TWI605586B - 橫向雙擴散金屬氧化物半導體元件及其製造方法 - Google Patents
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Description
本發明係有關一種橫向雙擴散金屬氧化物半導體(lateral double diffused metal oxide semiconductor,LDMOS)元件及其製造方法,特別是指一種可降低導通電阻之LDMOS元件及其製造方法。
第1圖顯示一種習知橫向雙擴散金屬氧化物半導體(lateral double diffused metal oxide semiconductor,LDMOS)元件100的剖視示意圖。如第1圖所示,LDMOS元件100包含:P型基板101、漂移區102、隔絕氧化區103、漂移氧化區104、本體區106、汲極110、源極108、與閘極111。其中,漂移區102的導電型為N型,形成於P型基板101上,隔絕氧化區103為區域氧化(local oxidation of silicon,LOCOS)結構,以定義操作區103a,作為LDMOS元件100操作時主要的作用區。操作區103a的範圍由第1圖中,粗黑箭頭所示意。閘極111覆蓋部分漂移氧化區104。此習知LDMOS元件100可作為功率元件使用,但因此犧牲了導通電阻;此外,N型源極108、P型本體區106、與N型漂移區102所形成的寄生NPN電晶體,也限制了操作的速度,與元件的性能。
有鑑於此,本發明即針對上述先前技術之改善,提出一種LDMOS元件及其製造方法,可降低導通電阻,抑制寄生NPPN電晶體導通之LDMOS元件及其製造方法。
就其中一觀點言,本發明提供了橫向雙擴散金屬氧化物半導體(Lateral Double Diffused Metal Oxide Semiconductor,LDMOS)元件,包含:一P型基板,於一高度方向上,具有相對之一上表面與一下表面;一磊晶層,形成於該P型基板上,於該高度方向上,具有相對該上表面之一磊晶層表面,且該磊晶層堆疊並連接於該上表面上;一P型高壓井區,形成於該磊晶層中,且於該高度方向上,堆疊並連接於該P型基板之該上表面上;一P型本體區,形成於該磊晶層中之該P型高壓井區上,且於該高度方向上,堆疊並連接於該P型高壓井區與該磊晶層表面之間,其中,該P型本體區具有一尖峰濃度區,其於該高度方向上,堆疊並連接於該磊晶層表面下,並具有該P型本體區中最高之P型雜質濃度;一N型井區,形成於該磊晶層中,於該高度方向上,堆疊並連接於該磊晶層表面下,且於一橫向上鄰接於該P型本體區;一隔絕氧化區,形成於該磊晶層上,以定義一操作區;一漂移氧化區,形成於該磊晶層上之該操作區中,且於該高度方向上,該漂移氧化區堆疊並連接於該N型井區;一閘極,形成於該磊晶層上,且該閘極位於該操作區中,並覆蓋至少部分該漂移氧化區,且於該高度方向上,該閘極堆疊並連接於該磊晶層並覆蓋部分該N型井區及部分該P型本體區;一N型接點區,形成於該P型本體區中,於該高度方向上,堆疊並連接於該磊晶層表面下;一P型接點區,形成於該P型本體區中,於該高度方向上,堆疊並連接於該磊晶層表面下,且於該橫向上與該N型接點區鄰接;一上源極,形成於該磊晶層上,
且於該高度方向上,堆疊並連接於該N型接點區及該P型接點區;一下源極,形成於該P型基板之該下表面下,且於該高度方向上,堆疊並連接於該下表面下;以及一N型汲極,形成於該N型井區中,於該高度方向上,堆疊並連接於該磊晶層表面下,且該N型汲極介於該漂移氧化區與該隔絕氧化區之間;其中,該P型本體區中之P型雜質濃度,足以抑制一橫向寄生電晶體導通;其中,部分該P型本體區於該高度方向上,位於該N型接點區與該P型接點區下方,且該尖峰濃度區不位於該N型接點區與該P型接點區下方,且該尖峰濃度區於該橫向上與該N型接點區鄰接;其中,於一正常操作中,一導通電流由該N型汲極流經該下源極。
就另一觀點言,本發明提供了一種橫向雙擴散金屬氧化物半導體(Lateral Double Diffused Metal Oxide Semiconductor,LDMOS)元件製造方法,包含:提供一P型基板,其於一高度方向上,具有相對之一上表面與一下表面;形成一磊晶層於該P型基板上,且於該高度方向上,具有相對該上表面之一磊晶層表面,且該磊晶層堆疊並連接於該上表面上;形成一P型高壓井區於該磊晶層中,且於該高度方向上,堆疊並連接於該P型基板之該上表面上;形成一P型本體區於該磊晶層中之該P型高壓井區上,且於該高度方向上,堆疊並連接於該P型高壓井區與該磊晶層表面之間,其中,該P型本體區具有一尖峰濃度區,其於該高度方向上,堆疊並連接於該磊晶層表面下,並具有該P型本體區中最高之P型雜質濃度;形成一N型井區於該磊晶層中,於該高度方向上,堆疊並連接於該磊晶層表面下,且於一橫向上鄰接於該P型本體區;形成一隔絕氧化區於該磊晶層上,以定義一操作區;形成一漂移氧化區於該磊晶層上之該操作區中,且於該高度方向上,該漂移氧化區堆疊並連接於該N型井區;形成一閘極於該磊晶層上,且該閘極位於該操作區中,並覆蓋至少部分該漂移氧化區,且於該高度方向上,該閘極堆疊並連接於該磊晶層並覆蓋部分該N型井區及部分該P型本體區;形成一N型接點區於該P型本體區中,於該高度方向上,堆疊並連接於該磊
晶層表面下;形成一P型接點區於該P型本體區中,於該高度方向上,堆疊並連接於該磊晶層表面下,且於該橫向上與該N型接點區鄰接;形成一N型汲極於該N型井區中,於該高度方向上,堆疊並連接於該磊晶層表面下,且該N型汲極介於該漂移氧化區與該隔絕氧化區之間;形成一上源極於該磊晶層上,且於該高度方向上,堆疊並連接於該N型接點區及該P型接點區;以及形成一下源極於該P型基板之該下表面下,且於該高度方向上,堆疊並連接於該下表面下;其中,該P型本體區中之P型雜質濃度,足以抑制一橫向寄生電晶體導通;其中,部分該P型本體區於該高度方向上,位於該N型接點區與該P型接點區下方,且該尖峰濃度區不位於該N型接點區與該P型接點區下方,且該尖峰濃度區於該橫向上與該N型接點區鄰接;其中,於一正常操作中,一導通電流由該N型汲極流經該下源極。
在其中一種較佳的實施型態中,該隔絕氧化區與該漂移氧化區為區域氧化(local oxidation of silicon,LOCOS)結構或淺溝槽絕緣(shallow trench isolation,STI)結構。
在其中一種較佳的實施型態中,該導通電流由該N型汲極依序流經該N型井區、該P型本體區、該N型接點區、該上源極、該P型接點區、該P型本體區、該P型高壓井區、該P型基板、及該下源極。
在其中一種較佳的實施型態中,該上源極包括一金屬層或一矽化金屬層。
在其中一種較佳的實施型態中,該下源極包括一金屬層或一矽化金屬層。
底下藉由具體實施例詳加說明,當更容易瞭解本發明之目的、技術內容、特點及其所達成之功效。
100,200,300‧‧‧LDMOS元件
101,201‧‧‧P型基板
102‧‧‧漂移區
103,203,303‧‧‧隔絕氧化區
103a,203a‧‧‧操作區
104,204‧‧‧漂移氧化區
106,206‧‧‧P型本體區
108‧‧‧源極
110,210‧‧‧汲極
111,211‧‧‧閘極
201a‧‧‧上表面
201b‧‧‧下表面
202‧‧‧磊晶層
202a‧‧‧磊晶層表面
205‧‧‧P型高壓井區
206a‧‧‧尖峰濃度區
207‧‧‧N型井區
208‧‧‧N型接點區
209‧‧‧P型接點區
213‧‧‧下源極
214‧‧‧上源極
第1圖顯示一種習知LDMOS元件100。
第2圖顯示本發明的第一個實施例。
第3A-3I圖顯示本發明的第二個實施例。
第4圖顯示本發明的第三個實施例。
本發明中的圖式均屬示意,主要意在表示製程步驟以及各層之間之上下次序關係,至於形狀、厚度與寬度則並未依照比例繪製。
第2圖顯示本發明的第一個實施例,顯示根據本發明之橫向雙擴散金屬氧化物半導體(Lateral Double Diffused Metal Oxide Semiconductor,LDMOS)元件200的剖視示意圖。如第2圖所示,LDMOS元件200,包含:P型基板201、磊晶層202、隔絕氧化區203、漂移氧化區204、P型高壓井區205、P型本體區206、N型井區207、N型接點區208、P型接點區209、N型汲極210、閘極211、下源極213、以及上源極214。
其中,P型基板201於高度方向上(如圖中粗黑虛線箭號所示的方向),具有相對之上表面201a與下表面201b。磊晶層202形成於P型基板201上,且於高度方向上,堆疊並連接於上表面201a上,具有相對上表面201a之磊晶層表面202a。P型高壓井區205形成於磊晶層202中,且於高度方向上,堆疊並連接於P型基板201之上表面201a上。
P型本體區206形成於磊晶層202中之P型高壓井區205上,且於高度方向上,堆疊並連接於P型高壓井區205與磊晶層表面202a之間,其中,P型本體
區206具有尖峰濃度區206a,其於高度方向上,堆疊並連接於磊晶層表面202a下,並具有P型本體區206中最高之P型雜質濃度。N型井區207形成於磊晶層202中,於高度方向上,堆疊並連接於磊晶層表面202a下,且於橫向上(如圖中粗黑實線箭號所示的方向)鄰接於P型本體區206。隔絕氧化區203形成於磊晶層202上,以定義操作區;其中,操作區指的是LDMOS 200元件於正常操作(即導通與不導通操作)時,電流、帶電粒子受電壓、電場影響而形成或/及移動的範圍,此為本領域中具有通常知識者所熟知,在此不予贅述。漂移氧化區204形成於磊晶層202上之操作區中,且於高度方向上,漂移氧化區204堆疊並連接於N型井區207。閘極211形成於磊晶層202上,且閘極211位於操作區中,並覆蓋至少部分漂移氧化區204,且於高度方向上,閘極211堆疊並連接於磊晶層202並覆蓋部分N型井區207及部分P型本體區206。
N型接點區208形成於P型本體區206中,於高度方向上,堆疊並連接於磊晶層表面206a下。P型接點區209形成於P型本體區206中,於高度方向上,堆疊並連接於磊晶層表面206a下,且於橫向上與N型接點區208鄰接。上源極214形成於磊晶層202上,且於高度方向上,堆疊並連接於N型接點區208及P型接點區209。下源極213形成於P型基板201之下表面201b下,且於高度方向上,堆疊並連接於下表面201b下。N型汲極210形成於N型井區207中,於高度方向上,堆疊並連接於磊晶層表面206a下,且N型汲極210介於漂移氧化區204與隔絕氧化區203之間。其中,P型本體區206中之P型雜質濃度,足以抑制由N型接點區208、P型本體區206、與N型井區207所形成的橫向寄生電晶體導通,尤其因為P型雜質濃度較高的尖峰濃度區206a,使得抑制橫向寄生電晶體導通的效果更佳。其中,於正常操作中,導通電流由N型汲極210流經下源極213,如第3I圖中粗黑實線箭號所示意。
第3A-3I圖顯示本發明的第二個實施例。第3A-3I圖顯示根據本發明之橫向雙擴散金屬氧化物半導體(Lateral Double Diffused Metal Oxide Semiconductor,LDMOS)元件200製造方法的剖視示意圖。首先,如第3A圖所示,提供P型基板201,其中,P型基板201例如但不限於為P型矽基板,亦可以為其他半導體基板。P型基板201於高度方向上(如圖中粗黑虛線箭號所示的方向),具有相對之上表面201a與下表面201b。接著如第3B圖所示,形成磊晶層202於P型基板201上,且於高度方向上,具有相對上表面201a之磊晶層表面202a,磊晶層202堆疊並連接於上表面201a上。磊晶層202例如但不限於為P型磊晶層,形成於P型基板201上。
接下來,如第3C圖所示,形成P型高壓井區205於磊晶層202中,且於高度方向上,堆疊並連接於P型基板201之上表面201a上。形成P型高壓井區205的方法,例如但不限於以微影製程、離子植入製程、與熱製程形成(未示出),此為本領域中具有通常知識者所熟知,在此不予贅述。接下來,如第3D圖所示,形成P型本體區206於磊晶層202中之P型高壓井區205上,且於高度方向上,堆疊並連接於P型高壓井區205與磊晶層表面202a之間,其中,P型本體區206具有尖峰濃度區206a,其於高度方向上,堆疊並連接於磊晶層表面202a下,並具有P型本體區206中最高之P型雜質濃度。形成包含尖峰濃度區206a之P型本體區206的方法,即是利用微影製程、離子植入製程、與熱製程,將最高之P型雜質濃度形成於鄰接磊晶層表面202a下的磊晶層202中,利用調整離子植入製程的加速電壓,即可形成尖峰濃度區206a。
接下來,如第3E圖所示,形成N型井區207於磊晶層202中,於高度方向上,堆疊並連接於磊晶層表面202a下,且於橫向上(如圖中粗黑實線箭號所示的方向)鄰接於P型本體區206。接下來,如第3F圖所示,形成隔絕氧化區203於磊晶層202上,以定義操作區203a;同時或接著形成漂移氧化區204於磊晶層202
上之操作區203a中,且於高度方向上,漂移氧化區203堆疊並連接於N型井區204。其中,隔絕氧化區203與漂移氧化區204為如圖所示之區域氧化(local oxidation of silicon,LOCOS)結構或淺溝槽絕緣(shallow trench isolation,STI)結構。
接下來,如第3G圖所示,形成閘極211於磊晶層202上,且閘極211位於操作區203a中,並覆蓋至少部分漂移氧化區204,且於高度方向上,閘極211堆疊並連接於磊晶層202並覆蓋部分N型井區207及部分P型本體區206。接下來,如第3H圖所示,形成N型接點區208於P型本體區206中,於高度方向上,堆疊並連接於磊晶層表面202a下;形成P型接點區209於P型本體區206中,且於橫向上與N型接點區208鄰接;形成N型汲極210於N型井區207中,於高度方向上,堆疊並連接於磊晶層表面202a下,且N型汲極210介於漂移氧化區204與隔絕氧化區203之間。其中,N型接點區208與N型汲極210例如可以利用相同微影製程與離子植入製程形成。
接下來,如第3I圖所示,形成上源極214於磊晶層202上,且於高度方向上,堆疊並連接於N型接點區208及P型接點區209;以及形成下源極213於P型基板201之下表面201a下,且於高度方向上,堆疊並連接於下表面201a下。須說明的是,於LDMOS元件200正常操作中,導通電流例如由N型汲極210依序流經N型井區207、P型本體區206、N型接點區208、上源極214、P型接點區209、P型本體區206、P型高壓井區205、P型基板201、及下源極213。其中,上源極214與下源極213例如包括金屬層或矽化金屬層。其中,導通電流由N型井區207流至P型本體區206,較佳的是P型本體區206中的尖峰濃度區206a,此路徑是指因施加正電壓於閘極211,而於P型本體區206與閘極211接面處形成通道(channel),因此導通操作時,導通電流由N型井區207流至P型本體區206,此為本領域中具有通常知識者所熟知,在此不予贅述。
第4圖顯示本發明的第三個實施例。本實施例顯示根據本發明之LDMOS元件300的剖視示意圖。本實施例旨在說明根據本發明,形成隔絕氧化區303的方式,並不限於如第一個實施例所示。本實施例與第一個實施例不同之處在於,如第4圖所示,隔絕氧化區303為淺溝槽絕緣(shallow trench isolation,STI)結構而非如第一個實施例中,隔絕氧化區203為區域氧化(local oxidation of silicon,LOCOS)結構。其他的製程與第一個實施例相同,形成如第4圖所示的LDMOS元件300。當然,根據本發明,漂移氧化區204亦不限於為LOCOS結構,而可以為STI結構。
需說明的是,本發明在許多特徵上,與先前技術不同,包括正常操作中,根據本發明之LDMOS元件200,在導通操作時,其串聯的阻值包括從上源極214電連接至下源極213的串接路徑,可以相對較低。其中,部分P型本體區206於高度方向上,位於N型接點區208與P型接點區209下方,且尖峰濃度區206a不位於N型接點區208與P型接點區209下方,且尖峰濃度區206a於橫向上與N型接點區208鄰接,以更有效抑制寄生NPN電晶體。此外,根據本發明之LDMOS元件200,其下源極213位於下表面201b下,可使本發明之LDMOS元件200位於下表面201b下再串接另一個功率元件,比如另一功率元件的汲極,可以改善散熱的效率。
以上已針對較佳實施例來說明本發明,唯以上所述者,僅係為使熟悉本技術者易於了解本發明的內容而已,並非用來限定本發明之權利範圍。在本發明之相同精神下,熟悉本技術者可以思及各種等效變化。例如,在不影響元件主要的特性下,可加入其他製程步驟或結構,如臨界電壓調整區等;再如,微影技術並不限於光罩技術,亦可包含電子束微影技術;再如,導電型P型與N型可以互換,只需要其他區域亦作相應的互換極可。本發明的範圍應涵蓋上述及其他所有等效變化。
200‧‧‧LDMOS元件
201‧‧‧P型基板
201a‧‧‧上表面
201b‧‧‧下表面
202‧‧‧磊晶層
202a‧‧‧磊晶層表面
203‧‧‧隔絕氧化區
203a‧‧‧操作區
204‧‧‧漂移氧化區
205‧‧‧P型高壓井區
206‧‧‧本體區
206a‧‧‧尖峰濃度區
207‧‧‧N型井區
208‧‧‧N型接點區
209‧‧‧P型接點區
210‧‧‧汲極
211‧‧‧閘極
213‧‧‧下源極
214‧‧‧上源極
Claims (10)
- 一種橫向雙擴散金屬氧化物半導體(Lateral Double Diffused Metal Oxide Semiconductor, LDMOS)元件,包含: 一P型基板,於一高度方向上,具有相對之一上表面與一下表面; 一磊晶層,形成於該P型基板上,於該高度方向上,具有相對該上表面之一磊晶層表面,且該磊晶層堆疊並連接於該上表面上; 一P型高壓井區,形成於該磊晶層中,且於該高度方向上,堆疊並連接於該P型基板之該上表面上; 一P型本體區,形成於該磊晶層中之該P型高壓井區上,且於該高度方向上,堆疊並連接於該P型高壓井區與該磊晶層表面之間,其中,該P型本體區具有一尖峰濃度區,其於該高度方向上,堆疊並連接於該磊晶層表面下,並具有該P型本體區中最高之P型雜質濃度; 一N型井區,形成於該磊晶層中,於該高度方向上,堆疊並連接於該磊晶層表面下,且於一橫向上鄰接於該P型本體區; 一隔絕氧化區,形成於該磊晶層上,以定義一操作區; 一漂移氧化區,形成於該磊晶層上之該操作區中,且於該高度方向上,該漂移氧化區堆疊並連接於該N型井區; 一閘極,形成於該磊晶層上,且該閘極位於該操作區中,並覆蓋至少部分該漂移氧化區,且於該高度方向上,該閘極堆疊並連接於該磊晶層並覆蓋部分該N型井區及部分該P型本體區; 一N型接點區,形成於該P型本體區中,於該高度方向上,堆疊並連接於該磊晶層表面下; 一P型接點區,形成於該P型本體區中,於該高度方向上,堆疊並連接於該磊晶層表面下,且於該橫向上與該N型接點區鄰接; 一上源極,形成於該磊晶層上,且於該高度方向上,堆疊並連接於該N型接點區及該P型接點區; 一下源極,形成於該P型基板之該下表面下,且於該高度方向上,堆疊並連接於該下表面下;以及 一N型汲極,形成於該N型井區中,於該高度方向上,堆疊並連接於該磊晶層表面下,且該N型汲極介於該漂移氧化區與該隔絕氧化區之間; 其中,該P型本體區中之P型雜質濃度,足以抑制一橫向寄生電晶體導通; 其中,部分該P型本體區於該高度方向上,位於該N型接點區與該P型接點區下方,且該尖峰濃度區不位於該N型接點區與該P型接點區下方,且該尖峰濃度區於該橫向上與該N型接點區鄰接; 其中,於一正常操作中,一導通電流由該N型汲極流經該下源極。
- 如申請專利範圍第1項所述之橫向雙擴散金屬氧化物半導體元件,其中該隔絕氧化區與該漂移氧化區為區域氧化(local oxidation of silicon, LOCOS)結構或淺溝槽絕緣(shallow trench isolation, STI)結構。
- 如申請專利範圍第1項所述之橫向雙擴散金屬氧化物半導體元件,其中該導通電流由該N型汲極依序流經該N型井區、該P型本體區、該N型接點區、該上源極、該P型接點區、該P型本體區、該P型高壓井區、該P型基板、及該下源極。
- 如申請專利範圍第1項所述之橫向雙擴散金屬氧化物半導體元件,其中該上源極包括一金屬層或一矽化金屬層。
- 如申請專利範圍第1項所述之橫向雙擴散金屬氧化物半導體元件,其中該下源極包括一金屬層或一矽化金屬層。
- 一種橫向雙擴散金屬氧化物半導體(Lateral Double Diffused Metal Oxide Semiconductor, LDMOS)元件製造方法,包含: 提供一P型基板,其於一高度方向上,具有相對之一上表面與一下表面; 形成一磊晶層於該P型基板上,且於該高度方向上,具有相對該上表面之一磊晶層表面,且該磊晶層堆疊並連接於該上表面上; 形成一P型高壓井區於該磊晶層中,且於該高度方向上,堆疊並連接於該P型基板之該上表面上; 形成一P型本體區於該磊晶層中之該P型高壓井區上,且於該高度方向上,堆疊並連接於該P型高壓井區與該磊晶層表面之間,其中,該P型本體區具有一尖峰濃度區,其於該高度方向上,堆疊並連接於該磊晶層表面下,並具有該P型本體區中最高之P型雜質濃度; 形成一N型井區於該磊晶層中,於該高度方向上,堆疊並連接於該磊晶層表面下,且於一橫向上鄰接於該P型本體區; 形成一隔絕氧化區於該磊晶層上,以定義一操作區; 形成一漂移氧化區於該磊晶層上之該操作區中,且於該高度方向上,該漂移氧化區堆疊並連接於該N型井區; 形成一閘極於該磊晶層上,且該閘極位於該操作區中,並覆蓋至少部分該漂移氧化區,且於該高度方向上,該閘極堆疊並連接於該磊晶層並覆蓋部分該N型井區及部分該P型本體區; 形成一N型接點區於該P型本體區中,於該高度方向上,堆疊並連接於該磊晶層表面下; 形成一P型接點區於該P型本體區中,於該高度方向上,堆疊並連接於該磊晶層表面下,且於該橫向上與該N型接點區鄰接; 形成一N型汲極於該N型井區中,於該高度方向上,堆疊並連接於該磊晶層表面下,且該N型汲極介於該漂移氧化區與該隔絕氧化區之間; 形成一上源極於該磊晶層上,且於該高度方向上,堆疊並連接於該N型接點區及該P型接點區;以及 形成一下源極於該P型基板之該下表面下,且於該高度方向上,堆疊並連接於該下表面下; 其中,該P型本體區中之P型雜質濃度,足以抑制一橫向寄生電晶體導通; 其中,部分該P型本體區於該高度方向上,位於該N型接點區與該P型接點區下方,且該尖峰濃度區不位於該N型接點區與該P型接點區下方,且該尖峰濃度區於該橫向上與該N型接點區鄰接; 其中,於一正常操作中,一導通電流由該N型汲極流經該下源極。
- 如申請專利範圍第6項所述之橫向雙擴散金屬氧化物半導體元件製造方法,其中該隔絕氧化區與該漂移氧化區為區域氧化(local oxidation of silicon, LOCOS)結構或淺溝槽絕緣(shallow trench isolation, STI)結構。
- 如申請專利範圍第6項所述之橫向雙擴散金屬氧化物半導體元件製造方法,其中該導通電流由該N型汲極依序流經該N型井區、該P型本體區、該N型接點區、該上源極、該P型接點區、該P型本體區、該P型高壓井區、該P型基板、及該下源極。
- 如申請專利範圍第6項所述之橫向雙擴散金屬氧化物半導體元件製造方法,其中該上源極包括一金屬層或一矽化金屬層。
- 如申請專利範圍第6項所述之橫向雙擴散金屬氧化物半導體元件製造方法,其中該下源極包括一金屬層或一矽化金屬層。
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