功率半导体器件中的关键部件是固态开关(solid state switch)。 从自动应用中对电池操作的消费电子器件的点火控制，到工业应用 中的功率转换，都需要最满足特定应用需要的功率开关。持续发展 包括诸如功率金属氧化物半导体场效应晶体管(功率MOSFET)、 绝缘栅型双极性晶体管(IGBT)和各种类型的闸流管的固态电子开 关来满足这种需要。例如，在功率MOSFET的情况下，在许多其 他技术中，已经开发了具有横向沟道(lateral channel)的双扩散结 构(DMOS)(例如，Blanchard等人的美国专利第4,682,405号)、 沟槽栅(trenched gate)结构(例如，Mo等人的美国专利第6,429,481 号)、以及用于晶体管漂移区中电荷平衡的各种技术(例如，Temple 的美国专利第4,941,026号、Chen的第5,216,275号、以及Neilson 的第6,081,009号)，以满足不同且经常为竞争性能的需求。
用于定义功率开关的某些性能特性是其导通电阻、击穿电压和 开关速度。根据特殊应用的要求，不同的侧重点放在这些性能标准 的每个上。例如，对于大于大约300-400伏特的功率应用来说，IGBT 与功率MOSFET相比显示出固有较低的导通电阻，但是由于其较 慢的断开特性使其开关速度较低。因此，对于具有要求低导通电阻 的低开关频率的大于400伏特的应用来说，IGBT是优选的开关， 而功率MOSFET经常是用于相对较高的频率应用所选择的器件。
如果给定应用的频率要求指定所使用的开关类型，那么电压要求确 定具体开关的组成结构。例如，在功率MOSFET的情况下，因为 漏极-源极的导通电阻RDSon和击穿电压之间的比例关系，使得造成 了在改进晶体管电压性能的同时保持低RDSon的困难。已经开发了 在晶体管漂移区中的各种电荷平衡结构来解决这个困难，并且获得 不同程度的成功。
器件性能参数也会受到制造工艺和管芯(die)封装的影响。已 经做出各种努力以通过发展各种改进的工艺和封装技术来解决这 些问题中的某些问题。
无论是在超便携消费电子器件中还是在通信系统中的路由器 和集线器中，功率开关的各种应用随着电子工业的扩张而持续增 长。因此，功率开关是具有高发展潜力的半导体器件。

本发明提供了用于各种功率电子应用的功率器件及其制造方 法、封装、以及结合有功率器件的电路的各种实施例。概括地，本 发明的一个方面将许多电荷平衡技术和其他用于减小寄生电容的 技术进行结合，以实现具有改进的电压性能、较高开关速度、以及 较低导通电阻的功率器件的各种实施例。本发明的另一方面提供了 用于低、中和高压器件的改进终端结构(termination structure)。根 据本发明的其他方面，提供了功率器件制造的改进方法。通过本发 明的各种实施例提供了对具体处理步骤的改进，例如，沟槽的形成、 沟槽内介电层的形成、台面结构(mesa structure)的形成、用于减 小基板厚度的工艺。根据本发明的另一方面，电荷平衡的功率器件 将诸如二极管的温度和电流感应元件结合在相同的管芯上。本发明 的其他方面改进了功率器件的等效串联电阻(ESR)、或栅极电阻， 在与功率器件相同的芯片上结合附加电路，以及提供了对电荷平衡 功率器件的封装的改进。
下面将结合附图，详细描述本发明的这些和其他方面。

图1示出示例性n型沟槽(trench)功率MOSFET的一部分的 截面图；
图2A示出双沟槽功率MOSFET的示例性实施例；
图2B示出具有源极屏蔽沟槽结构的平面栅极(planar gate) MOSFET的示例性实施例；
图3A示出屏蔽栅极沟槽功率MOSFET的示例性实施例的一部 分；
图3B示出结合图2A的双沟槽结构和图3A的屏蔽栅极结构的 屏蔽栅极沟槽功率MOSFET的可选实施例；
图4A是双栅极沟槽功率MOSFET的示例性实施例的简化部分 图；
图4B示出结合平面双栅极结构和用于垂直电荷控制的沟槽电 极的示例性功率MOSFET；
图4C示出在相同的沟槽内将双栅极和屏蔽栅极技术结合的功 率MOSFET的示例性实施例；
图4D和图4E是具有深体结构(deep body structure)的功率 MOSFET的可选实施例的截面图；
图4F和图4G示出沟槽深体结构对功率MOSFET内接近栅电 极的电位线分布的影响；
图5A、图5B和图5C是示出具有各种垂直电荷平衡结构的示 例性功率MOSFET的部分的截面图；
图6示出结合示例性垂直电荷控制结构和屏蔽栅极结构的功率 MOSFET的简化截面图；
图7示出结合示例性垂直电荷控制结构和双栅极结构的另一个 功率MOSFET的简化截面图；
图8示出具有垂直电荷控制结构和集成肖特基二极管的屏蔽栅 极功率MOSFET的一个实例；
图9A、图9B和图9C示出具有集成肖特基二极管的功率 MOSFET的各种示例性实施例；
图9D、图9E和图9F示出用于在功率MOSFET的有源单元阵 列(active cell array)内散置肖特基二极管单元的示例性布局变化；
图10示出具有掩埋二极管(buried diode，又称嵌入二极管) 电荷平衡结构的示例性沟槽式功率MOSFET的简化截面图；
图11和图12示出分别将屏蔽栅极和双栅极结构与掩埋二极管 电荷平衡结合的功率MOSFET的示例性实施例；
图13是结合掩埋二极管电荷平衡技术和集成肖特基二极管的 示例性平面功率MOSFET的简化截面图；
图14示出具有与电流平行设置的交替导电区的示例性累积模 式(accumulation-mode)功率晶体管的简化实施例；
图15是具有用于电荷扩展的沟槽电极的另一个累积模式器件 的简化图；
图16是示例性双沟槽累积模式器件的简化图；
图17和图18示出具有相反极性的外部衬套(exterior liner)的 填充介电材料的沟槽的示例性累积模式器件的其他简化实施例；
图19是使用一个或多个掩埋二极管的累积模式器件的另一个 简化实施例；
图20是沿着硅的表面包括重掺杂相反极性区的示例性累积模 式晶体管的简化等视轴图；
图21示出在电压维持层内具有交替相反极性区的超级结 (super-junction，又称超级结)功率MOSFET的简化实例；
图22示出在电压维持层内的垂直方向具有不统一分隔的相反 极性岛的超级结功率MOSFET的示例性实施例；
图23和图24分别示出具有双栅极和屏蔽栅极结构的超级结功 率MOSFET的示例性实施例；
图25A示出沟槽晶体管的有源和终端沟槽布局的顶视图；
图25B至25F示出沟槽终端结构的可选实施例的简化布局图；
图26A至26C是示例性沟槽终端结构的截面图；
图27示出具有大曲率半径的终端沟槽的示例性器件；
图28A至28D是具有硅柱(silicon pillar)电荷平衡结构的终 端区的截面图；
图29A至29C是使用超级结技术的超高压器件的示例性实施 例的截面图；
图30A示出沟槽器件的边缘接触(edge contacting)的实例；
图30B至30F示出在形成沟槽器件的边缘接触结构的示例性工 艺步骤；
图31A是多个掩埋多晶硅层(poly layer)的有源区接触(active area contact)结构的实例；
图31B至31M示出用于形成沟槽的有源区屏蔽接触结构的示 例性工艺流程；
图31N是有源区屏蔽接触结构的可选实施例的截面图；
图32A和图32B是具有有源区屏蔽接触结构的示例性沟槽器 件的布局图；
图32C至32D是用于使得接触到具有中断沟槽结构的沟槽器 件中的沟槽周边的两个实施例的简化布局图；
图33A是用于接触有源区内的沟槽式屏蔽多晶硅层的可选实 施例；
图33B至33M示出用于接触图33A中所示类型的有源区屏蔽 结构的工艺流程的实例；
图34示出具有隔离层(spacer)或缓冲(势垒)层以减小外延 漂移区(epi drift region)厚度的外延层；
图35示出具有势垒层的器件的可选实施例；
图36示出为了最小化外延层厚度在深体-外延结处所使用的势 垒层；
图37是使用扩散势垒层的晶体管的阱-漂移区结的简化实例；
图38A至38D示出具有掩埋电极的自对准外延-阱沟槽器件的 实例的简化工艺；
图39A至39B示出角度阱注入的示例性工艺流程；
图40A至40E示出自对准外延阱工艺的实例；
图40R至40U示出减小基板厚度的方法；
图41示出使用化学工艺作为最后的减薄(thinning)步骤的工 艺流程的实例；
图42A至42F示出改进的蚀刻工艺的实例；
图43A和图43B示出消除鸟嘴问题的沟槽蚀刻工艺的实施例；
图44A和图44B示出可选的蚀刻处理；
图45A至45C示出形成改进的多晶硅层间(inter-poly)介电层 的工艺；
图46A、46B和46C示出形成IPD层的可选方法；
图47A和图47B是形成高质量的多晶硅层间介电层的另一种 方法的截面图；
图48和图49A至49D示出用于形成改进的IPD层的其他实施 例；
图50A示出用于IPD平面化的各向异性等离子蚀刻工艺；
图50B示出使用化学机械工艺的可选IPD平面化方法；
图51是用于控制氧化速度的示例性方法的流程图；
图52示出用于使用低压化学汽相淀积处理在沟槽底部形成厚 氧化层的改进方法；
图53是用于使用定向正硅酸乙酯(Tetraethoxyorthsilicate)工 艺在沟槽底部形成厚氧化层的示例性流程图；
图54和图55示出用于形成厚底部氧化层的另一个实施例；
图56至59示出用于在沟槽底部形成厚介电层的另一工艺；
图60是具有电流感应器件的MOSFET的简化图；
图61A是具有平面栅极结构和独立电流感应结构的电荷平衡 MOSFET的实例；
图61B示出将电流感应器件和沟槽MOSFET集成的实例；
图62A至62C示出具有串联温度感应二极管的MOSFET的可 选实施例；
图63A和图63B示出具有ESD保护的MOSFET的可选实施例；
图64A至64D示出ESD保护电路的实例；
图65示出用于形成具有低ESR的电荷平衡功率器件的示例性 工艺；
图66A和图66B示出减小ESR的布局技术；
图67示出使用功率开关的DC-DC转换器电路；
图68示出另一个使用功率开关的DC-DC转换器电路；
图69示出双栅极MOSFET的示例性驱动电路；
图70A示出具有分离的驱动栅电极的可选实施例；
图70B示出说明图70A的电路操作的时序图；
图71是模制封装的简化截面图；以及
图72是未模制封装的简化截面图。

电源开关可以通过功率MOSFET、IGBT、各种类型的晶闸管 等中的任何一种来实现。为了说明的目的，本文出现的许多新技术 在功率MOSFET的条件下进行描述。然而，应该理解，本文所述 的本发明的各种实施例不限于MOSFET，而是可以应用于许多其他 类型的功率开关技术中，例如包括IGBT、其他类型的双极开关、 各种类型的晶闸管以及二极管。进一步，为了说明的目的，示出的 本发明的各种实施例包括具体的p和n型区。本领域的技术人员应 该了解，本文中的技术同样可以应用于各个区的导电性相反的器件 中。
参照图1，示出了示例性n型沟槽功率MOSFET 100的部分截 面图。如本文描述的其他视图，应该明白图中示出的各种元件和部 件的相对尺寸和大小并不直接反映实际尺寸，仅是用于说明的目 的。沟槽MOSFET 100包括在沟槽102内形成的栅电极，其中，沟 槽102从基板的上表面开始穿过p型阱或主体区(body region)104 延伸，终止在n型漂移或外延区106中。沿着沟槽102设置薄介电 层108，且沟槽102基本由导电材料110(例如，掺杂多晶硅)填 充。在邻近于沟槽102的主体区104内形成n型源极区112。在连 接到重掺杂n+基板区114的基板后侧形成MOSFET 100的漏极端 子。在由诸如硅制成的普通基板上多次重复图1所示的结构，以形 成晶体管阵列。该阵列可以配置成本领域所熟知的各种网状 (cellular)或条纹结构。当晶体管导通时，沿着栅极沟槽102侧壁 在源极区112和漂移区106之间形成导电沟道。
由于其垂直栅极结构，当与平面栅极器件相比时，MOSFET 100 能够实现高的封装密度，而且较高的封装密度能实现相对较低的导 通电阻。为了改进这种晶体管的击穿电压性能，在p-阱104内形成 p+重掺杂主体区118，使得在p+重掺杂的主体区118和p-阱104之 间的界面处形成突变结。通过相对于沟槽深度和阱的深度控制p+ 重掺杂主体区118的深度，使得当对晶体管施加电压时产生的电场 从沟槽中消失。这样就增加了晶体管的雪崩电流处理能力。对这种 改进结构的变化和用于形成晶体管的工艺，尤其是突变结在Mo等 人共有的美国专利第6,429,481号中进行了详细描述，其全部内容 结合于此作为参考。
尽管垂直沟槽MOSFET 100显示出良好的导通电阻和改善的 耐用性，但是它具有相对较高的输入电容。沟槽MOSFET 100的输 入电容包括两部分：栅极-源极电容Cgs和栅极-漏极电容Cgd。栅极- 源极电容Cgs由栅极导电材料110和接近沟槽顶部的源极区112之 间的叠加产生。栅极和主体中的反向沟道之间形成的电容同样能够 增加Cgs，这是因为在典型的功率开关应用中，晶体管的主体和源 电极短路在一起。栅极-漏极电容Cgd由每个沟槽底部的栅极导电材 料110和连接到漏极的漂移区106之间的叠加产生。栅极-漏极电容 Cgd、或密勒电容限制勒晶体管的VDS过渡时间。因此，较高的Cgs 和Cgd导致了可观的开关损耗。这些开关损耗随着功率管理应用接 近更高的开关频率而变得越来越大。
减小栅极-源极电容Cgs的一种方法是减小晶体管的沟道长度。 较短的沟道长度直接减小Cgs的栅极-沟道分量。较短沟道长度还正 好与RDSon成比例，并能够在具有较少栅极沟槽的情况下获得相同 的器件电流量。这样就通过减小栅极-源极和栅极-漏极叠加量同时 减小了Cgs和Cgd。然而，当由于反向偏置的主体-漏极结深入到主 体区并接近源极区而形成耗尽层时，较短的沟道长度使得器件脆弱 而导致穿通(punch through)。减小漂移区的掺杂浓度，使得维持更 宽的耗尽层而具有增加晶体管导通电阻RDSon的不期望的效应。
使用与栅极沟槽横向分离的附加“屏蔽”沟槽对晶体管结构进 行改进，不但减小了沟道长度，并且还有效地解决了上述缺点。参 照图2A，示出了双沟槽MOSFET 200的示例性实施例。术语“双 沟槽”是指具有与相似沟槽的总数相对的两种不同类型的沟槽的晶 体管。除了与图1的MOSFET 100共同的结构特征外，双沟槽 MOSFET 200包括夹置在相邻栅极沟槽202之间的屏蔽沟槽220。 在图2A示出的示例性实施例中，屏蔽沟槽220从表面穿过p+区 218、主体区204延伸进漂移区206，充分低于栅极沟槽202的深度。 沿着沟槽220设置有介电材料222，并且将沟槽220基本填充诸如 掺杂多晶硅的导电材料224。金属层216将沟槽220内的导电材料 224电连接到n+源极区212和重掺杂p+主体区218。因此，在该实 施例中，沟槽220可以称为源极屏蔽沟槽。在Steven Sapp的题为 “Dual Trench Power MOSFET”的共同转让的美国专利申请第 10/209,110号中详细描述了这种类型的双沟槽MOSFET的实例、制 造工艺以及其电路应用，其全部内容结合于此作为参考。
较深的源极屏蔽沟槽220的影响是使得由于反向偏置的主体- 漏极结形成的耗尽层更加深入到漂移区206中。因此，较宽的耗尽 区可以使得不增加电场。这就允许更加重掺杂漂移区，而又不会降 低击穿电压。更加重掺杂的漂移区减小了晶体管的导通电阻。此外， 在主体-漏极结附近减小的电场使得沟道长度充分减小，进一步减小 晶体管的导通电阻，并充分减小栅极-源极电容Cgs。此外，与图1 中的MOSFET相比，双沟槽MOSFET使得能够在具有更少的栅极 沟槽情况下获得相同的晶体管电流量。这样显著地减小了栅极-源极 和栅极-漏极叠加电容。注意到，在图2A中所示的示例性实施例中， 栅极沟槽导电层210掩埋在消除层间介电圆顶(dome)需要的沟槽 中，其中，层间介电圆顶在图1所示MOSFET 100中的沟槽102的 上面。同样，这里作为说明的源极屏蔽沟槽的使用不限于沟槽栅 MOSFET，当源极屏蔽沟槽使用在在基板的上表面上水平形成栅极 的平面MOSFET中时可以获得相同的优点。在图2B中示出具有源 极屏蔽沟槽结构的平面栅极MOSFET的示例性实施例。
为了进一步减小输入电容，可以进行附加结构改进，重点在于 减小栅极-漏极电容Cgd。如上所述，栅极-漏极电容Cgd是通过栅极 和沟槽底部的漏极区之间叠加而产生的。减小该电容的一种方法是 增加沟槽底部的栅极介电层的厚度。重新参照图2A，示出与沿着 栅极沟槽侧壁的介电层相比，栅极沟槽202在与漂移区206(晶体 管漏极端子)存在叠加的沟槽底部具有较厚的介电层226。这样减 小了栅极-漏极电容Cgd，却没有降低晶体管的正向传导。可以以许 多方法实现在栅极沟槽底部生成更厚的介电层。Hurst等人的共有 美国专利第6,437,386号中描述了用于生成更厚的介电层的一个示 例性工艺，其全部内容结合于此作为参考。后面结合附图56到59 进一步描述用于在沟槽底部形成厚介电层的其他工艺。减小栅极- 漏极电容的另一种方法为在从沟槽基底上的介电衬套向上延伸的 沟槽内中心设置的第二介电核心(core)。在一个实施例中，第二介 电核心可以从各个方向向上延伸，以接触沟槽导电材料210上面的 介电层。这个实施例的实例和其更改在Shenoy的共有美国专利第 6,573,560号中进行了详细描述。
用于减小栅极-漏极电容Cgd的另一种技术涉及使用一个或多个 偏置电极来屏蔽栅极。根据这个实施例，在栅极沟槽内和在形成栅 电极的导电材料的下面，形成一个或多个电极来将栅极与漂移区屏 蔽开来，从而充分减小了栅极-漏极叠加电容。参照图3A，示出了 屏蔽栅极沟槽MOSFET 300A的示例性实施例的一部分。在这个实 例中，MOSFET 300A中的沟槽302包括栅电极310和在栅电极310 下面的两个附加电极311a和311b。电极311a和311b屏蔽栅电极 310，使其不与漂移区306具有任何实质性的叠加，从而几乎消除 了栅极-漏极叠加电容。屏蔽电极311a和311b可以在最佳电位独立 偏置。在一个实施例中，屏蔽电极311a和311b的一个可以与源极 端子一样在相同电位处偏置。与双沟槽结构类似，屏蔽电极的偏置 同样能够有助于加宽在主体-漏极结处形成的耗尽区，进一步减小了 Cgd。应该明白，可以根据开关应用，尤其是应用的电压要求来改变 屏蔽电极311的数目。类似地，在给定沟槽中的屏蔽电极的大小也 可以改变。例如，屏蔽电极311a可以大于屏蔽电极311b。在一个 实施例中，最小的屏蔽电极最接近沟槽底部，剩余的屏蔽电极随着 逐渐接近栅电极而逐渐增大。沟槽内独立偏置的电极还可以用于垂 直电荷控制，以改善较小的正向电压损失和较高的阻断(blocking) 能力。将在后面结合高压器件进一步描述的晶体管结构的这个方面 还在Kocon的题为“Semiconductor Structure with Improved Smaller Forward Loss and Higher Blocking Capability”的共同转让的美国专 利申请第09/981,583号中进行了详细描述，其全部内容结合于此作 为参考。
图3B示出将图2A中的双沟槽结构和图3A的屏蔽栅极结构结 合的屏蔽栅极沟槽MOSFET 300B的可选实施例。在图3B所示的 示例性实施例中，与MOSFET 300A的沟槽302类似，栅极沟槽301 包括屏蔽电极311上面的栅电极310。然而，为了垂直电荷控制的 目的，MOSFET 300B包括可以深于栅极沟槽302的非栅极沟槽301。 如图2A所示，当电荷控制沟槽301可以在沟槽顶部具有连接源极 金属的导电材料(例如，多晶硅)单层时，图3B中的实施例使用 多个堆叠的可以独立偏置的多晶硅电极313。在沟槽中堆叠的电极 313的数目可以根据应用需要来改变，也可以为图3B中所示的电 极313的大小。电极可以独立偏置或电连接到一起。器件内的电荷 控制沟槽的数目同样取决于该应用。
用于改进功率MOSFET开关速度的又一技术通过使用双栅极 结构来减小栅极-漏极电容Cgd。根据该实施例，沟槽内的栅极结构 分成两部分：第一部分用于执行接收开关信号的传统栅极功能，第 二部分将第一栅极部分与漂移(漏极)区屏蔽开来，并能够独立偏 置。这样就显著地减小了MOSFET的栅极-漏极电容。图4A是双 栅极沟槽MOSFET 400A的示例性实施例的简化部分图。如图4A 所示，MOSFET 400A的栅极具有两个部分G1和G2。不同于图3A 的MOSFET 300A中的屏蔽电极(311a和311b)，形成MOSFET 400A 中G2的导电材料具有与沟道叠加的区401，因此用作栅极端子。 然而，这个次栅极端子G2独立于主栅极端子G1偏置，并且不接 收驱动开关晶体管的相同信号。相反地，在一个实施例例中，G2 在仅大于MOSFET阈电压的恒定电位上偏置，以反转叠加区401 中的沟道。这样将确保当从次栅极G2转换到主栅极G1时形成连 续沟道。此外，因为G2处的电位高于源极电位，所以减小了Cgd， 并且从漂移区到次栅极G2的电荷转移也有助于减小Cgd。在另一个 实施例中，代替恒定电位，次栅极G2可以仅在开关动作之前，偏 置到高于阈电压的电位。在其他实施例中，G2处的电位可以进行 改变并进行最优调节，以将栅极-漏极电容Cgd的任何边缘部分最小 化。双栅极结构可以使用在具有平面栅极结构的MOSFET以及包 括IGBT等的其他类型的沟槽栅功率器件中。对双栅极沟槽MOS 栅极器件的改变和用于制造这样器件的工艺在Kocon等人的题为 “Improved MOS Gating Method for Reduced Miller Capacitance and Switching Losses”的共同转让的美国专利申请第10/640,742号中进 行了详细描述，其全部内容结合于此作为参考。
在图4B中示出了改进的功率MOSFET的另一个实施例，其中， 示例性MOSFET 400B结合了平面栅极结构和用于垂直电荷控制的 屏蔽电极。主栅极端子G1和次栅极端子G2以与图4A的沟槽双栅 极结构类似的方式作用，深沟槽420在漂移区设置电极，以扩展电 荷并增加器件的击穿电压。在示出的实施例中，屏蔽或次栅极G2 与主栅极G1的上部相叠加，并在p阱404和漂移区406之上延伸。 在可选实施例中，主栅极G1在屏蔽/次栅极G2之上延伸。
可以结合至此描述的各种技术，例如栅极屏蔽和用于垂直电荷 控制的沟槽电极，以获得对于给定应用性能特性最优化的功率器件 (包括横向和垂直MOSFET、IGBT、二极管等)。例如，图4A中 所示的沟槽双栅极结构能够方便地与图3B或4B中所示类型的垂直 电荷控制沟槽结构相结合。这样的器件包括具有如图4A所示的双 栅极结构的有源沟槽，以及基本由导电材料单层(如图4B中的沟 槽)或多个堆叠的导电电极(如图3B中的沟槽301)填充的较深 的电荷控制沟槽。对于漏极端子与源极端子一样位于基板的相同表 面上的横向器件(即，电流横向流动)，代替在垂直沟槽中堆叠， 电荷控制电极横向设置形成场板(field plate)。电荷控制电极的定 向一般与漂移区中电流流动的方向平行。
在一个实施例中，在相同的沟槽内结合双栅极和屏蔽栅极技 术，以增加开关速度和阻断电压。图4C示出MOSFET 400C，其中， 沟槽402C包括在所示单个沟槽中堆叠的主栅极G1、次栅极G2和 屏蔽层411。沟槽402C能够做的很深，并可以包括与应用要求一 样多的屏蔽层411。使用用于电荷平衡和屏蔽电极的相同沟槽能够 实现更高的密度，因为它消除了两个沟槽的需要并将它们结合为一 个。它还能够实现更多的电流扩展，并改进器件的导通电阻。
至此所描述的器件使用屏蔽栅极、双栅极和其他技术的结合来 减小寄生电容。然而，由于边缘效应，这些技术不能够完全将栅极 -漏极电容Cgd最小化。参照图4D，示出了具有深体设计的MOSFET 400D的示例性实施例的部分截面图。根据该实施例，主体(body) 结构通过沟槽418形成，其中，沟槽418通过在栅极沟槽402之间 形成的台面(mesa)中心进行蚀刻，并延伸到与栅极沟槽402一样 深或深于栅极沟槽402的位置。主体沟槽418填充所示的源极金属。 源极金属层可以在金属扩散边界面(未示出)上包括薄的难熔金属。 在这个实施例中，主体结构还包括基本环绕主体沟槽418的p+主体 注入结419。p+注入结419使得实现附加屏蔽，以改变器件内尤其 是接近栅电极的电位分布。在图4E所示的可选实施例中，例如， 主体沟槽418使用例如选择外延生长(SEG)沉积来基本填充外延 材料。可选地，主体沟槽418基本填充掺杂多晶硅。在这两个实施 例的任意一个中，代替注入p+屏蔽结419，而是在随后的温度处理 中将掺杂物从填充的主体扩散到硅，以形成p+屏蔽结419。在Huang 的共同转让的美国专利第6,437,399号和第6,110,799号中描述了许 多对于沟槽主体结构的变化和形成，其全部内容结合于此作为参 考。
在图4D和4E中所示的实施例中，控制栅极沟槽402和主体沟 槽418之间的距离L以及两个沟槽的相对深度，以将边缘栅极-漏 极电容最小化。在使用SEG或填充多晶硅的主体沟槽的实施例中， 层419的外边缘和栅极沟槽壁之间的间隔可以通过改变SEG或主体 沟槽418内多晶硅的掺杂浓度来调节。图4F和4G示出沟槽深体对 器件内接近栅电极的电位线分布的影响。为了说明的目的，图4F 和4G使用具有屏蔽栅极结构的MOSFET。图4F示出具有沟槽深 体418的反向偏置的屏蔽栅极MOSFET 400F的电位线，图4G示 出具有浅体结构的反向偏置的屏蔽栅极MOSFET 400G的电位线。 当反向偏置时(例如，阻断状态(blocking off-state))，每个器件中 的等高线示出器件内的电位分布。白线示出阱结，并且还定义了紧 接于栅电极的沟道的底部。从图中可以看出，有较低的电位和较低 的电场设置在沟道上以及在图4F的沟槽深体MOSFET 400F的栅电 极周围。这个减小了的电位能够减小沟道长度，从而减小器件总的 栅极电荷。例如，栅极沟槽402的深度可以减小到小于例如0.5um， 以及可以做到浅于主体沟槽418，间距L大约为0.5um或更小。在 一个示例性实施例中，间距L小于0.3um。这个实施例的其他优点 是减小了栅极-漏极电荷Qgd和密勒电容Cgd。这些参数的值越低， 器件能够转换的速度越快。通过减小出现在紧接于栅电极的电位来 实现这些改进。改进的结构具有将被转换的很低的电位，并且栅极 中的感应电容性电流很低。这样又使得栅极开关的更快。
结合图4D和4E描述的沟槽深体结构可以与其他电荷平衡技术 (例如，屏蔽栅极或双栅极结构)结合，来进一步改善器件的开关 速度、导通电阻、以及阻断能力。
通过上述功率器件所提供的改进及其更改产生用于相对较低 电压的功率电子应用的加强开关元件。这里使用的低电压是指例 如，大约30伏-40伏及以下的电压范围，可以根据具体应用来改 变这个范围。要求阻断电压的应用基本在这个范围之上，需要对功 率晶体管进行一些类型的结构修改。一般来说，为了在阻断状态期 间使器件维持较高的电压，就要减小功率晶体管漂移区内的掺杂浓 度。然而，轻度掺杂的漂移区会导致晶体管导通电阻RDSon的增加。 较高的电阻率直接增加了开关的功率损失。随着进一步减小功率器 件封装密度的半导体制造的新发展，功率损失就变得更加重要。
已经进行过尝试来改进器件的导通电阻和功率损失，同时保持 高阻断电压。许多这种尝试使用各种垂直电荷控制技术，以在半导 体器件中垂直产生大的平面电场。已经提出许多这种类型的器件结 构，包括在Marchant的题为“Field Effect Transistor Having a Lateral Depletion Structure”的共有的美国专利第6,713,813号中披露的横向 耗尽器件，该器件在Kocon的共有美国专利申请第6,376,878号中 进行了描述，其全部内容结合于此作为参考。
图5A示出具有平面栅极结构的示例性功率MOSFET 500A的 部分截面图。MOSFET 500A看起来好像具有与图2B的平面型 MOSFET 200B相似的结构，但是在两个重要的方面与那个器件不 同。代替用导电材料填充沟槽520，这些沟槽填充材料诸如二氧化 硅的介电材料，该器件还包括相邻于沟槽的外侧壁分离的不连续浮 置p型区524。如结合图2A的双沟槽MOSFET所述，源极沟槽202 内的导电材料(例如，多晶硅)通过使耗尽区深入漂移区来帮助改 善单元击穿电压。从这些沟槽中去除导电材料将会因此导致降低击 穿电压，直到使用减小电场的其他方法。浮置区524用于减小电场。
参照图5A所示的MOSFET 500A，由于当增加漏极电压时电 场增大，使得浮置p区524获得由它们在空间电荷区域确定的相应 的电位。这些p区524的浮置电位使得电场更加深入到漂移区中， 导致更多的均匀场遍及沟槽520之间台面区的深度。结果，增加了 晶体管的击穿电压。用绝缘材料替代沟槽中的导电材料的优点是空 间电荷区的更多部分跨过绝缘体而并非可能是硅的漂移区。因为绝 缘体的介电常数低于诸如硅的介电常数，以及因为沟槽中的耗尽区 减小，所以器件的输出能力显著减小。这样进一步增强了晶体管的 开关特性。填充介电材料的沟槽520的深度取决于电压要求；沟槽 越深，阻断电压越高。垂直电荷控制技术的更多优点是允许晶体管 单元针对热绝缘横向设置，而不需要增加电容。在可选实施例中， 代替浮置p区，沿着填充介电材料的沟槽的外侧壁设置p型层，以 实现类似的垂直电荷平衡。在图5B中示出这个实施例的简化的部 分截面图，其中，沟槽520的外侧壁由p型层或衬套526覆盖。在 图5B中示例性实施例中，栅极同样被沟槽化，进一步改进了器件 的跨导。使用这种技术的变化的改进功率器件的其他实施例在Sapp 等人的题为“Vertical Change Control Semiconductor Device with Low Output Capacitance，”的共同转让的美国专利申请第10/200,056号(代 理案号18865-0097/17732-55280)中详细进行了详细描述，其全部内 容结合于此作为参考。
如上所述，图5B的沟槽MOSFET 500B显示出减小的输出电 容和改进的击穿电压。然而，因为有源沟槽(栅极沟槽502)位于 填充介电材料的电荷控制沟槽520之间，所以MOSFET 500B的沟 道宽度不能与传统沟槽MOSFET结构的沟道宽度一样宽。这样可 能导致较高的导通电阻RDSon。参照图5C，示出了具有消除了次电 荷控制沟槽的垂直电荷控制的沟槽MOSFET 500C的可选实施例。 MOSFET 500C中的沟槽502C包括栅电极510和深入延伸到漂移区 506的填充介电材料的下部。在一个实施例中，沟槽502C延伸到 大约为漂移区506深度一半的深度。如图所示，P型衬套526C沿 着每一个沟槽的下部环绕在外壁周围。这种单种沟槽结构消除了次 电荷控制沟槽，用于增加沟道宽度和降低RDSon。为了减小输出电容 和栅极-漏极电容，在沟槽外壁由p型衬套526C环绕的较深的沟槽 502C的下部维持电场的主要部分。在可选实施例中，沿着沟槽502C 的侧面和底部p型衬套526C被制成多个不连续区。通过结合单种 沟槽电荷控制和上述屏蔽栅极或双栅极技术能够实现其他实施例， 以进一步减小器件的寄生电容。
参照图6，示出了适合于高压应用还要求较快开关速度的功率 MOSFET 600的简化截面图。MOSFET 600结合了改进击穿电压的 垂直电荷控制技术和改进开关速度的屏蔽栅极结构。如图6所示， 屏蔽电极611位于栅极沟槽602内的栅极导电材料610和沟槽底部 之间。电极611将晶体管的栅极与下面的漏极区(漂移区606)屏 蔽开来，使得显著减小了晶体管的栅极-漏极电容，因此增加了其最 大开关频率。具有p掺杂衬套626的填充介电材料的沟槽620有助 于垂直产生大的平面电场，以改进器件的击穿电压。在工作时，填 充介电材料的沟槽620和p型衬套626的结合以及屏蔽栅极结构减 小了寄生电容，并有助于耗尽n漂移区，将集中到栅电极边缘部分 的电场分散。这种类型的器件可以用于RF放大器或高频开关应用。
图7示出了适合于较高电压、较高频率应用的另一个功率 MOSFET的可选实施例。在图7所示的简化实例中，MOSFET 700 结合了改进击穿电压的垂直电荷控制技术和改进开关速度的双栅 极结构。与图6所示的器件类似，通过使用具有p掺杂衬套726的 填充介电材料的沟槽720来实现垂直电荷控制。通过使用双栅极结 构实现寄生电容的减小，由此通过次栅电极G2将主栅电极G1与 漏极(n漂移区706)屏蔽开来。为了当器件导通时，反转在区701 中的沟道来确保经过连续沟道的电流的连续流动，次栅电极G2可 以持续偏置或仅在开关动作之前偏置。
在另一个实施例中，屏蔽垂直电荷控制MOSFET也使用了掺 杂的填充介电材料的沟槽侧壁来实现集成的肖特基二极管。图8示 出了根据该实施例的屏蔽栅极MOSFET 800的一个实例。在该实例 中，在沟槽802底部的电极811将栅电极810与漂移区806屏蔽开 来，以减小栅极-漏极寄生电容。在外侧壁上具有p掺杂衬套的填充 介电材料的沟槽820用于垂直电荷控制。在形成宽度W的台面结 构的两个沟槽820A和820B之间形成肖特基二极管828。这个肖特 基二极管结构遍布沟槽MOSFET单元阵列，以增强MOSFET开关 的性能特性。通过利用肖特基结构828的低势垒高度的优点来减小 正向压降。此外，与垂直功率MOSFET的普通PN结相比，这个二 极管具有固有反向恢复速度的优点。通过将填充介电材料的沟槽 820的侧壁掺杂例如硼，消除了由于磷偏析(phosphorus segregation) 而产生的侧壁泄漏通道。可以使用沟槽工艺的特点来最优化肖特基 二极管828的性能。例如，在一个实施例中，调节宽度W，使得通 过相邻的PN结影响和控制肖特基二极管828的漂移区内的损耗， 以增加肖特基二极管828的反转电压能力。在Sapp的共同转让的 美国专利第6,351,018号中可以找到单片集成的沟槽MOSFET和肖 特基二极管的实例，其全部内容结合于此作为参考。
应该明白，在填充介电材料的沟槽之间形成的肖特基二极管可 以与各种不同类型的MOSFET进行集成，包括具有平面栅极结构 的MOSFET、在沟槽底部具有或不具有厚介电体的没有任何屏蔽电 极的沟槽栅极MOSFET等。在图9A中示出了具有集成肖特基二极 管的双栅极沟槽MOSFET的示例性实施例。MOSFET 900A包括栅 极沟槽902，其中，主栅极G1在次栅极G2的上面形成，以减小寄 生电容和增大开关频率。MOSFET 900A还包括填充介电材料的沟 槽920，其中，沟槽920具有沿着其外侧壁形成的用于垂直电荷控 制的p掺杂衬套926，以增加器件的阻断电压。对于上述许多的实 施例(例如，图5B、6、7、8和9A所示)，形成衬套的一种方法是 使用等离子掺杂工艺。如图所示，在两个相邻的填充介电材料的沟 槽920A和920B之间形成肖特基二极管928A。在另一个变化实例 中，形成单片集成的肖特基二极管和沟槽MOSFET，而没有填充介 电材料的沟槽。图9B是根据该实施例的示例性器件900B的截面图。
MOSFET 900B包括有源沟槽902B，每一个具有在栅电极910 下掩埋的电极911。如图所示，在两个沟槽902L和902R之间形成 肖特基二极管928B。偏置电极911的电荷平衡效应使得增加了漂移 区的掺杂浓度，而不影响反向阻断电压。对于这种结构，较高的漂 移区的掺杂浓度又减小了正向压降。如前述具有掩埋电极的沟槽 MOSFET，每个沟槽的深度和掩埋电极的数目可以改变。在图9C 所示的一个变化实例中，如图所示，沟槽902C仅有一个掩埋电极 911，且肖特基单元928C中的栅电极910S连接到源电极。可选地， 肖特基二极管的栅极可以连接到MOSFET的栅极端子。图9D、9E 和9F示出了散布在MOSFET的有源单元阵列内的肖特基二极管的 示例性布局的更改。图9D和9E分别示出了单台面肖特基和双台面 肖特基的布局，图9F示出了肖特基区与MOSFET沟槽垂直的布局。 集成肖特基二极管的这些和其他变化(包括可选的多个MOSFET 区的肖特基)可以与本文所述的任何晶体管结构相结合。
在另一个实施例中，通过使用一个或多个串联的、掩埋在设置 有介电材料的沟槽内、以及与器件漂移区内的电流平行设置的二极 管结构来增强功率器件的电压阻断能力。图10提供了根据这个实 施例的示例性沟槽MOSFET 1000的简化截面图。二极管沟槽1020 设置在栅极沟槽1002的两侧，从阱延伸进漂移区1006。二极管沟 槽1020包括一个或多个由相反导电型区1023和1025组成的二极 管结构，其中，导电型区1023和1025在沟槽内形成了一个或多个 PN结。在一个实施例中，沟槽1020包括具有与漂移区极性相反的 单一区，使得在与漂移区的界面上形成单一PN结。p型和n型掺 杂多晶硅或硅可以分别用于形成区1023和1025。其他类型的材料 (例如，碳化硅、砷化镓、锗化硅等)也可以用于形成区1023和 1025。沿着沟槽的内侧壁延伸的薄介电层1021将沟槽内的二极管 和漂移区1006绝缘。如图所示，沿着沟槽1020的底部没有介电层， 因此，允许底部区1027与下面的基板电接触。在一个实施例中， 对于那些控制栅极氧化层1008设计和制造的相似的考虑因素应用 到介电层1021的设计和形成中。例如，介电层1021的厚度通过这 样的因素来确定，即，其需要保持的电压以及在漂移区中感应的二 极管沟槽内电场的程度(如，通过介电层耦合的程度)。
在工作时，当MOSFET 1000在其阻断状态下偏置时，二极管 沟槽内的PN结利用在每个二极管结处产生的峰电场反向偏置。通 过介电层1021，二极管沟槽内的电场感应漂移区1006内的相应电 场。感应到的电场以上升棘波(up-swing spike)的形式在漂移区内 出现，且一般在漂移区的电场弯曲中增加。这种电场的增加导致更 大区的电场弯曲，又导致更高的击穿电压。这个实施例的更改在 Kocon等人的题为“Drift Region Higher Blocking Lower Forward Voltage Drop Semiconductor Structure”的共同转让的美国专利申请 第10/288,982号(代理案号18865-117/17732-66560)中详细进行了描 述，其全部内容结合于此作为参考。
可以有将用于电荷平衡的沟槽二极管和减小寄生电容的技术 (例如，屏蔽栅极或双栅极结构)结合的功率器件的其他实施例。 图11示出了根据一个这样实施例的MOSFET 1100的一个实例。 MOSFET 1100使用在有源沟槽1102内栅电极1110之下的屏蔽电极 1111，以减小与如图3A中的MOSFET 300A相关的晶体管的栅极- 漏极电容Cgd。与MOSFET 1000相比，在MOSFET 1100中使用了 不同数目的PN结。图12是结合了双栅极技术和沟槽二极管结构的 MOSFET 1200的截面图。MOSFET 1200中的有源沟槽1202包括主 栅极G1和次栅极G2，并以与图4B描述的双栅极MOSFET中的有 源沟槽相同的方式工作。二极管沟槽1220提供电荷平衡，以增加 器件的阻断电压，且双栅极有源沟槽结构改进了器件的开关速度。
图13示出了在平面栅极MOSFET 1300中将沟槽二极管电荷平 衡技术与集成肖特基二极管结合的又一实施例。通过集成肖特基二 极管1328和结合图8和9中描述的MOSFET可以获得相似的优点。 在该实施例中，为了说明的目的，示出了平面栅极结构，本领域的 技术人员应该明白，肖特基二极管和沟槽二极管结构的结合可以应 用于具有任何其他类型的栅极结构(包括沟槽栅极、双栅极和屏蔽 栅极)的MOSFET中。如结合图4D和图4E的MOSFET 400D和 400E的描述，任何一个合成实施例还可以与沟槽主体技术相结合， 以进一步减小边缘寄生电容。也可以有其他变化和等同。例如，二 极管沟槽内的相反导电区的数目可以随着二极管沟槽的深度而改 变。相反导电区的极性可以随着MOSFET的极性而反转。此外， 如果期望通过例如将各个区沿着第三维延伸，直到可以与它们进行 电接触的硅表面，那么任何PN区(923、925或1023、1025等) 均可以独立偏置。进一步，多个二极管沟槽可以用作通过器件尺寸 和应用的电压需要的要求，且二极管沟槽的间隔和配置可以以各种 条纹或网格设计来实现。
在另一个实施例中，假设累积模式晶体管类使用各种用于减小 正向电压损失和提高阻断能力的电荷平衡技术。在一般的累积模式 晶体管中没有阻断结，且通过轻微的反转靠近栅极端子的沟道区来 夹断电流使器件截止。当通过应用栅极偏压导通晶体管时，在沟道 区形成累积层而不是反型层。由于没有形成反型沟道，所以使得沟 道电阻最小。此外，在累积模式晶体管中没有PN主体二极管，使 得在特定电路应用(例如，同步整流器)中以其它方式产生的损耗 最小。传统累积模式器件的缺点是漂移区不得不进行轻度掺杂，以 当器件在阻断模式时提供反偏压。更轻掺杂的漂移区导致较高的导 通电阻。本文中描述的实施例通过在累积模式器件中使用各种电荷 平衡技术克服了这个限制。
参照图14，示出了具有与电流平行设置的交替导电区的示例性 累积模式晶体管1400的简化实施例。在该实施例中，晶体管1400 为n沟道晶体管，包括：在沟槽1402内形成的栅极端子、在沟槽 之间形成的n型沟道区1412、包括相反极性的柱状n型和p型部分 1403和1405的漂移区1406、以及n型漏极区1414。不同于增强型 晶体管，累积模式晶体管1400不包括阻断(在该实例中为p型) 阱或在其内形成沟道的主体区。相反地，当在区1412中形成累积 层时形成导电沟道。晶体管1400一般根据区1412的掺杂浓度和栅 电极的掺杂类型来导通或截至。当n型区1412完全耗尽并轻微反 转时，晶体管截至。调节相反极性的区1403和1405的掺杂浓度， 以最大化电荷扩展，能够使晶体管维持较高的电压。通过不允许远 离区1412和1406之间形成的结线性地减小电场，利用与电流平行 的柱状相反极性区使得电场分布变得平缓。这种结构的电荷扩展效 应允许使用减小晶体管导通电阻的更加重掺杂的漂移区。各个区的 掺杂浓度可以改变，例如，n型区1412和1403可以具有相同或不 同的掺杂浓度。本领域的技术人员应该了解，可以通过反转图14 所示器件的各种区的极性来获得改进的p沟道晶体管。后面将结合 超高压器件详细描述漂移区内的柱状相反极性区的其他更改。
图15是具有用于电荷扩展的沟槽电极的另一个累积模式器件 1500的简化图。所有区1512、1506和1514具有相同的导电类型(在 该实例中为n型)。对于一般的断开器件(off device)，栅极多晶硅 1510做成p型。调节区1512的掺杂浓度，以在没有偏压条件下形 成耗尽的阻断结。在每一个沟槽1502中，在栅电极1510之下形成 一个或多个掩埋电极1511，均由介电材料1508环绕。如结合图3A 的增强型MOSFET 300A所述，掩埋电极1511作为场板，并且如果 需要的话，能够偏置到使其电荷扩展功能最优化的电位。由于可以 通过独立偏置掩埋电极1511来控制电荷扩展，所以可以显著地增 大最大电场。与在MOSFET 300A中使用的掩埋电极相似，可以实 现结构的不同变化。例如，可以依据应用改变沟槽1502的深度和 掩埋电极的尺寸和数目。以图3B中所示的MOSFET 300B的沟槽 结构相同的方式，电荷扩散电极可以掩埋到与覆盖晶体管栅电极的 有源沟槽分离的沟槽中。图16中示出了这样的实施例的实例。在 图16所示的实例中，n型区1612包括可以选择性增加的重掺杂n+ 源极区1603。如图所示，重掺杂源极区1603可以沿着n型区1612 的上边缘延伸，或可以沿着n型区1612的上边缘形成为相邻于沟 槽壁的两个区(图中未示出)。在一些实施例中，为了确保晶体管 能够适当地截断，n+区1603的掺杂物可以必要地低于n型区1606 的掺杂浓度。这个可选择地重掺杂源极区可以以相同的方式用在任 何一个本文中所描述的累积晶体管中。
改进的累积模式晶体管的另一个实施例使用具有相反极性外 部衬套的填充介电材料的沟槽。图17是根据该实施例的累积晶体 管1700的简化截面图。填充介电材料的沟槽1720从硅阱表面向下 延伸进漂移区1706。沟槽1720基本填充诸如二氧化硅的介电材料。 在这个示例性实施例中，晶体管1700是具有沟槽栅极结构的n沟 道晶体管。如图所示，p型区1726沿着填充介电材料的沟槽1720 的外壁。与分别结合图5A、5B和5C描述的增强模式的晶体管500A、 500B和500C类似，沟槽1720减小了晶体管的输出电容，且p型 衬套1726提供漂移区内的电荷平衡，以增加晶体管的阻断能力。 在图18所示的可选实施例中，相反掺杂的衬套1826N和1826P在 填充介电材料的沟槽1820的相对侧形成。也就是，填充介电材料 的沟槽1820具有沿着一侧的外侧壁延伸的p型衬套1826P，以及沿 着相同沟槽的另一侧的外侧壁延伸的n型衬套1826N。如结合相应 的增强型晶体管的描述，也可以有具有累积晶体管与填充介电材料 的沟槽结合的各种变化。例如，这包括：如图5A所示的器件，具 有平面(如与沟槽相对)栅极结构和代替p型衬套1726的浮置p 型区的累积晶体管；如图5B所示的器件，具有仅覆盖外侧壁而没 有覆盖沟槽1726底部的累积晶体管；以及如图5C所示的器件，具 有覆盖沟槽下部的p型衬套的单个沟槽结构的累积晶体管等。
在另一个实施例中，累积模式晶体管使用一个或多个用于电荷 平衡的在沟槽内串联形成的二极管。图19示出了根据该实施例的 示例性累积模式晶体管1900的简化截面图。二极管沟槽1920设置 在栅极沟槽1902的每一侧，从阱延伸进漂移区1906。栅极沟槽1902 包括一个或多个二极管结构，其中，二极管结构由在沟槽内形成一 个或多个PN结的相反导电型的区1923和1925组成。p型和n型 掺杂多晶硅或硅可以用于形成区1923和1925。沿着沟槽的内壁延 伸的薄介电层1920使沟槽内的二极管和漂移区1906绝缘。如图所 示，沿着沟槽1920的底部没有介电层，因此允许底部区1927与下 面的基板进行电接触。如结合在图10、11、12和13中所示的相应 增强型晶体管的描述，可以有这种将累积晶体管和沟槽二极管结合 的其他更改。
上述任何一个累积模式晶体管可以在顶部(源极)区使用重掺 杂反极性区。图20是示出了这种特征与其他变化结合的示例性累 积模式晶体管2000的简化三维图。在该实施例中，累积模式晶体 管2000中的电荷平衡二极管与栅极在相同的沟槽内形成。沟槽2000 包括栅电极2010，下面是形成PN结的n型2023和p型2025硅或 多晶硅层。薄介电层2008将二极管结构与栅极端子2002和漂移区 2006分离开来。如图所示，在沿着源极区2012内的沟槽之间形成 的台面长度的间隔内形成重掺杂p+区2118。重掺杂p+区2118减小 n-区2012的面积，并减小器件的泄漏。p+区2118也考虑到将会 改进雪崩中的空穴电流和改进器件鲁棒性的p+接触。已经讨论了对 示例性垂直MOS栅极累积晶体管的更改，以说明这类器件的各种 特征和优点。本领域的技术人员应该了解，这些也可以在包括横向 MOS栅极晶体管、二极管、双极型晶体管等的其他类型的器件中 实现。可以在与栅极相同的沟槽内或在分离的沟槽内形成电荷扩展 电极。上述各种示例性累积模式晶体管具有在漂移区中终止的沟 槽，但是它们也可以终止在连接到漏极的重掺杂基板中。各种晶体 管能够以包括六角形或正方形的晶体管单元的条纹或网状结构形 成。结合一些其他实施例所述的其他更改和结合是可能的，其中一 些在先前参照的美国专利申请第60/506,194号和第60/588,845号中 进一步进行了描述，其全部内容结合于此作为参考。
用于超高电压应用(例如，500V-600V及以上)设计的另一 类功率开关器件使用在基板和阱之间的外延区中的p掺杂和n掺杂 硅交替垂直部分。参照图21，示出了使用这种类型结构的MOSFET 2100的一个实例。在MOSFET 2100中，区2102有时被称作电压 维持或阻断区，包括交替的n型区2104和p型区2106。这种结构 的效果是：当对器件施加电压时，耗尽区水平地扩散到区2104和 2106的每一侧。阻断层2102的整个垂直厚度在水平电场足够高产 生雪崩击穿之前耗尽，因为在每个垂直区2104、2106内的电荷净 数量小于产生击穿电场所需的数量。在该区水平地完全耗尽之后， 继续垂直地建立电场，直到其达到每微米大约为20到30伏特的雪 崩电场。这样就显著增强了器件的电压阻断能力，将器件的电压范 围扩大到400伏特或以上。这种类型的超级结器件的不同更改在 Nielson的共有的专利第6,081,009号和第6,066,878号中进行了详细 的描述，其全部内容结合于此作为参考。
对超级结MOSFET 2100的更改在n型阻断区内使用浮置p型 岛。浮置p型岛的使用与柱方法相反，通过减小电荷平衡层的厚度 来减小RDSon。在一个实施例中，代替均匀地分离p型岛，它们被彼 此分离，以便维持接近临界电场的电场。图22是示出根据该实施 例的器件的一个实例的MOSFET 2200的简化截面图。在该实例中， 较深的浮置p区2226与上面的一个分离的更远。也就是，距离L3 大于距离L2，以及距离L2大于距离L1。通过以这种方式处理浮置 结之间的距离，少数载体以更加小颗粒的方式进入。这些载体的源 极颗粒越小，就越可以实现更低的RDson和更高的击穿电压。本领 域的技术人员应该了解，可以作出许多更改。例如，在垂直方向上 的浮置区2226的数目不限于图中所示的四个，并且最佳数目可以 改变。此外，每一个浮置区2226的掺杂浓度也可以改变，例如， 在一个实施例中，每个浮置区2226的掺杂浓度随着区接近基板2114 的程度逐渐减小。
进一步，如结合低电压和中电压器件所描述，包括屏蔽栅极和 双栅极结构的许多用于减小寄生电容来增加开关速度的技术可以 与图21和22中描述的高压器件和其更改进行结合。图23是结合 了超级结结构的更改和双栅极结构的高压MOSFET 2300的简化截 面图。MOSFET 2300具有由类似于例如图4B中所示的双栅极晶体 管的栅极端子G1和G2组成的平面双栅极结构。相反极性(该实 例中为p型)区2326垂直设置在p阱2308下面的n型漂移区2306 中。在该实例中，p型区2326的大小和间隔不同，从而如图所示， 设置接近阱2308的区2326彼此接触，而设置更加靠下的区2326 浮置并且尺寸越小。图24示出了结合超级结技术和屏蔽栅极结构 的用于高压MOSFET 2400的又一实施例。MOSFET 2400为沟槽栅 极器件，具有与漂移区2406屏蔽开来的栅电极2410和屏蔽电极 2411，例如，与图3A中的MOSFET 300A类似。MOSFET 2400还 包括设置在漂移区2406内、与电流平行的相反极性的浮置区2426。
终端结构
上述各种类型的分立器件具有通过在管芯边缘处的耗尽区的 圆柱或球形形状限制的击穿电压。由于这样的圆柱或球形击穿电压 一般都比在器件有源区内的平行平面击穿电压BVPP低很多，所以 需要终止器件的边缘，以便达到接近于有源区击穿电压的器件击穿 电压。已经开发了不同的技术来扩大统一在边缘终端宽度之上的电 场和电压，以实现接近BVPP的击穿电压。这些技术包括场板、场 环、结终端扩展(JTE)和这些技术的不同结合。在Mo等人的共 有美国专利第6,429,481号中描述了包括具有环绕在有源单元阵列 周围的叠加场氧化层的深结(深于阱)的场终端结构的一个实例。 例如，在n沟道晶体管的情况下，终端结构包括形成具有n型漂移 区的PN结的深p+区。
在可选实施例中，环绕在单元阵列外围周围的一个或多个环形 沟槽用于减弱电场和增加雪崩击穿。图25示出了用于沟槽晶体管 的普通使用的沟槽布局图。有源沟槽2502由环形终端沟槽2503环 绕。在该结构中，在台面末端的由虚圆形示出的区2506比其他区 耗尽的快，使该区内的电场增强，使得在反向偏置的条件下减小击 穿电压。因此，这种类型的设计被限制于较低的电压器件(如，＜ 30V)。图25B到图25F示出具有与图25A中所示不同的沟槽布局 来减小高电场区的终端结构的几个可选实施例。从图中可以看出， 在这些实施例中，一些或全部有源沟槽与终端沟槽分离。有源沟槽 末端和终端沟槽之间的间隙WG用于减小在图25A所示结构中观察 到的电场集合效应。在一个示例性实施例中，WG做成大约为沟槽 之间台面宽度的一半。对于较高的电压器件，可以使用图25F中示 出的多个终端沟槽，以进一步减小器件的击穿电压。在Challa的题 为“Trench Structure for Semiconductor Devices”的共有美国专利第 6,683,363号中更加详细的描述了对这些实施例中的一些的更改，其 全部内容结合于此。
图26A到图26C示出了用于电荷平衡沟槽MOSFET的示例性 沟槽终端结构的截面图。在示出的示例性实施例中，MOSFET 2600A使用具有在有源沟槽2602内掩埋在栅电极2610的下面的屏 蔽的多晶电极2611的屏蔽栅极结构。在图26A示出的实施例中， 沿着终端沟槽2603A设置有相对较厚的介电层(氧化层)2605A， 且终端沟槽2603A填充诸如电极2607A的导电材料。氧化层2605A 的厚度、终端沟槽2603A的深度、以及终端沟槽和相邻有源沟槽之 间的间隔(例如，最后一个台面的宽度)通过器件反向阻断电压来 确定。在图26A所示的实施例中，在表面处的沟槽较宽(T沟槽结 构)，金属场板2609A用在终端区之上。在可选实施例(未示出) 中，可以通过将终端沟槽2603A内的电极2607A延伸到表面之上 和终端区之上(到图26A中终端沟槽的左端)由多晶硅来形成场板。 可以有许多更改。例如，可以在金属下面增加接触到硅的p+区(未 示出)来更好地进行欧姆接触。在邻近终端沟槽2603A的最后一个 台面中的p-阱区2604及它们之间的各自接触可以选择性地除去。 浮置p型区也能够增加到终端沟槽2603A的左边(例如，有源区外)。
在另一个变化中，代替用多晶硅填充终端沟槽2603，将多晶硅 电极掩埋在填充氧化物的沟槽内的沟槽下部。图26B示出了该实施 例，其中，终端沟槽2603B的大约一半填充氧化物2605B，下半部 具有掩埋在氧化物内的多晶硅电极2607B。可以基于器件处理改变 沟槽2603B的深度和掩埋电极2607B的高度。在图26C示出的又 一实施例中，终端沟槽2603C基本填满了介电材料，没有在其中掩 埋导电材料。对于图26A、B和C中所示的三个实施例，将终端沟 槽和最后一个有源沟槽分离的最后一个台面的宽度可以与在两个 有源沟槽之间形成的典型台面的宽度不同，并且能够进行调节来实 现终端区内的最佳电荷平衡。上述结合图26A的所示结构的所有更 改可以应用到图26B和26C示出的那些结构中。进一步，本领域的 技术人员应该了解，当将此处描述的终端结构用于屏蔽栅极器件 时，类似的结构能够以对于所有上述各种基于沟槽的器件的终端区 来实现。
对于较低的电压器件，可以不苛求沟槽终端环的拐角设计。然 而，对于较高的电压器件，可以期望终端环拐角的圆角(rounding) 具有较大的曲率半径。器件的电压要求越高，终端沟槽拐角的曲率 半径就越大。终端环的数目也可以随着器件电压的增加而增加。图 27示出具有曲率半径相对较大的两个沟槽2703-1和2703-2的示例 性器件。同样可以基于器件的电压要求来调节沟槽之间的间隔。在 该实施例中，终端沟槽2703-1和2703-2之间的距离S1大约为第一 终端沟槽2703-1和有源沟槽末端之间的距离的两倍。
图28A、28B、28C、和28D示出了用于各种具有硅柱电荷平 衡结构的终端区的示例性截面图。在图28A所示的实施例中，场板 2809A接触p型柱2803A的每一个环。这样就允许更宽的台面区， 这是因为由于场板产生的横向损耗。击穿电压一般依赖于场氧化层 的厚度、环的数目以及终端柱2803A的深度和间隔。对于这种类型 的终端结构可以有许多不同的更改。例如，图28B示出了可选实施 例，其中，大的场板2809B-1覆盖除了连接到另一个场板2809B-2 的最后一个柱的所有柱2803B。通过将大的场板2809B-1接地，p 型柱之间的台面区很快的耗尽，且水平压降将不会很显著，使得低 于图28A示出的实施例的击穿电压。在图28C示出的另一个实施例 中，终端结构在中间的柱上没有场板。因为在中间的柱上没有场板， 所以就具有了较窄的台面区以充分地耗尽。在一个实施例中，朝着 外环逐渐减小台面宽度产生最佳的性能。图28D示出的实施例通过 提供较宽的阱区2808D和增加场氧化层之间的间隔来有利于与p型 柱的接触。
在使用上述类型的各种超级结技术的超高压器件的情况下，击 穿电压大大高于常规的BVPP。对于超级结器件来说，电荷平衡或超 级结结构(例如，相反极性柱或浮置区、掩埋电极等)也可以用在 终端区中。也可以使用结合电荷平衡结构的标准边缘终端结构，例 如，器件边缘处顶部平面的场板。在一些实施例中，可以通过使用 在终端结中快速减少电荷来消除顶部的标准边缘结构。例如，可以 以随着距离有源区越远电荷越少来形成终端区内的p型柱，其中， 有源区创建净n型平衡电荷。
在一个实施例中，随着柱移动远离有源区的距离来改变终端区 内p型柱之间的间隔。图29A示出了根据该实施例的器件2900A 的一个示例性实施例的高度简化的截面图。在器件2900A的有源区 中，例如由多个连接的p型球体制成的相反导电性柱2926A在n型 漂移区2904A中的p型阱2908A之下形成。在器件的边缘处，在 终端区的下面，形成如图所示的p型终端柱TP1、TP2到TPn。替 代在有源区内具有统一的间隔，终端柱TP1到TPn之间的中心到 中心的间隔随着移动柱与有源区的界面距离的增加而增加。也就 是，TP2和TP3之间的距离D1小于TP3和TP4之间的距离D2， 以及距离D2小于TP4和TP5之间的距离D3，依次类推。
可以对这种超级结终端结构进行许多变化。例如，替代在电压 维持层2904A内以不同的距离形成p型终端柱TP1到TPn，而是 将中心到中心的间隔保持一致，但是可以改变每一个终端柱的宽 度。图29B示出了根据该实施例的终端结构的简化实例。在该实例 中，终端柱TP1具有大于终端柱TP2的宽度W2的宽度W1，依次 W2大于终端柱TP3的宽度W3，依次类推。根据终端区内的相反 极性的电荷平衡区之间的间隔，器件2900B中的结果结构与器件 2900A中的类似，尽管在器件2900B中沟槽柱之间的中心到中心的 间隔可以相同。在图29C的简化截面图中所示的另一个示例性实施 例中，有源区内的每一个相反极性柱2926C的宽度从顶部平面到基 板减小，而终端柱TP1和TP2的宽度保持一致。这样利用较少的面 积就实现了期望的击穿电压。本领域的技术人员应该理解，上述的 各种终端结构可以以任何期望的方式结合，例如，包括图29C中所 示器件2900C的终端柱的中心到中心的间隔和/或总宽可以结合图 29A和29B所示的实施例来改变。
工艺技术
至此已经描述了许多具有多个掩埋电极或晶体管的沟槽结构 的不同器件。为了偏置这些沟槽电极，这些器件需要与每一个埋层 进行电接触。这里披露了用于形成具有掩埋电极的沟槽结构和用于 与沟槽内的掩埋的多晶硅层进行接触的方法。在一个实施例中，在 管芯的边缘处与沟槽多晶硅层进行接触。图30A示出了具有两个多 晶硅层3010和3020的沟槽器件3000的边缘接触的一个实例。图 30A示出沿着沟槽纵轴的器件的截面图。根据该实施例，沟槽在接 近管芯的边缘处终止，为了接触的目的，多晶硅层3010和3020被 提到基板的表面。介电(氧化)层3030和3040中的开口3012和 3022允许与多晶硅层的金属接触。图30B到30F示出了涉及形成 图30A的边缘接触结构的各个处理步骤。在图30B中，在外延层 3006的顶部图样化介电(例如，二氧化硅)层3001，并蚀刻基板 暴露的表面以形成沟槽3002。然后，如图30C所示，横过包括沟 槽的基板的上表面形成第一氧化层3003。然后，如图30D所示， 在氧化层3003的顶部形成第一导电材料(例如，多晶硅)3010。 参照图30E，在沟槽内蚀刻多晶硅层3010，并在多晶硅层3010上 形成另一个氧化层3030。执行类似的步骤，以形成如图30F所示的 第二个氧化层-多晶硅层-氧化层的夹层，蚀刻所示的顶部氧化层 3040，来分别形成用于与多晶硅层3010和3020进行金属接触的开 口3012和3022。可以重复最后的步骤来形成附加的多晶硅层，并 且如果期望的话，可以通过叠加金属层将多晶硅层连接到一起。
在另一个实施例中，与给定沟槽内的多个多晶硅层的接触在器 件的有源区内进行，而不是沿着管芯的边缘。图31A示出了用于多 个掩埋多晶硅层的有源区接触结构的一个实例。在该实例中，沿着 沟槽纵轴的截面图示出了提供栅极端子的多晶硅层3110和提供两 个屏蔽层的多晶硅层3111a和3111b。当示出的三个分离的金属线 3112、3122和3132与多晶硅层进行接触时，它们可以连接在一起 并连接到器件的源极端子，或者通过特殊应用的要求使用任何其他 接触的结合。与图30A示出的多层边缘接触结构相比，这种结构的 优点是接触的平面性质。
图31B到31M示出用于为具有两个多晶硅层的沟槽形成有源 区屏蔽接触结构的工艺流程的一个实例。接着图31B中的沟槽3102 的蚀刻的是图31C中的屏蔽氧化层3108的形成。然后，如图31D 所示，沉积屏蔽多晶硅3111，并使其凹入沟槽内。在图31E中，除 了期望在基板表面处进行屏蔽接触的位置，屏蔽电极3111又向里凹 进。在图31E中，掩模3109保护中间沟槽内的多晶硅以免进一步 被蚀刻。在一个实施例中，该掩模沿着不同沟槽应用在不同位置， 例如中间沟槽，屏蔽多晶硅在第三维(未示出)凹进到沟槽的其他 部分。在另一个实施例中，在有源区中的一个或多个选择沟槽内的 屏蔽多晶硅3111沿着沟槽的全长被掩蔽。然后，如图31F所示， 蚀刻屏蔽氧化层3108，然后，如图31G所示，在去除掩模3109之 后越过基板顶部形成栅极氧化层3108a的薄层。接着是栅电极的沉 积和凹进(图31H)，p阱的注入和驱动(drive)(图31I)，以及n+ 源极注入(图31J)。图31K、31L和31M分别示出了BPSG沉积、 接触蚀刻和p+重掺杂主体注入的步骤，然后是金属化。图31N示 出了有源区屏蔽接触结构的可选实施例的截面图，其中，在屏蔽氧 化层的顶部屏蔽多晶硅3111形成相对较宽的平台。这样有利于接触 屏蔽电极，但是引入了可能使制造工艺进一步复杂化的构形 (topography)。
在图32A中示出具有有源区屏蔽接触结构的示例性沟槽器件 的自顶向下的简化布局图。限定屏蔽电极凹槽的掩模防止屏蔽电极 在有源区内的位置3211C处及屏蔽沟槽3213的外围凹进。这种技 术的改进使用“狗骨头(dogbone)”形状用于屏蔽多晶硅凹槽掩模， 在与每个沟槽3202的交界处提供更宽的区用于接触屏蔽多晶硅。 这样使得在掩蔽区中的屏蔽多晶硅也被凹进，但是是凹进到台面的 起始面，因此消除了构形。在图32B中示出可选实施例的自顶向下 的布局图，其中，有源区沟槽连接到外围沟槽。在该实施例中，对 于与源极金属的有源区屏蔽沟槽接触，屏蔽多晶硅凹槽掩模防止屏 蔽多晶硅沿着所选沟槽(该实例所示为中间沟槽)的长度凹进。图 32C和32D是示出用于在具有断开沟槽结构的沟槽器件内与外围沟 槽进行接触的两个不同的实施例的简化布局图。在这些图中，为了 说明的目的，有源沟槽3202和外围沟槽3213由单条线来表示。在 图32C中，外围栅极多晶硅支座3210的延伸部或指状元件(finger) 相对于外围屏蔽多晶硅指状元件交叉排列，以将外围接触与外围沟 槽分离开来。源极和屏蔽接触区3215也在所示位置3211C处与有 源区内屏蔽多晶硅进行接触。图32D示出的实施例消除了有源和外 围沟槽之间的偏移量，以避免由沟槽倾斜要求引起的可能的限制。 在该实施例中，对准有源沟槽3202和外围沟槽3213的水平延伸部， 栅极多晶硅支座3210中的窗口3217用于将与外围沟槽周围的屏蔽 多晶硅进行的接触。有源区接触在如先前实施例的位置3211C处进 行。
在图33A中示出用于接触有源区中的沟槽屏蔽多晶硅的可选 实施例。在该实施例中，替代凹进屏蔽多晶硅，而是垂直地将其从 有源沟槽实体部分的上面延伸到硅表面。参照图33A，随着屏蔽多 晶硅3311沿着沟槽3302的高度垂直延伸将栅极多晶硅3310分成 两个部分。两个栅极多晶硅部分在沟槽内合适位置处在第三维或在 它们进入沟槽时连接到一起。该实施例的一个优点是利用通过在有 源沟槽内进行源极多晶硅接触的区代替使用用于沟槽多晶硅接触 的硅空间。图33B到33M示出了用于形成图33A所示类型的有源 屏蔽接触结构的工艺流程的一个实例。在图33B中，蚀刻沟槽3302， 之后是图33C中所示的屏蔽氧化层3308的形成。然后，如图33D 所示，屏蔽多晶硅3311沉积在沟槽内。如图33E所示，蚀刻屏蔽 多晶硅3311，并使其凹入沟槽内。然后，如图33F所示，蚀刻屏蔽 氧化物层3308，留下在沟槽内屏蔽多晶硅3311侧面形成两个槽的 屏蔽多晶硅3311露出的部分。然后，如图33G所示，越过基板的 顶部、沟槽侧壁以及沟槽内的槽形成薄层的栅极氧化层3308a。接 着是栅极多晶硅的沉积和凹进(图33H)，p阱的注入和驱动(图 33I)，以及n+源极注入(图33J)。图33K、33L和33M分别示出 BPSG沉积、接触蚀刻以及p+重掺杂主体注入的步骤，接着是金属 化。对这种工艺流程是可以进行改变的。例如，通过重新排列一些 工艺步骤，形成栅极多晶硅3310的工艺步骤可以在形成屏蔽多晶 硅3311的步骤之前。
用于执行上述工艺流程的许多步骤的具体处理方法和参数及 其更改都是众所周知的。对于给定的应用，可以很好的调整特定工 艺方法、化学和材料类型，以增强器件的可制造性和性能。可以从 原材料开始进行改进，也就是，在其上形成外延漂移区的基板。在 大多数功率应用中，期望减小晶体管的导通电阻RDSon。功率晶体管 的理想导通电阻是临界场(critical field)较强的功能，其中，临界 场定义为在击穿条件下器件中的最大电场。假设保持合理的迁移 率，如果器件是用临界场高于硅的临界场的材料制造，可以显著的 减小晶体管的导通电阻。由于至此描述的许多功率器件的特性(包 括结构和工艺)已经在硅基板的内容中进行了描述，可以使用不同 于硅的基板材料的其他实施例。根据一个实施例，这里描述的功率 器件用由宽能带隙材料(包括例如，碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)、 砷化镓(GaAs)、磷化铟(InP)、金刚石等)制成的基板制造。这 些宽能带隙材料显示出大于硅的临界场的临界场，可以用于显著减 小晶体管的导通电阻。
另一个主要有助于减小晶体管导通电阻的是漂移区的厚度和 掺杂浓度。漂移区一般是由外延生长的硅形成。为了减小RDSon，期 望将该外延漂移区的厚度最小化。通过初始基板的类型部分地控制 外延层的厚度。例如，对于分立半导体器件，掺杂红磷的基板是初 始基板普通类型的材料。然而，磷原子的特性为它们在硅中迅速地 扩散。因此，确定在基板顶部形成的外延区的厚度，以调节从下面 的重掺杂基板向上扩散的磷原子。
为了使外延层的厚度最小，根据图34所示的一个实施例，在 磷基板3414上形成具有相对较小扩散率的掺杂物(例如，砷)的 外延间隔区或缓冲(势垒)层3415。组合的掺杂磷的基板和掺杂砷 的缓冲层为随后形成外延漂移区3406提供基础。通过器件的击穿 电压要求来确定层3415的砷掺杂浓度，以及通过具体的热预算 (thermal budget)来确定砷外延层3415的厚度。然后，可以在砷 外延层的顶部沉积均匀的外延层3406，其厚度通过器件要求来确 定。砷很低的扩散率允许减小外延漂移区的总厚度，使得减小了晶 体管的导通电阻。
在可选实施例中，为了计算掺杂物种类从重掺杂基板到外延层 的向上扩散，在两个层之间使用扩散势垒层。根据图35所示的一 个示例性实施例，由例如碳化硅SixC1-x组成的势垒层3515外延地 沉积在硼或磷的基板3514上。然后，外延层3506沉积在势垒层3515 的上面。根据工艺技术的热预算可以改变厚度和碳化合物。可选地， 碳掺杂物可以首先注入到基板3514中，接着进行热处理激活碳原 子，以在基板3514的表面形成SixC1-x化合物。
限制减小外延层厚度能力的特定沟槽晶体管技术的另一个方 面是在深体和外延层之间形成的结，这个结有时用在有源区，有时 用在终端区。这个深体区的形成一般涉及在工艺早期的注入步骤。 由于通过场氧化层和栅极氧化层的形成来要求随后的热预算，深体 和漂移区之间的结分为大的范围。为了在管芯的边缘避免早击穿， 需要非常厚的漂移区，这就导致了较高的导通电阻。为了将所需外 延层的厚度最小化，扩散势垒层的使用也可以使用在深体-外延层结 处。根据图36所示的示例性实施例，通过深体窗口，在执行深体 注入之前注入碳掺杂物。随后的热工艺激活碳原子，以在深体区 3630的边界形成SixC1-x化合物3615。碳化硅层3615用作阻止硼扩 散的扩散势垒层。最终形成的深体结是允许减小外延层3606厚度 的浅层。在受益于势垒层的典型沟槽晶体管中的又一个结是阱-漂移 区结。在图37中示出使用这种势垒层的实施例的简化实例。在用 于图31M结构的示例性工艺流程中，在图31H和31I所示的两个 步骤之间形成p阱。在注入阱掺杂物(这个示例性n沟道实施例中 为p型)之前，首先注入碳。随后的热工艺激活碳原子，以在p阱 外延结处形成SixC1-x层3715。层3715用作扩散势垒层来防止硼扩 散，使得可以保持p阱3704的深度。这样有助于减小晶体管的沟 道长度，而不增加穿通电位。当前进损耗边界随着漏极-源极电压的 增加到达源极结时发生穿通。通过用作扩散势垒层，层3715还可 以防止穿通。
如上所述，期望减小晶体管的沟道长度，因为它导致导通电阻 的减小。在另一个实施例中，通过使用外延生长的硅形成阱区使晶 体管沟道长度最小。也就是，代替在扩散步骤之前形成关于注入漂 移外延层的阱的传统方法，在外延漂移层的顶部形成阱区。除了可 以从外延-阱的形成获得较短的沟道长度，还有其他优点。例如，在 屏蔽栅极沟槽晶体管中，栅电极在接触沟槽(栅极到漏极的叠加部 分)的阱的底部延伸的距离对于确定栅极电荷Qgd很重要。栅极电 荷Qgd直接影响晶体管的开关速度。因此，期望能够精确地最小化 和控制这个距离。然而，例如，在上述图31I所示的阱注入和扩散 到所示外延层的制造工艺中，难以控制这个距离。
为了更好的控制在阱的拐角处栅极到漏极的叠加，提出了各种 用于形成具有自我对准的阱的沟槽器件的方法。在一个实施例中， 涉及外延层-阱的沉积工艺流程能够使得主体结的底部与栅极底部 自我对准。参照图38A到38D，示出了具有掩埋电极(或屏蔽栅极) 的自我对准的外延-阱沟槽器件的一个实例的简化工艺流程。将沟 槽3802蚀刻进在基板3814的顶部形成的第一外延层3806。对于n 沟道晶体管，基板3814和第一外延层3806为n型材料。
图38A示出了在包括内部沟槽3802的外延层3806的顶部生长 的屏蔽介电层3808S。然后，如图38B所示，在沟槽3802内沉积 导电材料3811(例如，多晶硅)，并在外延台面的下面进行深蚀刻。 沉积附加的介电材料3809S以覆盖屏蔽多晶硅3811。如图38C所 示，在深蚀刻介电层来清理台面之后，在第一外延层3806的顶部 选择性地生长第二外延层3804。通过外延层3804形成的台面在所 示原始沟槽3802的上面生成沟槽上部。这个第二外延层3804具有 与第一外延层3806的极性相反的掺杂物(例如，p型)。第二外延 层3804的掺杂浓度设置为晶体管阱区的期望水平。在形成层3804 的选择外延生长(SEG)步骤之后，在顶面上和沿着沟槽侧壁形成 栅极介电层3808G。然后，如图38D所示，沉积栅极导电材料，填 充沟槽3802的剩余部分，然后执行平面化。例如，继续在图31J 到31M中所示的工艺流程，以完成晶体管结构。
如图38D所示，该工艺形成与阱外延层3804自我对准的栅极 多晶硅3810。为了使栅极多晶硅3810的底部降低在外延阱3804之 下，可以轻微地将图38C中所示的多晶硅层间介电层3809S的上表 面蚀刻到沟槽3802内的期望位置。因此，该工艺对栅电极和阱的 拐角之间的距离提供精确控制。本领域的技术人员应该理解，SEG 阱形成工艺不限于屏蔽栅极沟槽晶体管，也可以使用在许多其他沟 槽栅极晶体管结构中，其中，许多已经在本文中进行了描述。形成 SEG台面结构的其他方法在共同转让的Madson等人的美国专利第 6,391,699号和Brush等人的第6,373,098号中进行了描述，其全部 内容结合于此作为参考。
用于控制自我对准的阱的拐角的可选方法不依赖SEG阱的形 成，而是代替使用涉及角度阱注入的工艺。图39A和39B示出这个 实施例的示例性工艺流程。在该实施例中，代替在沟槽填充所示(例 如，在图31H和31I中)的栅极多晶硅之后形成阱，而是在沟槽3902 内的介电层3908中嵌入屏蔽多晶硅之后、填充沟槽的剩余部分之 前，在给定部分执行第一阱注入3905。然后，如图39B所示，通 过沟槽3902的侧壁执行第二但成角的阱注入。然后，完成驱动周 期，以在沟槽拐角处获得期望的阱到漂移外延界面的轮廓。根据器 件的结构要求，将改变注入量(implant does)、能量以及驱动周期 的细节。这种技术可以使用在许多不同的器件类型中。在可选实施 例中，调节沟槽倾斜和角度注入，使得当角度注入扩散时，其与邻 近单元的区合并在一起来形成连续阱，消除了第一阱注入的需要。
结合附图40A到40E，描述用于形成沟槽器件的自我对准的外 延阱工艺的另一个实施例。如上所述，为了减小栅极-漏极电容，一 些沟槽栅型晶体管使用栅极介电层，其中，栅极介电层在栅极多晶 硅下面的沟槽的底部厚度大于沿着内垂直侧壁的介电层的厚度。根 据图40A到40E所示的示例性工艺实施例，如图40A所示，首先 在外延漂移层4006的顶部形成介电层4008B。形成具有期望厚度 的介电层4008B，然后，如图40B所示，蚀刻介电层4008B使得剩 下具有与随后形成的沟槽相同宽度的介电柱。接下来，在图40C中， 执行选择性外延生长步骤，以在介电柱4008B周围形成第二外延漂 移层4006-1。第二外延漂移层4006-1与第一外延漂移层4006具 有相同的导电类型并可以为相同的材料。可选地，第二外延漂移层 4006-1也可以使用其他类型的材料。在一个示例性实施例中，通 过使用硅锗(SixGe1-x)合金的SEG步骤来形成第二外延漂移层4006 -1。 SiGe合金改进了邻近沟槽底部的累积区的载流子迁移率。这 样就改进了晶体管的开关速度，并减小了RDSon。也可以使用其他化 合物，例如，GaAs或GaN。
如图40D和40E分别所示，在上表面上形成覆盖外延阱层 4004，然后，蚀刻外延阱层4004来形成沟槽4002。接着是栅极氧 化层的形成和栅极多晶硅的沉积(未示出)。最终的结构是具有自 我对准的外延阱的沟槽栅极。可以使用传统的处理技术来完成剩下 的工艺步骤。本领域的技术人员应该理解，可以有更改。例如，代 替形成覆盖外延阱层4004然后蚀刻沟槽4002，外延阱4004可以仅 在第二漂移外延层4006-1的顶部选择性地生长，随着它的生长形 成沟槽4002。
上述各种处理技术通过关注阱区的形成增强器件性能，以减小 沟道长度和RDSon。通过改进工艺流程的其他方面，也可以实现类似 的性能增强。例如，通过减小基板厚度，可以进一步减小器件的阻 抗。因此为了减小基板的厚度，普遍执行晶片减薄处理。一般通过 机械研磨和带处理(tape process)执行晶片减薄。研磨和带处理是 将机械力施加在晶片上，引起晶片表面的损坏，这样就导致了制造 难题。
在下文中描述的一个实施例中，改进的晶片减薄处理显著地减 小了基板阻抗。在图40R、图40S、图40T和图40U中示出了用于 减小基板厚度的一种方法。在晶片上完成期望电路的制作之后，制 作电路的晶片的顶部被临时地粘附到载体。图40R示出完成的晶片 4001通过粘附材料4003粘附到载体4005。然后，使用诸如研磨、 化学蚀刻等处理将完成的晶片的背面抛光到期望厚度。图40S示出 与图40R所示类似的夹层结构，具有减薄的晶片4001。在抛光晶 片4001的背面之后，如图40T所示，晶片的背面粘附到低阻抗(例 如，金属)晶片4009。可以使用传统的方法完成这些步骤，例如， 在温度和压力下使用焊料4007的薄涂层将金属晶片4009粘附到减 薄的晶片4001。然后，在进一步处理之前，去除载体4005并清理 减薄的晶片4001的上表面。高导电的金属基板4009有助于散热、 减小阻抗和为减薄的晶片提供机械强度。
通过使用化学处理执行最后的减薄处理，可选实施例实现了没 有传统机械处理缺点的更薄的晶片。根据该实施例，在厚玻璃硅 (silicon-on-thick-glass，简称为SOTG)基板的硅层上形成有源器 件。在研磨阶段，可以通过化学地将SOTG基板背面的玻璃蚀刻掉 来将晶片减薄。图41示出根据该实施例的示例性工艺流程。从硅 基板开始，首先在步骤4110中，诸如He或H2的掺杂物被注入硅 基板。然后，在4112，将硅基板粘附到玻璃基板。可以使用不同的 粘附处理。在一个实例中，硅晶片和玻璃晶片做成夹层状，加热到 大约400℃来粘合两个基板。玻璃可以是二氧化硅等，且可以具有 例如大约600um的厚度。接着，在步骤4114中，任选地粘附硅基 板，并形成厚玻璃硅(silicon-on-thick-glass)SOGT基板。为了在 加工和随后的处理过程中保护基板免受应力，可以重复粘合处理， 以在基板的另一侧形成SOGT基板(步骤4116)。接下来，在基板 的硅表面上沉积外延层(步骤4118)。除了前侧，也可以在后侧执 行。优选地，外延层后侧的掺杂浓度与后侧硅的掺杂浓度类似，而 前侧外延层随着器件要求的浓度掺杂。然后，基板进行用于在前侧 硅层上形成有源器件的制造工艺的各个步骤。
在一个实施例中，为了进一步增强基板抵抗通过前侧处理步骤 引入的应力的强度，后侧基板可以进行图样化为近似前侧管芯框架 的反向结构。以这种方式，玻璃基板蚀刻进网格栅，以帮助薄基板 支撑晶片中的应力。在研磨之后，首先通过传统的研磨工艺从后侧 将硅层去除(步骤4120)。接着是另一个研磨步骤4122，去除玻璃 基板的一部分(例如，一半)。然后，通过使用如氢氟酸的化学蚀 刻处理将玻璃基板剩下的部分去除。可以执行后侧玻璃基板的蚀 刻，而没有对有源硅层腐蚀或引起机械损伤的风险。这样就取消了 带绕(tape)晶片的需要，消除了带绕和再带绕(re-tape)设备的 需要和每项操作相关的工艺风险。因此，这样的工艺使得进一步将 基板厚度最小化来增强器件性能。应该明白，可以有许多这种改进 晶片减薄工艺的更改。例如，根据最终基板的期望厚度，减薄步骤 可以涉及研磨或不涉及研磨，因为化学蚀刻是足够的。此外，改进 的晶片减薄工艺不限于分立器件的处理，也可以应用在其他类型器 件的处理中。其他的晶片减薄工艺在Pritchett的共同转让的美国专 利第6,500,764中进行了描述，其全部内容结合于此。
具有许多功率晶体管的其他结构和处理方面和能够显著影响 它们的性能的其他有源器件。沟槽的形状是一个例子。为了减小易 于在沟槽的拐角周围集中的潜在的破坏性电场，期望避免尖锐棱 角，而是形成具有圆形拐角的沟槽。为了提高可靠性，还期望实现 具有光滑表面的沟槽侧壁。不同的蚀刻化学物在不同的结果(例如， 硅蚀刻速率、掩模层的选择性、蚀刻剖面(侧壁角)、顶部拐角圆 角、侧壁的粗糙程度、以及沟槽底部的圆角)中提供平衡。氟化物 (例如，SF6)提供高的硅蚀刻速率(大于1.5um/min)、圆的沟槽 底部、以及笔直的侧面。氟化物缺点是粗糙的侧壁和沟槽顶部控制 的困难(可以凹进)。氯化物(例如，Cl2)提供了较光滑的侧壁， 以及蚀刻剖面和沟槽顶部更好的控制。氯化物的缺点是具有较低的 硅蚀刻速率(小于1.0um/min)，以及沟槽底部更小的圆角。
可以将附加气体加到蚀刻化学物中，以有助于在蚀刻期间钝化 侧壁。侧壁钝化用于将侧面蚀刻最小化，蚀刻到期望的沟槽深度。 可以使用附加的处理步骤来使沟槽侧壁光滑，以及实现沟槽顶部拐 角和底部的磨圆。沟槽侧壁的表面质量是很重要的，因为它影响到 可以在沟槽侧壁上生长的氧化层的质量。不管使用的化学物，在主 蚀刻步骤之前一般使用穿透(breakthrough)步骤。穿透步骤的目的 是去除硅表面上的任何可以在主蚀刻步骤期间掩蔽硅蚀刻的原生 氧化物。典型的穿透蚀刻化学物为CF4或Cl2。
图42A所示用于改进蚀刻工艺的一个实施例使用基于氯的主 硅沟槽蚀刻，接着是基于氟的蚀刻步骤。这种工艺的一个实例使用 Cl2/HBr主蚀刻步骤，接着是SF6蚀刻步骤。氯化步骤用于将主沟槽 蚀刻到期望深度的部分。这样产生具有一定程度的锥度以及具有光 滑侧壁的沟槽侧面。随后的氟化步骤用于蚀刻沟槽深度的剩余物、 磨圆沟槽底部、以及提供粘附在沟槽侧壁上的任何悬浮的硅结合物 的进一步平滑化。优选地，氟化蚀刻步骤在相对较低的氟流动、低 压、以及低功率的条件下执行，以控制平滑化和磨圆。由于两种蚀 刻化学物之间蚀刻速率的不同，可以平衡两个步骤的时间，以实现 具有可接受的总蚀刻时间的更加可靠和可制造性的工艺，而且保持 期望的沟槽侧面、侧壁粗糙度、以及沟槽底部圆角。
在图42B中示出的另一个实施例中，用于硅蚀刻的改进方法包 括基于氟的主蚀刻步骤，接着是基于氯的第二蚀刻步骤。这个工艺 的一个实例使用SF6/O2主蚀刻步骤，接着是Cl2蚀刻步骤。氟化步 骤用于蚀刻主沟槽中的大部分深度。这个步骤生成具有直的侧壁和 磨圆的沟槽底部的沟槽。任选地，可以将氧加到这个步骤，以提供 侧壁钝化，以及有助于通过减小侧面蚀刻来保持笔直的侧壁。后续 的氯化步骤磨圆沟槽的顶部拐角并减小侧壁的粗糙度。氟化步骤的 高硅蚀刻速率通过增加蚀刻系统的总处理能力来增加工艺的可制 造性。
在图42C中示出的又一实施例中，通过将氩加到基于氟的化学 物中获得改进的硅蚀刻工艺。根据该实施例的用于主蚀刻步骤的化 学物的实例是SF6/O2/Ar。增加到蚀刻步骤的氩增加了离子轰击，因 此使得蚀刻更加物理化。这样有助于控制沟槽的顶部，并消除了沟 槽顶部再凹入的倾向。附加的氩还可以增加沟槽底部的圆角。附加 的蚀刻处理可以用于侧壁的平滑化。
如图42D所示，用于改进的硅蚀刻工艺的可选实施例使用基于 氟的化学物，从主蚀刻步骤开始去除氧气。该工艺的一个实例使用 SF6步骤，接着是SF6/O2步骤。在蚀刻的第一阶段，由于不存在O2， 缺少侧壁钝化。这样的结果是沟槽顶部的侧面蚀刻量的增加。然后， 第二蚀刻步骤，SF6/O2，继续蚀刻剩余的沟槽深度，使得具有直的 侧面和圆形的沟槽底部。这样导致在沟槽结构中顶部较宽，有时称 为T沟槽。使用T沟槽结构的器件实例在Herrick的题为“Structure and Method for Forming a Trench MOSFET Having Self-Aligned Features，”的共同转让的美国专利申请第10/442,670号(代理案号 18865-131/17732-66850)中进行了详细的描述，其全部内容结合于 此作为参考。可以调整用于两个主要蚀刻步骤的周期，以实现T沟 槽(顶部T部分，底部光滑侧壁的部分)每部分的期望厚度。可以 使用附加处理来把T沟槽的顶部拐角修圆，以及使沟槽侧壁变光滑。 这些附加处理可以包括，例如：(1)在沟槽蚀刻方法结束时的基于 氟的步骤，或者(2)在分离蚀刻系统中分离的基于氟化的蚀刻， 或者(3)牺牲氧化物，或任何其他结合。可以使用化学机械平面 化(CMP)步骤，以去除沟槽侧面的顶部再凹入部分。还可以使用 H2退火(anneal)来帮助磨圆并形成有利的斜沟槽侧面。
对于沟槽趋向更深的高压应用，具有额外需要考虑的事项。例 如，由于更深的沟槽，所以硅蚀刻速率对于产生可制造的工艺是很 重要的。用于这种应用的蚀刻化学物一般为氟化化学物，因为氯化 的蚀刻化学反应太慢。还期望直线到锥形的沟槽剖面，具有光滑的 侧壁。由于沟槽的深度，蚀刻工艺还需要具有对掩模层很好的选择 性。如果选择性很差，那么就需要较厚的掩模层，就会增加总的纵 横比。侧壁钝化也是非常严格的，需要实现精准的平衡。过分的侧 壁钝化将会使得沟槽底部到它闭合的点变窄，太少的侧壁钝化将会 导致增加侧面蚀刻。
在一个实施例中，提供最优地平衡所有这些要求的深沟槽蚀刻 工艺。根据该实施例，在图42E中示出，蚀刻工艺包括具有渐变 (ramped)O2、渐变功率、和/或渐变压力的基于氟的化学物。一个 实例性实施例以保持蚀刻剖面和贯穿蚀刻的硅蚀刻速率的方式使 用SF6/O2蚀刻步骤。通过渐变O2，可以控制贯穿蚀刻的侧壁钝化 量，以避免增加的侧面蚀刻(在太少钝化的情况下)或夹断沟槽底 部(在过分钝化的情况下)。使用具有渐变氧气流的基于氟的蚀刻 的实例在Grebs等人共有的题为“Integrated Circuit Trench Etch with Incremental Oxygen Flow”的美国专利第6,680,232号中进行了详细 的描述，其结合于此作为参考。功率和压力的渐变有助于控制离子 流密度和保持硅蚀刻速率。如果硅蚀刻速率在蚀刻期间随着沟槽被 蚀刻的更深而显著地减小，那么总的蚀刻时间将会增加。这样就导 致了蚀刻器的低晶片处理能力。此外，渐变O2可以有助于控制对 掩模材料的选择。根据该实施例的对于深于例如10um的沟槽的实 例性工艺可以具有每分钟3到5sccm的O2流动率、每分钟10-20 瓦特的功率电平、以及每分钟2-3mT的压力级。
深沟槽蚀刻工艺的可选实施例使用更加强烈的基于氟的化学 物(例如，NF3)。由于对于硅蚀刻来说，NF3比SF6更容易起反应， 用NF3工艺可以实现增加的硅蚀刻速率。需要增加额外的气体用于 侧壁钝化和剖面控制。
在另一个实施例中，NF3蚀刻步骤之后是SF6/O2处理。根据该 实施例，NF3步骤用于以高硅蚀刻速率蚀刻沟槽深度的大部分。然 后，SF6/O2蚀刻步骤用于钝化已有的沟槽侧壁，以及蚀刻沟槽深度 的剩余部分。在图42F中示出的该实施例的更改中，以交替的方式 执行NF3和SF6/O2蚀刻步骤。这样就产生了具有比直接SF6/O2工艺 更高的硅蚀刻速率的工艺。这样就在快的蚀刻速率步骤(NF3)和 生成用于剖面控制的侧壁钝化的步骤(SF6/O2)之间实现了平衡。 步骤的平衡控制了侧壁的粗糙度。对于蚀刻的SF6/O2部分，还需要 渐变O2、功率以及压力，以保持硅蚀刻速率，以及生成足够的侧 壁钝化来有助于控制蚀刻剖面。本领域的技术人员应该理解，结合 上述实施例描述的各个工艺步骤可以以不同的方式结合，以实现最 佳的沟槽蚀刻处理。应该明白，这些沟槽蚀刻工艺可以用于在本文 中描述的任何功率器件中的任何沟槽，以及使用在其他类型的集成 电路中的任何其他类型的沟槽。
在沟槽蚀刻工艺之前，在硅表面形成沟槽蚀刻掩模，并进行图 样化以露出将要进行沟槽化的区。如图43A所示，在一般的器件中， 沟槽蚀刻在蚀刻硅基板之前，首先蚀刻穿过氮化物层4305和衬垫 (pad)氧化物薄层4303。在形成沟槽中的氧化层期间形成沟槽之 后，衬垫氧化层4303还可以在提升叠加的氮化物层的沟槽的边缘 处生长。这样就产生了一般称为“鸟嘴”的结构4307，即衬垫氧化 层在接近氮化物层4305下的沟槽边缘处局部地生长。随后将在紧 邻在具有鸟嘴结构的衬垫氧化层下的沟槽边缘处形成的源极区将 会在沟槽附近变浅。这是非常不希望的。为了消除鸟嘴效应，在一 个实施例中，在图43B中示出，非氧化材料(例如，多晶硅)层 4309夹在氮化物层4305和衬垫氧化层4303之间。多晶硅层4309 保护衬垫氧化层4303，以防在随后的沟槽氧化形成期间被进一步氧 化。在另一个实施例中，在图44A中示出，在蚀刻穿过限定沟槽开 口的氮化物层4405和衬垫氧化层4403之后，在基板结构上形成诸 如氮化物的非氧化材料的薄层4405-1。然后，如图44B所示，从 水平表面去除保护层4405-1，剩下沿着氮化物-衬垫氧化层结构的 垂直边缘的隔离层。氮化物隔离层保护衬垫氧化层4403，以防在随 后的步骤中被进一步氧化，减小了鸟嘴效应。在可选实施例中，为 了减小任何鸟嘴形成的程度，可以结合在图43B和44B中所示的实 施例。也就是，除了从结合图44A和44B描述的工艺中生成的隔离 层，也可以将多晶硅层夹置在衬垫氧化层和叠加的氮化物层之间。 可以有其他的更改，例如，在氮化物层的顶部增加另一层(例如， 氧化层)，以当蚀刻硅沟槽时有助于氮化物的选择性。
如上述结合各种具有屏蔽栅极结构的晶体管，介电材料层将屏 蔽电极与栅电极绝缘开来。这种有时被称为多晶硅层间介电层或 IPD的电极间介电层必须以坚固和可靠的方式形成，使得它可以经 受住在屏蔽电极和栅电极栅电极之间存在的电位差。重新参照图 31E、31F和31G，示出了用于相关工艺步骤的简化流程。在深蚀刻 沟槽内的屏蔽多晶硅3111之后(图31E)，屏蔽介电层3108被深蚀 刻到与屏蔽多晶硅3111同样的程度(图31F)。然后，如图31G所 示，在硅的上表面上形成栅极介电层3108a。它是形成IPD层的步 骤。屏蔽介电凹槽蚀刻的假像是在屏蔽电极的任一侧残留的屏蔽介 电层的上表面上形成浅槽。这在图45A中示出。最终具有不平坦构 形的结构可以引起一致性问题，尤其是随后的填充步骤。为了消除 这样的问题，提出了各种用于形成IPD的改进方法。
根据一个实施例，在屏蔽介电凹槽蚀刻之后，如图45B所示， 使用例如低压化学气相淀积(LPCVD)处理沉积多晶硅衬套4508P。 可选地，多晶硅衬套4508P可以仅在屏蔽多晶硅和屏蔽介电层之上 形成，通过使用多晶硅的选择生长处理或对准的多晶硅溅射，使得 沟槽侧壁基本没有多晶硅。多晶硅衬套4508P随后被氧化转换为二 氧化硅。这可以通过传统的热氧化处理执行。在沟槽侧壁上没有形 成多晶硅的实施例中，这种氧化处理还形成栅极介电层4508G。另 外，如图45C所示，在从沟槽侧壁蚀刻氧化多晶硅之后，形成栅极 介电薄层4508G，剩下的沟槽空腔填充栅电极4510。这种处理的优 点是多晶硅以非常共形的方式沉积。这样使得空隙和其他缺点最 小，并且一旦多晶硅在屏蔽介电层和屏蔽电极的顶部沉积，就会形 成更加平坦的表面。结果是获得更加坚固和可靠的改进IPD层。通 过在氧化之前沿着沟槽侧壁和相邻硅表面区设置多晶硅，随后的氧 化步骤将会使得更少的台面损耗，以及将不期望的沟槽加宽最小 化。
在可选实施例中，在图46A、46B和46C中示出简化的截面图， 将在沟槽内由屏蔽多晶硅凹槽蚀刻产生的空腔填充介电填充材料 4608F，其中，介电填充材料4608F具有与屏蔽介电层4608S相同 的蚀刻速率。可以使用高密度等离子体(HDP)氧化沉积、化学气 相淀积(CVD)或旋涂玻璃(SOG)处理中的任何一种来执行这个 步骤，接着是平面化步骤，以获得沟槽顶部的平面。然后，如图46B 所示，介电填充材料4608F和屏蔽介电材料4608S统一被深蚀刻， 使得具有必要厚度的绝缘材料层留在屏蔽电极4611上。然后，如 图46C所示，沿着沟槽侧壁设置栅极介电材料之后，剩下的沟槽空 腔填充栅电极。结果是避免了构形不一致的高度共形的IPD层。
在图47A和47B中的简化截面图中示出用于形成高质量IPD 的另一种方法的示例性实施例。在形成沟槽内的屏蔽介电层4708S 和用屏蔽多晶硅填充空腔之后，执行屏蔽多晶硅深蚀刻步骤，以使 得屏蔽多晶硅在沟槽内凹入。在该实施例中，屏蔽多晶硅凹槽蚀刻 在沟槽内留下更多的多晶硅，使得凹入的屏蔽多晶硅的上表面高于 最终的目标深度。在屏蔽多晶硅上表面上的额外多晶硅的厚度被设 计为大约与目标IPD相同的厚度。然后，屏蔽电极的上部被物理或 化学地改变，以进一步增强其氧化速率。可以通过将杂质(例如， 氟或氩离子)离子注入进多晶硅来执行化学或物理地改变电极的方 法，以分别增强屏蔽电极的氧化速率。优选地，如图47A所示，该 注入在零度下执行，也就是，与屏蔽电极垂直，以便不会物理或化 学地改变沟槽侧壁。接着，蚀刻屏蔽介电层4708S来将介电层从沟 槽侧壁去除。这种屏蔽介电凹槽蚀刻在剩下邻近屏蔽电极4711的 的屏蔽介电层中产生轻微的凹入(类似于图45A所示)。接着是传 统的氧化步骤，从而屏蔽电极4711改变的上部以快于沟槽侧壁的 速率被氧化。这样导致了在屏蔽电极之上而不是沿着沟槽硅表面的 侧壁形成充分厚的绝缘层4708T。在屏蔽电极之上的较厚的绝缘层 4708T形成IPD。改变的多晶硅横向氧化补偿一些在屏蔽介电层的 上表面由于屏蔽介电凹槽蚀刻形成的槽。然后，执行传统的步骤， 以在沟槽中形成栅电极，生成图47B中所示的结构。在一个实施例 中，改变屏蔽电极以获得范围在2∶1到5∶1的IPD与栅极氧化层的 厚度比率。例如，如果选择了4∶1的比率，对于在屏蔽电极上形成 的大约2000埃的IPD，沿着沟槽侧壁大约会形成500埃的栅极氧化 物。
在可选实施例中，在屏蔽介电凹槽蚀刻之后执行物理或化学改 变步骤。也就是，蚀刻屏蔽氧化层4708S，以将氧化物从沟槽侧壁 去除。这样披露了上述的屏蔽电极的上部和硅被物理或化学改变的 方法。由于露出沟槽侧壁，所以改变步骤只限于水平表面，也就是， 仅为硅台面和屏蔽电极。改变方法(例如，掺杂物的离子注入)将 要在零度(垂直于屏蔽电极)执行，以便免于物理或化学地改变沟 槽侧壁。然后，执行传统的方法，以在沟槽中形成栅电极，因此在 屏蔽电极之上产生较厚的介电层。
在图48中示出了用于形成改进的IPD层的又一方法。根据该 实施例，在凹进的屏蔽氧化层4808S和屏蔽电极4811之上形成由 诸如氧化物制成的厚绝缘层4808T。优选地，使用诸如高密度等离 子(HDP)沉积或增强的等离子化学气相淀积(PECVD)的定向沉 积技术形成厚绝缘层4808T(也就是，“倒置填充(bottm up fill)”)。 如图48所示，定向沉积使得沿着水平面(也就是，在屏蔽电极和 屏蔽氧化层之上)，而不是沿着垂直面(也就是，沿着沟槽侧壁) 形成足够厚的绝缘层。然后，执行蚀刻步骤，以从侧壁上去除氧化 物，而在屏蔽多晶硅上留下足够的氧化物。然后，执行传统的步骤， 以在沟槽中形成栅电极。除了获得共形的IPD，该实施例的优点是 防止了台面损耗和沟槽加宽，因为IPD是通过沉积处理而不是氧化 处理形成的。该技术的另一个优点是在沟槽的上拐角获得圆角。
在另一个实施例中，在屏蔽介电层或屏蔽多晶硅凹入之后，在 沟槽内生长掩蔽氧化薄层4908P。然后，如图49A所示，沉积氮化 硅层4903以覆盖掩蔽氧化层4908P。然后，不均匀的蚀刻氮化硅层 4903，使其从沟槽的底面(也就是，在屏蔽电极之上)而不从沟槽 侧壁去除。在图49B中示出最终结构。然后，如图49C所示，晶片 暴露给氧化环境，使得在屏蔽多晶硅表面上形成厚氧化层4908T。 由于氮化物层4903能够不被氧化，沿着沟槽侧壁就不会发生显著 的氧化生长。然后，通过湿蚀刻，使用例如强磷酸去除氮化物层 4903。如图49D所示，接着传统的工艺步骤，以形成栅极氧化层和 栅极介电层。
在一些实施例中，IPD层的形成涉及蚀刻处理。例如，对于IPD 膜在构形之上沉积的实施例，可以首先沉积比期望的最终IPD厚度 厚很多的薄层。这样做能够获得平面薄层，以将初始层的凹槽最小 化到沟槽内。然后，蚀刻可以完全填充沟槽和在硅表面上延伸的较 厚的薄层，以将其厚度减小到目标IPD层厚度。根据一个实施例， 这个IPD蚀刻工艺以最少两个蚀刻步骤执行。第一个步骤是将薄层 平面化到硅表面。在这个步骤中，蚀刻的均匀性是非常重要的。第 二个步骤是在沟槽内使IPD层凹进期望深度(以及厚度)。在这个 第二步骤中，IPD层到硅的蚀刻选择性是很重要的。在凹槽蚀刻步 骤期间露出硅台面，并且硅沟槽侧壁和IPD层一样凹进到沟槽内。 台面上的任何损耗都会影响实际的沟槽深度，并且如果包含T沟槽， 也会影响T沟槽的深度。
在图50A中所示的一个示例性实施例中，各向异性的等离子蚀 刻步骤5002用于将IPD层平面化直到硅表面。用于等离子蚀刻的 示例性蚀刻速率可以为5000A/min。接着是各向同性的湿蚀刻步骤 5004，以将IPD凹进沟槽内。优选地，使用可控的硅选择的溶液执 行深蚀刻，以便于当暴露时不会腐蚀硅侧壁，以及提供可重复的蚀 刻来获得精确的凹槽深度。用于湿蚀刻的示例性化学试剂可以为6∶ 1的缓冲氧化物蚀刻(BOE)，在25℃产生大约为1100A/min的蚀 刻速率。Rodney Risley的共同转让的美国专利第6,465,325号中提 供了用于适合于该工艺的示例性等离子和湿蚀刻方法的细节，其全 部内容结合于此作为参考。用于平面化的第一等离子蚀刻步骤与湿 蚀刻相比，沟槽之上的IPD层具有较少的凹槽。用于凹槽蚀刻的第 二湿蚀刻步骤与等离子蚀刻相比，产生更好的硅选择性以及对硅更 小的损害。在图50B所示的可选实施例中，化学机械平面化(CMP) 处理用于将IPD薄层平面化直到硅表面。接着是湿蚀刻，以将IPD 凹进沟槽内。CMP处理使得沟槽之上的IPD层产生较少的凹槽。 用于凹槽蚀刻的湿蚀刻步骤与CMP相比，产生更好的硅选择性和 对硅更小的损害。这些处理的其他结合也是可能的。
除了IPD，在结构中期望形成高质量的绝缘层，包括沟槽和平 面栅极介电层、层间介电层等。最普遍使用的介电材料是二氧化硅。 有几个定义高质量氧化膜的参数。主要是均匀厚度、好的完整性(低 界面陷阱密度)、高电场击穿强度、以及低漏电平。影响这些性质 中的许多性质的一个因素是氧化物生长的速率。期望能够精确地控 制氧化物的生长速率。在热氧化期间，晶片表面上的带电粒子产生 气相反应。在一个实施例中，用于控制氧化速率的方法通过影响带 电粒子来完成，典型的为硅和氧，通过对晶片施加外部电压，以减 小或增大氧化速率。这不同于等离子增强型氧化，在晶片之上没有 形成等离子(具有活性组分)。此外，根据该实施例，气体没有朝 向表面加速，仅仅是防止其与表面进行反应。在示例性实施例中， 具有高温能力的反应式离子蚀刻(RIE)室可以被用于调整所需能 量值。RIE室并不用于蚀刻，而是用于施加DC偏压来控制所需能 量，以减慢和停止氧化。图51是对于根据该实施例的示例性方法 的流程图。首先，RIE室用于在测试环境下对晶片施加DC偏压 (5100)。在确定抑制表面反应所需的势能(5110)之后，施加足 够大的外部偏压，以防止发生氧化(5120)。然后，通过控制外部 偏压(例如，脉冲调制或其他方法)，可以控制在平均非常高温度 时的氧化速率(5130)。这种方法能够获得高温氧化的优点(更好 的氧化物流动、较低的应力、消除各种晶体取向的差动生长等)， 而没有快速和非均匀生长的缺点。
尽管例如上述那些结合图51的技术能够改进生成的氧化层的 质量，但是尤其在沟槽栅器件中遗留了氧化物的可靠性问题。其中 一个主要的劣化问题是由于沟槽拐角处的高电场，其中，电场由在 这些点处的栅极氧化物的局部减薄而产生。这样导致了高栅极漏电 流和低栅极氧化物击穿电压。这种影响随着沟槽器件进一步成比例 的减小导通电阻而变得更加剧烈，以及随着减小的栅极电压要求， 导致了更薄的栅极氧化物。
在一个实施例中，通过使用具有大于二氧化硅的介电常数(高 K电介质)的介电材料来解决栅极氧化物的可靠性问题。这样允许 与非常厚的电介质相等的阈电压和跨导。根据该实施例，高K电介 质减小了栅极漏电流，并增加了栅极电介质的击穿电压，而不会降 低器件的导通电阻或漏极击穿电压。显示所需热稳定性和适合的界 面状态密度的高K材料(包括Al2O3、HfO2、AlxHfyOz、TiO2、ZrO2 等)将在沟槽栅和其他功率器件内进行集成。
如上所述，为了改善沟槽栅功率MOSFET的开关速度，期望 将晶体管栅极-漏极电容Cgd最小化。与沟槽侧壁相比，在沟槽底部 使用较厚的介电层是上述用于减小Cgd的几个方法之一。用于形成 厚的底部氧化层的一种方法涉及沿着沟槽的侧壁和底部形成掩蔽 氧化物薄层。然后，通过氧化抑制材料(例如，氮化物)层覆盖薄 氧化层。然后，各向异性地蚀刻氮化物层，使得从沟槽的水平底面 去除所有的氮化物，但是沟槽侧壁保留涂覆的氮化物层。在从沟槽 底部去除氮化物之后，在沟槽的底部形成具有期望厚度的氧化层。 此后，在从沟槽侧壁去除氮化物层和掩蔽氧化物之后形成较薄的沟 道氧化层。这种用于形成厚底部氧化层的方法及其修改在Hurst等 人共同转让的美国专利第6,437,386号中进行了更加详细的描述， 其全部内容结合于此。其它涉及选择氧化沉积用于在沟槽底部形成 厚氧化层的方法在Murphy的共同转让的美国专利第6,444,528号中 进行了描述，其全部内容结合于此。
在一个实施例中，在沟槽底部形成厚氧化层的改进方法使用低 气压化学汽相淀积(SACVD)处理。根据该方法，在图52中示出 了示例性流程图，在蚀刻沟槽(5210)之后，SACVD用于沉积高 度共形的氧化层(5220)，例如使用正硅酸乙酯(TEOS)在氧化物 中没有空隙的填充沟槽。可以在从100托到700托范围的低气压， 以及从大约450℃到大约600℃的示例性温度范围的条件下执行 SACVD步骤。例如，TEOS(以mg/min为单位)与Ozone(以cm3/min 为单位)的比率可以设置在2到3的范围内，优选地为大约2.4。 使用这种工艺，能够形成具有厚度在大约2000埃到10,000埃之间 的氧化层。应该明白，这些数据只是为了说明的目的，可以根据具 体工艺要求和其他因素(例如，制造设备场所的气压)来变化。可 以通过平衡沉积速率和形成的氧化层质量来获得最佳温度。在较高 的温度下，沉积速率减慢，可以减小了薄层的收缩。这样的薄层收 缩可以使得沿着裂痕在沟槽中心的氧化层中形成间隙。
在沉积氧化层之后，从硅表面和在沟槽内进行深蚀刻，以在沟 槽底部形成具有期望厚度的相对较平的氧化层(5240)。例如使用 稀释的HF，可以通过湿蚀刻处理、或湿蚀刻和干蚀刻的结合执行 这个蚀刻。因为SACVD形成的氧化物易于渗透，所以在沉积之后 它吸收了周围的湿气。在优选实施例中，接着深蚀刻执行致密步骤 5250，以改善这个效应。例如，可以在例如1000℃大约20分钟的 条件下通过温度处理执行致密步骤。
该方法的其它优点是在SACVD氧化的深蚀刻步骤期间屏蔽终 端沟槽(步骤5230)的能力，留下填充氧化物的终端沟槽。也就是， 对于上述终端结构(包括填充介电材料的沟槽)的各种实施例，相 同的SACVD步骤可以用于将终端沟槽填充氧化物。此外，通过在 深蚀刻期间掩蔽场终端区，相同的SACVD处理步骤可以使得在终 端区形成场氧化层，消除另外所需的工艺步骤以形成热场氧化层。 此外，该工艺提供了另外的灵活性，因为在由于硅没有通过热氧化 处理损耗而是在SAVCD沉积期间设置在两个位置而过分蚀刻的情 况下，其允许终端介电层和厚底部氧化层完整的再加工。
在另一个实施例中，用于在沟槽底部形成厚氧化层的另一种方 法使用定向TEOS处理。根据该实施例，在图53中示出了示例性 流程图，TEOS的共形特性与等离子增强化学气相淀积(PECVD) 的定向特性结合，以选择性地沉积氧化物(5310)。这种结合能够 在水平表面具有比垂直表面更高的沉积速度。例如，使用这种工艺 沉积的氧化层可以在沟槽底部具有2500埃的厚度，以及在沟槽侧 壁上具有大约800埃的平均厚度。然后，各向同性地蚀刻氧化物， 直至从侧壁上去除所有的氧化物，在沟槽底部保留氧化层。蚀刻工 艺可以包括干顶部氧化物蚀刻(dry top oxide etch)步骤5320，接 着是湿缓冲氧化物蚀刻(BOE)步骤5340。对于这里所描述的示例 性实施例，在蚀刻之后，在沟槽底部保留具有例如1250埃厚度的 氧化层，而去除所有的侧壁氧化物。
在特定实施例中，集中在结构的上表面使用干顶部氧化物蚀 刻，以加速的速率蚀刻顶部区域的氧化物，而以减小很多的速率蚀 刻沟槽底部的氧化物。这种本文中称为“雾蚀刻(fog etch)”的蚀 刻类型包括小心地平衡蚀刻条件和蚀刻化学物以产生期望的选择 性。在一个实例中，在相对较低的功率和压力下使用具有顶部电源 的等离子蚀刻机(例如，LAM 4400)来执行这个蚀刻工艺。功率 和压力的示例值可以分别在200-500瓦特和250-500毫托之间的 范围内。可以使用不同的蚀刻化学物。在一个实施例中，组合氟化 物(例如，C2F6)和氯，在例如大约5∶1的最佳比率(例如，C2F6 为190sccm，Cl为40sccm)下混合，产生期望的选择性。使用氯 作为部分氧化蚀刻化学物不常见，因为氯更一般的用于蚀刻金属或 多晶硅，并且它一般抑制氧化物的蚀刻。然而，为了这种类型的选 择蚀刻的目的，这种组合工作的很好，因为C2F6很强烈的蚀刻接 近上表面的氧化物，较高的能量使得C2F6克服氯的影响，同时接 近于沟槽底部，氯减慢了蚀刻速度。在这个主要的干蚀刻步骤5320 之后，先于BOE蚀刻5340的是清除蚀刻5330。应该明白，根据该 实施例，通过微小地调节可以根据等离子蚀刻机改变的压力、能量、 以及蚀刻化学物实现最佳的选择性。
如果期望获得具有目标厚度的底部氧化层，根据该实施例的 PECVD/蚀刻工艺可以重复一次或多次。该工艺还使得在沟槽之间 的水平台面上形成厚氧化层。可以在沟槽中沉积多晶硅并在表面上 深蚀刻之后被蚀刻该氧化层，使得保护沟槽底部的氧化物免受随后 蚀刻步骤的影响。
可以有用于在沟槽底部选择性形成厚氧化层的其他方法。图54 示出一个示例性方法的流程图，使用高密度等离子(HDP)沉积以 防止在沟槽侧壁上形成氧化层(5410)。HDP沉积的特性是它随着 沉积蚀刻，与定向TEOS方法相比，在沟槽侧壁上形成相对于沟槽 底部的氧化物较少的氧化物。然后，使用湿蚀刻(步骤5420)，以 从侧壁上去除一些或清除氧化物，而保留在沟槽底部上的厚氧化 层。如图55所示，这种工艺的优点是在沟槽顶部的侧面斜坡5510 远离沟槽5500，使得更加容易实现无孔多晶硅填充。在多晶硅填充 (步骤5440)之前，可以使用上述“雾蚀刻”(步骤5430)来将一 些氧化物从顶部蚀刻掉，使得在多晶硅蚀刻之后，更少的氧化物需 要从顶部蚀刻掉。HDP沉积处理也可以用于在具有掩埋电极的沟槽 (例如，具有屏蔽栅极结构的沟槽MOSFET)中的两个多晶硅层之 间沉积氧化物。
根据图56所示的又一方法，选择的SACVD处理用于在沟槽 底部上形成厚氧化层。该方法利用SACVD在较低的TEOS∶Ozone 比率变得有选择力的能力。氧化物在氮化硅中具有非常慢的沉积速 度，但是在硅中能够快速的沉积。TEOS与Ozone的比率越低，沉 积就变得更有选择性。根据该方法，在蚀刻沟槽(5610)之后，在 沟槽阵列的硅表面上生长衬垫氧化层(5620)。然后，在衬垫氧化 层上沉积氮化物薄层(5630)。接着是各向异性地蚀刻，以从水平 面上去除氮化物层，且在沟槽侧壁上保留氮化物层(5640)。然后， 例如在大约为0.6的TEOS∶Ozone比率、大约405℃的条件下，在 包括沟槽底部的水平面上沉积选择的SACVD氧化物(5650)。然后， 通过温度处理选择地将SACVD氧化物致密(5660)。然后，执行氧 化物-氮-氧化物蚀刻，以清除沟槽侧壁上的氮化物和氧化物 (5670)。
如上所述，与沟槽侧壁相比在在栅极沟槽底部使用较厚的氧化 层的一个原因是减小改进了开关速度的Qgd或栅极-漏极电荷。相同 的原因指定沟槽的深度大约与阱结的深度相同，以将沟槽叠加最小 化到漂移区内。在一个实施例中，用于在沟槽底部形成厚介电层的 方法将厚介电层延伸到沟槽侧。这使得底部氧化层的厚度与沟槽深 度和阱结深度无关，并使得沟槽和沟槽中的多晶硅深于阱结，而不 会增加Qgd。
图57到图59示出根据这种方法形成厚底部介电层的示例性实 施例。图57A示出在其已经被蚀刻仅覆盖沟槽侧壁之后，衬垫氧化 薄层5710和氮化物层5720沿着沟槽设置的简化和部分截面图。如 图57B所示，这样能够实现衬垫氧化层5710的蚀刻，以露出沟槽 底部的硅和管芯的上表面。接着是所露出硅的各向异性蚀刻，结果 是如图58A所示的结构，其中，顶部硅和沟槽底部的硅都已经被去 除到期望的深度。在可选实施例中，可以掩蔽上表面的硅，使得在 硅蚀刻期间，仅蚀刻沟槽底部。接下来，执行氧化步骤，以在没有 被氮化物层5720覆盖的位置上生长厚氧化层5730，结果是图58B 所示的结构。例如，氧化层的厚度可以为大约1200埃到2000埃。 然后，去除氮化物层5720，并蚀刻掉衬垫氧化层5710。衬垫氧化 层的蚀刻将会引起厚氧化层5730的一些减薄。剩下的工艺可以使 用标准的流程，以形成栅电极、阱、以及源极结，结果是如图59 所示的示例性结构。
如图59所示，最终的栅极氧化层包括沿着沟槽侧壁延伸到区 5740中的阱结之上的底部厚层5730。在一些实施例中，其中，沟 槽旁边的阱区中的沟道掺杂在接近漏极侧5740处具有较少的掺杂 物，该区与接近源极的区相比，一般具有较低的阈电压。沿着叠加 到区5740中的沟道的沟槽侧延伸较厚的氧化层将不会增加器件的 阈电压。也就是，该实施例使得最优化阱结深度和侧壁氧化物最佳， 以将Qgd最小化，而不会影响器件的导通电阻。本领域的技术人员 应该明白，在沟槽底部形成厚氧化层的方法可以应用在上述各种器 件中，包括屏蔽栅极、结合各种电荷平衡结构的双栅极、以及其他 沟槽栅器件。
本领域的技术人员还应该明白，任何上述用于在沟槽底部形成 厚氧化层和用于IPD的工艺可以使用在用于形成本文所述的任何沟 栅晶体管的工艺中。可以对这些工艺进行其它更改。例如，如结合 图47A和图47B描述的工艺，硅的化学或物理改变可以增强其氧化 速度。根据一个这样的实施例，卤离子种类(例如，氟、溴等)以 零度注入到沟槽底部的硅中。该注入可以发生在大约15KeV或更 小的示例性能量、大于1E14(例如，1E15到5E17)的示例性量、以 及900℃到1150℃之间的示例性温度下。在沟槽底部的卤素注入区 中，氧化层以与沟槽侧壁相比加速的速度生长。
上述多个沟槽器件为了电荷平衡的目的包括沟槽侧壁掺杂。例 如，图5B和图5C、以及图6到图9A中所示的所有实施例具有沟 槽侧壁掺杂结构。侧壁掺杂技术存在由于物理约束限制、深沟槽和 /或沟槽的垂直侧壁产生的限制。气源或角度注入可以用于形成沟槽 侧壁掺杂区。在一个实施例中，改进的沟槽侧壁掺杂技术使用等离 子掺杂或脉冲等离子掺杂技术。该技术利用施加到包含在掺杂离子 的等离子体中的晶片的脉冲电压。施加的电压加快了离子从阴极套 注入晶片的速度。施加的电压是受脉冲作用的，并持续作用直到实 现期望的结果。该技术能够使许多这样的沟槽器件实现共形掺杂技 术。此外，该工艺的高生产量减小了制造工艺的总费用。
本领域的技术人员应了解，等离子掺杂或脉冲等离子掺杂技术 并不限于沟槽电荷平衡结构，还可以应用到其他结构，包括沟槽终 端结构和沟槽漏极、源极或主体连接。例如，该方法可以用于掺杂 屏蔽沟槽结构(例如，那些结合图4D、4E、5B、5C、6、7、8和 9A所描述的结构)的沟槽侧壁。此外，该技术可以用于形成均匀 掺杂的沟道区。当反向偏置功率器件时的耗尽区到沟道区(p阱结) 的渗透通过该结两侧上的电荷集中控制。当外延层的掺杂浓度很高 时，到该结的渗透可以允许穿通，以限制击穿电压或要求长于期望 长度的沟道来保持低的导通电阻。为了将沟道的渗透最小化，可以 要求较高的沟道掺杂浓度，可以使得减小阈值。由于该阈值是通过 沟槽MOSFET中源极下面的峰浓度(peak concentration)确定的， 沟道中的均匀掺杂浓度可以提供沟道长度和击穿电压之间更好的 平衡。
可以使用其他方法获来得更加均匀的沟道浓度，包括使用外 延工艺形成沟道结、使用多种能量注入、以及其他用于形成突起结 的技术。另一种技术使用具有轻掺杂的保护层的初始晶片。以这种 方式，补偿被最小化，且向上扩散可以用于形成更均匀的沟道掺杂 剖面。
沟槽器件可以利用阈值是通过沿着沟槽侧壁的沟道掺杂浓度 来设置的事实。允许高掺杂浓度远离沟槽，同时保持低阈值的工艺 能够帮助防止穿通机构。在栅极氧化工艺之前提供p阱掺杂使得分 离阱p型杂质(例如，硼)进入沟槽氧化层，以减小沟道中的浓度， 因此减小了阈值。将该工艺和上述技术结合能够提供更短的沟道而 不会穿通。
一些功率应用要求测量流过功率晶体管的电流量。典型地通过 隔离和测量总器件电流的一部分，然后用于推断流过器件的总电流 来完成。隔离部分的总器件电流流过电流感应或检测器件，生成表 示隔离电流大小的信号，然后其用于确定总的器件电流。这种设置 是公知的镜像电流源。电流感应晶体管通常整体制造为两个器件共 享共同的基板(漏极)和栅极的功率器件。图60是具有电流感应 器件6002的MOSFET 6000的简化图。流过主MOSFET 6000的电 流在主晶体管和电流感应部6002之间按比例划分为彼此的有源区。 因此，通过测量流过感应器件的电流，然后将感应电流乘以有源区 的比率来计算流过主MOSFET 6000的电流。
用于从主器件隔离电流感应器件的各种方法在Yedinak等人的 题为“Method of Isolating the Current Sense on Planar or Trench Stripe Power Devices while Maintaining a Continuous Stripe Cell”的共有美 国专利申请第10/315,719中进行了描述，其全部内容结合于此作为 参考。以下将描述用于将感应器件与各种功率器件集成的实施例， 包括那些具有电荷平衡结构的器件。根据一个实施例，在具有电荷 平衡结构和整体集成的电流感应器件的功率晶体管中，优选地，电 流感应区形成具有相同的连续MOSFET结构和电荷平衡结构。在 电荷平衡结构中没有保持连续性，将会由于电荷失配使得击穿电压 降低，引起电压提供区不会完全耗尽。图61A示出一个具有平面栅 极结构和隔离的电流感应结构6115的电荷平衡MOSFET 6100的示 例性实施例。在该实施例中，电荷平衡结构包括在漂移区(n型) 6104内形成的相反导电性(该实例中为p型)柱6126。例如，p型 柱6126可以以掺杂多晶硅或外延填充沟槽形成。如图61A所示， 电荷平衡结构在电流感应结构6115下保持连续性。覆盖电流反应 器件6115表面区的感应衬垫金属6113通过介电区6117电子地与源 极金属6116分离开来。应该明白，具有相似结构的电流感应器件 可以与任何本文中所描述的任何其他功率器件进行集成。例如，图 61B示出了电流感应器件怎样与具有屏蔽栅极的沟槽MOSFET进 行集成的实例，可以通过调节沟槽深度和偏置沟槽内的屏蔽多晶硅 来获得电荷平衡。
有许多期望将二极管与功率晶体管集成在相同管芯上的功率 应用。这样的应用包括温度感应、静电放电(ESD)保护、源钳位、 以及其中的电压划分。例如，对于温度感应，一个或多个串联的二 极管整体地与功率晶体管集成，借此二极管的阳极和阴极端用于分 隔结合焊盘(bond pad)，或者使用导电互连连接到整体控制电路部 件。通过二极管的正向电压(Vf)的变化来感应温度。例如，与功 率晶体管的栅极端子具有适当的相互连接，由于二极管的Vf随着 温度降低，使得栅极电压被拉低，以减小流过器件的电流，直至达 到期望的温度。
图62A示出具有串联温度传感二极管的MOSFET 6200A的示 例性实施例。MOSFET 6200A包括二极管结构6215，其中，具有交 替导电性的掺杂多晶硅形成三个串联的温度感应二极管。在该示例 性实施例中，器件6200A的MOSFET部分使用在n型外延漂移区 6204内形成相反导电性区的p型外延填充的电荷平衡沟槽。如图所 示，优选地，电荷平衡结构在温度感应二极管结构6215的下面保 持连续性。在硅表面顶上的场介电(氧化)层6219的顶部形成二 极管结构。P型结隔离区6221可以任意地在介电层6219下扩散。 在图62B中示出没有这种p型结的器件6200B。为了确认获得串联 正向偏置的二极管，使用短路金属6223以将反向偏置的P/N+结短 路。在一个实施例中，穿过该结执行p+注入以及扩散，以形成 N+/P/P+/N+结构，其中，在短路金属6223下出现p+来获得改善的 欧姆接触。对于也可以穿过N/P+结扩散的相反极性N+，以形成 P+/N/N+/P+结构。同样，本领域的技术人员应该理解，这种类型的 温度感应二极管可以使用在任何一种结合本文描述的许多其他特 征的各种功率器件中。例如，图62C示出具有屏蔽沟槽栅极结构的 MOSFET 6200C，其中，屏蔽电极可以用于电荷平衡。
在另一个实施例中，通过使用与用于温度感应二极管的器件 6200所示相似的隔离技术，实现了不对称的ESD保护。为了ESD 保护的目的，二极管结构的一端电连接到源极端子，另一端连接到 器件的栅极端子。可选地，如图63A和63B所示，通过不短路任何 背接N+/P/N+结获得对称ESD保护。图63A中所示的示例性 MOSFET 6300A使用平面栅极结构，并使用用于电荷平衡的相反导 电性柱，图63B所示的示例性MOSFET 6300B是具有屏蔽栅极结 构的沟槽栅器件。为了防止电荷平衡中的不均匀，电荷平衡结构在 栅极结合焊盘金属和任何其他控制元件结合焊盘的下面延伸。
图64A到图64D示出了示例性ESD保护电路，其中，通过上 述二极管结构保护主器件、栅极可以是使用任何一种电荷平衡或其 他技术的任何一种本文所描述的功率器件。图64A示出对称隔离的 多晶硅二极管ESD保护的简化图，图64B示出了标准背接隔离的 多晶硅二极管ESD保护电路。图64C所示的ESD保护电路使用用 于BVcer快恢复的NPN晶体管。BVcer中的下标“cer”表示反向偏 置的集电极-发射极双极晶体管结，其中，到基极的连接使用电阻 来控制基极电流。低阻抗使得大部分发射极电流通过基极迁移，防 止发射极-基极结导通，也就是，注入少量载流子返回集电极。可以 通过电阻值设置导通条件。当载流子被注入返回集电极时，发射极 和集电极之间的保持电压减小-称为“快恢复”现象。可以通过调 整基极-集电极电阻RBE的值来设置BVcer快恢复被触发的电流。图 64D示出了使用硅控整流器或SCR和所示二极管的ESD保护电路。 通过使用栅极阴极短路结构，可以控制触发电流。二极管击穿电压 可以用于偏置SCR锁存电压。上述整体的二极管结构可以使用在这 些或其他的任何ESD保护电路中。
在一些功率应用中，功率开关器件重要的性能特性是其等效串 联电阻或测量开关终端或栅极阻抗的ESR。例如，在使用功率 MOSFET的同步降压转换器中，较低的ESR有助于减小开关损耗。 在沟槽栅MOSFET的情况下，其栅极ESR很大程度上由填充多晶 硅的沟槽的尺寸来确定。例如，栅极沟槽的长度可以通过封装限制 (例如，最小丝焊结合焊盘大小)来限定。众所周知，对多晶硅应 用硅化物薄膜可以降低栅极电阻。然而，在沟槽MOSFET中使用 硅化物薄膜出现很多问题。在典型的平面分立MOS结构中，在结 已经被注入并驱动到各自的深度之后，栅极多晶硅可以被硅化。对 于栅极多晶硅被凹进的沟槽栅器件，应用硅化物变得更加复杂。传 统硅化物的使用限制最高温度，晶片能够经受大约小于900℃的快 速硅化处理。当形成扩散区(例如，源极、漏极和阱)时，这给制 造工艺过程设置了很大的限制。用于硅化的最典型的金属是钛。其 他诸如钨、钽、钴和铂的金属也可以用于更高的热预算快速硅化处 理，提供更大的处理范围。还可以通过各种设计技术来减小栅极 ESR。
下面描述各种用于形成具有更低ESR的电荷平衡功率开关器 件的实施例。在图65所示的一个实施例中，过程6500包括形成具 有出于屏蔽和/或电荷平衡目的在沟槽下部形成较低电极的沟槽(步 骤6502)。接着是沉积和蚀刻IPD层(步骤6504)。可以通过公知 的工艺形成IPD层。可选地，上述任何一种结合图45到50的工艺 可以用于形成IPD层。接下来，在步骤6506中，使用公知工艺沉 积并蚀刻上部电极或栅极多晶硅。接着是注入并驱动阱和源极区 (步骤6508)。在步骤6508之后的步骤6510中，硅化物被应用到 栅极多晶硅。然后，在步骤6512中，沉积和平面化介电层。在该 工艺的更改中，首先执行沉积和平面化介电层的步骤6512，然后在 形成硅化物接触之后，打开接触孔来到达源极/主体和栅极。这两个 实施例依靠通过低于硅化物薄膜转变点的低温退火激活的重掺杂 主体注入区。
在另一个实施例中，多晶硅栅极被金属栅极代替。根据该实施 例，通过使用对准的源极沉积例如Ti形成金属栅极，以改善沟槽结 构中的填充能力。在应用金属栅极之后，一旦已经注入并驱动结， 介电选择包括HDP和TEOS，以将栅极与源极/主体接触隔离开来。 在可选实施例中，具有各种从铝到铜的金属选择的波纹和双波纹方 法用于形成栅极端子。
栅极导体的布局也可以影响栅极ESR和器件的总开关速度。在 图66A和66B所示的另一个实施例中，布局技术将垂直硅化表面多 晶硅长条(stripe)和凹沟槽多晶硅结合来减小栅极ESR。参照图 66A，示出高度简化的器件结构6600，其中，硅化物涂覆的多晶硅 线6604沿着垂直于沟槽长条6602的硅表面延伸。图66B示出沿着 AA’轴的器件6600的简化截面图。硅化多晶硅线6604在与沟槽的 交叉处接触栅极多晶硅。多个硅化多晶线6604可以在硅表面的顶 面延伸，以减小栅电极的电阻率。例如，通过具有两个或两个以上 互连层的处理使得这个和其他布局技术成为可能，可以用于改善在 本文描述的任何一种沟槽栅极器件中的栅极ESR。
电路应用
例如，由于通过本文所描述的各种器件和工艺技术提供的器件 导通电阻的显著减小，可以减小由功率器件占用的芯片区。结果， 这些具有低压逻辑和控制电路的高压器件的整体集成变得更加可 行。在典型的电路应用中，可以与功率器件集成在相同管芯上的各 种类型的功能包括功率控制、感应、保护和接口电路。在功率器件 与其他电路整体集成中的重要问题是用于将高压功率器件与低压 逻辑或控制电路电隔离的技术。存在许多公知的方法来实现，包括 结隔离、介电隔离、绝缘体硅(silicon-on-insulator)等。
下面，将描述许多用于功率开关的电流应用，其中，各种电流 部件可以集成在相同的芯片上。图67示出要求较低电压器件的同 步降压转换器(DC-DC转换器)。在该电路中，n沟道MOSFET Q1 (通常被称为“高侧开关”)设计为具有适度的低导通电阻但有快 的开关速度，以将功率损耗最小化。MOSFET Q2(通常称为“低侧 开关”)设计为具有非常低的导通电阻和适度的高开关速度。图68 示出另一个更适合用于中到高压器件的DC-DC转换器。在该电路 中，主开关器件Qa显示出快开关速度和高阻断电压。因为该电路 使用变压器，所以较少的电流流过晶体管Qa，使得其具有适当的 导通电阻。对于同步整流器Qs，可以使用具有非常低的导通电阻、 快开关速度、非常低的反向恢复电荷、以及低电极间电容的 MOSFET。其他实施例和对这种DC-DC转换器的改进在Elbanhawy 的题为“Methods and Circuit for Reducing Losses in DC-DC Converters”的共同转让的美国专利申请第10/222,481号(代理案号 18865-91-1/17732-51430)中进行了详细的描述，其全部内容结合于 此作为参考。
上述各种功率器件的任何一种可以用于图67和68的转换器电 路中的MOSFET。例如，图4A中所示的双栅极MOSFET类型是当 用在实现同步降压转换器时提供特定优点的一种类型。在一个实施 例中，特殊的驱动设置利用由双栅极MOSFET提供的所有特征。 在图69中示出该实施例的实例，其中，高侧MOSFET Q1的第一栅 极端子G2的电位通过由二极管D1、电阻R1和R2、以及电容C1 组成的电路来确定。Q1的栅极端子G2处的固定电位可以调节为最 好的Qgd，以最优化晶体管的开关时间。高侧MOSFET Q1的第二 栅极端子G1从脉宽调制(PWM)控制器/驱动器(未示出)接收普 通栅极驱动信号。如图所示，低侧开关晶体管Q2的两个栅电极类 似地被驱动。
在可选实施例中，在图70A中示出一个实例，高侧开关的两个 栅电极分别被驱动，以进一步使电路性能最优。根据该实施例，不 同的波形驱动高侧开关Q1的栅极端子G1和G2，以实现过渡期间 最好的开关速度和剩余周期期间器件最好的导通电阻。在所示的一 个实例中，在转换期间大约5伏特的电压给高侧开关Q1的栅极输 送非常低的Qgd，导致高的开关速度，但是在过渡期td1和td2之前 和之后，RDSon并不在其最低值。然而，由于在转换期间RDSon不是 显著的损耗方，所以这并不会对电路的操作产生不利的影响。为了 在剩余的脉冲持续期间确保最低的RDSon，栅极端子G2处的电位 Vg2提高到第二电压Vb，其中，在图70B的时序图中所示的时间tp 期间第二电压Vb高于Va。这种驱动设计实现了最优的效率。对这 种驱动设计的更改在Elbanhawy的题为“Driver for Dual Gate MOSFETs”的普通注册的美国专利申请第10/686,859号(代理案号 17732-66930)中进行了更为详细的描述，其全部内容结合于此作 为参考。
封装技术
对于所有的功率半导体器件的重要问题是用于将器件连接到 电路的外壳或封装。半导体管芯一般使用金属粘合层(例如，焊接) 或填充金属的环氧粘合剂连接到金属焊盘。导线一般粘附到芯片的 顶部，然后，使那个突起通过模制的主体。然后，该装配安装在电 路板。外壳提供半导体芯片和电子系统及其周围环境之间的电和热 连接。低寄生电阻、电容、以及电感是对于能够实现与芯片更好连 接的外壳的期望电特性。
已经提出的封装技术的改进主要集中在减小封装中的电阻和 电感。在特定的封装技术中，焊球或铜钮分布在芯片的相对较薄(例 如，2-5μm)的金属表面上。通过在金属表面的大面积上分布金 属连接，金属中的电流路径做的更短，并减小了金属电阻。如果芯 片的凸起侧连接到铜导线架或连接到印制电路板上的铜线，与丝焊 方法相比，减小了功率器件的电阻。
图71和72分别示出模制和非模制封装的简化截面图，使用将 导线架连接到芯片的金属表面的焊球或铜钮。如图71所示的模制 封装7100包括导线架(leadframe)7106，其通过焊球或铜钮7104 连接到管芯7102的第一侧。远离导线架7106的管芯7102的第二 侧通过模制材料被露出。在典型的垂直功率晶体管中，管芯的第二 侧形成漏极端子。管芯的第二侧可以在电路板上形成到焊盘的直接 电连接，因此为管芯提供低阻抗的热和电路径。这种类型的封装及 其更改在Joshi等人的题为“Flip Chip in Leaded Molded Package and Method of Manufacture Thereof”的共同转让的美国专利申请第 10/607,633号(代理案号18865-42-1/17732-1342)中进行了更为详细 的描述，其全部内容结合于此作为参考。
图72示出封装7200的非模制实施例。在图72所示的示例性 实施例中，封装7200具有多层基板7212，其包括基层7220(例如， 由金属组成)以及通过介电层7222分离的金属层7221。焊接结构 7213(例如，焊球)连接到基板7212。管芯7211连接到基板7212， 且焊接结构7213设置在管芯周围。管芯7211可以通过管芯连接材 料(例如，焊料7230)连接到基板7212。在形成所示封装之后， 被倒置并安装在电路板(未示出)或其他电路基板上。在垂直功率 晶体管在管芯7211上制造的实施例中，焊球7230形成漏极端子连 接，以及芯片表面形成源极端子。通过反转管芯7211到基板7212 的连接还可以实现反转连接。如图所示，封装7200很薄且非模制， 所以不需要模制材料。用于这种类型的非模制封装在Joshi的题为 “Unmolded Package for a Semiconductor device”的共同转让的美国 专利申请第10/235,249号(代理案号18865-007110/17732-26390.003) 中进行了更加详细的描述，其全部内容结合于此。
已经提出了芯片的上表面通过焊料或导电环氧树脂直接连接 到铜的可选方法。因为铜和硅芯片之间引起的应力随着芯片区增 加，所以直接连接方法可能被限制，因为焊料或环氧树脂界面仅在 破坏之前会被施压到那种程度。另一方面，隆起焊盘使得在破坏之 前实现更多替换，且已经表明与非常大的芯片一起工作。
在封装设计中另一个重要的问题是散热。功率半导体性能的改 进通常导致更小的芯片区。如果芯片中的功率损耗没有增加，那么 在更小区上的热能集中可以产生更高的温度并可靠地下降。增加封 装外的热量转换率的方法包括减小热界面的数量、使用具有更高导 热性的材料、以及减小层(例如，硅、焊料、管芯固定、以及管芯 固定焊盘)的厚度。Rajeev Joshi的题为“Semiconductor Die Package With Improved Thermal and Electrical Performance，”的共同转让的美 国专利第6,566,749号中讨论了散热问题的解决方法，尤其关于包 括用于RF应用的垂直功率MOSFET的管芯。用于改进总的封装性 能的其他技术在Rajeev Joshi的共同转让的美国专利第6,133,634号 和第6,469,384号，以及Joshi等人的题为“Thin Thermally Enhanced Flip Chip in a Leaded Molded Package”的美国专利申请第10/271,654 (代理案号18865-99-1/17732.53440)号中进行了详细描述。应该 明白，本文描述的各种功率器件中的任何一种可以容纳在本文描述 的任何一种封装或任何其他合适的封装中。
使用更多用于散热的外壳面积还增加外壳保持较低温度的能 力，例如，外壳顶部和底部的热界面。与这些表面周围的气流结合 的增加的表面积增加了散热速率。外壳设计还能够轻易与外部散热 器连接。由于热传导和红外辐射技术是普通方法，所以交替冷却方 法的应用是可以的。例如，在Reno Rossetti的题为“Power Circuitry With A Thermionic Cooling System”的共同转让的美国专利申请第 10/408,471(代理案号17732-6672)号中进行了描述热离子发射是 可以用于冷却功率器件散热的一种方法，其全部内容结合于此作为 参考。
在单个封装中包括功率输出和控制功能的逻辑电路的集成带 来了其他问题。其一，外壳需要更多的引脚来与其他的电子功能相 连接。封装应该考虑到封装中高电流功率的相互连接和低电流信号 的相互连接。可以解决这些问题的各种封装技术包括：芯片到芯片 (chip-to-chip)引线结合法，以消除特殊的连接焊盘；层叠芯片 (chip-on-chip)，以节省外壳内的空间；以及多芯片模块，其允许 将不同的硅技术结合到单个电子功能中。多芯片封装技术的各种实 施例在Rajeev Joshi的题为“Stacked Package Using Flip in Leaded Molded Package Technology”的共同转让的美国专利申请第 09/730,932号(代理案号18865-50/17732-19450)，以及同样是Rajeev Joshi的题为“Multichip Module Including Substrate with an Array of Interconnect Structures”的第10/330,741号(代理案号 18865-121/17732-66650.08)中进行了描述，其全部内容结合于此作 为参考。
虽然上面提供了对本发明优选实施例的完整说明，但是许多替 换、修改和等同都是可行的。例如，在本文中，许多电荷平衡技术 是在MOSFET，尤其是沟槽栅型MOSFET的情况下进行描述的。
本领域的技术人员应了解，可以将相同的技术应用到包括IGBT、 半导体闸流管、二极管和平面型MOSFET的其他类型的器件以及 横向器件中。因此，出于这些和其他原因，以上描述并非用于限制 由权利要求所限定的本发明的范围。
相关申请的交叉参考
本申请为下列共同转让的美国专利申请的部分延续：
Mo等人的第10/155,554号(代理案号 18865-17-2/17732-7226.001)，标题为“Field Effect Transistor and Methods of its Manufacture”，2002年5月24日；
Sapp的第No.10,209,110号(代理案号18865-98/17732-55270)， 标题为“Dual Trench Power MOSFET”，2002年7月30日；
Kocon的第09/981,583号(代理案号18865-90/17732-51620)， 标题为“Semiconductor Structure with Improved Smaller Forward Loss and Higher Blocking Capability”，2001年10月17日；
Kocon等人的第10/640,742号(代理案号 90065.000241/17732-66550)，标题为“Improved MOS Gating Method for Reduced Miller Capacitance and Switching Losses”，2003年8月 14日；
Marchant的第09/774,780号(代理案号 18865-69/17732-26400)，标题为“Field Effect Transistor Having a Lateral Depletion Structure”，2001年1月30日；
Sapp等人的第10/200,056号(代理案号 18865-97/17732-55280)，标题为“Vertical Change Control Semiconductor Device with Low Output Capacitance”，2002年7月 18日；
Kocon等人的第10/288,982号(代理案号 18865-117/17732-66560)，标题为“Drift Region Higher Blocking Lower Forward Voltage Drop Semiconductor Structure”，2002年 11月5日；
Herrick的第10/442,670号(代理案号18865-131/17732-66850)， 标题为“Structure and Method for Forming a Trench MOSFET Having Self-Aligned Features”，2003年5月20日；
Yedinak的第10/315,719号(代理案号 90065.051802/17732-56400)，标题为“Method of Isolating the Current Sense on P1anar or Trench Stripe Power Devices while Maintaining a Continuous Stripe Cell”，2002年12月10日；
Elbanhawy的第10/222,481号(代理案号 18865-91-1/17732-51430)，标题为“Methods and Circuit for Reducing Losses in DC-DC Converters”，2002年8月16日；
Joshi的第10/235,249号(代理案号18865-71-1/17732-26390-3)， 标题为“Unmolded Package for a Semiconductor device”，2002年9 月4日；以及
Joshi等人的第10/607,633号(代理案号 18865-42-1/17732-13420)标题为“Flip Chip in Leaded Molded Package and Method of Manufacture Thereof”，2003年6月27日；
并且要求下列临时提交的美国专利申请的优先权：
Wilson等人的第60/506,194号(代理案号 18865-135/17732-66940)，标题为“High Voltage Shielded Trench Gate LDMOS”，2003年9月26日；以及
第60/588,845号(代理案号18865-164/17732-67010)，标题为 “Accumulation Device with Charge Balance Structure and Method of Forming the Same”，  2004年7月15日。
上面列出的申请的全部内容结合于此作为参考。