保护栅极沟槽式金属氧化物半导体场效应晶体管组件及其制造方法技术

本发明专利技术公开了一种功率半导体组件，其包括数个功率晶体管单元，其被开设于半导体衬底上的沟槽所环绕。至少一功率晶体管单元构成一主动单元，该主动单元具有一源极区域，该源极区域设置于沟槽栅极附近，该沟槽栅极电性连接至栅极衬垫并环绕主动单元。该沟槽栅极更具有底部保护电极，其中充填有栅极材料并设置于沟槽栅极下方并与沟槽栅极绝缘。至少一功率晶体管单元构成一源极接触单元，该源极接触单元由具有一部分作为源极连接沟槽的沟槽所围绕，且沟槽填充有栅极材料以电性连接底部保护电极与源极金属，源极金属直接设置于源极连接沟槽的顶部上。此功率半导体组件更包含一绝缘保护层，设置于功率半导体组件的顶部上，并在源极区域与源极连接沟槽的顶部上设有数个源极开孔，以提供与源极金属的电性连接，该绝缘保护层并具有一栅极开孔，以提供栅极衬垫和沟槽栅极间的电性连接。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及一种功率半导体组件，更特别的是，本专利技术涉及一种改良且新颖的应用在高频功率开关组件的保护栅极沟槽式(SGT)金属氧化物半导 体场效晶体管组件的结构与制造方法。先前技术传统上用来降低功率半导体组件的栅极-漏极电容Cgd的方法，目前仍旧 面临到许多技术上的限制与困难。当高频功率开关组件的需求日益成长，尤 其迫切地需要提供有效的解决方法以达到解决这些技术上的困难与限制。而 对于包含金属氧化物半导体场效晶体管(MOSFET)与绝缘栅双极晶体管 (IGBT)的功率晶体管，更需要一种新的组件结构与制造方法来减低在这些功率开关组件的栅极与漏极间的限速电容。如图1A所示，Baliga于美国专利第5,998,833号公开了一种双扩散金属 氧化物半导体场效应晶体管(DMOS)单元。其源极设置于沟槽栅极的底下， 用以减少栅极-漏极电容，且此双扩散金属氧化物半导体场效应晶体管单元的 栅极是分开为两个区段。由于将来自栅极与漏极重叠区域所贡献的电容消除 了，从而减少了栅极-漏极电容Cgd。美国专利第6,690,062号则公开了一种金属氧化物半导体场效晶体管，如 图1B所示，其藉由在边缘区域中提供一个保护电极来改善晶体管结构的开 关行为。保护电极将主动单元数组中的至少几个部分围绕起来，在边缘栅极 结构与漏极区域之间会产生电容，而设置在边缘区域的保护电极则会将边缘 栅极结构和漏极区域之间的电容縮小，从而縮小晶体管的栅极-漏极电容 Cgd。在美国专利第6,891,223号中，Krumrey等专利技术人公开了一种包含数个晶 体管单元的晶体管，这些晶体管单元沿着半导体衬底的数个沟槽设置，且半导体衬底具有两个或更多的电极结构设置在前述沟槽中。再者，金属化结构设置在衬底的表面之上，如图1C所示。沟槽延伸进晶体管的非主动边缘区域，而在边缘区域建立了电极结构与对应的金属化结构之间的电性连结。然而，以上专利案所公开的晶体管构造仍然具有共同的困难点。设置在 沟槽底部的源极是透过功率半导体组件的边缘区域连接到源极电压，必然会 增加源极的电阻。所以需要额外的掩模创造这样的连接，当然也提高了生产成本。因此，在功率半导体组件设计与制造等相关技术中，仍旧需要提供新的 制造方法与组件结构来制作功率组件，将以上所讨论的问题与限制予以解决。
技术实现思路
本专利技术的目的主要在于提供一种新颖且改良的保护栅极沟槽式(SGT) 结构的半导体功率组件，其具有底部保护电极，直接地改善了对于源极电压 的连接。特别的是，本专利技术提供了一种宏单元布局。在此宏单元中，充填有 例如是掺杂多晶硅的传导性材料的沟槽，会将保护栅极沟槽结构的底部保护 电极与源极金属直接作电性连接。藉此将得以解决前述传统结构透过组件的 周围部位连接到源极电压的问题与困难。特别的是，本专利技术的另一目的是提供一种改善的保护栅极沟槽组件及其 制造方法，以縮小栅极-漏极电容。本专利技术提供一种新的功率半导体组件的制 造方法，此方法包含在衬底上开设一沟槽，其围绕数个功率晶体管单元，并以栅极材料填充于此沟槽中的步骤。此方法更包含步骤通过时序蚀刻对该沟漕的选择部位上的栅极材料进行反刻蚀，随后以一保护绝缘层覆盖在沟槽 的一选择部位上的栅极材料的底部，形成一底部保护电极，同时保留该沟槽 中剩余部位上的栅极材料，以维持其可直接电性连接到该底部保护电极。此 功率半导体组件的制造方法提供保护栅极沟槽结构可以通过数个沟槽的源 极连接电极能直接电性连接到源极金属，此保护栅极沟槽结构设置在沟槽 栅极底下，且这些源极连接沟槽填充有栅极材料，例如栅极多晶硅，来作为 保护栅极沟槽到源极金属的内连接。此种直接电性连接是由随后的步骤，即 在沟槽上剩余部位的栅极材料到源极金属间形成电性连接来提供的。进一步 而言，此方法包含以栅极材料填充于沟槽的选择部位，并形成沟槽栅极与栅极衬垫之间的电性连接的步骤。在制造过程中，进一步还包含步骤通过控 制时序蚀刻从沟槽的选择部位顶部将栅极材料移除，用以控制功率半导体组 件的沟槽栅极的深度。另外，本方法更包含步骤形成一绝缘层覆盖于功率 半导体组件的上表面，并在沟槽的剩余部位的上表面开设数个源极接触孔， 以形成源极接触从而直接接触沟槽上剩余部位的栅极材料，用以电性连接底 部保护电极。进一步，本方法更包含步骤形成一绝缘层覆盖于功率半导体 组件的上表面，并开设至少一个栅极接触开孔，以提供栅极衬垫可电性连接 到沟槽上选择部位的沟槽栅极中的栅极材料。简而言之，本专利技术的一较佳实施例中，提供了一种沟槽式功率半导体组 件，此沟槽式功率半导体组件包含数个内连接沟槽，其形成在半导体衬底上。 而至少一个内连接沟槽构成了功率半导体组件的保护栅极沟槽(SGT)。此保 护栅极沟槽包含一沟槽栅极与一底部保护电极，该沟槽栅极设置在保护栅极 沟槽的顶部，该底部保护电极则设置在保护栅极沟槽的底部并和沟槽栅极绝 缘。至少一个内连接沟槽构成一填充有导电沟槽填充材料的源极连接沟槽， 并电性连接至保护栅极沟槽的底部保护电极，以电性连接至设置于源极连接 沟槽上方的源极金属。对于本领域普通技术人员而言，在阅读了以下通过不同附图描述说明的 具体优选实施例的详细说明后，本专利技术的这些和其他的目的和优点将毫无疑 问的被突显。附图说明图1A 图1C是已公开专利中所揭露的用以縮小栅极-漏极电容的沟槽 式金属氧化物半导体场效晶体管组件的剖面示意图2A是本专利技术的具有改良结构的沟槽式金属氧化物半导体场效晶体管 组件的俯视图，而图2B 图2D为其三个剖面的示意图3A 图3L显示如图2A 图2D所示的沟槽式金属氧化物半导体场效晶体管组件的制造过程的一系列剖面示意图3M 图30显示如图2A 图2D所示的沟槽式金属氧化物半导体场效晶体管组件的另一制造过程的一系列剖面示意图4显示本专利技术的另一实施例中具有特别结构的终止区域的金属氧化物半导体场效晶体管组件的侧剖面示意图；及图5显示本专利技术的另一实施例中的金属氧化物半导体场效晶体管组件具 有进一步縮小的栅极-漏极电容的特别结构的保护栅极沟槽的沟槽栅极的示 意图。具体实施例方式请参阅图2A 图2D，分别为本专利技术的具有改良结构的沟槽式金属氧化 物半导体场效晶体管组件100的俯视图及其三个剖面的示意图。如图2B所 示，此沟槽式金属氧化物半导体场效晶体管组件100是由一衬底105所支撑， 且衬底105上形成有磊晶层110。沟槽式金属氧化物半导体场效晶体管组件 100包含了保护栅极沟槽(SGT)结构。而保护栅极沟槽结构包含底部保护 电极130与沟槽栅极150，底部保护电极130设置在沟槽栅极150上方并与 沟槽栅极150绝缘，且底部保护电极130内填充有多晶硅，以提供保护沟槽 栅极150和设置于沟槽底部下方的漏极绝缘。另外，介电层113将底部保护 电极130与漏极区域隔开，绝缘层120则将底部保护电极130和沟槽栅极150 隔开。沟槽栅极150包含有多晶硅，多晶硅填充在沟槽中，该沟槽被覆盖在 沟槽壁面的栅极绝缘层155所围绕。此外，主体区域160掺杂有第二传导类 型的掺杂物，如P型掺杂物，并延伸在每个沟槽栅极150之间。此P型主体 区域160包含有源极区域170，源极区域170掺杂有第一传导类型的掺杂物， 如N型掺杂物。源极区域170形成在围绕着沟槽栅本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种功率半导体组件，其特征在于，包含数个功率晶体管单元，其被一开设在半导体衬底上的沟槽所环绕，其中：　至少一个该功率晶体管单元构成一个主动单元，该主动单元具有一源极区域，该源极区域设置于一沟槽栅极附近，该沟槽栅极电性连接至一栅极衬垫，并环绕该主动单元，其中该沟槽栅极更具有一底部保护电极，该底部保护电极充填有一栅极材料，并设置在该沟槽栅极下方，且与该沟槽栅极绝缘；及　至少一个该功率晶体管单元构成一个源极接触单元，该源极接触单元被具有一部分作为源极连接沟槽的该沟槽所围绕，且该沟槽填充有栅极材料以电性连接该底部保护电极与一源极金属，该源极金属直接设置于该源极连接沟槽的顶部上。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】US 2006-2-17 11/356,9441.一种功率半导体组件，其特征在于，包含数个功率晶体管单元，其被一开设在半导体衬底上的沟槽所环绕，其中至少一个该功率晶体管单元构成一个主动单元，该主动单元具有一源极区域，该源极区域设置于一沟槽栅极附近，该沟槽栅极电性连接至一栅极衬垫，并环绕该主动单元，其中该沟槽栅极更具有一底部保护电极，该底部保护电极充填有一栅极材料，并设置在该沟槽栅极下方，且与该沟槽栅极绝缘；及至少一个该功率晶体管单元构成一个源极接触单元，该源极接触单元被具有一部分作为源极连接沟槽的该沟槽所围绕，且该沟槽填充有栅极材料以电性连接该底部保护电极与一源极金属，该源极金属直接设置于该源极连接沟槽的顶部上。2. 如权利要求1所述的功率半导体组件，其特征在于，更包含 一绝缘保护 层，其设置在该功率半导体组件的顶部上，并在该源极区域的顶部上设有 数个源极开孔，提供该源极连接沟槽与该源极金属间的电性连接。3. 如权利要求1所述的功率半导体组件，其特征在于，更包含 一绝缘保护 层，其设置在该功率半导体组件的顶部上，并具有一栅极开孔，提供该闸 极衬垫与该沟槽栅极之间的电性连接。4. 如权利要求3所述的功率半导体组件，其特征在于，所述的栅极开孔是直 接设置在该功率半导体组件的一终止区域中的一栅极运行沟槽的上方。5. 如权利要求4所述的功率半导体组件，其特征在于，所述的栅极运行沟槽 是比用来在其内部形成所述的沟槽栅极的沟槽要宽且深。6. 如权利要求4所述的功率半导体组件，其特征在于，所述的栅极运行沟槽 更包含一具有底部保护电极的保护栅极沟槽结构。 200780003645.9权利要求书第2/9页7. 如权利要求1所述的功率半导体组件，其特征在于，更包含 一深的主体 掺杂区域，其在一终止区域作为防护环或接合-终止扩大型的终止点。8. 如权利要求7所述的功率半导体组件，其特征在于，所述的深的主体掺杂区域是比在所述终止区域的栅极运行沟槽深且围绕着该栅极运行沟槽的。9. 如权利要求1所述的功率半导体组件，其特征在于，所述的底部保护电极 填充有栅极材料，具有朝向该沟槽的一底部阶梯式渐縮的轮廓，该沟槽具 有一围绕栅极材料的内衬层，其具有对应地阶梯式渐增的厚度。10. 如权利要求1所述的功率半导体组件，其特征在于，所述的底部保护电极 填充有栅极材料，具有朝向该沟槽的一底部渐縮的轮廓，该沟槽具有一围 绕栅极材料的内衬层，其具有对应地逐步增加的厚度。11. 如权利要求l所述的功率半导体组件，其特征在于，所述的功率晶体管单 元更包含数个沟槽式金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)单元。12. —种功率半导体组件，其特征在于，包含数个功率晶体管单元，其被一开 设在半导体衬底上的沟槽所环绕，其中， 至少一个该功率晶体管单元构成一主动单元，该主动单元具有一源极 区域，该源极区域设置于一沟槽栅极附近，该沟槽栅极电性连接至一栅极 衬垫并环绕所述的主动单元，其中该沟槽栅极更具有一底部保护电极，该 底部保护电极充填有一栅极材料，该栅极材料设置在沟槽栅极下方，且与 沟槽栅极绝缘;其中该充填栅极材料的底部保护电极具有朝向该沟槽的一 底部渐縮的轮廓，该沟槽具有一围绕该栅极材料的内衬层，其具有对应地 逐步增加的厚度。13. 如权利要求12所述的功率半导体组件，其特征在于，所述的至少一个该 功率晶体管单元构成一源极接触单元，该源极接触单元由具有一部分作为源极连接沟槽的沟槽所围绕，且该沟槽填充有栅极材料，用以电性连接该 底部保护电极与源极金属，该源极金属直接设置于该源极连接沟槽的顶部 之上。14. 如权利要求13所述的功率半导体组件，其特征在于，更包含 一绝缘保 护层，设置于该功率半导体组件的顶部上，其在源极区域的顶部上具有数 个源极开孔，提供该源极连接沟槽与源极金属间的电性连接。15. 如权利要求13所述的功率半导体组件，其特征在于，更包含 一绝缘保 护层，设置于该功率半导体组件的顶部上，其具有一栅极开孔，提供该栅 极衬垫和沟槽栅极间的电性连接。16. 如权利要求15所述的功率半导体组件，其特征在于，所述的栅极开孔是直接设置在功率半导体组件的一终止区域中的一栅极运行沟槽的上方。17. 如权利要求16所述的功率半导体组件，其特征在于，所述的栅极运行沟 槽是宽于并且深于沟槽的，以提供形成该沟槽栅极于该栅极运行沟槽中。18. 如权利要求16所述的功率半导体组件，其特征在于，所述的栅极运行沟 槽更包含一具有底部保护电极的保护栅极沟槽结构。19. 如权利要求12所述的功率半导体组件，其特征在于，更包含 一个深的 主体掺杂区域，其在一终止区域作为防护环或接合-终止扩大型的终止点。20. 如权利要求19所述的功率半导体组件，其特征在于，所述的深的主体掺 杂区域比在该终止区域的栅极运行沟槽深，且围绕着该栅极运行沟槽。21. 如权利要求12所述的功率半导体组件，其特征在于，更包含一漏极，其 设置在该半导体衬底的一底面上。22. 如权利要求12所述的功率半导体组件，其特征在于，每一个所述的功率 晶体管单元更包含一主体区域，设置在围绕该些功率晶体管单元的沟槽之 间。23. 如权利要求12所述的功率半导体组件，其特征在于，每一个所述的功率 晶体管单元更包含一主体区域，设置在围绕该些功率晶体管单元的沟槽之 间，其中，所述的主动单元中的主体区域围绕于设置在沟槽栅极附近的源 极区域。24. 如权利要求12所述的功率半导体组件，其特征在于，在所述的底部保护 电极的上方设置有一氧化层，以保护该底部保护电极，并使该底部保护电 极与所述的沟槽栅极绝缘。25. 如权利要求12所述的功率半导体组件，其特征在于，在所述的底部保护 电极的上方设置有一氧化层，以保护该底部保护电极，并使该底部保护电 极与所述的沟槽栅极绝缘；其中在该底部保护电极上方的氧化层是通过由 时序蚀刻工艺所控制的预先定义的深度设置在所述沟槽中的。26. 如权利要求25所述的功率半导体组件，其特征在于，所述的功率半导体 组件具有一减小的栅极-漏极电容Cgd，且该栅极-漏极电容Cgd和底部保 护电极上方的氧化层的深度有关。27. 如权利要求12所述的功率半导体组件，其特征在于，所述的底部保护电 极填充有栅极材料，具有朝向该沟槽的一底部阶梯式渐縮的轮廓，该沟槽 具有一围绕栅极材料的内衬层，其具有对应地阶梯式渐增的厚度。28. 如权利要求12所述的功率半导体组件，其特征在于，所述的该些功率晶 体管单元更包含数个沟槽式金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET) 单元。29. —种功率半导体组件，其特征在于，包含 一具有底部保护电极的沟槽栅 极，该底部保护电极充填有栅极材料，该栅极材料设置在沟槽栅极下方， 且与沟槽栅极绝缘；其中该充填栅极材料的底部保...

【专利技术属性】
技术研发人员：安纳帕叭哈剌，斯科K雷，
申请(专利权)人：万国半导体股份有限公司，
类型：发明
国别省市：BM[百慕大]