专利名称：功率金属氧化物半导体场效应晶体管及其制造方法
技术领域：
本发明是有关于一种金属氧化物半导体场效应晶体管，特别是有关于一种具有沟渠结构的功率金属氧化物半导体场效应晶体管。
背景技术：
双扩散晶体管(double diffused MOS，DMOS)是一种金属氧化物半导体场效应晶体管(metal oxide semiconductor field effect transistor，MOSFET)，其利用扩散来形成晶体管区域。双扩散晶体管通常被用来作为用于高电压的功率集成电路中的功率晶体管，在低顺向压降的要求下，提供较高的每单位面积电流。
双扩散晶体管的一特定类型是所谓的沟渠双扩散晶体管(trench DMOStransistor)100，如
图1所示。沟渠双扩散晶体管100的闸极104是形成于一沟渠116中，此沟渠双扩散晶体管100的汲极源极电流Ids 122沿着其通道垂直地传递。此沟渠116是在源极106与汲极108之间延伸，沟渠116的表面被披覆一薄氧化物层112作为衬垫，并以多晶硅114填充于其中。填充多晶硅114的闸极104会使此沟渠双扩散晶体管100容许较少的局限电流(constricted current)，因此可提供较低的比导通电阻(specific on-resistance)值。沟渠双扩散晶体管的相关专利被揭示于美国专利第5,072,266、5,541,425以及5,866,931号中。
现有沟渠双扩散晶体管100具有一贯穿(punch-through)问题。贯穿问题通常在晶体管的通道空乏时发生，并以一非破坏性的漏电流形式早于累增崩溃(avalanche breakdown)呈现出来。在造成贯穿问题的各种起因中，最严重的起因就是发生在沟渠闸极104的形成过程中，且特别容易发生在此形成过程中的牺牲氧化加工以及随后的氧化物层(如图1中的氧化物层112)沉积加工。
此外，当功率晶体管在高电压下操作时，如液晶显示器中起驱动功能的功率晶体管的操作电压通常在30伏特以上，如此高的电压值使得闸极中的掺杂物穿透氧化物层进入主体区域，造成载子穿透(carrier penetration)以及多晶空乏(poly depletion)的问题。载子穿透会大幅减少通道中的载子浓度，而多晶空乏会使等效的闸极介电层厚度增加，导致闸极电容值减少以及闸极的驱动力随之衰退。
在高温条件下进行的牺牲氧化加工中，邻近沟渠116的通道中的掺杂物，例如P型掺杂主体区域102中的硼，会从硅中离析出来并进入闸极的氧化物层112。此外，在进行沉积多晶硅114来填充沟渠116的沉积加工时，也会发生贯穿问题。多晶硅114中的掺杂物，通常为磷，会因沉积时的高温而穿过闸极104进入P型掺杂主体区域102，如此也会造成载子穿透的问题。
美国专利第5,072,266号中揭示一种生产沟渠双扩散晶体管的加工步骤。在此加工中，P型掺杂主体区域以及源极区域是在沟渠形成之前形成。然而，如前所述，在沟渠形成的过程中，P型掺杂主体区域中的硼还是会从硅中离析出来而进入闸极氧化物层，这样，上述的贯穿问题仍然会存在。此外，当之后使用上述的氧化物沉积加工以继续完成沟渠的形成时，源极区域之中的硅会产生缺陷，而对此源极区域产生不好的影响。
美国专利第5,468,982号中则在沟渠闸极被蚀刻以及填充后再形成P型掺杂主体区域以便降低贯穿问题的影响。然而，这个方法仍然不是十分令人满意。因为其使用一高温的扩散步骤(通常为1100至1150℃)来形成P型掺杂主体区域，而此高温会使得用来填充沟渠的多晶硅之中的掺杂物如上述那样地穿过闸极进入P型掺杂主体区域，这样还是造成上述的贯穿问题。
美国专利第6,518,621号中揭示一种生产沟渠双扩散晶体管的加工步骤以减少上述的贯穿问题。此加工步骤是在移除用来沟渠的遮罩之前，先完成沟渠的形成过程，如此即可利用遮罩作为一阻挡层，防止P型掺杂主体区域中的掺杂物从硅中离析出来而进入闸极氧化物层之中。但是，在形成沟渠之后，此加工步骤仍然会在沉积多晶硅以填充沟渠时产生贯穿问题，无法避免多晶硅中的掺杂物因为沉积或之后操作时的高温，而穿过闸极并进入P型掺杂主体区域。
发明内容
因此本发明的目的在于提供一种功率金属氧化物半导体场效应晶体管，用来改善现有的双扩散晶体管的贯穿问题。
本发明的另一目的在于提供一种功率金属氧化物半导体场效应晶体管的制造方法，用以生产具有低贯穿问题发生机率的双扩散晶体管。
根据本发明的上述目的，本发明提出一种功率金属氧化物半导体场效应晶体管的制造方法。本发明利用一多晶硅锗闸极取代现有沟渠双扩散晶体管中的多晶硅闸极，利用多晶硅锗优于多晶硅的特性，例如高载子浓度以及低能隙，来改善现有沟渠双扩散晶体管的载子穿透与多晶空乏的问题。
本发明的制造方法先提供一第一导电类型的基材，再在基材之上形成一第一导电类型的磊晶层，并在此磊晶层上形成一第二导电类型的主体区域。然后蚀刻此主体区域及磊晶层以形成一沟渠，再在此沟渠的表面形成一绝缘层作为沟渠的衬垫。而后，在主体区域之中与沟渠相邻的位置形成第一导电类型的源极区域。最后，在沟渠中沉积一多晶硅锗材质作为此沟渠双扩散晶体管的闸极。
依照本发明一优选实施例，上述的第一导电类型为N型掺杂，第二导电类型为P型掺杂，而绝缘层是一氧化物层。多晶硅锗闸极区域中的锗成分优选为介于10％至40％之间，最优选地是，锗成份约为30％时，可得到最好的效果。
由于本发明是利用闸极的材质本质上的特性，即多晶硅锗的高载子浓度、低能隙以及低接触电阻等特性，来改善现有的问题，因此本发明可依照普通的加工与晶体管结构来实施，不需要特别的加工步骤以及特殊的晶体管结构，即可有效地改善现有沟渠双扩散晶体管的载子穿透与多晶空乏的问题。
多晶硅锗的较高的载子浓度可提高抵抗发生空乏问题的能力，而且其载子活化率也明显高于多晶硅，因此与现有功率晶体管中多晶硅闸极相比，本发明的功率晶体管中多晶硅锗闸极更不容易发生空乏的问题，并且可提高晶体管在操作时承受高电压的能力。
此外，本发明用来填充闸极的多晶硅锗的沉积温度低于现有的多晶硅的沉积温度，多晶硅锗的较低的沉积温度，使得闸极中的掺杂物，如磷或砷，不会因高温而扩散至主体区域，如此可改善现有的贯穿问题。此外，多晶硅锗的能隙值因比多晶硅的要低，因此还具有低接触电阻的优点。而且，多晶硅锗的沉积加工与现有的多晶硅的沉积加工兼容，无须耗费大量机台与加工研发成本。
附图简要说明为让本发明的上述和其它目的、特征、和优点能更明显易懂，下文中将特举一优选实施例，并配合附图作详细说明。附图中图1示出了现有的沟渠双扩散晶体管的示意图；
图2示出了本发明的制造方法的流程图；以及图3A至图3E示出了对应于图2中的步骤的沟渠双扩散晶体管的示意图。
具体实施例方式
为了改善现有的双扩散晶体管的贯穿问题，本发明提出一种功率金属氧化物半导体场效应晶体管以及其制造方法。
本发明的特征至少包含利用一多晶硅锗闸极取代现有沟渠双扩散晶体管中的多晶硅闸极，利用多晶硅锗优于多晶硅的特性，例如高载子浓度以及低能隙，来改善现有沟渠双扩散晶体管的载子穿透与多晶空乏的问题。
本发明实施例的制造方法是先提供一第一导电类型的基材，再在基材之上形成一第一导电类型的磊晶层，并在此磊晶层之上形成一第二导电类型的主体区域。然后蚀刻此主体区域以及磊晶层以形成一沟渠，并在此沟渠的表面形成一绝缘层作为沟渠的衬垫。而后，在主体区域之中与沟渠相邻的位置形成第一导电类型的源极区域。最后，在沟渠之中沉积一多晶硅锗材质作为此沟渠双扩散晶体管的闸极。
图2示出了本发明的制造方法的流程图，图3A至图3E示出了对应于图2中的步骤的沟渠双扩散晶体管的示意图。以下利用图2并配合图3A至图3E，解释本发明的具有多晶硅锗闸极的沟渠双扩散晶体管的制造方法。
首先，提供一N+型掺杂基材302(步骤202)，然后在N+型掺杂基材302之上磊晶成长形成一厚度为13.5μm的N-型掺杂磊晶层304(步骤204)。之后再在此N一型掺杂磊晶层304之上形成一6μm的P型掺杂主体区域306(步骤206)，如图3A所示。
然后，利用一干蚀刻加工蚀刻此P型掺杂主体区域306以及N-型掺杂磊晶层304，以形成一沟渠312(步骤208)，如图3B所示。此干蚀刻加工是先利用一硬遮罩(hard mask)层(图3B中未示出)覆盖于P型掺杂主体区域306，再图画化此硬遮罩层，使其暴露出一开口以便在P型掺杂主体区域306的位置成型出沟渠312。然后干蚀刻此硬遮罩层所暴露出的开口，自P型掺杂主体区域306的表面开始蚀刻，并延伸至N-型掺杂磊晶层304，最后就形成此沟渠312。
如图3C所示，移去上述用来进行干蚀刻加工的用的硬遮罩层之后，一厚度为200的氧化物层322被形成于P型掺杂主体区域306的表面以及沟渠312的周围(步骤210)。此氧化物层322是一作为衬垫的绝缘层。
然后，再利用光阻332限定出N+型掺杂源极区域322的位置，此N+型掺杂源极区域322的位置是位于P型掺杂主体区域306中且与沟渠312相邻。再利用离子布植处理植入掺杂物，例如磷或砷，以便形成此N+型掺杂源极区域322，之后并移去上述的光阻332(步骤212)。当然，在离子布植之后，也可施以一退火(annealing)处理以修复其因离子布植而受损的晶格结构。
最后，进行一多晶硅锗的化学气相沉积加工，将多晶硅锗326填充于沟渠312中作为此沟渠双扩散晶体管的闸极(步骤214)。依照本发明的优选实施例，化学气相沉积加工的温度介于500℃至700℃之间，视其中锗成份所占的含量而定。用来填充闸极的多晶硅锗326中所含的锗成分的范围介于10％至40％之间，且锗成份含量更优选在30％左右时，可以获得更好的效果。此外，为了降低其电阻，通常掺杂此闸极中的多晶硅锗，以图3D的实施例来说，通常会在沉积多晶硅锗时掺杂磷，或是随后离子布植砷，都可以有效地降低其电阻值。
如本领域普通技术人员所知的，此沟渠双扩散晶体管在完成时会在其N+型掺杂源极区域304上加上源极电极334，以及在其N+型基材302的底表面形成一汲极电极层336。而且，在此实施例中，本发明是以第一导电类型为N型掺杂以及第二导电类型为P型掺杂为例。然而本领域普通技术人员应当知道，本发明也可应用于第一导电类型为P型掺杂，而第二导电类型为N型掺杂的实施例中。而且，P型掺杂以及N型掺杂所使用的掺杂物并不限于本实施例中所提到的掺杂物，各种现有已应用的掺杂物均可运用于本发明中。
根据半导体理论可推导出半导体材质的纯质载子浓度(intrinsic carrierconcentration)ni为ni=(T,Eg)=A*T3exp[-EgkT]---(1)]]>其中A*为一与材料有关的常数，T代表绝对温度，k则是波兹曼常数(Boltzmann constant)，Eg则表示该半导体材质的能隙(energy gap)值。
由等式(1)可知，半导体材质的能隙值Eg愈大，其纯质载子浓度ni也越大。由于锗的能隙值小于硅的能隙值，因此锗的纯质载子浓度高于硅的载子浓度。表一是用来说明两者的能隙值与纯质载子浓度的关系的半导体材质硅与锗的比较表表一硅与锗的特性比较表
由表一可知，锗的纯质载子浓度比硅的纯质载子浓度高了三个数量级。本发明利用多晶硅锗闸极来取代现有沟渠双扩散晶体管中的多晶硅闸极，而多晶硅锗的载子浓度介于硅与锗之间。较高的载子浓度可提高抵抗发生空乏问题的能力，而且多晶硅锗的载子活化率也明显高于多晶硅，因此本发明的多晶硅锗闸极与现有的多晶硅闸极相比，更不容易发生空乏的问题。而且，利用多晶硅锗作为本发明的闸极，在本发明的沟渠双扩散晶体管用作功效晶体管还可提高其承受高电压操作的能力。
再者，多晶硅锗的沉积温度介于500℃至700℃之间，视其中锗所占的含量而定。而现有所使用的用来填充闸极的多晶硅的沉积温度则介于700℃至800℃之间，远高于本发明的多晶硅锗的沉积温度。由上述可知，当此沟渠双扩散晶体管所进行的加工温度越高时，则其因为高温而发生载子穿透问题的机率也越高。多晶硅锗的较低的沉积温度，使得本发明的闸极中的掺杂物，如磷，不会因为高温而扩散至主体区域，如此即可改善现有的贯穿问题。
此外，多晶硅锗还具有低接触电阻的优点。接触电阻值与能隙值有关，能隙值越高的物质，其接触电阻值越大。由表一可知，锗的能隙值仅约为硅的二分之一。多晶硅锗的能隙值会介于硅与锗两者的能隙值之间，因此本发明的多晶硅锗闸极会较现有的多晶硅闸极，具有较低的接触电阻。
由于本发明系利用闸极的材质本质上的特性，即多晶硅锗的高载子浓度、低能隙以及低接触电阻等特性，来改善现有的问题，因此本发明可依照普通的加工与晶体管结构来实施，不需要特别的加工步骤以及特殊的晶体管结构，即可有效地改善现有沟渠双扩散晶体管的载子穿透与多晶空乏的问题。
再者，本发明用以填充闸极的多晶硅锗的沉积温度低于现有的多晶硅的沉积温度，多晶硅锗的较低的沉积温度，使得闸极中的掺杂物，如磷，不会因为高温而扩散至主体区域，如此可改善现有的贯穿问题。此外，多晶硅锗的能隙值因较多晶硅为低，因此还具有低接触电阻的优点。而且，多晶硅锗的沉积加工与现有的多晶硅的沉积加工兼容，无须耗费大量机台与加工研发成本。
权利要求
1.一种功率金属氧化物半导体场效应晶体管，其特征在于，其至少包含一第一导电类型的基材；一位于该基材之上且属于该第一导电类型的磊晶层；一位于该磊晶层之上且属于一第二导电类型的主体区域；至少一穿透该主体区域并延伸至该磊晶层的沟渠；一作为该沟渠的衬垫的绝缘层；至少一位于该主体区域并与该沟渠相邻且属于该第一导电类型的源极区域；以及一位于该沟渠之中并覆盖在该绝缘层之上的多晶硅锗闸极区域。
2.如权利要求1所述的功率金属氧化物半导体场效应晶体管，其特征在于该多晶硅锗闸极区域中的锗成分介于10％至40％之间。
3.如权利要求1所述的功率金属氧化物半导体场效应晶体管，其特征在于该多晶硅锗闸极区域的材质为一掺杂(doped)的多晶硅锗。
4.一种功率金属氧化物半导体场效应晶体管的制造方法，该制造方法至少包含下列步骤提供一第一导电类型的基材；在该基材之上形成一第一导电类型的磊晶层；在该磊晶层之上形成一第二导电类型的主体区域；蚀刻该主体区域以及该磊晶层，以形成至少一自该主体区域延伸至该磊晶层的沟渠；形成一绝缘层作为该沟渠的衬垫；形成至少一第一导电类型的且位于该主体区域之中并与该沟渠相邻的源极区域；以及沉积一多晶硅锗材质以形成一位于该沟渠之中并覆盖在该绝缘层之上的闸极区域。
5.如权利要求4所述的制造方法，其特征在于该多晶硅锗材质中的锗成分介于10％至40％之间。
6.如权利要求4所述的制造方法，其特征在于该制造方法还包含在该多晶硅锗材质之中掺杂一掺杂物的步骤。
7.如权利要求4所述的制造方法，其特征在于该蚀刻该主体区域以及该磊晶层的步骤利用一干蚀刻加工蚀刻该主体区域以及该磊晶层来形成该沟渠。
8.如权利要求4所述的制造方法，其特征在于，形成该源极区域的步骤至少包含在该主体区域之上形成一光阻层；图案化该光阻层；以及离子布植至少一掺杂物，以便在该主体区域之中形成该第一导电类型的源极区域；其中该源极区域并与该沟渠相邻。
9.如权利要求8所述的制造方法，其特征在于该制造方法还包含在离子布植的步骤之后进行一退火处理。
10.如权利要求4所述的制造方法，其特征在于沉积该多晶硅锗材料的步骤是通过一化学气相沉积处理来沉积该多晶硅锗材料于该沟渠之中并覆盖在该绝缘层之上，从而形成该闸极区域。
全文摘要
一种功率金属氧化物半导体场效应晶体管及其制造方法利用一多晶硅锗闸极取代现有沟渠双扩散晶体管中的多晶硅闸极。其先提供一第一导电类型的基材，再在该基材上形成一第一导电类型的磊晶层，并在此磊晶层之上形成一第二导电类型的主体区域。然后蚀刻此主体区域及磊晶层而形成一沟渠，再在此沟渠的表面形成一绝缘层作为沟渠的衬垫。而后，在主体区域之中与沟渠相邻的位置形成第一导电类型的源极区域。最后，在沟渠之中沉积一多晶硅锗材质，以作为此沟渠双扩散晶体管的闸极。
文档编号H01L21/02GK1591900SQ03157798
公开日2005年3月9日 申请日期2003年8月26日 优先权日2003年8月26日
发明者陈世芳, 张鼎张 申请人:茂德科技股份有限公司