[發明專利]具有多厚度柵極氧化層的槽型半導體器件及其制造方法

有效

• 申請號: 00810164.7
• 申請日: 2000-05-24
• 公開（公告）號: CN1360735A
• 公開（公告）日: 2002-07-24
• 發明（設計）人: 韋恩·B·格拉博斯基
• 申請（專利權）人: 理查德·K·威廉斯;韋恩·B·格拉博斯基
• 主分類號: H01L21/336
• 分類號: H01L21/336
• 代理公司: 北京市柳沈律師事務所
• 代理人: 李曉舒,魏曉剛

????????????????????????技術領域

本發明涉及一種具有嵌入槽中的柵電極的半導體器件，尤其涉及在該器件處于截止條件下的同時經歷高電壓差時，保護這種器件免遭對柵極氧化層的損害的結構和方法。本發明尤其涉及槽型MOSFET(金屬-氧化物-半導體場效應晶體管)。

????????????????????????背景技術

有一類半導體器件，其中的柵電極形成在自半導體芯片的表面延伸的槽中。一個例子是槽型柵極MOSFET，其它的例子包括絕緣柵極雙極晶體管(IGBT)，結型場效應晶體管(JFET)和積累模式場效應晶體管(ACCUFET)。所有的這些器件都具有槽結構的共同特點，出于某種原因，槽的底部可以暴露在高電場下，或槽的底部可以形成包括柵電極和圍繞槽的半導體材料的寄生電容。

圖1至圖10顯示現有槽型柵極器件的截面圖及其特點。圖1顯示一種槽型柵極MOSFET?100，它具有一個頂金屬層102，一個形成在槽106中并通過柵極氧化層110與外延硅層108分開的柵極104。MOSFET?100還包括一個N+源極區112和一個P本體114。MOSFET?100的漏極包括一個N外延層108和一個N+襯底116。在P本體114之下建立一個深P+區118，如布魯克(Bulucea)等人在美國專利第5,072,266號中所提出的那樣。深P+區118和N外延層108之間的PN結形成一個在該處通常發生雪崩擊穿的電壓箝位二極管117。P+本體接觸區119形成金屬層102和P本體114之間的接觸層。通過氧化層120使一般由多晶硅形成的柵極不受金屬層102影響，該氧化層處于柵極104之上，并用不與槽本身對應的部件，一般為一個接觸掩膜構圖。

如圖所示，柵極氧化層110由一個沿多晶硅柵極104的三個側面的均勻薄氧化層構成。即柵極氧化層110在槽側壁上的部分以及柵極氧化層110在槽底部上的彎曲和直線部分(除在槽底部發生的一些與應力有關并與蝕刻有關的氧化層厚度上的變化外)通常為在例如150埃至1200埃范圍內的均勻厚度。

這種常規類型的MOSFET有很多變體。例如，圖2顯示了一種基本類似于MOSFET?100，但不包括深P+區118的MOSFET?130。MOSFET?130的柵極穿過P本體132而稍稍突出，因為P本體132的深度和槽134的深度是在兩個無關的過程中確定的。因而，在直立器件中不能保證漏極區內多晶硅柵極的凈重疊。結果是這種變體影響器件的運行，并且也可以影響其可靠性。另外，在圖2中沒有由深P+區118形成的附加二極管以箝位電壓，因此無論哪兒的電壓升高到器件進入雪崩的點上，擊穿都會發生。

圖3所示的MOSFET?140是MOSFET?100和130的變體，其中，MOSFET單元142不包含深P+區，而包含深P+區的二極管單元144以預定的間隔在整個陣列上分布，以充當電壓箝位并限制MOSFET單元中電場的強度。在MOSFET?140中，柵極氧化層是厚度均勻的。

圖4A-4G顯示了擊穿現象的各個方面。圖4A顯示了在具有較厚柵極氧化層的槽型柵極器件150中擊穿處的電場強度等值線。器件150在效果上是一個柵極二極管，是大部分槽型柵極垂直功率MOSFET的一種結構元件。如圖所示，在雪崩擊穿過程中將出現碰撞電離的最強電場位于P+本體區正下方的結處。相反，圖4B所示的器件160具有較薄的柵極氧化層。雖然在P+區下面仍發生一些電離，但最高的電場水平此時位于槽的彎彎角部。場電極誘導擊穿機制導致電場強度增大。

圖4C和4D分別顯示進入雪崩擊穿時器件150和160的電離等值線。無論是如圖4C所示的厚柵極氧化層，還是如圖4D所示的薄柵極氧化層，最終在“深”雪崩中，即當器件被強制在雪崩中傳導大電流時，擊穿開始在槽的彎角部出現。甚至在厚氧化層的情況下(圖4C)，其中峰值電場不在槽的彎角處(圖4A)，當漏極電壓增大時，電離最終在槽的彎角部出現。然而，在圖4D中有更多的等值線，這表明柵極氧化層薄的位置上有更高的電離率。

圖4E顯示，如果引入一個包括深P+區的二極管箝位裝置，如圖中右手側所示，則該二極管將在較低電壓擊穿，并且在槽的彎角部將不發生雪崩擊穿。如果穿過二極管的電路電阻足夠低，則二極管將箝制器件的最大電壓。結果，電壓將永遠上升不到槽彎角部附近發生雪崩擊穿的點上。