CN101719509A - 垂直双扩散金属氧化物半导体场效应管 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种垂直双扩散金属氧化物半导体场效应管，其终端结构包括：硅基衬底，设于硅基衬底上的外延层，在外延层上部设置的至少一个分压环，位于外延层上的氧化层，设于氧化层上的多晶硅场板，多晶硅场板表面的玻璃层，以及设于玻璃层上的金属场板，所述分压环、以及依次覆盖其上的氧化层、多晶硅场板、玻璃层、金属场板构成至少一个场板分压环复合结构，场板分压环复合结构的分压环上设置有第一通孔，金属场板通过第一通孔与该分压环接触。本发明改进了终端结构，在获得同样耐压值的情况下，减小了终端面积，提高了芯片的利用率，节省了生产成本。此外，硅片表面覆盖有多晶硅场板和金属场板，将硅片与外界隔离，增加了产品的稳定和可靠性。

Description

垂直双扩散金属氧化物半导体场效应管
【技术领域】
本发明涉及半导体器件，尤其涉及一种垂直双扩散金属氧化物半导体场效应管(DMOSFET)。
【背景技术】
对于高压工作的垂直双扩散金属氧化物半导体场效应管来说，位于边界(即终端)的MOS单元与衬底表面的电压相差很大，往往引起表面电场过于集中而造成器件的边缘击穿。因此，为了保证垂直双扩散金属氧化物半导体场效应管能够在高压下正常工作，通常需要在器件边界处设计结终端保护结构，来减小表面电场强度，提高垂直双扩散金属氧化物半导体场效应管PN结击穿电压。
然而采用终端保护结构会占用芯片的面积，增加生产成本。图2为芯片终端区域示意图，空白区域为终端区域，a为芯片边长，L为终端长度，则终端区域面积约等于：[L*(a-L)]*4。图3为一种耐压为600V的传统终端结构剖面图(沿图1的A-A方向剖开)。包括硅基N型衬底102，硅基N型衬底102上的N-外延层104，在N-外延层104上部设置的P型分压环106，位于N-外延层104上的氧化层108，氧化层108上的磷硅玻璃(psg)层110，以及设于P型分压环106上的金属层114。由于需要使用8个分压环才能达到600V的耐压，导致终端长度较长，占用了较多的芯片面积。
【发明内容】
为了解决传统垂直双扩散金属氧化物半导体场效应管的终端长度较长，占用芯片面积过大的问题，有必要提供一种终端长度较短的垂直双扩散金属氧化物半导体场效应管。
一种垂直双扩散金属氧化物半导体场效应管，所述垂直双扩散金属氧化物半导体场效应管的终端结构包括：硅基衬底，设于硅基衬底上的外延层，在外延层上部设置的至少一个分压环，位于外延层上的氧化层，设于氧化层上的多晶硅场板，多晶硅场板表面的玻璃层，以及设于玻璃层上的金属场板，所述至少一个分压环中的一个分压环、以及依次覆盖其上的氧化层、多晶硅场板、玻璃层、金属场板构成至少一个场板分压环复合结构，所述构成场板分压环复合结构的分压环上设置有第一通孔，金属场板通过第一通孔与该分压环接触。
优选的，所述至少一个分压环中的一个分压环、以及依次覆盖其上的氧化层、多晶硅场板、玻璃层构成环节。
优选的，所述终端结构进一步包括设于玻璃层和金属场板表面的氮化硅层。
优选的，所述场板分压环复合结构采用浮置场板结构，多晶硅场板只覆盖分压环的一部分，所述第一通孔设置于分压环上未被多晶硅场板覆盖的部分，使得金属场板通过第一通孔贯穿氧化层、多晶硅场板、玻璃层，且在通孔内并不与多晶硅场板接触；所述多晶硅场板上设有第二通孔，使金属场板贯穿玻璃层与多晶硅场板接触。
优选的，所述氧化层的成分为二氧化硅；所述玻璃层的成分是硼磷硅玻璃或磷硅玻璃。
优选的，所述场板分压环复合结构位于环节的两侧。
优选的，所述环节的数量为零至五个。
优选的，所述垂直双扩散金属氧化物半导体场效应管是N沟道场效应管，所述硅基衬底的成分为N型硅，所述外延层的成分为N-型硅，所述分压环的成分为P型硅。
优选的，所述垂直双扩散金属氧化物半导体场效应管是P沟道场效应管，所述硅基衬底的成分为P型硅，所述外延层的成分为P-型硅，所述分压环的成分为N型硅。
优选的，所述环节以阵列形式排列，两相邻环节之间的间距沿着芯片中央至芯片边界的方向逐渐减小，且任意两相邻环节间的间距小于场板分压环复合结构与相邻环节间的间距。
上述垂直双扩散金属氧化物半导体场效应管改进了终端结构，例如对于600V的耐压，只需两个场板分压环复合结构配合两个环节就能实现，而传统终端结构需要使用一个主结和八个分压环。因此与传统技术相比，在获得同样耐压值的情况下，减短了终端长度，也就相应减小了终端面积，从而提高了芯片的利用率，节省了生产成本。
【附图说明】
图1是芯片的俯视图。
图2是芯片终端区域示意图。
图3是一种耐压为600V的传统终端结构剖面图。
图4是垂直双扩散金属氧化物半导体场效应管在设计耐压为650V时第一实施方式的终端结构剖面图。
【具体实施方式】
图4是垂直双扩散金属氧化物半导体场效应管在设计耐压为650V时第一实施方式的终端结构剖面图。垂直双扩散金属氧化物半导体场效应管的第一实施方式采用N沟道场效应管，包括硅基衬底202，在硅基衬底202上的外延层204，在外延层204上部设置的多个分压环206，位于外延层204上的氧化层208，氧化层208上的多晶硅场板210，位于多晶硅场板210表面的玻璃层212，位于玻璃层212上的氮化硅层214，以及位于玻璃层212上、氮化硅层214下的金属场板216。其中分压环206中的一个、以及依次覆盖其上的氧化层208、多晶硅场板210、玻璃层212、氮化硅层214、金属场板216构成场板分压环复合结构21；分压环206中的一个、以及依次覆盖其上的氧化层208、多晶硅场板210、玻璃层212、氮化硅层214构成环节22。在优选的实施方式中，采用了氮化硅层214，起保护芯片有源区的作用，但会增加生产成本，可以根据情况自行决定是否采用。
场板分压环复合结构21采用浮置场板结构，多晶硅场板210只覆盖分压环206的一部分，在分压环206上未被多晶硅场板210覆盖的部分设置有第一通孔，使得金属场板216通过第一通孔贯穿氧化层208、多晶硅场板210、玻璃层212，且在通孔内并不与多晶硅场板接触。该多晶硅场板210上设有第二通孔，使金属场板216贯穿玻璃层212与多晶硅场板210接触。
场板分压环复合结构21设置于环节22的两侧。图4中有两个场板分压环复合结构21，包括位于芯片中央一侧的主结和位于芯片边界一侧的普通结；主结在垂直双扩散金属氧化物半导体场效应管的终端结构中是必不可少的。主结与相邻的环节22间的间距a大于普通结与相邻的环节22间的间距b。
环节22以阵列形式排列，两相邻环节22之间的间距沿着芯片中央至芯片边界的方向逐渐减小，即沿着图4实线箭头方向逐渐减小，且任意两相邻环节22间的间距小于普通结与相邻的环节22间的间距。
垂直双扩散金属氧化物半导体场效应管第一实施方式硅基衬底202的成分为N型硅，外延层204的成分为N-型硅，分压环206的成分为P型硅，氧化层208的成分为二氧化硅，玻璃层212的成分是硼磷硅玻璃(bpsg)或磷硅玻璃，金属场板216的成分可以是铝、铝硅或者其它金属或合金。
垂直双扩散金属氧化物半导体场效应管第二实施方式与第一实施方式的区别在于采用P沟道场效应管，硅基衬底202的成分为P型硅，外延层204的成分为P-型硅，分压环206的成分为N型硅。
上述垂直双扩散金属氧化物半导体场效应管采用至少一个场板分压环复合结构21搭配零至五个环节22的终端复合结构，适合耐压为400V～1600V的产品。图4所示实施方式为两个场板分压环复合结构21搭配两个环节22，耐压达到650V。所需的耐压值越高，只需相应增加环节22的数量即可。也可以通过增加场板分压环复合结构21的数量来达到增加耐压值的效果。
上述垂直双扩散金属氧化物半导体场效应管改进了终端结构，与传统技术相比，在获得同样耐压值的情况下，减短了终端长度，也就相应减小了终端面积，从而提高了芯片的利用率，节省了生产成本。此外，上述垂直双扩散金属氧化物半导体场效应管在芯片表面上覆盖有多晶硅场板和金属场板，还设置了氮化硅层，将芯片有源区与外界环境隔离开来，能对芯片有源区起到保护作用，增加了产品的稳定性和可靠性。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种垂直双扩散金属氧化物半导体场效应管，其特征在于，所述垂直双扩散金属氧化物半导体场效应管的终端结构包括：硅基衬底，设于硅基衬底上的外延层，在外延层上部设置的至少一个分压环，位于外延层上的氧化层，设于氧化层上的多晶硅场板，多晶硅场板表面的玻璃层，以及设于玻璃层上的金属场板，所述至少一个分压环中的一个分压环、以及依次覆盖其上的氧化层、多晶硅场板、玻璃层、金属场板构成至少一个场板分压环复合结构，所述构成场板分压环复合结构的分压环上设置有第一通孔，金属场板通过第一通孔与该分压环接触。
2.根据权利要求1所述的垂直双扩散金属氧化物半导体场效应管，其特征在于：所述至少一个分压环中的一个分压环、以及依次覆盖其上的氧化层、多晶硅场板、玻璃层构成环节。
3.根据权利要求1所述的垂直双扩散金属氧化物半导体场效应管，其特征在于：所述终端结构进一步包括设于玻璃层和金属场板表面的氮化硅层。
4.根据权利要求1所述的垂直双扩散金属氧化物半导体场效应管，其特征在于：所述场板分压环复合结构采用浮置场板结构，多晶硅场板只覆盖分压环的一部分，所述第一通孔设置于分压环上未被多晶硅场板覆盖的部分，使得金属场板通过第一通孔贯穿氧化层、多晶硅场板、玻璃层，且在通孔内并不与多晶硅场板接触；所述多晶硅场板上设有第二通孔，使金属场板贯穿玻璃层与多晶硅场板接触。
5.根据权利要求1所述的垂直双扩散金属氧化物半导体场效应管，其特征在于：所述氧化层的成分为二氧化硅；所述玻璃层的成分是硼磷硅玻璃或磷硅玻璃。
6.根据权利要求2所述的垂直双扩散金属氧化物半导体场效应管，其特征在于：所述场板分压环复合结构位于环节的两侧。
7.根据权利要求2所述的垂直双扩散金属氧化物半导体场效应管，其特征在于：所述环节的数量为零至五个。
8.根据权利要求1-7中任意一项所述的垂直双扩散金属氧化物半导体场效应管，其特征在于：所述垂直双扩散金属氧化物半导体场效应管是N沟道场效应管，所述硅基衬底的成分为N型硅，所述外延层的成分为N-型硅，所述分压环的成分为P型硅。
9.根据权利要求1-7中任意一项所述的垂直双扩散金属氧化物半导体场效应管，其特征在于：所述垂直双扩散金属氧化物半导体场效应管是P沟道场效应管，所述硅基衬底的成分为P型硅，所述外延层的成分为P-型硅，所述分压环的成分为N型硅。
10.根据权利要求2所述的垂直双扩散金属氧化物半导体场效应管，其特征在于：所述环节以阵列形式排列，两相邻环节之间的间距沿着芯片中央至芯片边界的方向逐渐减小，且任意两相邻环节间的间距小于场板分压环复合结构与相邻环节间的间距。
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