CN104752512B - 一种具有多电极结构的横向高压器件 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种具有多电极结构的横向高压器件，属于半导体功率器件领域。包括第二型掺杂杂质半导体衬底、第一型掺杂杂质漂移区、第二型掺杂杂质阱区、第二型掺杂杂质接触区、第一型掺杂杂质源区、第一型掺杂杂质阱区、第一型掺杂杂质漏区、介质层、多晶硅栅、源极金属和漏极金属；其特征在于，在所述第二型掺杂杂质阱区到第一型掺杂杂质阱区之间区域的上方的介质层中还设置有n个电极，n≥2，所述n个电极中任意两电极在横向方向上的投影之间有间隔，且每个电极偏置在不同的电位。本发明提供的横向高压器件可在提高器件耐压的同时降低器件的导通电阻，有效缓解了横向高压器件导通电阻与耐压之间的矛盾。
Description
技术领域
本发明属于半导体功率器件领域，具体涉及一种具有多电极结构的横向高压器件。
背景技术
横向高压器件是高压功率集成电路发展中必不可少的部分，它具有高耐压、高输入阻抗、良好的安全工作区、低功耗等优势，已广泛应用于电机驱动、汽车电子、工业控制的功率开关器件中。横向高压器件工作在高耐压环境时，需要采用长的漂移区，因此横向高压器件会伴随高的导通电阻，导致器件在正常工作时的功率消耗变高。在实际应用中，需要在保证横向高压器件耐压的同时尽量减小器件的导通电阻，以减小器件工作时的能量消耗。然而，导通电阻与器件耐压之间存在矛盾关系，这就限制了该类器件在高压大电流领域的应用，尤其是在要求低导通损耗和小芯片面积的电路中。
发明内容
本发明针对传统横向高压功率器件为获得高耐压而采用低掺杂浓度的漂移区导致器件导通电阻增大的问题，提出了一种具有多电极结构的横向高压器件。该器件在漂移区上方设置多个电极，且每个电极偏置在不同的电压，可在提高器件耐压的同时降低器件的导通电阻，有效缓解了横向高压器件导通电阻与耐压之间的矛盾。
本发明的技术方案如下：
一种具有多电极结构的横向高压器件，包括第二型掺杂杂质半导体衬底1；形成于所述第二型掺杂杂质半导体衬底1之上的第一型掺杂杂质漂移区3和第二型掺杂杂质阱区4；形成于所述第二型掺杂杂质阱区4之中的第二型掺杂杂质接触区5和第一型掺杂杂质源区6；形成于所述第一型掺杂杂质漂移区3之中的第一型掺杂杂质阱区7；形成于第一型掺杂杂质阱区7之中的第一型掺杂杂质漏区8；形成于所述第一型掺杂杂质漂移区3和第二型掺杂杂质阱区4上方的介质层9；所述介质层9中设置有多晶硅栅10、源极金属12和漏极金属13；其特征在于，在所述第二型掺杂杂质阱区4到第一型掺杂杂质阱区7之间区域的上方的介质层中还设置有n个电极11，n≥2，所述n个电极中任意两电极在横向方向上的投影之间有间隔，第i个电极的下表面与第一型掺杂杂质漂移区3上表面之间的距离ti大于Vi/Ei.max，其中，Vi为第i个电极上的电压，Ei.max为第二型掺杂杂质阱区4到第一型掺杂杂质阱区7之间区域的上方的介质层的临界击穿电场，i＝1,2,3,…,n。
进一步地，各电极上的电压均不相同，且各电极上的电压均小于所述横向高压器件的击穿电压。
优选地，任意相邻两个电极中靠近第一型掺杂杂质阱区7一端的电极的下表面与第一型掺杂杂质漂移区3上表面之间的距离不低于靠近第二型掺杂杂质阱区4一端的电极的下表面与第一型掺杂杂质漂移区3上表面之间的距离。
优选地，所述n个电极的下表面与第一型掺杂杂质漂移区3上表面之间的距离沿着第二型掺杂杂质阱区4到第一型掺杂杂质阱区7方向逐渐增大。
优选地，任意相邻的两个电极中靠近第一型掺杂杂质阱区7一端的电极上的电压大于靠近第二型掺杂杂质阱区4一端的电极上的电压。
进一步地，所述电极11为多晶硅、金属等导电材料。
进一步地，所述电极的截面为矩形。
进一步地，所述任一电极与多晶硅栅在横向方向上的投影之间有间隔。
进一步地，上述的第一型掺杂杂质为施主型时，第二型掺杂杂质为受主型，此时，电极11相对于源极偏置在正电位；当第一型掺杂杂质为受主型时，第二型掺杂杂质为施主型，此时，电极11相对于源极偏置在负电位。
其中，上述结构不仅可以用在体硅结构中，还可以用在SOI结构中；即上述第二型掺杂杂质半导体衬底1上方有埋氧层2，所述第一型掺杂杂质漂移区3和第二型掺杂杂质阱区4形成于埋氧层2之上。
其中，上述结构中所述第一型掺杂杂质漏区8还可以替换为第二型掺杂杂质集电区14；当为第一型掺杂杂质漏区8时，所述横向高压器件为横向扩散金属氧化物场效应晶体管(LDMOS)，当为第二型掺杂杂质集电区14时，所述横向高压器件为横向绝缘栅双极性晶体管(LIGBT)。
本发明的有益效果为：
1、本发明提供的具有多电极结构的横向高压器件在第二型掺杂杂质阱区4到第一型掺杂杂质阱区7之间区域的上方的介质层中设置有与第一型掺杂杂质漂移区3上表面距离不同的电极，且电极偏置在不同的电位。一方面，各电极上的偏置电位能够在漂移区表面形成一层电荷积累层，提供一个低阻的导电通道，增大表面载流子浓度，提高器件的电流能力，有效降低器件的导通电阻；另一方面，通过优化电极上的电位分布，可在漂移区引入电场峰值，起到场板的作用，优化了器件的表面电场分布，提高了器件的横向耐压。因此，该器件结构可有效缓解横向高压器件导通电阻与耐压之间的矛盾。
2、本发明所述的横向高压器件可基于标准金属氧化物半导体工艺实现，具有良好的兼容性。
附图说明
图1为常规的横向高压器件的剖面示意图。
图2为本发明实施例1提供的一种具有多电极结构的横向高压器件的剖面示意图。
图3为本发明实施例2提供的一种具有多电极结构的横向高压器件的剖面示意图。
图4为本发明实施例3提供的一种具有多电极结构的横向高压器件的剖面示意图。
图5为本发明实施例4提供的一种具有多电极结构的横向高压器件的剖面示意图。
图6为常规的横向高压器件击穿时的等势线与开态电流线分布图。其中，(a)为击穿时的等势线分布图；(b)为开态时电流线分布图。
图7为本发明实施例1提供的一种具有多电极结构的横向高压器件击穿时的等势线与开态电流线分布图。其中，(a)为击穿时的等势线分布图；(b)为开态时电流线分布图。
图8为本发明实施例1提供的一种具有多电极结构的横向高压器件与常规的横向高压器件在击穿时的表面电场分布对比。
图9为本发明实施例1提供的一种具有多电极结构的横向高压器件与常规的横向高压器件开态时的表面电子浓度分布对比图(沿aa'线与bb'线的方向)，其中aa'线与bb'线的位置在图6和图7中标出。
图10为本发明实施例1提供的一种具有多电极结构的横向高压器件与常规的横向高压器件开态时的纵向电子浓度分布对比图(沿cc'线与dd'线的方向)，其中cc'线与dd'线的位置在图6和图7中标出。
图11为本发明实施例1提供的一种具有多电极结构的横向高压器件与常规的横向高压器件的击穿电压随漂移区浓度变化的关系曲线。
具体实施方式
一种具有多电极结构的横向高压器件，包括第二型掺杂杂质半导体衬底1；形成于所述第二型掺杂杂质半导体衬底1之上的第一型掺杂杂质漂移区3和第二型掺杂杂质阱区4；形成于所述第二型掺杂杂质阱区4之中的第二型掺杂杂质接触区5和第一型掺杂杂质源区6；形成于所述第一型掺杂杂质漂移区3之中的第一型掺杂杂质阱区7；形成于第一型掺杂杂质阱区7之中的第一型掺杂杂质漏区8；形成于所述第一型掺杂杂质漂移区3和第二型掺杂杂质阱区4上方的介质层9；所述介质层9中设置有多晶硅栅10、源极金属12和漏极金属13，所述多晶硅栅位于第一型掺杂杂质源区6与第一型掺杂杂质漂移区3之间区域上方且与第二型掺杂杂质阱区4上表面不接触，所述源极金属12设置于第二型掺杂杂质接触区5和第一型掺杂杂质源区6之上，所述漏极金属13设置于第一型掺杂杂质漏区8之上；其特征在于，在所述第二型掺杂杂质阱区4到第一型掺杂杂质阱区7之间区域的上方的介质层中还设置有n个电极11，n≥2，所述n个电极中任意两电极在横向方向上的投影之间有间隔，第i个电极的下表面与第一型掺杂杂质漂移区3上表面之间的距离ti大于Vi/Ei.max，其中，Vi为第i个电极上的电压，Ei.max为第二型掺杂杂质阱区4到第一型掺杂杂质阱区7之间区域的上方的介质层的临界击穿电场，i＝1,2,3,…,n。
其中，各电极上的电压均不相同，且各电极上的电压均小于所述横向高压器件的击穿电压。
其中，所述介质层9包括栅氧化层介质、金属前介质、钝化层介质。
进一步地，所述电极11与第一型掺杂杂质阱区7的距离越近，电极11上偏置的电位与器件击穿时第一型掺杂杂质漏区8上的电位越接近。
实施例1
如图2所示，一种具有多电极结构的横向高压器件，包括第二型掺杂杂质半导体衬底1；形成于所述第二型掺杂杂质半导体衬底1之上的埋氧层2；形成于所述埋氧层2之上的第一型掺杂杂质漂移区3和第二型掺杂杂质阱区4；形成于所述第二型掺杂杂质阱区4之中的第二型掺杂杂质接触区5和第一型掺杂杂质源区6；形成于所述第一型掺杂杂质漂移区3之中的第一型掺杂杂质阱区7；形成于第一型掺杂杂质阱区7之中的第一型掺杂杂质漏区8；形成于所述第一型掺杂杂质漂移区3和第二型掺杂杂质阱区4上方的介质层9；所述介质层9中设置有多晶硅栅10、源极金属12和漏极金属13，所述多晶硅栅位于第一型掺杂杂质源区6与第一型掺杂杂质漂移区3之间区域的上方且与第二型掺杂杂质阱区4上表面不接触，所述源极金属12设置于第二型掺杂杂质接触区5和第一型掺杂杂质源区6之上，所述漏极金属13设置于第一型掺杂杂质漏区8之上；其特征在于，在所述第二型掺杂杂质阱区4到第一型掺杂杂质阱区7之间区域的上方的介质层中还沿横向方向设置有5个电极11，所述5个电极中任意两电极在横向方向上的投影之间有间隔，且第i个电极的下表面与第一型掺杂杂质漂移区3上表面之间的距离ti大于Vi/Ei.max，其中，Vi为第i个电极上的电压，Ei.max为第二型掺杂杂质阱区4到第一型掺杂杂质阱区7之间区域的上方的介质层的临界击穿电场，i＝1,2,…,5，所述各电极上的电压均不相同且均小于该横向高压器件的击穿电压。所述电极的高度(即电极的下表面与第一型掺杂杂质漂移区3上表面之间的距离)沿第二型掺杂杂质阱区4到第一型掺杂杂质阱区7方向呈升高趋势，且第二电极与第三电极齐平，第四电极与第五电极齐平。
实施例2
如图3所示，本实施例与实施例1的区别为：所述电极的个数为n，所述电极的高度(即电极的下表面与第一型掺杂杂质漂移区3上表面之间的距离)沿第二型掺杂杂质阱区4到第一型掺杂杂质阱区7方向呈升高趋势，所述电极11始终偏置在不同的电位且距离第一型掺杂杂质阱区7越近，电极偏置的电位与器件击穿时第一型掺杂杂质漏区8上的电位越接近。
实施例3
如图4所示，本实施例与实施例2的区别为，将SOI结构替换为体硅结构，即去掉了埋氧层2。说明本发明既可用于SOI器件，也可用于体硅器件。
实施例4
如图5所示，本实施例与实施例3的区别为：所述第一型掺杂杂质漏区8替换为第二型掺杂杂质集电区14，器件变为LIGBT。说明本发明既可以用于LDMOS器件，也可以用于LIGBT器件。
图6和图7分别为常规的横向高压器件和本发明实施例1提供的一种具有多电极结构的横向高压器件击穿时的等势线与开态电流线分布图。由图6和图7可知，本发明提供的横向高压器件相对于常规的横向高压器件的击穿时的等势线分布更加均匀，开态电流线向漂移区表面弯曲。实施例1提供的横向高压器件为NLDMOS结构，因此开态时多晶硅栅10偏置正电位。
图8为本发明实施例1提供的一种具有多电极结构的横向高压器件与常规的横向高压器件在击穿时的表面电场分布。实施例1中，由于电极11始终偏置正电位，电极之间有固定的电位差，等势线分布密集，会在漂移区引入电场峰值，故表面电场分布相比常规横向高压器件有更多个电场峰值，击穿电压得到提高。
图9和图10分别为本发明实施例1提供的一种具有多电极结构的横向高压器件与常规的横向高压器件开态时的表面电子浓度和纵向电子浓度分布对比图。由于本发明提供的具有多电极结构的横向高压器件中电极11始终偏置在正电位，会在第一型掺杂杂质漂移区3表面形成一层高浓度电子积累层，提供一个低阻的导电通道，降低了整个器件的导通电阻。本发明提供的横向高压器件的表面电子浓度dd'线明显高于常规器件的cc'线。
图11为本发明实施例1提供的一种具有多电极结构的横向高压器件与常规的横向高压器件的击穿电压随漂移区浓度变化的关系曲线。由图11可知，相同浓度下具有多电极结构的横向高压器件的耐压高于常规器件，因为第一型掺杂杂质漂移区3上方电极11上的偏置电位会在漂移区引入电场峰值，提高器件的击穿电压。
Claims (9)
1.一种具有多电极结构的横向高压器件，包括第二型掺杂杂质半导体衬底(1)；形成于所述第二型掺杂杂质半导体衬底(1)之上的第一型掺杂杂质漂移区(3)和第二型掺杂杂质阱区(4)；形成于所述第二型掺杂杂质阱区(4)之中的第二型掺杂杂质接触区(5)和第一型掺杂杂质源区(6)；形成于所述第一型掺杂杂质漂移区(3)之中的第一型掺杂杂质阱区(7)；形成于第一型掺杂杂质阱区(7)之中的第一型掺杂杂质漏区(8)；形成于所述第一型掺杂杂质漂移区(3)和第二型掺杂杂质阱区(4)上方的介质层(9)；所述介质层(9)中设置有多晶硅栅(10)、源极金属(12)和漏极金属(13)；其特征在于，在所述第二型掺杂杂质阱区(4)到第一型掺杂杂质阱区(7)之间区域的上方的介质层中还设置有n个电极，n≥5，所述n个电极中任意两电极在横向方向上的投影之间有间隔，所述n个电极中第二电极与第三电极齐平，第四电极与第五电极齐平，第i个电极的下表面与第一型掺杂杂质漂移区(3)上表面之间的距离ti大于Vi/Ei.max，其中，Vi为第i个电极上的电压，Ei.max为第二型掺杂杂质阱区(4)到第一型掺杂杂质阱区(7)之间区域的上方的介质层的临界击穿电场，i＝1,2,3,…,n；所述n个电极中与第一型掺杂杂质阱区的距离越近的电极上偏置的电位与器件击穿时第一型掺杂杂质漏区上的电位越接近。
2.根据权利要求1所述的具有多电极结构的横向高压器件，其特征在于，所述各电极上的电压均不相同，且各电极上的电压均小于所述横向高压器件的击穿电压。
3.根据权利要求1所述的具有多电极结构的横向高压器件，其特征在于，所述n个电极中的任意相邻两个电极中靠近第一型掺杂杂质阱区(7)一端的电极的下表面与第一型掺杂杂质漂移区(3)上表面之间的距离不低于靠近第二型掺杂杂质阱区(4)一端的电极的下表面与第一型掺杂杂质漂移区(3)上表面之间的距离。
4.根据权利要求1所述的具有多电极结构的横向高压器件，其特征在于，所述n个电极中的任意相邻的两个电极中靠近第一型掺杂杂质阱区(7)一端的电极上的电压大于靠近第二型掺杂杂质阱区(4)一端的电极上的电压。
5.根据权利要求1所述的具有多电极结构的横向高压器件，其特征在于，所述电极为多晶硅。
6.根据权利要求1所述的具有多电极结构的横向高压器件，其特征在于，所述电极为金属。
7.根据权利要求1所述的具有多电极结构的横向高压器件，其特征在于，所述的第一型掺杂杂质为施主型时，第二型掺杂杂质为受主型，此时，电极相对于源极偏置在正电位；所述第一型掺杂杂质为受主型时，第二型掺杂杂质为施主型，此时，电极相对于源极偏置在负电位。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的具有多电极结构的横向高压器件，其特征在于，所述第二型掺杂杂质半导体衬底(1)上方设置有埋氧层(2)，所述第一型掺杂杂质漂移区(3)和第二型掺杂杂质阱区(4)形成于埋氧层(2)之上。
9.根据权利要求1至7中任一项所述的具有多电极结构的横向高压器件，其特征在于，所述第一型掺杂杂质漏区(8)替换为第二型掺杂杂质集电区(14)；当为第一型掺杂杂质漏区(8)时，所述横向高压器件为横向扩散金属氧化物场效应晶体管，当为第二型掺杂杂质集电区(14)时，所述横向高压器件为横向绝缘栅双极性晶体管。
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