TWI387012B - 橫向擴散金氧半電晶體元件及提高橫向擴散金氧半電晶體元件崩潰電壓之方法 - Google Patents

Description

橫向擴散金氧半電晶體元件及提高橫向擴散金氧半電晶體元件崩潰電壓之方法

本發明係有關於一種半導體元件，特別是關於一種橫向擴散金氧半電晶體(Lateral Diffused MOS Transistor，LDMOS)。

功率半導體元件(power semiconductor devices)常被應用在許多電子電路中，而最常被用在高電壓積體電路上的元件係橫向擴散金氧半電晶體(LDMOS)。LDMOS的優點是其具有特別的導通電阻值(on-resistance)與崩潰電壓(breakdown voltage)特性，而且LDMOS製程可以和超大型積體電路(VLSI)製程相配合。

請參閱第1圖，其為傳統橫向擴散金氧半電晶體LDMOS結構之剖面圖，一p型磊晶層104(亦可為一P井)位於一p型矽基底102上，一N井106(N Well)位於p型磊晶層104中。複數個場氧化層108(field oxide layer,FOX)位於部分p型磊晶層104與N井106上。一包含閘電極110與閘極介電層112之閘極結構114位於部分p型磊晶層104、N井106與場氧化層108上。以離子植入法形成之N+源極116於閘極結構114之一側，且N+汲極118鄰接閘極結構114旁之場氧化層108。此種傳統LDMOS結構係藉由場氧化層108和將井區拉大之技術，增加元件和元件間的隔絕，然而，此種技術會造成元件尺寸的增加，不利元件之微縮。

根據上述問題，本發明提出一種橫向擴散金氧半電晶體元件。一P型塊材位於一基底上，一N型井區位於P型塊材中，複數個場氧化層位於P型塊材和N型井區上，一閘極結構位於部份P型塊材和上述場氧化層中之一場氧化層上，至少一深溝槽絕緣結構位於P型塊材中且鄰接N型井區。

本發明提出一種非對稱橫向擴散金氧半電晶體元件。一P型塊材位於一基底上，一N型井區位於P型塊材中，複數個場氧化層位於P型塊材和N型井區上，一閘極結構位於部份P型塊材和上述場氧化層中之一第一場氧化層上，一用以提供非對稱橫向擴散金氧半電晶體元件之元件和元件間之隔絕的深溝槽絕緣結構，進一步隔絕N型井區和P型塊材界面間之接面崩潰的路徑。

本發明提出一種提高非對稱橫向擴散金氧半電晶體元件崩潰電壓之方法，包括以下步驟：提供一非對稱橫向擴散金氧半電晶體元件，包括一位於基底上之P型塊材，一位於P型塊材中之N型井區，複數個位於P型塊材和N型井區上之場氧化層，及一位於部份P型塊材和場氧化層之一場氧化層上閘極結構。形成一深溝槽絕緣結構於N型井區和P型塊材之界面，以藉由隔絕N型井區和P型塊材界面間之接面崩潰的路徑，提升非對稱橫向擴散金氧半電晶體元件之崩潰電壓。

以下配合第2A圖和第2B圖描述一非對稱(asymmetric)橫向擴散金氧半電晶體(LDMOS)，其係形成深溝槽絕緣(deep trench isolation，DTI)結構230，作為元件中單元間的隔絕。第2A圖係為此技術橫向擴散金氧半電晶體之平面圖，第2B圖係為沿著第2A圖I-I’剖面線之剖面圖，如第2A圖和第2B圖所示，一P型磊晶層204位於一P型基底202上，P型基底202上方係包括一P型塊材206(p-well bulk)，且一N型井區214形成於P型塊材206中。複數個場氧化層216(field oxide，FOX)形成於P型塊材206和N型井區214上。一包含閘電極218與閘極介電層220之閘極結構222位於部分P型塊材206與場氧化層216上。一N+之汲極208位於鄰接閘極結構222之場氧化層216之一側，且設置於N型井區214中，一N+之源極210鄰接場氧化層216旁之閘極結構222。一P+之基極212位於P型塊材206中，且設置於兩場氧化層216間。一介電層228覆蓋上述場氧化層216、閘極結構222和P型塊材206。複數個插塞224形成於介電層228中，且複數個導線226形成於對應的插塞224上，以分別提供汲極208、源極210和基極212之外部電性連接。一填入例如氧化物之介電材料的深溝槽絕緣結構230貫穿場氧化層216、P型塊材206和P型磊晶層204和部份基底202，以提供元件間之隔絕。此深溝槽絕緣結構230係可取代傳統橫向擴散金氧半電晶體之井區隔絕(well isolation)，以使元件之尺寸可進一步縮小。

值得注意的是，此種非對稱橫向擴散金氧半電晶體之深溝槽絕緣結構230係和P型塊材206中之N型井區214係相隔一例如1~3μm之距離，而N型井區214之邊緣和角落是最容易產生尖端放電，使元件產生崩潰(break down)之位置，造成元件之崩潰電壓無法進一步提高。

根據上述，本發明提供一非對稱橫向擴散金氧半電晶體元件，以解決此問題，以下配合第3A圖和第3B圖描述本發明一實施利非對稱橫向擴散金氧半電晶體，第3A圖係為此實施例橫向擴散金氧半電晶體之平面圖，第3B圖係為沿著第3A圖I-I’剖面線之剖面圖。請參照第3A圖和第3B圖，一P型磊晶層303位於一P型基底301上，P型基底301上係包括一P型塊材306(p-well bulk)，且一N型井區304形成於P型塊材306中。複數個場氧化層316形成於P型塊材306和N型井區304上。一包含閘電極318與閘極介電層320之閘極結構322位於部分P型塊材306與場氧化層316上。一N+之汲極308位於鄰接閘極結構322之場氧化層316之一側，且設置於N型井區304中，一N+之源極310鄰接場氧化層316旁之閘極結構322。一P+之基極312位於P型塊材306中，且設置於兩場氧化層316間。一介電層328覆蓋上述場氧化層316、閘極結構322和P型塊材306。複數個插塞324形成於介電層328中，且複數個導線326形成於對應的插塞324上，以分別提供汲極308、源極310和基極312之外部電性連接。一填入例如氧化物之介電材料之深溝槽絕緣結構302貫穿場氧化層316、P型塊材306和P型磊晶層303和部份基底301，以提供元件間之隔絕。值得注意的是，如第3A圖和第3B圖所示，本實施例係將深溝槽絕緣結構302鄰接N型井區304之一側邊，且特別是鄰接N型井區304相對於閘極結構322之另一側的側邊。如此，深溝槽絕緣結構302可將N型井區304該側邊容易產生接面崩潰的路徑隔絕掉，以改善此部分的弱點。根據上述，本實施例非對稱橫向擴散金氧半電晶體元件不僅可縮小元件距(device pitch)，且可進一步提升元件之耐壓。另外，此部份之改善不需增加製程步驟，亦即，本實施例可在不增加製作成本之情形下，改進元件特性。

第4A圖和第4B圖描述本發明另一實施利非對稱橫向擴散金氧半電晶體元件，第4A圖係為此實施例橫向擴散金氧半電晶體之平面圖，第4B圖係為沿著第4A圖I-I’剖面線之剖面圖。本實施例之元件結構和第3A~3B圖實施例元件結構之差異在於深溝槽絕緣結構402與N型井區404之相對位置，為簡潔，和上述實施例相類似之部份不在此詳細描述，且相類似的單元使用相同的標號。

如第4A圖和第4B圖所示，相較於第3A~3B圖實施例之元件結構，本實施例之深溝槽絕緣結構402進一步包圍N型井區404之三個側邊，且與該三個側邊接觸。如此，本實施例之深溝槽絕緣結402可進一步將N型井區404之三個側邊容易產生接面崩潰的路徑隔絕掉，改善此三個部分的弱點，提升元件之崩潰電壓。

第5A圖顯示當橫向擴散金氧半電晶體之深溝槽絕緣結構和N型井區相隔一固定距離時，元件之電流相對於電壓之關係圖。第5B圖顯示當橫向擴散金氧半電晶體之深溝槽絕緣鄰接N型井區之一側時，元件之電流相對於電壓之關係圖。第5C圖顯示當深溝槽絕緣結構包圍N型井區之三側時，元件之電流相對於電壓之關係圖。以下分別以第5A圖、第5B圖和第5C圖比較深溝槽絕緣結構和N型井區相隔一固定距離、深溝槽絕緣鄰接N型井區之一側和深溝槽絕緣結構包圍N型井區之三側實施例的崩潰電壓。請參照第5A圖，當LDMOS之深溝槽絕緣結構和N型井區相隔一固定距離時，元件之崩潰電壓約為56V。請參照第5B圖，當LDMOS之深溝槽絕緣鄰接N型井區之一側時，可使其崩潰電壓增加至約62V。請參照第5C圖，當LDMOS之深溝槽絕緣結構包圍N型井區之三側時，可使其崩潰電壓進一步增加至約90~100V。

根據上述實施例，本發明至少可提供以下優點：藉由深溝槽絕緣結構步將N型井區之側邊容易產生接面崩潰的路徑隔絕掉，以提升元件之崩潰電壓，且除了深溝槽絕緣結構本身可減少元件尺寸外，本發明實施例使深溝槽絕緣結構向內縮，使其更靠近N型井區之技術可更進一步縮小元件尺寸，提高元件積集度。

以上提供之實施例係用以描述本發明不同之技術特徵，但根據本發明之概念，其可包括或運用於更廣泛之技術範圍。須注意的是，實施例僅用以揭示本發明製程、裝置、組成、製造和使用之特定方法，並不用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾。因此，本發明之保護範圍，當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

102．．．基底

104．．．p型磊晶層/P井

106．．．N井

108．．．場氧化層

110．．．閘電極

112．．．閘極介電層

114．．．閘極結構

116．．．N+源極

118．．．N+汲極

202．．．基底

204．．．P型磊晶層

206．．．P型塊材

208．．．N+之汲極

210．．．N+之源極

212．．．P+之基極

214．．．N型井區

216．．．場氧化層

218．．．閘電極

220．．．閘極介電層

222．．．閘極結構

224．．．插塞

226．．．導線

228．．．介電層

230．．．深溝槽絕緣結構

301．．．P型基底

302．．．深溝槽絕緣結構

303．．．P型磊晶層

304．．．N型井區

306．．．P型塊材

308．．．N+之汲極

310．．．N+之源極

312．．．P+之基極

316．．．場氧化層

318．．．閘電極

320．．．閘極介電層

322．．．閘極結構

324．．．插塞

326．．．導線

328．．．介電層

402．．．深溝槽絕緣結構

404．．．N型井區

第1圖顯示傳統橫向擴散金氧半電晶體(LDMOS)結構之剖面圖。

第2A圖顯示一包括深溝槽絕緣結構之橫向擴散金氧半電晶體之平面圖。

第2B圖顯示沿著第2A圖I-I’剖面線之剖面圖。

第3A圖顯示本發明一實施例包括深溝槽絕緣結構之橫向擴散金氧半電晶體之平面圖。

第3B圖顯示沿著第3A圖I-I’剖面線之剖面圖。

第4A圖顯示本發明另一實施例包括深溝槽絕緣結構之橫向擴散金氧半電晶體之平面圖。

第4B圖顯示沿著第4A圖I-I’剖面線之剖面圖。

第5A圖顯示當橫向擴散金氧半電晶體之深溝槽絕緣結構和N型井區相隔一固定距離時，元件之電流相對於電壓之關係圖。

第5B圖顯示當橫向擴散金氧半電晶體之深溝槽絕緣鄰接N型井區之一側時，元件之電流相對於電壓之關係圖。

第5C圖顯示當深溝槽絕緣結構包圍N型井區之三側時，元件之電流相對於電壓之關係圖。

301．．．P型基底

302．．．深溝槽絕緣結構

303．．．P型磊晶層

304．．．N型井區

306．．．P型塊材

308．．．N+之汲極

310．．．N+之源極

312．．．P+之基極

316．．．場氧化層

318．．．閘電極

320．．．閘極介電層

322．．．閘極結構

324．．．插塞

326．．．導線

328．．．介電層

Claims (16)

1. 一種橫向擴散金氧半電晶體元件，包括：一基底；一P型塊材，位於該基底上；一N型井區，位於該P型塊材中；複數個場氧化層，位於該P型塊材和該N型井區上；一閘極結構，位於部份該P型塊材和該些場氧化層中之一場氧化層上；以及至少一深溝槽絕緣結構，位於該P型塊材中且鄰接該N型井區，其中該深溝槽絕緣結構直接接觸且包圍該N型井區之三個側邊。
2. 如申請專利範圍第1項所述之橫向擴散金氧半電晶體元件，其中該深溝槽絕緣結構直接接觸該N型井區之一側邊。
3. 如申請專利範圍第1項所述之橫向擴散金氧半電晶體元件，尚包括一N+之汲極，設置於該N型井區中。
4. 如申請專利範圍第3項所述之橫向擴散金氧半電晶體元件，其中該N+之汲極係鄰接該閘極結構下之場氧化層。
5. 如申請專利範圍第1項所述之橫向擴散金氧半電晶體元件，尚包括一N+之源極，設置於該P型塊材中。
6. 如申請專利範圍第5項所述之橫向擴散金氧半電晶體元件，其中該N+之源極係鄰接該閘極結構之一側。
7. 如申請專利範圍第1項所述之橫向擴散金氧半電晶體元件，尚包括一P型磊晶層，設置於該P型塊材和該基 底間。
8. 如申請專利範圍第1項所述之橫向擴散金氧半電晶體元件，其中該橫向擴散金氧半電晶體元件為非對稱(asymmetric)橫向擴散金氧半電晶體元件。
9. 一種橫向擴散金氧半電晶體元件，包括：一基底；一P型塊材，位於該基底上；一N型井區，位於該P型塊材中；複數個場氧化層，位於該P型塊材和該N型井區上；一閘極結構，位於部份該P型塊材和該些場氧化層中之一第一場氧化層上；及一用以提供該橫向擴散金氧半電晶體元件之元件和元件間之隔絕的深溝槽絕緣結構，進一步隔絕該N型井區和該P型塊材界面間之接面崩潰的路徑，其中該深溝槽絕緣結構貫穿該些場氧化層中之另一場氧化層、該P型塊材、該P型磊晶層，且延伸入部份該基底中，該另一場氧化層與該位於閘極結構下之場氧化層分別設置於該N型井區之相對兩側。
10. 如申請專利範圍第9項所述之橫向擴散金氧半電晶體元件，其中該深溝槽絕緣結構直接接觸該N型井區之一側邊。
11. 如申請專利範圍第9項所述之橫向擴散金氧半電晶體元件，其中該深溝槽絕緣結構直接接觸且包圍該N型井區之三個側邊。
12. 如申請專利範圍第9項所述之橫向擴散金氧半電 晶體元件，尚包括一N+之汲極，設置於該N型井區中，且該N+之汲極係鄰接該閘極結構下之場氧化層。
13. 如申請專利範圍第9項所述之橫向擴散金氧半電晶體元件，尚包括一N+之源極，設置於該P型塊材中，且該N+之源極係鄰接該閘極結構之一側。
14. 一種提高橫向擴散金氧半電晶體元件崩潰電壓之方法，包括：提供一橫向擴散金氧半電晶體元件，包括：一基底；一P型塊材，位於該基底上；一N型井區，位於該P型塊材中；複數個場氧化層，位於該P型塊材和該N型井區上；一閘極結構，位於部份該P型塊材和該些場氧化層之一場氧化層上；以及形成一深溝槽絕緣結構於該N型井區和該P型塊材之界面，以藉由隔絕該N型井區和該P型塊材界面間之接面崩潰的路徑，提升該橫向擴散金氧半電晶體元件之崩潰電壓，其中該方法係使該深溝槽絕緣結構直接接觸且包圍該N型井區之三個側邊。
15. 一種橫向擴散金氧半電晶體元件，包括：一基底；一P型塊材，位於該基底上；一N型井區，位於該P型塊材中；複數個場氧化層，位於該P型塊材和該N型井區上；一閘極結構，位於部份該P型塊材和該些場氧化層中 之一場氧化層上；以及至少一深溝槽絕緣結構，位於該P型塊材中且鄰接該N型井區，其中該深溝槽絕緣結構貫穿該些場氧化層中之另一場氧化層，該另一場氧化層與該位於閘極結構下之場氧化層分別設置於該N型井區之相對兩側。
16. 一種橫向擴散金氧半電晶體元件，包括：一基底；一P型塊材，位於該基底上；一N型井區，位於該P型塊材中；複數個場氧化層，位於該P型塊材和該N型井區上；一閘極結構，位於部份該P型塊材和該些場氧化層中之一場氧化層上；以及至少一深溝槽絕緣結構，位於該P型塊材中且鄰接該N型井區，其中該深溝槽絕緣結構貫穿該另一場氧化層、該P型塊材、該P型磊晶層，且延伸入部份該基底中。