[发明专利]沟槽式金属氧化物半导体场效应管

说明书

相关申请的交叉引用

本申请案要求对于2012年10月12日提交的美国专利申请第13/650,330号的优先权，该专利申请披露的内容通过全文引用而结合与本文中。

技术领域

本发明主要涉及功率半导体器件的单元结构和器件构造。更具体地，本发明涉及具有多个沟槽式源-体接触结构的沟槽式金属氧化物半导体场效应管(trench metal oxide semiconductor field effect transistor)的新型改良的单元结构和器件构造。

背景技术

图1A所示为现有技术所揭示的一个N沟道沟槽式MOSFET(N-channel trench MOSFET，下同)100，其中在有源区中每两个相邻的沟槽栅104之间，只有一个沟槽式源-体接触结构(trenched source-body contact，下同)101穿过n+源区102进入其下方的P型体区103。对于一个低压的30VN沟道沟槽式MOSFET100，当栅源电压Vgs分别为10V和4.5V时，沟道电阻Rch分别约占了漏源电阻Rds总阻值的10％到30％。因为当器件的尺寸越小时，Rds就越小，因此当Vgs为4.5V时，沟道电阻Rch的作用就非常明显。目前，当单元密度约为500M/in²时，利用0.18um工艺和钨插塞技术可以实现最小1.0um的器件尺寸。然而，当电压高于100V时，中高压器件的应用多为Vgs为10V，即Rch占了Rds的10％左右。对于如图1A所示的沟槽式MOSFET，Rds方面没有过多的改善反而在高单元密度时栅电荷(gate charge)明显增高。

另一个现有技术美国专利号为8,049,273的专利公开了一种沟槽式MOSFET110，如图1B所示，其在每两个相邻的沟槽栅中具有多个沟槽式源-体接触结构111以改善在开关变换器中的峰值感应电压。然而，其n+源区112不仅仅靠近沟道区，而且还位于所述的多个沟槽式源-体接触结构111之间，这种结构会因为出现两个多余的寄生n+/P/N+二极管而导致具有较差的雪崩特性。

因此，在半导体功率器件领域中，特别是对于沟槽式MOSFET的设计和制造，仍需要提供一种新型的器件结构和制造方法可以解决上述现有技术具有的困难和设计限制。

发明内容

本发明提供了一种沟槽式MOSFET，其具有多个沟槽式源-体接触结构，可以在有效降低栅电荷的同时增强器件的UIS(Unclamped Inductance Switching)电流以改善雪崩特性。

根据本发明的实施例，提供了一种沟槽式金属氧化物半导体场效应管，包括：

(a)第一导电类型的衬底；

(b)第一导电类型的外延层，位于所述的衬底的上表面，其中所述的外延层的多数载流子的浓度小于所述的衬底；

(c)多个第一栅沟槽，位于有源区，形成于所述的外延层中；

(d)第二导电类型的体区，位于所述的外延层上方；

(e)第一导电类型的源区，位于有源区，且位于所述的体区的上方；和

(f)多个沟槽式源-体接触结构，位于有源区中每两个相邻的第一栅沟槽之间，每个所述的沟槽式源-体接触结构都填充以金属插塞且延伸入所述的体区，将位于有源区的所述的源区和体区短接至源极金属，其中所述的源区位于沟道区和与其相邻的沟槽式源-体接触结构之间，而不存在于每两个相邻的沟槽式源-体接触区之间。

在一些优选的实施例中，还包括第二导电类型的体接触区，其位于所述的体区中，且至少包围每个所述的沟槽式源-体接触结构的底部，其中所述的体接触区的多数载流子浓度大于所述的体区。

在一些优选的实施例中，其中所述的金属插塞为钨插塞，且衬有一层Ti/TiN或Ta/TiN或Co/TiN作为势垒层。

在一些优选的实施例中，还包括一个靠近所述的有源区的沟槽式体接触结构，其填充以所述的金属插塞，并延伸入靠近有源区的体区中，将该体区短接至源极金属。

在一些优选的实施例中，还包括一个位于栅接触区的第二栅沟槽，其宽度大于或等于所述的第一栅沟槽，且具有与第一栅沟槽相同的填充结构。

在一些优选的实施例中，其中所述的第一栅沟槽包括一个衬有栅极氧化层的单电极，其中所述的栅极氧化层沿所述单电极的侧壁的厚度等于或大于沿其底部的厚度。在另一些优选的实施例中，其中所述的栅极氧化层沿所述单电极的底部的厚度大于沿其侧壁的厚度。更优选地，其中所述的单电极的上表面高于所述的外延层的上表面。