TWI713218B - Semiconductor devices - Google Patents
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Abstract
Description
本發明是關於半導體製造技術,特別是有關於絕緣體上覆半導體裝置。 The present invention relates to semiconductor manufacturing technology, in particular to semiconductor-on-insulator devices.
半導體裝置包含基底以及設置於基底上方的電路組件,並且已經廣泛地用於各種電子產品,例如個人電腦、行動電話、數位相機及其他電子設備。半導體裝置的演進持續影響及改善人類的生活方式。 Semiconductor devices include a substrate and circuit components disposed above the substrate, and have been widely used in various electronic products, such as personal computers, mobile phones, digital cameras, and other electronic devices. The evolution of semiconductor devices continues to influence and improve human life styles.
半導體裝置通常包含隔離結構,以電性隔離形成於半導體基底上的裝置。隔離結構的設置可以藉由在半導體裝置中蝕刻出溝槽,然後在溝槽中形成絕緣材料。依照溝槽的深度,隔離結構可以分為淺溝槽隔離結構(Shallow Trench Isolation,STI)與深溝槽隔離結構(Deep Trench Isolation,DTI)。深度較淺的淺溝槽隔離結構常用於降低寄生電容,並在裝置之間提供較低水平的電壓隔離。另一方面,深溝槽隔離結構則具有較深的深度,以在共用同一半導體基底的不同類型積體電路之間提供隔離。 Semiconductor devices generally include isolation structures to electrically isolate devices formed on a semiconductor substrate. The isolation structure can be arranged by etching a trench in the semiconductor device, and then forming an insulating material in the trench. According to the depth of the trench, the isolation structure can be divided into Shallow Trench Isolation (STI) and Deep Trench Isolation (DTI). A shallow trench isolation structure with a shallow depth is often used to reduce parasitic capacitance and provide a lower level of voltage isolation between devices. On the other hand, the deep trench isolation structure has a deeper depth to provide isolation between different types of integrated circuits sharing the same semiconductor substrate.
然而,這些隔離結構雖大致符合需求,但仍無法在每個方面皆令人滿意,可能在某些情況下限制半導體裝置的效能,因此需要進一步改良半導體裝置和隔離結構,以使 得半導體裝置能有更廣泛的應用。 However, although these isolation structures generally meet the requirements, they are still not satisfactory in every aspect, and may limit the performance of the semiconductor device in some cases. Therefore, it is necessary to further improve the semiconductor device and the isolation structure to make Therefore, semiconductor devices can have a wider range of applications.
根據本發明的一些實施例,提供半導體裝置。此半導體裝置包含半導體層,設置於基底上方;摻雜區,設置於半導體層中;元件區,設置於摻雜區上,包含源極、汲極和閘極;第一隔離結構,設置於半導體層中且環繞摻雜區;第二隔離結構,環繞第一隔離結構且與第一隔離結構隔開;以及端子,設置於第一隔離結構和第二隔離結構之間,且與源極等電位。 According to some embodiments of the present invention, a semiconductor device is provided. The semiconductor device includes a semiconductor layer, which is disposed above a substrate; a doped region, which is disposed in the semiconductor layer; a device region, which is disposed on the doped region and includes a source electrode, a drain electrode and a gate electrode; a first isolation structure, which is disposed on the semiconductor layer In the layer and surrounding the doped region; a second isolation structure, surrounding the first isolation structure and separated from the first isolation structure; and a terminal, arranged between the first isolation structure and the second isolation structure and having the same potential as the source .
在一些實施例中,第一隔離結構和第二隔離結構係被半導體層的一部分隔開。 In some embodiments, the first isolation structure and the second isolation structure are separated by a portion of the semiconductor layer.
在一些實施例中,摻雜區包含鄰近端子的第一導電類型摻雜區與遠離端子的第二導電類型摻雜區,其中第一導電類型摻雜區與第二導電類型摻雜區具有不同導電類型。 In some embodiments, the doped region includes a doped region of the first conductivity type adjacent to the terminal and a doped region of the second conductivity type far away from the terminal, wherein the doped region of the first conductivity type and the doped region of the second conductivity type have different Conductivity type.
在一些實施例中,源極設置於第一導電類型摻雜區上方,且汲極設置於第二導電類型摻雜區上方。 In some embodiments, the source is disposed above the doped region of the first conductivity type, and the drain is disposed above the doped region of the second conductivity type.
在一些實施例中,半導體裝置更包含複數個第一元件區,設置於複數個第一摻雜區上;複數個第一隔離結構,設置於半導體層中,其中這些第一隔離結構的每一個各自環繞這些第一摻雜區的每一個。 In some embodiments, the semiconductor device further includes a plurality of first element regions disposed on the plurality of first doped regions; a plurality of first isolation structures disposed in the semiconductor layer, wherein each of the first isolation structures Each of these first doped regions is surrounded respectively.
在一些實施例中,第二隔離結構環繞這些第一隔離結構,且與這些第一隔離結構的每一個隔開。 In some embodiments, the second isolation structure surrounds the first isolation structures and is separated from each of the first isolation structures.
在一些實施例中,半導體裝置更包含額外的第二隔離結構,與第二隔離結構並置。 In some embodiments, the semiconductor device further includes an additional second isolation structure juxtaposed with the second isolation structure.
在一些實施例中,半導體裝置更包含複數個第二元件區,設置於複數個第二摻雜區上且被額外的第二隔離結構環繞,其中這些第二元件區與這些第一元件區具有不同導電類型。 In some embodiments, the semiconductor device further includes a plurality of second device regions disposed on the plurality of second doped regions and surrounded by additional second isolation structures, wherein the second device regions and the first device regions have Different conductivity types.
在一些實施例中,半導體裝置更包含複數個端子,分別設置於額外的第二隔離結構和該第二隔離結構中。 In some embodiments, the semiconductor device further includes a plurality of terminals, which are respectively disposed in the additional second isolation structure and the second isolation structure.
在一些實施例中,半導體裝置更包含絕緣層,設置於基底與半導體層之間,且第一隔離結構和第二隔離結構的底部與該絕緣層接觸。 In some embodiments, the semiconductor device further includes an insulating layer disposed between the substrate and the semiconductor layer, and the bottoms of the first isolation structure and the second isolation structure are in contact with the insulating layer.
100、200、300、400、500‧‧‧半導體裝置 100, 200, 300, 400, 500‧‧‧ Semiconductor device
102‧‧‧基底 102‧‧‧Base
104‧‧‧絕緣層 104‧‧‧Insulation layer
106‧‧‧半導體層 106‧‧‧Semiconductor layer
108、108A、108B、108C、108D‧‧‧第一導電類型摻雜區 108, 108A, 108B, 108C, 108D‧‧‧First conductivity type doped regions
109、109A、109B、109C、109D‧‧‧摻雜區 109, 109A, 109B, 109C, 109D‧‧‧ doped area
110、110A、110B、110C、110D‧‧‧第二導電類型摻雜區 110, 110A, 110B, 110C, 110D‧‧‧Second conductivity type doped regions
112‧‧‧場氧化層 112‧‧‧Field Oxide
114‧‧‧汲極 114‧‧‧Dip pole
116‧‧‧源極 116‧‧‧Source
118‧‧‧體接觸件 118‧‧‧Body contact
120‧‧‧閘極介電層 120‧‧‧Gate Dielectric Layer
122‧‧‧閘極電極層 122‧‧‧Gate electrode layer
124、124A、124B、124C、124D‧‧‧元件區 124, 124A, 124B, 124C, 124D‧‧‧Component area
126、126A、126B‧‧‧端子 126, 126A, 126B‧‧‧Terminal
130、130A、130B、130C、130D‧‧‧第一隔離結構 130, 130A, 130B, 130C, 130D‧‧‧First isolation structure
140‧‧‧第二隔離結構 140‧‧‧Second isolation structure
D1‧‧‧第一間距 D1‧‧‧First pitch
D2‧‧‧第二間距 D2‧‧‧Second pitch
D3‧‧‧第三間距 D3‧‧‧third pitch
W1‧‧‧第一寬度 W1‧‧‧First width
W2‧‧‧第二寬度 W2‧‧‧Second width
A、B、C‧‧‧箭號 A, B, C‧‧‧Arrow
以下將配合所附圖式詳述本揭露之實施例。應注意的是,依據產業上的標準做法,各種特徵並未按照比例繪製且僅用以說明例示。事實上,可能任意地放大或縮小元件的尺寸,以清楚地表現出本揭露的特徵。 The embodiments of the disclosure will be described in detail below in conjunction with the accompanying drawings. It should be noted that, according to industry standard practices, various features are not drawn to scale and are only used for illustration. In fact, it is possible to arbitrarily enlarge or reduce the size of the element to clearly show the features of the present disclosure.
第1A~1D圖是根據一些實施例繪示在製造半導體裝置的各個階段之剖面示意圖。 1A to 1D are schematic cross-sectional diagrams illustrating various stages of manufacturing a semiconductor device according to some embodiments.
第1E圖是根據一些實施例繪示半導體裝置的上視示意圖。 FIG. 1E is a schematic top view of a semiconductor device according to some embodiments.
第2A~2C圖是根據一些其他實施例繪示在製造半導體裝置的各個階段之剖面示意圖。 2A to 2C are schematic cross-sectional views showing various stages of manufacturing a semiconductor device according to some other embodiments.
第2D圖是根據一些其他實施例繪示半導體裝置的上視示意圖。 FIG. 2D is a schematic top view of a semiconductor device according to some other embodiments.
第3~5圖是根據另一些其他實施例繪示半導體裝置的上視示意圖。 FIGS. 3 to 5 are schematic top views of semiconductor devices according to other embodiments.
以下概述一些實施例,以使得本發明所屬技術領域中具有通常知識者可以更容易理解本發明。然而,這些實施例只是範例,並非用於限制本發明。可以理解的是,本發明所屬技術領域中具有通常知識者可以根據需求調整以下描述的實施例,例如改變製程順序及/或包含比在此描述的更多或更少步驟。 Some embodiments are summarized below, so that persons with ordinary knowledge in the technical field of the present invention can understand the present invention more easily. However, these embodiments are only examples and are not used to limit the present invention. It can be understood that those with ordinary knowledge in the technical field of the present invention can adjust the embodiments described below according to requirements, such as changing the process sequence and/or including more or less steps than those described herein.
此外,可以在以下敘述的實施例的基礎上添加其他元件。舉例來說,「在第一元件上形成第二元件」的描述可能包含第一元件與第二元件直接接觸的實施例,也可能包含第一元件與第二元件之間具有其他元件,使得第一元件與第二元件不直接接觸的實施例,並且第一元件與第二元件的上下關係可能隨著裝置在不同方位操作或使用而改變。 In addition, other elements may be added to the embodiments described below. For example, the description of "form the second element on the first element" may include an embodiment in which the first element is in direct contact with the second element, or may include other elements between the first element and the second element, so that the An embodiment where one element does not directly contact the second element, and the up-down relationship between the first element and the second element may change as the device is operated or used in different orientations.
以下根據本發明的一些實施例,描述半導體裝置及其製造方法,且特別適用於具有對基底施加背部偏壓之應用的半導體裝置。本發明在半導體裝置設置兩隔離結構,並於兩隔離結構之間設置與源極等電位的端子,以消除在隔離結構外部施加之電壓對隔離結構內部元件的干擾,進而提升可靠度和安全操作區間。 Hereinafter, according to some embodiments of the present invention, a semiconductor device and a manufacturing method thereof will be described, and it is particularly suitable for a semiconductor device having an application of applying a back bias to a substrate. The present invention provides two isolation structures in the semiconductor device, and provides a terminal with the same potential as the source between the two isolation structures to eliminate the interference of the voltage applied outside the isolation structure to the internal components of the isolation structure, thereby improving reliability and safe operation Interval.
為了方便說明,下文將以具有絕緣體上覆半導體(Semiconductor on Insulator,SOI)基底之橫向擴散金屬氧化物半導體(Laterally Diffused Metal Oxide Semiconductor,LDMOS)裝置描述本發明,但本發明不限於此。本發明也可應用於其他類型的金屬氧化物半導體裝置,例如垂直擴散金屬 氧化物半導體(Vertically Diffused Metal Oxide Semiconductor,VDMOS)裝置、增強型擴散金屬氧化物半導體(Extended-Drain Metal Oxide Semiconductor,EDMOS)裝置或類似的金屬氧化物半導體裝置。此外,本發明也可應用於其他類型的半導體裝置,例如二極體(diode)、絕緣閘極雙極性電晶體(Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT)、雙極性接面型電晶體(Bipolar Junction Transistor,BJT)或類似的半導體裝置。 For the convenience of description, the invention will be described below with a Laterally Diffused Metal Oxide Semiconductor (LDMOS) device with a Semiconductor on Insulator (SOI) substrate, but the invention is not limited thereto. The present invention can also be applied to other types of metal oxide semiconductor devices, such as vertical diffusion metal An oxide semiconductor (Vertically Diffused Metal Oxide Semiconductor, VDMOS) device, an enhanced diffused metal oxide semiconductor (Extended-Drain Metal Oxide Semiconductor, EDMOS) device, or a similar metal oxide semiconductor device. In addition, the present invention can also be applied to other types of semiconductor devices, such as diodes, insulated gate bipolar transistors (Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT), and bipolar junction transistors (Bipolar Junction Transistor, BJT) or similar semiconductor devices.
第1A~1D圖是根據一些實施例繪示在製造半導體裝置100的各個階段之剖面示意圖。如第1A圖所示,半導體裝置100包含基底102。可以使用任何適用於半導體裝置100的基底材料。舉例來說,基底102可以是塊體(bulk)半導體基底或包含由不同材料形成的複合基底,並且可以將基底102摻雜(例如使用p型或n型摻質)或不摻雜。在一些實施例中,基底102可以包含元素半導體基底、化合物半導體基底或合金半導體基底。舉例來說,基底102可以包含矽基底、鍺基底、矽鍺基底、碳化矽(Silicon Carbide,SiC)基底、氮化鋁(Aluminium Nitride,AlN)基底、氮化鎵(Gallium Nitride,GaN)基底、類似的材料或前述之組合。
1A to 1D are schematic cross-sectional views showing various stages of manufacturing the
然後根據一些實施例,在基底102上方設置絕緣層104,並且在絕緣層104上方設置半導體層106。在一些實施例中,基底102、絕緣層104和半導體層106的形成可以藉由氧離子佈植隔離(Separation by Ion Implantation of Oxygen,SIMOX)製程、氧電漿佈植隔離(Separation by Plasma
Implantation of Oxygen,SPIMOX)製程、晶圓接合(wafer bonding)製程、磊晶層轉移(Epitaxial Layer Transfer,ELTRAN)製程、類似的製程或前述之組合。
Then according to some embodiments, an insulating
在使用氧離子佈植隔離(SIMOX)製程的一些實施例中,使用具有高能量的氧離子束將氧離子植入晶圓,使氧離子與晶圓反應,並且藉由高溫退火(anneal)製程在晶圓中形成氧化層,即絕緣層104,其中在絕緣層104下方和在絕緣層104上方的晶圓的部分分別形成基底102和半導體層106。在使用氧電漿佈植隔離(SPIMOX)製程的一些實施例中,可以使用類似於氧離子佈植隔離製程的方式,但使用電漿取代氧離子束,以提升產量並降低成本。
In some embodiments of the SIMOX process, a high-energy oxygen ion beam is used to implant oxygen ions into the wafer to cause the oxygen ions to react with the wafer, and a high-temperature annealing (anneal) process An oxide layer, that is, an insulating
在使用晶圓接合製程的一些實施例中,直接將絕緣層104接合至半導體層106,再將兩者接合至基底102,並且可以在接合至基底102之前,將半導體層106薄化。
In some embodiments using a wafer bonding process, the insulating
在使用磊晶層轉移(ELTRAN)製程的一些實施例中,在晶種層(seed layer,未繪示)上磊晶成長半導體層106,再將半導體層106氧化以形成絕緣層104。在將絕緣層104接合至基底102之後,移除晶種層。
In some embodiments using an epitaxial layer transfer (ELTRAN) process, a
在一些實施例中,絕緣層104可以包含埋藏介電層,例如埋藏氧化物(Buried oxide,BOX)、埋藏氧化矽(Silicon Oxide,SiO2)、埋藏氮化矽(Silicon Nitride,SiN)、類似的材料或前述之組合。
In some embodiments, the insulating
在一些實施例中,可以使用p型或n型摻質對半導體層106進行摻雜。舉例來說,p型摻質可以是硼、鋁、鎵、
BF2、類似的材料或前述之組合,且n型摻質可以是氮、磷、砷、銻、類似的材料或前述之組合。在一些實施例中,半導體層106的摻雜可以藉由在磊晶成長期間原位(in-situ)摻雜及/或藉由在磊晶成長之後使用p型或n型摻質佈植(implanting)。
In some embodiments, the
然後如第1B圖所示,在半導體層106中設置摻雜區109,其中摻雜區109包含第一導電類型摻雜區108和第二導電類型摻雜區110,且第一導電類型摻雜區108和第二導電類型摻雜區110具有不同導電類型。在一些實施例中,橫向擴散金屬氧化物半導體裝置為p型(LDPMOS),其中第一導電類型摻雜區108為n型且第二導電類型摻雜區110為p型。在另一些實施例中,橫向擴散金屬氧化物半導體裝置為n型(LDNMOS),其中第一導電類型摻雜區108為p型且第二導電類型摻雜區110為n型。
Then, as shown in FIG. 1B, a doped
在一些實施例中,可以在摻雜第一導電類型摻雜區108和第二導電類型摻雜區110之前,形成遮罩層(未繪示)並將其圖案化,以覆蓋半導體裝置100之欲保護避免佈植的區域,並達到對第一導電類型摻雜區108和第二導電類型摻雜區110的不同佈植步驟。在一些實施例中,遮罩層可以是光阻,例如正型光阻或負型光阻。在另一些實施例中,遮罩層可以是硬遮罩,例如氧化矽、氮化矽、氮氧化矽、碳化矽、氮碳化矽(silicon carbon nitride)、類似的材料或前述之組合。在一些實施例中,遮罩層的形成可以包含旋轉塗佈(spin-on coating)、物理氣相沉積(Physical Vapor Deposition,PVD)、化學氣相沉積(Chemical Vapor Deposition,CVD)、原子層沉
積(Atomic Layer Deposition,ALD)、類似的沉積製程或前述之組合,並且可以使用合適的微影(lithography)技術將遮罩層圖案化。
In some embodiments, a mask layer (not shown) may be formed and patterned before doping the first conductivity type doped
然後對半導體層106之未被遮罩層覆蓋的部分進行佈植,以分別形成第一導電類型摻雜區108和第二導電類型摻雜區110。第一導電類型摻雜區108和第二導電類型摻雜區110的位置係根據預定設置元件區的位置調整。第一導電類型摻雜區108和第二導電類型摻雜區110的摻雜濃度高於半導體層106的摻雜濃度。接著移除遮罩層。
Then, the portions of the
然後如第1C圖所示,在第一導電類型摻雜區108設置源極116和體接觸件(body contact)118,並且在第二導電類型摻雜區110設置場氧化層112和汲極114。在一些實施例中,源極116、汲極114和體接觸件118的形成可以使用離子佈植製程配合遮罩層(未繪示)。遮罩層的材料和形成方式可以如前所述,但也可以使用其他材料和形成方式。在一些實施例中,可以藉由一道離子佈植製程同時形成源極116和汲極114,並且可以藉由另一道離子佈植製程形成體接觸件118。在另一些實施例中,可以藉由不同離子佈植製程分別形成源極116、汲極114和體接觸件118。
Then, as shown in FIG. 1C, a
源極116和汲極114具有相同的導電類型,而體接觸件118具有另一導電類型。在橫向擴散金屬氧化物半導體裝置為p型(LDPMOS)的實施例中,源極116和汲極114為p型且體接觸件118為n型。在橫向擴散金屬氧化物半導體裝置為n型(LDNMOS)的實施例中,源極116和汲極114為n型且體接觸件
118為p型。
The
源極116、汲極114和體接觸件118的摻雜濃度大於第一導電類型摻雜區108和第二導電類型摻雜區110的摻雜濃度。
The doping concentration of the
接著在第二導電類型摻雜區110上設置場氧化(field oxide)層112。在一些實施例中,場氧化層112的形成可以使用熱氧化法(Thermal Oxidation)或類似的製程。在另一些實施例中,場氧化層112的形成也可以使用淺溝槽隔離(Shallow Trench Isolation,STI)製程或類似的製程。在一些實施例中,場氧化層112抵接源極116,但場氧化層112也可以與源極116之間具有間隙。另外,在一些實施例中,場氧化層112的深度小於源極116的深度,但場氧化層112的深度也可以大於或等於源極116的深度。
Next, a
然後在場氧化層112和源極116之間設置閘極介電層120,並且在場氧化層112和閘極介電層120上方設置閘極電極層122。在一些實施例中,閘極介電層120的材料可以包含氧化矽、氮化矽、氮氧化矽、類似的材料或前述之組合。在一些實施例中,閘極介電層120的形成可以使用氧化製程、沉積製程、類似的製程或前述之組合。舉例來說,氧化製程包含乾式氧化製程或濕式氧化製程,且沉積製程包含化學沉積製程。在一些實施例中,閘極介電層120的形成可以使用熱氧化法或類似的製程。
Then, a
在一些實施例中,閘極介電層120的材料可以包含高介電常數(high-k)介電材料,亦即介電常數高於3.9的介電
材料。舉例來說,閘極介電層120的材料可以包含HfO2、LaO2、TiO2、ZrO2、Al2O3、Ta2O3、HfZrO、ZrSiO2、HfSiO4、類似的高介電常數材料或前述之組合。閘極介電層120的形成可以藉由物理氣相沉積、化學氣相沉積、原子層沉積、類似的沉積製程或前述之組合。
In some embodiments, the material of the
然後在場氧化層112和閘極介電層120上方沉積導電材料,並對沉積的導電材料和閘極介電層120執行圖案化製程,以在預期的位置形成具有共同側壁的閘極介電層120和閘極電極層122。
Then, a conductive material is deposited on the
在一些實施例中,導電材料的沉積製程可以包含物理氣相沉積、化學氣相沉積、原子層沉積、分子束磊晶(Molecular Beam Epitaxy,MBE)、液相磊晶(Liquid Phase Epitaxy,LPE)、氣相磊晶(Vapor Phase Epitaxy,VPE)、類似的製程或前述之組合。在一些實施例中,導電材料可以包含金屬、金屬矽化物、半導體材料、類似的材料或前述之組合。舉例來說,金屬可以是金(Au)、鎳(Ni)、鉑(Pt)、鈀(Pd)、銥(Ir)、鈦(Ti)、鉻(Cr)、鎢(W)、鋁(Al)、銅(Cu)、類似的材料、前述之合金、前述之多層結構或前述之組合,並且半導體材料可以包含多晶矽(poly-Si)或多晶鍺(poly-Ge)。 In some embodiments, the conductive material deposition process may include physical vapor deposition, chemical vapor deposition, atomic layer deposition, molecular beam epitaxy (MBE), and liquid phase epitaxy (LPE). , Vapor Phase Epitaxy (VPE), similar processes or a combination of the foregoing. In some embodiments, the conductive material may include metal, metal silicide, semiconductor material, similar materials, or a combination of the foregoing. For example, the metal can be gold (Au), nickel (Ni), platinum (Pt), palladium (Pd), iridium (Ir), titanium (Ti), chromium (Cr), tungsten (W), aluminum (Al ), copper (Cu), similar materials, the foregoing alloys, the foregoing multilayer structure, or a combination of the foregoing, and the semiconductor material may include polycrystalline silicon (poly-Si) or polycrystalline germanium (poly-Ge).
雖然場氧化層112、源極116、汲極114、體接觸件118、閘極介電層120和閘極電極層122的形成順序描述如上,但本發明不限於此,這些元件也可以採用其他形成順序。此外,源極116、汲極114、體接觸件118、閘極介電層120和閘極電極層122的形狀不限於圖式中的垂直側壁,也可以是傾斜
的側壁或具有其他形貌的側壁。閘極電極層122的上表面不限於圖式中的階梯狀,也可以是大致上平坦的上表面或具有其他形貌的上表面。
Although the formation sequence of the
然後如第1D圖所示,設置第一隔離結構130。在一些實施例中,第一隔離結構130可以包含深溝槽隔離(Deep Trench Isolation,DTI)結構。在一些實施例中,設置遮罩層(未繪示)以露出第一隔離結構130的預定位置,並且藉由蝕刻製程將半導體層106蝕刻出溝槽(未繪示),然後藉由沉積製程在溝槽中沉積絕緣材料,以形成第一隔離結構130。在一些實施例中,溝槽可以穿過半導體層106且露出絕緣層104,使得第一隔離結構130的底部接觸絕緣層104或深入絕緣層104中。
Then, as shown in FIG. 1D, a
遮罩層的材料和形成方式可以如前所述,但也可以使用其他材料和形成方式。在一些實施例中,蝕刻製程可以使用乾式蝕刻製程、濕式蝕刻製程或前述之組合,例如反應性離子蝕刻(Reactive Ion Etch,RIE)、感應耦合式電漿(Inductively-Coupled Plasma,ICP)蝕刻、中子束蝕刻(Neutral Beam Etch,NBE)、電子迴旋共振式(Electron Cyclotron Resonance,ERC)蝕刻、類似的蝕刻製程或前述之組合。在一些實施例中,沉積製程可以包含金屬有機化學氣相沉積(Metal-Organic CVD,MOCVD)、原子層沉積、分子束磊晶、液相磊晶、類似的製程或前述之組合。在一些實施例中,絕緣材料可以包含例如氧化矽之氧化物、例如氮化矽之氮化物、類似的材料或前述之組合。此外,第一隔離結構130不限於垂直側壁,也可以具有傾斜側壁或其他形貌的側壁。
The material and formation method of the mask layer can be as described above, but other materials and formation methods can also be used. In some embodiments, the etching process can use a dry etching process, a wet etching process, or a combination of the foregoing, such as reactive ion etching (RIE), inductively-coupled plasma (ICP) etching , Neutral Beam Etch (NBE), Electron Cyclotron Resonance (ERC) etching, similar etching process or a combination of the foregoing. In some embodiments, the deposition process may include Metal-Organic CVD (MOCVD), atomic layer deposition, molecular beam epitaxy, liquid phase epitaxy, similar processes, or a combination of the foregoing. In some embodiments, the insulating material may include an oxide such as silicon oxide, a nitride such as silicon nitride, similar materials, or a combination of the foregoing. In addition, the
在一些實施例中,第一隔離結構130與元件區124(如第1E圖所示)之間的最小間距為第一間距D1。在一些實施例中,如第1D圖所示,第一間距D1可以是第一隔離結構130與汲極114之間的距離。但本發明不限於此,第一間距D1也可以是第一隔離結構130與其他元件之間的距離。舉例來說,第一間距D1可以是第一隔離結構130與體接觸件118之間的距離。若第一間距D1太小,可能會使在第一隔離結構130外側施加的電壓影響第一隔離結構130內部的元件區124。若第一間距D1太大,則會造成不必要的空間浪費。可以調整第一間距D1的範圍,以降低元件區124受到的干擾,同時使半導體裝置100具有較小的體積。
In some embodiments, the minimum distance between the
第1E圖是根據一些實施例繪示半導體裝置100的上視示意圖。如第1E圖所示,半導體裝置100包含元件區124,其中元件區124包含如第1C~1D圖所示之場氧化層112、源極116、汲極114、體接觸件118、閘極介電層120和閘極電極層122。此外,第一隔離結構130環繞包含第一導電類型摻雜區108和第二導電類型摻雜區110的摻雜區109,並且與元件區124以一部分的半導體層106隔開。
FIG. 1E is a schematic top view of the
雖然從第一隔離結構130在上視圖顯示為長方形,但本發明不限於此,第一隔離結構130也可以是其他形狀,例如圓形、橢圓形或其他的環繞(loop)形狀。
Although the
在半導體裝置100用於例如超音波醫療應用等用途時,需給予基底102背部偏壓,然而,此偏壓會在第一隔離結構130兩側之絕緣層104的表面耦合出額外電荷,造成半導
體裝置100電場分布改變,亦即背側偏壓效應(back side bias effect),如箭號A和B所示。此外,第一隔離結構130也有水平方向的耦合效應(lateral coupling),如箭號C所示,造成漏電流數量級升高、熱載子注入惡化等問題,進而限縮半導體裝置100的安全操作區間。因此,本發明進一步提供以下的實施例,以改善上述問題。
When the
第2A~2C圖是根據一些其他實施例繪示半導體裝置200的剖面示意圖。第2A圖接續第1C圖的製程步驟,為簡化起見,以下以相同符號描述相同元件。這些元件的形成方式和材料如前所述,故不再贅述。相較於第1A~1E圖的實施例而言,以下的實施例將增設額外的元件,以提升半導體裝置的可靠度。
2A to 2C are schematic cross-sectional views of the
如第2A圖所示,在半導體裝置200的半導體層106中設置端子126。在一些實施例中,端子126的形成可以使用離子佈植製程配合遮罩層(未繪示)。遮罩層的材料和形成方式可以如前所述,但也可以使用其他材料和形成方式。
As shown in FIG. 2A, a terminal 126 is provided in the
在一些實施例中,可以在設置源極116、汲極114和體接觸件118時設置端子126。舉例來說,在一些實施例中,可以藉由一道離子佈植製程形成端子126、源極116和汲極114,並且藉由另一道離子佈植製程形成體接觸件118。在另一些實施例中,可以藉由一道離子佈植製程形成源極116和汲極114,並且藉由另一道離子佈植製程形成端子126和體接觸件118。但本發明不限於此,也可以藉由多道離子佈植製程分別形成源極116、汲極114、體接觸件118和端子126。在又
另一些實施例中,可以在形成源極116、汲極114、體接觸件118、場氧化層112、閘極介電層120和閘極電極層122之後,使用額外的遮罩層和離子佈植製程形成端子126。也可以採用其他的形成順序。
In some embodiments, the terminal 126 may be provided when the
端子126的摻雜濃度大於第一導電類型摻雜區108和第二導電類型摻雜區110的摻雜濃度,且端子126的摻雜濃度可以相同或不同於源極116、汲極114和體接觸件118的摻雜濃度。可以調整端子126的摻雜濃度,使端子126在具有良好導電性能的同時,其內的摻質對周圍元件的影響保持較小。可以調整端子126的寬度,使端子126可以良好接合於端子126的外接導電結構的同時,不造成半導體裝置200體積增加。
The doping concentration of the terminal 126 is greater than the doping concentration of the first conductivity type doped
如第2A圖所示,在一些實施例中,端子126鄰近第一導電類型摻雜區108且遠離第二導電類型摻雜區110。但本發明不限於此,在另一些實施例中,端子126也可以設置成鄰近第二導電類型摻雜區110且遠離第一導電類型摻雜區108或設置於其他位置。
As shown in FIG. 2A, in some embodiments, the terminal 126 is adjacent to the first conductivity type doped
然後如第2B圖所示,在半導體層106中設置第一隔離結構130和第二隔離結構140。在一些實施例中,第一隔離結構130和第二隔離結構140可以各自獨立地包含深溝槽隔離結構。如第2B圖所示,第一隔離結構130和第二隔離結構140被半導體層106的一部分隔開,且端子126位於第一隔離結構130和第二隔離結構140之間的半導體層106上。
Then, as shown in FIG. 2B, a
第二隔離結構140的材料和形成方式可以選用如前所述之第一隔離結構130的材料和形成方式,但第一隔離結
構130和第二隔離結構140可以各自獨立地使用相同或不同材料和形成方式。第一隔離結構130的寬度W1和第二隔離結構140的寬度W2可以相同或不同。在一些實施例中,可以同時形成第一隔離結構130和第二隔離結構140,且第一隔離結構130和第二隔離結構140具有相同材料。但本發明不限於此,可以在形成第一隔離結構130之前或之後形成第二隔離結構140。此外,第一隔離結構130和第二隔離結構140不限於圖式中的垂直側壁,也可以具有傾斜側壁或其他形貌的側壁,且第一隔離結構130和第二隔離結構140可以具有相同或不同形貌的側壁。
The material and formation method of the
如前所述,在一些實施例中,用於形成第一隔離結構130和第二隔離結構140的溝槽可以穿過半導體層106且露出絕緣層104,使得第一隔離結構130和第二隔離結構140的底部可以各自獨立地接觸絕緣層104或深入絕緣層104內。
As mentioned above, in some embodiments, the trenches used to form the
在一些實施例中,第一隔離結構130和第二隔離結構140可以在不同位置具有相同或不同的間距。第一隔離結構130和第二隔離結構140之間的最小間距為第二間距D2。
In some embodiments, the
在一些實施例中,第一隔離結構130與元件區124(如第2D圖所示)之間的最小間距為第三間距D3。在一些實施例中,如第2B圖所示,第三間距D3可以是第一隔離結構130與汲極114之間的距離。但本發明不限於此,第三間距D3也可以是第一隔離結構130與其他元件之間的距離。舉例來說,第三間距D3可以是第一隔離結構130與體接觸件118之間的距離。
In some embodiments, the minimum distance between the
如第2C圖所示,將端子126和源極116共接,使兩者等電位。由於端子126和源極116分別設置於第一隔離結構130的內外兩側,將端子126和源極116設置成等電位可以使第一隔離結構130的內外兩側等電位,藉此可以消除在第一隔離結構130外側施加的電壓對第一隔離結構130內側的元件區124造成的干擾。因此,可以降低漏電流並且改善熱載子注入效應,提升半導體裝置200的可靠度和安全操作區間。
As shown in FIG. 2C, the terminal 126 and the
此外,在只有第一隔離結構130的半導體裝置100中,為了減少元件區124受到的干擾,會使第一隔離結構130與元件區124隔開。但在半導體裝置200中,由於增設第二隔離結構140和與源極共接的端子126可以降低元件區124受到的干擾,可以縮短第一隔離結構130與元件區124之間的最小間距(亦即第三間距D3)。換句話說,相較於僅設置第一隔離結構130的半導體裝置100,半導體裝置200因為具有第二隔離結構140和端子126,半導體裝置200的第三間距D3可以小於半導體裝置200的第一間距D1。
In addition, in the
在一些實施例中,在基底102施加-180伏特(V)的偏壓下,相較於未接地,在將第一隔離結構130外側之基底102接地的條件下,閘極電流(Ig)的最大值可以降低約37%,顯示熱載子注入效應獲得明顯改善。另外,在一些實施例中,在將第一隔離結構130外側之基底102接地條件下,開啟狀態的崩潰電壓可以提升約10~30V,顯示半導體裝置200的安全操作區間亦獲得改善。
In some embodiments, when the
第2D圖是根據一些實施例繪示半導體裝置200的
上視示意圖。如第2D圖所示,第一隔離結構130環繞包含第一導電類型摻雜區108和第二導電類型摻雜區110的摻雜區109以及元件區124,且第二隔離結構140環繞第一隔離結構130,其中第二隔離結構140與第一隔離結構130被半導體層106的一部分隔開。雖然從第一隔離結構130和第二隔離結構140從上視示意圖觀之為長方形,但本發明不限於此,第一隔離結構130和第二隔離結構140也可以是其他形狀,例如圓形、橢圓形或其他的環繞形狀,且第一隔離結構130和第二隔離結構140可以具有相同或不同的形狀。
FIG. 2D illustrates the
此外,第1A~2D圖的描述係在形成元件之後設置隔離結構,亦即半導體裝置100和200的形成順序係提供基底102、絕緣層104和半導體層106,然後依序形成摻雜區109、元件區124以及兩隔離結構(第一隔離結構130和第二隔離結構140),但本發明不限於此。舉例來說,也可以在形成隔離結構之後設置元件,亦即提供基底102、絕緣層104和半導體層106,然後依序形成兩隔離結構(第一隔離結構130和第二隔離結構140)、摻雜區109和元件區124。
In addition, the description of FIGS. 1A to 2D is that the isolation structure is set after the element is formed, that is, the formation sequence of the
本發明之第一隔離結構130和第二隔離結構140亦可應用於具有多個元件區的半導體裝置。以下根據一些實施例描述具有多個元件區的半導體裝置的範例配置。為簡化起見,將以相同符號描述相同元件,並在部分元件符號添加A、B、C和D的標示以區別。這些元件的形成方式和材料如前所述,故不再贅述。
The
第3圖是根據一些實施例繪示半導體裝置300的上
視示意圖。第3圖描述包含具有相同導電類型的元件區的範例配置。在一些實施例中,如第3圖所示,半導體裝置300包含具有相同導電類型的元件區124A和124B。元件區124A和124B可以具有如前所述之元件區124的配置,舉例來說,元件區124A和124B可以包含場氧化層112、源極116、汲極114、體接觸件118、閘極介電層120和閘極電極層122,但元件區124A和124B可以具有相同或不同的元件配置。
FIG. 3 shows the top of the
在一些實施例中,半導體裝置300包含摻雜區109A和109B,其中摻雜區109A包含第一導電類型摻雜區108A和第二導電類型摻雜區130A,以及摻雜區109B包含第一導電類型摻雜區108B和第二導電類型摻雜區130B。在一些實施例中,元件區124A和124B分別設置於摻雜區109A和109B上方。在一些實施例中,半導體裝置300包含第一隔離結構130A和130B,以分別環繞摻雜區109A和109B。
In some embodiments, the
如前所述,在一些實施例中,元件區124A和124B具有相同導電類型,因此可以設置一個端點126同時連接元件區124A和124B中的源極,並且設置一個第二隔離結構140同時環繞第一隔離結構130A和130B,以減少製程步驟並且降低成本。但本發明不限於此,也可以設置兩個端子126以分別連接元件區124A和124B中的源極,並且設置兩個第二隔離結構140以分別環繞第一隔離結構130A和130B。
As mentioned above, in some embodiments, the
根據一些實施例,如第3圖所示,端子126鄰近第一隔離結構130A,但本發明不限於此,舉例來說,端子126也可以設置於第一隔離結構130A和130B之間或設置成鄰近第一
隔離結構130B。此外,摻雜區109A和109B也可以具有相同或不同配置,舉例來說,第一導電類型108A和108B位於第一隔離結構130A和130B的不同側。
According to some embodiments, as shown in FIG. 3, the terminal 126 is adjacent to the
第4圖是根據一些實施例繪示半導體裝置400的上視示意圖。第4圖描述包含具有不同導電類型的元件區的範例配置。第4圖與第3圖的配置相似,但第4圖中的元件區124A和124B具有不同導電類型,其他元件可以參考第3圖及相關的描述。半導體裝置400包含兩個端子126A和126B以分別連接元件區124A和124B中的源極,且半導體裝置400包含並置的兩個第二隔離結構140,其中兩個端子126A和126B分別位於兩個第二隔離結構140中。
FIG. 4 is a schematic top view of a
根據一些實施例,如第4圖所示,端子126A和126B分別位於第一隔離結構130A和130B的同側,但本發明不限於此,舉例來說,可以將端子126A和126B設置於第一隔離結構130A和130B之間或分別設置於第一隔離結構130A和130B的相反側。此外,兩個第二隔離結構140不限於並置,也可以具有間隙,且可以具有相同或不同的形貌。
According to some embodiments, as shown in FIG. 4, the
第5圖是根據一些實施例繪示半導體裝置500的上視示意圖。第5圖描述包含具有相同和不同導電類型的元件區的範例配置。在一些實施例中,半導體裝置500包含具有相同導電類型的第一元件區(又可稱為元件區)124A和124B以及具有不同導電類型的第二元件區(又可稱為元件區)124C和124D,並且包含兩個端子126A和126B以分別連接第一元件區124A和124B中的源極以及第二元件區124C和124D中的源極。
此外,半導體裝置500包含並置的兩個第二隔離結構140,其中兩個端子126A和126B分別位於兩個第二隔離結構140中。
FIG. 5 is a schematic top view of a
如上所述,元件區124A、124B、124C和124D、端子126A和126B、摻雜區109A、109B、109C和109D、第一導電類型摻雜區108A、108B、108C和108D、第二導電類型摻雜區110A、110B、110C和110D、第一隔離結構130A、130B、130C和130D的配置不限於半導體裝置500的範例形狀和配置,這些元件也可以具有不同位置和形狀,並且可以設置額外的元件。舉例來說,在一些實施例中,可以使用四個第二隔離結構140以隔開元件區124A、124B、124C和124D,並且可以設置四個端子以分別連接元件區124A、124B、124C和124D。
As described above, the
根據本發明的一些實施例,在半導體裝置設置第一隔離結構和第二隔離結構,並且在兩者之間設置與源極共接的端子,可以使第一隔離結構的內外兩側等電位,藉此消除在第一隔離結構外部施加的電壓對第一隔離結構內部的元件造成的干擾,因此可以降低漏電流並且改善熱載子注入效應,進而提升半導體裝置的可靠度並且擁有更大的安全操作區間。 According to some embodiments of the present invention, the first isolation structure and the second isolation structure are provided in the semiconductor device, and a terminal common to the source is provided between the two, so that the inner and outer sides of the first isolation structure can be equipotential. This eliminates the interference caused by the voltage applied outside the first isolation structure to the components inside the first isolation structure, thereby reducing leakage current and improving the hot carrier injection effect, thereby enhancing the reliability of the semiconductor device and having greater safety Operating interval.
雖然本發明已以多個實施例描述如上,但這些實施例並非用於限定本發明。本發明所屬技術領域中具有通常知識者應可理解,他們能以本發明實施例為基礎,做各式各樣的改變、取代和替換,以達到與在此描述的多個實施例相同的目的及/或優點。本發明所屬技術領域中具有通常知識者 也可理解,此類修改或設計並未悖離本發明的精神和範圍。因此,本發明之保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。 Although the present invention has been described above in terms of multiple embodiments, these embodiments are not intended to limit the present invention. Those with ordinary knowledge in the technical field to which the present invention belongs should understand that they can make various changes, substitutions and substitutions based on the embodiments of the present invention to achieve the same purpose as the multiple embodiments described herein. And/or advantages. Those with general knowledge in the technical field of the present invention It can also be understood that such modifications or designs do not depart from the spirit and scope of the present invention. Therefore, the scope of protection of the present invention shall be subject to those defined by the attached patent scope.
102‧‧‧基底 102‧‧‧Base
104‧‧‧絕緣層 104‧‧‧Insulation layer
106‧‧‧半導體層 106‧‧‧Semiconductor layer
108‧‧‧第一導電類型摻雜區 108‧‧‧First conductivity type doped region
109‧‧‧摻雜區 109‧‧‧Doped area
110‧‧‧第二導電類型摻雜區 110‧‧‧Second conductivity type doped region
112‧‧‧場氧化層 112‧‧‧Field Oxide
114‧‧‧汲極 114‧‧‧Dip pole
116‧‧‧源極 116‧‧‧Source
118‧‧‧體接觸件 118‧‧‧Body contact
120‧‧‧閘極介電層 120‧‧‧Gate Dielectric Layer
122‧‧‧閘極電極層 122‧‧‧Gate electrode layer
126‧‧‧端子 126‧‧‧Terminal
130‧‧‧第一隔離結構 130‧‧‧First isolation structure
140‧‧‧第二隔離結構 140‧‧‧Second isolation structure
200‧‧‧半導體裝置 200‧‧‧Semiconductor device
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| TW (1) | TWI713218B (en) |
Citations (4)
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2018
- 2018-10-25 TW TW107137752A patent/TWI713218B/en active
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