[发明专利]垂直MOS三极管及其制造方法

说明书

本发明涉及具有沟渠结构的垂直MOS晶体管及其制造方法。

图2说明了具有沟渠结构的传统垂直MOS晶体管的示意性剖视图。制备半导电基底，其中第一导电类型的轻掺杂层2，在第一导电类型的重掺杂基底1上外延地生长，而成为漏极区。然后，被称作管身主体区的第二导电类型的扩散区3，通过注入杂质，并经过1000℃或更高的高温热处理，而从半导电基底的表面形成。进一步，从表面上，第一导电类型的重掺杂杂质区7将成为源极区，而第二导电类型的重掺杂管身主体接触区8通过电阻接触形成，用于固定管身主体区电势的目的，这两个区分别连接到源极7a和管身主体极8a上。这里，由于第一导电类型的源极区电势，与第二导电类型的管身主体接触区电势通常相同，在图2中，它们被安排而彼此接触。源极7a和管身主体极8a通过一个接触孔而彼此连接，用于使两个区电接触，这在图中未画出。然后，通过贯穿第一导电类型的源极区蚀刻单晶硅，而形成沟渠4。包含高浓度杂质的多晶硅6将连接到栅极9a上，栅极绝缘膜5和多晶硅6填充硅沟渠。在半导电基底的后侧，第一导电类型的所述重掺杂区连接到漏极1a上。

上面的结构可以用作垂直MOS晶体管，其中从沟渠侧壁上的栅极绝缘膜，通过埋在沟渠中的栅极控制漏极到源极的电流，其中漏极由后侧第一导电类型的重掺杂区和第一导电类型的外延区形成，而源极由前侧的第一导电类型的重掺杂区形成。这种方法通过适当地制成导电类型N或P，可以同时容纳N沟道类型和P沟道类型。

进一步，具有沟渠结构的垂直MOS晶体管具有这样的特征，即由于沟道完全垂直地形成，晶体管允许应用更小晶体管的方法制造。

垂直MOS晶体管这样的基本结构及其制造方法已在例如美国专利第4，767，722等文献中予以揭示。

然而，垂直MOS晶体管这样的结构及其制造方法具有后面的问题。

首先，在传统方法制造的垂直MOS晶体管中，如图2所说明的，填充沟渠的多晶硅的上部是凹陷的。在去除过程中，通过深蚀刻多晶硅膜，直到表面被平面化为止，形成这样的凹陷部分，其中多晶硅膜沉积在沟渠中和半导电基底上。形成凹陷部分，是因为当多晶硅膜沉积时，如图10所说明的，并当晶粒在沟渠中的栅极绝缘膜上垂直生长时，当晶粒在沟渠中的中心线11-11上彼此接触时，形成的晶粒之间的边界具有更高的蚀刻速率，高于多晶硅的其它区。当过多地执行多晶硅膜的深蚀刻时，甚至贯穿栅极绝缘膜与管身主体区接触的多晶硅也可以被去除，其中沟渠中的沟道在管身主体区形成，这可以导致晶体管操作的阻塞，或在后面的过程中，当膜沉积其上时导致形成空隙。特别当晶体管在高温下操作时，可以从空隙产生裂缝，而使晶体管本身断裂。这样，有一个问题，即必须在充足的控制下执行多晶硅膜的深蚀刻。

其次，由于具有沟渠结构的垂直MOS晶体管的栅极由多晶硅形成，有栅极电阻高的问题，并且特别当晶体管变得更小时，这样的趋势变得更严重，这削弱了高频特性。通常地，当晶体管在500kHz或更高的频率操作时，变换的延迟和降低的效率将变得不可忽视。

为了解决上面的问题，根据本发明实现的一种垂直MOS晶体管，其特征在于第一导电类型的半导电基底；形成在所述半导电基底上的第一导电类型的外延生长层；第二导电类型的管身主体区，形成在所述外延生长层上；沟渠，贯穿第二导电类型的管身主体区形成，而到达第一导电类型的外延生长层内部；栅极绝缘膜，沿管身主体区表面和沟渠的壁面与下表面形成；多晶硅栅极，形成在所述沟渠中，而与所述栅极绝缘膜接触，并被所述栅极绝缘膜包围；硅金属栅极，作为形成在所述沟渠中的膜，而与所述多晶硅栅极接触，并被所述栅极绝缘膜和多晶硅栅极包围；第一导电类型的源极区，形成在所述管身主体区的表面，并包围所述沟渠而与栅极绝缘膜接触；栅极，连接到所述多晶硅栅极和硅金属栅极上；源极，连接到所述源极区；和漏极，连接到所述半导电基底上。

根据本发明的另一方面，垂直MOS晶体管的特征在于，所述膜形成在沟渠中，而与多晶硅栅极接触，并且被栅极绝缘膜和多晶硅栅极包围，其中膜是硅混合物。

根据本发明的又一方面，垂直MOS晶体管的特征在于，膜形成在沟渠中，而与多晶硅栅极接触，并且被栅极绝缘膜和多晶硅栅极包围，其中膜特别是氧化硅膜。

根据本发明的另一方面，垂直MOS晶体管的特征在于，膜形成在沟渠中，而与多晶硅栅极接触，并且被栅极绝缘膜和多晶硅栅极包围，其中膜特别是氮化硅膜。

根据本发明的又一方面，垂直MOS晶体管的特征在于，膜形成在沟渠中，而与多晶硅栅极接触，并且被栅极绝缘膜和多晶硅栅极包围，其中膜特别是金属膜。