CN109411541A - 一种具有低比导通电阻的横向高压器件 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种具有低比导通电阻的横向高压器件，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；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正上方及左右两侧的介质层中还设置有n个电极，n≥2，n个电极中任意两电极在第二型掺杂杂质阱区到第一型掺杂杂质阱区的方向上的投影之间有间隔，且每个电极偏置在固定不同的电位，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，具体涉及一种具有低比导通电阻的横向高压器件。
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，提出了一种具有低比导通电阻的横向高压器件。该器件在环绕漂移区介质层中设置多个电极，且每个电极偏置在不同的固定电压，并且在环绕方向上使用变K介质，从而减少两侧电极占据的面积。并且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。
为实现上述发明目的，本发明技术方案如下：
一种具有低比导通电阻的横向高压器件，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上方及左右两侧的第一介质层9；所述第一介质层9中设置有多晶硅栅10、源极金属12和漏极金属13；在所述第二型掺杂杂质阱区4到第一型掺杂杂质阱区7之间环绕第一型掺杂杂质漂移区3的第一介质层9中还设置有n个电极，n≥2，第i个电极的两侧具有第15i介质层15i，i＝1、2、3…n，沿第二型掺杂杂质阱区4到第一型掺杂杂质阱区7的方向，第i个电极两侧介质的介电系数大于第i+1个电极两侧介质的介电系数，所述n个电极中任意两电极在第二型掺杂杂质阱区4到第一型掺杂杂质阱区7的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Hi大于Vi/Ecmax9，第i个电极的内表面与第一型掺杂杂质漂移区3外表面之间的距离Wi大于Vi/Ecmax15i，其中，Vi为第i个电极上的电压，Ecmax15i为第15i介质层15i的临界击穿电场，Ecmax9为第一介质层9的临界击穿电场，i＝1、2、3…n，各电极11上的电压均接入固定偏置，每个电极电压不同，且各电极上的电压均小于所述横向高压器件的击穿电压。
进一步地，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7一端的电极的内表面与第一型掺杂杂质漂移区3外表面之间的距离Wi+1，不低于靠近第二型掺杂杂质阱区4一端的电极的内表面与第一型掺杂杂质漂移区3外表面之间的距离Wi，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Hi+1，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Hi。
进一步地，所述n个电极11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。
进一步地，所述电极11材料为多晶硅。
进一步地，所述电极11材料为金属。
进一步地，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。
进一步地，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。
进一步地，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(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、本发明提供的具有低比导通电阻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之间区域方向环绕第一型掺杂杂质漂移区3的第一介质层中设置有与第一型掺杂杂质漂移区3外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。
3、本发明所述的横向高压器件两侧介质采用变k介质，有效减少两侧介质占据面积。
附图说明
图1为常规的横向高压器件的三维示示意图。
图2为本发明实施例1的三维整体结构示意图。
图3为本发明实施例1的结构示意图，该图中去掉部分第一介质层，重点显示一个电极结构。
图4为本发明实施例2提供的一种具有低比导通电阻的横向高压器件的三维示意图。
图5为本发明实施例3提供的一种具有低比导通电阻的横向高压器件的三维示意图。
图6为本发明实施例4提供的一种具有低比导通电阻的横向高压器件的三维示意图。
1为第二型掺杂杂质半导体衬底，2为埋氧层，3为第一型掺杂杂质漂移区，4为第二型掺杂杂质阱区，5为第二型掺杂杂质接触区，6为第一型掺杂杂质漏区，7为第一型掺杂杂质阱区，8为第一型掺杂杂质漏区，9为第一介质层，10为多晶硅栅，11为电极，12为源极金属，13为漏极金属，14为第二型掺杂杂质集电区，15i为第15i介质层(i＝1、2。。。。n)。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
实施例1
如图2、图3所示，本实施例重点显示一个电极结构，实际应该为n个电极结构，n≥2，本实施例的一种具有低比导通电阻的横向高压器件，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上方及左右两侧的第一介质层9；所述第一介质层9中设置有多晶硅栅10、源极金属12和漏极金属13；在所述第二型掺杂杂质阱区4到第一型掺杂杂质阱区7之间环绕第一型掺杂杂质漂移区3的第一介质层9中还设置有n个电极，n≥2，第i个电极的两侧具有第15i介质层15i，i＝1、2、3…n，沿第二型掺杂杂质阱区4到第一型掺杂杂质阱区7的方向，第i个电极两侧介质的介电系数大于第i+1个电极两侧介质的介电系数，所述n个电极中任意两电极在第二型掺杂杂质阱区4到第一型掺杂杂质阱区7的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Hi大于Vi/Ecmax9，第i个电极的内表面与第一型掺杂杂质漂移区3外表面之间的距离Wi大于Vi/Ecmax15i，其中，Vi为第i个电极上的电压，Ecmax15i为第15i介质层15i的临界击穿电场，Ecmax9为第一介质层9的临界击穿电场，i＝1、2、3…n，各电极11上的电压均接入固定偏置，每个电极电压不同，且各电极上的电压均小于所述横向高压器件的击穿电压。
实施例2
如图4所示，本实施例包括3个电极，其上分别设有3个介质层151、152、153，本实施例与实施例1的区别为：靠近第一型掺杂杂质阱区7一端的电极的内表面与第一型掺杂杂质漂移区3外表面之间的距离Wi+1，不低于靠近第二型掺杂杂质阱区4一端的电极的内表面与第一型掺杂杂质漂移区3外表面之间的距离Wi，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Hi+1，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Hi。
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。
进一步地，所述n个电极11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。
进一步地，所述电极11材料为多晶硅。
进一步地，所述电极11材料为金属。
进一步地，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。
实施例3
如图5所示，本实施例包括3个电极，本实施例与实施例2的区别为，将体硅结构替换为SOI结构，即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。说明本发明既可用于体硅器件，也可用于SOI器件。
实施例4
如图6所示，本实施例包括3个电极，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；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)。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (8)
1.一种具有低比导通电阻的横向高压器件，其特征在于：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)上方及左右两侧的第一介质层(9)；所述第一介质层(9)中设置有多晶硅栅(10)、源极金属(12)和漏极金属(13)；在所述第二型掺杂杂质阱区(4)到第一型掺杂杂质阱区(7)之间环绕第一型掺杂杂质漂移区(3)的第一介质层(9)中还设置有n个电极，n≥2，第i个电极的两侧具有第15i介质层(15i)，i＝1、2、3…n，沿第二型掺杂杂质阱区(4)到第一型掺杂杂质阱区(7)的方向，第i个电极两侧介质的介电系数大于第i+1个电极两侧介质的介电系数，所述n个电极中任意两电极在第二型掺杂杂质阱区(4)到第一型掺杂杂质阱区(7)的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Hi大于Vi/Ecmax9，第i个电极的内表面与第一型掺杂杂质漂移区(3)外表面之间的距离Wi大于Vi/Ecmax15i，其中，Vi为第i个电极上的电压，Ecmax15i为第15i介质层(15i)的临界击穿电场，Ecmax9为第一介质层(9)的临界击穿电场，i＝1、2、3…n，各电极(11)上的电压均接入固定偏置，每个电极电压不同，且各电极上的电压均小于所述横向高压器件的击穿电压。
2.根据权利要求1所述的一种具有低比导通电阻的横向高压器件，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)一端的电极的内表面与第一型掺杂杂质漂移区(3)外表面之间的距离Wi+1，不低于靠近第二型掺杂杂质阱区(4)一端的电极的内表面与第一型掺杂杂质漂移区(3)外表面之间的距离Wi，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Hi+1，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Hi。
3.根据权利要求1所述的一种具有低比导通电阻的横向高压器件，其特征在于：所述n个电极(11)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。
4.根据权利要求1所述的一种具有低比导通电阻的横向高压器件，其特征在于：所述电极(11)材料为多晶硅。
5.根据权利要求1所述的一种具有低比导通电阻的横向高压器件，其特征在于：所述电极(11)材料为金属。
6.根据权利要求1所述的一种具有低比导通电阻的横向高压器件，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。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的一种具有低比导通电阻的横向高压器件，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。
8.根据权利要求1至6中任一项所述的一种具有低比导通电阻的横向高压器件，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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