專利名稱：功率mos場效應管及其制造方法
技術領域：
本發明通常涉及半導體器件，尤其涉及功率MOS場效應管器件。
背景技術：
功率MOS場效應管器件用于機動車電子系統、電源以及電源管理應用等方面。在關閉狀態時這些器件應該能夠承受高電壓，而在開啟狀態時能夠產生低電壓和高飽和電流密度。
圖1所示為N溝槽的MOS場效應管的典型結構圖。在此器件中，在N+硅層2上形成的N外延硅層1包含p主體區域(P-body regions)5a和6a以及兩個MOS場效應管小區的N+源極區7和8。P主體區域5和6同時可以含有深度p主體區域(deep P-body regions)5b和6b。源極體電極12延伸經過外延層1的確定的表面部分與源極區域和主體區域相接觸。附圖1中，延伸到上半導體表面的N外延層1部分形成兩個小區的N型漏極。在N+襯底2的底部提供有漏電極(未單獨顯示)。含氧化層和多晶硅層的絕緣的柵電極18位于主體的溝槽和漏極部分上。
附圖1所示常規MOS場效應管的導通電阻大部分由外延層1中的漂移區域電阻所決定。反過來，漂移區域電阻由外延層1的摻雜度和層厚度所決定。然而，為了提高此器件的擊穿電壓值，必須降低外延層1的摻雜濃度同時增加層厚度。附圖2中曲線20所示為作為傳統MOS場效應管擊穿電壓值函數的單位面積導通電阻值。不幸的是，如曲線20所示，當器件的擊穿電壓快速升高時，該器件的電阻也快速升高。當MOS場效應管處于更高的電壓運行狀態，特別是高于幾百伏時，電阻的高速增長就會產生問題。
附圖3所示的MOS場效應管用于降低導通電阻之后更高電壓狀態下進行操作。這一MOS場效應管見于1998年IEDM論文的683頁第26.2章內容。此MOS場效應管與附圖2中所示傳統的MOS場效應管相似，不同的是前者包含由主體區域5和6底部延伸到器件的漂移區域內部的p型摻雜區域40和42。P型摻雜物區域40和42確定了由n型摻雜區分立開的漂移區域的區(column)，此n型摻雜區比如由鄰近p摻雜區域40和42的外延層1所屬部分所確定的區。逆摻雜類型的替代區不僅會產生傳統MOS場效應管中垂直方向反向電壓的增高，同時在水平方向也是如此。其結果是，如同傳統的器件一樣，降低外延層1的厚度值并提高漂移區域摻雜濃度之后，此器件同樣會產生相同的反向電壓值。附圖2中曲線25所示為作為附圖3中MOS場效應管擊穿電壓值函數的單位面積上的導通電阻值。很明顯地，在更高電壓的情形下，較之附圖1器件中導通電阻基本隨著擊穿電壓值線性增加，此器件的導通電阻值大大降低。
附圖3中器件改進之后的操作特性是基于晶體管漂移區域中的電荷補充上的。也就是說，漂移區域中的摻雜大大提高比如一個數量級或更高，通過添加反向摻雜類型區來抵消附加電荷。從而晶體管的阻塞電壓值保持不變。當器件處于開啟狀態時，電荷補充區不會有助于電流的傳導。晶體管的這些理想特性關鍵是依賴于在反向摻雜類型的鄰近區之間完成的電荷補充的程度大小。不幸的是，在生產過程中控制過程參數時的限制條件，很難避免區摻雜梯度的不均衡性。例如，沿區和襯底之間界面以及區和p主體區域之間界面的擴散，會導致這些界面附近區部分摻雜濃度的變化。
附圖3所示的結構可利用一包含多個外延沉積步驟的操作序列來實現，其中每個外延沉積步驟后面都有適當摻雜物的添加。不幸的是，外延沉積步驟實行起來開銷很高，所以制造此結構是不經濟的。
因而，提供一種生產附圖3中MOS場效應管結構的方法是很需要的。它要求沉積步驟最少從而可以降低生產成本，同時可以實現對過程參數的足夠控制從而在器件漂移區域中的反向摻雜類型相鄰區之間實現電荷高程度補充。
發明內容
根據本發明，所提供的MOS場效應管包含第一導電型襯底。同樣屬于第一導電型的外延層沉積在襯底上。第一和第二主體區域位于外延層內并且決定了二者之間的漂移區域。主體區域具有第二導電型。第一導電型的第一和第二源極區分別位于第一和第二主體區域內。外延層的漂移區域內的主體區域下面存在多個溝槽。這些由第一和第二主體區域向襯底延伸的溝槽，以非外延疊層工藝填充包含第二導電型摻雜物的材料。摻雜物由溝槽擴散到鄰近溝槽的外延層部分內部，從而形成導致沿水平和垂直方向建立的反向電壓的p型摻雜區域。
根據本發明的一方面內容，填充溝槽的材料是硅。
根據本發明的另一方面內容，填充溝槽的硅至少部分氧化。
根據本發明的其它方面內容，填充溝槽的材料為電介質，例如二氧化硅等。
根據本發明的其它方面內容，填充溝槽的材料可以包含硅和電介質。
根據本發明的其它方面內容，可以提供形成MOS場效應管的方法。此方法首先提供第一導電型襯底，然后將外延層沉積在此襯底上。外延層具有第一導電型。第一和第二主體區域在外延層內形成以確定二者之間的漂移區域。主體區域具有第二導電型。第一導電型的第一和第二源極區分別形成于第一和第二主體區域內。在外延層的漂移區域內形成多個溝槽。包含第二導電型摻雜物的材料沿外延沉積在溝槽內部。這些溝槽由第一和第二主體區域向襯底延伸。至少摻雜物的一部分由溝槽擴散到鄰近溝槽的外延層部分。
附圖1所示為傳統MOS場效應管結構的截面圖。
附圖2所示為作為傳統MOS場效應管擊穿電壓函數的單位面積上的導通電阻值以及根據本發明構建的一MOS場效應管。
附圖3所示為以具有在相同電壓下比附圖1所述結構單位面積上更低的導通電阻進行操作的MOS場效應管結構。
附圖4-6所示為根據本發明所構建的MOS場效應管各種實施例的相關部分。
附圖7所示為根據本發明所構建的完整的MOS場效應管。
具體實施例方式
根據本發明，首先圍繞p型區域40和42所處位置刻蝕出一對溝槽，形成附圖3所示的p型區域40和42。接下來向這些溝槽中填充富含摻雜物的材料。材料中的摻雜物由溝槽中擴散出來進入形成器件漂移區域的鄰近外延層。外延層所形成的摻雜物部分形成p型區域。填充溝槽的材料連帶擴散出溝槽的摻雜物保存在最終器件中。因而，需要對材料進行挑選從而不會反過來影響器件的特性。可舉出的可用作填充溝槽的材料包括多晶硅或例如二氧化硅的電介質。
附圖4-6所示為可用來填充在外延硅層1內形成的溝槽44和46的幾種不同混合材料。雖然附圖4-6給出溝槽44-46、外延層1和襯底2，為了清楚，附圖4-6沒有給出包含p主體區域和源極區的MOS場效應管的上面部分。
附圖4所示發明的實施例中，溝槽44和46內部填充由摻雜電介質，如摻雜硼的二氧化硅。填充完溝槽后，硼擴散到相鄰外延層1從而形成p型區域40和42。填充溝槽的摻雜硼的二氧化硅保存在最終的MOS場效應管中。
附圖5所示發明的實施例中，溝槽至少是部分地填充摻雜硼的多晶硅，即多晶硅。填充完溝槽后，硼擴散到相鄰外延層1從而形成p型區域40和42。剩余填充溝槽的摻雜硼的多晶硅保存在最終的MOS場效應管器件中。可替代地，擴散結束形成二氧化硅之后，多晶硅可以全部或部分地氧化。因而，保存在最終MOS場效應管器件中的溝槽內部填充有電介質，即二氧化硅以及任何殘余多晶硅。在另一替代中，溝槽中的任何摻雜硼的多晶硅可以升高溫度再結晶以形成單晶硅。在這種情況下，殘留在最終MOS場效應管中的溝槽內部填充了單晶硅，或單晶硅與二氧化硅或其它電介質的混合物。
附圖6所示發明的實施例中，首先部分地將摻雜多晶硅填充到溝槽44和46中，接著利用電介質沉積來填滿溝槽。填充完溝槽后，硼擴散到相鄰外延層1以形成p型區域40和42。殘余的摻雜硼的多晶硅以及用來填充溝槽的電介質保存在最終的MOS場效應管器件中。有些情況下摻雜硼的多晶硅升高溫度進行再結晶從而形成單晶硅。因而，殘留在最終MOS場效應管中的溝槽內部填充有單晶硅和電介質。
附圖7所示為根據本發明所構建的合成的功率MOS場效應管。此MOS場效應管包含襯底2、外延層1、p主體區域5a和6a、深度p主體區域5b和6b、源極區7和8以及溝槽44和46分別所處在的p型區域40和42。P型區域40和42確定了均由n型摻雜區分立開的區。圖中也給出了含有氧化層48和多晶硅層49的柵極以及含有金屬化層50的源極。
在本發明的另一個實施例中，溝槽內部可以填充外延沉積材料，如摻雜硅。在一些情況下使用外延沉積可能是有利的，原因是可以降低缺陷的形成，同時可以加強對溝槽中摻雜物梯度的控制從而獲得更好的均勻性。如前所述，對摻雜物梯度的控制是很重要的，因為更高操作電壓下器件的導通電阻值的降低關鍵要看在相鄰反向摻雜物類型的區之間實現電荷補充的程度大小。因而，雖然本發明實施例中需要使用附加外延沉積的步驟，但可以獲得更好的電荷填充，這是很有利的。
通過使用外延沉積材料填充溝槽所提供的附加控制，可以用來補償與襯底和p主體區域的接口附近的區部分內部所出現的摻雜物不均勻性。這些不均勻性產生可能是由于在摻雜物擴散出溝槽形成區時，在不同層間不可避免地產生的擴散所致。例如附圖7中，當摻雜物由溝槽44和46擴散形成p型區域40和42時，從深摻雜p主體區域5和6來的附加摻雜物也會擴散進入p型區域40和42。因而，接近p主體區域5和6的p型區域40和42部分將比平型區域40和42的殘余部分摻雜更多。
通過外延地將材料沉積到摻雜濃度逐漸降低的溝槽中，可以解決前面所提到的難題。利用“分級epi”技術可以解決此難題。也就是說，在外延沉積過程中，摻雜濃度可以逐漸增高或降低。對于此方法，具有特定原子濃度的單個摻雜物源極可用來產生一定范圍的摻雜物水平。可替代地，通過安置可以摻雜到不同濃度的兩個或更多晶硅源極同樣可以解決此難題。在外延沉積過程的后半階段，具有更低摻雜濃度的單個源極或多個源極可主要地用來降低p主體區域附近溝槽中獲得層的摻雜濃度。當進行后續的擴散步驟來確定區時，從p主體區域來的附加摻雜物材料將會擴散到p型區內，從而補償外延沉積層中本來較低的摻雜濃度。當然，當前的一些普通技術人員可以認識到為了獲得均勻摻雜的區，各種過程參數，如不同源極的數量、它們的摻雜濃度以及從不同源極沉積步驟的時間間隔等需要被優化。
可以使用同樣的技術來補償靠近襯底的p型區部分所產生的降低的摻雜濃度。在此情況下，在外延沉積過程填充溝槽的起始階區，具有更高摻雜濃度的單個源極或多個源極可主要地用來提高靠近襯底的位于溝槽中的外延層的摻雜濃度。
附圖7所示發明的MOS場效應管可根據任何傳統處理技術來構建。例如，可以采用下面所舉的一系列步驟來完成附圖7所述的MOS場效應管。
首先，利用氧化層覆蓋外延層1的表面這種方法形成氧化掩膜層，其中的氧化層然后可以如通常一樣曝光，并且構圖以剩余確定溝槽44和46位置的掩膜部分。通過反應離子刻蝕實現在溝槽上的干態刻蝕以穿透掩膜口，通常的深度范圍為10-40微米。每個溝槽的邊壁可以是平滑的。首先，可以使用干化學刻蝕從溝槽邊壁上除去很薄的氧化層(通常的大約500-1000A)從而消除由于反應離子刻蝕過程所導致的破壞。接下來，在溝槽44和46以及掩膜部分上形成犧牲的二氧化硅層(sacrificial silicon)。通過緩沖氧化刻蝕或HF刻蝕可以除去犧牲的二氧化硅層和掩膜部分，從而所得到的溝槽邊壁盡可能的光滑。
溝槽44和46內部填充有任何先前提到的材料，如多晶硅、二氧化硅、硅或它們的混合。在沉積過程中，多晶硅或氧化物要特別地摻雜一摻雜物，如硼。接下來要完成擴散步驟是將摻雜物擴散出溝槽進入到周圍的外延層。如果殘留在溝槽中的材料為多晶硅，可以將其氧化或再結晶。
接下來，利用曝光掩膜過程形成一定圖形用來確定源極區7和8的掩膜層。接著利用注入和擴散過程來形成源極區7和8。例如，在80KeV時將砷注入到源極區達到特定范圍2×1015到1.2×1016/cm2之間的一濃度值。經過注入后砷擴展到大約0.5到2.0微米的深度。深度p主體區域的深度大約處于2.5到5微米這個特定的范圍之內，而主體區域深度大約為1-3微米之間。最后，用傳統的方法除去掩膜層以形成附圖7所述結構。
利用傳統途徑通過形成和定形氧化層來形成接觸口完成DMOS晶體管。金屬化層50也將沉積并且形成掩膜以確定源極和柵極。使用填充掩膜也可以確定填充觸點。最后，漏極接觸層(未給出)形成于襯底下表面上。
要注意的是在先前所述過程中，在p主體區域和深度p主體區域形成之前形成溝槽，本發明通常包括更多的過程，在這些過程中溝槽可以在任意一個或全部殘留摻雜區域之前或之后形成。而且，雖然公開的是構建MOS場效應管的一個特定處理過程，在本發明的范圍之內，可以使用其它處理過程。
根據本發明所構建的MOS場效應管較之利用傳統技術構建出來的現有技術的器件具有眾多優勢。例如，p型區域的垂直摻雜物梯度幾乎接近于0。水平摻雜物梯度可以通過變換所引入的摻雜物數量以及在擴散步驟中所使用的熱力學循環次數和周期來進行精確控制。引入的摻雜物數量以及側摻雜物梯度可進一步地得以改變從而優化此器件的擊穿電壓和導通電阻值。
在附圖7所示本發明的實施例中，p型溝槽形成于主體區域下部。然而，不是每個p型溝槽都需要與之相關的主體區域，特別是在模子的周邊上或包含填充物或者是連接點的區域。
雖然這里特別列舉并描述各種實施例，但是應該注意到對于本發明的更改和變動都囊括在上面的描述以及所附的權利要求范圍之中，而不會背離本發明的精神和范疇。例如，根據本發明提供功率MOS場效應管，其中各種半導體區域的導電性可以與這里所描述的相關內容相反。
權利要求
1.一種功率MOS場效應管，包含第一導電型襯底；襯底上的外延層，所述外延層具有第一導電型；位于第一外延層內確定了漂移區域的第一和第二主體區域，所述主體區域具有第二導電型；分別位于第一和第二主體區域內的第一導電型的第一和第二源區域；位于外延層漂移區域內的主體區域下面的多個溝槽，這些溝槽槽內部以非外延疊層工藝填充有含有第二導電型摻雜物的材料，所述溝槽從第一和第二主體區域延伸到襯底，所述摻雜物從所述溝槽擴散到鄰近溝槽的外延層部分。
2.如權利要求1所述的MOS場效應管，其中所述填充溝槽的材料為硅。
3.如權利要求1所述的MOS場效應管，其中所述填充溝槽的材料為電介質。
4.如權利要求3所述的MOS場效應管，其中所述電介質為二氧化硅。
5.如權利要求1所述的MOS場效應管，其中所述摻雜物為硼。
6.如權利要求2所述的MOS場效應管，其中所述硅在溝槽內的硅層的表面上是至少部分被氧化。
7.如權利要求1所述的MOS場效應管，其中填充溝槽的材料包含硅和電介質。
8.如權利要求1所述的MOS場效應管，其中所述主體區域包括深主體區域。
9.如權利要求1所述的MOS場效應管，其中所述鄰近溝槽的外延層部分在溝槽的橫向方向上具有大體上均勻的濃度值。
10.一種形成MOS場效應管的方法，包括步驟提供第一導電型襯底；在襯底上沉積外延層，所述外延層具有第一導電型；在外延層內形成第一和第二主體區域以在它們之間確定漂移區域，所述主體區域具有第二導電型；分別在第一和第二主體區域內形成第一導電型的第一和第二源區域；以及在所述外延層漂移區域內形成多個溝槽；在所述溝槽內沉積具有第二導電型摻雜物的電介質，所述溝槽由第一和第二主體區域向襯底延伸；將所述至少一部分的摻雜物由所述溝槽擴散到鄰近于溝槽的外延層部分其中所述主體區域包括深主體區域。
11.如權利要求10所述的方法，其中通過提供掩膜層確定至少一個溝槽來形成所述溝槽，同時刻蝕由掩膜層所確定的溝槽。
12.如權利要求11所述的方法，其中所述多個層包括鄰近于主體區域之一的接口層，所述接口層具有比分層材料的內層更低的摻雜濃度。
13.如權利要求10所述的方法，其中相對于襯底鄰近區域內摻雜濃度分布，所述分層材料在主體區域的鄰近區域具有降低的摻雜濃度。
14.如權利要求10所述的方法，其中所述鄰近溝槽的外延層部分在溝槽的橫向方向上具有大體上均勻的濃度值。
15.如權利要求13所述的方法，其中所述鄰近溝槽的外延層部分在溝槽的橫向方向上具有大體上均勻的濃度值。
全文摘要
提供一種MOS場效應管，包括第一導電型襯底(2)。同樣沉積在襯底上的第一導電型的外延層(1)。第一和第二主體區域(5a，6a，5b，6b)位于外延層內并且確定二者之間的漂移區域。主體區域具有第二導電型。第一導電型的第一和第二源極區(7，8)分別位于第一和第二主體區域。多個溝槽(44，46)位于外延層漂移區域內的主體區域下部。由第一和第二主體區域延伸到襯底的溝槽內部填充有含有第二導電型摻雜物的外延分層材料。摻雜物從溝槽擴散到鄰近溝槽的外延層部分內部，從而在主體區域下形成第二導電型的半導體區域(40，42)。
文檔編號H01L21/336GK1941414SQ200610125629
公開日2007年4月4日 申請日期2001年6月1日 優先權日2000年6月2日
發明者理查德·A·布蘭查德 申請人:通用半導體公司