專(zhuān)利名稱(chēng)：溝槽半導(dǎo)體器件及其制造技術(shù)
本發(fā)明涉及包含溝槽中的絕緣溝槽電極的半導(dǎo)體器件及其制造。例如，它涉及溝槽柵場(chǎng)效應(yīng)功率晶體管和溝槽肖特基二極管。
理想地，功率晶體管能夠在“關(guān)狀態(tài)”和“開(kāi)狀態(tài)”之間切換(反之亦然)而沒(méi)有功率消耗。然而，相當(dāng)大的開(kāi)關(guān)功率消耗出現(xiàn)在實(shí)際的功率器件中，因此，總是期望設(shè)計(jì)出一種器件，以使這些損耗最小化，對(duì)需要高頻率切換的應(yīng)用尤其如此。
例如，B.Jayant Baliga的“功率半導(dǎo)體器件”中第387到395頁(yè)(以下稱(chēng)作“Baliga”)中談到了當(dāng)器件在導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)，與功率MOSFET有關(guān)的瞬態(tài)波形。因此其內(nèi)容這里引入作為參考。這里，

圖1A到1C示意性的說(shuō)明當(dāng)連接至電感性負(fù)載時(shí)處于導(dǎo)通的這種器件的典型波形。圖1A顯示柵源電壓Vgs，圖1B顯示漏源電流Ids，圖1C顯示漏源電壓Vds。
圖1A到1C顯示了三個(gè)連續(xù)的時(shí)間間隔，即t1、t2和t3?？梢钥吹斤@著比例的功率消耗發(fā)生在間隔t2和t3期間。在t2中，Vds處在最大阻塞值，且Ids上升，而在t3中，Ids相對(duì)高，且Vds從其最大值下降。在關(guān)斷期間會(huì)產(chǎn)生相反的類(lèi)似波形。注意到，在Baliga中，降低功率MOSFET器件的柵漏電容將減少間隔t3的長(zhǎng)度，從而減少器件在導(dǎo)通和類(lèi)似地在關(guān)斷時(shí)的功率損耗量。本發(fā)明試圖達(dá)到這個(gè)結(jié)果。
本發(fā)明也涉及溝槽柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管，其中電場(chǎng)板提供在柵電極下面的溝槽中并且與其連接。例如，國(guó)際說(shuō)明書(shū)No.WO-A-01/08226(我們的參考號(hào)PHN17572)和US-A-5637898中揭示這種形式的器件。這兩份文獻(xiàn)的整個(gè)內(nèi)容在這里作為參考引入。在文獻(xiàn)所展示的構(gòu)造中，在器件的電場(chǎng)板與半導(dǎo)體主體之間提供了比柵電極和半導(dǎo)體主體之間更厚的介電材料。這就避免了電場(chǎng)集中在可能導(dǎo)致氧化物擊穿的溝槽底部拐角處，由此提高了晶體管的電壓阻塞能力。
本發(fā)明還涉及具有溝槽電極的肖特基整流器，例如US-A-5612567中所揭示。其整個(gè)內(nèi)容在這里作為參考引入。正如這里所描述，優(yōu)選地沿溝槽陽(yáng)極電極側(cè)面和下面提供厚介電層，以抑制電極周?chē)膱?chǎng)擁擠并提高器件的擊穿電壓。
本發(fā)明的目的是提供一種改進(jìn)的半導(dǎo)體器件，其中以緊湊的方式獲得溝槽電極和器件主體之間需要的介電耦合。
本發(fā)明提供一種半導(dǎo)體器件，包括溝槽中的絕緣溝槽電極、在器件的半導(dǎo)體主體部分中延伸的溝槽，其中，溝槽電極通過(guò)溝槽側(cè)壁的絕緣層介電地耦合至主體部分，且在溝槽電極的底部與溝槽的底部之間有腔體，以減少溝槽電極與溝槽底部的主體部分之間的介電耦合。
因而，溝槽電極與半導(dǎo)體主體之間至少一部分介電耦合是由腔體的內(nèi)含物提供的。這個(gè)腔體可以沿溝槽電極下面部分的側(cè)面延伸，此外，可以進(jìn)一步提供至少部分所述的絕緣層。
典型地，在主體部分中由腔體限定的空間會(huì)有一些氣體內(nèi)含物。腔體可能充滿(mǎn)預(yù)定壓強(qiáng)下的預(yù)定氣體，所以，其內(nèi)含物的介電常數(shù)顯著低于像二氧化硅這樣典型絕緣材料的介電常數(shù)。一般來(lái)說(shuō)，橫跨腔體的介電耦合對(duì)于腔體中精確的氣體內(nèi)含物的依賴(lài)性要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于對(duì)于腔體厚度的依賴(lài)性。大多數(shù)通常可利用的氣體的介電常數(shù)非常接近于1(一)，所以，氣體腔體有非常接近于自由空間的電容率。在大氣壓強(qiáng)下，像氧氣、氮?dú)?、二氧化碳和空氣這樣的常見(jiàn)氣體的介電常數(shù)都小于1.001。通過(guò)比較，二氧化硅的介電常數(shù)在約3.9到4.9的范圍之內(nèi)(取決于它的形成方式)，而氮化硅的介電常數(shù)在約6到9的范圍內(nèi)。
腔體中的氣體壓強(qiáng)可能顯著低于大氣壓強(qiáng)，其內(nèi)含物接近于真空。由于腔體內(nèi)含物所顯示出的相對(duì)較低的介電常數(shù)，所以能夠以相對(duì)緊湊的方式獲得溝槽電極與半導(dǎo)體主體的鄰近部分之間減少的耦合程度。因此，可以通過(guò)使用腔體而不是固體材料的較寬區(qū)域使器件更緊湊，以提供基本上相當(dāng)?shù)慕殡娞匦浴?br> 溝槽的至少其中一個(gè)底部、溝槽的側(cè)壁以及溝槽電極可以限定至少一部分腔體。優(yōu)選地，在形成部分腔體壁的溝槽壁上(另外也可以延伸到溝槽電極上)提供鈍化層。例如，該層可以由二氧化硅形成。
本發(fā)明還提供了一種形成半導(dǎo)體器件的方法，該器件包含溝槽中的絕緣溝槽電極，穿過(guò)器件的半導(dǎo)體主體部分延伸的溝槽，和通過(guò)溝槽側(cè)壁的絕緣層與主體部分介電耦合的溝槽電極，該方法包括以下步驟(a)在主體部分中蝕刻溝槽；(b)在溝槽底部上提供填充材料層；(c)在溝槽中提供溝槽電極材料，并具有穿過(guò)溝槽電極材料直到下面的填充材料而限定的通路；(d)蝕刻以除去溝槽電極材料與溝槽底部之間的填充材料；和(e)關(guān)閉穿過(guò)溝槽電極材料的通路，以在溝槽電極材料與溝槽底部之間留出腔體。與具有相同厚度的傳統(tǒng)電介質(zhì)的等效結(jié)構(gòu)相比，腔體減少了溝槽電極與溝槽底部的主體部分之間的介電耦合。
可以通過(guò)在溝槽相對(duì)的側(cè)壁上形成溝槽電極材料的間隔物，從而在步驟(c)中便利地形成穿過(guò)溝槽電極材料的通路。通過(guò)氧化溝槽電極原料以在其上生長(zhǎng)氧化物，其最終跨越通路，從而在步驟(e)中優(yōu)選地關(guān)閉通路。在優(yōu)選實(shí)施例中，接著，溝槽中填充額外的溝槽電極材料。
填充材料可以是與溝槽電極絕緣層的材料相同的材料。作為選擇，填充材料不同于溝槽電極絕緣層的材料，并且，可以是相對(duì)其為選擇性可蝕刻的材料。
根據(jù)本發(fā)明的多種更優(yōu)選的特征在下面描述，并在附屬的權(quán)利要求中闡明。
現(xiàn)在將通過(guò)實(shí)例并參考附帶的示意圖例來(lái)說(shuō)明本發(fā)明的各實(shí)施例，其中圖1A到1C顯示功率MOSFET在導(dǎo)通時(shí)的典型波形；圖2到7是通過(guò)根據(jù)本發(fā)明的方法的一個(gè)實(shí)例，溝槽柵功率晶體管的制造中連續(xù)階段中的半導(dǎo)體主體的晶體管單元區(qū)域的截面圖；圖8是通過(guò)根據(jù)本發(fā)明的方法的另一個(gè)實(shí)例，溝槽柵功率晶體管的制造中的中間階段的半導(dǎo)體主體的晶體管單元區(qū)域的截面圖；圖9和10是通過(guò)根據(jù)本發(fā)明的方法的又一個(gè)實(shí)例，溝槽柵功率晶體管制造中的中間階段的半導(dǎo)體主體的晶體管單元區(qū)域的截面圖；圖11是根據(jù)發(fā)明的又一個(gè)實(shí)施例，肖特基整流器的半導(dǎo)體主體的器件單元區(qū)域的截面圖；圖12是顯示擊穿電壓與腔體厚度之間關(guān)系的圖表。
應(yīng)當(dāng)注意，這些圖形是概略的，沒(méi)有按照比例繪制。在附圖中為了清晰和方便，這些圖的部分的相對(duì)尺寸和比例在尺寸上已被放大或縮小。相同的參考標(biāo)記一般用來(lái)表示改進(jìn)或不同的實(shí)施例中相應(yīng)或相似的特征。
圖7說(shuō)明在制造接近完成階段，本發(fā)明的功率半導(dǎo)體器件的示例性實(shí)施例的晶體管單元區(qū)域的截面圖。器件有溝槽柵極11形式的溝槽電極。第一導(dǎo)電類(lèi)型(本實(shí)例中為n型)的相應(yīng)的源極和漏極區(qū)13和14、14a被相反的第二導(dǎo)電類(lèi)型(本實(shí)例中為p型)的溝道調(diào)節(jié)體區(qū)域15分離。漏極區(qū)包括與漏極接觸區(qū)14a鄰近的低摻雜漂移區(qū)14。例如，漂移區(qū)由沉積在高電導(dǎo)率的襯底接觸區(qū)14a上的高電阻率外延層組成。
柵極11存在于溝槽20中，其延伸至器件的半導(dǎo)體主體10(典型為單晶硅)，穿過(guò)區(qū)域13和15進(jìn)入漂移區(qū)14的下層部分，朝向漏極接觸區(qū)14a至少到達(dá)一半處。二氧化硅薄層17使柵極11與相鄰的半導(dǎo)體主體部分10絕緣。器件導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)以公知的方式將電壓信號(hào)施加到柵極11，用于在區(qū)域15中感應(yīng)導(dǎo)電溝道12并控制源極和漏極區(qū)13和14、14a之間的該導(dǎo)電溝道12中流過(guò)的電流。
在完成的器件中，在柵極11上設(shè)置氧化物蓋帽。源極區(qū)13在半導(dǎo)體主體10的頂部主表面10a上通過(guò)源電極接觸，該電極覆蓋在氧化物蓋帽上。漏極接觸區(qū)14a在器件主體的底部主表面10b上通過(guò)漏電極接觸。更多的元件沒(méi)有在圖7中顯示，它們可以用公知的方法形成。
如圖7中所示，腔體被合并入主體部分14中，以在柵極11的底部25和溝槽20的底部之間提供空間或空隙。通過(guò)在溝槽20的底部27和側(cè)壁31上延伸的二氧化硅的薄鈍化層17以及柵極11底部25上二氧化硅的薄鈍化層17a限定腔體23，即形成其壁。
在說(shuō)明的實(shí)施例中，溝槽20跨越漏極漂移區(qū)14延伸到漏極接觸區(qū)14a，腔體23基本上從柵極11延伸到漏極接觸區(qū)。優(yōu)選地，腔體跨越從溝槽電極底部到漏極接觸區(qū)延伸至少一半，或優(yōu)選地是距離的三分之二或更多。
腔體限定具有相對(duì)較低的介電常數(shù)(也就是說(shuō)，接近于一)的區(qū)域，因此減少了溝槽柵器件的柵漏電容。這導(dǎo)致了圖1c所示的時(shí)間段t3的初始部分期間Vds的值更快速地減小，并因此減少器件導(dǎo)通期間的功率損耗?？梢岳斫鈱㈩?lèi)似的考慮應(yīng)用于器件關(guān)斷的相反情況。由于腔體減少了器件的柵漏電容，Vds更迅速地增加，導(dǎo)致了關(guān)斷時(shí)更低的功率損耗。
由于腔體橫向局限于溝槽20的寬度內(nèi)，因此它并不能顯著地影響器件的穩(wěn)態(tài)導(dǎo)通和關(guān)斷特性，因?yàn)闁艠O溝槽之間的器件主要區(qū)域上的漏極漂移區(qū)的主要部分沒(méi)有改變。
作為對(duì)該垂直分立器件結(jié)構(gòu)的替換，根據(jù)本發(fā)明也可能是集成器件。在這種情況下，區(qū)域14a可以為器件襯底與外延低摻雜漏極區(qū)14之間的摻雜掩埋層。該掩埋層區(qū)域14a可以借助從表面10a延伸到掩埋層的深度的摻雜外圍接觸區(qū)，在正面主表面10a上通過(guò)電極接觸。
圖中沒(méi)有顯示蜂窩狀布局幾何圖形的平面圖，因?yàn)檫@里所描述的構(gòu)造和方法可以應(yīng)用于完全不同的、公知的單元幾何圖形。因此，例如單元可能有方形的幾何圖形，或者可能有密集的六邊形幾何圖形或者是伸長(zhǎng)的條形幾何圖形。在每種情況下，溝槽20(具有其柵極11)圍繞著每個(gè)單元的邊界而延伸。圖7只顯示了幾個(gè)單元，但典型地，器件包括成千上萬(wàn)這種平行單元。器件的有源蜂窩區(qū)域可以通過(guò)各種已知的外圍終端設(shè)計(jì)(同樣沒(méi)有顯示)被界定在主體10外圍的周?chē)?。在晶體管單元制作步驟之前，這種設(shè)計(jì)通常包含主體表面10a的外圍區(qū)域上厚場(chǎng)氧化物層的形成。而且，各種已知的電路(例如柵控制電路)可以與器件集成在主體10的區(qū)域中，并在有源蜂窩區(qū)域和外圍終端設(shè)計(jì)之間。典型地，可以使用與晶體管單元所使用的相同的一些掩蔽和摻雜步驟，在該電路區(qū)域中以它們自己的布局制作其電路元件。
現(xiàn)在將參考圖2到圖6說(shuō)明產(chǎn)生圖7中所示結(jié)構(gòu)的工藝步驟。
可以使用已知的工藝形成圖2中所示的晶體管單元的元件，因此不在此詳細(xì)說(shuō)明。在這個(gè)例子中，二氧化硅薄層16或其它合適的絕緣體覆蓋在半導(dǎo)體主體10的頂部主表面10a上。掩模51設(shè)置在層16上，并可以由光致抗蝕劑或氮化硅以例如使用光刻和蝕刻的標(biāo)準(zhǔn)方式形成?？梢栽O(shè)置薄氧化層16以減少半導(dǎo)體主體10和掩模之間的機(jī)械應(yīng)力。掩模確定了窗口51a。區(qū)13b包括已注入和已擴(kuò)散施主離子，它們最終確定源區(qū)。區(qū)13b在掩模51下面橫向延伸，并超過(guò)每個(gè)窗口51a的掩模邊緣51b一距離d。在六邊形幾何圖形單元的情況下，這些擴(kuò)散區(qū)域13b形成六邊形網(wǎng)格圖案。在典型實(shí)例中，橫向距離d為0.1到0.5微米。低摻雜漏極漂移區(qū)14可以典型地生長(zhǎng)為第一導(dǎo)電類(lèi)型的外延層。
現(xiàn)在在掩模51的窗口51a進(jìn)行蝕刻處理。當(dāng)存在薄氧化層(例如16)時(shí)，該氧化物首先在窗口51a處被蝕刻掉。如圖3所示，然后用已知的方式進(jìn)行硅蝕刻處理，使用氮化硅掩模51作為蝕刻劑掩模，以將溝槽20蝕刻到窗口51a處的硅體10中。當(dāng)制造六邊形幾何圖形器件時(shí)，溝槽20的布局圖案是六邊形網(wǎng)格。與溝槽20鄰接的擴(kuò)散區(qū)13b的剩余部分形成晶體管單元的源區(qū)13。源區(qū)13的橫向程度d’由溝槽蝕刻在掩模51下超出邊緣51b的延伸程度決定。這可以使用各向異性等離子體蝕刻溝槽20的至少大部分深度來(lái)很好地控制。然而，為了使溝槽20底部拐角變圓，使用最后簡(jiǎn)短的各向同性蝕刻是很有利的。例如，蝕刻的溝槽20的寬度y可以在0.1到2.0微米范圍內(nèi)。接著，掩模51被蝕刻掉。
在不同于圖中說(shuō)明的例子的器件制造工藝中，例如在源極和溝道調(diào)節(jié)區(qū)的注入前，在較早階段蝕刻溝槽是有利的。
在說(shuō)明的實(shí)施例中，在溝槽被蝕刻后，在半導(dǎo)體主體10上均勻地生長(zhǎng)或沉積相對(duì)厚的二氧化硅層18(一般100到400nm，溝槽寬度2微米)。在所說(shuō)明的工藝中，二氧化硅層16的剩余部分在18層沉積之前被清除，但層16和18由與它們將在隨后的工藝步驟中都被清除掉的同樣材料形成的情況下可以是不必要的。多晶硅層22(在下文稱(chēng)作多晶硅)與輪廓相符地沉積在層18上。
各向異性地回蝕刻多晶硅層22，以形成一對(duì)間隔物30，每個(gè)在溝槽20的相對(duì)側(cè)壁32中相應(yīng)的一個(gè)上并沿其延伸。如圖4所示，通過(guò)間隔物限定通路26，其在間隔物之間延伸到下面的二氧化硅層18。
接著，例如使用濕法化學(xué)蝕刻將材料從二氧化硅層16中各向同性地蝕刻掉。由于通路26的存在，蝕刻劑可以直接進(jìn)入覆蓋溝槽底部27的二氧化硅材料。因而，蝕刻劑同時(shí)移去間隔物30與間隔物上端和下端處鄰近的半導(dǎo)體主體區(qū)域之間的二氧化硅材料。在二氧化硅材料層16被完全移去之前，停止該蝕刻過(guò)程，以便間隔物30通過(guò)二氧化硅材料的橋34附著到溝槽20的相應(yīng)側(cè)壁32，并通過(guò)二氧化硅材料的橋34得到支撐(見(jiàn)圖5)。
接著進(jìn)行氧化步驟。從多晶硅間隔物30的暴露表面產(chǎn)生的二氧化硅生長(zhǎng)關(guān)閉了通路26，以形成與溝槽20的底部27鄰接的腔體23。在半導(dǎo)體主體10的上部主表面10a、溝槽側(cè)壁32的暴露部分和溝槽底部27上也形成二氧化硅層17，如圖6所示。
代替氧化多晶硅間隔物，也可以替換地通過(guò)均勻地沉積例如二氧化硅或氮化硅這樣的材料層而關(guān)閉通路26。
接著，溝槽剩余部分填充以多晶硅，以形成柵極11，如圖7所示?？梢栽谔畛錅喜壑巴ㄟ^(guò)各向異性蝕刻移去覆蓋在間隔物30上端的二氧化硅，以便間隔物與多晶硅的體電連接，從而增加電極的深度。在各向異性蝕刻之前，在間隔物30與溝槽側(cè)壁32之間形成額外的間隔物(沒(méi)有顯示)以在蝕刻期間保護(hù)橋34，這是有利的。
很明顯，在本發(fā)明的范圍內(nèi)，可以進(jìn)行很多改動(dòng)與變型。例如，在參考圖2到7描述的過(guò)程中，和柵極絕緣層17相同成分的材料在柵電極的最終位置之下被蝕刻掉，從而提供一個(gè)被包圍以形成腔體23的空間。圖8展示了一個(gè)可供選擇的方法，其中與柵極絕緣層不同成分的材料充當(dāng)填充材料，并被蝕刻掉。
為了獲得圖8所示的構(gòu)造，在溝槽20被蝕刻進(jìn)半導(dǎo)體主體的步驟之后采用與上述相同的過(guò)程。然后在主體的上部表面上均勻地沉積薄柵絕緣層17，并且溝槽部分地填充以填充材料35。相對(duì)于柵絕緣層和柵電極材料，填充材料應(yīng)當(dāng)選擇性地可蝕刻。例如，在柵極絕緣層由二氧化硅形成和柵電極材料是多晶硅的情況，氮化硅就適合。然后，如上所述，確定柵電極材料的間隔物30，以限定通路26，借助該通路蝕刻掉填充材料以形成柵電極材料下的空間。隨后的工藝步驟可以對(duì)應(yīng)上面與圖6和7有關(guān)的描述。盡管需要額外的沉積步驟以提供選擇性可蝕刻填充材料35，但相對(duì)于圖5所示的可能需要更嚴(yán)密的控制才能得到橋34期望寬度的終點(diǎn)，它提供一個(gè)更清晰限定的蝕刻過(guò)程的終點(diǎn)。
現(xiàn)在將參考圖9和10描述圖2到圖7過(guò)程中的進(jìn)一步變化。到達(dá)圖9中所示階段的初始步驟與圖2至圖4中所描述的相似，除了生長(zhǎng)或沉積相對(duì)薄的柵絕緣層17(一般大約40nm厚)而取代厚層18。而且，在間隔物30’形成期間，保留溝槽刻蝕掩模51，并適當(dāng)控制用于形成間隔物的蝕刻，以便間隔物沿掩模邊緣51b垂直延伸并超出掩模51和層17之間的界面。和以前一樣，間隔物30’確定通路26，借助該通路絕緣材料可以從柵電極材料與溝槽20的底部27之間被蝕刻掉。在溝槽電極11延伸深入漂移區(qū)14(即，在深溝槽20中)以便在柵極部分下面提供電場(chǎng)板的應(yīng)用中，可以有利地繼續(xù)蝕刻過(guò)程，以從柵電極材料與溝槽20的側(cè)壁32之間除去柵絕緣材料，以便腔體23沿溝槽電極11較低部分的側(cè)面延伸。優(yōu)選地將材料垂直蝕刻掉直至溝道調(diào)節(jié)區(qū)15的下邊界(如圖10中所示)，但不再進(jìn)一步蝕刻以避免使柵電極對(duì)溝道調(diào)制變差。蝕刻停止層(沒(méi)有顯示，例如當(dāng)柵電極材料是二氧化硅時(shí)，由氮化硅形成)可以包含在柵電極材料中，以提供該蝕刻過(guò)程的適當(dāng)限定的終點(diǎn)。
用與圖2到圖7中工序類(lèi)似的方法，可以通過(guò)氧化間隔物30’來(lái)填充通路26，從而形成氧化“塞”37。如圖10所示，在從間隔物30’的頂部移去氧化物后，通過(guò)進(jìn)一步用柵電極材料填充溝槽來(lái)完成柵電極。
在上述過(guò)程的變化中，可以在完成溝槽電極的工藝期間用溝槽電極材料關(guān)閉限定在間隔物30、30’之間的通路。用這種方法，可以省略在間隔物上生長(zhǎng)層的步驟(通過(guò)氧化或沉積)。然而，通常希望在溝槽底部和側(cè)壁之上提供鈍化層，用以鈍化器件的電流通路中漂移區(qū)14的硅表面態(tài)。而且，包含了柵電極底部上的絕緣層有助于確保不發(fā)生柵漏極短路。
上面描述的特殊例子是n溝道器件，其中區(qū)域13、14和14a是n型導(dǎo)電性，區(qū)域15是p型的，并在區(qū)域15中通過(guò)柵極11感應(yīng)電子反型溝道12。通過(guò)使用相反的導(dǎo)電類(lèi)型摻雜劑，就能根據(jù)本發(fā)明的方法生產(chǎn)p溝道器件。在這種情況下，區(qū)域13、14和14a是p型導(dǎo)電性的，區(qū)15是n型的，并在區(qū)15中通過(guò)柵極11感應(yīng)空穴反型溝道12。
可以理解，關(guān)于圖9和10所描述的改進(jìn)過(guò)程可以應(yīng)用到具有溝槽電極的肖特基整流器結(jié)構(gòu)。參考上面，US-A-5612567中描述了這種特性的已知整流器。圖11中說(shuō)明了根據(jù)本發(fā)明的整流器的實(shí)施例的器件單元區(qū)。在這種結(jié)構(gòu)中，多晶硅的溝槽電極11延伸到形成在器件的半導(dǎo)體主體10的漂移區(qū)61中的溝槽20。漂移區(qū)覆蓋在更重?fù)诫s陰極區(qū)63上。提供與半導(dǎo)體主體的底部主表面10b的陰極區(qū)接觸的陰極電極65。陽(yáng)極電極67包括與漂移區(qū)61形成肖特基勢(shì)壘、并與正面主表面區(qū)域10a上的該區(qū)域接觸的金屬和/或金屬硅化物。陽(yáng)極電極67電連接溝槽電極11。柵絕緣體薄層17臨近柵電極的頂部?？梢?xún)?yōu)選使該層的垂直程度最小化。例如，該層的最高部分可以在形成陽(yáng)極電極67之前被蝕刻掉。在(i)溝槽電極11的底部和至少較低部分以及(ii)漂移區(qū)61的鄰近部分之間限定腔體23。
根據(jù)本發(fā)明，圍繞溝槽柵極場(chǎng)效應(yīng)晶體管的電場(chǎng)板或肖特基整流器的溝槽電極典型地設(shè)置的厚氧化物層可以由具有相似介電耦合特性、但具有較低的介電常數(shù)的相對(duì)窄的腔體所代替。這能形成較窄的溝槽，從而導(dǎo)致器件中更高的單元密度，因此導(dǎo)致更低的特定導(dǎo)通電阻。圖11中的肖特基整流器是典型的分立整流器件。然而，根據(jù)本發(fā)明的肖特基整流器可以與根據(jù)本發(fā)明的MOSFET集成在相同的器件主體中，其中區(qū)域61作為區(qū)域14的一部分，區(qū)域63作為區(qū)域14a的一部分，以及電極67作為源電極的一部分。
圖12是顯示對(duì)于封閉了理想真空的腔體，模擬的漏源擊穿電壓(BVds)作為腔體厚度(tvac)的函數(shù)關(guān)系的圖表。曲線(xiàn)顯示了對(duì)于鄰近于溝槽電極的漂移區(qū)的兩種不同摻雜輪廓。方形符號(hào)對(duì)應(yīng)線(xiàn)性分級(jí)的摻雜輪廓，而圓形符號(hào)涉及均勻輪廓。如參考上面US-A-5612567和US-A-5637898中所描述的，線(xiàn)性分級(jí)摻雜輪廓可以提高包含溝槽電極的器件的電壓阻塞能力?？梢钥闯?，50nm厚的腔體提供均勻輪廓時(shí)大約50V的擊穿電壓，和線(xiàn)性輪廓時(shí)大約60伏的擊穿電壓。這近似等效于200nm厚的二氧化硅層。因此，用具有等效擊穿特性的腔體替代圍繞溝槽電場(chǎng)板的氧化物層將使溝槽的寬度減小約0.3微米。
在上述方法的進(jìn)一步變化中，可以通過(guò)適當(dāng)?shù)乜刂瞥练e條件來(lái)通過(guò)沉積溝槽電極材料確定腔體23，使得在溝槽電極11和溝槽20的底部27之間形成一個(gè)或多個(gè)腔體。例如，在相對(duì)窄且深的溝槽內(nèi)，溝槽電極材料可以非均勻地沉積在溝槽的較低部分中，導(dǎo)致一個(gè)或更多的腔體。
在上述的實(shí)施例中，溝槽電極材料的間隔物之間的通路由間隔物的氧化而關(guān)閉，能夠理解，該過(guò)程將導(dǎo)致含有用來(lái)氧化的氣體(例如，氧氣或水蒸氣)的腔體。因此，可針對(duì)它的介電特性選擇所使用的氧化氣體。類(lèi)似地，在用來(lái)形成腔體的其他過(guò)程中，在腔體形成時(shí)，可以根據(jù)所需的腔體內(nèi)含物的性質(zhì)選擇當(dāng)前的氣氛。
除硅以外的半導(dǎo)體材料可以用于根據(jù)本發(fā)明的器件，例如碳化硅。
能夠理解，本發(fā)明可以應(yīng)用于除上文已經(jīng)具體敘述的包含溝槽中的絕緣溝槽電極的多種器件的范圍，例如雙極性晶體管、VDMOS和橫向溝槽柵MOSFET。
通過(guò)閱讀本發(fā)明，其它的變化和修改對(duì)本領(lǐng)域的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)是顯而易見(jiàn)的。這些變化或修改可以包括已被本領(lǐng)域公知的和用于替代或除了這里已描述之外的等效或其它特征。
盡管在本申請(qǐng)中已經(jīng)對(duì)于特征的特殊組合列出了權(quán)利要求，但應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明的揭示的范圍還包含這里或明確或隱含或概括的揭露的任何新穎的特征或任何新穎的特征組合，無(wú)論其是否涉及與權(quán)利要求中目前要求的同樣的發(fā)明，以及無(wú)論是否減少與本發(fā)明相同的技術(shù)問(wèn)題的任何或全部。
因此，申請(qǐng)人提醒在本申請(qǐng)或任何源于此的進(jìn)一步申請(qǐng)的過(guò)程中，新的權(quán)利要求可以表述為這些特征和/或這些特征的結(jié)合。
權(quán)利要求
1.一種半導(dǎo)體器件，包括溝槽中的絕緣溝槽電極，溝槽在器件的半導(dǎo)體主體部分延伸，其中，溝槽電極通過(guò)溝槽側(cè)壁上的絕緣層與主體部分介電耦合，并在溝槽電極的底部和溝槽底部之間有腔體，以減少溝槽電極與溝槽底部的主體部分之間的介電耦合。
2.如權(quán)利要求1的器件，其中在溝槽壁和溝槽電極底部其中至少一個(gè)上的鈍化層形成至少一部分腔體壁。
3.如權(quán)利要求1或2的器件，其中腔體沿溝槽電極較低部分的側(cè)面延伸。
4.如前面任一項(xiàng)權(quán)利要求的器件，包含第一導(dǎo)電類(lèi)型的源區(qū)和漏區(qū)，其間具有相反的第二導(dǎo)電類(lèi)型的溝道調(diào)節(jié)區(qū)，其中溝槽電極形成柵極，并穿過(guò)溝道調(diào)節(jié)區(qū)從源區(qū)延伸到漏區(qū)。
5.如權(quán)利要求4的器件，其中漏區(qū)包括漏極漂移區(qū)和漏極接觸區(qū)，具有溝道調(diào)節(jié)區(qū)和漏極接觸區(qū)之間的漏極漂移區(qū)，并且，漏極漂移區(qū)比漏極接觸區(qū)摻雜了更低的程度，至少部分腔體介于溝槽電極與漏極接觸區(qū)之間。
6.如權(quán)利要求5的器件，其中腔體基本上由溝槽電極跨越漏極漂移區(qū)向漏極接觸區(qū)延伸。
7.如前面任一項(xiàng)權(quán)利要求的器件，其中主體部分為通過(guò)肖特基電極接觸的漂移區(qū)，其與漂移區(qū)形成肖特基勢(shì)壘。
8.一種形成半導(dǎo)體器件的方法，此器件包括溝槽中的絕緣溝槽電極，溝槽穿過(guò)器件的半導(dǎo)體主體部分延伸，溝槽電極通過(guò)溝槽側(cè)壁上的絕緣層與主體部分介電耦合，該方法包括如下步驟(a)蝕刻溝槽至主體部分中；(b)在溝槽底部上提供填充材料層；(c)在溝槽中提供溝槽電極材料，并具有穿過(guò)溝槽電極材料到達(dá)下面的填充材料而限定的通路；(d)蝕刻以除去溝槽電極材料與溝槽底部之間的填充材料；和(e)關(guān)閉穿過(guò)溝槽電極材料的通路，以在溝槽電極材料與溝槽底部之間留出腔體，該腔體減少了溝槽電極與溝槽底部的主體部分之間的介電耦合。
9.如權(quán)利要求8的方法，其中步驟(c)包括在溝槽的相對(duì)側(cè)壁上形成溝槽電極材料的間隔物。
10.如權(quán)利要求8或9的方法，其中步驟(e)包括氧化溝槽電極材料，從而生長(zhǎng)橫跨通路的氧化物。
11.如權(quán)利要求8至10中任一方法，其中填充材料與溝槽電極絕緣層的材料相同。
12.如權(quán)利要求8至11中任一方法，其中相對(duì)于溝槽電極絕緣層的材料，填充材料是選擇性可蝕刻的。
13.如權(quán)利要求1至7中任一形成半導(dǎo)體器件的方法，其中腔體由溝槽電極材料的沉積確定。
全文摘要
包含溝槽(20)中的絕緣溝槽電極(11)的半導(dǎo)體器件中，例如溝槽柵場(chǎng)效應(yīng)功率晶體管和溝槽肖特基二極管，在溝槽電極(11)的底部(25)和溝槽(20)的底部(27)之間以緊湊的方式提供腔體(23)，以減少溝槽電極(11)和溝槽底部(27)上主體部分之間的介電耦合。在功率晶體管中，介電耦合的減小降低了開(kāi)關(guān)功率的損失，在肖特基二極管中，它使溝槽寬度減小。
文檔編號(hào)H01L21/28GK1599959SQ02824431
公開(kāi)日2005年3月23日 申請(qǐng)日期2002年11月21日 優(yōu)先權(quán)日2001年12月8日
發(fā)明者E·A·希澤, M·A·A·恩田贊德特, R·J·E·胡廷 申請(qǐng)人:皇家飛利浦電子股份有限公司