CN103762229B - 具有复合栅介质的横向功率器件 - Google Patents
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Abstract
一种具有复合栅介质的横向功率器件，包括半导体衬底、位于所述半导体衬底表面的绝缘埋层、位于所述绝缘埋层表面的有源层、位于所述有源层表面的栅介质层、位于所述栅介质层表面的栅电极和位于所述栅电极两侧的源电极和漏电极，所述栅介质层包括位于所述源电极一侧的第一栅介质和位于所述漏电极一侧的第二栅介质，所述第一栅介质的等效栅氧厚度大于所述第二栅介质的等效栅氧厚度，所述第一栅介质与所述第二栅介质相接触。本发明的优点在于，采用复合栅介质结构可以降低开态电阻，改善器件的跨导特性。
Description
技术领域
本发明涉及一种具有复合栅介质的横向功率器件，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。
带有绝缘埋层的半导体作为一种理想的介质隔离材料，可以有效的实现高、低功率模块，以及高、低电压器件之间的隔离，大大节约了管芯面积，减小了寄生电容，可以方便地集成不同的电路和器件。因此，带有绝缘埋层的半导体技术应用于高压器件及功率集成电路具有明显的优势、有广泛的应用前景。
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降低开态电阻、改善器件的跨导特性。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种具有复合栅介质的横向功率器件，通过优化器件结构降低开态电阻、改善器件的跨导特性。
为了解决上述问题，本发明提供了一种具有复合栅介质的横向功率器件，包括半导体衬底、位于所述半导体衬底表面的绝缘埋层、位于所述绝缘埋层表面的有源层、位于所述有源层表面的栅介质层、位于所述栅介质层表面的栅电极和位于所述栅电极两侧的源电极和漏电极，所述栅介质层包括位于所述源电极一侧的第一栅介质和位于所述漏电极一侧的第二栅介质，所述第一栅介质的等效栅氧厚度大于所述第二栅介质的等效栅氧厚度，所述第一栅介质与所述第二栅介质相接触。
可选地，所述有源层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、位于所述栅电极之下的阱区、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一侧，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，所述绝缘埋层包括一窗口，所述窗口位于所述源电极下方，所述窗口填充有半导体填充物，所述半导体填充物与所述半导体衬底的材料存在带隙差且热导率大于所述绝缘埋层的热导率。
可选地，所述窗口填充有Si1-xGex材料。
可选地，所述具有复合栅介质的横向功率器件还包括位于所述栅介质层表面靠近所述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电极相接触。
可选地，所述第一栅介质为由高介电常数介质和SiO2介质组成的复合栅介质，所述第二栅介质为高介电常数栅介质。
本发明的优点在于，通过第一栅介质层和第二栅介质层的等效栅氧厚度不同，使得靠近源端介质沟道部分阈值电压较大，不同阈值电压使得沿着沟道方向上引入了新的电势分布和电场峰值，该电场可以加速载流子在沟道中的运动，起到增大沟道电流，降低开态电阻，改善器件的跨到特性的作用。
附图说明
附图1示出根据具体实施方式的具有复合栅介质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栅介质的横向功率器件的具体实施方式做详细说明。
参考附图1是根据本具体实施方式的具有复合栅介质的横向功率器件的示意图。包括半导体衬底14、位于所述半导体衬底14表面的绝缘埋层13、位于所述绝缘埋层13表面的有源层7、位于所述有源层7表面的栅介质层、位于所述栅介质层表面的栅电极6和位于所述栅电极6两侧的源电极1和漏电极10，所述栅介质层包括位于所述源电极1一侧的由高介电常数介质4和SiO2介质5组成的复合第一栅介质和位于所述漏电极一侧的高介电常数第二栅介质17，所述由高介电常数介质4和SiO2介质5组成的复合第一栅介质的等效栅氧厚度大于高介电常数第二栅介质17的等效栅氧厚度，所述由高介电常数介质4和SiO2介质5组成的复合第一栅介质与所述高介电常数第二栅介质17相接触。
本具体实施方式中的半导体衬底14为单晶硅衬底，在其他的实施方式中，所述半导体衬底14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。
本具体实施方式中所述栅电极6为TiN栅电极，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栅电极材料）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。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栅电极或者有其他的变化。
本具体实施方式中，所述绝缘埋层13包括一窗口15，所述窗口15位于所述源电极1下方，所述窗口15填充有半导体填充物Si1-xGex，所述半导体填充物Si1-xGex与所述半导体衬底14的材料存在带隙差且热导率大于所述绝缘埋层13的热导率。其中x为Ge的摩尔百分比，一般在0.1-0.9之间。虽然带有绝缘埋层的半导体技术应用于高压器件及功率集成电路具有明显的优势，但是由于带有绝缘埋层的半导体器件在工作状态下的散热差，所以自热现象严重，此外，由于绝缘埋层的存在，使得带有绝缘埋层的横向双扩散金属氧化物半导体场效应管的寄生双极结型晶体管（BJT）效应明显。而Si1-xGex材料的热导率远大于绝缘埋层的热导率，因此Si1-xGex的存在有利于降低器件的自热效应。另外，Si1-xGex与Si之间有能带的差别，Si1-xGex层更有效的束缚沟道内的空穴，由此可以进一步降低降低寄生双极结型晶体管效应。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制作窗口，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，所述有源层7包括位于所述源电极1相对应位置的源极2、位于所述漏电极10相对应位置的漏极11、位于所述栅电极6之下的P阱16、位于所述P阱16和所述漏极11之间的N型漂移区12和P型体接触区3，所述P型体接触区3位于所述源极2一侧，与所述P阱16相接触，所述源极2和所述漏极11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。
本实施方式中所述第一栅介质为由高介电常数介质4和SiO2介质5组成的复合栅介质，所述第二栅介质为高介电常数栅介质17。使得靠近源端的SiO2—高介电常数的复合栅介质的等效栅氧厚度较大，而靠近漂移区的栅氧仅由高介电常数的栅介质构成，其等效栅氧较小，这使得靠近源极的复合介质沟道部分阈值电压较大，而靠近漂移区的一侧的高介电常数栅介质沟道部分阈值电压较小，不同的阈值电压使得沿着沟道方向上引入了新的电势分布和电场峰值。该电场可以加速载流子在沟道中的运动，起到增大沟道电流，降低开态电阻，改善器件的跨到特性的作用。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栅介质或者有其他的变化。
进一步地，本具体实施方式中所述高介电常数的栅介质是指介电常数高于SiO2的介电常数的介质。所述高介电常数的栅介质可选用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。
所述具有复合栅介质的横向功率器件还包括位于所述栅介质层表面靠近所述漏电极10一侧的SiO2场氧化层9和位于所述SiO2场氧化层9表面的TiN金属场板8，所述TiN金属场板8靠近源电极1的一端与所述栅电极6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制作金属场板，这并不影响复合栅介质对器件进行性能优化。
本发明的优点在于，靠近源端的栅氧由高介电常数介质4和SiO2介质5复合而成，等效栅氧厚度较大，而靠近漂移区的栅氧仅由高介电常数栅介质17构成，等效栅氧较小，这使得靠近源端的由高介电常数介质4和SiO2介质5组成的复合栅介质的沟道部分阈值电压较大，而靠近漂移区的高介电常数栅介质17沟道部分阈值电压较小，不同阈值电压使得沿着沟道方向上引入了新的电势分布和电场峰值，该电场可以加速载流子在沟道中的运动，起到增大沟道电流，降低开态电阻，改善器件的跨到特性的作用。进一步地，通过在绝缘埋层中引入Si1-xGex窗口15，利用Si1-xGex窗口15中Si1-xGex材料与半导体衬底14之间存在能带差别，Si1-xGex层更有效的束缚沟道内的空穴，可以降低寄生双极结型晶体管效应。并且Si1-xGex材料的热导率远大于绝缘埋层13的热导率，可以抑制横向功率器件的自热效应。
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 (6)
1.一种具有复合栅介质的横向功率器件，包括半导体衬底、位于所述半导体衬底表面的绝缘埋层、位于所述绝缘埋层表面的有源层、位于所述有源层表面的栅介质层、位于所述栅介质层表面的栅电极和位于所述栅电极两侧的源电极和漏电极，其特征在于，所述栅介质层包括位于所述源电极一侧的第一栅介质和位于所述漏电极一侧的第二栅介质，所述第一栅介质的等效栅氧厚度大于所述第二栅介质的等效栅氧厚度，所述第一栅介质与所述第二栅介质相接触，所述绝缘埋层包括一窗口，所述窗口位于所述源电极下方，所述窗口填充有半导体填充物，所述半导体填充物与所述半导体衬底的材料存在带隙差且热导率大于所述绝缘埋层的热导率，所述窗口填充有Sil一XGeX材料。
2.根据权利要求1所述的具有复合栅介质的横向功率器件，其特征在于，所述有源层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、位于所述栅电极之下的阱区、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一侧，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所述的具有复合栅介质的横向功率器件，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所述的具有复合栅介质的横向功率器件，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所述的具有复合栅介质的横向功率器件，其特征在于，还包括位于所述栅介质层表面靠近所述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电极相接触。
6.根据权利要求1所述的具有复合栅介质的横向功率器件，其特征在于，所述第一栅介质为由高介电常数介质和Si02介质组成的复合栅介质，所述第二栅介质为高介电常数栅介质。
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