[发明专利]沟渠式金氧半导体结构及其制作方法

说明书

技术领域

本发明关于一种新颖具有保护环(guard ring)的沟渠式金属氧化物半导体(trench MOS)，以及其制造方法，特别是关于一种能够解决沟渠区域会发生低崩溃电压问题的沟渠式金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)结构以及其制造方法。

背景技术

在沟渠式金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)或是垂直晶体管结构中，晶体管的栅极是形成在基材上方的沟渠中，而源极/漏极区域则一起形成在栅极的两侧。这种类型的垂直晶体管可以允许高电流量通过，而沟道则可以在低电压下被打开/关闭。

然而，这样的结构已知在沟渠的底部会发生低崩溃电压(low breakdown voltage)。当漏极和栅极/源极之间的反向偏压(reverse bias)增加时，雪崩现象(avalanche)将首先出现在沟渠式接触栅极的沟渠底部。

上述问题的一个可行解决办法是，建构一个掺杂区域，称为保护环。如此沟渠式金属氧化物半导体器件将会被不同掺杂区域的原生偏压所保护。另一种方法是，建构一个厚的场氧化层和N+外延区域来作为保护环。在一方面，此等保护环的保护是不够的。在另一方面，形成厚的场氧化物需要额外的步骤。

发明内容

本发明在第一方面提出了一种沟渠式金属氧化物半导体新的结构，在高偏压的存在下增加沟渠式金属氧化物半导体结构的崩溃电压。沟渠式金属氧化物半导体的新结构有一个新颖的保护环，其环绕沟渠式栅极来增加崩溃电压。

本发明的沟渠式金属氧化物半导体结构，包含基材、外延层、沟渠、栅极绝缘结构、沟渠式栅极、源极、漏极、保护环与位于保护环中的强化结构。基材具有第一导电类型、第一面、以及与第一面相对的第二面。外延层具有第一导电类型，并位于第一面上。沟渠位于外延层中。栅极绝缘结构覆盖沟渠的内壁。沟渠式栅极位于沟渠中，具有第一导电类型与第一深度。源极具有第一导电类型、位于外延层中，并邻近沟渠式栅极。保护环具有第二导电类型、位于外延层中，并邻近源极。强化结构位于保护环之中、具有第二深度与电绝缘材料。漏极位于第二面上。

在本发明的一实施例中，栅极绝缘结构与电绝缘材料包含一种氧化物。

在本发明的另一实施例中，第二深度大于第一深度。

在本发明的另一实施例中，强化结构包含强化沟渠、强化绝缘结构与强化材料。强化沟渠位于外延层中，强化绝缘结构包含电绝缘材料，并覆盖强化沟渠的内壁。强化材料则填入强化沟渠中。

在本发明的另一实施例中，沟渠式栅极亦具有强化材料。

在本发明的一个实施例，强化材料是空气。

本发明在第二方面另外提出了一种形成沟渠式金氧半导体结构的方法。本方法特别是还能与目前制造沟渠式金属氧化物半导体结构的工艺兼容。首先，提供基材和外延层。基材具有第一导电类型，第一面、以及与第一面相对的第二面。外延层具有第一导电类型，并位于第一面上。其次，进行注入步骤，而形成位于外延层中、具有第二导电类型的至少一区域，而形成一保护环。然后，进行刻蚀步骤，而形成具有第一深度的栅极沟渠，与具有第二深度的强化结构，而栅极沟渠及强化结构均位于外延层中。接下来，进行氧化步骤，而形成栅极绝缘结构，以覆盖栅极沟渠的内壁，并形成强化绝缘结构，而覆盖强化沟渠的内壁。然后，以第一导电类型的材料填入栅极沟渠及强化沟渠之中，使得强化沟渠成为位于保护环中的强化结构。

在本发明的一个实施例中，在注入步骤之前进行刻蚀步骤。

在本发明的另一实施例中，在注入步骤之后进行刻蚀步骤。

在本发明的另一实施例中，栅极沟渠的开口大于强化沟渠的开口。

在本发明的另一实施例中，第二深度大于第一深度。

在本发明的另一实施例中，材料完全填满栅极沟渠及强化沟渠。

在本发明的另一实施例中，材料会密封强化沟渠而形成气隙。

附图说明

图1-4所示为形成本发明沟渠式金属氧化物半导体结构与强化结构的方法。

图5A/图5B各别表示本发明沟渠式金属氧化物半导体结构。

其中，附图标记说明如下：

101基材              130栅极沟渠

102第一面            131栅极绝缘结构

103第二面            132内壁

104第一开口          133栅极导体

105第二开口          135沟渠式栅极

106源极              140强化沟渠