專利名稱：立式mos晶體管的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及具有溝槽結(jié)構(gòu)的立式MOS晶體管及其制造方法。
現(xiàn)有技術(shù)圖2是表示已有的具有溝槽結(jié)構(gòu)的立式MOS晶體管的示意剖面圖。在作為漏區(qū)的第一導電型高濃度基板1上，通過外延生長形成較低濃度的第一導電型層2來制備半導體基板，從這個半導體基板的表面注入雜質(zhì)并在1000℃以上的高溫下熱處理形成被稱為主體區(qū)的第二導電型擴散區(qū)3。再從表面形成作為源區(qū)的第一導電型高濃度雜質(zhì)區(qū)7以及用于通過歐姆接觸固定主體區(qū)電位的第二導電型高濃度主體接觸區(qū)8。
這里，由于第一導電型源區(qū)和第二導電型主體接觸區(qū)通常是同電位的，如圖2所示，因此通過類似于表面接觸的布圖，同時通過在該源區(qū)上和主體接觸區(qū)上設(shè)置的一個接觸孔而電連接7和8。貫穿第一導電型源區(qū)刻蝕單晶硅形成硅溝槽4，在這個硅溝槽內(nèi)埋置柵極絕緣膜5和作為柵電極的含有高濃度雜質(zhì)的多晶硅6。此外，這個半導體基板背面的第一導電型高濃度區(qū)與漏金屬電極16連接。
利用上述結(jié)構(gòu)，由于由背面?zhèn)鹊牡谝粚щ娦透邼舛葏^(qū)和第一導電型外延區(qū)形成漏區(qū)，因而具有通過溝槽側(cè)壁的柵極絕緣膜、由被埋入溝槽內(nèi)的柵極控制流向由表面?zhèn)鹊牡谝粚щ娦透邼舛葏^(qū)形成的源區(qū)的電流的立式MOS晶體管的功能。這種方法使導電型進行N和P反轉(zhuǎn)，可以適應(yīng)N溝道型和P溝道型兩種情況。
此外，由于具有這種溝槽結(jié)構(gòu)的立式MOS晶體管完全在縱向形成溝道，因此具有可適用于平面方向的微細化技術(shù)的特點。為此伴隨著微細化技術(shù)的發(fā)展，平面晶體管的占有面積變小，因此近年來有在元件單位面積上流動的漏電流增加的趨勢。
實際上，通過多次反復(fù)折疊圖2所示的剖面結(jié)構(gòu)，可以增加溝道寬度，增加漏電流量，成為具有任何驅(qū)動能力的MOS晶體管。
這種立式MOS晶體管例如在美國專利4767722等中示意地示出了其基本結(jié)構(gòu)和制造方法。
專利文獻美國專利4767722可是，這種立式MOS晶體管的結(jié)構(gòu)和制造方法存在以下缺陷。
首先，在形成接觸孔的情況下，為了橫跨地形成高濃度源區(qū)和主體接觸區(qū)，必須以大面積設(shè)定這兩個區(qū)域重合偏差的邊緣部分。此外，為了避免柵電極和源電極導通，必須考慮到重合偏差邊緣來設(shè)置間隔從而設(shè)定溝道圖形及其間隔。這是妨礙立式MOS晶體管的微細化的原因之一，并且阻礙小型化、低成本化的驅(qū)動能力的提高。
其次，通過近年來的微細化技術(shù)，上述立式MOS晶體管有流動的漏電流密度增大的傾向，因此鑒于伴隨而來的可靠性和低阻抗性而需要增加金屬的層疊膜厚。
然而，在高濃度源區(qū)上的接觸孔內(nèi)形成的源金屬電極一般是利用濺射法形成的，如圖2的17所示，由于層疊的差異，接觸的邊緣部分的金屬被覆性很差，這部分的膜厚是平坦部分的厚度的一半，甚至為三分之一以下。因此為了避免電流集中在這部分以及斷線和可靠性不良，必須形成較厚的金屬膜，導致產(chǎn)量和圖形加工精度惡化以及材料成本增加。
發(fā)明內(nèi)容
為了解決上述問題，本發(fā)明提供一種立式MOS晶體管，其特征在于包括第一導電型半導體基板；在半導體基板上形成的第一導電型外延生長層；在外延生長層上形成的第二導電型主體區(qū)；在第二導電型主體區(qū)的一部分表面上形成的第二導電型高濃度主體接觸區(qū)；在第二導電型主體區(qū)上、在高濃度主體接觸區(qū)以外的表面上形成的第一導電型高濃度源區(qū)；貫穿第二導電型主體區(qū)和第一導電型源區(qū)、以到達第一導電型外延生長層的內(nèi)部的深度形成的硅溝槽；沿著硅溝槽的壁面及底面形成的柵極絕緣膜；在柵極絕緣膜的周圍、直到第一導電型源區(qū)的深度、埋置在溝槽內(nèi)的高濃度多晶硅柵極；在多晶硅柵極上、在硅溝槽內(nèi)直到半導體基板表面埋置的中間絕緣膜；由連接中間絕緣膜、高濃度源區(qū)和高濃度主體接觸區(qū)而平坦地形成的金屬構(gòu)成的源電極；和由連接半導體基板背面的金屬構(gòu)成的漏電極。
另外，還具備在高濃度多晶硅棚極上、在硅溝槽側(cè)壁上的絕緣體。
此外，在硅溝槽側(cè)壁上具有的絕緣體是氮化硅膜。
此外，在硅溝槽內(nèi)埋置的高濃度多晶硅柵極的深度為0.5μm-1.0μm。
圖1是表示本發(fā)明的立式MOS晶體管的示意剖面圖。
圖2是表示現(xiàn)有技術(shù)的立式MOS晶體管的示意剖面圖。
圖3是表示本發(fā)明的立式MOS晶體管的制造方法的示意工藝1的剖面圖。
圖4是表示本發(fā)明的立式MOS晶體管的制造方法的示意工藝2的剖面圖。
圖5是表示本發(fā)明的立式MOS晶體管的制造方法的示意工藝3的剖面圖。
圖6是表示本發(fā)明的立式MOS晶體管的制造方法的示意工藝4的剖面圖。
圖7是表示本發(fā)明的立式MOS晶體管的制造方法的示意工藝5的剖面圖。
圖8是表示本發(fā)明的立式MOS晶體管的制造方法的示意工藝6的剖面圖。
圖9是表示本發(fā)明的立式MOS晶體管的制造方法的示意工藝7的剖面圖。
圖10是表示本發(fā)明的立式MOS晶體管的制造方法的示意工藝8的剖面圖。
圖11是表示本發(fā)明的立式MOS晶體管的制造方法的示意工藝9的剖面圖。
圖12是表示本發(fā)明的立式MOS晶體管的其它實施例的示意剖面圖。
具體實施例方式
下面參照附圖介紹本發(fā)明的實施方式。圖1是本發(fā)明的N溝道立式MOS晶體管的剖面圖。在作為漏區(qū)的第一導電型高濃度基板1上通過外延生長較低濃度的第一導電型層2來制備半導體基板，從這個半導體基板的表面注入雜質(zhì)并在1000℃以上的高溫下熱處理形成作為主體區(qū)的第二導電型擴散區(qū)3。進一步從表面形成作為源區(qū)的第一導電型高濃度雜質(zhì)區(qū)7以及用于通過歐姆接觸固定主體區(qū)電位的第二導電型高濃度主體接觸區(qū)8，并分別通過同一金屬膜導通。由此，該接觸使硅溝槽以外的硅面均勻地露出，并使金屬膜與半導體基板平坦地接觸。
此時，通過不與溝槽內(nèi)的由高濃度多晶硅形成的柵電極6接觸的方式，將高濃度多晶硅埋置到溝槽內(nèi)的中途，并在其上形成絕緣膜。
此外，該半導體基板背面的第一導電型高濃度區(qū)與漏金屬電極連接，這與現(xiàn)有技術(shù)是相同的。
溝槽內(nèi)的高濃度多晶硅柵電極6的深度希望為0.5μm以上。通過在直接位于其上的源金屬電極15之間形成的電容量，可以防止產(chǎn)生阻礙高頻特性的現(xiàn)象。此外，考慮到高濃度源區(qū)的擴散深度，希望這個高濃度多晶硅柵電極6的深度為1μm以下。對這個值以上的源區(qū)進行深擴散的熱處理，將改變主體區(qū)深度所受的影響。
結(jié)果是，這個高濃度多晶硅柵電極的深度最好設(shè)定為0.5μm-1μm。
利用上述結(jié)構(gòu)，與現(xiàn)有技術(shù)的例子相同，具有通過溝槽側(cè)壁的柵極絕緣膜，由溝槽內(nèi)埋置的多晶硅形成的柵極控制從背面?zhèn)鹊挠傻谝粚щ娦透邼舛葏^(qū)和第一導電型外延區(qū)形成的漏區(qū)流向表面?zhèn)鹊挠傻谝粚щ娦透邼鈪^(qū)構(gòu)成的源區(qū)的電流的立式MOS晶體管的功能。
由于沒有現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，不必設(shè)置考慮了接觸孔、高濃度源區(qū)和高濃度主體區(qū)重合偏差的邊緣部分以及接觸孔和溝槽的間隔偏移的空間，因此可以以比現(xiàn)有技術(shù)小的面積形成晶體管，并實現(xiàn)小型化、進而大電流化。
此外，如圖1所示，由于金屬膜是完全平坦的，不存在像已有例那樣在金屬層疊必要部分上的凸凹，因此可以通過現(xiàn)有技術(shù)的濺射法形成均勻膜厚的金屬，不會發(fā)生電流集中在一部分上的現(xiàn)象，并且可以形成膜厚比現(xiàn)有技術(shù)薄的可靠性高的源電極。
此外，這種方法可以用于導電型為N或P型，因此可適應(yīng)N溝道型和P溝道型這兩種類型。
下面參照圖3到12舉例N溝道型說明用于實現(xiàn)本發(fā)明的立式MOS晶體管的制造方法。
首先，在摻雜了As或SB、且電阻率為0.001Ω·cm到0.01Ω·cm的N型高濃度基板1上，制備摻雜2e14/cm3到4e16/cm3的濃度的磷、具有厚度為幾μm到幾十μm的N型低濃度外延層2的面取向100的半導體基板(圖3)。這個N型外延層的厚度和雜質(zhì)濃度如下選擇，以至于必須滿足漏極-源極之間的耐壓和電流驅(qū)動能力的任意條件。
然后，為了在后形成作為主體區(qū)的區(qū)域，向這個立式MOS晶體管中注入B，然后通過熱處理，形成雜質(zhì)濃度為2e16/cm3到5e17/cm3、深度為幾μm到十幾μm的P型主體區(qū)3。然后，露出的氧化膜或抗蝕劑作為掩模形成的溝槽的區(qū)域的單晶硅，通過RIE各向異性刻蝕法，刻蝕硅直到貫穿主體區(qū)的深度，由此形成硅溝槽。
然后，利用高溫犧牲氧化、各向同性干刻蝕等公知方法磨圓溝槽的角部，然后在溝槽側(cè)壁和底面上形成柵極絕緣膜(圖4)。
之后，首先以對應(yīng)溝槽寬度、完全埋置溝槽和達到表面平坦的厚度層疊含有高濃度雜質(zhì)的多晶硅(圖5)。例如，在溝槽的寬度為0.8μm的情況下，層疊0.4μm以上厚度的多晶硅。含有高濃度雜質(zhì)的多晶硅的形成方法可以使用在首先層疊未含雜質(zhì)的多晶硅之后通過熱擴散或離子注入法注入雜質(zhì)的方法以及在多晶硅層疊中引入雜質(zhì)的方法等任意方法。
然后，通過深刻蝕法除去在半導體基板表面和硅溝槽內(nèi)部形成的多晶硅，直到至少半導體表面的多晶硅完全不存在為止。這時，將溝槽內(nèi)的多晶硅故意刻蝕直到距離表面為0.5μm-1.0μm深度(圖6)。在多晶硅刻蝕中露出半導體表面時，基于借助自由基的量的變化等檢測的刻蝕時間來調(diào)整這個溝槽內(nèi)的多晶硅的深度。
然后，與常規(guī)MOS制造工藝相同，注入用于形成高濃度源區(qū)的As、注入用于形成高濃度主體接觸區(qū)的B或BF2和進行活化處理(圖7)。這時，高濃度源區(qū)擴散直到達到硅溝槽內(nèi)的多晶硅。
然后，層疊中間絕緣膜9，通過將高濃度多晶硅埋入硅溝槽中直到中途，使凸凹不平處平面化。這種方法例如是通過CVD法在襯底上形成TEOS(Tetraethlorthosilicate)和NSG(Non Silicate Glass)等、以及BSG(Boron SilicateGlass)、PSG(Phosphor Silicate Glass)、或BPSG(Boron-Phosphor Silicate Glass)等的軟化點低的氧化膜，并通過退火整平表面。
然后通過深刻蝕法刻蝕中間絕緣膜，留下溝槽內(nèi)的中間絕緣膜，露出高濃度源區(qū)7以及高濃度主體接觸區(qū)8(圖9)。附圖標記10為晶界(グレイン境界)。
之后，形成用于獲取源極和主體的電位的金屬膜15(圖10)。在現(xiàn)有技術(shù)中使用通過在中間絕緣膜中開接觸孔選擇地在高濃度源區(qū)和高濃度主體區(qū)本身上接觸金屬膜的方法，而在本發(fā)明中，由于溝槽內(nèi)的高濃度多晶硅6被中間絕緣膜覆蓋，因此通過在晶體管區(qū)域上完全形成金屬膜來實現(xiàn)金屬接觸。此外，即使通過深刻蝕法使基板表面平面化，形成的金屬膜也具有高的平坦度。
最后，雖然未在圖整個表示，但通過形成表面保護膜、背面研磨、形成背面漏金屬電極，完成了本發(fā)明的立式MOS晶體管(圖11)。
具有以上制造工藝和結(jié)構(gòu)的本發(fā)明的立式MOS晶體管具有以下特點。
第一，由于可以不考慮接觸孔與高濃度源區(qū)以及高濃度主體區(qū)的重合偏差邊緣、接觸孔與硅溝槽的重合偏差邊緣等通過自對準方法形成，因此通過節(jié)省面積而實現(xiàn)了低成本、小型但大電流驅(qū)動。
第二，不存在如現(xiàn)有技術(shù)例子那樣的金屬電極的局部薄膜化，因此可以形成平坦的金屬膜。為此可以使電流均勻地流動，提高了布線的可靠性，同時通過金屬的厚膜化可以減輕成本增加、產(chǎn)量低等問題，并通過提高加工性形成穩(wěn)定的立式MOS晶體管。
此外，在圖12中很好地示出了其它實施例。在圖12中，在高濃度多晶硅上的溝槽側(cè)壁上形成氮化膜等的側(cè)壁間隔層。一般情況下，在立式MOS晶體管中，高濃度多晶硅和高濃度源區(qū)之間的氧化膜由于電場容易集中的問題、在工藝上這部分的氧化膜由于刻蝕和損傷易引起膜質(zhì)量下降的問題、因而易引起氧化膜的耐壓性和長期可靠性低等不良。如圖13所示的本發(fā)明的實施例，通過在這部分上形成氮化膜，可以達到避免這些不良問題的效果。
在展示本發(fā)明的制造工藝的一部分的圖7中，該側(cè)壁間隔層是通過層疊氮化膜、進行各向異性干刻蝕來實現(xiàn)的。
按照本發(fā)明，實現(xiàn)了立式MOS晶體管的小型化和高驅(qū)動能力。提供一種高可靠性的立式MOS晶體管，可以實現(xiàn)工藝步驟的縮短和材料費用的減少，并以提高的成品率實現(xiàn)了低價格化。
權(quán)利要求
1.一種立式MOS晶體管，其特征在于包括第一導電型半導體基板；在所述半導體基板上形成的第一導電型外延生長層；在所述外延生長層上形成的第二導電型主體區(qū)；在所述第二導電型主體區(qū)的一部分表面上形成的第二導電型高濃度主體接觸區(qū)；在所述第二導電型主體區(qū)上、在所述高濃度主體接觸區(qū)以外的表面上形成的第一導電型高濃度源區(qū)；貫穿所述第二導電型主體區(qū)和所述第一導電型源區(qū)、以到達所述第一導電型外延生長層的內(nèi)部的深度形成的硅溝槽；沿著所述硅溝槽的壁面及底面形成的柵極絕緣膜；在所述柵極絕緣膜的周圍、直到所述第一導電型源區(qū)的深度、埋置在所述溝槽內(nèi)的高濃度多晶硅柵極；在所述多晶硅柵極上、在所述硅溝槽內(nèi)直到半導體基板表面埋置的中間絕緣膜；由連接所述中間絕緣膜、所述高濃度源區(qū)和所述高濃度主體接觸區(qū)而平坦地形成的金屬構(gòu)成的源電極；和由連接所述半導體基板背面的金屬構(gòu)成的漏電極。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的立式MOS晶體管，其特征在于還包括在所述高濃度多晶硅柵極上、在所述硅溝槽側(cè)壁上的絕緣體。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的立式MOS晶體管，其特征在于在所述硅溝槽側(cè)壁上具有的絕緣體是氮化硅膜。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3任一項所述的立式MOS晶體管，其特征在于所述硅溝槽內(nèi)埋置的高濃度多晶硅柵極的深度為0.5μm-1.0μm。
全文摘要
提供一種實現(xiàn)了小型、高驅(qū)動能力、高可靠性、低成本和高成品率的立式MOS晶體管及其制造方法。直到溝槽的中途埋置多晶硅柵極，并在其上埋入中間絕緣膜。通過刻蝕中間絕緣膜，不通過接觸孔以自對準方式直接形成金屬。由于沒有對準偏差等的布圖邊緣，因此可以節(jié)省面積。此外，由于金屬的完全平坦化而實現(xiàn)了高可靠性。
文檔編號H01L29/417GK1532944SQ20041003263
公開日2004年9月29日 申請日期2004年3月19日 優(yōu)先權(quán)日2003年3月19日
發(fā)明者原田博文 申請人:精工電子有限公司