專利名稱：非對稱高電壓金屬氧化物半導(dǎo)體元件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是有關(guān)于一種非對稱高電壓金屬氧化物半導(dǎo)體元件(HV MOS)，特別是一種有關(guān)于非對稱高電壓雙摻雜(double-doped diffusion)金屬氧化物半導(dǎo)體元件(HV DMOS)。
(2)背景技術(shù)當(dāng)金屬氧化物半導(dǎo)體元件做得越來越密集，通道長度也同時不斷地縮小，而使得操作速度不斷加快。然而，當(dāng)施加到金屬氧化物半導(dǎo)體元件的電壓不變，而通道長度縮短時，電場的強(qiáng)度就會增加。這樣，當(dāng)電場強(qiáng)度增強(qiáng)時，使得通道內(nèi)電子藉由較高的電場加速所獲得的能量上升，電子的能量將很高，而電崩潰(electrical breakdown)就很可能發(fā)生。電崩潰通常發(fā)生于當(dāng)集電極電壓太大，使得逆向偏壓(reverse-biased)的集電極/底材接合的電場于接合附近產(chǎn)生許多的電子-空穴(electron-hole)對。加速的電子-空穴對與底材晶格離子化撞擊，產(chǎn)生非常大的底材電流，而過大的底材電流對高電壓元件的操作有許多破壞性的影響，例如，造成接合崩潰(junction breakdown)及橫向雙載子接合晶體管(BJT)急速壓降(snapback voltage down)。
通常金屬氧化物半導(dǎo)體元件可以在低電壓及高電壓的環(huán)境操作。然而，高電壓金屬氧化物半導(dǎo)體元件更必須能承受相當(dāng)大的集電極電壓而不會發(fā)生電崩潰。高電壓元件不易形成高接合崩潰電壓因素，通常是由于半導(dǎo)體底材的高濃度及淺的發(fā)射極/集電極區(qū)域，因此，造成高電壓元件的性能效率降低。一種現(xiàn)在廣泛所采用的解決途徑是形成相同導(dǎo)體型的輕微摻雜區(qū)域包圍于集電極區(qū)域，以降低高電壓元件的接合電場。形成輕微摻雜區(qū)域的目的是用以吸收集電極區(qū)域的部份電位，進(jìn)而降低接合電場強(qiáng)度。然而，利用輕微摻雜技術(shù)的缺點(diǎn)是使得發(fā)射極/集電極區(qū)域的尺寸加大，且使得元件的制作變得益發(fā)復(fù)雜。
一般傳統(tǒng)的高電壓金屬氧化物半導(dǎo)體元件多半是采用區(qū)域氧化隔離技術(shù)(LOCOS)，其利用熱氧化法形成場氧化隔離以得到較高的接合崩潰電壓，也因此面臨縮小元件尺寸的困難。另外，尺寸縮小的區(qū)域氧化隔離技術(shù)，同時會降低于半導(dǎo)體元件中相鄰主動區(qū)域間的有效隔離間距，因而增加了可靠度的問題。因此，一種具有高接合崩潰電壓且可大幅縮小尺寸，又可將底材電流路徑(substratecurrent path)消除到最小的高電壓金屬氧化物半導(dǎo)體元件是眾所期望的。
(3)實用新型內(nèi)容鑒于上述的發(fā)明背景中，傳統(tǒng)高電壓金屬氧化物半導(dǎo)體元件所產(chǎn)生的諸多缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的為提供一種非對稱高電壓金屬氧化物半導(dǎo)體元件。本發(fā)明的重點(diǎn)是一高電壓金屬氧化物半導(dǎo)體元件形成于絕緣層上有硅的底材，其具有一漂移區(qū)域形成于一隔離結(jié)構(gòu)下，且利用淺溝渠隔離技術(shù)隔離高電壓金屬氧化物半導(dǎo)體元件。利用淺溝渠隔離的優(yōu)點(diǎn)不需犧牲元件尺寸即可得到較高的接合崩潰電壓。另外，造成接合崩潰及橫向雙載子接合晶體管急速壓降的底材電流，可因高電壓金屬氧化物半導(dǎo)體元件形成于絕緣層上有硅(SOI)的底材而受到阻絕。因此，伴隨著高電壓金屬氧化物半導(dǎo)體元件的可靠度問題可獲得明顯的改善，例如，元件的電流電壓曲線(IV curve)呈現(xiàn)出無頸結(jié)(kink)的飽和區(qū)域。
根據(jù)以上所述的目的，于一較佳實施例中，本發(fā)明提供了一種非對稱高電壓金屬氧化物半導(dǎo)體元件的結(jié)構(gòu)，它包括一底材，且底材具有一絕緣層于底材上和一半導(dǎo)體層于絕緣層上，其中半導(dǎo)體層具有一第一導(dǎo)體型。上述底材可以是一絕緣層上有硅(SOI)的底材，例如，一氧化層上有P型硅層的底材。數(shù)個淺溝渠隔離形成于半導(dǎo)體層內(nèi)，其中數(shù)個淺溝渠隔離限定一主動區(qū)域。一場氧化區(qū)域形成于主動區(qū)域的半導(dǎo)體層上。一漂移區(qū)域形成于場氧化區(qū)域下的半導(dǎo)體層內(nèi)，其中漂移區(qū)域具有一第二導(dǎo)體型，例如，N型漂移區(qū)域形成于場氧化區(qū)域下的P型硅層內(nèi)。一基極結(jié)構(gòu)形成于主動區(qū)域的半導(dǎo)體層上，以覆蓋一部份場氧化區(qū)域，其中基極結(jié)構(gòu)至少包括一基極介電層及一導(dǎo)體層。一第一發(fā)射極區(qū)域及一第一集電極區(qū)域彼此相對形成于基極結(jié)構(gòu)側(cè)邊的主動區(qū)域的半導(dǎo)體層(例如P型硅層)內(nèi)，其中第一發(fā)射極區(qū)域及第一集電極區(qū)域具有第二導(dǎo)體型(例如N型)及一第一摻雜濃度，且場氧化區(qū)域用以隔離基極結(jié)構(gòu)與第一集電極區(qū)域。一第二發(fā)射極區(qū)域及一第二集電極區(qū)域分別形成于第一發(fā)射極區(qū)域及第一集電極區(qū)域內(nèi)，其中第二發(fā)射極區(qū)域及第二集電極區(qū)域具有第二導(dǎo)體型(例如N型)及一第二摻雜濃度，且第二摻雜濃度較第一摻雜濃度高。
為進(jìn)一步說明本實用新型的目的、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和效果，以下將結(jié)合附圖對本實用新型進(jìn)行詳細(xì)的描述。
(4)


圖1A是本發(fā)明的淺溝渠隔離形成于半導(dǎo)體層的橫切面圖；圖1B是本發(fā)明離子植入漂移區(qū)域于半導(dǎo)體層內(nèi)的橫切面圖；圖1C是本發(fā)明離子植入第一發(fā)射極區(qū)域及第一集電極區(qū)域于半導(dǎo)體層內(nèi)的橫切面圖；及圖1D是本發(fā)明離子植入第二發(fā)射極區(qū)域及第二集電極區(qū)域于半導(dǎo)體層內(nèi)的橫切面圖。
(5)具體實施方式
本發(fā)明的一些實施例會詳細(xì)描述如下。然而，除了詳細(xì)描述外，本發(fā)明還可以廣泛地在其他的實施例施行，且本發(fā)明的范圍不受其限定而是以權(quán)利要求書所限定的的專利范圍為準(zhǔn)。
本發(fā)明提供了一種非對稱高電壓金屬氧化物半導(dǎo)體元件的結(jié)構(gòu)。根據(jù)本發(fā)明的一較佳實施例，圖1A至圖1D描述非對稱高電壓金屬氧化物半導(dǎo)體元件的制作過程及結(jié)構(gòu)。如圖1D所示，非對稱高電壓金屬氧化物半導(dǎo)體元件100，包括一底材101，且底材101具有一絕緣層110于底材101上和一半導(dǎo)體層112于絕緣層110上，其中半導(dǎo)體層112具一第一導(dǎo)體型。數(shù)個淺溝渠隔離(STI)114形成于半導(dǎo)體層112內(nèi)，其中數(shù)個淺溝渠隔離114限定一主動區(qū)域116。一場氧化區(qū)域120形成于主動區(qū)域116的半導(dǎo)體層112上。一漂移區(qū)域118形成于場氧化區(qū)域120下的半導(dǎo)體層112內(nèi)，其中漂移區(qū)域118具有一第二導(dǎo)體型。一基極結(jié)構(gòu)122形成于主動區(qū)域116的半導(dǎo)體層112上，以覆蓋一部份場氧化區(qū)域120，其中基極結(jié)構(gòu)122至少包括一基極介電層124及一導(dǎo)體層126。第一發(fā)射極區(qū)域128及第一集電極區(qū)域130彼此相對形成于基極結(jié)構(gòu)122側(cè)邊的主動區(qū)域116的半導(dǎo)體層112內(nèi)，其中第一發(fā)射極區(qū)域128及第一集電極區(qū)域130具有第二導(dǎo)體型及一第一摻雜濃度，且場氧化區(qū)域120用以隔離基極結(jié)構(gòu)122與第一集電極區(qū)域130。第二發(fā)射極區(qū)域132及第二集電極區(qū)域134分別形成于第一發(fā)射極區(qū)域128及第一集電極區(qū)域130內(nèi)，其中第二發(fā)射極區(qū)域132及第二集電極區(qū)域134具有第二導(dǎo)體型及一第二摻雜濃度，且第二摻雜濃度較第一摻雜濃度高。
圖1A至圖1D是本發(fā)明一較佳實施例形成非對稱高電壓時的各種不同階段的橫切面圖。參考圖1A，一底材101具有一絕緣層110于底材101上和一半導(dǎo)體層112于絕緣層110上，其中半導(dǎo)體層112具有一第一導(dǎo)體型。底材101的結(jié)構(gòu)可以是絕緣層上有硅(SOI)的底材結(jié)構(gòu)，也就是說，半導(dǎo)體層112是具有第一導(dǎo)體型的硅層，例如P型硅層于如氧化硅層的絕緣層上。本發(fā)明重點(diǎn)的一是非對稱高電壓金屬氧化物半導(dǎo)體元件形成于絕緣層上有硅的底材，因此可阻絕底材電流路徑而達(dá)到避免接合崩潰及橫向雙載子接合晶體管(BJT)急速壓降。數(shù)個淺溝渠隔離(STI)114形成于例如P型硅層的半導(dǎo)體層112內(nèi)，其限定一主動區(qū)域116，而使用數(shù)個淺溝渠隔離的目的是為了增加元件間的接合崩潰電壓及縮小元件尺寸。換句話說，非對稱金屬氧化物半導(dǎo)體元件是形成于例如P型硅層的具有第一導(dǎo)體型的半導(dǎo)體層的主動區(qū)域中，且利用淺溝渠隔離技術(shù)隔離元件。目前技術(shù)形成淺溝渠隔離的步驟至少包括，轉(zhuǎn)移淺溝渠隔離圖案到半導(dǎo)體層內(nèi)及沉積絕緣材料于半導(dǎo)體層內(nèi)，以形成淺溝渠隔離。
如圖1B所示，依序形成及蝕刻墊氧化層210及氮化硅層220于半導(dǎo)體層112上，以暴露出主動區(qū)域116的部份半導(dǎo)體層112。執(zhí)行第一次離子植入230以形成具第二導(dǎo)體型的漂移區(qū)域118于暴露的半導(dǎo)體層112內(nèi)，亦即，以P型硅層為例，是執(zhí)行N型離子植入以形成N型漂移區(qū)域于暴露的P型硅層內(nèi)。然后，進(jìn)行熱氧化制程以形成場氧化區(qū)域120于半導(dǎo)體層112的漂移區(qū)域118上。場氧化區(qū)域是用以延長元件集電極及基極間的壓降，也就是說，場氧化區(qū)域是用以增強(qiáng)接合崩潰電壓，且元件的接合崩潰途徑可因場氧化區(qū)域的平滑介面削減?；鶚O結(jié)構(gòu)122形成于主動區(qū)域116的半導(dǎo)體層112上，以覆蓋部份的場氧化區(qū)域120，其中基極結(jié)構(gòu)122至少包括一基極介電層124及一導(dǎo)體層126。形成基極結(jié)構(gòu)的步驟至少包括，形成基極介電層及導(dǎo)體層于半導(dǎo)體層上，然后形成限定基極結(jié)構(gòu)的圖案轉(zhuǎn)移的光阻于導(dǎo)體層上，之后蝕刻導(dǎo)體層及基極介電層以形成基極結(jié)構(gòu)?；鶚O介電層124及導(dǎo)體層126可分別為基極氧化層及多晶硅層。
執(zhí)行第二次離子植入232，以形成第一發(fā)射極區(qū)域128及第一集電極區(qū)域130于主動區(qū)域116的半導(dǎo)體層112內(nèi)，其中第一發(fā)射極區(qū)域128及第一集電極區(qū)域130具有第二導(dǎo)體型及第一摻雜濃度。然后進(jìn)行熱趨入(drive-in)步驟，以形成均勻的深層摻雜輪廓的第一發(fā)射極區(qū)域128及第一集電極區(qū)域130，其彼此相對形成于基極結(jié)構(gòu)122側(cè)邊的主動區(qū)域116的半導(dǎo)體層112內(nèi)，且場氧化區(qū)域120用以隔離基極結(jié)構(gòu)122與第一集電極區(qū)域130。執(zhí)行第三次離子植入234，以分別形成第二發(fā)射極區(qū)域132及第二集電極區(qū)域134于第一發(fā)射極區(qū)域128及第一集電極區(qū)域130內(nèi)，其中第二發(fā)射極區(qū)域132及第二集電極區(qū)域134具有第二導(dǎo)體型及第二摻雜濃度，且第二摻雜濃度較第一摻雜濃度高。輕微摻雜的第一發(fā)射極區(qū)域128及第一集電極區(qū)域130是做為高電位接合屏障(high potential junction barrier)，且可以與絕緣層接觸。因此，本發(fā)明結(jié)合了淺溝渠隔離，可得高接合崩潰電壓且不需犧牲元件尺寸。另外，造成接合崩潰及橫向雙載子接合晶體管急速壓降的底材電流，可因高電壓金屬氧化物半導(dǎo)體元件形成于絕緣層上有硅(SOI)的底材而受到阻絕，使得伴隨著高電壓金屬氧化物半導(dǎo)體元件的可靠度問題可獲得明顯的改善。
亦即，根據(jù)本發(fā)明，一種N通道的非對稱高電壓金屬氧化物半導(dǎo)體元件包括，一底材具有一絕緣層和一P型硅層于絕緣層上。數(shù)個淺溝渠隔離形成于P型硅層內(nèi)，其中數(shù)個淺溝渠隔離限定一主動區(qū)域。一場氧化區(qū)域熱氧化形成于主動區(qū)域的P型硅層上。一N型漂移區(qū)域形成于場氧化區(qū)域下的P型硅層內(nèi)。一基極結(jié)構(gòu)形成于主動區(qū)域的P型硅層上，以覆蓋一部份場氧化區(qū)域。一輕微摻雜N型發(fā)射極區(qū)域及一輕微摻雜N型集電極區(qū)域彼此相對形成于基極結(jié)構(gòu)側(cè)邊的主動區(qū)域的P型硅層內(nèi)，且場氧化區(qū)域用以隔離基極結(jié)構(gòu)與輕微摻雜N型集電極區(qū)域。一重?fù)诫sN型發(fā)射極區(qū)域及一重?fù)诫sN型集電極區(qū)域分別形成于輕微摻雜N型發(fā)射極區(qū)域及輕微摻雜N型集電極區(qū)域內(nèi)。輕微摻雜的N型發(fā)射極區(qū)域及輕微摻雜的N型集電極區(qū)域是做為高電位接合屏障，且亦可以與絕緣層接觸。
以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并非用以限定本發(fā)明的范圍；凡其它未脫離本發(fā)明所揭示的精神下所完成的等效改變或替換，均應(yīng)包括在權(quán)利要求書所限定的專利保護(hù)范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種高電壓金屬氧化物半導(dǎo)體元件，其特征在于，包括一底材，該底材具有一絕緣層于該底材上和一半導(dǎo)體層于該絕緣層上，其中該半導(dǎo)體層具有第一導(dǎo)體型；數(shù)個淺溝渠隔離形成于該半導(dǎo)體層內(nèi)，以限定一主動區(qū)域；一場氧化區(qū)域形成于該主動區(qū)域的該半導(dǎo)體層上；一漂移區(qū)域形成于該場氧化區(qū)域下的該半導(dǎo)體層內(nèi)，其中該漂移區(qū)域具有一第二導(dǎo)體型；一基極結(jié)構(gòu)形成于該主動區(qū)域的該半導(dǎo)體層上，以覆蓋一部份該場氧化區(qū)域；一第一發(fā)射極區(qū)域及一第一集電極區(qū)域彼此相對形成于該基極結(jié)構(gòu)側(cè)邊的該主動區(qū)域的該半導(dǎo)體層內(nèi)，并具有該第二導(dǎo)體型及一第一摻雜濃度，且該場氧化區(qū)域用以隔離該基極結(jié)構(gòu)與該第一集電極區(qū)域；及一第二發(fā)射極區(qū)域及一第二集電極區(qū)域分別形成于該第一發(fā)射極區(qū)域及該第一集電極區(qū)域內(nèi)，并具有該第二導(dǎo)體型及一第二摻雜濃度，且該第二摻雜濃度較該第一摻雜濃度高。
2.如權(quán)利要求1所述的元件，其特征在于，該底材是一絕緣層上有硅的底材。
3.如權(quán)利要求2所述的元件，其特征在于，形成該半導(dǎo)體層是一P型硅層。
4.如權(quán)利要求3所述的元件，其特征在于，形成具有該第二導(dǎo)體型的該漂移區(qū)域是一N型漂移區(qū)域。
5.如權(quán)利要求3所述的元件，其特征在于，該第一發(fā)射極區(qū)域及該第一集電極區(qū)是一輕微摻雜N型發(fā)射極區(qū)域及一輕微摻雜N型集電極區(qū)。
6.如權(quán)利要求3所述的元件，其特征在于，該第二發(fā)射極區(qū)域及該第二集電極區(qū)是一重?fù)诫sN型發(fā)射極區(qū)域及一重?fù)诫sN型集電極區(qū)。
7.如權(quán)利要求1所述的元件，其特征在于，該基極結(jié)構(gòu)至少包括一基極介電層及一導(dǎo)體層。
8.如權(quán)利要求1所述的元件，其特征在于，該第一發(fā)射極區(qū)域及該第一集電極區(qū)與該絕緣層接觸。
全文摘要
一種非對稱高電壓金屬氧化物半導(dǎo)體元件，包括一底材，具有一絕緣層和于絕緣層上的第一導(dǎo)體型半導(dǎo)體層。數(shù)個淺溝渠隔離形成于半導(dǎo)體層內(nèi)以限定一主動區(qū)域。一場氧化區(qū)域形成于主動區(qū)域的半導(dǎo)體層上。一第二導(dǎo)體型的漂移區(qū)域形成于場氧化區(qū)域下的半導(dǎo)體層內(nèi)。一基極結(jié)構(gòu)形成于半導(dǎo)體層上以覆蓋部份場氧化區(qū)域，至少包括一基極介電層及一導(dǎo)體層。一第一發(fā)射極區(qū)域及第一集電極區(qū)域相對形成于基極結(jié)構(gòu)側(cè)邊的半導(dǎo)體層內(nèi)并具有第二導(dǎo)體型及一第一摻雜濃度，場氧化區(qū)域隔離基極結(jié)構(gòu)與第一集電極區(qū)域。第二發(fā)射極區(qū)域及第二集電極區(qū)域具有第二導(dǎo)體型及一第二摻雜濃度，并分別形成于第一發(fā)射極區(qū)域及第一集電極區(qū)域內(nèi)，第二摻雜濃度較第一摻雜濃度高。
文檔編號H01L29/78GK1419298SQ0213219
公開日2003年5月21日 申請日期2002年8月26日 優(yōu)先權(quán)日2001年11月13日
發(fā)明者劉昌淼 申請人:聯(lián)華電子股份有限公司