一種具有體電場調(diào)制效應(yīng)的橫向超結(jié)雙擴散金屬氧化物半導體場效應(yīng)管的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提出了一種具有體電場調(diào)制效應(yīng)的橫向超結(jié)雙擴散金屬氧化物半導體場效應(yīng)管，在橫向超結(jié)功率器件的有源區(qū)下方的襯底外延材料中形成多層浮空埋層，可以通過合理地設(shè)置多層浮空埋層的位置、厚度、長度和摻雜濃度對橫向超結(jié)功率器件的體電場有效地進行調(diào)制，使得器件的整體電場分布達到最優(yōu)，在保證器件低導通電阻的條件下，可以大幅度提高器件的擊穿電壓。
【專利說明】
一種具有體電場調(diào)制效應(yīng)的橫向超結(jié)雙擴散金屬氧化物半導體場效應(yīng)管
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及功率器件領(lǐng)域，特別是涉及一種橫向超結(jié)雙擴散金屬氧化物半導體場效應(yīng)管。
【背景技術(shù)】
[0002]橫向功率器件具有易集成，熱穩(wěn)定性好，較好的頻率穩(wěn)定性，低功耗，多子導電，功率驅(qū)動小，開關(guān)速度高等優(yōu)點被廣泛應(yīng)用于PIC(Power Integrated Circuit)中。早期普通橫向功率器件與縱向縱向功率器件結(jié)構(gòu)相比，兩種器件在具有相同耐壓(BreakdownVoltage，簡稱BV)和器件面積的情況下，前者的導通電阻(On-Resistance，簡稱Rcjn)要大好幾倍。隨著弱化表面電場(Reduced Surface Field，簡稱RESURF)技術(shù)、場板(Field Plate，簡稱FP)技術(shù)、橫向變摻雜(Variat1n of Lateral Doping，簡稱VLD)等技術(shù)在橫向功率器件中應(yīng)用橫向功率器件的表面電場已經(jīng)優(yōu)化到了一定程度程度，然而器件的縱向體電場并沒有進行優(yōu)化。橫向超結(jié)功率器件的耐壓是由橫向和縱向電場綜合決定的，當采用RESURF等技術(shù)將表面電場優(yōu)化到一定程度，器件的縱向電場決定著器件整體耐壓。由于橫向超結(jié)功率器件的縱向電場并沒有得到很好的優(yōu)化，從而使得器件的擊穿在體內(nèi)過早發(fā)生，器件的整體性能降低。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明提出了一種新的橫向超結(jié)雙擴散金屬氧化物半導體場效應(yīng)管結(jié)構(gòu)，旨在優(yōu)化器件的體電場分布使得器件的整體電場分布達到最優(yōu)，有效地提高器件的擊穿電壓。
[0004]本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
[0005]—種具有體電場調(diào)制效應(yīng)的橫向超結(jié)雙擴散金屬氧化物半導體場效應(yīng)管，包括:[000?]半導體材料的襯底；
[0007]在所述襯底上生長的外延層；
[0008]在所述外延層上形成基區(qū)；
[0009]在所述外延層上形成濃度分區(qū)的緩沖層；
[0010]在所述基區(qū)邊緣到部分緩沖層上注入N柱和P柱，相間排列形成超結(jié)(SuperJunct1n)漂移區(qū)；
[0011 ]在所述器件表面形成有源區(qū)；
[0012]在所述有源區(qū)上形成的柵絕緣層，并在柵絕緣層上方形成柵極；
[0013]在所述有源區(qū)上形成漏區(qū)同時在所述基區(qū)上形成的溝道；
[0014]在所述基區(qū)上形成溝道襯底接觸并與靠近溝道一側(cè)短接形成源區(qū)；
[0015]分別在源區(qū)、漏區(qū)上形成的源極和漏極；
[0016]有別于現(xiàn)有技術(shù)的是:
[0017]在所述外延層內(nèi)部具有多層浮空埋層，自器件的漏端延伸到所述濃度分區(qū)的緩沖層的下方;浮空埋層的摻雜濃度和厚度根據(jù)襯底摻雜濃度設(shè)定，滿足使浮空埋層全部耗盡。
[0018]基于上述基本方案，本發(fā)明還進一步做如下優(yōu)化限定和改進:
[0019]浮空埋層之間距離根據(jù)器件耐壓等級可以等間距或變間距，最佳的設(shè)計為:浮空埋層之間的間距隨著深度的增加而減小間距呈現(xiàn)等差狀。
[0020]浮空埋層個數(shù)根據(jù)橫向功率器件耐壓量級而具體確定，例如一般中等耐壓(100V?500V)埋層數(shù)為1-2個左右為最佳;對于高耐(500V?1000V及1000V以上)器件，埋層數(shù)大于等于3個，一般3層為最佳。
[0021 ]各個浮空埋層的摻雜濃度均比襯底摻雜濃度高I個數(shù)量級。
[0022]襯底外延材料中多層浮空埋層在襯底中所占的區(qū)域根據(jù)器件在縱向耗盡區(qū)域范圍設(shè)定和優(yōu)化。對于常見的橫向超結(jié)功率器件，多層浮空埋層的長度占漂移區(qū)整體長度的1/2?2/3為佳。
[0023]各個浮空埋層的長度根據(jù)耐壓等級設(shè)定或長度相同，或長度漸變(長度從器件表面到襯底逐漸增加，或逐漸減少)。
[0024]本發(fā)明技術(shù)方案的有益效果如下:
[0025]在橫向超結(jié)功率器件有源區(qū)的下方的襯底中通過外延形成多層浮空埋層，通過合理地設(shè)計浮空埋層的厚度、間距、埋層個數(shù)摻雜濃度和浮空埋層長度的厚度可以有效地改善器件的體電場分布，使得器件的體電場分布達到最優(yōu)，從而可以有效地提高器件的擊穿電壓。
【附圖說明】
[0026]圖1為本發(fā)明實施例的結(jié)構(gòu)示意圖(正視圖)；
[0027]圖2為本發(fā)明實施例的三維剖視示意圖(為了便于標注，對超結(jié)、漂移區(qū)絕緣層以及階梯場氧化層等作了部分立體斷面)；
[0028]圖3為傳統(tǒng)緩沖層分區(qū)的N溝道SJ-LDMOS與采用多段浮空場板的N溝道SJ-LDMOS器件的耐壓比較。
[0029]附圖標號說明:
[0030]1-源極;2_棚.極;3_棚.絕緣層;4-41-42-超結(jié)漂移區(qū)；41-N柱；42-P柱；
[0031 ] 5-漏電極;6-漏區(qū)；7_分區(qū)緩沖層;8-外延層;9-多段浮空埋層；10-襯底；
[0032]11-基區(qū)；12-源區(qū)；13-溝道。
【具體實施方式】
[0033]如圖1所示，本發(fā)明為具有體電場調(diào)制的橫向超結(jié)雙擴散金屬氧化物半導體場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)包括:
[0034]半導體材料的襯底10;
[0035]位于襯底上的外延層8;
[0036]位于外延層中的浮空埋層9;
[0037]外延層上左端為基區(qū)11，中間部分為濃度分區(qū)的緩沖層7，右端為漏區(qū)6;
[0038]基區(qū)10上左端為源區(qū)11，源區(qū)上為源電極I;
[0039]基區(qū)10上右端為溝道12，溝道上為柵絕緣層3，柵絕緣層3上為柵電極2，漏區(qū)6上為漏電極5;
[0040]在橫向超結(jié)功率器件采用RESURF等技術(shù)將橫向功率器件的表面電場優(yōu)化到一定程度之后，需要對器件的體電場進行優(yōu)化，器件分區(qū)緩沖層方下方具有多層浮空埋，層從而使得器件的整體電場達到最優(yōu)，器件的整體耐壓提高，性能提高。
[0041 ]以N溝道的SJ-LDMOS為例，具體可以通過以下步驟進行制備:
[0042]I)半導體材料(包括S1、SiC和GaAs等)的襯底上外延高電阻率的P型層；
[0043]2)在外延P型層的過程中形成多個N型浮空埋層，N型埋層的間距為等間距;N型埋層的具有一定的厚度;N型埋層由漏端延伸到漂移區(qū)的下方，其長度占漂移區(qū)整體長度的(1/2?2/3)，N型埋層的摻雜濃度比襯底摻雜濃度高約I個數(shù)量級；
[0044]3)在外延層上形成P型基區(qū)；
[0045]4)在外延層上形成N型分區(qū)緩沖層；
[0046]4)利用離子注入技術(shù)在緩沖層上從P型基區(qū)邊緣到另一端形成N柱與P柱相間排列的超結(jié)漂移區(qū)；
[0047]5)在器件表面形成有源區(qū)；
[0048]6)在有源區(qū)上形成柵氧化層；
[0049]7)在柵氧化層上淀積多晶硅刻蝕形成柵電極；
[0050]8)進行高濃度N型離子注入，在基區(qū)形成溝道，同時在漂移區(qū)邊緣形成漏區(qū)；
[0051]9)進行高濃度P型離子注入，形成溝道襯底接觸；
[0052]10)在器件表面淀積鈍化層，并刻蝕接觸孔；
[0053]11)淀積金屬并刻蝕形成漏極和源極。
[0054]圖3為傳統(tǒng)緩沖層分區(qū)的N溝道SJ-LDMOS與采用多段浮空場板的N溝道SJ-LDMOS器件的耐壓比較，兩種器件在漂移區(qū)長度相同都為40μπι，襯底濃度與超結(jié)濃度都相同。采用多段浮空場板的N溝道SJ-LDMOS器件的耐壓為619V比傳統(tǒng)緩沖層分區(qū)的N溝道SJ-LDMOS器件耐壓38利提高約59.13%。
[0055]當然，本發(fā)明中的超結(jié)LDMOS也可以為P型溝道的SJ-LDMOS，其結(jié)構(gòu)與N溝道SJ-LDMOS等同，并且多層浮空埋層結(jié)構(gòu)同樣適用于LDMOS器件、LIGBT等一系列橫向功率器件，在此不再贅述。
[0056]以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明技術(shù)原理的前提下，還可以做出若干改進和替換，這些改進和替換也應(yīng)視為本發(fā)明的保護范圍。
【主權(quán)項】
1.一種具有體電場調(diào)制效應(yīng)的橫向超結(jié)雙擴散金屬氧化物半導體場效應(yīng)管，包括: 半導體材料的襯底； 在所述襯底上生長的外延層； 在所述外延層上形成基區(qū)； 在所述外延層上形成濃度分區(qū)的緩沖層； 在所述基區(qū)邊緣到部分緩沖層上注入N柱和P柱，相間排列形成超結(jié)(Super Junct1n)漂移區(qū)； 在所述器件表面形成有源區(qū)； 在所述有源區(qū)上形成的柵絕緣層，并在柵絕緣層上方形成柵極； 在所述有源區(qū)上形成漏區(qū)同時在所述基區(qū)上形成的溝道； 在所述基區(qū)上形成溝道襯底接觸并與靠近溝道一側(cè)短接形成源區(qū)； 分別在源區(qū)、漏區(qū)上形成的源極和漏極； 其特征在于: 在所述外延層內(nèi)部具有多層浮空埋層，自器件的漏端延伸到所述濃度分區(qū)的緩沖層的下方;浮空埋層的摻雜濃度和厚度根據(jù)襯底摻雜濃度設(shè)定，滿足使浮空埋層全部耗盡。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的橫向超結(jié)雙擴散金屬氧化物半導體場效應(yīng)管，其特征在于:各個浮空埋層之間呈等間距設(shè)置;或者隨著深度的增加，相鄰浮空埋層之間的間距逐級減小。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的橫向超結(jié)雙擴散金屬氧化物半導體場效應(yīng)管，其特征在于:對于耐壓指標10V?500V的器件，浮空埋層的層數(shù)為1-2個；對于耐壓指標500V?1000V及1000V以上的器件，浮空埋層的層數(shù)大于或等于3個。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的橫向超結(jié)雙擴散金屬氧化物半導體場效應(yīng)管，其特征在于:各個浮空埋層的摻雜濃度均比襯底摻雜濃度高I個數(shù)量級。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的橫向超結(jié)雙擴散金屬氧化物半導體場效應(yīng)管，其特征在于:所述多層浮空埋層的長度占漂移區(qū)整體長度的1/2?2/3。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的橫向超結(jié)雙擴散金屬氧化物半導體場效應(yīng)管，其特征在于:各個浮空埋層的長度相同，或依次呈單調(diào)性漸變。
【文檔編號】H01L29/78GK105870189SQ201610251306
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年4月21日
【發(fā)明人】段寶興, 曹震, 董自明, 楊銀堂
【申請人】西安電子科技大學