CN102254946B

CN102254946B - 一种射频横向扩散n型mos管及其制造方法

Info

Publication number: CN102254946B
Application number: CN 201110004194
Authority: CN
Inventors: 高怀; 陈文兰; 田婷; 孙晓红; 王晓彧
Original assignee: SUZHOU YINGNUOXUN TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: SUZHOU YINGNUOXUN TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2011-01-11
Filing date: 2011-01-11
Publication date: 2013-07-10
Anticipated expiration: 2031-01-11
Also published as: CN102254946A

Abstract

本发明公开了一种射频横向扩散 N 型 MOS 管及其制造方法，在 N 型漂移区上设有阶梯浅沟槽隔离氧化层，阶梯浅沟槽隔离氧化层包括位于 N 型漂移区之上的第二浅沟槽隔离氧化层和位于第二浅沟槽隔离氧化层之上的第一浅沟槽隔离氧化层；在阶梯浅沟槽隔离氧化层的表面包覆有第二场氧化层，在第一场氧化层的表面包覆有金属场极板，金属场极板将第一场氧化层和第二场氧化层分隔。本发明提供了一种结构简单且与现有射频横向双扩散金属氧化物半导体工艺相兼容的漂移区具有阶梯浅沟槽隔离结构的射频横向扩散 N 型金属氧化物半导体管及其制造方法，在相同的结构尺寸下，提升半导体管的击穿电压，而导通电阻保持不变。

Description

一种射频横向扩散N型MOS管及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种横向扩散金属氧化物半导体管，尤其是阶梯沟槽隔离结构射频N型金属氧化物半导体管及其制造方法。

背景技术

射频横向扩散N型金属氧化物半导体管（MOS管）具有高功率增益、高效率及低成本等优点，被广泛应用于移动通信基站、雷达、导航等领域。射频横向扩散N型金属氧化物半导体管包括靠近漏区的轻掺杂漂移区以增加击穿电压。由于轻掺杂漂移区的存在，半导体管因此具有较高的导通电阻。为了进一步提高射频横向扩散N型金属氧化物半导体管的击穿电压，增大输出功率，通常增加漂移区长度和降低漂移区掺杂浓度，半导体管导通电阻也会进一步增加，进而增大功耗降低效率。为了兼顾功率器件对高击穿电压和低导通电阻的性能要求，射频横向扩散N型金属氧化物半导体管的设计一般都会采用场极板技术来达到击穿电压和导通电阻之间的平衡。

图1是一种现有技术的射频横向扩散N型金属氧化物半导体管的示意图。在P型衬底10上形成P型外延层11和P型下沉区（sinker区）12，在P型外延层11上形成N型漂移区14；在P型外延层11上且位于N型漂移区14两端分别相邻设置N型漏15和P型沟道13；在外延层11上且位于与P沟道13相邻的位置形成N型源16；在P型沟道13的表面包覆有栅氧层171；在栅氧层171的表面包覆有多晶硅栅17；在多晶硅栅17及N型漂移区14的表面包覆有场氧化层172；在N型漏15上形成金属电极（漏极）19。为了改善N型漂移区14内部的电场分布，降低N型漂移区14与P型沟道13之间PN结处电场峰值，增加半导体管击穿电压，在场氧化层172的表面包覆有金属场极板18。

这种现有技术的射频横向扩散N型金属氧化物半导体管简单实用，但是，还没有最大的利用芯片面积，在相同的结构尺寸下，还没有达到最大的击穿电压及最小的导通电阻。

发明内容

本发明目的是：针对现有技术的不足，提供一种结构简单且与现有射频横向双扩散金属氧化物半导体工艺相兼容的漂移区具有阶梯浅沟槽隔离结构的射频横向扩散N型金属氧化物半导体管及其制造方法，在相同的结构尺寸下，提升半导体管的击穿电压，而导通电阻保持不变。

本发明的技术方案是：一种射频横向扩散N型MOS管，在P型衬底上设有P型外延层，在P型外延层上设有N型漂移区，在P型外延层上且位于N型漂移区的相邻两端分别设置N型漏和P型沟道，在P型沟道的表面包覆有栅氧层，在栅氧层的表面包覆有多晶硅栅，在所述多晶硅栅的表面包覆有第一场氧化层，在所述N型漂移区上设有阶梯浅沟槽隔离氧化层，所述阶梯浅沟槽隔离氧化层包括位于N型漂移区之上的第二浅沟槽隔离氧化层和位于第二浅沟槽隔离氧化层之上的第一浅沟槽隔离氧化层；在所述阶梯浅沟槽隔离氧化层的表面包覆有第二场氧化层，在所述第一场氧化层的表面包覆有金属场极板，所述金属场极板将第一场氧化层和第二场氧化层分隔。

进一步的，所述的一种射频横向扩散N型MOS管，在所述N型漏上设置金属电极，在所述P型衬底上还设置有P型下沉区，在P型下沉区的表面包覆金属场极板。

进一步的，所述的一种射频横向扩散N型MOS管，在所述P型外延层上设有N型源，所述N型源与所述P型沟道相邻，在所述N型源的表面包覆金属场极板。

本发明还公开了一种射频横向扩散N型MOS管的制造方法，包括如下步骤：

步骤S1：制备重掺杂P型衬底，并在P型衬底上生长P型外延层；

步骤S2：在P型外延层上进行P型重掺杂、N型轻掺杂和P型掺杂，分别形成P型下沉区、N型漂移区、P型沟道，再进行源、漏N型杂质注入，形成N型源和N型漏；

步骤S3：在N型漂移区的上部刻蚀形成第一层浅沟槽；在N型漂移区的中部区域且位于第一层浅沟槽的下方刻蚀形成第二层浅沟槽，再在第一层浅沟槽和第二层浅沟槽内淀积氧化层，分别形成第一浅沟槽隔离氧化层和第二浅沟槽隔离氧化层，构成阶梯浅沟槽隔离氧化层；

步骤S4：在P型沟道的表面干热氧化生长并形成栅氧层，在栅氧层上淀积有多晶硅栅，在阶梯浅沟槽隔离氧化层的上表面及多晶硅栅的两侧和上表面湿热氧化生长并形成第一场氧化层，使第一场氧化层覆盖在第一浅沟槽隔离氧化层的表面；

步骤S5：在第一场氧化层中刻孔，并淀积金属铝，刻铝形成金属场极板和金属电极；所述金属场极板包覆在P型下沉区、N型源及场氧化层的表面；所述金属电极覆盖在所述N型漏的表面。

进一步的，所述的一种射频横向扩散N型MOS管的制造方法，步骤S2中，在所述P型外延层内注入杂质硼，分别形成P型下沉区和P型沟道，并注入杂质磷，形成N型漂移区；对P型沟道与N型漂移区在氮气环境下进行扩散。

进一步的，所述的一种射频横向扩散N型MOS管的制造方法，步骤S3中，在N型漂移区的上部用HF溶剂湿法二次刻蚀并淀积氧化层，形成第一浅沟槽隔离氧化层和第二浅沟槽隔离氧化层。

进一步的，所述的一种射频横向扩散N型MOS管的制造方法，步骤S4中，在P型沟道的表面进行干热氧化生长，形成第三氧化层；并在第三氧化层上淀积多晶硅层，然后注入杂质磷，刻蚀掉P型沟道上部两侧多余的第三氧化层和多晶硅层，分别形成栅氧层和多晶硅栅。

进一步的，所述的一种射频横向扩散N型MOS管的制造方法，步骤S2中，在P型下沉区与P型沟道之间的区域和N型漂移区内注入杂质砷，分别形成N型源和N型漏。

本发明的优点是：

（1）本发明在漂移区上部引入一个通过两次刻蚀而形成的阶梯浅沟槽隔离氧化层结构，使漂移区有效长度增加了沟槽深度的两倍左右，半导体管具有更好的击穿特性；

（2）本发明引入的阶梯浅沟槽隔离结构射频N型金属氧化物半导体管与传统的LOCOS工艺横向扩散N型射频半导体管相比，其制备工艺不同，必须采用新的浅沟槽隔离（STI）工艺，新的STI制备工艺消除了传统LOCOS工艺的鸟嘴效应；

（3）本发明在漂移区形成多个电场峰值，降低了漂移区靠近沟道一端的电荷聚集程度，漂移区电场分布相比传统的LOCOS工艺器件更加平坦，从而可以提高漂移区掺杂浓度，减小器件导通电阻，降低器件功耗；

（4）本发明在相同的器件工艺尺寸下，击穿电压较传统的射频横向双扩散N型金属氧化物半导体管提升9%以上，而导通电阻基本不变。

附图说明

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

图1为现有技术的射频横向扩散N型金属氧化物半导体结构的示意图；

图2为本发明实施例的射频横向扩散N型金属氧化物半导体结构的示意图；

图3为本发明实施例的射频横向扩散N型金属氧化物半导体结构的制造工艺示意图1；

图4为本发明实施例的射频横向扩散N型金属氧化物半导体结构的制造工艺示意图2；

图5为本发明实施例的射频横向扩散N型金属氧化物半导体结构的制造工艺示意图3；

图6为本发明实施例的射频横向扩散N型金属氧化物半导体结构的制造工艺示意图4；

图7为本发明实施例的射频横向扩散N型金属氧化物半导体结构的制造工艺示意图5；

图8为本发明实施例的射频横向扩散N型金属氧化物半导体结构的制造工艺示意图6；

图9为现有技术与本发明的半导体管击穿电压的比较示意图。

其中：10 P型衬底；11 P型外延层；12 P型下沉区；13 P型沟道；14 N型漂移区；141第一浅沟槽隔离氧化层；142第二浅沟槽隔离氧化层；15 N型漏；16 N型源；17 多晶硅栅；171栅氧层；172 第一场氧化层；173 第二场氧化层；18 金属场极板；19 金属电极。

具体实施方式

实施例：如图2所示，一种用作射频功率器件的阶梯浅沟槽隔离结构射频横向扩散N型金属氧化物半导体管，包括重掺杂的P型衬底10，在P型衬底10上设有轻掺杂的P型外延层11，在轻掺杂的P型外延层11上设有轻掺杂的N型漂移区14，在P型外延层11上且位于N型漂移区14相邻的两端分别设置重掺杂的N型漏15和轻掺杂的P型沟道13，在P型外延层11上且位于与P型沟道13相邻的位置设有重掺杂的N型源16，在重掺杂P型衬底10上且位于与N型源16、P型沟道13及P型外延层11相邻的位置设置重掺杂的P型下沉区12，在N型漂移区14上部设有阶梯浅沟槽隔离氧化层，在阶梯浅沟槽隔离氧化层的表面包覆有第二场氧化层173，在P型沟道13的表面包覆有栅氧层171，在栅氧层171的表面包覆有多晶硅栅17，在多晶硅栅17的两侧及表面包覆有第一场氧化层172，在P型下沉区12、N型源16及场氧化层172的表面包覆有金属场极板18，在N型漏15的表面设置金属电极19。

在本实施例中，在轻掺杂的N型漂移区14的上部设置第二浅沟槽隔离氧化层142，在第二浅沟槽隔离氧化层142上设置第一浅沟槽隔离氧化层141，上述第一浅沟槽隔离氧化层141及第二浅沟槽隔离氧化层142位于N型漂移区14、第一场氧化层172、金属场极板18和第二场氧化层173围成的空间内。

图3至图8为一种用于阶梯浅沟槽隔离结构射频横向扩散N型金属氧化物半导体管的制备工艺示意图。

步骤1：首先制备重掺杂P型衬底10，并在P型衬底10上生长P型外延层11。本实施例中，生成的P型衬底10的浓度为1×10 ¹⁹ cm ^-3 ，厚度为4μm，P型外延层的晶向为<100>、掺杂浓度为1×10 ¹⁴ cm ^-3 、厚度为4μm。

步骤2：在一部分的P型外延层11上进行P型重掺杂，形成P型下沉区12，在另一部分P型外延层11上进行N型轻掺杂，形成N型漂移区14，在另一部分P型外延层11上进行P型掺杂，形成P型沟道13。具体为：在P型外延层11内注入杂质硼，分别形成浓度为5×10 ¹⁹ cm ^-3 的P型下沉区12和浓度在1×10 ¹⁶ cm ^-3 ～1×10 ¹⁸ cm ^-3 之间的P型沟道13，并注入杂质磷，形成浓度为2×10 ¹⁷ cm ^-3 的N型漂移区14；对P型沟道13与N型漂移区14在氮气环境下进行高温扩散，扩散温度为1000℃，扩散时间为100分钟。然后，在P型下沉区12与P型沟道13之间的区域和N型漂移区14内注入浓度为1×10 ²⁰ cm ^-3 的杂质砷，分别形成N型源16和N型漏15。

步骤3：如图3和图4所示，在N型漂移区14的上部刻蚀形成第一层浅沟槽；在N型漂移区14的中部区域且位于第一层浅沟槽的下方刻蚀形成第二层浅沟槽，再在第一层浅沟槽和第二层浅沟槽内淀积氧化层，并刻蚀掉浅沟槽外多余的氧化层，分别形成第一浅沟槽隔离氧化层141和第二浅沟槽隔离氧化层142，构成阶梯浅沟槽隔离氧化层。具体为在N型漂移区14的上部用HF溶剂湿法进行二次刻蚀并淀积氧化层，淀积的第一浅沟槽隔离氧化层141和第二浅沟槽隔离氧化层142的厚度均为0.15μm。

步骤4：如图5－图7所示，在P型沟道13的表面干热氧化生长并形成栅氧层171，在栅氧层171上淀积有多晶硅栅17，在阶梯浅沟槽隔离氧化层的上表面及多晶硅栅17的两侧和上表面湿热氧化生长并形成第一场氧化层172，使第一场氧化层172覆盖在第一浅沟槽隔离氧化层141的表面。具体为：在P型沟道13的表面进行干热氧化生长，形成厚度0.02μm的第三氧化层；并在第三氧化层上淀积厚度0.2μm的多晶硅层，然后注入浓度为5×10 ¹⁹ cm ^-3 的杂质磷，刻蚀掉P型沟道上部两侧多余的第三氧化层和多晶硅层，分别形成位于P型沟道13上表面的栅氧层171和在栅氧层上的多晶硅栅17，然后在阶梯浅沟槽隔离氧化层的上表面及多晶硅栅17的两侧和上表面湿热氧化生长并形成第一场氧化层172，生成的第一场氧化层172平坦部位的厚度为0.13μm。

步骤S5：如图8所示，在第一场氧化层172中刻孔，并淀积金属铝，刻铝分别形成金属场极板18和金属电极19；所述金属场极板18包覆在P型下沉区12、N型源16及场氧化层172的表面；所述金属电极19覆盖在所述N型漏15的表面。金属场极板18使位于多晶硅栅表面的第一场氧化层172和位于阶梯浅沟槽隔离氧化层上表面的第一场氧化层172分隔成两个部分，为了方便区分，我们称阶梯浅沟槽隔离氧化层上表面的第一场氧化层172为第二场氧化层173。

图9为现有技术与本发明的半导体管击穿电压的比较示意图，其中栅极、源极和衬底电压均等于GND（0V），漏极电压V _DS 从0V开始逐渐增加。可以看出，本发明的半导体管的击穿电压比现有技术的半导体管的击穿电压增加了9%以上。

以上所述，仅为本发明的优选实施例，并不能以此限定本发明实施的范围，凡依本发明权利要求及说明书内容所作的简单的变换，皆应仍属于本发明覆盖的保护范围。

Claims

1.一种射频横向扩散N型MOS管的制造方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤S1：制备重掺杂的P型衬底（10），并在P型衬底（10）上生长P型外延层（11）；

步骤S2：在P型外延层（11）上进行P型重掺杂、N型轻掺杂和P型掺杂，分别形成P型下沉区（12）、N型漂移区（14）、P型沟道（13），再进行源、漏N型杂质注入，形成N型源（16）和N型漏（15）；

步骤S3：在N型漂移区（14）的上部刻蚀形成第一层浅沟槽；在N型漂移区（14）的中部区域且位于第一层浅沟槽的下方刻蚀形成第二层浅沟槽，再在第一层浅沟槽和第二层浅沟槽内淀积氧化层，分别形成第一浅沟槽隔离氧化层（141）和第二浅沟槽隔离氧化层（142），构成阶梯浅沟槽隔离氧化层；

步骤S4：在P型沟道（13）的表面干热氧化生长并形成栅氧层（171），在栅氧层（171）上淀积有多晶硅栅（17），在阶梯浅沟槽隔离氧化层的上表面及多晶硅栅（17）的两侧和上表面湿热氧化生长并形成第一场氧化层（172），使第一场氧化层（172）覆盖在第一浅沟槽隔离氧化层（141）的表面；

步骤S5：在第一场氧化层（172）中刻孔，并淀积金属铝，刻铝形成金属场极板（18）和金属电极（19）；所述金属场极板（18）包覆在P型下沉区（12）、N型源（16）及场氧化层（172）的表面；所述金属电极（19）覆盖在所述N型漏（15）的表面。

2.根据权利要求1中所述的一种射频横向扩散N型MOS管的制造方法，其特征在于：步骤S2中，在所述P型外延层（11）内注入杂质硼，分别形成P型下沉区（12）和P型沟道（13），并注入杂质磷，形成N型漂移区（14）；对P型沟道（13）与N型漂移区（14）在氮气环境下进行扩散。

3.根据权利要求1中所述的一种射频横向扩散N型MOS管的制造方法，其特征在于：步骤S3中，在N型漂移区（14）的上部用HF溶剂湿法二次刻蚀并淀积氧化层，形成第一浅沟槽隔离氧化层（141）和第二浅沟槽隔离氧化层（142）。

4.根据权利要求1中所述的一种射频横向扩散N型MOS管的制造方法，其特征在于：步骤S4中，在P型沟道（13）的表面进行干热氧化生长，形成第三氧化层；并在第三氧化层上淀积多晶硅层，然后注入杂质磷，刻蚀掉P型沟道（13）上部两侧多余的第三氧化层和多晶硅层，分别形成栅氧层（171）和多晶硅栅（17）。

5.根据权利要求1中所述的一种射频横向扩散N型MOS管的制造方法，其特征在于：步骤S2中，在P型下沉区（12）与P型沟道（13）之间的区域注入杂质砷，形成N型源（16），并在N型漂移区（14）内注入杂质砷，形成N型漏（15）。