CN102810553B - 一种极低导通电阻的槽型场氧功率mos器件 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种极低导通电阻的槽型场氧功率MOS器件，涉及一种半导体功率器件，包括衬底P型硅层、有源顶层硅和槽型场氧，有源硅层包含有纵向沟道、N-漂移区、P型硅区，以及埋于整个衬底表面的N+漏区；本发明在常规的槽型场氧器件基础上，采用埋于整个衬底表面的N+漏区，器件开态时，载流子直接通过漏区N+和源区N+间的N-漂移区运动，较常规槽型场氧结构大大降低了载流子的漂移距离，从而有效降低器件在开态时候的导通电阻。该结构同样适用于基于SOI技术的功率器件。
Description
技术领域
本发明涉及一种半导体功率器件，特别涉及一种极低导通电阻的槽型场氧功率MOS器件。
背景技术
功率MOS（Metal-Oxide-Semiconductor即金属-氧化物-半导体）器件广泛应用于功率集成领域，而击穿电压与导通电阻之间的矛盾是人们长期关注的焦点问题之一，并由此提出众多缓解该矛盾的方案，其中槽型场氧结构本认为是能够有效缓解该矛盾的结构之一。典型的常规槽型场氧结构如图1所示，1为衬底硅层，2为P阱，3为P+源区，4为N+源区，5为N+漏区，6为漏电极，7为栅电极，8为源电极， 9为N-漂移区，10为槽型场氧。该结构较非槽型场氧结构可大大减少漂移区尺寸而降低晶体管所占晶圆面积，降低器件导通电阻。相关内容可见参考文献：M. Zitouni，F. Morancho， P. Rossel， H. Tranduc， J. Buxo and I. Pages，“A New Concept for the Lateral DMOS Transistor for Smart Power IC's”, Proc. Intl. Symp. Power Semiconductor Devices and Integrated Circuits, pp. 73-76, (1999)。在此基础上，一种具有纵向沟道的槽型场氧结构被提出，见图2，1为衬底硅层，2为P阱，3为P+源区，4为N+源区，5为N+漏区，6为漏电极，7为栅电极，8为源电极， 9为N-漂移区，10为槽型场氧，11为槽型栅。相较图1，该结构最大的改进在于采用了槽型栅，即运用了纵向沟道，并且P+源区和P阱直接接触在槽型场氧上，因此最大限度的减少了晶体管尺寸，进一步降低器件导通电阻。相关内容可见参考文献： K. R. Varadarajan，T. P. Chow， J. Wang， R. Liu， F. Gonzalez，“250V Integrable Silicon Lateral Trench Power MOSFETs with Superior Specific On-Resistance”， Proc. Intl. Symp. Power Semiconductor Devices and Integrated Circuits, pp. 233-236, (2007)。2011年，罗小蓉等将该结构引入到SOI（Silicon On Insulator）衬底中，获得了233V的击穿电压和3.3 mΩ · cm2的导通电阻，如图3所示，其中1为衬底硅层，2为P阱，3为P+源区，4为N+源区，5为N+漏区，6为漏电极，8为源电极， 9为N-漂移区，10为槽型场氧，11为槽型栅，14为SOI衬底的埋氧层，相关内容见：Xiaorong Luo，Jie Fan，Yuangang Wang，Tianfei Lei，Ming Qiao，Bo Zhang，and Florin Udrea，“Ultralow Specific On-Resistance High-Voltage SOI Lateral MOSFET”， IEEE Electron Device Letters, 32(2), pp.185-187 (2011)。
目前，低导通电阻的槽型场氧器件仍然是世界范围内的研究热点。
发明内容
有鉴于此，为了解决进一步降低功率MOS的导通电阻，缓解器件击穿电压与导通电阻之间的问题，本发明提出一种极低导通电阻的槽型场氧功率MOS器件，较常规槽氧结构大大降低了载流子的漂移距离，从而有效降低器件在开态时候的导通电阻。
本发明的目的是这样实现的：
本发明提供的一种极低导通电阻的槽型场氧功率MOS器件，包括衬底P型硅层、有源顶层硅和槽型场氧，所述有源顶层硅包括纵向沟道、N-漂移区、P型硅区，以及埋于整个衬底P型硅层表面的N+漏区，所述纵向沟道设置于N-漂移区上方，所述N-漂移区与P型硅区接触，所述P型硅区与槽型场氧接触，所述N-漂移区、P型硅区接触和槽型场氧分别与埋于整个衬底P型硅层表面的N+漏区接触。
进一步，所述有源顶层硅还设置有N+源区、P+源区和P阱，所述P+源区和P阱直接接触于槽型场氧，所述N+源区与P+源区接触，所述N+源区和P+源区分别与P阱接触，所述P阱分别与N-漂移区、P型硅区接触，所述N+源区和P阱分别与纵向沟道接触，所述P型硅区介于N-漂移区和槽型场氧之间，所述N+漏区上方设置有漏电极，所述P阱设置有槽型栅氧化层和栅电极，槽型栅氧化层和栅电极垂直于P阱并与P阱接触，所述N+源区和P+源区设置于P阱区域内上方，所述N+源区和P+源区上方设置有源电极。
进一步，所述有源顶层硅为Si、SiC、GaN半导体材料中的一种或多种。
进一步，还包括SOI衬底埋氧层，所述SOI衬底埋氧层设置于埋于整个衬底P型硅层表面的N+漏区和衬底P型硅层之间。
进一步，所述SOI衬底埋氧层还设置有半导体窗口。
本发明的优点在于：本发明在常规的槽型场氧器件基础上，采用埋于整个衬底P型硅层表面的N+漏区，器件开态时，载流子直接通过N+漏区（低阻区）和N+源区间的N-漂移区运动，较常规槽型场氧结构大大降低了载流子的漂移距离，从而有效降低器件在开态时候的导通电阻。该结构同样适用于基于SOI技术的功率器件。
本发明的其它优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其它优点可以通过下面的说明书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：
图1为常规槽型场氧器件结构示意图；
图2为具有槽型栅氧（纵向沟道）的槽型场氧器件结构示意图；
图3为基于SOI衬底的槽型场氧器件结构示意图；
图4为本发明提出的一种极低导通电阻的槽型场氧功率MOS器件结构；
图5为本发明提出的基于SOI衬底的一种极低导通电阻的槽型场氧功率MOS器件结构；
图6为本发明提出的基于部分SOI衬底的一种极低导通电阻的槽型场氧功率MOS器件结构；
图7为本发明提出的一种极低导通电阻的槽型场氧功率MOS器件结构关态击穿时等势线分布；
图8为本发明提出的一种极低导通电阻的槽型场氧功率MOS器件结构开态时电流密度线分布；
图中，1为衬底硅层、2为P阱、3为P+源区、4为N+源区、5为N+漏区、6为漏电极、7为栅电极、8为源电极、 9为N-漂移区、10为槽型场氧、11为槽型栅、12为P型硅区、13为埋于整个衬底表面的N+漏区、14为SOI衬底的埋氧层、15为部分SOI衬底的硅窗口。
具体实施方式
以下将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述；应当理解，优选实施例仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。
图4为本发明提出的一种极低导通电阻的槽型场氧功率MOS器件结构。如图所示：本发明提供的一种极低导通电阻的槽型场氧功率MOS器件结构，包括衬底P型硅层、有源顶层硅和槽型场氧，有源硅层包含有纵向沟道11、N-漂移区9、P型硅区12，以及埋于整个衬底P型硅层1表面的N+漏区13，所述纵向沟道设置于N型硅区上方，所述N-漂移区与P型硅区接触，所述P型硅区与槽型场氧接触，所述N-漂移区、P型硅区和槽型场氧分别与埋于整个衬底P型硅层表面的N+漏区接触。所述有源顶层硅还设置有N+源区、P+源区和P阱，所述P+源区3和P阱2直接接触于槽型场氧10，所述N+源区与P+源区接触，所述N+源区和P+源区分别与P阱接触，所述P阱分别与N-漂移区、P型硅区接触，所述N+源区和P阱分别与纵向沟道接触，所述P型硅区12介于N-漂移区9和槽型场氧10之间，所述N+漏区5上方设置有漏电极6，所述P阱2设置有槽型栅氧化层11和栅电极7，槽型栅氧化层和栅电极垂直于P阱2并与P阱2接触，所述N+源区4和P+源区3设置于P阱2区域内上方，所述N+源区4和P+源区3上方设置有源电极8。本发明所提出的结构还可应用于SOI衬底上，如图5所示。还可应用于部分SOI衬底埋氧层上，如图6所示，即在SOI衬底埋氧层14设置有半导体窗口15，所述半导体窗口15设置于衬底层和有源顶层硅之间，且半导体窗口即硅窗口的可位于SOI衬底埋氧层14任意位置。
所述埋于整个衬底P型硅层1表面的N+漏区13，其位于衬底表面的N+硅层由于不完全耗尽，故其厚度可以根据需要调整。
所述有源半导体层为Si、SiC、GaN半导体材料中的一种或多种。应用于SOI或部分SOI衬底时，所述介质埋层可为SiO2和/或Si3N4介质。
图4为本发明提出的一种极低导通电阻的槽型场氧功率MOS器件结构。如图所示，其中，1为衬底硅层，2为P阱，3为P+源区，4为N+源区，5为N+漏区，6为漏电极，7为栅电极，8为源电极， 9为N-漂移区，10为槽型场氧，11为槽型栅即纵向沟道，12为P型硅区，13为埋于整个衬底表面的N+漏区。其相关参数如N-漂移区9和P型硅区12的宽度和浓度分布可以根据需要调整，槽型场氧10的高度和宽度也可以根据需要调整。
本发明的工作原理：下面以图4提出的一种极低导通电阻的槽型场氧功率MOS器件结构，对所提出的新器件结构的工作机理进行详细说明。当其漏电极6端外加一个高电压Vd，而源电极8、栅电极7和衬底硅层1接地，也即器件处于反向阻断状态时，横向上，器件的横向耐压完由槽型场氧10所承担，因此相比较硅材料而言，可以用小的横向尺寸获得较大的横向耐压；纵向上，由于埋于整个衬底表面的N+漏区13，漏电极6端的纵向耐压由N+漏区13和衬底P-1所构成N+P-结所承担，因此纵向耐压不受衬底P-浓度的影响，器件击穿时的等势线如图7所示。器件开态时，即栅电极7上加一定正电压使得沟道打开，由于低电阻的N+漏5通过埋于衬底表面的N+漏区13一直延伸至源电极8端下方，使得载流子直接通过N-硅层即N-漂移区9在源电极8端与漏电极6间运动，大大缩短其运动路径，从而有效降低器件的导通电阻，开态时器件的电流密度线图如图8所示。P型硅层12可调节器件的RESURF条件，优化漂移区内的电场分布。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (4)
1.一种极低导通电阻的槽型场氧功率MOS器件，包括衬底P型硅层、有源顶层硅和槽型场氧，其特征在于：所述有源顶层硅包括纵向沟道、N-漂移区、P型硅区，以及埋于整个衬底P型硅层表面的N+漏区，所述纵向沟道设置于N-漂移区上方，所述N-漂移区与P型硅区，所述P型硅区与槽型场氧接触，所述N-漂移区、P型硅区和槽型场氧分别与埋于整个衬底P型硅层表面的N+漏区接触；
所述有源顶层硅还设置有N+源区、P+源区和P阱，所述P+源区和P阱直接接触于槽型场氧，所述N+源区与P+源区接触，所述N+源区和P+源区分别与P阱接触，所述P阱分别与N-漂移区、P型硅区，所述N+源区和P阱分别与纵向沟道接触，所述P型硅区介于N-漂移区和槽型场氧之间，所述N+漏区上方设置有漏电极，所述P阱设置有槽型栅氧化层和栅电极，槽型栅氧化层和栅电极垂直于P阱并与P阱接触，所述N+源区和P+源区设置于P阱区域内上方，所述N+源区和P+源区上方设置有源电极。
2.根据权利要求1所述的极低导通电阻的槽型场氧功率MOS器件，其特征在于：所述有源顶层硅为Si、SiC、GaN半导体材料中的一种或多种。
3.根据权利要求1所述的极低导通电阻的槽型场氧功率MOS器件，其特征在于：还包括SOI衬底埋氧层，所述SOI衬底埋氧层设置于埋于整个衬底P型硅层表面的N+漏区和衬底P型硅层之间。
4.根据权利要求3所述的极低导通电阻的槽型场氧功率MOS器件，其特征在于：所述SOI衬底埋氧层还设置有半导体窗口。
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