专利名称：封闭型沟槽式功率金氧半场效晶体管结构及其制作方法
技术领域：
本发明涉 及一种沟槽式功率金属氧化物半导体(以下简称金氧半)场效晶体管结 构及其制作方法，特别是关于一种封闭型(Closed cell)沟槽式功率金氧半场效晶体管结 构及其制作方法。
背景技术：
随着电路应用的高频化，晶体管切换速度的要求也逐渐提高。高切换速度的晶体 管结构可以有效降低切换损失，进一步的提升电源效率。图IA为一典型开放型(striped cell)沟槽式功率金氧半场效晶体管结构的剖面 示意图。如图中所示，此沟槽式功率金氧半场效晶体管结构具有一 N型重掺杂的基板10、 一 N型磊晶层12、一 P型本体13、一栅极(Gate)氧化层15、一沟槽式栅极16与多个源极区 17。其中，磊晶层12形成于基板10上，本体13形成于磊晶层12上。栅极氧化层15环绕 沟槽式栅极16，以分隔沟槽式栅极16与P型本体13。沟槽式栅极16由多个长条状多晶硅 结构所构成。这些长条状多晶硅结构以一定间隔距离形成于本体13内，其底部并延伸至本 体13下方的磊晶层12中。多个源极区17分别排列于这些长条状多晶硅结构的两侧。图IB为一典型封闭型(closed cell)沟槽式功率金氧半场效晶体管结构的剖面 示意图。如图所示，此沟槽式功率金氧半场效晶体管结构具有一 N型重掺杂的基板20、一 N 型磊晶层22、一 P型本体23、一栅极氧化层25、一沟槽式栅极26与多个源极区27。其中， 磊晶层22形成于基板20上，本体23形成于磊晶层22上。栅极氧化层25环绕沟槽式栅极 26，以分隔沟槽式栅极26与P型本体23。沟槽式栅极26呈现一网状结构，形成于本体23 内，并定义出多个方格。沟槽式栅极26的底部并延伸至本体23下方的磊晶层22中。并且， 多个源极区27分别形成于沟槽式栅极26所定义出的方格内。封闭型沟槽式功率金氧半场效晶体管结构所具有的通道(channel)宽度正比于 其方形源极区27的周长。开放型沟槽式功率金氧半场效晶体管结构所具有的通道宽度正 比于其长条状源极区17的侧边长度。因此，相较于开放型沟槽式功率金氧半场效晶体管结 构，封闭型沟槽式功率金氧半场效晶体管结构在单位面积中可以提供较大的通道宽度，而 具有较低的导通电阻(Ron)。然而，相较于开放型沟槽式功率金氧半场效晶体管结构，封闭型沟槽式功率金氧 半场效晶体管结构中的沟槽式栅极26覆盖较大的表面积。由于栅极(Gate)/漏极(Drain) 电容(Cgd)值的大小与沟槽式栅极16，26的底面积成正相关，因此，封闭型沟槽式功率金氧 半场效晶体管结构会具有较高的栅极/漏极电容值。如前述，封闭型沟槽式功率金氧半场效晶体管结构具有较低的导通电阻，但却会 产生较高的栅极/漏极电容而导致切换损失的增加，进而限制了晶体管结构的切换速度， 不利于电路应用的高频化。于是，如何降低封闭型沟槽式功率金氧半场效晶体管结构的栅 极/漏极电容值，以兼顾低导通电阻与低栅极/漏极电容值，为本技术领域亟欲解决的问题。
发明内容
本发明的主要目的是通过缩减沟槽式栅极与漏极的接面面积，以降低封闭型沟槽 式功率金氧半场效晶体管结构的栅极/漏极电容值。为达到上述目的，本发明提供一种封闭型(closed cell)沟槽式金氧半场效晶体 管结构。此沟槽式金氧半场效晶体管结构，其特征在于，包括一第一导电型的漏极区、一第 二导电型的本体、一沟槽式栅极与多个具有第一导电型的源极(Source)区。其中，本体位 于漏极区上。沟槽式栅极位于本体内。此沟槽式栅极具有至少二长条部分与一交错部分， 其中，长条部分的底部位于漏极区内，交错部分的底部位于本体内。源极区位于本体内，并 且至少邻接于沟槽式栅极的长条部分。本发明并提供一种封闭型沟槽式金氧半场效晶体管结构的制作方法。此制作方 法，其特征在于，包括下列步骤(a)提供一第一导电型的漏极区；(b)形成一第二导电型的 第一掺杂区于漏极区上；(C)形成一沟槽于第一掺杂区内，沟槽的底部位于漏极区，并且， 此沟槽具有至少二长条区与一交错区；(d)形成一栅极介电层于沟槽的内侧表面；(e)沉积 一第一多晶硅层于沟槽内，此第一多晶硅层大致填满长条区，但在交错区的中央处产生一 凹陷；(f)蚀刻第一多晶硅层，于交错区形成一窗口以曝露沟槽的底部；(g)通过蚀刻后的 第一多晶硅层，形成一第二导电型的第二掺杂区邻接于交错区；以及(h)形成一第二多晶 硅层于该窗口内。相较于传统封闭型沟槽式功率金氧半场效晶体管结构，沟槽式栅极的底面完全位 于漏极区内。本发明的封闭型沟槽式功率金氧半场效晶体管结构中，仅沟槽式栅极的长条 部分的底部是位于漏极区内，交错部分的底部则是位于本体内。因此，本发明的封闭型沟槽 式功率金氧半场效晶体管结构可以有效缩减漏极与栅极间的接面面积，并维持大致相同的 通道宽度。因而，可以兼顾低漏极/栅极电容值与低导通电阻。关于本发明的优点与精神可以借由以下的发明详述及附图得到进一步的了解。
图IA为一典型开放型(striped cell)沟槽式功率金氧半场效晶体管结构的剖面 示意图；图IB为一典型封闭型(closed cell)沟槽式功率金氧半场效晶体管结构的剖面 示意图；图2A至图2J显示本发明封闭型沟槽式金氧半场效晶体管结构的制作方法的第一 实施例，其中，图21与图2J分别为此封闭型沟槽式金氧半场效晶体管结构的俯视图与剖面 示意图；图3A与图3B为本发明封闭型沟槽式金氧半场效晶体管结构第二实施例的俯视图 与剖面示意图；图4为本发明封闭型沟槽式金氧半场效晶体管结构第三实施例的示意图；图5为本发明封闭型沟槽式金氧半场效晶体管结构第四实施例的俯视示意图； 图6为本发明封闭型沟槽式金氧半场效晶体管结构第五实施例的俯视示意图。主要元件附图标记说明
基板10，20磊晶层12，22本体 13，23栅极氧化层15，25沟槽式栅极16，26源极区17，27基板100磊晶层120本体 130，230，330平面部分130a向下突出部分130b第一掺杂区330a第二掺杂区330b沟槽140，440，540长条区142，442，5似交错区144，444，544栅极介电层150第一多晶硅层160多晶硅结构162窗口 164掺杂区165b掺杂区 165a第二多晶硅层170沟槽式栅极172，272长条部分172a，272a交错部分172b，272b源极区180
具体实施例方式本发明的精神在于利用金氧半场效晶体管结构的本体遮蔽沟槽式栅极的交错部分的底部，以达到缩减沟槽式栅极与漏极的接面面积，同时维持通道宽度的目的。在本发明 所提供的制作方法的一实施例中，利用沟槽的交错区宽度大于长条区宽度的特点形成一多 晶硅屏蔽，此多晶硅屏蔽遮蔽长条区的底部，但在交错区的底部具有一窗口。然后再通过此 窗口形成一与本体具有相同导电型的掺杂区，借以遮蔽沟槽式栅极的交错部分的底部。图21与图2J分别为本发明封闭型(closed cell)沟槽式金氧半场效晶体管结构 第一实施例的俯视图与剖面图。其中，图2J图对应于图21中B-B’剖面线。如图2J所示，此封闭型沟槽式金氧半场效晶体管结构具有一第一导电型的漏极 区、一第二导电型的本体130、一沟槽式栅极172与多个具有第一导电型的源极区180。漏 极区由一重掺杂的基板100与一磊晶层120所构成。前述第一导电型可以是N型，第二导电型可以是P型。不过亦不限于此。本体130位于磊晶层120上。沟槽式栅极172位于本体130内。同时请参照图21，此沟槽式栅极172具有至少二长条部分172a与一交错部分 172b。长条部分172a的底部位于漏极区内，交错部分172b的底部则是位于本体130内。源 极区180位于本体130内，并且至少邻接于沟槽式栅极的长条部分172a。如图2J所示，在本实施例中，沟槽式栅极172的长条部分172a与交错部分172b具 有大致相同的深度。本体130的下表面具有一平面部分130a与至少一向下突出部分130b。 其中，平面部分130a对应于沟槽式栅极172的长条部分172a，其深度小于沟槽式栅极172 的深度。向下突出部分130b对应于沟槽式栅极172的交错部分172b，其深度大于沟槽式栅 极172的深度。因此，长条部分172a的底部会延伸至本体130下方的磊晶层120内，但沟 槽式栅极的交错部分172b的底部则会位于本体的向下突出部分130b内。虽然在本实施例中，沟槽式栅极的长条部分172a与交错部分172b具有大致相同 的深度。不过，本发明并不限于此。长条部分172a与交错部分172b亦可具有不同的深度。 只要本体的向下突出部分130b的深度足以覆盖交错部分172b的底部即可。其次，在本实施例中，本体130的下表面具有向下突出部分130b，而使沟槽式栅极 的交错部分172b的底部位于本体130内。不过，本发明亦不限于此。请参照图3A与图3B， 图3B对应于图3A图中C-C’剖面的剖面示意图，在本发明的第二实施例中，本体230的下 表面亦可为一平面。沟槽式栅极272的长条部分272a与交错部分272b则是具有不同的深 度。其中，长条部分272a具有较大的深度，其底部位于本体230的下表面的下方，交错部分 272b具有较小的深度，其底部则是位于本体230的下表面的上方。此外，在第一个实施例中，本体130的下表面延伸出一向下突出部分130b覆盖沟 槽式栅极172的交错部分172b的底部。不过，本发明亦不限于此。如图4所示，在本发明 的第三实施例中，本体可区分为一第一掺杂区330a与至少一第二掺杂区330b。其中，第二 掺杂区330b位于第一掺杂区330a的下方，并且与第一掺杂区330a互相分离。沟槽式栅极 172a位于第一掺杂区330a内，交错部分172b的底部位于第二掺杂区330b内。图2A至图2J为本发明封闭型沟槽式金氧半场效晶体管结构的制作方法的一较佳 实施例。图2B对应于图2A中A-A’剖面线的剖面示意图。首先，如图2B所示，提供一第一 导电型的基板100，并形成一第一导电型的磊晶层120于其上，以构成一漏极区。然后，形成 一第二导电型的本体130于漏极区上。接下来，形成一沟槽140于本体130内。本体130 的深度小于沟槽140的深度。沟槽140的底部位于本体130下方的漏极区内。同时请参照图2A，此沟槽140具有至少二长条区142与一交错区144。长条区142 的沟槽宽度《1小于交错区144的沟槽宽度w2。随后，如图2C所示，形成一栅极介电层150 于沟槽140的内侧表面。接下来，如图2D所示，沉积一第一多晶硅层160于沟槽140内。由 于长条区142的沟槽宽度wl小于交错区144的沟槽宽度w2，因此，适当控制第一多晶硅层 160的厚度，可使第一多晶硅层160大致填满长条区142，但在对应于交错区144中央处会 产生一明显凹陷。接下来，如图2E所示，利用非等向性蚀刻技术蚀刻第一多晶硅层160。由于对应于 交错区144中央处的第一多晶硅层160具有一明显凹陷，因此，适当控制蚀刻制程的参数， 可使长条区142的沟槽底部完全为多晶硅结构162所覆盖，但在交错区144内的多晶硅结 构162中则形成有一窗口 164曝露沟槽的底部。
随后，如图2F所示，通过此多晶硅结构162，以离子布植方式植入第二导电型掺杂 至交错区144的沟槽下方，形成一第二导电型的掺杂区165b邻接于交错区144。就一较佳 实施例而言，此离子布植步骤可直接利用蚀刻第一多晶硅层160形成的多晶硅结构162为 屏蔽，而不需使用额外的光罩。又，经过此离子布植步骤，除了会在交错区144的沟槽下方 形成掺杂区165b，也会在本体的表面形成掺杂区165a。不过，由于此掺杂区165a的导电型 与本体130相同，因此，此离子布植步骤不会影响本体130的掺杂型态。然后，如图2G所示，全面沉积一第二多晶硅层170，填满位于沟槽内的窗口 164。随 后，如图2H所示，回蚀(etch back)去除多余的第二多晶硅层170，留下位于沟槽内的多晶 硅结构172作为此金 氧半场效晶体管结构的栅极。最后，如图21与图2J所示，于本体130 内形成多个具有第一导电型的源极区180。这些源极区180至少邻接于沟槽式栅极的长条 部分172a。值得注意的是，如图2A与图2B所示，本实施例的沟槽140具有水平走向的部分与 垂直走向的部分，而定义出多个方格区域于本体130内。源极区180则是形成于这些方格 区域内。在水平走向的沟槽140与垂直走向的沟槽140的交错处，即为前述的交错区144， 其他部分即为前述的长条区142。由此半导体结构的俯视图来看，交错区144呈现一正四边 形，其边长大致等于长条区142的宽度wl。不过，本发明并不限于此。此交错区144并不限 于是四边形。如图5所示，在本发明的第四实施例中，沟槽440可区分为三个不同走向的部 分，而在本体430中定义出多个三边形区域。源极区(图中未示出)则是形成于此三边形 区域内。此沟槽440的交错区444呈现一正六边形。此六边形的边长大致等于长条区442 的宽度w3。交错区444的宽度w4大于长条区442的宽度w3。在前述实施例中，交错区144，444的外型完全是受到沟槽140的排列方式而决定， 并且，交错区144，444的宽度w2.w4与长条区142，442的宽度wl，w3具有一比例关系。如 图2A所示，在本发明的第一实施例中，沟槽140具有垂直走向的部分与水平走向的部分，因 而交错出呈现正四边形的交错区144。又，如图5所示，在本发明的第4实施例中，沟槽440 区分为三个不同走向的部分，而交错出呈现正六边形的交错区444。不过，本发明并不限于 此。如图6所示，在本发明的第五实施例中，交错区544的外型并非完全取决于沟槽540的 排列方式，交错区544的宽度w6也并非完全取决于长条区542的宽度w5。基本上，只要所 形成的交错区544的宽度w6大于长条区542的宽度w5即可。又如图2F与图2G所示，本实施例在形成第二掺杂区170b于交错区144的沟槽下 方的步骤后，会进行一驱入(drive-in)步骤，使第二掺杂区170b的范围延伸连接本体130， 而在本体130的下表面构成一向下突出部分。不过，本发明并不限于此。前述驱入步骤一 选择性的步骤。如图4所示，在本发明的第三实施例中，本体330包括第一掺杂区330a与 第二掺杂区330b。第二掺杂区330b仅仅覆盖交错区144的底部，而与第一掺杂区330a互 相分离。相较于图IB的传统封闭型沟槽式功率金氧半场效晶体管结构，沟槽式栅极26的 底面完全位于漏极区内。如图21所示，在本发明的封闭型沟槽式功率金氧半场效晶体管结 构中，仅沟槽式栅极172的长条部分172a的底部是位于漏极区内，交错部分172b的底部则 是位于本体130内。因此，本发明的封闭型沟槽式功率金氧半场效晶体管结构可以有效缩 减漏极与栅极间的接面面积，同时维持大致相同的通道宽度。也因此，本发明的封闭型沟槽式功率金氧半场效晶体管结构可以有效降低漏极/栅极电容值，并且维持低导通电阻。
但是，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，不能以此限定本发明实施的范围， 即凡依本发明申请权利要求及说明书内容所作的简单的等效变化与修改，皆仍属本发明专 利涵盖的范围内。另外本发明的任一实施例或权利要求的范围不能达到本发明 所揭示的全 部目的或优点或特点。此外，摘要部分和发明名称仅是用来辅助专利文件搜寻之用，并非用 来限制本发明的权利要求的范围。
权利要求
1.一种封闭型沟槽式金氧半场效晶体管结构，其特征在于，包括一第一导电型的漏极区；一第二导电型的本体，位于该漏极区上；一沟槽式栅极，位于该本体内，该沟槽式栅极具有至少二长条部分与一交错部分，其 中，该长条部分的底部位于该漏极区内，该交错部分的底部位于该本体内；以及多个具有该第一导电型的源极区，位于该本体内，并且至少邻接于该沟槽式栅极的该 长条部分。
2.如权利要求1所述的封闭型沟槽式金氧半场效晶体管结构，其特征在于，该本体的 下表面具有一平面部分与至少一向下突出部分，该交错部分的底部位于该突出部分内，并 且，该平面部分的深度小于该沟槽式栅极的深度。
3.如权利要求1所述的封闭型沟槽式金氧半场效晶体管结构，其特征在于，该沟槽式 栅极的该长条部分与该交错部分的深度相同。
4.如权利要求1所述的封闭型沟槽式金氧半场效晶体管结构，其特征在于，该本体具 有一第一掺杂区与一第二掺杂区，该第二掺杂区位于该第一掺杂区的下方，并且与该第一 掺杂区互相分离，该沟槽式栅极位于该第一掺杂区内，该交错部分的底部位于该第二掺杂 区内。
5.如权利要求1所述的封闭型沟槽式金氧半场效晶体管结构，其特征在于，该沟槽式 栅极的该交错部分的上表面呈现一多边形，该多边形的边数大于或等于四。
6.如权利要求1所述的封闭型沟槽式金氧半场效晶体管结构，其特征在于，该交错部 分的宽度大于该长条部分的宽度。
7.一种封闭型沟槽式金氧半场效晶体管结构的制作方法，其特征在于，包括提供一第一导电型的漏极区；形成一第二导电型的第一掺杂区于该漏极区上；形成一沟槽于该第一掺杂区内，该沟槽的底部位于该漏极区，该沟槽具有至少二长条 区与一交错区；以及形成一栅极介电层于该沟槽的内侧表面；沉积一第一多晶硅层于该沟槽内，该第一多晶硅层大致填满该长条区，但在该交错区 的中央处产生一凹陷；蚀刻该第一多晶硅层，于该交错区形成一窗口以曝露该沟槽的底部；通过蚀刻后的该第一多晶硅层，形成一第二导电型的第二掺杂区邻接于该交错区；以及形成一第二多晶硅层于该窗口内。
8.如权利要求7所述的封闭型沟槽式金氧半场效晶体管结构的制作方法，其特征在 于，该交错区呈现一多边形，该多边形的边长大致等于该长条区的宽度，该多边形的边数大 于或等于四。
9.如权利要求7所述的封闭型沟槽式金氧半场效晶体管结构的制作方法，其特征在 于，该交错区的宽度大于该长条区的宽度。
10.如权利要求7所述的封闭型沟槽式金氧半场效晶体管结构的制作方法，其特征在 于，该第二掺杂区延伸连接该第一掺杂区，以构成一本体。
11.如权利要求7所述的封闭型沟槽式金氧半场效晶体管结构的制作方法，其特征在 于，该第二掺杂区与该第一掺杂区互相分离。
12.如权利要求7所述的封闭型沟槽式金氧半场效晶体管结构的制作方法，其特征在 于，该第一掺杂区的深度小于该沟槽的深度。
全文摘要
一种封闭型沟槽式功率金氧半场效晶体管结构及其制作方法，其结构具有一第一导电型的漏极区、一第二导电型的本体、一沟槽式栅极与多个具有第一导电型的源极区；本体位于漏极区上；沟槽式栅极位于本体内，并具有至少二长条部分与一交错部分，其中，长条部分的底部位于漏极区内，交错部分的底部位于本体内；源极区位于本体内，并且至少邻接于沟槽式栅极的长条部分。本发明通过缩减沟槽式栅极与漏极的接面面积，以降低封闭型沟槽式功率金氧半场效晶体管结构的栅极/漏极电容值。
文档编号H01L21/336GK102088033SQ20091025206
公开日2011年6月8日 申请日期2009年12月8日 优先权日2009年12月8日
发明者许修文 申请人:科轩微电子有限公司