高密度槽溝金屬氧化物場效應管(mosfet)的源極接觸和金屬復蓋方案的製作方法

2023-05-15 18:50:36

專利名稱：高密度槽溝金屬氧化物場效應管(mosfet)的源極接觸和金屬復蓋方案的製作方法
技術領域：
本發明一般是有關於功率半導體器件的單元結構和製造步驟。本發明特別是有關於生產一種具有改良源極金屬接觸的槽溝半導體功率器件，其中新的和改良的單元結構和改良的生產步驟。
背景技術：
當單元中之間距縮小時，傳統工藝在一個半導體器件的製程中遭遇了一技術難點；就是在形成對N+源極和P-基體的鋁金屬接觸點的金屬覆蓋不良，和不牢靠的導電接觸。當一個金屬氧化物半導體場效應電晶體單元的密度增加到每平方英寸2億個單元(200M/in2)時，單元間距減小到1.8微米甚至更小尺寸時，這種技術困難特別顯著。對於單元密度高於每平方英寸2億個單元的情形，N+源區和P-基體區兩者間的金屬接觸的空間已小於1.0微米，這將引起不良的金屬階梯覆蓋和至N+區和P-基體區之間的高的連接電阻。這些不良接觸會使器件的性能變壞，產品的可靠性也將降低。
圖1示出的是，一個標準傳統式的MOSFET單元10，它生成於一個在底部表面上有一個第一類導電特性的漏極區域的半導體襯底，即N+襯底15上。槽溝MOSFET單元形成於一個第一類導電的外延層，例如一個有較襯底低的摻雜濃度的N-外延層，20的頂部。一個第二類導電類型的基體區域25，例如一個P型基體區域25，形成於外延層20內，且此基體區域25包含一個第一類導電的源極區域，例如N+源極區域，30。每一個MOSFET單元進一步包含一個安排於一個以柵極氧化物層40與周圍外延層20絕緣起來的溝槽內的N+摻雜的多晶矽柵極35。此MOSFET單元從頂部用一個非摻雜矽玻璃(NSG)層和一個硼磷矽玻璃(BPSG)層45-1和45-2絕緣起來，此絕緣層上有源極接觸開口，允許一個包含Ti或者Ti/TiN的源極金屬接觸層50接通柵極區域30。一個單金屬接觸層60覆蓋於頂部，以水平地連接N+和P-井。圖1示出的是先前技藝的MOSFET單元，由於單元間距的縮小，它遇到兩個基本問題。問題之一是到N+源區和P-基體兩者的接觸面積都縮小了，引起高的接觸電阻。另一個問題是由於接觸高度與開口尺寸的大的縱橫比，造成的不良金屬階梯覆蓋。
在專利6,628,826中，Zeng等人披露了一種如圖2所示的金屬氧化物半導體功率器件，它包含V形凹槽接觸以使單層金屬以豎直地電接觸源極。此種連接的極限尺寸(Critical Dimension)能夠顯著減小而不增加接觸電阻，然而，以溼化學刻蝕法形成的V形凹槽接觸是不容易控制的。此外，由於小的接觸(點)接觸臨界尺寸受限於鋁金屬階梯覆蓋。
因此，半導體器件的生產中，特別是對於槽溝功率MOSFET設計和製造中，仍需要提供一種新的電晶體結構和生產工藝以解決這些困難和設計的局限性。

發明內容
因此本發明的一個目標是提供新的和改良的方法以形成一個可靠的源極接觸金屬層，以使上面討論的技術上的困難得以解決。
明確地說，本發明的一個目的是提供一個新的和改良的單元結構和製造方法，用氧化物刻蝕，接著用矽刻蝕開一個源極-基體接觸溝槽以形成一個源極金屬接觸。隨後用一個金屬塞填充源極-基體接觸溝槽，以確保建立可靠的源極連接。
本發明的另一方面是用形成至頂部厚金屬有較大接觸面積的一個薄的低電阻層來降低源極和基體間的電阻。此薄的低電阻層形成一個從源極-基體接觸溝槽頂部開口到源極-基體金屬接觸塞的良好的接觸。
本發明的另一個方面是用邦釘線或銅片將前端的厚金屬層與引線框架連接起來。這些銅片連線減少了電阻並且改善了散熱性能。
本發明的另一個方面是用不均勻刻蝕方法形成一個頂部開口較寬的溝槽來進一步降低源極和基體的電阻。隨後，在有較寬開口面積的MOSFET單元的頂部形成一個薄的低電阻層以連接安置在源極-基體接觸溝槽內的金屬連接塞。此薄的低電阻層與頂部厚金屬有較大的接觸面積。此薄的低電阻層進一步改善了從原極-基體接觸溝槽的頂部開口到有大接觸面積的源極-基體金屬接觸塞的接觸。
簡短地說，在一個推薦的方案中，本發明披露了一個開溝槽的金屬氧化物半導體場效應電晶體(MOSFET)單元，此單元包括一個被源極區域環繞著的溝槽柵極，而該源極區域又包含於一個安排在襯底底表面上面的漏極區域之上的基體區內。此MOSFET單元進一步包括一個側壁實際垂直於頂部表面在源極區域和基體區域內開出的填滿接觸金屬塞的源極-基體接觸溝槽。在一個推薦的方案中，此接觸金屬塞進一步由一個環繞著一個鎢核心的Ti/TiN阻擋層所組成，作為源極-基體接觸金屬。在另一個推薦的方案中，此MOSFET單元進一步包括一個覆蓋在MOSFET單元頂部表面上的絕緣層，其中，源極-基體接觸溝槽就是穿過此絕緣層開出的。此MOSFET單元進一步包括一個安排在絕緣層頂部表面覆蓋著絕緣層並連接接觸金屬塞的電阻減小的導電層，此電阻減小導電層有較接觸金屬塞頂部表面大的面積，以減少源體電阻。在另一個推薦的方案中，此填充於源極-基體接觸溝槽內的接觸金屬塞由一個實際圓柱形的塞子組成。在另一個推薦的方案中，此MOSFET單元進一步包括一個安排於的電阻減小層頂部上的厚的前端金屬層，以給導線邦釘封裝或無線邦釘封裝提供一個接觸層。在另一個預備的推薦方案中，此源體接觸溝槽具有階狀的側壁，而且所述填充於所述源體接觸溝槽內的上述金屬塞由一個具有頂部較寬接觸面積的杯子形塞子所組成。
本發明更進一步披露了一種製造溝槽金屬氧化物半導體場效應電晶體(MOSFET)單元的方法。此方法包括，一個形成所述具有一個被源極區域環繞著的溝槽柵極的MOSFET單元的步驟，此源極區域包含在安置於襯底底表面上的一個漏極區域上面的體區域之內。此方法更進一步包括一個用一絕緣層覆蓋MOSFET單元，並應用一個接觸光罩，在源極區域和基體區域內開一個側壁實際垂直於絕緣層上表面的源極-基體接觸溝槽的步驟。此方法更進一步包括一個用接觸金屬塞填充源極-基體接觸溝槽的步驟。在一個推薦的方案中，以絕緣層覆蓋MSOFET單元的步驟進一步包含一個在MOSFET單元頂部沉積兩種不同的氧化物層，並應用非均勻氧化物刻蝕法生成一個有頂部較寬開口、有階狀側壁的源體接觸溝槽的步驟。
毫無疑問，對於那些熟悉本領域的一般技能的人而言，在閱讀過以下各種各樣插圖的推薦方案的詳細描述後，將會非常明了本發明的這些和其他的目標和優勢。


圖1是傳統MOSFET器件的側面剖視圖。
圖2是一個獲準專利所披露的具有V型凹槽接觸的溝槽MOSFET器件的側面剖視圖。
圖3是本發明中的具有改善源極塞接觸的MOSFET器件的側面剖視圖。
圖4是本發明中另一種具有填充在一個有階狀的側壁的接觸溝槽內的改善源極塞接觸的MOSFET器件的側面剖視圖。
圖5A至圖5J是一系列連續的側剖面圖，用以說明製作圖3所示的半導體溝槽的加工步驟。
圖5F』是一個側剖面圖，用以闡明用不均勻刻蝕法生成一個具有階狀側壁的，在其中沉積香檳酒杯型源極-基體接觸的源極-基體接觸溝槽。
圖6A和6B是根據本發明中兩種不同的方案的兩種邦釘接線的俯視圖。
具體實施例方式
本發明的第一個推薦方案請參見圖3，一個金屬氧化物半導體場效應電晶體(MOSFET)器件100支撐於有外延層110的襯底105上。此MOSFET器件100包括一個在壁上有柵極絕緣層115的槽內的溝槽柵極120。一個用第二類導電型的摻雜劑，例如P型摻雜劑，摻雜的基體區域125伸延於溝槽柵極之間。此P基體區125包含一個第一類導電型雜質，例如N+型雜質，摻雜的源極區域130。源極區域130生成於圍繞溝槽柵極125的外延層的頂部表面附近。半導體襯底的頂部表面伸延到溝槽柵極的頂部，P基體區域125和源極區域130分別以非摻雜矽玻璃(NSG)保護層135和硼磷矽玻璃(BPSG)保護層140覆蓋。
為改善源極對源極區域130的接觸，許多溝槽源極接觸用被Ti/TiN阻擋層150環繞著的鎢塞145填充。這些接觸溝槽是穿過非摻雜矽玻璃(NSG)保護層135和硼磷矽玻璃(BPSG)保護層140開的，以連接源區130和P基體區125。隨後在頂部表面上生成一個導電層155，以接觸該溝槽源極接觸145和150。接著在源極接觸層155頂上生成一個頂部接觸層160。此頂部接觸層160是用Al，Al-Cooper，AlCuSi或Ni/Ag，Al/NiAu，AlCu/NiAu或AlCuSi/NiAu生成，作為邦釘打線層。導電層155夾在頂部邦釘打線層160和溝槽源極塞頂部之間，形成接觸，用提供較大的電接觸面積降低了電阻。
圖4示出的是與圖3中所示器件結構相似的另一種MOSFET器件100*。此MOSFET器件也有一個被Ti/TiN傳導阻擋層圍繞著的鎢組成的源極接觸塞，唯一的不同之處是放置源極接觸塞145*的溝槽的形狀不同，此溝槽有階狀的邊壁，從而塞子145*的形狀像一隻香檳酒杯。此階狀側壁的源體接觸溝槽有其它的優點。由於有一個頂部較寬的開口，提供了一個較寬的接觸面積，使得源體接觸塞與頂部厚金屬層間的電阻進一步降低。
圖5A至圖5J是一系列橫剖面圖用以闡明圖3中所示MOSFET器件的製作步驟。在圖5A中，用光刻膠206在支撐於襯底205上的外延層206內開了很多溝槽208。圖5B是用氧化法生成覆蓋溝槽壁的氧化物層215的情形。溝槽用一種犧牲性氧化物氧化，以除去在開溝槽過程中等離子損傷的矽層。隨後沉積一個多晶矽層220，以填充溝槽並覆蓋頂部表面，之後用N+雜質摻雜。圖5C所示的是多晶矽層220被刻蝕掉，接著以P型雜質注入P型基體。隨後，升高溫度以使P型基體225擴散到外延層210中。在圖5D中採用一個源極光罩228，接著用N型雜質作源極注入。隨後，升高溫度以擴散源極區域230。在圖5E中，在頂部表面上沉積了一個非摻雜矽玻璃(NSG)層235和一個硼磷矽玻璃層240。在圖5F中用一個接觸光罩來完成接觸刻蝕開出接觸開口244，此接觸開口是用一種氧化刻蝕法穿過BPSG和NSG層開出的，接著用矽刻蝕法更深入源區230和基體區225開出一些接觸開口242。這樣，此MOSFET器件包含一個源極-基體接觸溝槽244，此溝槽有一個首先用氧化刻蝕穿過氧化物層，例如BPSG和NSG層，而形成的氧化物溝槽。源極-基體接觸溝槽244進一步包括一個用氧刻蝕法接著用矽刻蝕法生成的矽溝槽。此氧刻蝕和矽刻蝕法可以是一個幹氧化物刻蝕和矽刻蝕，源極-基體接觸溝槽的臨界尺寸是較好地控制的。在圖5G中，在頂層上沉積了一個Ti/TiN層245，接著在充滿接觸開口內的頂部表面生成一個鎢層250，作為源極和基體的接觸塞。在圖5H中，以鎢刻蝕法刻蝕掉鎢層250。在圖5I中，以Ti/TiN刻蝕法刻蝕掉Ti/TiN層245。在圖5J中在頂部表面上沉積了低阻金屬層255。此低電阻金屬層可以由Ti或Ti/TiN組成，以保證建立良好的電接觸。
圖5F』中更深入地談到在完成圖5F中所示步驟後的一個附加的非均勻刻蝕方法。在圖5F』中採用(10∶1)稀釋氫氟酸來進行NSG和PBSG的非均勻刻蝕。由於NSG層235和BPSG層240的不同的刻蝕速率形成了有階狀側壁的溝槽244』。假如是100∶1稀釋的氫氟酸，NSG的刻蝕速率為50埃/分，BPSG的刻蝕速率為300埃/分。為了製作如圖4中所示的有香檳酒杯形的接觸塞的，有階狀(側壁)的源極-基體接觸溝槽的MOSFET器件，按照以上描述的示於圖5G至圖5J的步驟就可以完成製作。
進一步在低電阻金屬層255，例如圖3中的頂部接觸層160的上面沉積一個如圖6A和圖6B中所示的頂部接觸層260，就完成了器件的製作。此頂部金屬層可以是Al，AlCu或AlCuSi供金線或鋁線270邦釘之用，如圖6A中所示；當以Ni/Ag，Al/NiAu或AlCu/NiAu或AlCiSi/NIAu作為頂部金屬接觸層260』時，供無線焊接邦釘之用，此時用連接到一個源電極S的銅盤275，如圖6B中所示，以降低通電阻和改善熱學特性。
雖然，本發明一直用目前推薦方案來描述，但是不應該認為這些披露是被局限的。那些對本領域技術嫻熟的工作者在讀過以上披露後無疑會做出多種多樣的修改和替換。因而可以期望，那些附加的權力要求應該解釋為涵蓋所有那些屬於本發明領域或符合本發明精神實質的替換與修改。
權利要求
1.槽溝金屬制的氧化物半導體場效應電晶體(MOSFET)單元包含一個被源極區域環繞著的溝槽柵極，而該源極區域又包含於一個安排在襯底底表面上面的漏極區域之上的基體區內。其中，所述的MOSFET單元進一步包含一個向源區和體區內部挖的，側壁實際垂直於頂部表面的，用接觸金屬塞填充的源體接觸溝槽。
2.權利要求1中的MOSFET單元該接觸金屬塞進一步由一個圍繞著一個鎢核心的Ti/TiN阻擋層所組成，作為源體接觸金屬。
3.權利要求1中的MOSFET單元進一步包含一個覆蓋於所述MOSFET單元頂部表面上的絕緣層，其中前述源體絕緣溝槽就是穿過上述絕緣層開的，以及，一個安置於頂部表面上的薄的電阻減小導電層覆蓋著所述絕緣層並連接所述接觸金屬塞，以此所述電阻減小導電層有比上述接觸金屬塞頂部表面大的面積以降低源極-基體電阻。
4.權利要求1的MOSFET單元中填充於所述源體接觸溝槽內的所述接觸金屬塞包含一個實際是圓柱形的塞子。
5.權利要求3的MOSFET單元進一步包含一個安排在所述電阻減小層頂部上的厚的前端金屬層，為引線或無引線邦釘封裝提供一個接觸層。
6.權利要求1的MOSFET單元進一步包含該源體接觸溝槽進一步包含一個穿過一覆蓋於所指MOSFET器件頂部表面上的氧化物層用氧刻蝕法生成的氧化物溝槽。
7.權利要求1的MOSFET單元進一步包含該源體接觸溝槽進一步包含一個為把所述源體接觸溝槽深入到矽襯底內，通過氧刻蝕之後的矽刻蝕而生成的矽溝槽。
8.權利要求1的MOSFET單元進一步包含該源體接觸溝槽進一步包含一個用幹氧化物和矽刻蝕法開的溝槽，該方法使所述源體接觸溝槽的臨界尺寸得以較好地控制。
9.權利要求1的MOSFET單元進一步包含該源體接觸溝槽進一步包含一個以幹氧化物和矽刻蝕法開出的，隨後用一個溼氧化物層以形成不規則形狀的溝槽側壁。
10.權利要求1的MOSFET單元中該接觸金屬塞還接觸到所述源體接觸溝槽的側壁上的所指源極區域，而且，接觸金屬塞通過所述源體接觸溝槽底部表面接觸到所述的基體區。
11.權利要求3的MOSFET單元中所述薄的電阻減小導電層包含一個鈦(Ti)層。
12.權利要求3的MOSFET單元中所述薄的電阻減小導電層包含一個氮化鈦(TiN)層。
13.權利要求5的MOSFET單元中所述前端厚金屬層由一個鋁層所組成。
14.權利要求5的MOSFET單元中所述前端厚金屬層包含一個AlCu層。
15.權利要求5的MOSFET單元中所述前端厚金屬層由包含一個AlCuSi層。
16.權利要求5的MOSFET單元中所述前端厚金屬層包含一個Al/NiAu層。
17.權利要求5的MOSFET單元中所述前端厚金屬層包含一個AlCu/NiAu層。
18.權利要求5的MOSFET單元中所述前端厚金屬層包含一個AlCuSi/NiAu層。
19.權利要求5的MOSFET單元中所述前端厚金屬層包含一個NiAg層。
20.權利要求5的MOSFET單元中所述前端厚金屬層包含一個NiAu層。
21.權利要求1的MOSFET單元中所述MOSFET單元進一步包含一個N型溝道MOSFET單元。
22.權利要求1的MOSFET單元中所述MOSFET單元進一步包含一個P型溝道MOSFET單元。
23.權利要求1的MOSFET單元中所述源體接觸溝槽有階狀的側壁，以及，填充於所述源-基體接觸溝槽內的接觸金屬塞包含一個有較寬頂部接觸面積的實際是酒杯形的塞子。
24.權利要求5的MOSFET單元進一步包含一些將所述厚的前端金屬層連接到引線框的鋁線。
25.權利要求5的MOSFET單元進一步包含一些將所述厚的前端金屬層連接到引線框的金線。
26.權利要求5的MOSFET單元進一步包含一個用於連接所述厚的前端金屬層到引線框的Cooper盤。
27.一種製造槽溝金屬氧化物半導體場效應電晶體(MOSFET)單元的方法包含一個形成一個有被源極區環繞著的溝槽柵極的MOSFET單元的步驟，該源極區域包含在一個安置在襯底底表面上的漏極區域上面的體區域內。此方法進一步包含用一個絕緣層覆蓋所述MOSFET單元，以及，用一個接觸光罩在所述源極和基體區域內開出側壁實際垂直於所述絕緣層上表面的源體接觸溝槽。
28.權利要求27的方法進一步包含用接觸金屬塞填充所述源體接觸溝槽。
29.權利要求27的方法中所述用一個絕緣層覆蓋所述MOSFET單元的步驟進一步包含一個在所述MOSFET單元頂部沉積兩種不同氧化物層，並應用一個非均勻氧化物刻蝕形成一個頂部開口較寬，具有階狀側壁的源體機觸溝槽的步驟。
全文摘要
一個槽溝金屬氧化物半導體場效應電晶體(MOSFET)單元包含一個被源極區域環繞著的溝槽柵極，此源極區域包含在一個安排於襯底底部表面上的漏極區域上面的基體區域內。該MOSFET單元進一步包含一個在源區和基體區內開的，側壁實際垂直於頂部表面的，並用接觸金屬塞填充的源體接觸溝槽。
文檔編號H01L21/336GK1929149SQ200610083798
公開日2007年3月14日 申請日期2006年6月6日 優先權日2005年6月6日
發明者謝福淵 申請人:謝福淵