专利名称：功率结场效应晶体管结构及其制法的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种功率场效应晶体管结构及其制造方法，尤指一种功率结场效应晶体管结构及其制造方法。
背景技术：
近年来，场效应晶体管(Field Effect Transistor，FET)器件，例如金属氧化物半导体场效应晶体管(metal oxide semiconductor field effect transistor，MOSFET)或结场效应晶体管(Junction Field Effect Transistor，JFET)等，在其操作性能及制造流程上均已获得非常良好的进展。场效应晶体管主要通过控制信号(栅极的电压)造成载流子沟道(channel)附近电场改变，使沟道特性发生变化，导致电流(源极与漏极之间)改变。故场效应晶体管可以用作电压控制的可变电阻或电压控制电流源(VCCS)等。
其中结场效应晶体管(JFET)的工作原理主要利用栅极和源极\漏极间PN结间的耗尽区宽度是逆向偏压的函数，以通过改变耗尽区宽度来改变沟道宽度。而金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)则利用栅极的偏压在金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)的半导体和氧化层界面处吸引导电载流子形成沟道，栅极偏压改变则沟道载流子跟着改变。
由于金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)的结构特别适合被缩小化，而且功率需求也小，因此在同一芯片上制作上千万个晶体管开关变得可行。然而，结场效应晶体管(JFET)由于结构上的差异，故与金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)使用的场合略有不同。结场效应晶体管(JFET)多用作模拟开关及信号放大器，特别是低噪声的放大器，但很少用在数字电路中的逻辑运算及功率放大器。
鉴于公知结场效应晶体管(JFET)器件，受限于结构影响而致使其无法进行功率处理应用。因此，如何进行器件结构与制造过程的改变和调整，以改善公知技术的缺点及限制，使其电流垂直流通，由下方的漏极向上方的源极流动，而其电流量还可由栅极与源极的压差来做调变，使该结场效应晶体管(JFET)器件亦可如金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)做一功率处理应用。
发明内容
本发明的主要目的为提供一种结场效应晶体管(JFET)结构及其制法。通过如金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)制造过程的调变，产生一结场效应晶体管(JFET)结构，使其电流由下方的漏极向上方的源极垂直流动，而其电流量还可由栅极与源极的压差来做调变，进而使该结场效应晶体管(JFET)器件可处理大电流及高电压，进行一功率处理应用。
为达上述目的，本发明的一较佳实施样态为提供一种制造结场效应晶体管结构的方法，其步骤包含(a)提供衬底，其上具有外延层；(b)注入第一掺杂物，以形成源极层于该外延层的表面；(c)形成第一氧化层于该源极层上，并进行第一次光刻蚀刻制造过程，部分蚀刻该第一氧化层，以形成栅极总线开口、栅极开口及保护环开口；(d)通过该栅极总线开口、该栅极开口及该保护环开口，蚀刻该源极层及该外延层，以分别形成栅极总线凹槽、栅极凹槽及保护环凹槽；(e)形成牺牲氧化层于该栅极总线凹槽、该栅极凹槽及该保护环凹槽的侧壁及底面；(f)注入第二掺杂物，以于该栅极总线凹槽、该栅极凹槽及该保护环凹槽下方的该外延层分别形成栅极总线、栅极及保护环；(g)完全移除该第一氧化层及该牺牲氧化层，并形成介电质层于该源极层上并填满该栅极总线凹槽、该栅极凹槽及该保护环凹槽；(h)进行第二次光刻蚀刻制造过程，部分蚀刻该介电质层，以形成栅极总线金属结开口及源极金属结开口；以及(i)沉积一金属层，并进行第三次光刻蚀刻制造过程，部分蚀刻该金属层，以形成栅极总线金属层及源极金属层，分别连接该栅极总线及该源极层。
根据本发明的构想，其中该衬底可为N+型硅衬底，而该外延层可为N-型外延层。
根据本发明的构想，其中该氧化层可为场氧化层。
根据本发明的构想，其中该第一掺杂物可为N+型掺杂物。
根据本发明的构想，其中该步骤(b)还包含一退火热处理工艺。
根据本发明的构想，其中该步骤(b)为一覆式注入(Blanket Implant)工艺。
根据本发明的构想，其中该第二掺杂物可为P+型掺杂物。
根据本发明的构想，其中该步骤(f)还包含一退火热处理工艺。
根据本发明的构想，其中该介电质层可为一沉积氧化层。
根据本发明的构想，其中该栅极下方的该衬底与该外延层构成漏极区。
根据本发明的构想，制造结场效应晶体管结构的方法，还包含步骤j)全面沉积一保护层；以及k)进行第四次光刻蚀刻制造过程，部分蚀刻该保护层，以定义该栅极总线金属层及该源极金属层的接触垫区。
根据本发明的构想，其中该保护层为沉积氧化层或沉积氮化硅层。
根据本发明的构想，其中该栅极可为具有两栅极单元的双栅极结构。
为达上述目的，本发明另一较佳实施样态为提供一种结场效应晶体管结构，其包含衬底；外延层，形成于该衬底上，其中该外延层还具栅极凹槽与栅极总线凹槽；栅极，形成于该外延层的该栅极凹槽底部；栅极总线，形成于部分该外延层的该栅极总线凹槽底部，并连接至该栅极；源极层，形成于该外延层表面；介电质层，形成于该栅极凹槽、该栅极总线凹槽及该源极层之上，且具有栅极总线金属结开口及源极金属结开口；以与栅极总线金属层及源极金属层，形成于该介电质层上，并通过该栅极总线金属结开口及该源极金属结开口，分别与该栅极总线及该源极层连接。
根据本发明的构想，其中该衬底可为N+型硅衬底，该外延层可为N-型外延层。
根据本发明的构想，其中该介电质层可为一沉积氧化层所构成。
根据本发明的构想，其中该栅极可由P+型栅极注入层所构成。
根据本发明的构想，其中该源极层可由N+型源极注入层所构成。
根据本发明的构想，其中该栅极下方的该衬底与该外延层构成漏极区。
根据本发明的构想，该结场效应晶体管结构，还包含保护环，形成于该外延层内，其中该保护环可为P+型注入层。
根据本发明的构想，该结场效应晶体管结构，还包含保护层，形成于该栅极总线金属层及该源极金属层之上，并定义有该栅极总线金属层及该源极金属层的接触垫区(pad areas)开口。
根据本发明的构想，其中该栅极可为具两相等且相互平行的栅极单元的栅极结构。
本发明主要通过形成具深埋式栅极的结场效应晶体管结构，使其电流在该深埋式栅极间，由下方的漏极区向上方的源极垂直流动，而其电流量则可由栅极与源极的压差来做调变，使该结场效应晶体管器件得以处理大电流及高电压，进行一功率处理应用。
图1(a)-1(j)其为本发明一较佳实施例的功率结场效应晶体管结构流程。
其中，附图标记说明如下11衬底 12外延层121栅极总线凹槽 122栅极凹槽123保护环凹槽13源极层14第一氧化层 141栅极总线开口142栅极开口 143保护环开口15牺牲氧化层 16栅极总线17栅极 171栅极单元172栅极单元 18保护环19介电质层 191栅极总线金属结开口192源极金属结开口 20金属层201栅极总线金属层 202源极金属层21保护层 22接触垫区开口具体实施方式
体现本发明特征与优点的一些典型实施例将在下文的说明中详细叙述。应理解的是本发明能够在不同的态样上具有各种变化，其皆不脱离本发明的范围，且其中的说明及图标在本质上作说明之用，而非用以限制本发明。
请参阅图1(a)至图1(j)，其为显示本发明一较佳实施例的功率结场效应晶体管结构流程图。如图所示，本发明的结场效应晶体管的制法包含下列步骤首先，提供一衬底11，而该衬底11上还具有一外延层12。在本实施例中，该衬底11可为N+型硅衬底，而该外延层12则可为N-型外延层，其结构如图1(a)所示。然后，进行第一布植制造过程，注入第一掺杂物，以于该外延层12的表面形成一源极层13，其中该第一布植制造过程为一覆式注入(Blanket Implant)工艺，即于该外延层12的表面全面性形成该源极层13。在一些实施例中，该第一掺杂物可为N+型掺杂物，故所形成的N+型源极层13如图1(b)所示。当然，于前述的注入工艺后，还可包含一退火热处理工艺(annealing)，以使该N+型源极层13完成置入(drive-in)工艺。
然后，再利用一热氧化制造过程，全面形成一第一氧化层14于该源极层13的表面，其中该第一氧化层14即为场氧化层(Field Oxide)。接着，进行第一次光刻蚀刻制造过程，部分蚀刻该氧化层14，以形成一栅极总线(gate runner)开口141、一栅极开口142及一保护环(guard ring)开口143，供后续制造过程形成栅极总线、栅极与保护环，而所得的结构如图1(c)所示。
于前述的步骤后，再通过该栅极总线开口141、该栅极开口142及该保护环开口143，蚀刻该源极层13及该外延层12，以分别形成一栅极总线凹槽121、一栅极凹槽122及一保护环凹槽123，而所得的结构如图1(d)所示。之后，以一热氧化方法，于该栅极总线凹槽121、该栅极凹槽122及该保护环凹槽123的侧壁及底面形成一牺牲氧化层15，而所得的结构如图1(e)所示。接着，通过该栅极总线开口141、该栅极开口142及该保护环开口143，进行第二布植制造过程，以注入第二掺杂物，而于该栅极总线凹槽121、该栅极凹槽122及该保护环凹槽123下方的该外延层12分别形成一栅极总线16、一栅极17及一保护环18。其中，该栅极总线16与该栅极17连接，而该第二掺杂物可为P+型掺杂物，故形成的P+型栅极总线16、P+型栅极17及P+型保护环18如图1(f)所示。同样地，于前述的第二布植制造过程后，亦可包含一退火热处理工艺(annealing)，以使P+型栅极总线16、P+型栅极17及P+型保护环18完成置入(drive-in)工艺。然后，完全移除该第一氧化层14及该牺牲氧化层15，并全面沉积形成一介电质层19于该源极层13上并填满该栅极总线凹槽121、该栅极凹槽122及该保护环凹槽123，如图1(g)所示，其中该介电质层19即为一沉积氧化层。随后，进行第二次光刻蚀刻制造过程，部分蚀刻该介电质层19，以形成一栅极总线金属结开口191及一源极金属结开口192，而所得的结构如图1(h)所示。
于前述的步骤后，再沉积一金属层20，并进行第三次光刻蚀刻制造过程，部分蚀刻该金属层20，以形成一栅极总线金属层201及一源极金属层202，分别连接该栅极总线16及该源极层13，所得结构如图1(i)所示。之后，全面沉积一保护层21以及进行第四次光刻蚀刻制造过程，部分蚀刻该保护层21，借以定义该栅极总线金属层201及该源极金属层202的一接触垫区(padareas)22。最后即可获得该功率结场效应晶体管器件结构，如图1(j)所示。
本发明的构想可实际应用于一功率结场效应晶体管(Junction Field EffectTransistor，JFET)的结构内。根据前述方法，本发明同时揭示一功率结场效应晶体管结构，请参阅图1(j)，其结构包含一衬底11；一外延层12，形成于该衬底11上，其中该外延层12还具一栅极凹槽122及一栅极总线凹槽121(请参考图1(d))；栅极17，以具有两相等且相互平行的栅极单元171及172的双栅极结构为较佳，且形成于该外延层12的该栅极凹槽122底部；一栅极总线16，形成于部分该外延层12的该栅极总线凹槽121底部，并连接至该栅极17；一源极层13，形成于该外延层表面12；一介电质层19，形成于该栅极凹槽122、该栅极总线凹槽121及该源极层13之上，且具有一栅极总线金属结开口191及一源极金属结开口192(请参阅图1(h))；以及一栅极总线金属层201及一源极金属层202，形成于该介电质层19上，并通过该栅极总线金属结开口191及该源极部金属结开口192，分别与该栅极总线16及该源极层连接13。
在实际应用时，该衬底11可为N+型硅衬底，而该外延层12可为N-型外延层。又，该栅极17是由P+型栅极注入层所构成，而该栅极总线16亦是由P+型栅极注入层所构成。至于该源极层13则由N+型源极注入层所构成。
在本实施例结构中，该栅极17下方的该衬底11与该外延层12构成一漏极区。于使用时调变该栅极17与源极层13间的压差，则便有电流自下方的漏极区(该栅极17下方的该衬底11与该外延层12所构成)穿过该栅极17的两相等且相互平行的栅极单元171及172而向上方的源极层13流动，而其中的电流量便由该栅极17与该源极层13的压差来做调变，使该结场效应晶体管(JFET)器件亦可如金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)做大电流及高电压的功率处理应用。
另一方面，在实际应用时，该结场效应晶体管结构器件当然还可包含一保护环(guard ring)18，形成于该外延层12(如图1(f)所示的该保护环凹槽123之下)内，其中该保护环18在本实施例中为一P+型注入层。此外，该结场效应晶体管结构器件最上方亦包含一保护层21，形成该栅极总线金属层201及该源极金属层202之上，并定义有该栅极总线金属层201及该源极金属层202的一接触垫区(pad areas)开口22，以供后续进行金属线连结之用。其中，该保护层21可为沉积氧化层或沉积氮化硅层。
当然，对于熟悉本领域的技术人员而言可以明显了解，上述实施例的功率结场效应晶体管结构中，图标的两个保护环为一较佳示范例，本发明并不以此数目为限。另外，图标的两个栅极单元亦为一较佳示范例，本发明并不以此数目为限。此外，在一半导体芯片中可具有多个如上述实施例所示的功率结场效应晶体管结构，彼此以并联连接，以利于大电流的处理。
综上所述，本发明提供一种功率结场效应晶体管(JFET)器件结构与制法，通过具深埋式栅极的结场效应晶体管(JFET)结构，使其电流在该深埋式栅极间，由下方的漏极区向上方的源极垂直流动，而其电流量则可由栅极与源极的压差来做调变，使该结场效应晶体管(JFET)器件得以处理大电流及高电压，进行一功率处理应用，另一方面，本发明的制法还引入一牺牲氧化层的概念，通过二次注入布植制造过程及四次光刻蚀刻制造过程即可获得该具深埋式栅极的结场效应晶体管(JFET)结构。
本发明已由上述实施例详细叙述而可由熟悉本领域的技术人员进行诸般修饰，但皆不脱离所附权利要求所欲保护的范围。
权利要求
1.一种制造结场效应晶体管结构的方法，其步骤包含(a)提供一衬底，其上具有一外延层；(b)注入一第一掺杂物，以形成一源极层于该外延层的表面；(c)形成一第一氧化层于该源极层上，并进行一第一次光刻蚀刻制造过程，部分蚀刻该第一氧化层，以形成一栅极总线开口、一栅极开口及一保护环开口；(d)通过该栅极总线开口、该栅极开口及该保护环开口，蚀刻该源极层及该外延层，以分别形成一栅极总线凹槽、一栅极凹槽及一保护环凹槽；(e)形成一牺牲氧化层于该栅极总线凹槽、该栅极凹槽及该保护环凹槽的侧壁及底面；(f)注入一第二掺杂物，以于该栅极总线凹槽、该栅极凹槽及该保护环凹槽下方的该外延层分别形成一栅极总线、一栅极及一保护环；(g)完全移除该第一氧化层及该牺牲氧化层，并形成一介电质层于该源极层上并填满该栅极总线凹槽、该栅极凹槽及该保护环凹槽；(h)进行一第二次光刻蚀刻制造过程，部分蚀刻该介电质层，以形成一栅极总线金属结开口及一源极金属结开口；以及(i)沉积一金属层，并进行一第三次光刻蚀刻制造过程，部分蚀刻该金属层，以形成一栅极总线金属层及一源极金属层，分别连接该栅极总线及该源极层。
2.如权利要求1所述的制造结场效应晶体管结构的方法，其特征在于该衬底为N+型硅衬底，而该外延层为N-型外延层，且该氧化层为场氧化层，而该介电质层为一沉积氧化层。
3.如权利要求1所述的制造结场效应晶体管结构的方法，其特征在于该第一掺杂物为N+型掺杂物，而第二掺杂物为P+型掺杂物。
4.如权利要求1所述的制造结场效应晶体管结构的方法，其特征在于该步骤(b)为一覆式注入工艺以及/或还包含一退火热处理工艺。
5.如权利要求1所述的制造结场效应晶体管结构的方法，其特征在于该步骤(f)还包含一退火热处理工艺。
6.如权利要求1所述的制造结场效应晶体管结构的方法，其特征在于该栅极下方的该衬底与该外延层构成一漏极区，而该栅极为具有两栅极单元的双栅极结构。
7.如权利要求1所述的制造结场效应晶体管结构的方法，其特征在于还包含步骤j)全面沉积一保护层；以及k)进行一第四次光刻蚀刻制造过程，部分蚀刻该保护层，以定义该栅极总线金属层及该源极金属层的一接触垫区。
8.如权利要求7所述的制造结场效应晶体管结构的方法，其特征在于该保护层为沉积氧化层或沉积氮化硅层。
9.一种结场效应晶体管结构，其包含一衬底；一外延层，形成于该衬底上，其中该外延层还具一栅极凹槽及一栅极总线凹槽；一栅极，形成于该外延层的该栅极凹槽底部；一栅极总线，形成于部分该外延层的该栅极总线凹槽底部，并连接至该栅极；一源极层，形成于该外延层表面；一介电质层，形成于该栅极凹槽、该栅极总线凹槽及该源极层之上，且具有一栅极总线金属结开口及一源极金属结开口；以及一栅极总线金属层及一源极金属层，形成于该介电质层上，并通过该栅极总线金属结开口及该源极金属结开口，分别与该栅极总线及该源极层连接。
10.如权利要求9所述的结场效应晶体管结构，其特征在于该栅极由P+型栅极注入层所构成，而该源极层为N+型源极注入层所构成。
11.如权利要求9所述的结场效应晶体管结构，其特征在于该栅极下方的该衬底与该外延层构成一漏极区，而该栅极为具有两相等且相互平行的栅极单元的双栅极结构。
12.如权利要求9所述的结场效应晶体管结构，其特征在于还包含一保护环，形成于该外延层内，其中该保护环为一P+型注入层。
13.如权利要求9所述的结场效应晶体管结构，其特征在于还包含一保护层，形成于该栅极总线金属层及该源极金属层之上，并定义有该栅极总线金属层及该源极金属层的一接触垫区开口。
全文摘要
一种功率结场效应晶体管结构及其制法，该功率结场效应晶体管包括衬底；外延层，形成于衬底上，其中外延层还具栅极凹槽及栅极总线凹槽；栅极，形成于外延层的栅极凹槽底部；栅极总线，形成于部分外延层的栅极总线凹槽底部，并连接至栅极；源极层，形成于外延层表面；介电质层，形成于栅极凹槽、栅极总线凹槽及源极层之上；以及栅极总线金属层及源极金属层，形成于介电质层上，分别与栅极总线及源极层连接，其主要通过形成具深埋式栅极的结场效应晶体管结构，使其电流在该深埋式栅极间，由下方的漏极区向上方的源极垂直流动，而其电流量则可由栅极与源极的压差来做调变，使该结场效应晶体管器件得以处理大电流及高电压，进行一功率处理应用。
文档编号H01L29/772GK1866478SQ20051007289
公开日2006年11月22日 申请日期2005年5月17日 优先权日2005年5月17日
发明者曾军, 孙伯益 申请人:达晶控股有限公司