CN101969072B - 降压用耗尽型n型横向双扩散金属氧化物半导体晶体管 - Google Patents

Abstract

一种降压用耗尽型N型横向双扩散金属氧化物半导体管，包括：P型半导体衬底，在P型半导体衬底上设置有N型埋层，P型阱区，N型阱区，N型漂移区，在P型阱区表面靠左侧上设置有P型接触区、N型源区和N型沟道注入区，P型阱区内设有P型注入区，且P型注入区的左端边界位于N型源区的下方，P型注入区的右端边界与漏端N型漂移区相邻。P型接触区和多晶硅电极通过互连金属连线相连接作为栅极。该结构大幅度的降低了N型耗尽型横向双扩散金属氧化物半导体管的阈值电压。在电路应用中漏极金属连线直接连接至高压电源，栅极金属连线接地，源极金属连线直接连接低压电路，为低压电路提供低压电源。

Description

降压用耗尽型N型横向双扩散金属氧化物半导体晶体管

技术领域

本发明涉及功率半导体器件领域，更具体的说，是关于一种适用于降压电路的全隔离耗尽型高压N型横向双扩散金属氧化物半导体晶体管的新结构。

背景技术

功率半导体器件是电力电子系统进行能量控制和转换的基本电子元件，电力电子技术的不断发展为半导体功率器件开拓了广泛的应用领域。以横向双扩散金属氧化物半导体晶体管为代表的现代电力电子器件和相关产品在工业、能源、交通等用电的场合发挥着日益重要的作用，是机电一体化设备、新能源技术、空间和海洋技术、办公自动化及家用电器等实现高性能、高效率、轻量小型的技术基础。

耗尽型横向双扩散金属氧化物半导体晶体管作为一种常开器件在大规模集成电路中有着特殊的应用，为使耗尽型横向双扩散金属氧化物半导体晶体管更好地满足在高压电路中作为降压器件为低压电路提供低压电源的功能，同时做到缩小器件面积，降低耗尽型横向双扩散金属氧化物半导体晶体管的阈值电压至关重要。

在相关技术中，很少有人关注耗尽型高压横向双扩散金属氧化物半导体晶体管，传统耗尽型高压横向双扩散金属氧化物半导体晶体管的阈值电压仅仅依靠多晶硅栅极耗尽沟道注入区，但由于耗尽能力的限制导致传统结构耗尽管的阈值电压分布在-1到-3V之间，最终通过耗尽管降压后得到的低压电源不能驱动低压部分的电路，或者在满足电压驱动后，为达到一定的驱动电流而必须增大耗尽管面积。

另外，在降压电路中，由于结型场效应晶体管可以很好的满足系统需求，但由于在BCD工艺中考虑到双极晶体管、金属氧化物半导体晶体管以及高压双扩散金属氧化物半导体晶体管各种器件之间的折中关系，采用寄生结构制造的结型场效应晶体管性能较差，击穿电压偏低，电流能力较小。

本发明中在N型沟道注入区的下方注入一层P型掺杂区，通过多晶硅电极和该P型掺杂区共同耗尽夹断N型沟道注入区，大大提高N型沟道注入区浓度和结深，进而大幅度地降低了该结构耗尽管阈值电压。同时根据电极的接法，源端可以产生低压电路所需的的电压源。

发明内容

本发明提供了一种降压用耗尽型N型横向双扩散金属氧化物半导体晶体管。

本发明采用如下技术方案：

一种降压用耗尽型N型横向双扩散金属氧化物半导体晶体管，包括：P型半导体衬底，在P型半导体衬底上设置有N型埋层，在N型埋层上设置有P型阱区，在P型阱区的左右两侧分别设有构成PN结隔离的第一N型阱区及第二N型阱区，在第一N型阱区上设有第一N型欧姆接触区，在第二N型阱区上设有第二N型欧姆接触区，在P型阱区表面右侧设置有漏端N型漂移区，在漏端N型漂移区表面上设置有N型漏区，在P型阱区表面左侧设置有P型接触区、N型源区和N型沟道注入区，在N型沟道注入区上方设置有栅氧化层，在P型阱区、第一N型阱区及第二N型阱区的表面的P型接触区、N型源区、N型沟道注入区、N型漏区、第一N型欧姆接触区和第二N型欧姆接触区之外区域设置有场氧化层，在栅氧化层的上方设置有多晶硅电极且所述多晶硅电极延伸至和栅氧化层右侧相邻的场氧化层上方，在P型接触区和多晶硅电极上方布有栅极金属连线，在N型漏区上方有漏极金属连线，在N型源区上方有源极金属连线，在第一N型欧姆接触区上连接有第一金属电极连线，在第二N型欧姆接触区上连接有第二金属电极连线，在P型接触区、N型源区、N型漏区、场氧化层、多晶硅电极、第一N型欧姆接触区和第二N型欧姆接触区的表面的栅极金属连线、源极金属连线、漏极金属连线、第一金属电极连线和第二金属电极连线之外区域设置有介质隔离氧化层，其特征在于在P型阱区内设有P型注入区，且P型注入区的左端边界位于N型源区的下方，P型注入区的右端边界与漏端N型漂移区相邻。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

(1)本发明中，在N型沟道注入区的正下方设置有P型注入区，且通过P型接触区和多晶硅电极引出的金属连线连在一起共同作为器件的栅极，这样多晶硅电极和P型注入区同时对N型沟道区进行耗尽以夹断沟道区，解决了传统结构只靠多晶硅电极耗尽带来的阈值电压受限的缺点，使得阈值电压大幅度降低。该结构通过一系列实验证明阈值电压可达-7v，如图5。另外通过调整注入的P型注入区和N型沟道注入区的浓度，该结构耗尽管的阈值电压可以根据电压电路系统需要加以调整。

(2)本发明中，该器件在降压电路应用中电路架构简单。漏极直接接高压电源，由P型接触区和多晶硅电极相互连构成的栅极接地，而源极连接至低压电路部分以提供低压电源。

(3)本发明中，通过将N型阱区接至高压电源以形成反偏PN结全隔离结构，实现了P型注入区电位的变化对整个芯片的衬底电位没有任何影响，增强了该耗尽管工作状态设计的自由性。

(4)本发明与原有的高压N型横向双扩散金属氧化物半导体晶体管的制备工艺兼容，不引入新的工艺层次。

附图说明

图1是传统的耗尽型N型横向双扩散金属氧化物半导体晶体管结构示意图。

图2是传统的耗尽型N型横向双扩散金属氧化物半导体晶体管结构俯视图中金属电极互连示意图。

图3是本发明中耗尽型N型横向双扩散金属氧化物半导体晶体管结构的示意图。

图4是本发明中降压用耗尽型N型横向双扩散金属氧化物半导体晶体管俯视图中金属电极互连示意图。

图5是传统的和本发明中的耗尽型N型横向双扩散金属氧化物半导体晶体管转移特性曲线对比图。

图6是本发明中降压用耗尽型N型横向双扩散金属氧化物半导体晶体管的电路应用连接图。

具体实施方式

参照图3，一种降压用耗尽型N型横向双扩散金属氧化物半导体晶体管，包括：P型半导体衬底1，在P型半导体衬底1上设置有N型埋层2，在N型埋层2上设置有P型阱区3，在P型阱区3的左右两侧分别设有构成PN结隔离的第一N型阱区4及第二N型阱区19，在第一N型阱区4上设有第一N型欧姆接触区21，在第二N型阱区19上设有第二N型欧姆接触区22，在P型阱区3表面右侧设置有漏端N型漂移区6，在漏端N型漂移区6表面上设置有N型漏区10，在P型阱区3表面左侧设置有P型接触区7、N型源区8和N型沟道注入区9，在N型沟道注入区9上方设置有栅氧化层12，在P型阱区3、第一N型阱区41及第二N型阱区42的表面的P型接触区7、N型源区8、N型沟道注入区9、N型漏区10、第一N型欧姆接触区21和第二N型欧姆接触区22之外区域设置有场氧化层11，在栅氧化层12的上方设置有多晶硅电极13且所述多晶硅电极13延伸至和栅氧化层12右侧相邻的场氧化层上方，在P型接触区7和多晶硅电极13上方布有栅极金属连线14，在N型漏区10上方有漏极金属连线17，在N型源区8上方有源极金属连线16，在第一N型欧姆接触区21上连接有第一金属电极连线18，在第二N型欧姆接触区22上连接有第二金属电极连线20，在P型接触区7、N型源区8、N型漏区10、场氧化层11、多晶硅电极13、第一N型欧姆接触区21和第二N型欧姆接触区22的表面的栅极金属连线14、源极金属连线16、漏极金属连线17、第一金属电极连线18和第二金属电极连线20之外区域设置有介质隔离氧化层15，其特征在于在P型阱区3内设有P型注入区5，且P型注入区5的左端边界位于N型源区8的下方，P型注入区5的右端边界与漏端N型漂移区6相邻。

在本实施例中，P型注入区5距N型沟道注入区9下方0.2～0.5μm，并且P型接触区7和多晶硅电极13连接在一起共同作为器件的栅电极，同时采用PN结全隔离结构保证P型接触区电位变化对整个芯片的衬底电位没有影响，P型注入区5的右端边界延伸进入漏端N型漂移区6，P型注入区(5)与漏端N型漂移区(6)之间相距0-0.2μm。

本发明采用如下方法来制备：

第一步：P型衬底制备并进行N型埋层注入。

第二步：P型阱区、N型阱区注入：在注入N型埋层的P型衬底上制备P型外延层，通过剂量为8e12cm^-2的磷离子注入在外延层上制备N型阱区，然后通过离子注入硼制备P型阱区。

第三步：漏端N型漂移区的制备、场氧化层的生长：离子注入磷生成漏端N型漂移区，然后湿氧法生长厚度为2000-

的场氧化层。

第四步：N型沟道注入区注入以及P型注入区注入：通过剂量为7e12cm^-2能量为50K的砷离子注入制作沟道注入区，通过剂量为4.5e12cm^-2能量300K的硼离子注入制作P型注入区，两者可以使用同一个光刻版注入，也可以使用采用两个不同窗口大小的光刻版注入。

第五步：栅氧化层、多晶硅电极和场板的制备。通过干法氧化工艺生长一层高致密性氧化层，厚度为150-

然后进行多晶硅电极的淀积、刻蚀。

第六步：N型接触区、P型接触区、和金属连线的制备。先离子注入砷生成N型接触区，然后离子注入氟化硼生成P型接触区，接着是接触孔刻蚀，淀积金属铝，刻蚀铝以形成图4所示的电极互连结构，最后进行介质钝化处理。

Claims (4)

1.一种降压用耗尽型N型横向双扩散金属氧化物半导体晶体管，包括：P型半导体衬底(1)，在P型半导体衬底(1)上设置有N型埋层(2)，在N型埋层(2)上设置有P型阱区(3)，在P型阱区(3)的左右两侧分别设有构成PN结隔离的第一N型阱区(4)及第二N型阱区(19)，在第一N型阱区(4)上设有第一N型欧姆接触区(21)，在第二N型阱区(19)上设有第二N型欧姆接触区(22)，在P型阱区(3)表面右侧设置有漏端N型漂移区(6)，在漏端N型漂移区(6)表面上设置有N型漏区(10)，在P型阱区(3)表面左侧设置有P型接触区(7)、N型源区(8)和N型沟道注入区(9)，在N型沟道注入区(9)上方设置有栅氧化层(12)，在P型阱区(3)、第一N型阱区(4)及第二N型阱区(19)的表面的P型接触区(7)、N型源区(8)、N型沟道注入区(9)、N型漏区(10)、第一N型欧姆接触区(21)和第二N型欧姆接触区(22)之外区域设置有场氧化层(11)，在栅氧化层(12)的上方设置有多晶硅电极(13)且所述多晶硅电极(13)延伸至和栅氧化层(12)右侧相邻的场氧化层上方，在P型接触区(7)和多晶硅电极(13)上方布有栅极金属连线(14)，在N型漏区(10)上方有漏极金属连线(17)，在N型源区(8)上方有源极金属连线(16)，在第一N型欧姆接触区(21)上连接有第一金属电极连线(18)，在第二N型欧姆接触区(22)上连接有第二金属电极连线(20)，在P型接触区(7)、N型源区(8)、N型漏区(10)、场氧化层(11)、多晶硅电极(13)、第一N型欧姆接触区(21)和第二N型欧姆接触区(22)的表面的栅极金属连线(14)、源极金属连线(16)、漏极金属连线(17)、第一金属电极连线(18)和第二金属电极连线(20)之外区域设置有介质隔离氧化层(15)，其特征在于在P型阱区(3)内设有P型注入区(5)，且P型注入区(5)的左端边界位于N型源区(8)的下方，P型注入区(5)的右端边界与漏端N型漂移区(6)相邻。

2.根据权利要求1所述的降压用耗尽型N型横向双扩散金属氧化物半导体晶体管，其特征在于P型注入区(5)距离N型沟道注入区(9)下方0.2～0.5μm。

3.根据权利要求1所述的降压用耗尽型N型横向双扩散金属氧化物半导体晶体管，其特征在于P型注入区(5)的右端边界延伸进入漏端N型漂移区(6)。

4.根据权利要求1所述的降压用耗尽型N型横向双扩散金属氧化物半导体晶体管，其特征在于P型注入区(5)与漏端N型漂移区(6)之间相距0-0.2μm。

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