CN103762228A - 具有复合金属栅极结构的横向功率器件 - Google Patents

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Abstract

一种具有复合金属栅极结构的横向功率器件，包括半导体衬底、位于所述半导体衬底表面的栅介质层、位于所述栅介质层表面的栅极、位于所述栅极两侧的源电极和漏电极以及位于所述栅极和所述栅介质层之间的栅金属层；所述栅金属层包括位于所述源电极一侧的第一栅金属以及位于所述漏电极一侧的第二栅金属，所述第一栅金属的功函数大于所述第二栅金属的功函数。本发明的优点在于利用不同金属功函数的差异性，形成复合金属栅极结构，以提高器件的跨导值和驱动电流。

Description

具有复合金属栅极结构的横向功率器件
技术领域
本发明涉及一种具有复合金属栅极结构的横向功率器件，属于微电子与固体电子学技术领域。
背景技术
功率集成电路有时也称高压集成电路，是现代电子学的重要分支，可为各种功率变换和能源处理装置提供高速、高集成度、低功耗和抗辐照的新型电路，广泛应用于电力控制系统、汽车电子、显示器件驱动、通信和照明等日常消费领域以及国防、航天等诸多重要领域。其应用范围的迅速扩大，对其核心部分的高压器件也提出了更高的要求。在功率集成电路中，横向双扩散金属氧化物半导体场效应管（LDMOS）发挥着重要的作用。横向结构更有利于新一代的高密度功率集成应用，是当代功率器件研究的热点。
在65nm时代，漏电一直是降低处理器良品率、阻碍性能提升和减少功耗的重要因素。而随着处理器采用了45nm工艺，相应的核心面积会减少，导致单位面积的能量密度大幅增高，漏电问题将更加凸显，如果不很好解决，功耗反而会随之增大。而传统的二氧化硅栅介质的工艺已无法满足45nm处理器的要求，因此为了能够很好的解决漏电问题，目前，在28nm工艺节点上，利用高介电常数金属栅极（HKMG）结构取代传统二氧化硅栅介质和多晶硅结构已经被认可为主要和唯一解决栅极漏电流、多晶硅损耗以及硼渗透问题的手段。
但是，高介电常数金属栅极（HKMG）结构，特别是现有的单金属栅极结构在改善沟道载流子迁移率方面稍显不足，需要通过优化器件结构提高器件的跨导值和驱动电流。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种具有复合金属栅极结构的横向功率器件，在传统单金属栅极结构的基础上，利用不同的金属功函数的差异性，形成复合金属栅极结构，以提高器件的跨导值和驱动电流。
为了解决上述问题，本发明提供了一种具有复合金属栅极结构的横向功率器件，包括半导体衬底、位于所述半导体衬底表面的栅介质层、位于所述栅介质层表面的栅极、位于所述栅极两侧的源电极和漏电极、位于所述栅极和所述栅介质层之间的栅金属层；所述栅金属层包括位于所述源电极一侧的第一栅金属以及位于所述漏电极一侧的第二栅金属，所述第一栅金属的的功函数大于所述第二栅金属的功函数。 
可选地，所述半导体衬底表面包括位于所述源电极相对应位置的源极、位于所述漏电极相对应位置的漏极、位于所述栅极之下的阱区、位于所述阱区和所述漏极之间的漂移区和体接触区，所述体接触区位于所述源极旁，与所述阱区相接触，所述源极、所述漏极和所述漂移区均具有第一导电类型，所述阱区和所述体接触区具有第二导电类型。
可选地，所述第一导电类型为N型，所述第二导电类型为P型。
可选地，所述第一导电类型为P型，所述第二导电类型为N型。
可选地，所述半导体衬底包括支撑衬底、有源层和位于所述支撑衬底和有源层之间的绝缘埋层。
可选地，所述第一栅金属和所述第二栅金属相接触。
可选地，所述具有复合金属栅极结构的横向功率器件还包括位于所述栅介质层表面靠近漏电极一侧的场氧化层和位于所述场氧化层表面的金属场板，所述金属场板靠近源电极的一端与所述栅极相接触。
本发明的优点在于，提供一种具有复合金属栅极结构的横向功率器件，在传统单金属栅极结构的基础上，利用不同金属功函数的差异性，形成复合金属栅极结构，使得沟道电势出现普通单金属栅极结构不具备的阶梯式分布，整个沟道电场和电场梯度均变大，以提高器件的跨导值和驱动电流。
附图说明
附图1示出根据具体实施方式的具有复合金属栅极结构的横向功率器件的示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明提供的具有复合金属栅极结构的横向功率器件的具体实施方式做详细说明。
参考附图1是根据具体实施方式的具有复合金属栅极结构的横向功率器件的示意图。包括单晶硅衬底16、位于所述单晶硅衬底16表面的栅介质层7、位于所述栅介质层7表面的栅极4、位于所述栅极4两侧的源电极1和漏电极8、位于所述栅极4和所述栅介质层7之间的栅金属层；所述栅金属层包括位于所述源电极1一侧的TiN金属栅极2以及位于所述漏电极8一侧的掺镱（Yb）TiN金属栅极3，所述TiN金属栅极2的的功函数大于所述掺镱（Yb）TiN金属栅极3的功函数。 
本具体实施方式中的半导体衬底为单晶硅衬底16，在其他的实施方式中，所述半导体衬底也可以是锗硅、应变硅以及其他化合物半导体衬底，如氮化镓或者砷化镓等。也可以是上述以及其他常见的半导体材料组成的多层复合衬底结构。
本具体实施方式中的栅介质层7为高介电常数栅介质层，可选用HfO2,Al2O3,La2O3等材料，可以在获得相同的阈值电压的前提下，使用更高的沟道掺杂浓度。沟道掺杂浓度的提高，有利于降低沟道穿通击穿的风险，可以在保持耐压能力的前提下，缩短沟道长度，从而降低器件的开态电阻。
本具体实施方式中的栅金属层，包括位于所述源电极1一侧的TiN金属栅极2以及位于所述漏电极8一侧的掺镱（Yb）TiN金属栅极3，TiN由于具有良好的热稳定性、较低的电阻率、较高的功函数（5.0eV左右，适合直接用来作P-MOSFETs栅极材料）及功函数可调等优点而被认为是很有发展前景的一种金属栅材料。在TiN中引入低功函数金属元素镱（Yb），经过热退火处理后，镱（Yb）可以有效降低栅极功函数（4.1eV）。
进一步地，在本具体实施方式中，所述TiN金属栅极2以及所述掺镱（Yb）TiN金属栅极3相接触，即两种金属栅极之间的距离为零，可以消除了边缘电容的影响，并且通过优化所述具有较高功函数的TiN金属栅极2与所述具有较低功函数的掺镱（Yb）TiN金属栅极3在整个栅长中所占比例，可以得到跨导的最优值。本实施方式仅是一种优选的实施方式，在具体制作时也可以选择其他介质材料制作金属栅极或者有其他的变化。
在本具体实施方式中，所述单晶硅衬底16包括支撑衬底17、有源层15和位于所述支撑衬底17和有源层15之间的绝缘埋层12。绝缘埋层12的存在可以实现介质隔离，有效地实现高、低功率模块，以及高、低电压器件之间的隔离，彻底消除电干扰，简化器件的结构设计。然而在其它的具体实施方式中，所述半导体衬底也可以是不包含绝缘埋层的体衬底材料，这并不影响后续对器件进行性能优化。
在本具体实施方式中，所述单晶硅衬底16表面包括位于所述源电极1相对应位置的源极13、位于所述漏电极8相对应位置的漏极9、位于所述栅极4之下的P阱10、位于所述P阱10和所述漏极9之间的N型漂移区11和P型体接触区14，所述P型体接触区14位于所述源极13旁，与所述P阱10相接触，所述源极13和所述漏极9均为N型掺杂。在功率集成电路中，横向双扩散金属氧化物半导体场效应管（LDMOS）具有多种结构，本实施方式仅是一种优选的实施方式，在具体制作时也可以选择其他结构的横向双扩散金属氧化物半导体场效应管（LDMOS）或者有其他的变化。
在本具体实施方式中，所述具有复合金属栅极结构的横向功率器件还包括位于所述栅介质层7表面靠近漏电极8一侧的场氧化层6和位于所述场氧化层6表面的Al金属场板5，所述Al金属场板5靠近源电极1的一端与所述栅极4相接触。场板结构在横向高压器件中被广泛应用，可以使半导体表面一部分区域内的电通量转移到另一部分，尤其可以将电力线密集区域的电通量优化到电场较弱的区域，实现优化器件内电势线分布的目的并进一步提高击穿电压。本实施方式仅是一种优选的实施方式，在具体制作时也可以不采用场板结构或者有其他的变化。
本发明涉及的具有复合金属栅极结构的横向功率器件的工作原理是：由于靠近源极的栅金属TiN的功函数大于靠近漏极的栅金属掺镱（Yb）TiN的功函数，使得便面势的最小值出现在靠近源极的栅金属TiN的下方，因此源端的阈值电压值比漏端的要高，沟道电势出现普通单金属栅极结构不具备的阶梯式分布，整个沟道电场和电场梯度均变大，以提高器件的跨导值和驱动电流。
本发明的优点在于，在传统单金属栅极结构的基础上，利用不同金属功函数的差异性，形成复合金属栅极结构，使得沟道电势出现普通单金属栅极结构不具备的阶梯式分布，整个沟道电场和电场梯度均变大，以提高器件的跨导值和驱动电流。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种具有复合金属栅极结构的横向功率器件，包括半导体衬底、位于所述半导体衬底表面的栅介质层、位于所述栅介质层表面的栅极和位于所述栅极两侧的源电极和漏电极，其特征在于，包括位于所述栅极和所述栅介质层之间的栅金属层；
所述栅金属层包括位于所述源电极一侧的第一栅金属以及位于所述漏电极一侧的第二栅金属，所述第一栅金属的的功函数大于所述第二栅金属的功函数。
2.根据权利要求1所述的具有复合金属栅极结构的横向功率器件，其特征在于，所述半导体衬底表面包括位于所述源电极相对应位置的源极、位于所述漏电极相对应位置的漏极、位于所述栅极之下的阱区、位于所述阱区和所述漏极之间的漂移区和体接触区，所述体接触区位于所述源极旁，与所述阱区相接触，所述源极、所述漏极和所述漂移区均具有第一导电类型，所述阱区和所述体接触区具有第二导电类型。
3.根据权利要求2所述的具有复合金属栅极结构的横向功率器件，其特征在于，所述第一导电类型为N型，所述第二导电类型为P型。
4.根据权利要求2所述的具有复合金属栅极结构的横向功率器件，其特征在于，所述第一导电类型为P型，所述第二导电类型为N型。
5.根据权利要求1所述的具有复合金属栅极结构的横向功率器件，其特征在于，所述半导体衬底包括支撑衬底、有源层和位于所述支撑衬底和有源层之间的绝缘埋层。
6.根据权利要求1所述的具有复合金属栅极结构的横向功率器件，其特征在于，所述第一栅金属和所述第二栅金属相接触。
7.根据权利要求1所述的具有复合金属栅极结构的横向功率器件，其特征在于，还包括位于所述栅介质层表面靠近漏电极一侧的场氧化层和位于所述场氧化层表面的金属场板，所述金属场板靠近源电极的一端与所述栅极相接触。
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