CN102769037A - 减少表面电场的结构及横向扩散金氧半导体元件 - Google Patents

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Abstract

一种减少表面电场的结构及横向扩散金氧半导体元件。此种减少表面电场的结构包括具有第一导电型的一基底、具有第二导电型的一深井区、一隔离结构、至少一沟渠绝缘结构及具有第一导电型的至少一掺杂区。深井区位于基底中。隔离结构位于基底上。沟渠绝缘结构位于隔离结构下方的深井区中。掺杂区位于深井区中且环绕沟渠绝缘结构的侧壁及底面。

Description

减少表面电场的结构及横向扩散金氧半导体元件
技术领域
本发明涉及一种半导体元件，尤其涉及一种减少表面电场(reducedsurface field；RESURF)的结构及包含此结构的横向扩散金氧半导体(lateral diffused metal oxide semiconductor；LDMOS)元件。
背景技术
近年来，横向扩散金氧半导体(LDMOS)元件已广泛地应用在各种电源集成电路或智能型电源集成电路上。LDMOS元件在使用上需具有高崩溃电压(breakdown voltage)与低的开启电阻(on-state resistance；Ron)，以提高元件的效能。为获得高崩溃电压及降低开启电阻，一种被称之为减少表面电场(RESURF)的LDMOS元件应运而生。其主要的原理是于场氧化层下方N型掺杂漂移区域中植入P型掺杂区。在元件区内N型区域与P型区域在反逆向偏压时，N型与P型的电荷须要达到平衡才可达到高崩溃电压。因P型掺杂区加入，势必N型掺杂漂移区浓度也必须提高，因而也可降低开启电阻。
一般而言，在LDMOS元件中作为减少表面电场用的掺杂区是以单植入的方式于场氧化层下方形成一整片。此掺杂区受限于植入能量的限制，只能在表面，因此只能做一维的电荷平衡对于元件效能的提升有限。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种减少表面电场(RESURF)的结构及包含此结构的横向扩散金氧半导体(LDMOS)元件，可以使P型掺杂区的位置深度更深，进一步可做二维的电荷平衡。此外，N型掺杂漂移区浓度也可更提高，进而提升元件的效能。
本发明提供一种横向扩散金氧半导体元件，包括第一导电型的一基底、具有第二导电型的一外延层、具有第一导电型的一井区、具有第二导电型的一深井区、具有第二导电型的一源极区、具有第二导电型的一漏极区、一隔离结构、一栅极、至少一沟渠绝缘结构及具有第一导电型的至少一掺杂区。外延层位于基底上。井区位于外延层中。深井区位于外延层中。源极区位于井区中。漏极区位于深井区中。隔离结构位于深井区上。栅极位于漏极区以及源极区之间的外延层上并延伸至部分隔离结构上。沟渠绝缘结构位于隔离结构下方的深井区中。掺杂区位于深井区中且环绕沟渠绝缘结构的侧壁及底面。
在本发明的一实施例中，上述横向扩散金氧半导体元件还包括具有第二导电型的埋层，位于深井区下方的基底中。
在本发明的一实施例中，上述掺杂区与隔离结构及埋层实体连接。
在本发明的一实施例中，上述掺杂区与隔离结构实体连接，但未与埋层实体连接。
在本发明的一实施例中，上述掺杂区与隔离结构及基底实体连接。
在本发明的一实施例中，上述掺杂区与隔离结构实体连接，但未与基底实体连接。
在本发明的一实施例中，上述沟渠绝缘结构的材料包括氧化硅。
在本发明的一实施例中，上述隔离结构包括场氧化物结构或浅沟渠隔离结构。
在本发明的一实施例中，上述横向扩散金氧半导体元件还包括具有第一导电型的一基体区，位于井区中。
在本发明的一实施例中，上述横向扩散金氧半导体元件还包括一栅氧化层，位于栅极与外延层之间。
在本发明的一实施例中，上述第一导电型为P型，第二导电型为N型；或第一导电型为N型，第二导电型为P型。
本发明另提供一种减少表面电场的结构，包括具有第一导电型的一基底、具有第二导电型的一深井区、一隔离结构、至少一沟渠绝缘结构及具有第一导电型的至少一掺杂区。深井区位于基底中。隔离结构位于基底上。沟渠绝缘结构位于隔离结构下方的深井区中。掺杂区位于深井区中且环绕沟渠绝缘结构的侧壁及底面。
在本发明的一实施例中，上述减少表面电场的结构还包括具有第二导电型的埋层，位于深井区下方的基底中。
在本发明的一实施例中，上述掺杂区与隔离结构及埋层实体连接。
在本发明的一实施例中，上述掺杂区与隔离结构实体连接，但未与埋层实体连接。
在本发明的一实施例中，上述掺杂区与隔离结构及基底实体连接。
在本发明的一实施例中，上述掺杂区与隔离结构实体连接，但未与基底实体连接。
在本发明的一实施例中，上述沟渠绝缘结构的材料包括氧化硅。
在本发明的一实施例中，上述隔离结构包括场氧化物或浅沟渠隔离结构。
在本发明的一实施例中，上述第一导电型为P型，第二导电型为N型；或第一导电型为N型，第二导电型为P型。
基于上述，在本发明的结构中，于基底中配置至少一沟渠绝缘结构及至少一掺杂区，且此掺杂区环绕沟渠绝缘结构的侧壁及底面，用以减少表面电场。此外，本发明以先形成沟渠再进行倾斜离子植入制程的方式，可以使P型掺杂区的位置深度更深，进一步可做二维的电荷平衡。此外，N型掺杂漂移区浓度也可更提高，进而提升元件的效能。
为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图作详细说明如下。
附图说明
图1A为依照本发明的一实施例所示的横向扩散金氧半导体元件的剖面示意图。
图1B为图1A的局部立体示意图。
图1C为依照本发明的另一实施例所示的横向扩散金氧半导体元件的的局部立体示意图。
图2为依照本发明的又一实施例所示的横向扩散金氧半导体元件的剖面示意图。
图3为依照本发明的再一实施例所示的横向扩散金氧半导体元件的剖面示意图。
图4为依照本发明的又另一实施例所示的横向扩散金氧半导体元件的剖面示意图。
附图标记：
100、200、300、400：横向扩散金氧半导体元件
101：漂移区
102、103：基底
104：外延层
106：井区
108：深井区
110：源极区
112：漏极区
114：埋层
116、126：隔离结构
118：栅极
119：栅氧化层
120、120a、120b：沟渠绝缘结构
122、122a、122b：掺杂区
124：基体区
具体实施方式
图1A为依照本发明的一实施例所示的横向扩散金氧半导体元件的剖面示意图。图1B为图1A的局部立体示意图。为清楚说明起见，图1B未示出隔离结构116、栅极118、栅氧化层119、源极区110、漏极区112等构件。
请参照图1A，本发明的横向扩散金氧半导体元件100包括具有第一导电型的一基底102、具有第二导电型的一外延层104、具有第一导电型的一井区106、具有第二导电型的一深井区108、具有第二导电型的一源极区110、具有第二导电型的一漏极区112、具有第二导电型的一埋层114、一隔离结构116、一栅极118及一栅氧化层119。
第一导电型可为P型或N型。当第一导电型为P型时，第二导电型为N型，而当第一导电型为N型时，第二导电型为P型。在此实施例中，是以第一导电型为P型，第二导电型为N型为例来说明。
基底102例如是P型硅基底。外延层104例如是N型外延层，位于基底102上。也可以将基底102及外延层104视为一个复合基底103。
井区106例如是P型井区，位于外延层104中。深井区108例如是N型深井区，位于外延层104中。在此实施例中，井区106与深井区108实体连接，如图1A所示。再另一实施例中(未示出)，井区106与深井区108也可以彼此分开。
源极区110例如是N型重掺杂区，位于井区106中。漏极区112例如是N型重掺杂区，位于深井区108中。埋层114例如是N型淡掺杂层，位于深井区108下方的基底102中。
隔离结构116位于深井区108上。隔离结构116例如是场氧化物(FOX)结构或浅沟渠隔离(STI)结构。形成隔离结构116的方法包括进行化学气相沉积(CVD)制程或热氧化制程。在一实施例中，隔离结构116配置于复合基底103上且连接至沟渠绝缘结构120及掺杂区122，如图1所示。在另一实施例中(未绘示)，隔离结构116配置于复合基底103上且仅连接至掺杂区122。栅极118位于漏极区112以及源极区110之间的外延层104上并延伸至部分隔离结构116上。栅极118的材料例如是多晶硅。栅氧化层119配置于栅极118与外延层104之间。栅氧化层119的材料例如是氧化硅。
在一实施例中，本发明的横向扩散金氧半导体元件100还包括一基体区124及一隔离结构126。基体区124例如是P型重掺杂区，位于井区106中。源极区110与基体区124例如是以隔离结构126相隔开。隔离结构126例如是场氧化物(FOX)结构或浅沟渠隔离(STI)结构。
特别要注意的是，本发明的横向扩散金氧半导体元件100还包括至少一沟渠绝缘结构120及具有第一导电型的至少一掺杂区122，用以减少表面电场。
沟渠绝缘结构120位于隔离结构116下方的深井区108中。沟渠绝缘结构120的材料包括氧化硅。掺杂区122例如是P型淡掺杂区，位于深井区108中且环绕沟渠绝缘结构120的侧壁及底面。
在一实施例中，沟渠绝缘结构120包括多个分开的沟渠绝缘结构120a，掺杂区122包括多个分开的掺杂区122a，如图1B所示。这些掺杂区122a位于深井区108中且环绕对应的沟渠绝缘结构120a的侧壁及底面。特别要注意的是，掺杂区122a与隔离结构116及埋层114实体连接，如图1A所示。
上述沟渠绝缘结构120及掺杂区122的形成方法相当简单。首先，在外延层104中形成沟渠。形成沟渠的方法例如是进行蚀刻制程。然后，在沟渠的侧面与底面的外延层104上形成掺杂区122。在一实施例中，形成掺杂区122的方法例如是进行倾斜离子植入制程，倾斜角度例如是大于零度小于九十度。在另一实施例中，形成掺杂区122的方法例如是进行扩散方式。接着，以绝缘材料(如氧化硅)填满沟渠。填满沟渠的方法例如是以化学气相沉积(CVD)将氧化硅层填入沟渠。接着，进行回蚀刻制程或是用化学机械研磨(CMP)方式以移除部分氧化硅层，直到露出外延层104的表面。
由此可知，本发明以先形成沟渠再进行倾斜离子植入制程的方式，使掺杂区122的可以使P型掺杂区的位置深度更深，进一步可做二维的电荷平衡。此外，N型掺杂漂移区浓度也可更提高，进而提升元件的效能。
此外，本发明的沟渠绝缘结构120及掺杂区122的配置除了与隔离结构116及埋层114实体连接外(如图1A所示)，也可以有其他多种变化。在另一实施例中，掺杂区122与隔离结构116实体连接，但未与埋层114实体连接，如图2所示。
在上述实施例中，是以多个沟渠绝缘结构及多个掺杂区为例来说明，但本发明并不以此为限。在一实施例中，沟渠绝缘结构120b也可以为一长条区块，配置于外延层104中，且掺杂区122b环绕沟渠绝缘结构120b的侧壁及底面。类似地，掺杂区122b可仅与隔离结构116实体连接(如图1C所示)、仅与埋层114实体连接或未与隔离结构116及埋层114实体连接。特别要注意的是，掺杂区122b不可同时与隔离结构116及埋层114实体连接，以免阻断电流路径。
特别要注意的是，埋层114为选择性构件，可以视制程需要，删除形成埋层114的步骤。换言之，在没有埋层114的情况下，掺杂区122可以与隔离结构116及基底102实体连接，如图3所示。在另一实施例中，掺杂区122与隔离结构116实体连接，但未与基底102实体连接，如图4所示。
此外，本发明的横向扩散金氧半导体元件100亦定义出一漂移区101与位于此漂移区101中的减少表面电场的结构，如图1A所示。具体而言，在漂移区101中，减少表面电场的结构包括基底103、深井区108、埋层114、隔离结构116、至少一沟渠绝缘结构120以及至少一掺杂区122。深井区108位于基底103中。埋层114位于深井区108下方的基底103中。隔离结构116位于基底103上。沟渠绝缘结构120位于隔离结构116下方的深井区108中。掺杂区122位于深井区108中且环绕沟渠绝缘结构120的侧壁及底面。类似地，如图2～4所示，本发明的横向扩散金氧半导体元件200～400亦可分别定义出漂移区101与位于此漂移区101中的减少表面电场的结构。
另外，此减少表面电场的结构除了可应用于横向扩散金氧半导体(LDMO S)元件外，也可以应用于其他适合的元件，如结型场效应晶体管(Junction Field Effect Transistor；JFET)。
综上所述，在本发明的结构中，于基底中配置至少一沟渠绝缘结构及至少一掺杂区，且此掺杂区环绕沟渠绝缘结构的侧壁及底面，用以减少表面电场。此外，本发明以先形成沟渠再进行倾斜离子植入制程的方式，使掺杂区的浓度分布均匀且形状、深度容易控制，以解决已知的浓度分布不均以及精确度不够的问题。
虽然本发明已以实施例揭示如上，然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中的普通技术人员，当可作些许更动与润饰，而不脱离本发明的精神和范围。

Claims (20)

1.一种横向扩散金氧半导体元件，包括：
具有一第一导电型的一基底；
具有一第二导电型的一外延层，位于该基底上；
具有该第一导电型的一井区，位于该外延层中；
具有该第二导电型的一深井区，位于该外延层中；
具有该第二导电型的一源极区，位于该井区中；
具有该第二导电型的一漏极区，位于该深井区中；
一隔离结构，位于该深井区上；
一栅极，位于该漏极区以及该源极区之间的该外延层上并延伸至部分该隔离结构上；
至少一沟渠绝缘结构，位于该隔离结构下方的该深井区中；以及
具有该第一导电型的至少一掺杂区，位于该深井区中且环绕该沟渠绝缘结构的侧壁及底面。
2.根据权利要求1所述的横向扩散金氧半导体元件，其中还包括具有该第二导电型的一埋层，位于该深井区下方的该基底中。
3.根据权利要求2所述的横向扩散金氧半导体元件，其中该掺杂区与该隔离结构及该埋层实体连接。
4.根据权利要求2所述的横向扩散金氧半导体元件，其中该掺杂区与该隔离结构实体连接，但未与该埋层实体连接。
5.根据权利要求1所述的横向扩散金氧半导体元件，其中该掺杂区与该隔离结构及该基底实体连接。
6.根据权利要求1所述的横向扩散金氧半导体元件，其中该掺杂区与该隔离结构实体连接，但未与该基底实体连接。
7.根据权利要求1所述的横向扩散金氧半导体元件，其中该沟渠绝缘结构的材料包括氧化硅。
8.根据权利要求1所述的横向扩散金氧半导体元件，其中该隔离结构包括场氧化物结构或浅沟渠隔离结构。
9.根据权利要求1所述的横向扩散金氧半导体元件，其中还包括具有该第一导电型的一基体区，位于该井区中。
10.根据权利要求1所述的横向扩散金氧半导体元件，其中还包括一栅氧化层，位于该栅极与该外延层之间。
11.根据权利要求1所述的横向扩散金氧半导体元件，其中该第一导电型为P型，该第二导电型为N型；或该第一导电型为N型，该第二导电型为P型。
12.一种减少表面电场的结构，包括：
具有一第一导电型的一基底；
具有一第二导电型的一深井区，位于该基底中；
一隔离结构，位于该基底上；以及
至少一沟渠绝缘结构，位于该隔离结构下方的该深井区中；以及
具有该第一导电型的至少一掺杂区，位于该深井区中且环绕该沟渠绝缘结构的侧壁及底面。
13.根据权利要求12所述的减少表面电场的结构，其中还包括具有该第二导电型的一埋层，位于该深井区下方的该基底中。
14.根据权利要求13所述的减少表面电场的结构，其中该掺杂区与该隔离结构及该埋层实体连接。
15.根据权利要求13所述的减少表面电场的结构，其中该掺杂区与该隔离结构实体连接，但未与该埋层实体连接。
16.根据权利要求12所述的减少表面电场的结构，其中该掺杂区与该隔离结构及该基底实体连接。
17.根据权利要求12所述的减少表面电场的结构，其中该掺杂区与该隔离结构实体连接，但未与该基底实体连接。
18.根据权利要求12所述的减少表面电场的结构，其中该沟渠绝缘结构的材料包括氧化硅。
19.根据权利要求12所述的减少表面电场的结构，其中该隔离结构包括场氧化物结构或浅沟渠隔离结构。
20.根据权利要求12所述的减少表面电场的结构，其中该第一导电型为P型，该第二导电型为N型；或该第一导电型为N型，该第二导电型为P型。
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