具闭合式单元结构的遮蔽栅极沟槽式金属氧化物半导体场效晶体管的制作方法

本发明涉及一种功率半导体装置的单元结构，该单元结构具有两种栅极沟槽。更具体而言，本发明将第一沟槽式金属氧化物半导体场效晶体管与超级势垒整流器(superbarrier rectifier, sbr)整合，以达到较低的导通电阻及较低的切换损失。主动区中的每一单元具有正方形结构，其包含填充有栅极电极的第一型栅极沟槽，且第一型栅极沟槽围绕填充有遮蔽栅极电极的第二型栅极沟槽。至少一列长方形单元沟槽区垂直地设置于至少一栅极金属走线下方，以供遮蔽栅极电极与栅极电极接触。终止区包含至少一边缘终止沟槽，边缘终止沟槽具有阶梯式沟槽结构并环绕主动区的外周。功率半导体装置展现出改善的安全操作区(safe operation area; soa)性能。在每一单元中，借由在第一型栅极沟槽的至少一侧壁形成至少一短通道布植(short channelimplantation, sci)区域，以实现至少两种不同的阈值电压。

背景技术：

1、相较于传统的沟槽式金属氧化物半导体场效晶体管，遮蔽栅极沟槽式(shieldedgate trench; sgt)金属氧化物半导体场效晶体管由于具有较低的漏极-源极比电阻(rsp)以及在多数应用中具有较佳的整体效率，且因有两相邻深沟槽之间的氧化层电荷平衡(oxide charge balance; ocb)区域存在，不会对装置的坚固性有所妥协，因而更具吸引力。然而，对于具有条带状深沟槽的sgt金属氧化物半导体场效晶体管而言，当晶圆直径增加或崩溃电压提高时，晶圆翘曲(wafer warpage)会成为严重问题。晶圆翘曲增加的主要原因在于，随着崩溃电压及晶圆直径的增加，深沟槽的深度增加以及场氧化层的厚度增加。当晶圆翘曲超过临界值时，部分设备中可能在真空吸附或晶圆传送时出现错误，导致晶圆无法再加工。此外，场氧化层厚度增加会占据单元区域中较大空间，导致较高的导通电阻。

2、此外，遮蔽栅极沟槽式金属氧化物半导体场效晶体管的寄生pin体二极管会恶化反向恢复特性。因此，通常会采用各种辐射照射及铂扩散技术，以降低寄生pin二极管的反向恢复时间(trr)。然而，在高温应用下，会观察到漏极与源极之间存在高漏电流，且崩溃电压呈现负温度系数的问题。

3、此外，在功率半导体装置的设计中，效率与安全操作区性能之间存在取舍关系。安全操作区表示该装置在不发生自我损坏的情况下可运作的电压及电流条件。

4、因此，在半导体功率元件的技术领域中，特别是针对遮蔽栅极沟槽式金属氧化物半导体场效晶体管的设计，仍有必要提供一种新颖的单元结构及装置配置，以解决设计上的限制并提升装置性能。

技术实现思路

1、本发明提供一种沟槽式金属氧化物半导体场效晶体管，其具有两种栅极沟槽，并与超级势垒整流器整合，超级势垒整流器作为金属氧化物半导体场效晶体管通道二极管运作。该装置于第一型栅极沟槽中设置有栅极电极，并于第二型栅极沟槽中设置有一遮蔽栅极电极，且第二型栅极沟槽具有单阶沟槽结构，以防止沟槽式金属氧化物半导体场效晶体管中的寄生二极管导通，从而降低切换损失。所整合的超级势垒整流器于金属氧化物半导体场效晶体管通道中为多数载子形成低位能障。该能障可借由栅极氧化层厚度、本体掺杂浓度以及通道长度进行调整。第一型短通道布植(sci1)区域形成，且其环绕于第二型栅极沟槽的上部，其中sci1区域借由沿第二型栅极沟槽上部的侧壁进行砷(arsenic)或磷(phosphorus)的角度植入所形成，且其掺杂浓度高于外延层。借此，沿sci1区域的本体剂量及通道长度得以降低。超级势垒整流器相较于萧特基势垒二极管(schottky barrierdiode; sbd)具有较低的顺向电压(vf)及较低的反向漏电流(ir)。此外，超级势垒整流器于高温条件下表现出比萧特基势垒二极管更好、更可靠的性能。

2、此外，本发明公开一种新颖方式来设计至少一栅极金属走线，且不会干扰遮蔽栅极接触的形成。至少一列长方形单元沟槽区设置于该至少一栅极金属走线下方，以供遮蔽栅极电极与栅极电极接触。栅极电极通过栅极接触沟槽连接至至少一栅极金属走线，其中栅极接触沟槽设置于至少一列长方形单元沟槽区中的两相邻长方形遮蔽栅极电极之间。

3、本发明亦公开一种简单方法来改善沟槽式金属氧化物半导体场效晶体管的安全操作区性能，该方法可在每一单元中形成至少两种不同的阈值电压区域，包含低阈值电压区域及高阈值电压区域。此方法包含沿着第一型栅极沟槽的至少一侧壁形成的第二型短通道布植(sci2)区域，以形成低阈值电压区域。对于给定的栅极电压，沿着sci2区域形成的低阈值电压通道可以改善安全操作区，因为其使电流先流经低阈值电压区域的通道，而非在第一个栅极电极导通时同时通过所有通道。当栅极电压增加时，高阈值电压区域会被开启。

4、在阅读了以下对于优选实施例的详细叙述后，对于本领域技术人员，本发明的目的与优点无疑地将变得显而易见，其中优选实施例将搭配附图进行说明。

1.一种遮蔽栅极沟槽式元件，其于每一单元中具有两种类型栅极沟槽，该遮蔽栅极沟槽式元件包含：

2.如权利要求1所述的遮蔽栅极沟槽式元件，其中该至少一终止区域包含一第一终止沟槽，且该第一终止沟槽具有所述第二型栅极沟槽的一条带状结构。

3.如权利要求1所述的遮蔽栅极沟槽式元件，其中该至少一终止区域包含一第一终止沟槽，且该第一终止沟槽具有该第二型栅极沟槽的一正方形结构或一长方形结构。

4.如权利要求1所述的遮蔽栅极沟槽式元件，其中该至少一终止区域包含一第一终止沟槽及一第二终止沟槽，该第一终止沟槽具有一条带状结构、一正方形结构或一长方形结构，该第二终止沟槽具有一条带状结构并环绕该至少一终止区域的外周。

5.如权利要求1所述的遮蔽栅极沟槽式元件，其中该至少一终止区域具有该第二型栅极沟槽的至少一终止沟槽，且该终止沟槽的沟槽深度等于或大于该主动区中该第二型栅极沟槽的沟槽深度。

6.如权利要求1所述的遮蔽栅极沟槽式元件，其中该第一绝缘膜是借由局部硅氧化所形成，于局部硅氧化的制程中，该第二型栅极沟槽的上半部的侧壁设置有一氮化硅层或由一氮化硅与一氧化硅所形成的一双层结构，以防止该该第二型栅极沟槽的上半部的侧壁被氧化。

7.如权利要求1所述的遮蔽栅极沟槽式元件，其中该遮蔽栅极沟槽式元件包含为该第二导电类型的一p型遮蔽区，该p型遮蔽区邻接于该第一体区的一下表面。

8.如权利要求1所述的遮蔽栅极沟槽式元件，其中该外延层包含具有不同掺杂浓度的至少两层外延层，该至少两层外延层包含一底部外延层及一上部外延层，该底部外延层的掺杂浓度为一第一浓度，该上部外延层设置于该底部外延层的上方，且掺杂浓度为一第二浓度，其中该第二浓度小于该第一浓度。

9.如权利要求8所述的遮蔽栅极沟槽式元件，其中该遮蔽栅极沟槽式元件包含一缓冲外延层，设置于该基板与该底部外延层之间，且该缓冲外延层具有一第三浓度，其中该第三浓度小于该第二浓度，且该第二浓度小于该第一浓度。

10.如权利要求8所述的遮蔽栅极沟槽式元件，其中该遮蔽栅极沟槽式元件包含一缓冲外延层，设置于该基板与该底部外延层之间，且该缓冲外延层具有一第三浓度，其中该第三浓度大于该第二浓度，且该第三浓度小于该第一浓度。

11.如权利要求1所述的遮蔽栅极沟槽式元件，其中该第二栅极氧化层的厚度小于该第一栅极氧化层的厚度，且该遮蔽栅极沟槽式元件包含：

12.如权利要求11所述的遮蔽栅极沟槽式元件，其中该遮蔽栅极沟槽式元件包含属于该第一导电类型的一第一型短通道布植区域，环绕该第二通道区，其中该第一型短通道布植区域借由沿该第二型栅极沟槽的上部的侧壁进行砷或磷的角度植入所形成，且其掺杂浓度高于该外延层，且该第二通道区的通道长度小于该第一通道区的通道长度。

13.如权利要求11所述的遮蔽栅极沟槽式元件，其中该第一栅极电极被位于该第一栅极沟槽的底部区域的一第二绝缘膜包围，且该第二绝缘膜的厚度大于该第一栅极氧化层的厚度；

14.如权利要求11所述的遮蔽栅极沟槽式元件，其中该第一型栅极沟槽具有一第二型阶梯式沟槽结构，包含至少一阶梯沟槽，该阶梯沟槽包含一第一上部栅极沟槽及一第一下部栅极沟槽，其中该第一上部栅极沟槽设置于该第一下部栅极沟槽之上，且其沟槽宽度大于该第一下部栅极沟槽的沟槽宽度；其中，该第一栅极电极于该第一上部栅极沟槽的底部区域由一第二绝缘膜所包覆，且该第二绝缘膜的厚度大于该第一栅极氧化层的厚度；

15.如权利要求12所述的遮蔽栅极沟槽式元件，其中该遮蔽栅极沟槽式元件包含属于该第一导电类型的一第二型短通道布植区域，形成于该第一型栅极沟槽的至少一侧壁上，其中该第二型短通道布植区域借由沿该第一型栅极沟槽的上部的侧壁进行砷或磷的角度植入所形成，且其掺杂浓度高于该外延层。

16.如权利要求15所述的遮蔽栅极沟槽式元件，其中该第一金属氧化物半导体场效晶体管于每一该单元中具有至少两种不同阈值电压通道区，包含一低阈值电压通道区及一高阈值电压通道区，该低阈值电压通道区形成于具有该第二型短通道布植区域的区域，而该高阈值电压通道区形成于不具有该第二型短通道布植区域的区域。

17.如权利要求16所述的遮蔽栅极沟槽式元件，其中该低阈值电压通道区的阈值电压介于1至3伏特之间，该高阈值电压通道区的阈值电压介于3至6伏特之间，并且该该第一金属氧化物半导体场效晶体管的阈值电压介于2.5至4.5伏特之间。

18.一种遮蔽栅极沟槽式元件，其于每一单元中具有两种类型栅极沟槽，该遮蔽栅极沟槽式元件包含：

19.如权利要求18所述的遮蔽栅极沟槽式元件，其中该闭合单元结构为一正方形结构或一长方形结构。

20.如权利要求18所述的遮蔽栅极沟槽式元件，其中该第二栅极氧化层的厚度小于该第一栅极氧化层的厚度；