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具有減輕的擊穿現(xiàn)象的溝道型雙擴(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管的制作方法

文檔序號(hào):6846721閱讀:143來(lái)源:國(guó)知局
專利名稱:具有減輕的擊穿現(xiàn)象的溝道型雙擴(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明一般涉及金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)(MOSFET)晶體管,具體地說(shuō),涉及具有溝道結(jié)構(gòu)的雙擴(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體(DMOS)晶體管。
典型的分立型DMOS電路包括兩個(gè)或多個(gè)并行制造的單個(gè)的DMOS晶體管元件。各個(gè)DMOS晶體管元件共用一個(gè)公共的漏極接點(diǎn)(襯底),同時(shí)它們的源極都利用金屬短路,它們的柵極都通過(guò)多晶硅短路。這樣,即使分立的DMOS電路用一個(gè)較小的晶體管的矩陣構(gòu)成,它仍然能象單個(gè)的大晶體管那樣工作。對(duì)于分立DMOS電路來(lái)說(shuō),最好使晶體管矩陣通過(guò)柵極導(dǎo)通時(shí),它的每個(gè)單元面積的導(dǎo)電能力最大化。
一種特殊類型的DMOS晶體管是所謂的溝道型DMOS晶體管,其中形成垂直的溝道,在源極和漏極之間延伸的溝道中形成柵極。覆有薄氧化物層并且填充有多晶硅的溝道允許更小的壓縮電流流過(guò),從而提供更低的特定的導(dǎo)通電阻。在美國(guó)專利No.5,072,266、5,541,425和5,866,931中公開(kāi)了一些溝道型DMOS晶體管的例子。
溝道型DMOS晶體管的一個(gè)問(wèn)題是擊穿現(xiàn)象。當(dāng)晶體管的溝道被耗盡時(shí)引起的擊穿現(xiàn)象,典型地在雪崩擊穿之前形成非破壞性的漏電流。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)擊穿現(xiàn)象在具有較高的晶體管元件密度的情況下特別有害,在高于大約18M/in2的密度時(shí)更加明顯。在引起擊穿現(xiàn)象的各種原因中,一個(gè)重要的原因發(fā)生在形成溝道柵極的過(guò)程中。特別是,在蝕刻溝道后,執(zhí)行犧牲氧化步驟以使隨后將淀積薄氧化物層的溝道側(cè)壁平滑,隨后淀積薄氧化物層。在犧牲氧化步驟和氧化物淀積步驟的過(guò)程中,由于在高溫下進(jìn)行的犧牲氧化步驟中摻雜材料(一般為硼)將硅與柵極氧化物隔離,摻雜材料從相鄰的溝道流失(所謂的p-體)。由于溝道的相對(duì)寬度隨著溝道所包圍的表面積增加,這個(gè)問(wèn)題在高元件密度的情況下更加嚴(yán)重。
由于在多晶硅中使用的摻雜劑(一般為磷)能夠穿透柵極進(jìn)入到p-體中,這將降低溝道中載流子的濃度,當(dāng)?shù)矸e多晶硅以填充溝道時(shí)擊穿現(xiàn)象更加嚴(yán)重。隨著沿溝道的柵極氧化物層厚度的降低,這個(gè)問(wèn)題更加嚴(yán)重。
美國(guó)專利No.5,072,266公開(kāi)了一種用于制造溝道型DMOS晶體管的工藝步驟的常規(guī)順序。在該工藝中,在形成溝道前形成p-體溝道和源區(qū)。如上所述,但是,在形成溝道時(shí),摻雜材料會(huì)從p-體中流失,加劇了擊穿現(xiàn)象。結(jié)果,必須增加溝道和p-體的深度以補(bǔ)償增加的擊穿現(xiàn)象。而且,由于在形成溝道柵極中使用的氧化步驟中在源區(qū)中產(chǎn)生的硅缺陷,在溝道形成的過(guò)程中也可以對(duì)源區(qū)產(chǎn)生不利影響。
美國(guó)專利No.5,468,982試圖通過(guò)在蝕刻并填充溝道柵極后形成p-體來(lái)減輕擊穿現(xiàn)象。但是,由于p-體的形成需要在高溫(一般為1100-1150℃)下進(jìn)行的擴(kuò)散步驟,所以這種方法不能令人完全滿意。高溫使得在填充溝道的多晶硅中的摻雜材料以更高的速度穿透柵極氧化物,從加重的擊穿現(xiàn)象。
因此,仍然需要一種制造能夠基本上減輕擊穿現(xiàn)象的溝道型DMOS晶體管的工藝。
本發(fā)明在去除構(gòu)圖的溝道掩模之前完成了溝道形成步驟,由于構(gòu)圖的溝道掩模用作頂層或阻擋層,所以防止了摻雜材料從p-體流失。這樣,減輕了擊穿現(xiàn)象。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面,導(dǎo)電電極由多晶硅形成。形成多晶硅導(dǎo)電電極的步驟可以包括淀積未摻雜多晶硅層,然后淀積摻雜的多晶硅層的步驟。由于未摻雜的多晶硅層用作緩沖層阻止摻雜材料通過(guò)絕緣層進(jìn)入體區(qū),所以這些步驟也能夠減輕擊穿現(xiàn)象。
圖2-7示出了根據(jù)本發(fā)明形成

圖1中的DMOS晶體管的工藝步驟的順序。
圖8示出了根據(jù)本發(fā)明的方法,當(dāng)在去除溝道掩模前完全形成溝道時(shí)(實(shí)線),和按照常規(guī)方法制造溝道時(shí)(虛線),整個(gè)晶體管的摻雜濃度。
圖9示出了當(dāng)溝道中僅僅填充摻雜的多晶硅時(shí)(虛線),和當(dāng)在摻雜的多晶硅后再沿溝道形成一層未摻雜的多晶硅時(shí)(實(shí)線),整個(gè)晶體管的摻雜濃度。
如圖1所示的MOSFET具有定位在垂直方向的矩形溝道內(nèi)的柵極。這一結(jié)構(gòu)通常稱為溝道型垂直DMOSFET。因?yàn)槁O接點(diǎn)出現(xiàn)在襯底的背面或下面,并且從源極到漏極的溝道電流為垂直的,所以稱為“垂直”。這使得與彎折或彎曲的電流通路或寄生場(chǎng)效應(yīng)結(jié)構(gòu)有關(guān)的高電阻最小化。由于源區(qū)也擴(kuò)散到在相反導(dǎo)電類型的較早擴(kuò)散的體區(qū)的一部分上的外延材料中,上述器件也是雙擴(kuò)散(用前綴“D”表示)。這種結(jié)構(gòu)利用溝道側(cè)壁區(qū)域通過(guò)柵極控制電流,并且具有基本上垂直的電流。如上所述,這種器件特別適合用作其中使通過(guò)給定橫截面的硅的電流最小化的功率開(kāi)關(guān)晶體管。
應(yīng)該注意對(duì)于基本的晶體管操作,晶體管元件31的形狀不需要為六邊形,而更經(jīng)常地,可以是任意的多邊形形狀。但是,正方形和正六邊形是最便于布線的。也可以,不具有如圖所示的封閉元件的幾何形狀,晶體管元件可以敞開(kāi)或?yàn)闂l形。在上述的參考文獻(xiàn)中已經(jīng)示出了各種晶體管元件的幾何形狀的例子。并且,還應(yīng)該注意到在圖1和后面的圖中,僅僅示出了襯底、和襯底相連的摻雜區(qū)和溝道。為了清楚的目的,其它層,例如覆蓋絕緣層,柵極結(jié)構(gòu)和導(dǎo)電互連都沒(méi)有示出,它們對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)是已知的。
圖2-7示出了形成圖1示出的DMOS器件的步驟。在圖2中,N-摻雜外延層104在常規(guī)的N+摻雜襯底100上生長(zhǎng)。30伏的器件的外延層104一般為5.5微米厚。接下來(lái),在注入和擴(kuò)散步驟中形成p-體區(qū)116。由于在整個(gè)襯底上均勻地進(jìn)行p-體區(qū)注入,因此不需要掩模。p-體區(qū)是在40-60KEV注入的劑量為5.5×1013/cm2的硼。
在圖3中,通過(guò)用氧化物層覆蓋外延層104來(lái)形成掩模層,然后再按照現(xiàn)有技術(shù)那樣暴光并構(gòu)圖以留下掩模部分120。掩模部分120用于限定溝道的定位。利用反應(yīng)離子蝕刻將溝道124干蝕刻穿過(guò)掩模開(kāi)口到一定深度,該深度通常在從1.5到2.5微米的深度。
在圖4中,使各個(gè)溝道的側(cè)壁平滑。根據(jù)本發(fā)明,這一工藝步驟是在溝道掩模部分120仍然還在的時(shí)候進(jìn)行的。首先,可以使用干化學(xué)蝕刻來(lái)從溝道側(cè)壁上去除薄氧化物層(一般為大約500-1000埃),以消除由于反應(yīng)離子蝕刻工藝而引起的損失。接下來(lái),在溝道124和掩模部分120上生長(zhǎng)犧牲二氧化硅層150。通過(guò)緩沖氧化物蝕刻或HF蝕刻去除犧牲層150以及掩模部分120,使得所得到的溝道側(cè)壁盡可能的光滑。
因?yàn)楸景l(fā)明在去除構(gòu)圖的溝道掩模之前完成了形成溝道的步驟,構(gòu)圖的溝道掩模用作頂層或阻擋層,所以摻雜材料不會(huì)從p-體流失。相反,在前面提及的美國(guó)專利No.5,072,266中,在進(jìn)行犧牲氧化物步驟之前去除溝道掩模,從而使得摻雜材料會(huì)從p-體流失。由于本發(fā)明避免了在現(xiàn)有技術(shù)中遇到的上述問(wèn)題,減輕了溝道現(xiàn)象。
如圖5所示,然后在整個(gè)結(jié)構(gòu)上淀積柵極氧化物層130使得其覆蓋溝道側(cè)壁和p-體116的表面。柵極氧化物層130一般的厚度為500-800埃。接下來(lái),用多晶硅152填充溝道124。在淀積之前,多晶硅一般摻雜有氯化磷或注入有砷或磷以降低其電阻率,一般在20歐姆/米的范圍內(nèi)。
在圖6中,蝕刻多晶硅層152以使其厚度最佳,并且暴露出柵極氧化物層130延伸在p-體116上的部分。接下來(lái),利用光刻膠掩模工藝來(lái)形成構(gòu)圖的掩模層160。構(gòu)圖的掩模層160限定源區(qū)140。然后通過(guò)注入和擴(kuò)散工藝形成源區(qū)140。例如,源區(qū)可以在80KEV注入砷達(dá)到8×1015到1.2×1016的范圍。在注入后,砷擴(kuò)散到大約0.5微米的深度。最后,用常規(guī)方法去除掩模層160以形成圖7所示的結(jié)構(gòu)。
通過(guò)在結(jié)構(gòu)上形成和構(gòu)圖BPSG層,限定與柵電極相連的BPSG區(qū)域來(lái)用常規(guī)方法完成溝道型DMOS晶體管。并且,在襯底的下表面上形成漏極接觸層。最后,使用焊盤掩模來(lái)限定焊盤接點(diǎn)。
圖8示出了當(dāng)根據(jù)本發(fā)明,在去除溝道掩模前完全形成溝道時(shí)(實(shí)線),和當(dāng)按照現(xiàn)有技術(shù)制造溝道時(shí)(虛線),整個(gè)晶體管的摻雜濃度。在曲線圖中示出了各種界面的定位。清楚地,模型表示當(dāng)使用本發(fā)明的制造技術(shù)時(shí),較少的摻雜材料從p-體流失,從而提供了較厚的p-體,使得減輕了擊穿現(xiàn)象。
圖9示出了當(dāng)溝道中僅僅填充有摻雜的多晶硅時(shí)(虛線),和當(dāng)形成摻雜的多晶硅后又沿溝道形成未摻雜的多晶硅層時(shí)(實(shí)線),整個(gè)晶體管的摻雜濃度。當(dāng)層中設(shè)有摻雜的和未摻雜的多晶硅時(shí),在p-體中的摻雜濃度更大,p-體更厚。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面,通過(guò)在兩步工藝中用多晶硅填充溝道,可以減輕擊穿現(xiàn)象。在第一步驟中,沿溝道的側(cè)壁淀積一層摻雜的多晶硅層。然后,在淀積一層未摻雜的多晶硅層。一般地,摻雜的多晶硅層的厚度大于未摻雜的多晶硅層的厚度。例如,摻雜的多晶硅層和未摻雜的多晶硅層的厚度的比可以為7∶1,總厚度約為8,000埃。未摻雜的多晶硅層最好用作緩沖層來(lái)阻止摻雜材料穿過(guò)柵極氧化物層到p-體,從而進(jìn)一步減輕擊穿現(xiàn)象。當(dāng)在去除溝道掩模之前形成溝道時(shí)可以使用這兩步工藝。也可以,用兩層淀積工藝自身來(lái)減輕擊穿現(xiàn)象。也就是說(shuō),即使在形成溝道前去除溝道掩模時(shí),溝道中也可以填充未摻雜的和摻雜的多晶硅。
盡管這里具體示出了和描述了各種實(shí)施例,但是應(yīng)該理解,在不背離本發(fā)明精神和范圍的情況下,對(duì)本發(fā)明所進(jìn)行的各種修改和改變都被上述教導(dǎo)覆蓋,并且在所附權(quán)利要求的范圍內(nèi)。例如,本發(fā)明的方法可以用于形成DMOS,其中各個(gè)半導(dǎo)體區(qū)域的導(dǎo)電類型與這里描述的相反。
權(quán)利要求
1.一種形成溝道型DMOS晶體管元件的方法,包括以下步驟提供一第一導(dǎo)電類型的襯底;在襯底上形成第二導(dǎo)電類型的體區(qū);形成至少限定一個(gè)溝道的掩模層;形成掩模所限定的溝道,所述溝道穿過(guò)體區(qū)和襯底延伸;沿著溝道形成絕緣層;在溝道中形成覆蓋在絕緣層上的導(dǎo)電電極;在體區(qū)中鄰近溝道的地方形成第一導(dǎo)電類型的源區(qū);并且其中形成溝道的步驟包括蝕刻溝道的步驟和在去除限定溝道的掩模前利用犧牲氧化物層使溝道的側(cè)壁平滑的步驟。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法,其中形成體區(qū)的步驟包括將摻雜劑注入和擴(kuò)散到襯底中的步驟。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法,其中形成溝道的步驟包括覆蓋在體區(qū)上形成構(gòu)圖的掩模層的步驟。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法,還包括在形成溝道后,去除犧牲氧化物層和構(gòu)圖的掩模層的步驟。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法,其中沿溝道形成絕緣層的步驟包括在溝道中淀積氧化物層的步驟。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法,其中形成導(dǎo)電電極的步驟包括覆蓋絕緣層在溝道中淀積多晶硅的步驟。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法,其中多晶硅包括摻雜材料。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法,其中淀積多晶硅的步驟包括淀積一層未摻雜的多晶硅,然后再淀積一層摻雜的多晶硅的步驟。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法,其中形成源區(qū)的步驟包括淀積構(gòu)圖的掩模層和將摻雜劑注入和摻雜到體區(qū)的步驟。
10.一種形成溝道型DMOS晶體管元件的方法,包括以下步驟提供一第一導(dǎo)電類型的襯底;在襯底上形成第二導(dǎo)電類型的體區(qū);形成至少限定一個(gè)溝道的掩模層;形成掩模所限定的溝道,所述溝道穿過(guò)體區(qū)和襯底延伸;沿著溝道形成絕緣層;覆蓋絕緣層在溝道中形成多晶硅導(dǎo)電電極;在與溝道相鄰的體區(qū)中形成第一導(dǎo)電類型的源區(qū);其中形成多晶硅導(dǎo)電電極的步驟包括淀積一層未摻雜的多晶硅,然后淀積一層摻雜的多晶硅的步驟。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法,其中形成體區(qū)的步驟包括將摻雜劑注入和擴(kuò)散到襯底中的步驟。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法,其中形成溝道的步驟包括覆蓋在體區(qū)上形成構(gòu)圖的掩模層的步驟。
13.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法,還包括在形成溝道后,去除犧牲氧化物層和構(gòu)圖的掩模層的步驟。
14.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法,其中沿溝道形成絕緣層的步驟包括在溝道中淀積氧化物層的步驟。
15.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法,其中形成溝道的步驟包括蝕刻溝道并且在去除限定溝道的掩模層之前利用犧牲氧化物層使溝道的側(cè)壁平滑的步驟。
16.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法,其中形成源區(qū)的步驟包括淀積構(gòu)圖的掩模層和將摻雜劑注入并擴(kuò)散到體區(qū)的步驟。
17.一種溝道型DMOS晶體管元件,包括第一導(dǎo)電類型的襯底;在襯底上的體區(qū),所述體區(qū)具有第二導(dǎo)電類型;至少一個(gè)穿過(guò)體區(qū)和襯底延伸的溝道;沿溝道的絕緣層;在溝道中覆蓋絕緣層的導(dǎo)電電極,所述導(dǎo)電電極包括摻雜層和未摻雜層;以及在體區(qū)中與溝道相鄰的第一導(dǎo)電類型的源區(qū)。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的DMOS晶體管元件,其中所述的導(dǎo)電電極包括一層未摻雜的多晶硅和一層摻雜的多晶硅。
19.根據(jù)權(quán)利要求17所述的DMOS晶體管元件,還包括淀積在與體區(qū)相反的襯底的表面上的漏極電極。
20.根據(jù)權(quán)利要求17所述的DMOS晶體管,其中所述的絕緣層是氧化物層。
全文摘要
一種形成溝道型DMOS晶體管的方法,所形成的溝道型DMOS晶體管具有減輕的擊穿現(xiàn)象。該方法開(kāi)始先提供一第一導(dǎo)電類型的襯底。在襯底上形成第二導(dǎo)電類型的體區(qū)。形成至少限定一個(gè)溝道的掩模層。接下來(lái),形成溝道和沿著溝道的絕緣層。然后在溝道中形成覆蓋在絕緣層上的導(dǎo)電電極。在體區(qū)中鄰近溝道的地方形成第一導(dǎo)電類型的源區(qū)。形成溝道的步驟包括蝕刻溝道的步驟和在去除限定溝道的掩模前利用犧牲氧化物層使溝道的側(cè)壁平滑的步驟。
文檔編號(hào)H01L21/02GK1384973SQ00812811
公開(kāi)日2002年12月11日 申請(qǐng)日期2000年9月11日 優(yōu)先權(quán)日1999年9月14日
發(fā)明者石甫淵, 蘇根政 申請(qǐng)人:通用半導(dǎo)體公司
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