CN101079446A - 异质栅多阶梯场极板横向双扩散金属氧化物半导体管 - Google Patents
异质栅多阶梯场极板横向双扩散金属氧化物半导体管 Download PDFInfo
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Abstract
异质栅多阶梯场极板横向双扩散金属氧化物半导体管，其特征是设置源栅和漏栅的异质双栅结构，由第一级场极板和第二级场极板构成多阶梯场极板，源栅、漏栅、第一级场极板和第二级场极板依次相连；源和漏分别设置在沟道阱区和阱漂移区上；栅氧化层设在源栅、漏栅与沟道阱区之间，在沟道阱区上设有阱接触孔；场氧化层在第一级场极板、第二级场极板以及阱漂移区之间；氧化层覆盖在多阶梯场极板之上；沟道阱区和阱漂移区均位于衬底之上。本发明在保持横向双扩散金属氧化物半导体管击穿特性的基础上，有效提高驱动电流、跨导，减小导通电阻，并降低功耗。
Description
技术领域
本发明是一种金属氧化物半导体管，尤其是在高频、高压、高功率场合中进行应用的金属氧化物半导体管。
背景技术
横向双扩散金属氧化物半导体管功率器件具有线性动态范围大、增益高和温度特性好等优点，更为重要的是横向双扩散金属氧化物半导体管易于兼容低压标准CMOS工艺，满足信号控制电路和高压功率电路集成在一块芯片上的系统化、微型化的设计趋势，提高芯片的可靠性和降低成本，因此体硅横向双扩散金属氧化物半导体管在工作电压为10V-200V的功率放大器中具有较大的应用优势。但是，现有的横向双扩散金属氧化物半导体管的栅电极仍然采用普通的单栅结构，缺少场极板与异质栅相结合的横向双扩散金属氧化物半导体管，因此不能同时在阈值电压、频率、电流、功耗、击穿电压方面实现器件性能提升。目前的研究表明击穿电压和导通电阻都与横向双扩散金属氧化物半导体管漂移区掺杂浓度相关，在芯片面积相同的条件下，漂移区掺杂浓度越高，击穿电压BVds则越低，导通电阻值(Ron，sp)也减小，反之漂移区掺杂浓度越低，击穿电压BVds则越高，导通电阻值(Ron，sp)也增大，两者成Ron，sp∝BVds2.5的关系。在高压大功率场合应用中，击穿电压低则器件的工作电压受到限制；导通电阻大则器件的功耗也就非常大而且容易产生自加热效应使器件性能恶化，可靠性降低。这两种情况都是对高压功率器件非常不利的因素，因此横向双扩散金属氧化物半导体管的击穿电压和导通电阻性能提高相互矛盾，使得产品在高频、高压、高功率的场合中的应用受到限制。另外，随着横向双扩散金属氧化物半导体管的应用领域的拓展，大驱动电流、高跨导和高截止频率作为评价射频功率器件性能的重要指标也亟待提高。
发明内容
本发明针对目前横向双扩散金属氧化物半导体管的击穿电压和导通电阻性能提高相互矛盾的问题，提供一种异质栅多阶梯场极板横向双扩散金属氧化物半导体管，通过异质栅和多阶梯场极板技术的结合，在保持横向双扩散金属氧化物半导体管击穿特性的基础上，提高驱动电流、跨导，减小导通电阻，降低功耗，以使横向双扩散金属氧化物半导体管在高频、高压、高功率的场合中得到很好的应用。
本发明解决技术问题采用如下技术方案：
本发明的结构特点是设置源栅和漏栅的异质双栅结构，由第一级场极板和第二级场极板构成多阶梯场极板，源栅、漏栅、第一级场极板和第二级场极板依次相连；源和漏分别设置在沟道阱区和阱漂移区上；栅氧化层设在源栅、漏栅与沟道阱区之间，在沟道阱区上设有阱接触孔；场氧化层在第一级场极板、第二级场极板以及阱漂移区之间；氧化层覆盖在多阶梯场极板之上；沟道阱区和阱漂移区均位于衬底之上。
本发明的结构特点也在于：
所述源栅采用高功函数材料，包括钨和p型多晶硅、钼和钨化物；漏栅采用低功函数材料，包括铝和n型多晶硅。
所述源栅和漏栅的双栅总长度为0.4-1.7μm。
所述源栅与漏栅的长度比为1∶1。
由第一级场极板和第二级场极板构成的阶梯场板总长度为3.3μm，其中第一级场极板下的场氧化层厚度为0.4-0.5μm，第二级场极板下的场氧化层厚度为0.6μm。
与已有技术相比，本发明的有益效果体现在：
1、本发明设置多阶梯场板结构，从而在峰值电场变化幅度较小的前提下增加了峰值的个数，提高漂移区的平均电场。第一级场极板和第二级场极板总长度存在最优值，保持总长度调节第一级场极板和第二级场极板长度比例以及所覆盖场氧化层厚度，实现横向双扩散金属氧化物半导体管击穿电压和导通电阻之间的均衡，获得较好击穿特性，导通电阻值以及饱和电流特性。
2、本发明设置源栅和漏栅的异质双栅结构，用以替代传统单栅结构，靠近源的源栅采用高功函数的钨、p型多晶硅或钼和钨化物，靠近沟道末端的漏栅采用低功函数的铝和n型多晶硅。一方面源栅和漏栅的功函数差在沟道中形成阶梯电势分布，增大载流子漂移速度，而且源栅和漏栅功函数差越大，对载流子的加速作用越显著，从而提高横向双扩散金属氧化物半导体管的驱动电流，跨导和截止频率。另一方面，漏栅具有效屏蔽漏端电场影响的作用，抑制了短沟道效应，降低沟道末端电场峰值。
3、本发明异质栅和多阶梯场板连接在一起，得到低导通电阻和耐高压的横向双扩散金属氧化物半导体管。
4、本发明可有效提高击穿电压、驱动电流和跨导，并降低导通电阻，尤其是击穿电压在100V，工作电流0.15mA/um，饱和区跨导7×10-5S/um以上，比导通电阻减小到82.3Ω·mm2，且与标准CMOS工艺相兼容。
附图说明
图1为本发明结构示意图。
图中标号：1源、2漏、3源栅、4漏栅、5衬底、6沟道阱区、7阱漂移区、8栅氧化层、9场氧化层、10氧化层、11第一级场极板、12第二极场极板、61阱接触孔
以下通过具体实施方式，并结合附图对本发明作进一步描述：
具体实施方式
参见图1，本实施例包括：源1，漏2，源栅3，漏栅4，衬底5，衬底5上的沟道阱区6，衬底5上的阱漂移区7，栅氧化层8，场氧化层9，氧化层10，第一级场极板11，第二级场极板12组成，栅氧化层10设在源栅3、漏栅4与沟道阱区6之间。在沟道阱区6上设有阱接触孔61，场氧化层9在第一级场极板8，第二级场极板9与阱漂移区7之间。
具体实施中，衬底5的掺杂浓度为1×1015cm-3，阱漂移区7的长度为8μm，阱漂移区7的结深为2μm，阱漂移区7的表面峰值掺杂浓度为3.5×1016cm-3，沟道阱区6的结深为2μm，沟道阱区6的表面峰值掺杂浓度为1×1017cm-3，第一级场极板11和第二级场极板12优化的总长度为3.3um，第一级场极板11下的场氧化层9厚度在0.4-0.5μm之间，第二级场极板12下的场氧化层厚度为0.6μm。异质栅结构中，源栅3为高功函数材料，包括钨、p型多晶硅、钼和钨化物，漏栅4为低功函数材料，主要采用铝和n型多晶硅。双栅总长度在0.4-1.7μm之间，双栅长度比例为1∶1。
本发明引入源栅和漏栅形成异质栅结构，且异质栅后面紧接多阶梯场极板。源栅为高功函数材料，漏栅为低功函数材料，功函数差在沟道中形成阶梯电势分布，增大载流子漂移速度，提高了驱动电流，跨导和截止频率。优化的多阶梯场极板在峰值电场变化幅度较小的前提下增加了峰值的个数，从而提高漂移区的平均电场，获得较好击穿特性，导通电阻值以及饱和电流特性。
Claims (5)
1、异质栅多阶梯场极板横向双扩散金属氧化物半导体管，其特征是设置源栅(3)和漏栅(4)的异质双栅结构，由第一级场极板(11)和第二级场极板(12)构成多阶梯场极板，源栅(3)、漏栅(4)、第一级场极板(11)和第二级场极板(12)依次相连；源(1)和漏(2)分别设置在沟道阱区(6)和阱漂移区(7)上；栅氧化层(8)设在源栅(3)、漏栅(4)与沟道阱区(6)之间，在沟道阱区(6)上设有阱接触孔(61)；场氧化层(9)在第一级场极板(11)、第二级场极板(12)以及阱漂移区(7)之间；氧化层(10)覆盖在所述多阶梯场极板之上；沟道阱区(6)和阱漂移区(7)均位于衬底(5)之上。
2、根据权利要求1所述的异质栅多阶梯场极板横向双扩散金属氧化物半导体管，其特征是所述源栅(3)采用高功函数材料，包括钨和p型多晶硅、钼和钨化物；漏栅(4)采用低功函数材料，包括铝和n型多晶硅。
3、根据权利要求1所述的异质栅多阶梯场极板横向双扩散金属氧化物半导体管，其特征是所述源栅(3)和漏栅(4)的双栅总长度为0.4-1.7μm。
4、根据权利要求3所述的异质栅多阶梯场极板横向双扩散金属氧化物半导体管，其特征是所述源栅(3)与漏栅(4)的长度比为1∶1。
5、根据权利要求1所述的异质栅多阶梯场极板横向双扩散金属氧化物半导体管，其特征是由所述第一级场极板(11)和第二级场极板(12)构成的阶梯场板总长度为3.3μm，其中第一级场极板(11)下的场氧化层厚度为0.4-0.5μm，第二级场极板(12)下的场氧化层厚度为0.6μm。
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