CN101442069A - 一种具有倾斜表面漂移区的绝缘体上硅横向功率晶体管 - Google Patents

一种具有倾斜表面漂移区的绝缘体上硅横向功率晶体管 Download PDF

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Abstract

具有倾斜表面漂移区的绝缘体上硅横向功率晶体管，该晶体管至少包含依次相连的三个半导体掺杂区。其中位于一端的掺杂区为第一类导电类型，构成器件的沟道区(或阳极区)，另一端的掺杂区为第二类导电类型，构成器件的漏区(或阴极区)，夹在中间的半导体区为第二类导电类型，构成器件的漂移区。漂移区的下部与埋氧层相接，上部与场氧层相接。漂移区的厚度沿从沟道区(阳极)到漏区(阴极)的方向以线性或平方根形式逐渐增加，从而形成倾斜的漂移区表面。采用该结构制造横向扩散场效应晶体管LDMOS、横向PN二极管或横向绝缘栅双极型晶体管LIGBT，具有导通电阻小、击穿电压高、工艺简单、成本低廉等优点。

Description

一种具有倾斜表面漂移区的绝缘体上硅横向功率晶体管
技术领域
本发明属于半导体功率器件技术领域，它特别涉及大功率和高压应用的绝缘体上硅(Semiconductor On Insulator，简称SOI)横向功率器件，如横向扩散场效应晶体管LDMOS、横向高压二极管、横向绝缘栅双极型晶体管LIGBT等。
背景技术
SOI技术具有隔离性能好、工作速度高、抗闭锁能力强等优点，在智能功率集成电路和功率片上系统中具有广泛的应用前景。作为决定智能功率集成电路和功率片上系统性能的关键器件，SOI横向功率器件技术受到了众多学者的广泛研究。
在横向功率器件的设计中，必须综合考虑击穿电压、导通电阻、晶体管尺寸、制造成本和可靠性等因素的折中。通常而言，某方面性能的改善往往会导致其它性能的退化。特别是击穿电压的提高通常是以导通电阻的增加为代价的。
SOI横向功率器件的基本结构是RESURF(Reduced Surface Field)结构。图1给出了一个典型常规SOI横向扩散场效应晶体管(Lateral Double Diffusion Metal OxideSemiconductor Field Effect Transistor，简称LDMOS)的示意图。它由半导体衬底100，埋氧层102，半导体SOI层120，场氧层112a，栅氧化层112b，和栅金属114组成。其中所述的SOI层120包括具有第一类导电类型的半导体区域106，具有高掺杂浓度的第二类导电类型的半导体区域104和108，以及具有低掺杂浓度的第二类导电类型的半导体区域110。这里104构成LDMOS的源区104，106构成LDMOS的沟道区，108构成LDMOS的漏区，110构成LDMOS的漂移区。大量研究表明当漂移区的浓度和厚度的乘积约为1012cm-2，器件具有最高的击穿电压。此时漂移区两端表面处的电场达到最高值，而中部电场仍较低，从而限制了器件的耐压能力。
为了改善RESURF结构的击穿特性，美国专利5246870和5412241提出了一种横向线性掺杂的SOI高压器件结构，如图2所示。它由半导体衬底100，埋氧层102，半导体SOI层120，场氧层112a，栅氧化层112b，和栅金属114组成。其中所述的SOI层120包括具有第一类导电类型的半导体区域106，具有高掺杂浓度的第二类导电类型的半导体区域104和108，以及具有低掺杂浓度的第二类导电类型的半导体区域110。这里104构成LDMOS的源区104，106构成LDMOS的沟道区，108构成LDMOS的漏区，110构成LDMOS的漂移区。所述的低掺杂浓度的第二类导电类型的半导体区域110的掺杂浓度从沟道区一侧向漏区一侧线性增加。通过优化线性分布函数的斜率和起始浓度，可以实现漂移区表面电场为常数分布，从而大幅度提高器件的击穿电压。但是其代价是临近沟道处的漂移区掺杂浓度必须大幅度降低，从而使导通电阻增加，限制了该器件的应用范围。比如在需要承受大电流和高电压的源跟随模式下，该器件不能有效地工作。同时，为了获得线性变化的漂移区浓度，必须增加一次细槽掩模光刻和高温长时间退火。这增加了工艺的复杂性，提高了制造成本。
为了提高线性掺杂漂移区器件的电流能力，降低导通损耗，美国专利5969387对上述结构进行了改进。其基本结构如图3所示。它由半导体衬底100，埋氧层102，半导体SOI层120，场氧层112，栅氧化层112，和栅金属114组成。其中所述的SOI层120包括具有第一类导电类型的半导体区域106，具有高掺杂浓度的第二类导电类型的半导体区域104和108，以及具有低掺杂浓度的第二类导电类型的半导体区域110。这里104构成LDMOS的源区，106构成LDMOS的沟道区，108构成LDMOS的漏区，110构成LDMOS的漂移区。所述的低掺杂浓度的第二类导电类型的半导体区域110的掺杂浓度从沟道区一侧向漏区一侧线性增加。为了降低导通电阻，该结构在临近沟道区的地方，增加了漂移区厚度(110b)而减薄了场氧层厚度(112b)，同时延长了了栅场板，将其完全覆盖在减薄了的场氧层表面。该结构可以在保持击穿电压不受影响的情况下，一定程度上增大饱和电流。但是改善程度不大，而且进一步增加了工艺复杂性，提高了制造成本。
发明内容
技术问题：本项发明的目的是提供一种新的具有倾斜表面漂移区的SOI功率器件结构，采用该结构，一方面可以大幅度提高漂移区浓度，大大降低导通电阻，增大工作电流，另一方面，可以获得近似为常数的漂移区表面电场分布，从而提高关态和开态击穿电压、增大安全工作区。此外，该结构制作工艺比线性横向掺杂简单，无需高温过程，在某些情况下，甚至可以采用完全CMOS工艺而无需增加掩模板和附加工艺步骤，从而降低制造成本。
技术方案：本发明提供了一种具有倾斜表面漂移区的SOI功率器件结构。如图4所示，它包括半导体衬底层、在衬底上方的埋氧层，埋氧层上方的半导体SOI层，和半导体SOI层上方的场氧化层，所述的SOI层包含一个具有第一类导电类型的半导体区域和一个具有高掺杂浓度的第二类导电类型的半导体区域，二者之间通过一个具有低掺杂浓度的第二类导电类型的半导体区域隔开，具有低掺杂浓度的第二类导电类型的半导体区域构成了功率器件的漂移区，其厚度沿着从第一类导电类型的半导体区域到具有高掺杂浓度第二类导电类型的半导体区域的方向由薄到厚逐渐增加，从而形成倾斜表面。
作为漂移区的具有低掺杂浓度的第二类导电类型的半导体区域，其厚度的增加方式是线性的、平方根的，或其它递增函数形式，其最厚和最薄处的漂移区高度比大于2。
作为漂移区的具有低掺杂浓度的第二类导电类型的半导体区域，其浓度分布是均匀分布、横向非均匀分布、纵向非均匀分布或纵向和横向均为非均匀分布。
场氧化层是均匀厚度的，或是沿第一类导电类型的半导体区域到高掺杂浓度的第二类导电类型的半导体区域的方向逐渐变薄的。
半导体SOI层是硅、碳化硅、砷化镓或锗硅。
埋氧层是二氧化硅、兰宝石或氮化硅材料。
所述的功率晶体管的具体形式是横向扩散场效应晶体管LDMOS、横向PN二极管、横向绝缘栅双极型晶体管LIGBT、或横向晶闸管。
有益效果：本发明所述的倾斜表面漂移区可以采用两种方式制造。第一，采用常规半导体工艺中的光刻、各向异性腐蚀、氧化、淀积等工艺实现。这种方法得到的场氧化厚度均匀，但要增加掩模版和工艺步骤。第二，采用类似美国专利6221737的所述的方法，通过改变场氧的光刻掩模图形，在靠近漏端(阴极)的地方采用窄槽掩模，在靠近源端(阳极)的区域采用宽槽掩模，从而一次氧化即可获得变厚度的漂移区。这种方法有望完全和常规工艺兼容，无需增加新的掩模版和工艺步骤，但所得到的场氧化厚度从漏到源逐渐减小。
附图说明
图1是常规SOI RESURF LDMOS结构示意图。
图2是线性掺杂漂移区SOI LDMOS结构示意图。
图3是一种改进的线性掺杂漂移区SOI LDMOS的结构示意图。
图4是本发明的具有倾斜表面漂移区的SOI LDMOS结构的一种形式。
图5是本发明的具有倾斜表面漂移区SOI LDMOS结构的一种形式。
图6是本发明的具有倾斜表面漂移区SOI LDMOS结构的一种形式。
图7是本发明的具有倾斜表面漂移区SOI LDMOS结构的一种形式。
图8是相同结构参数的常规RESURF LDMOS、线性变掺杂漂移区LDMOS和倾斜表面漂移区LDMOS的等势线分布示意图。，图8a对应于常规RESURF LDMOS，图8b对应于线性变掺杂漂移区LDMOS，而图8c对应于本发明的倾斜表面漂移区LDMOS。
图9是常规RESURF LDMOS、线性变掺杂漂移区LDMOS和倾斜表面漂移区LDMOS的IV特性比较。图9a比较了相同结构参数的常规RESURF LDMOS和本发明的倾斜表面漂移区LDMOS的IV特性，图9b比较了相同结构参数的线性变掺杂漂移区LDMOS和本发明的倾斜表面漂移区LDMOS的IV特性。
图10是本发明的具有倾斜表面漂移区SOI PN二极管结构示意图。
图11是本发明的具有倾斜表面漂移区SOI LIGBT结构示意图。
具体实施方式
图2是线性掺杂漂移区SOI LDMOS结构示意图。具有低掺杂浓度的第二类导电类型的半导体区域110的掺杂浓度沿着从具有第一类导电类型的半导体区域106到具有高掺杂浓度的第二类导电类型的半导体区域108的方向线性增加。这里，低掺杂浓度的第二类导电类型的半导体区域110构成LDMOS的漂移区，半导体区域106构成LDMOS的沟道区，具有高掺杂浓度的第二类导电类型的半导体区域108构成LDMOS的漏区。
图3是一种改进的线性掺杂漂移区SOI LDMOS的结构示意图。在具有第一类导电类型的半导体区域106的一侧，有低掺杂浓度的第二类导电类型的半导体区域110的厚度增加，而场氧层112的厚度减小，同时栅场板114b扩展到场氧层上方。这里，低掺杂浓度的第二类导电类型的半导体区域110构成LDMOS的漂移区，半导体区域106构成LDMOS的沟道区，第二类导电类型的半导体区域108构成LDMOS的漏区。
图4是本发明的具有倾斜表面漂移区的SOI LDMOS结构的一种形式。具有低掺杂浓度的第二类导电类型的半导体区域110的厚度沿着从具有第一类导电类型的半导体区域106到具有高掺杂浓度的第二类导电类型的半导体区域108的方向线性增加。而场氧层112厚度保持不变。这里，低掺杂浓度的第二类导电类型的半导体区域110构成LDMOS的漂移区，半导体区域106构成LDMOS的沟道区，第二类导电类型的半导体区域108构成LDMOS的漏区。
图5是本发明的具有倾斜表面漂移区SOI LDMOS结构的一种形式。具有低掺杂浓度的第二类导电类型的半导体区域110的厚度沿着从具有第一类导电类型的半导体区域106到具有高掺杂浓度的第二类导电类型的半导体区域108的方向以平方根函数增加。而场氧层112厚度保持不变。这里，低掺杂浓度的第二类导电类型的半导体区域110构成LDMOS的漂移区，半导体区域106构成LDMOS的沟道区，第二类导电类型的半导体区域108构成LDMOS的漏区。
图6是本发明的具有倾斜表面漂移区SOI LDMOS结构的一种形式。具有低掺杂浓度的第二类导电类型的低掺杂浓度的第二类导电类型的半导体区域110的厚度沿着从具有第一类导电类型的半导体区域106到具有高掺杂浓度的第二类导电类型的半导体区域108的方向线性增加。而场氧层112厚度沿着从具有第一类导电类型的半导体区域106到具有高掺杂浓度的第二类导电类型的半导体区域108的方向逐渐减小。这里，低掺杂浓度的第二类导电类型的半导体区域110构成LDMOS的漂移区，半导体区域106构成LDMOS的沟道区，第二类导电类型的半导体区域108构成LDMOS的漏区。
图7是本发明的具有倾斜表面漂移区SOI LDMOS结构的一种形式。具有低掺杂浓度的第二类导电类型的半导体区域110的厚度沿着从具有第一类导电类型的半导体区域106到具有高掺杂浓度的第二类导电类型的半导体区域108的方向以平方根函数增加。而场氧层112厚度沿着从具有第一类导电类型的半导体区域106到具有高掺杂浓度的第二类导电类型的半导体区域108的方向逐渐减小。这里，低掺杂浓度的第二类导电类型的半导体区域110构成LDMOS的漂移区，半导体区域106构成LDMOS的沟道区，第二类导电类型的半导体区域108构成LDMOS的漏区。
图8是相同结构参数的常规RESURF LDMOS、线性变掺杂漂移区LDMOS和倾斜表面漂移区LDMOS的等势线分布示意图。其中，图8a对应于常规RESURF LDMOS，图8b对应于线性变掺杂漂移区LDMOS，而图8c对应于本发明的倾斜表面漂移区LDMOS。
图9是常规RESURF LDMOS、线性变掺杂漂移区LDMOS和倾斜表面漂移区LDMOS的IV特性比较。其中，图9a比较了相同结构参数的常规RESURFLDMOS和本发明的倾斜表面漂移区LDMOS的IV特性，图9b比较了相同结构参数的线性变掺杂漂移区LDMOS和本发明的倾斜表面漂移区LDMOS的IV特性。
图10是本发明的具有倾斜表面漂移区SOI PN二极管结构示意图。
图11是本发明的具有倾斜表面漂移区SOI LIGBT结构示意图。
在上述示意图中，相同导电类型的半导体区域用倾斜方向相同的斜线表示。同时应当指出的是上述示意图并未按照真实比例进行绘制。
本发明的工作原理：
下面以SOI LDMOS为例，对的工作机理进行详细说明。
图8比较具有RESURF结构、线性掺杂漂移区结构和倾斜表面漂移区结构的SOI LDMOS的等势线分布。三种结构具有相同的几何尺寸，而漂移区浓度分布则进行了优化。由图8a可知对于常规RESURF结构，在漂移区两端的表面等势线密集，从而导致这两个地方出现电场峰值，降低击穿电压。而对于图8b中的线性掺杂漂移区和图8c中的倾斜表面漂移区而言，SOI层的等势线分布非常均匀，表面电场近似为常数，从而使击穿电压大幅度提高。这是因为这两种结构都具有最佳的漂移区横向电荷密度分布。
图9比较了以上三种结构的IV特性曲线。由图9a可知，和常规RESURF结构相比，本发明所述的倾斜表面漂移区能够保持饱和电流不变(甚至略有提高)，而使饱和电压降低一半，同时开态击穿电压也大幅度提高。这是由于倾斜表面结构的最优漂移区杂质浓度为RESURF结构的两倍，从而导通电阻降低近一半。而由图9b可见，和线性掺杂漂移区结构相比，本发明所述的倾斜表面漂移区结构的IV特性有了大幅度改善。不但饱和电流提高50％以上，而且饱和电压也降低4倍。这是因为本发明所述的倾斜表面漂移区结构，优化后漂移区浓度可以和线性掺杂漂移区的最优杂质分布的峰值浓度相当，从而消除了后者在沟道区附近的低掺杂区，大幅度降低了漂移区电阻。
需要说明的是
(1)所述的具有低掺杂浓度的第二类导电类型的半导体区域110的厚度的增加方式，可以是线性形式(如图4所示)或平方根形式(如图5所示)，也可以其它逐渐递增的形式。其特征是最高厚度和最低厚度的比值大于或等于2。
(2)所述的具有低掺杂浓度的第二类导电类型的半导体区域的浓度即可以是均匀的，也可以是非均匀的。如在横向可以是线性分布、阶梯分布、平方根分布等形式，在纵向可以是高斯分布或线性分布，也可以在纵向和横向均为非均匀分布。
(3)所述的场氧层的厚度即可以是均匀的(如图4和图5所示)，也可以沿从半导体区域106到半导体区域108的方向逐渐增加的(如图6和图7所示)。
(4)所述的半导体SOI层的材料是硅、碳化硅、砷化镓或锗硅。
(5)所述的埋氧层102即可以是二氧化硅，也可以是兰宝石、氮化硅等其它材料，并且随着SOI技术的发展，还可包括其它绝缘介质材料。
(6)所述的倾斜表面漂移区结构可以和其它结终端结构相结合，以进一步改善器件性能。如场板、降场层等。
(7)所述的倾斜表面漂移区结构可以用于LDMOS(如图4)、横向PN二极管(如图10)、LIGBT(如图11)、横向晶闸管等功率器件，以同时改善器件的击穿特性和导通特性。
根据本发明提供的倾斜表面漂移区结构，可以在SOI衬底上制作出性能优良的各类横向功率器件，举例如下：
1)具有倾斜表面漂移区的的横向扩散场效应晶体管，简称SOI LDMOS，如图4—7。它包括半导体衬底层100、在衬底上方的埋氧层102，和埋氧层上方的半导体SOI层120，以及SOI层上方的场氧层112。所述的SOI层120包含一个具有第一类导电类型的半导体区域106作为沟道区，两个具有高掺杂浓度的第二类导电类型的半导体区域104和108，分别作为源区和漏区。沟道区和源区相接，沟道区和漏区之间通过一个具有低掺杂浓度的第二类导电类型的半导体区域110隔开。这里，具有低掺杂浓度的第二类导电类型的半导体区域110构成LDMOS的漂移区，其浓度分布即可以是均匀分布，也可以是横向变掺杂或纵向变掺杂，或者横向和纵向均为变掺杂。具有低掺杂浓度的第二类导电类型的半导体区域110的厚度沿从具有第一类导电类型的半导体区域106到具有高掺杂浓度的第二类导电类型的半导体区域108的方向由薄向厚逐渐增加，其增加方式可以是线性的，也可以平方根的，还可以是其它递增形式。场氧层112即可以是均匀厚度的，也可以是沿从沟道区到漏区方向逐渐变薄的。
2)具有倾斜表面漂移区的SOI PN二极管，如图10所示。它包括半导体衬底层100、在衬底上方的埋氧层102，和埋氧层上方的半导体SOI层120，以及SOI层上方的场氧层112。所述的SOI层120包含一个具有第一类导电类型的半导体区域106作为阳极区，一个具有高掺杂浓度的第二类导电类型的半导体区域108作为阴极区，阳极区和阴极区之间通过一个具有低掺杂浓度的第二类导电类型的半导体区域110隔开。具有低掺杂浓度的第二类导电类型的半导体区域110构成PN二极管的漂移区，其浓度分布即可以是均匀分布，也可以是横向变掺杂或纵向变掺杂，或者横向和纵向均为变掺杂。具有低掺杂浓度的第二类导电类型的半导体区域110的厚度沿从具有第一类导电类型的半导体区域106到具有高掺杂浓度的第二类导电类型的半导体区域108的方向由薄向厚逐渐增加，其增加方式可以是线性的，也可以平方根的，还可以是其它递增形式。场氧层112即可以是均匀厚度的，也可以是沿从阳极区106到阴极区108方向逐渐变薄的。
3)具有倾斜表面漂移区的绝缘栅双极型功率晶体管，简称SOI LIGBT，如图11所示。它包括半导体衬底层100、在衬底上方的埋氧层102，和埋氧层上方的半导体SOI层120，以及SOI层上方的场氧层112。所述的SOI层120包含两个具有第一类导电类型的半导体区域106和122，和三个具有第二类导电类型的半导体区域104、108和110。其中具有第一类导电类型的半导体区域106作为沟道区，一侧和具有高掺杂浓度的第二类导电类型的半导体区域104相连，另一侧和具有低掺杂浓度的第二类导电类型的半导体区域110相连，其中104构成器件的阴极区，110构成器件的漂移区。漂移区夹在具有第一类导电类型的半导体区域106和具有高掺杂浓度的第二类导电类型的半导体区域108之间。半导体区域108的另外一侧和具有第一类导电类型的半导体区域122相连，半导体区域122构成器件的阳极区。所述的构成器件漂移区的具有低掺杂浓度的第二类导电类型的半导体区域110，其浓度分布即可以是均匀分布，也可以是横向变掺杂或纵向变掺杂，或者横向和纵向均为变掺杂。具有低掺杂浓度的第二类导电类型的半导体区域110的厚度沿从具有第一类导电类型的半导体区域106到具有高掺杂浓度的第二类导电类型的半导体区域108的方向由薄向厚逐渐增加，其增加方式可以是线性的，也可以平方根的，还可以是其它递增形式。场氧层112即可以是均匀厚度的，也可以是沿从阳极区到阴极区方向逐渐变薄的。
需要说明的是，本发明提出的倾斜表面漂移区结构除了可以应用于上述所列几类SOI功率器件外，还可用横向晶闸管、静电诱导晶体管(SIT)等其它未列出的SOI功率器件。

Claims (7)

1.一种具有倾斜表面漂移区的绝缘体上硅横向功率晶体管，其特征是：它包括半导体衬底层(100)、在衬底上方的埋氧层(102)，埋氧层(102)上方的半导体SOI层(120)，和半导体SOI层(120)上方的场氧化层(112)，所述的SOI层(120)包含一个具有第一类导电类型的半导体区域(106)和一个具有高掺杂浓度的第二类导电类型的半导体区域(108)，二者之间通过一个具有低掺杂浓度的第二类导电类型的半导体区域(110)隔开，具有低掺杂浓度的第二类导电类型的半导体区域(110)构成了功率器件的漂移区，其厚度沿着从第一类导电类型的半导体区域(106)到具有高掺杂浓度第二类导电类型的半导体区域(108)的方向由薄到厚逐渐增加，从而形成倾斜表面。
2.根据权利要求1所述的具有倾斜表面漂移区的绝缘体上硅横向功率晶体管，其特征是：作为漂移区的具有低掺杂浓度的第二类导电类型的半导体区域(110)，其厚度的增加方式是线性的、平方根的，或其它递增函数形式，其最厚和最薄处的漂移区高度比大于2。
3.根据权利要求1或2所述的具有倾斜表面漂移区的绝缘体上硅横向功率晶体管，其特征是：作为漂移区的具有低掺杂浓度的第二类导电类型的半导体区域(110)，其浓度分布是均匀分布、横向非均匀分布、纵向非均匀分布或纵向和横向均为非均匀分布。
4.根据权利要求1所述的具有倾斜表面漂移区的绝缘体上硅横向功率晶体管，其特征是：场氧化层(112)是均匀厚度的，或是沿第一类导电类型的半导体区域(106)到高掺杂浓度的第二类导电类型的半导体区域(108)的方向逐渐变薄的。
5.根据权利要求1、或2、或3所述的具有倾斜表面漂移区的绝缘体上硅横向功率晶体管，其特征是：半导体SOI层(120)是硅、碳化硅、砷化镓或锗硅。
6.根据权利要求1所述的具有倾斜表面漂移区的绝缘体上硅横向功率晶体管，其特征是：埋氧层(102)是二氧化硅、兰宝石或氮化硅材料。
7.根据权利要求1所述的具有倾斜表面漂移区的绝缘体上硅横向功率晶体管，其特征是：所述的功率晶体管的具体形式是横向扩散场效应晶体管LDMOS、横向PN二极管、横向绝缘栅双极型晶体管LIGBT、或横向晶闸管。
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