CN104505403A - 一种具有介质层固定电荷的soi功率器件 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有介质层固定电荷的SOI功率器件，包括衬底层、有源层以及处于衬底层和有源层之间的绝缘介质埋层，在绝缘介质埋层与有源层接触的表面的靠边区域设置了一个高浓度固定电荷区，高浓度固定电荷区面积占绝缘介质埋层与有源层接触的表面面积的50％-75％,高浓度固定电荷区电荷的浓度为1×1017～1×1018/cm2。本发明生产工艺简单，固定电荷掺杂浓度工艺容差比较大，受高温工艺影响小，与常规CMOS/SOI工艺完全兼容。应用本发明的功率器件，其耐压由于介质埋层电场的增强而大幅提高。
Description
技术领域
本发明涉及半导体器件技术领域，具体涉及一种具有介质层固定电荷的SOI功率器件。
背景技术
常规SOI器件，其纵向耐压的设计主要是通过增加绝缘介质层的厚度来提高。但是随着绝缘层的厚度的增加，器件的导热性能变差，容易使得器件发生自热效应烧毁器件，并且由于受到高斯定理的限制，Si02绝缘层的耐压能力未能得到充分的利用。
为了提高薄绝缘层SOI功率器件的纵向耐压问题，学者们提出了一系列的器件结构方案。有文献(A.Nakagawa,N.Yasuhara,Y.Baba.Breakdown VoltageEnhancement for Devices on Thin Silicon Layer/Silicon Dioxide Film[J].IEEE Trans.Electron Devices,1991,38:1650-1654)提出了如图1所示的具有N+缓冲层的SOI功率器件结构，在绝缘介质埋层3和有源层1之间插入很薄的N+缓冲层2，从而提高了器件的纵向耐压。但是为了有效的提高耐压，要求n+缓冲层12浓度高、厚度薄，且漂移区要满足RESURF原理，所以n+缓冲层12厚度和浓度需要准确控制，否则容易导致表面提前击穿。在生产工艺中如果后续工艺使用高温工艺会导致n+缓冲层12扩散，破坏了n+缓冲层12的浓度高、厚度薄的要求，从而不能达到提高耐压的效果。
美国专利：Dleter Silber，Wolfgang Wondrak,Robert Plikat,UnitedStates Patent，6495864，2002，如图2所示，该结构在介质埋层的上界面形成介质槽13，介质槽13阻挡了横向电场对电荷的抽取，使得在介质槽底部产生高浓度的界面电荷，从源到漏逐渐增加，从而增强了介质埋层电场，提高击穿电压，但该结构的工艺实现较为复杂。
中国专利：张波，胡盛东，李肇基，CN200910058189，如图3所示，在SOI功率器件的有源层6中，介质埋层9的上表面设置有多个高浓度n+岛14，当漏极施加反偏电压时，同时源、栅和衬底接地时，在相邻的两个n+岛14内积累反型空穴，这些界面空穴能有效的增加介质埋层电场和提高耐压，但是该电荷岛同样不能经受高温工艺。
美国专利：Wondrak W，Held R,Semiconductor component with embeddedfixed charges to provide increased high breakdown voltage,United StatePatent,5767548,1998。如图4所示，通过在介质埋层9表面注入重离子形成固定界面电荷15，该结构固定电荷均匀分布的时候，固定电荷的浓度相对比较低，器件的耐压受固定电荷的浓度影响很大；要实现固定电荷从源到漏线性增加，在工艺上比较困难，成本相当高。
发明内容
鉴于现有技术所存在的一些不足之处，本发明提供一种具有介质层固定电荷的SOI功率器件。该器件是基于等电势调制的高浓度固定电荷SOI耐压结构，该结构与前述传统结构相比,体现出如下优势：1.固定电荷的浓度更高并且浓度范围更大，工艺上误差影响更小，且不会受高温退火等一些高温工艺的影响，工艺更容易实现。2.介质埋层电场得到了大幅提高，从而有效提高纵向耐压，并且工艺实现简单，仅用一张掩膜板就可以实现，工艺成本低，与常规CMOS工艺完全兼容。3.主要依靠库伦力的作用达到电荷堆积，受背栅电压影响小。4.纵向耐压不受器件埋氧层厚度影响，可以减薄埋氧层厚度解决SOI功率器件自热问题。5.可以通过等电势调制效应调制器件有源层的电场分布从而增加器件横向击穿电压。
下面阐述本发明的技术方案。
一种具有介质层固定电荷的SOI功率器件，包括衬底层、有源层以及处于衬底层和有源层之间的绝缘介质埋层，在绝缘介质埋层与有源层接触的表面的靠边区域设置了一个高浓度固定电荷区，高浓度固定电荷区面积占绝缘介质埋层与有源层接触的表面面积的50％-75％,高浓度固定电荷区电荷的浓度为1×1017～1×1018/cm2。
附图说明
图1揭示了具有N+缓冲层结构的SOI功率器件。
图2揭示了具有槽型埋氧层结构的SOI功率器件。
图3揭示了具有埋层电荷岛结构的SOI功率器件。
图4揭示了具有氧化层固定电荷结构的SOI功率器件。
图5揭示了本发明的具有介质层固定电荷的SOI功率器件。
图6描述了应用本发明而制成的SOI功率二极管。
图7描述了应用本发明而制成的SOI IGBT器件。
图8描述了应用本发明而制成的SOI LDMOS器件。
图9a描述了应用本发明而制成的SOI LDMOS器件达到击穿状态时的二维等势线分布。
图9b描述了常规SOI LDMOS器件达到击穿状态时的二维等势线分布。
图10描述了应用本发明的SOI LDMOS和常规SOI LDMOS达到击穿状态时的纵向电场分布。
附图中：1.p型重掺杂体接触区；2.源电极；3.n+源区；4.栅电极；5.p型体区；6.漂移区；7.n+漏区；8.漏电极；9.绝缘介质埋层；10.P型衬底半导体层；11.高浓度固定电荷区；12.n+缓冲层；13.介质电荷槽；14.埋介质层电荷岛；15.介质埋层固定电荷；16.阴极；17.n+阴极区；18.p+阳极电荷区；19.阳极。
具体实施方式
下面通过具体实施例及相关应用对本发明作进一步详细的描述。
一种具有介质层固定电荷的SOI功率器件，包括衬底层10、有源层6以及处于衬底层和有源层之间的绝缘介质埋层9，在绝缘介质埋层9与有源层6接触的表面的靠边区域设置了一个高浓度固定电荷区11，高浓度固定电荷区11的面积占绝缘介质埋层与有源层接触的表面面积的50％-75％,高浓度固定电荷区11电荷的浓度为1×1017～1×1018/cm2。
高浓度固定电荷区注入的电荷可以是钾、钠、硼或硅的正离子，经试验，分别注入上述正离子而制成的器件，其呈现出的特性相同。另外，高浓度固定电荷区的表面几何形状采用矩形，达到与CMOS/SOI工艺完全兼容。
绝缘介质埋层的材质可以是SiO2、氮化硅、碳掺杂氧化物或SiOF。有源层的材质可以是Si、SiC、GaAs或GaN经试验，分别采用上述材质而制成的器件，其呈现出的特性也是相近的。
当漏极加正电压，由于高浓度的固定电荷区11的存在，绝缘介质埋层9表面电势相等，形成一个超薄的等势体从而调制器件有源层内部电场分布，使得原来集中于漏极下方的高电场向源区偏移，从而使得器件有源区内部电场更加均匀分布，提高了器件的横向击穿电压。SOI功率器件的纵向耐压只要有绝缘介质埋层承担，当漏极加正偏压时，由于有高浓度的固定电荷区11的存在，高浓度的固定电荷的库仑力阻止反型空穴被n型漂移区6横向电场抽取，因此反型空穴被固定在绝缘介质埋层9上表面。同时，有大量的电子感应到绝缘介质埋层9下表面，此时绝缘介质埋层9内部电场得到了极大地提高，器件纵向耐压增加。
图6-图8分别描述了本发明的几个应用实例。图9a描述了应用本发明而制成的SOI LDMOS器件达到击穿状态时的二维等势线分布，反向击穿电压为426V。图9b描述了常规SOI LDMOS器件达到击穿状态时的二维等势线分布，反向击穿电压为286V。图10描述了应用本发明的SOI LDMOS和常规SOI LDMOS达到击穿状态时的纵向电场分布，应用本发明的SOI LDMOS的电场为1.8×106V/cm，常规SOI LDMOS的电场为0.6×106V/cm。
Claims (5)
1.一种具有介质层固定电荷的SOI功率器件，包括衬底层、有源层以及处于衬底层和有源层之间的绝缘介质埋层，其特征在于：在绝缘介质埋层与有源层接触的表面的靠边区域设置了一个高浓度固定电荷区，高浓度固定电荷区面积占绝缘介质埋层与有源层接触的表面面积的50％-75％,高浓度固定电荷区电荷的浓度为1×1017～1×1018/cm2。
2.根据权利要求1所述的SOI功率器件，其特征在于：高浓度固定电荷区注入的电荷是钾、钠、硼或硅的正离子。
3.根据权利要求1或2所述的SOI功率器件，其特征在于：高浓度固定电荷区的表面几何形状为矩形。
4.根据权利要求3所述的SOI功率器件，其特征在于：绝缘介质埋层的材质为SiO2、氮化硅、碳掺杂氧化物或SiOF。
5.根据权利要求3所述的SOI功率器件，其特征在于：有源层的材质为Si、SiC、GaAs或GaN。
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