶硅等导电材料408填充沟槽403、405和406，并回刻， 如图4C所示。按照这种方法，在公共的制备过程中，可以同时形成源极端、沟槽栅极以及绝缘沟槽。为了制备源极区和电绝缘体，可以对外延层404植入与其掺杂极性(即导电类型) 相反的掺杂物。作为示例，可将本体掩膜(图中没有表示出)植入P-型掺杂物412，并在主场效应管栅极沟槽403A、主栅极滑道沟槽40;3B、传感场效应管栅极沟槽405A、传感场效应管栅极滑道沟槽405B以及绝缘沟槽406附近的N-外延层404中退火。如图4D所示，绝缘沟槽406附近的P-型掺杂物412构成本体环，有助于在主场效应管和传感场效应管之间提供电绝缘。通过这种方式，主场效应管和传感场效应管器件区域以及本体环都可以在公共的制备过程中同时形成。要注意的是，在本例中，为了制备N-通道器件，要在N-型掺杂外延层404中植入P-型掺杂物。还可选择，在P-型掺杂外延层中植入N-型掺杂物，以制备 P-通道器件。如图4E所示，植入N+型掺杂物，并退火，以制备主场效应管源极区413以及传感场效应管源极区414。在N-外延层404上方，沉积一个绝缘层416，例如含有硼酸的硅玻璃 (BPSG)。如图4F所示，回刻绝缘层416，以便分别在主场效应管栅极滑道沟槽40 和传感场效应管栅极滑道沟槽405B的上方形成接触开口 417和418 ；并且分别形成主场效应管源极和传感场效应管源极的接触开口 430和431。可以穿过接触开口 430和431，植入接触植入物 432、434。导电层沉积在绝缘层416上方的接触开口 417、418、430和431内，形成图案，以制成公共栅极金属420 (电连接到主场效应管栅极滑道沟槽40 和传感场效应管栅极滑道沟槽405B)、主场效应管源极金属421和传感场效应管源极金属422。如图4G所示，回刻导电层，形成开口 423，以便使公共栅极金属420和主场效应管源极金属421之间绝缘，并形成开口 424，以便使公共栅极金属420和传感场效应管源极金属422之间绝缘。最后，如图4H所示，沉积钝化层426，在开口 423、似4内以及在公共栅极金属420、主场效应管源极金属421 以及传感场效应管源极金属422上方。图4A-4H所示的方法仅仅表示在一个公共衬底上制备N-通道主场效应管和传感场效应管，并且传感场效应管并不在传感场效应管源极垫下面。然而，利用本方法，无需使用额外的制备工艺以及额外的掩膜层，就能够在一个带有主场效应管的公共衬底上轻松制备带有多种不同电流比的多个传感场效应管。本发明的实施例使主场效应管、传感场效应管以及它们之间的电绝缘，可以在公共的制备过程中，形成在同一半导体衬底上。尽管，依据本发明的实施例，制备器件所用的工艺特点和顺序都很常见，但是制备过程中用于制备电绝缘以及场效应管器件的掩膜是不同的。依据本发明的一个可选实施例，可以在主场效应管的中心形成一个传感场效应管探针，由于探针周围的传导电流减少，从而使主场效应管的电流比更加准确和稳定。该电流比是电流调节的重要参数。传感场效应管探针的连接，是通过一个位于分立的功率MOS场效应管晶片边缘的传感垫实现的。这种集成不需要额外的掩膜层，也不需要额外的制备工艺。这种集成的传感场效应管探针将与主场效应管共享相同的栅极端和相同的漏极端，但是源极端却与主场效应管隔开。如图5A-5B和图6A-6C所示，半导体器件500的结构中，除了传感场效应管探针位于主场效应管中心处，远离传感场效应管源极垫之外，其他都与图3A所示的半导体器件 300的结构类似。半导体器件500包含一个位于半导体晶片501上方的主场效应管，以及一个位于主场效应管502中心处的传感场效应管探针510。传感场效应管探针510包含一个或多个形成在场效应管结构之间的传感场效应管结构，这些场效应管结构构成主场效应管。传感场效应管源极垫503位于半导体器件500的边缘附近，远离传感场效应管探针 510。传感场效应管探针510通过导电管脚511，连接到传感场效应管源极垫503上，导电管脚511有时也称为传感场效应管探针金属或传感场效应管天线。可以利用与主场效应管源极金属508和栅极金属509相同的金属层，制备传感场效应管探针金属511。最好选用铜或铝等高导电材料，制备传感场效应管探针金属511，并且使传感场效应管探针金属511足够宽，使导电管脚不会成为一个电阻。要让传感场效应管510(位于探针金属511下方)不能比探针金属511更宽或更长。传感场效应管源极垫503最好位于器件500的外围，并在空间上远离传感场效应管所在的位置。传感场效应管510的晶体管部分在主场效应管晶体管周围，大部分都被主场效应管晶体管包围，以使测量的失真或差异降至最低。通过缝隙505以及下面的电绝缘结构，传感场效应管探针510、导电管脚511以及传感场效应管源极垫503都与主场效应管502电绝缘，这与上述图2所示的带有掺杂本体环合绝缘沟槽的电绝缘体122类似。缝隙505和绝缘结构包围着传感场效应管探针510。 作为示例，半导体器件500可以是一个分立的垂直功率MOS场效应管。主场效应管502与集成电路(IC)芯片不同的是，IC芯片具有多个没有并联在一起的晶体管，并且晶体管上带有不同的栅极信号，而主场效应管502是由与公共栅极信号并联工作的多个晶体管构成的，起一个单独的分立的功率MOS场效应管的作用。电绝缘体(例如上述图2所示的电绝缘体12 ，或带有栅极沟槽、不带有源极植入物的区域，或深势阱植入物512，都可以以一种适当的模式形成在衬底顶部，以使主场效应管502的源极和本体区与传感场效应管探针510的源极和本体区绝缘。深势阱512的导电类型可以与主场效应管本体区相同，但掺杂浓度较低，例如约为4 X IOlfVcm3。深势阱可以比主场效应管本体区更深，例如大约1-2微米(μ m)深，或更确切地说是在1. 4至2微米(或约为1. 7μπι)之间，但不能深过栅极沟槽。作为参考，典型的本体区深度约为0. 5至0. 7 μ m。 深势阱绝缘可能是几倍的晶体管单元间距的宽度，例如2至10 μ m宽。深势阱绝缘的宽度可以小到一个晶体管单元的间距一样小。这取决于制造设备的加工能力。传感场效应管源极金属608和主场效应管源极金属618必须不短路或桥接，使它们两个之间留有足够的缝隙，缝隙的尺寸取决于制造设备的加工能力。传感场效应管周围的绝缘结构也终止了有源区电压，从而使传感场效应管探针 510、导电管脚511和传感场效应管源极垫503由于缝隙505，而位于主场效应管有源区以及绝缘结构的“外部”，绝缘结构从有源区的边缘开始延伸。然而，传感场效应管探针510以及导电管脚511使传感场效应管探针510位于带有最小失真的主场效应管502晶体管中。形成传感场效应管源极垫503、导电管脚511以及传感场效应管探针源极金属608的金属层， 可以与栅极金属509以及主场效应管源极金属508 —样。要注意的是，导电管脚511并不是一个电阻性元件。作为示例，如图6A所示，它的宽度至少可以与传感场效应管相同。缝隙507形成在一个公共金属层中，为主场效应管502隔开栅极金属509和主场效应管源极金属508。栅极垫506位于一部分栅极金属509上方。漏极端(图中没有表示出)位于半导体衬底的底部，被主场效应管502和传感场效应管510所共用。图5B表示与图5A所示的半导体器件500相同的俯视图，不同的是在该图中，钝化层533覆盖了除主场效应管源极垫508、栅极垫506和传感场效应管源极垫503之外的整个晶片。未被钝化层533覆盖的传感场效应管探针510和导电管脚511的位置，用虚线表示。如图5A和6B所示，传感场效应管探针510位于主场效应管502的中心，通过缝隙 505，与主场效应管502和绝缘结构515绝缘。作为示例，绝缘结构515可能含有一个绝缘层516，例如BPSG。绝缘结构可能还含有深势阱512，深势阱512形成在N-外延层513的顶部，以及绝缘层516的下方。深势阱512使传感场效应管探针510的源极和本体区，与主场效应管502绝缘。深势阱512的导电类型与本体区相同，但它比本体区更深。深势阱512 的布局大致遵循了图5A所示的缝隙505的布局。外延层沉积在半导体衬底层514的上方。
如图5A和6C所示，导电管脚511、传感场效应管源极垫503以及传感场效应管探针510都通过缝隙505，与主场效应管源极垫508和绝缘结构515绝缘。深势阱512使传感场效应管探针510的源极和本体区，与主场效应管502的源极和本体区绝缘。深势阱512 还提高了终止区和绝缘结构515中的击穿，以确保击穿不会首先在这里(在相对较小的终止和绝缘区中)发生，从而增强了器件的耐用性。深势阱还可作为包围着主场效应管(图中没有表示出)的终止结构的一部分，用在半导体器件中。可以配置绝缘结构515，使传感场效应管510位于绝缘结构515外部，(因此也在主场效应管有源区的“外部”)但是传感场效应管510的晶体管部分大致被主场效应管502 的有源晶体管单元包围。此外，传感场效应管502、探针金属511以及传感场效应管源极垫 503都可以位于绝缘结构515外部。深势阱512也可以位于传感场效应管源极垫503(图 7)下方，以及传感场效应管探针金属511下方。与图2类似，如图6C所示，主场效应管502可以含有多个场效应管结构，每个场效应管结构都含有带沟槽的栅极614，以及由适当掺杂N-外延层513的一部分本体区616所形成的源极612。每个主场效应管器件的栅极614都以沟槽的形式出现，沟槽内衬有氧化物等绝缘体，并用导电多晶硅填充，栅极614可以连接到栅极滑道(图中没有表示出)上， 栅极滑道将它们连接到栅极金属(图中没有表示出)上。栅极614可以与沿A-A横截面中的沟槽栅极垂直。还可选择，栅极614与A-A横截面中的那些元件平行，但此处表示得好像垂直一样，是为了便于说明。一个主场效应管单元的源极612可通过主场效应管源极金属 618，与其他此类器件并联。源极区612可通过绝缘层515，经由导电通孔620、621，与主场效应管源极金属618电接触。可以在通孔620、621和623底部，植入本体接触物610。与之类似，传感场效应管探针510也含有多个器件结构，每个器件结构都含有一个带沟槽的栅极622，电耦合到栅极滑道(图中没有表示出)。栅极滑道连接到公共栅极金属(图中没有表示出)。栅极滑道通过外部栅极金属509，电连接到栅极垫506上。传感场效应管源极602通过传感场效应管源极金属608，经由通孔626，电耦合到其他传感场效应管单元上。可以同上述主场效应管栅极614、源极612和本体616所述地那样，配置带沟槽的栅极622、源极602以及本体区606。主场效应管器件的源极和本体区，以及传感场效应管探针形成在位于(N+)衬底 514上的同一个N-外延层513中。深势阱512使这些主场效应管和传感场效应管的源极和本体区绝缘。图7表示图5A-5B所示的半导体器件500沿C_C’线的剖面图。如图7所示，传感场效应管源极垫503通过缝隙505，与主场效应管502、绝缘层516以及深势阱512绝缘，绝缘层516以及深势阱512可位于传感场效应管源极垫503下方。如图5、6B_6C和7所示，栅极垫506、传感场效应管源极垫503以及传感场效应管探针510可以位于有源区外部，即主场效应管502的终止区中。可以通过带有传感场效应管源极垫503的绝缘结构515，将栅极垫506、传感场效应管源极垫503以及传感场效应管探针510，与主场效应管502分隔开。参见图3A，虽然传感场效应管304位于主场效应管302的中心，但是却在一个相对较大的源极垫303(例如150微米X150微米)下方，难以控制电流传播，因此传感场效应管电流与主场效应管电流的电流比很难控制。通过将一个相对较小的传感场效应管探针(例如尺寸约为20微米X 20微米)置于主晶片场效应管的中心处，并通过一个狭窄的传感场效应管探针导电管脚(如上述图5A-5B所示地那样)，将传感场效应管探针连接到传感场效应管垫上，就会很容易地控制电流传播，从而获得合适的电流比(例如真实的传感比应在设计的传感比的5%以内)。此外，这种设计将传感场效应管置于一个与主场效应管更加接近的温度(温度会影响场效应管电阻/电流)下，以抵抗由于较大的传感场效应管源极垫产生的温差所带来的失真。从主场效应管的边缘到传感场效应管探针之间的宽度，约为主场效应管宽度的一半。其特点是，主场效应管在形状上接近约为I-IOmm2的正方形或长方形。此外，温差较大也会影响电流比和I ds_。n。通过将传感场效应管置于主场效应管中心处，并被主场效应管晶体管包围，使主场效应管晶体管和传感场效应管晶体管中间的温差降低，避免了传感场效应管源极垫带来的过度失真。带有各种不同电流比的多个传感场效应管探针，也能够轻松地集成到主场效应管的中心。图8表示图5A所示的那类半导体器件的主场效应管502和传感场效应管探针510 中的电流线的剖面示意图。如图8所示，由于相对较大的传感场效应管晶片垫(图中没有表示出)已经被移至远离传感场效应管探针510的地方，传感场效应管探针和主场效应管中间的间距缩小，从而获得较小的电流传播。因此，可以更加准确地设计传感场效应管的 Rds。n，使带有最小失真的传感场效应管探针获得所需的电流比。图5A所示的那类半导体器件可用于在栅极沟槽功率MOS场效应管(包含屏蔽栅极沟槽(SGT)或平面栅极功率MOS场效应管)的条纹或封闭式单元技术中。制备上述图5A所示的那类半导体器件，还可能有许多不同的方法。作为示例，图 9-9A和10B-B'至16B-B，和10C-C'至16C-C’为一系列表示制备图5A和图6沿B-B’和 C-C'线所示的那类N-通道MOS场效应管半导体器件的剖面示意图。(一种相似的技术可以用来制备P-通道器件。)与图4A-4H所示的工艺相比，该工艺不需要额外的制备过程以及额外的掩膜层。如图9所示，N-外延层904形成在N+衬底902上方。深势阱掩膜(图中没有表示出)形成在N-外延层904上方。如图9A所示，将极性(即导电类型)与外延层904的掺杂相反的掺杂物，植入到外延层904中，以构成深势阱905A。然后，在N-外延层904上方形成一个沟槽掩膜(图中没有表示出)。如图10B-B’ 和10C-C’所示，通过沟槽掩膜，将N-外延层904刻蚀到预设深度，以形成主场效应管栅极沟槽903、传感场效应管栅极沟槽905以及绝缘沟槽906。然后，在沟槽903、905和906的侧壁上生长栅极电介质(例如氧化物)910。如图11B-B’和11C-C’所示，用导电材料(例如多晶硅)908填充沟槽903、905和906，并回刻。按照这种方法，在公共的制备过程中，可以同时形成源极端、沟槽栅极。作为示例，如图12B-B’和12C-C’所示，通过本体掩膜(图中没有表示出)，植入 P-型掺杂物，并在主场效应管栅极沟槽903、传感场效应管栅极沟槽905附近的N-外延层 904中退火，以制成本体区912和909。本体植入的深度小于深势阱植入的深度。要注意的是，在本例中，为了制备N-通道器件，要在N-型掺杂外延层904中植入P-型掺杂物，以制成本体区912和909。还可选择，在P-型掺杂外延层中植入N-型掺杂物，以制成P-通道器件。
如图i;3B-B，和13C-C，所示，植入N+型掺杂物(就n_通道MOS场效应管而言)， 并退火，以制成主场效应管源极区913和传感场效应管源极区914。在N-外延层904上方， 沉积一个绝缘层916(例如含有硼酸的硅玻璃(BPSG))。如图14B-B’和14C-C’所示，掩膜绝缘层916并回刻，以便在深势阱905A上方制备接触开口 917，并分别形成主场效应管源极和传感场效应管源极的接触开口 930和931。在接触开口 917、930和931的底部，植入本体接触植入物932。如图15B-B，和15C-C，所示，导电层沉积在绝缘层916上方，以及接触开口 917、 918,930和931内，形成图案以制备主场效应管源极金属921和传感场效应管源极金属 922，以及传感场效应管源极垫925。如图15B-B，和15C-C，所示，回刻导电层，形成开口 930， 使主场效应管源极金属921和传感场效应管源极金属922之间绝缘，形成开口 932，使主场效应管源极金属921和传感场效应管源极垫925之间绝缘。最后，如图16B-B’和16C-C’ 所示，钝化层拟6沉积在开口 930、932内，并沉积在主场效应管源极金属921和传感场效应管源极金属922上方。如图9、9A、10B-B，至16B-B，和10C-C，至16C-C，所述的方法，仅仅表示在一个公
共衬底上制备N-通道主场效应管和传感场效应管，并且传感场效应管并不位于传感场效应管源极垫下方。然而，利用此方法，无需额外的制备工艺以及额外的掩膜层，就可以在公共衬底上轻松地制成带有各种不同电流比的多个传感场效应管。本发明的实施例，可以在公共的制备过程中，通过同一半导体衬底，形成主场效应管、传感场效应管以及它们之间的电绝缘。尽管，依据本发明的实施例，制备器件所用的工艺特点和顺序都很常见，但是制备过程中用于制备电绝缘以及场效应管器件的掩膜是不同的。尽管本发明关于某些较佳的版本已经做了详细的叙述，但是仍可能存在其他版本。因此，本发明的范围不应由上述说明决定，与之相反，本发明的范围应参照所附的权利要求书及其全部等效内容。任何可选件(无论首选与否)，都可与其他任何可选件(无论首选与否)组合。在以下权利要求中，除非特别声明，否则不定冠词“一个”或“一种”都指下文内容中的一个或多个项目的数量。除非用“意思是”明确指出限定功能，否则所附的权利要求书并不应认为是意义和功能的局限。尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。
权利要求
1.一种半导体器件，其特征在于，包含 一个含有源极、本体和栅极的主场效应管；一个含有源极、本体和栅极的传感场效应管，其中传感场效应管的晶体管部分被主场效应管的晶体管包围，并位于主场效应管的晶体管附近；一个位于半导体器件边缘处的传感场效应管源极垫，其中传感场效应管源极垫与传感场效应管的晶体管部分分开，并通过传感场效应管探针金属，连接到传感场效应管的晶体管部分；以及一个电绝缘结构，使主场效应管的源极和本体区与传感场效应管的源极和本体区电绝缘，其中主场效应管、传感场效应管以及电绝缘结构形成在一个单独的半导体晶片中，通过配置绝缘结构使传感场效应管的晶体管部分以及传感场效应管源极垫位于主场效应管的有源区外部，其中半导体器件是一个分立的垂直场效应管。
2.权利要求1所述的半导体器件，其特征在于，其中传感场效应管探针金属、主场效应管源极金属以及栅极金属都是同一个单独金属层中分开的部分。
3.权利要求1所述的半导体器件，其特征在于，其中传感场效应管探针金属并不是一个电阻。
4.权利要求1所述的半导体器件，其特征在于，其中传感场效应管的晶体管部分不如传感场效应管探针金属宽。
5.权利要求1所述的半导体器件，其特征在于，其中传感场效应管的晶体管部分位于主场效应管的中心附近。
6.权利要求1所述的半导体器件，其特征在于，其中传感场效应管晶体管部分、传感场效应管探针金属以及传感场效应管源极垫都通过绝缘结构，与主场效应管分开，并且通过传感场效应管源极垫，位于主场效应管的外围。
7.权利要求1所述的半导体器件，其特征在于，其中绝缘结构含有一个或多个深势阱， 形成在外延层的顶部，其中深势阱使传感场效应管的源极和本体区，与主场效应管的源极和本体区绝缘，其中深势阱的导电类型与主场效应管本体区的导电类型相同。
8.权利要求7所述的半导体器件，其特征在于，其中深势阱的深度大于主场效应管本体区的深度。
9.权利要求8所述的半导体器件，其特征在于，其中深势阱的深度约在1微米至2微米之间，主场效应管的本体区深度约在0. 5微米至0. 7微米之间。
10.权利要求8所述的半导体器件，其特征在于，其中深势阱的掺杂浓度小于主场效应管本体区的掺杂浓度。
11.权利要求10所述的半导体器件，其特征在于，其中深势阱的掺杂浓度约为4XIO16/3cm ο
12.权利要求7所述的半导体器件，其特征在于，其中传感场效应管的晶体管部分和主场效应管之间的深势阱，约为两倍的晶体管单元间距的宽度。
13.权利要求7所述的半导体器件，其特征在于，其中传感场效应管的晶体管部分和主场效应管之间的深势阱宽度约为2至10微米。
14.权利要求1所述的半导体器件，其特征在于，其中主场效应管和传感场效应管是由金属氧化物半导体场效应管MOSFET构成的。
15.权利要求1所述的半导体器件，其特征在于，其中传感场效应管和主场效应管之间的电绝缘结构，是由绝缘沟槽附近的本体环构成的，其中一个位于电绝缘上方的金属层，将传感场效应管的栅极电连接到主场效应管的栅极。
16.一种用于制备含有一个主场效应管和一个传感场效应管的半导体器件的方法，其特征在于，包含a)在一个衬底中，制备主场效应管的源极、本体和栅极；b)在衬底中，制备传感场效应管的源极、本体和栅极，其中传感场效应管位于主场效应管的中心附近，其中传感场效应管的晶体管部分被主场效应管的晶体管包围着，并位于主场效应管的晶体管附近，以减少传感场效应管测量的失真和误差，其中传感场效应管和主场效应管为垂直场效应管，共享一个公共衬底；c)在衬底中，制备一个电绝缘结构，使主场效应管的源极和本体区，与传感场效应管的源极和本体区电绝缘；并且d)制备一个位于主场效应管边缘处的传感场效应管源极垫，并通过传感场效应管探针金属连接到传感场效应管上，其中传感场效应管和传感场效应管源极垫，通过电绝缘结构，与主场效应管分开。
17.权利要求16所述的方法，其特征在于，其中a)至d)包含i)在一个重掺杂的第一导电类型的衬底上方，制备一个第一导电类型的外延层； )在外延层上方制备一个深势阱掩膜；并且iii)在半导体器件的绝缘结构区域中的外延层的顶部，植入第二导电类型的掺杂物， 以形成深势阱区，第二导电类型与第一导电类型相反。
18.权利要求17所述的方法，其特征在于，其中iii)还包含制备深势阱区，使深势阱区的深度约为1至2微米，掺杂浓度约为4X 1016/cm3。
19.权利要求16所述的方法，其特征在于，还包含制备主场效应管栅极沟槽、传感场效应管栅极沟槽以及绝缘沟槽，其中绝缘沟槽位于主场效应管和传感场效应管之间，并构成一部分所述的电绝缘，其中绝缘沟槽不连接栅极电压；在所述的电绝缘结构上方，沉积一个绝缘层；并且在所述的电绝缘上方的绝缘层，制备一个金属层，所述的金属层将传感场效应管的栅极连接到主场效应管的栅极。
20.权利要求16所述的方法，其特征在于，其中所述的半导体器件是一个分立的垂直场效应管。
全文摘要
本发明涉及在不增加掩膜层以及制备工艺程序的数量的前提下，提供的一种在一个分立的功率MOS场效应管内集成一个或多个传感场效应管的功率器件及其制备方法。该半导体器件包含一个主场效应管以及一个或多个传感场效应管；传感场效应管的晶体管部分被主场效应管的晶体管包围着；包围主场效应管的电绝缘结构，使主场效应管的源极和本体区，与传感场效应管的源极和本体区电绝缘。传感场效应管源极垫位于主场效应管的边缘处，并与传感场效应管的晶体管部分分隔开；传感场效应管源极垫通过传感场效应管探针金属，连接到传感场效应管的晶体管部分；配置绝缘结构，使传感场效应管的晶体管部分以及传感场效应管源极垫位于主场效应管的有源区外部。
文档编号H01L27/02GK102386182SQ20111020004
公开日2012年3月21日 申请日期2011年7月6日 优先权日2010年8月27日
发明者安荷·叭剌, 苏毅 申请人:万国半导体股份有限公司