專利名稱：金屬源極功率晶體管及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般地涉及半導(dǎo)體功率晶體管領(lǐng)域，尤其涉及包括金屬源極、并且不需要體接觸就能減輕/減少寄生雙極作用的金屬氧化物半導(dǎo)體(MOS)功率晶體管以及絕緣柵雙極晶體管(IGBT)。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)的功率晶體管是用于在電子裝置和電路中調(diào)節(jié)和控制電壓及電流的半導(dǎo)體器件。傳統(tǒng)功率晶體管的兩個例子是平面功率MOS晶體管和垂直溝槽IGBT。圖1顯示了傳統(tǒng)的平面功率晶體管100的截面圖。
參見圖1，傳統(tǒng)的平面功率MOS晶體管100包括一高導(dǎo)電性的襯底101，該襯底用作晶體管的漏極。一適度摻雜的漂移層102設(shè)置于導(dǎo)電襯底101之上。適度摻雜的體區(qū)域103位于漂移層102中，高摻雜的源極區(qū)域104位于體區(qū)域103之內(nèi)。一包括柵極絕緣層106和柵電極105的柵疊層位于體區(qū)域103和漂移層102之上。高摻雜的體接觸區(qū)域108被設(shè)置成與體接觸電極109歐姆接觸。對于傳統(tǒng)的平面功率MOS晶體管100，傳導(dǎo)發(fā)生在恰在柵電極105之下的體區(qū)域103中產(chǎn)生的一反型層中從源極區(qū)域104到漂移層102的橫向路徑中。電流的調(diào)制通過調(diào)整施加至柵電極105的電壓來實現(xiàn)。
在傳統(tǒng)的功率晶體管中出現(xiàn)的一個有害效應(yīng)是寄生雙極作用。在功率晶體管中的不良寄生雙極作用是p+-n或n+-p結(jié)中眾所周知的雙極增益現(xiàn)象的直接結(jié)果。參見圖1，為了清楚起見，顯示了不良寄生雙極晶體管112。對于差異顯著(大于一個數(shù)量級)的各相反摻雜濃度，在結(jié)的輕摻雜側(cè)上的多數(shù)載流子電流將引起在結(jié)的較重摻雜側(cè)上的基本更大的多數(shù)載流子電流。這種電流增益是在傳統(tǒng)的p-n結(jié)中起作用的漂移-擴散電荷遷移機制的結(jié)果。
在傳統(tǒng)的功率晶體管中，通過保證對體電極或體接觸的電勢的適當(dāng)控制減輕寄生雙極作用。穩(wěn)定的體電勢防止具有很大雙極增益的體-源p-n結(jié)正向偏置。由此避免了回跳(snap-back)效應(yīng)和/或閉鎖(latch-up)效應(yīng)。與此形成對比，金屬源極功率器件具有可以忽略的雙極增益，并因此沒有引起這些有害效應(yīng)的危險。
這種體接觸盡管減輕了寄生雙極作用的效應(yīng)，卻導(dǎo)致了增加每個管芯的成本的不良后果。需要附加的處理步驟來制作頂部體接觸、并還因為由頂部體接觸所消耗的硅面積導(dǎo)致管芯尺寸增大，這些導(dǎo)致了上述的成本增加。
在工業(yè)中需要提供一種功率晶體管，它不需要因以處理和設(shè)計復(fù)雜性以及管芯尺寸為代價來提供體接觸而導(dǎo)致的增加的處理步驟、增大的處理和設(shè)計復(fù)雜性、以及增大的芯片尺寸而能無條件免受寄生雙極作用影響，并因此與其它功率晶體管技術(shù)相比，提供了性能、可制造性和成本上的優(yōu)勢。

發(fā)明內(nèi)容
在一個方面，本發(fā)明提供了一種不需要體接觸而能無條件免受寄生雙極作用影響的功率晶體管。
在另一方面，本發(fā)明提供一種金屬源極功率晶體管，它包括形成第一導(dǎo)電性類型的漏極層的半導(dǎo)體襯底；設(shè)置于所述漏極層上的相似的第一導(dǎo)電性類型的漂移層；設(shè)置于所述漂移層中的第二導(dǎo)電性類型的體區(qū)域；設(shè)置于所述體區(qū)域中的源極區(qū)域，其中所述源極區(qū)域由金屬形成，并且與所述體區(qū)域形成肖特基接觸；以及設(shè)置于所述體區(qū)域和所述漂移層上的柵電極。
在又一方面，本發(fā)明提供一種金屬源極功率晶體管，它包括形成第一導(dǎo)電性類型的發(fā)射極層的半導(dǎo)體襯底；設(shè)置于所述發(fā)射極層上的第二導(dǎo)電性類型的漏極層；設(shè)置于所述漏極層上的相似的第二導(dǎo)電性類型的漂移層；設(shè)置于所述漂移層中的第一導(dǎo)電性類型的體區(qū)域；設(shè)置于所述體區(qū)域中的源極區(qū)域，其中所述源極區(qū)域由金屬形成，并且與所述體區(qū)域形成肖特基接觸；以及設(shè)置于所述體區(qū)域和所述漂移區(qū)域上的柵電極。
盡管公開了多個實施例，但是對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來說，一旦閱讀了下面示出和描述了本發(fā)明的說明性實施例的詳細說明，本發(fā)明其它的實施例也將變得顯而易見。應(yīng)該認識到，本發(fā)明能夠在多個顯而易見的方面作出修改，而所有這些都不脫離本發(fā)明的精神和范圍。因此，附圖和詳細說明在本質(zhì)上將被認為是說明性的而不是限制性的。


圖1示出了一傳統(tǒng)的N型平面功率MOS晶體管的截面圖；圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的原理的N型平面金屬源極功率MOS晶體管的一示例性實施例的截面圖；圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的原理的N型平面金屬源極IGBT的一示例性實施例的截面圖；圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的原理的N型垂直溝槽金屬源極功率MOS晶體管的一示例性實施例的截面圖；圖5示出了顯示了根據(jù)本發(fā)明的原理的N型垂直溝槽金屬源極IGBT的一示例性實施例的截面圖；圖6示出了一平面金屬源極功率晶體管的金屬源極、體區(qū)域、以及介于金屬源極和體區(qū)域之間的薄界面層的放大截面圖；以及圖7顯示了一垂直溝槽金屬源極功率晶體管的金屬源極、體區(qū)域、以及介于金屬源極和體區(qū)域之間的薄界面層的放大截面圖。
具體實施例方式
總的來說，本發(fā)明提供一種金屬源極功率晶體管。在一個實施例中，金屬源極功率晶體管通常包括包含第一導(dǎo)電性類型的高摻雜漏極層的半導(dǎo)體襯底、第一導(dǎo)電性類型的適度摻雜的漂移層、第二導(dǎo)電性類型的適度摻雜的體區(qū)域、金屬源極區(qū)域、以及在半導(dǎo)體襯底上的柵電極。金屬源極和漂移區(qū)域界定出具有一定溝道長度的溝道區(qū)域。金屬源極對體區(qū)域和溝道形成肖特基勢壘。與圖1所示的現(xiàn)有技術(shù)形成對比的是，本發(fā)明的金屬源極功率晶體管并不包括體接觸。再次參見圖1，體接觸包括高摻雜的歐姆接觸區(qū)域108和體接觸電極109兩者。
根據(jù)本發(fā)明的原理的一種金屬源極功率晶體管基本消除了寄生雙極作用，從而使得能夠無條件地免受閉鎖、回跳效應(yīng)、以及其它與寄生雙極作用有關(guān)的有害效應(yīng)影響，并且因此允許體漂移，從而免除了包括體接觸的需要。無論電壓、摻雜分布、或器件布局如何，這種對于寄生雙極作用的無條件免受性均存在。并且，本發(fā)明的金屬源極功率晶體管易于制造，它至少減少了用于形成源極和體接觸的兩個掩模，這對于五到六個掩模的制造工藝來說，大致減少了35％。同樣，由于沒有頂部體接觸，所以允許更緊湊的布局，從而節(jié)省了大約25％的面積。
與現(xiàn)有技術(shù)形成對比的是，本發(fā)明的金屬源極功率晶體管并不需要高導(dǎo)電性的路徑來與體區(qū)域歐姆接觸。
本發(fā)明的一個示例性實施例是金屬源極IGBT器件。應(yīng)該意識到，盡管在金屬源極IGBT器件中無條件地消除了寄生雙極作用，但是在正常工作期間，對于該器件的工作而言核心的雙極作用不受金屬源極的影響，因此照常工作。例如，在金屬源極N型IGBT中，無條件地消除了不良寄生雙極NPN晶體管，但是正常的器件工作所必需的主雙極PNP晶體管仍然存在，并且其基本不受影響。類似地，對于金屬源極P型IGBT，無條件地消除了不良寄生PNP晶體管，但是正常的器件工作所必需的主雙極NPN晶體管仍然存在，并且其基本不受影響。參見圖3和5，示出了正常的器件工作所必需的并且基本不受金屬源極影響的主雙極晶體管312、512。
金屬源極IGBT的另一優(yōu)點是漂移體區(qū)域?qū)⒃试S經(jīng)由體效應(yīng)產(chǎn)生MOS動態(tài)閾值電壓漂移。例如，對于N型金屬源極IGBT，由PNP雙極注入的空穴將充滿體區(qū)域，并提高其電勢，從而降低N型MOS器件的閾值電壓。然后，這種閾值電壓的降低將更多的電子注入PNP的基極，這引起更多的空穴充滿體區(qū)域。然而，這種正反饋是自限的，從而始終可保持通過柵電極對器件的控制。
金屬源極IGBT的又一優(yōu)點是，可在N型金屬源極IGBT的PNP雙極上、以及在P型金屬源極IGBT的NPN雙極上使用肖特基接觸作為縮短開關(guān)時間的手段。
本發(fā)明的又一示例性實施例是金屬源極功率MOS晶體管。對于金屬源極功率MOS晶體管，在沒有與體區(qū)域歐姆接觸的情形中，不存在到體-漏二極管的直接通路，且因此對于某些應(yīng)用可能需要一外部保護二極管。
本發(fā)明的金屬源極功率MOS晶體管的另一優(yōu)點是，通過允許體漂移，可使體區(qū)域適當(dāng)偏置，從而利用由于體效應(yīng)導(dǎo)致的MOS動態(tài)閾值漂移，這會導(dǎo)致增大驅(qū)動電流以及減小“導(dǎo)通(ON)”狀態(tài)阻抗。并且，金屬源極功率MOS晶體管的漂移區(qū)域可設(shè)置和構(gòu)造成，利用通過碰撞電離導(dǎo)致的電流倍增，而不會有任何導(dǎo)通寄生雙極晶體管的危險。
貫穿此討論，將提供一些涉及在其上形成金屬源極功率晶體管的半導(dǎo)體襯底的例子。本發(fā)明并不將半導(dǎo)體襯底限制于任何特定類型。本領(lǐng)域技術(shù)人員將容易地意識到，許多半導(dǎo)體襯底可用于金屬源極功率晶體管，例如硅、鍺化硅(silicongermanium)、砷化鎵、磷化銦、碳化硅、氮化鎵、應(yīng)變半導(dǎo)體襯底、以及絕緣體上硅(SOI)?？墒褂眠@些襯底材料以及任何其它的半導(dǎo)體襯底，它們都在本發(fā)明示教的范圍內(nèi)。
貫穿此討論，將提供一些涉及與晶體管制作有關(guān)的肖特基和類肖特基勢壘和接觸的例子。對于可用于實現(xiàn)本發(fā)明的示教的肖特基界面的類型，本發(fā)明并不認為有任何限制。因此，本發(fā)明尤其預(yù)期這些類型的接觸將以任何形式的導(dǎo)電材料或合金來制造。
此外，盡管傳統(tǒng)的肖特基接觸是突變的，但是本發(fā)明尤其預(yù)期在一些情況下，可在硅襯底和金屬之間采用一界面層。這些界面層可以是超薄的，例如具有大致10nm或以下的厚度。因此，本發(fā)明尤其預(yù)期類肖特基接觸及其等效物在實施本發(fā)明時是有用的。此外，界面層可包括具有導(dǎo)電性、半導(dǎo)電性、和/或類絕緣體性質(zhì)的材料。例如，可使用氧化物或氮化物絕緣體的超薄界面層，或者可使用由摻雜物分離技術(shù)形成的超薄摻雜物層，或者可使用諸如鍺的半導(dǎo)體的超薄界面層，來形成類肖特基接觸等。
盡管在此描述的本發(fā)明的示例性實施例包括N型金屬源極功率MOS器件和N型金屬源極IGBT器件，但是通過替換相反極性類型的雜質(zhì)作摻雜物并且使用適當(dāng)?shù)慕饘僭礃O材料，可實現(xiàn)P型金屬源極功率MOS器件和P型金屬源極IGBT器件。
平面金屬源極功率晶體管圖2示出了本發(fā)明的一示例性實施例的截面圖，該實施例由一平面N型金屬源極功率MOS晶體管200來例示。該實施例包括由N+漏極201構(gòu)成的襯底、以及在N+漏極201上外延生長的N型漂移層202。P型體區(qū)域203位于N型漂移層202中，而金屬源極區(qū)域204位于P型體區(qū)域203中。P型體區(qū)域203可通過摻雜物擴散或注入到N型漂移層202中來提供。對于平面N型金屬源極功率MOS晶體管200，金屬源極區(qū)域204可由對電子形成低肖特基勢壘的材料形成，該材料選自諸如硅化鉺、硅化鏑、或硅化鐿等稀土硅化物或其組合。對于平面P型金屬源極功率MOS晶體管，金屬源極區(qū)域可由對空穴形成低肖特基勢壘的材料制成，該材料選自硅化鉑、硅化鈀、硅化銥和/或其合金中的任意一種或組合。
一溝道區(qū)域211橫向地位于金屬源極區(qū)域204和N型漂移層202之間。溝道區(qū)域211是導(dǎo)通態(tài)載流區(qū)域，其中，諸如空穴和電子的移動電荷載流子從金屬源極區(qū)域204流動至N型漂移層202。一絕緣層206位于溝道區(qū)域211和N型漂移層202之上。絕緣層206由諸如二氧化硅之類的材料構(gòu)成。一柵電極205位于絕緣層206之上，且有一薄絕緣隔離側(cè)壁207圍繞該柵電極205。柵電極205可摻雜多晶硅，其中，硼和磷摻雜物分別用于P型和N型金屬源極功率MOS柵電極。柵電極205也可由一種或多種金屬構(gòu)成。
參見圖2，金屬源極區(qū)域204部分或全部由金屬構(gòu)成。因為金屬源極區(qū)域204部分由金屬構(gòu)成，所以它們與P型體區(qū)域203和溝道區(qū)域211形成肖特基或類肖特基接觸212。肖特基接觸形成于金屬和半導(dǎo)體之間的界面上，而類肖特基接觸由金屬和半導(dǎo)體的緊鄰來形成，其中例如，金屬和半導(dǎo)體分開大約0.1-10nm。肖特基接觸或類肖特基接觸或結(jié)212可通過由金屬硅化物形成金屬源極區(qū)域204來提供。肖特基或類肖特基接觸或結(jié)212也可通過在金屬源極區(qū)域204和P型體區(qū)域203之間插入薄界面層來形成。圖6示出了平面金屬源極功率晶體管的金屬源極區(qū)域604、體區(qū)域603和介于金屬源極區(qū)域604與體區(qū)域603之間的薄界面層613的放大截面圖。在另一示例性實施例中，金屬源極區(qū)域204還可由分層堆疊的金屬構(gòu)成，其中，第一金屬被設(shè)置成與P型體區(qū)域203相接觸，而另外的各個金屬可用于遮蓋或覆蓋第一金屬的頂面。
圖3示出了本發(fā)明的另一示例性實施例的截面圖，該實施例由一平面N型金屬源極IGBT 300來例示。該實施例包括由P+發(fā)射極310構(gòu)成的襯底、在P+發(fā)射極上外延生長的N+緩沖層301、以及在N+緩沖層301上外延生長的N型漂移層302。P型體區(qū)域303位于N型漂移層302中，而金屬源極區(qū)域304位于P型體區(qū)域303中。P型體區(qū)域303可通過摻雜物擴散或注入到N型漂移層302中來提供。對于平面N型金屬源極IGBT 300，金屬源極區(qū)域304可由對電子形成低肖特基勢壘的材料來構(gòu)成，該材料選自諸如硅化鉺、硅化鏑、或硅化鐿等稀土硅化物或其組合。對于平面P型金屬源極功率IGBT，金屬源極區(qū)域可由對空穴形成低肖特基勢壘的材料制成，該材料選自硅化鉑、硅化鈀、硅化銥和/或其合金中的任意一種或組合。
一溝道區(qū)域311橫向地位于金屬源極區(qū)域304和N型漂移層302之間。溝道區(qū)域311是導(dǎo)通態(tài)載流區(qū)域，其中，諸如空穴和電子的移動電荷載流子從金屬源極區(qū)域304流動至N型漂移層302。一絕緣層306位于溝道區(qū)域311和N型漂移層302之上。絕緣層306由諸如二氧化硅之類的材料構(gòu)成。一柵電極305位于絕緣層306之上，并且一薄絕緣隔離側(cè)壁307圍繞柵電極305。柵電極305可摻雜多晶硅，其中，硼和磷摻雜物分別用于P型和N型金屬源極IGBT柵電極。柵電極305也可由一種或多種金屬構(gòu)成。
再次參見圖3，金屬源極區(qū)域304部分或全部由金屬構(gòu)成。因為金屬源極區(qū)域304部分由金屬構(gòu)成，所以它們與P型體區(qū)域303和溝道區(qū)域311形成肖特基或類肖特基接觸312。肖特基接觸形成于金屬和半導(dǎo)體之間的界面上，而類肖特基接觸由金屬和半導(dǎo)體的緊鄰來形成，其中例如，金屬和半導(dǎo)體分開大致0.1-10nm。肖特基接觸或類肖特基接觸或結(jié)312可通過由金屬硅化物形成金屬源極區(qū)域304來提供。肖特基或類肖特基接觸或結(jié)312也可通過在金屬源極區(qū)域304和P型體區(qū)域303之間插入薄界面層來形成。圖6示出了平面金屬源極功率晶體管的金屬源極區(qū)域604、體區(qū)域603和介于金屬源極區(qū)域604與體區(qū)域603之間的薄界面層61 3的放大截面圖。在另一示例性實施例中，金屬源極區(qū)域304還可由分層堆疊的金屬構(gòu)成，其中，第一金屬被設(shè)置成與P型體區(qū)域303相接觸，而另外的各個金屬可用于遮蓋或覆蓋第一金屬的頂面。
平面金屬源極功率晶體管的工藝/方法下面參照圖2和3來描述平面金屬源極功率晶體管的一個示例性制造工藝，用于分別制造金屬源極功率MOS晶體管和金屬源極IGBT。
首先，基于所制造的器件的類型來選擇適當(dāng)?shù)钠鹗疾牧稀τ贜型平面金屬源極功率MOS晶體管200，將選擇一N+襯底201，且在該N+襯底201上外延生長有一N型漂移層202。對于N型平面金屬源極IGBT 300，將選擇P+襯底31 0，且在該P+發(fā)射極襯底310上外延生長有一N+緩沖層301，在該N+緩沖層301上外延生長有一N型漂移層302。
然后，一將用作柵氧化物206、306的絕緣層在N型漂移層202、302之上生長。柵氧化物生長后緊跟有一摻雜的硅膜。該膜摻雜磷以例如用于N型器件的磷和用于P型器件的硼來摻雜。使用光刻技術(shù)來圖案化柵電極205、305，使用對氧化物有高度選擇性的硅蝕刻來去除多余的摻雜硅膜。
接著，使用柵電極205、305作為注入掩模，通過將硼摻雜物注入N型漂移層202、302中來提供P型體區(qū)域203、303。
然后，在硅柵電極205、305的頂面和側(cè)壁上熱生長薄氧化物。然后，采用各向異性蝕刻來去除水平表面上的薄氧化物以露出硅，而在柵電極205、305上保留薄的側(cè)壁氧化物207、307。以這種方式，形成氧化物隔離側(cè)壁207、307，并且電激活在柵電極205、305和P型體區(qū)域203、303中的摻雜物。
下一個步驟包括，在所有的曝露表面上沉積一適當(dāng)?shù)慕饘佟?，用于N型器件的鉺和用于P型器件的鉑——以作為覆蓋膜。然后，在規(guī)定的溫度下對晶片退火規(guī)定的時間(例如45℃下45分鐘)，從而在金屬與硅直接接觸的所有位置，均發(fā)生將金屬轉(zhuǎn)化成金屬硅化物并形成金屬源極204、304的化學(xué)反應(yīng)。與非硅表面直接接觸的金屬不受影響。
然后，采用濕式化學(xué)蝕刻(例如，用于鉑的王水、用于鉺的硫酸和過氧化氫)來去除未反應(yīng)的金屬，而金屬硅化物不受影響。因此，現(xiàn)在完成了一個示例性的平面金屬源極功率晶體管，并且為標(biāo)準(zhǔn)的后道鍍金屬工藝準(zhǔn)備就緒。
應(yīng)該意識到，上述工藝是形成平面金屬源極功率晶體管的許多種可能方式中的一種，可采用適當(dāng)?shù)淖冃位蛱鎿Q方式，而不會脫離本發(fā)明的范圍。
垂直金屬源極功率晶體管圖4示出了本發(fā)明的另一示例性實施例的截面圖，該實施例由垂直溝槽N型金屬源極功率MOS晶體管400來例示。該實施例包括由N+漏極層401構(gòu)成的襯底、在N+漏極層401之上外延生長的N型漂移層402、以及在N型漂移層402上外延生長的P型體層403。設(shè)置了從P型體層403的表面延伸進入N型漂移層402的深溝槽。諸溝槽用絕緣層406劃界，并且填充了導(dǎo)電材料以形成柵電極405。絕緣層406由諸如二氧化硅的材料構(gòu)成。柵電極405可摻雜多晶硅，其中，硼和磷摻雜物分別用于P型和N型金屬源極功率MOS柵電極。柵電極405也可由一種或多種金屬構(gòu)成。柵電極405可以由相同的金屬或不同的金屬構(gòu)成。
金屬源極區(qū)域404位于P型體層403之上。對于垂直溝槽N型金屬源極功率MOS 400，金屬源極區(qū)域404可由對電子形成低肖特基勢壘的材料制成，該材料選自諸如硅化鉺、硅化鏑、或硅化鐿等稀土硅化物或其組合。對于垂直溝槽P型金屬源極功率MOS，金屬源極區(qū)域可由對空穴形成低肖特基勢壘的材料制成，該材料選自硅化鉑、硅化鈀、硅化銥和/或其合金中的任意一種或組合。
一溝道區(qū)域411垂直地位于金屬源極區(qū)域404與N型漂移層402之間。溝道區(qū)域411是導(dǎo)通態(tài)載流區(qū)域，其中，諸如空穴和電子的移動電荷載流子從金屬源極區(qū)域404流動至N型漂移層402。
再次參見圖4，金屬源極區(qū)域404部分或全部由金屬構(gòu)成。因為金屬源極區(qū)域404部分由金屬構(gòu)成，所以它們與P型體區(qū)域403和溝道區(qū)域411形成肖特基或類肖特基接觸412。肖特基接觸形成于金屬和半導(dǎo)體之間的界面上，而類肖特基接觸由金屬和半導(dǎo)體的緊鄰來形成，其中例如，金屬和半導(dǎo)體分開大約0.1-10nm。肖特基接觸或類肖特基接觸或結(jié)412可通過由金屬硅化物形成金屬源極區(qū)域404來提供。肖特基或類肖特基接觸或結(jié)412也可通過在金屬源極區(qū)域404與P型體區(qū)域403之間插入薄界面層來形成。圖7示出了垂直溝槽金屬源極功率晶體管的金屬源極區(qū)域704、體區(qū)域703、以及介于金屬源極區(qū)域704和體區(qū)域703之間的薄界面層713的放大截面圖。在另一示例性實施例中，金屬源極區(qū)域404還可由分層堆疊的金屬構(gòu)成，其中，第一金屬被設(shè)置成與P型體區(qū)域403相接觸，而另外的各個金屬可用于遮蓋或覆蓋第一金屬的頂面。
圖5示出了本發(fā)明的又一示例性實施例的截面圖，由垂直溝槽N型金屬源極IGBT 500來例示。該實施例包括由P+發(fā)射極510構(gòu)成的襯底、在P+發(fā)射極510上外延生長的N+緩沖層501、在N+漏極層501上外延生長的N型漂移層502、以及在N型漂移層502上外延生長的P型體層503。設(shè)置了從P型體層503的表面延伸進入N型漂移層502的深溝槽。諸溝槽用絕緣層506劃界，并且填充了導(dǎo)電材料以形成柵電極505。絕緣層506由諸如二氧化硅的材料構(gòu)成。柵電極505可摻雜多晶硅，其中，硼和磷摻雜物分別用于P型和N型金屬源極IGBT柵電極。柵電極505也可由一種或多種金屬構(gòu)成。
金屬源極區(qū)域504位于P型體層503之上。對于垂直溝槽N型金屬源極IGBT500，金屬源極區(qū)域504可由對電子形成低肖特基勢壘的材料形成，該材料選自諸如硅化鉺、硅化鏑、或硅化鐿等稀土硅化物或其組合。對于垂直溝槽P型金屬源極IGBT，金屬源極區(qū)域可由對空穴形成低肖特基勢壘的材料形成，該材料選自硅化鉑、硅化鈀、硅化銥和/或其合金中的任意一種或組合。
一溝道區(qū)域511垂直地位于金屬源極區(qū)域504和N型漂移層502之間。溝道區(qū)域511是導(dǎo)通態(tài)載流區(qū)域，其中，諸如空穴和電子的移動電荷載流子從金屬源極區(qū)域504流動至N型漂移層502。
再次參見圖5，金屬源極區(qū)域504部分或全部由金屬構(gòu)成。因為金屬源極區(qū)域504部分由金屬構(gòu)成，所以它們與P型體區(qū)域503和溝道區(qū)域511形成肖特基或類肖特基接觸512。肖特基接觸形成于金屬和半導(dǎo)體之間的界面上，而類肖特基接觸由金屬和半導(dǎo)體的緊鄰來形成，其中例如，金屬和半導(dǎo)體分開大約0.1-10nm。肖特基接觸或類肖特基接觸或結(jié)512可通過由金屬硅化物形成金屬源極區(qū)域504來提供。肖特基或類肖特基接觸或結(jié)512也可通過在金屬源極區(qū)域504和P型體區(qū)域503之間插入薄界面層來形成。圖7示出了垂直溝槽金屬源極功率晶體管的金屬源極區(qū)域704、體區(qū)域703、以及介于金屬源極區(qū)域704和體區(qū)域703之間的薄界面層713的放大截面圖。在另一示例性實施例中，金屬源極區(qū)域504還可由分層堆疊的金屬構(gòu)成，其中，第一金屬被設(shè)置成與P型體區(qū)域503相接觸，而另外的各個金屬可用于遮蓋或覆蓋第一金屬的頂面。
垂直溝槽金屬源極功率晶體管的工藝/方法下面參照圖4和5來描述垂直溝槽金屬源極功率晶體管的一個示例性制造工藝，分別用于制造金屬源極功率MOS晶體管和金屬源極IGBT。
首先，基于要制造的器件的類型來選擇適當(dāng)?shù)钠鹗疾牧稀τ贜型垂直溝槽金屬源極功率MOS晶體管400，將選擇一N+襯底401，且襯底401之上外延生長有一N型漂移層402，并且N型漂移層402上外延生長有一P型體層403。對于N型垂直溝槽金屬源極IGBT 500，將選擇P+襯底510，且在該P+發(fā)射極襯底510上外延生長有一N+緩沖層501，在該N+緩沖層501上外延生長有一N型漂移層502，并且在該N型漂移層502上外延生長有一P型體層503。
接著，使用光刻技術(shù)和各向異性硅蝕刻，在硅中蝕刻出從P型體層403、503的頂部延伸進入N型漂移層402、502的深溝槽。
在溝槽蝕刻之后，在溝槽的所有表面上生長氧化物，以提供柵絕緣層406、506。緊跟著柵氧化物生長之后，通過沉積原位摻雜的硅膜來充填溝槽，從而提供柵電極405、505。硅膜是用例如用于N型器件的磷和用于P型器件的硼來原位摻雜的。采用標(biāo)準(zhǔn)的CMP工藝來去除位于超出P型體層表面的多余的摻雜硅。
下一個步驟包括，在表面上沉積一適當(dāng)?shù)慕饘?例如，用于N型器件的鉺和用于P型器件的鉑)以作為覆蓋膜。然后，在規(guī)定的溫度下對晶片退火規(guī)定的時間(例如45℃下45分鐘)，從而在金屬與硅直接接觸的所有位置，發(fā)生將金屬轉(zhuǎn)化成金屬硅化物化學(xué)反應(yīng)，并形成金屬源極204、304。與非硅表面直接接觸的金屬不受影響。
然后，采用濕式化學(xué)蝕刻(例如，用于鉑的王水、用于鉺的硫酸和過氧化氫)來去除未反應(yīng)的金屬，而金屬硅化物不受影響。因此，現(xiàn)在完成了一個示例性的豎直溝槽金屬源極功率晶體管，并且為標(biāo)準(zhǔn)的后道鍍金屬工藝準(zhǔn)備就緒。
應(yīng)該意識到，上述工藝是形成平面金屬源極功率晶體管的許多種可能方式中的一種，可采用適當(dāng)?shù)淖凅w或替換方式，而不會脫離本發(fā)明的范圍。
盡管已參照較佳的實施例來描述了本發(fā)明，但是本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將會意識到，可在形式和細節(jié)上作出變化，而不會脫離本發(fā)明的精神和范圍。本發(fā)明可應(yīng)用于金屬源極功率晶體管技術(shù)的任何適當(dāng)用途，無論其采用Si襯底、SiGe襯底、GaAs襯底、GaN襯底、SiC襯底、還是金屬柵極。以上列表并不是限制性的。采用金屬源極的、用于調(diào)節(jié)電流的流動的任何功率晶體管器件可受益于本示教。
權(quán)利要求
1.一種金屬源極功率晶體管，包括半導(dǎo)體襯底，形成第一導(dǎo)電性類型的漏極層；相似的第一導(dǎo)電性類型的漂移層，設(shè)置于所述漏極層上；第二導(dǎo)電性類型的體區(qū)域，設(shè)置于所述漂移層中；源極區(qū)域，設(shè)置于所述體區(qū)域中，其中，所述源極區(qū)域由金屬形成，并且與所述體區(qū)域形成肖特基接觸；以及柵電極，設(shè)置于所述體區(qū)域和所述漂移區(qū)域上。
2.如權(quán)利要求1所述的晶體管，其特征在于，所述漏極層由N+硅構(gòu)成，所述漂移層由外延生長的N型硅構(gòu)成，所述體區(qū)域由P型硅構(gòu)成，以及所述源極區(qū)域由稀土硅化物形成。
3.如權(quán)利要求1所述的晶體管，其特征在于，所述漏極層由P+硅構(gòu)成，所述漂移層由外延生長的P型硅構(gòu)成，所述體區(qū)域由N型硅構(gòu)成，以及所述源極區(qū)域由硅化鉑、硅化鈀或硅化銥中的任意一種或其組合形成。
4.如權(quán)利要求1所述的晶體管，其特征在于，所述金屬源極功率晶體管是平面功率MOS晶體管。
5.一種金屬源極功率晶體管，包括半導(dǎo)體襯底，形成第一導(dǎo)電性類型的發(fā)射極層；第二導(dǎo)電性類型的漏極層，設(shè)置于所述發(fā)射極層上；相似的第二導(dǎo)電性類型的漂移層，設(shè)置于所述漏極層上；第一導(dǎo)電性類型的體區(qū)域，設(shè)置于所述漂移層中；源極區(qū)域，設(shè)置于所述體區(qū)域中，其中，所述源極區(qū)域由金屬形成，并且與所述體區(qū)域形成肖特基接觸；以及柵電極，設(shè)置于所述體區(qū)域和所述漂移區(qū)域上。
6.如權(quán)利要求1所述的晶體管，其特征在于，所述發(fā)射極層由P+硅構(gòu)成，所述漏極層由外延生長的N+硅構(gòu)成，所述漂移層由外延生長的N型硅構(gòu)成，所述體區(qū)域由P型硅構(gòu)成，以及所述源極區(qū)域由稀土硅化物形成。
7.如權(quán)利要求1所述的晶體管，其特征在于，所述發(fā)射極層由N+硅構(gòu)成，所述漏極層由外延生長的P+硅構(gòu)成，所述漂移層由外延生長的P型硅構(gòu)成，所述體區(qū)域由N型硅構(gòu)成，以及所述源極區(qū)域由硅化鉑、硅化鈀或硅化銥中的任意一種或其組合形成。
8.如權(quán)利要求1所述的晶體管，其特征在于，所述金屬源極功率晶體管是平面金屬源極IGBT。
全文摘要
提供一種金屬源極功率晶體管器件和制造方法，其中，金屬源極功率晶體管具有由金屬制成的源極，并且該源極與晶體管的體區(qū)域和溝道區(qū)域形成肖特基勢壘。金屬源極功率晶體管無條件地免受寄生雙極作用影響，并且因此無需體接觸就可避免回跳和閉鎖效應(yīng)。允許體區(qū)域在金屬源極功率晶體管中漂移的能力降低了工藝復(fù)雜性，并且允許更緊湊的器件布局。
文檔編號H01L29/739GK101019236SQ200580030944
公開日2007年8月15日 申請日期2005年7月15日 優(yōu)先權(quán)日2004年7月15日
發(fā)明者J·P·辛德 申請人:斯平內(nèi)克半導(dǎo)體股份有限公司