半导体装置及其制造方法与流程

本发明涉及半导体技术，特别是涉及一种包含沟槽栅极和平面栅极的功率晶体管的半导体装置及其制造方法。

背景技术：

1、功率晶体管是指在高电压、大电流的条件下工作的晶体管，最常见的功率晶体管例如为功率金属氧化物半导体场效晶体管(power mosfet)，其可以应用在许多不同的领域中，例如电源供应器、直流-直流变压器(dc-to-dc converter)、低电压电机控制器等。

2、近年来，因应各种电子产品的发展，功率mosfet的功率及布局密度也随之增加，并且应用在直流-直流变压器的频率也显着提高，而目前功率mosfet的技术，例如分裂栅极沟槽(split gate trench，sgt)、横向扩散金属氧化物半导体(laterally-diffused metal-oxide semiconductor，ldmos)、u型槽金属氧化物半导体(umos)等功率晶体管，难以在各方面均完全满足电子产品的需求，例如难以达成同时减小芯片面积、增加组件布局密度、增加电流和降低开关损耗(switching loss)等需求，因此，业界亟需发展新的功率晶体管，以克服上述问题。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明提出一种包含沟槽栅极和平面栅极的功率晶体管的半导体装置，以满足应用在电子产品时的各种需求，例如减小芯片面积、增加组件布局密度、增加电流和降低开关损耗等。

2、根据本发明的一实施例，提供一种半导体装置，包括基底、外延层、第一基体区、第一沟槽栅极结构、第一平面栅极、第一源极电极、第一源极区及漏极电极。其中，外延层设置于基底上，第一基体区设置于外延层中，第一沟槽栅极结构设置于外延层中，沿着第一方向延伸且邻近第一基体区，第一平面栅极设置于外延层上，沿着第二方向延伸且至少部分位于第一基体区正上方，其中第二方向与第一方向间具有非零的夹角，第一源极电极设置于外延层上，且向下延伸至第一基体区中，第一源极区设置于第一基体区中，且至少部分邻接第一源极电极，漏极电极设置于基底下。

3、根据本发明的一实施例，提供一种半导体装置的制造方法，包括以下步骤：提供基底，并形成外延层于基底上；形成沟槽栅极结构于外延层中，其中沟槽栅极结构沿着第一方向延伸；形成基体区于外延层中，且基体区邻近沟槽栅极结构；形成平面栅极于外延层上，且位于基体区和沟槽栅极结构正上方，其中平面栅极沿着第二方向延伸，且第二方向垂直于第一方向；形成源极区于基体区中；形成层间介电层于外延层上，且覆盖平面栅极；形成源极电极该层间介电层中，且源极电极向下延伸穿过源极区到基体区中；以及形成漏极电极于基底下。

技术特征：

1.一种半导体装置，其特征在于，包括：

2.如权利要求1所述的半导体装置，其特征在于，所述第一方向与一垂直方向定义一y-z平面，所述第一方向与所述第二方向定义一x-y平面，所述第一基体区沿着所述y-z平面具有一y-z方向侧面，所述第一基体区沿着所述x-y平面具有一x-y方向顶面，所述第一沟槽栅极结构邻近所述y-z方向侧面，所述第一平面栅极至少部分位于所述x-y方向顶面正上方。

3.如权利要求1所述的半导体装置，其特征在于，所述非零的夹角为90度，所述第二方向垂直于所述第一方向。

4.如权利要求1所述的半导体装置，其特征在于，所述第一方向与所述第二方向定义一x-y平面，所述第一源极区沿着所述x-y平面包围所述第一源极电极。

5.如权利要求1所述的半导体装置，其特征在于，还包括：

6.如权利要求5所述的半导体装置，其特征在于，所述第一平面栅极和所述第二平面栅极设置于所述第一源极电极与所述第二源极电极之间，且所述第一平面栅极和所述第二平面栅极的延伸方向平行于所述基底的表面，所述第一源极电极和所述第二源极电极的延伸方向垂直于所述基底的表面。

7.如权利要求5所述的半导体装置，其特征在于，所述基底、所述外延层、所述第一源极区和所述第二源极区具有一第一导电类型，所述第一基体区和所述第二基体区具有一第二导电类型，且所述第二导电类型与所述第一导电类型相反。

8.如权利要求5所述的半导体装置，其特征在于，还包括一第二沟槽栅极结构，设置于所述外延层中，平行于所述第一沟槽栅极结构，且邻近所述第一基体区和所述第二基体区，其中所述第一基体区和所述第二基体区设置于所述第一沟槽栅极结构和所述第二沟槽栅极结构之间。

9.如权利要求8所述的半导体装置，其特征在于，所述第一方向与一垂直方向定义一y-z平面，在与所述y-z平面基本平行的方向上，所述第一基体区具有相对的一第一y-z方向侧面与一第二y-z方向侧面，所述第二基体区具有相对的一第三y-z方向侧面与一第四y-z方向侧面，所述第一沟槽栅极结构邻近所述第一y-z方向侧面与所述第三y-z方向侧面，所述第二沟槽栅极结构邻近所述第二y-z方向侧面与所述第四y-z方向侧面。

10.如权利要求8所述的半导体装置，其特征在于，所述第一方向与所述第二方向定义一x-y平面，在与所述x-y平面基本平行的方向上，所述第一基体区具有一第一基体中心区与一第一基体周缘区，所述第一源极区邻接所述第一基体中心区，所述第一平面栅极沿着所述第二方向延伸而依次跨过所述第一沟槽栅极结构上方、所述第一基体周缘区上方与所述第二沟槽栅极结构上方。

11.如权利要求10所述的半导体装置，其特征在于，所述第一源极电极沿着一垂直方向且朝着所述第一基体中心区而向下延伸，于所述x-y平面方向上，所述第一源极区围绕所述第一源极电极底端。

12.如权利要求8所述的半导体装置，其特征在于，所述第一方向与所述第二方向定义一x-y平面，在与所述x-y平面基本平行的方向上，所述第二基体区具有一第二基体中心区与一第二基体周缘区，所述第二源极区邻接所述第二基体中心区，所述第二平面栅极沿着所述第二方向延伸而依次跨过所述第一沟槽栅极结构上方、所述第二基体周缘区上方与所述第二沟槽栅极结构上方。

13.如权利要求12所述的半导体装置，其特征在于，所述第二源极电极沿着一垂直方向且朝着所述第二基体中心区而向下延伸，于所述x-y平面方向上，所述第二源极区围绕所述第二源极电极底端。

14.如权利要求5所述的半导体装置，其特征在于，还包括一介电层分别设置于所述第一基体区和所述第一平面栅极之间，以及设置于所述第二基体区和所述第二平面栅极之间。

15.如权利要求5所述的半导体装置，其特征在于，所述第一沟槽栅极结构包括：

16.如权利要求15所述的半导体装置，其特征在于，所述第一介电层的厚度小于所述第二介电层的厚度，且在所述第二方向上，所述第一导电部分的宽度大于所述第二导电部分的宽度。

17.如权利要求2所述的半导体装置，其特征在于，所述第一沟槽栅极结构包括一场板设置于一导电部分下方，且所述第一沟槽栅极结构的所述导电部分和所述场板在所述垂直方向上互相分开。

18.如权利要求17所述的半导体装置，其特征在于，所述场板自所述源极电极及所述第一沟槽栅极结构的所述导电部分二者其中之一接收电荷，以决定所述场板的电位。

19.如权利要求1所述的半导体装置，其特征在于，所述第一方向与一垂直方向定义一y-z平面，所述第一平面栅极位置高于所述第一源极区位置，所述第一基体区底面从所述第一平面栅极朝向所述第一源极电极延伸而逐渐下降，所述第一基体区沿着所述y-z平面上具有一平坦的y-z方向侧面，所述第一沟槽栅极结构邻近所述y-z方向侧面。

20.如权利要求19所述的半导体装置，其特征在于，所述第一基体区具有一多阶梯状底面或一多圆弧状底面，所述多阶梯状底面或所述多圆弧状底面从所述第一平面栅极到所述第一源极电极的方向上逐渐下降。

21.如权利要求1所述的半导体装置，其特征在于，所述第一平面栅极包括多晶硅，所述第一沟槽栅极结构包括一多晶硅部分，且所述第一平面栅极的所述多晶硅的导电类型与所述第一沟槽栅极结构的所述多晶硅部分的导电类型相同。

22.如权利要求1所述的半导体装置，其特征在于，所述第一平面栅极包括多晶硅，所述第一沟槽栅极结构包括一多晶硅部分，且所述第一平面栅极的所述多晶硅的导电类型与所述第一沟槽栅极结构的所述多晶硅部分的导电类型相反。

23.一种半导体装置的制造方法，其特征在于，包括：

24.如权利要求23所述的半导体装置的制造方法，其特征在于，形成所述基体区包括施行多次离子注入工艺，所述离子注入工艺使用不同的注入能量并注入相同导电类型的离子于所述外延层中，以形成具有一多阶梯状底面或一多圆弧状底面的所述基体区。

25.如权利要求23所述的半导体装置的制造方法，其特征在于，形成所述沟槽栅极结构包括：

技术总结
本发明公开半导体装置及其制造方法，包括基底、外延层、第一基体区、第一沟槽栅极结构、第一平面栅极、第一源极电极、第一源极区及漏极电极。外延层设置于基底上，第一基体区设置于外延层中，第一沟槽栅极结构设置于外延层中，沿着第一方向延伸且邻近第一基体区，第一平面栅极设置于外延层上，沿着第二方向延伸且至少部分位于第一基体区正上方，其中第二方向与第一方向间具有非零的夹角，第一源极电极设置于外延层上，且向下延伸至第一基体区中，第一源极区设置于第一基体区中，且至少部分邻接第一源极电极，漏极电极设置于基底下。

技术研发人员：陈劲甫
受保护的技术使用者：艾科微电子（深圳）有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15