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具有源極場板的薄膜soi厚柵氧功率器件的制作方法

文檔序號:6893295閱讀:371來源:國知局
專利名稱:具有源極場板的薄膜soi厚柵氧功率器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明屬于半導(dǎo)體功率器件技術(shù)領(lǐng)域。
技術(shù)背景高壓p型橫向雙擴(kuò)散場效應(yīng)晶體管p-LDMOSFET (p-Channel Lateral Double Diffiised MOSFET)常用于電平位移電路中,將低壓邏輯信號轉(zhuǎn)換成高壓邏輯信號,以簡化電路設(shè)計(jì)。 通常p-LDMOSFET源極接最高電源電壓,而漏極作為輸出端,器件漂移區(qū)承受高壓以滿足高 壓工作要求。常規(guī)p-LDMOSFET器件柵氧化層很薄,而在電平位移電路中器件柵極與源極間 通常需要承受高達(dá)高壓電源電壓的耐壓,過薄的柵氧化層無法滿足柵源電極之間的耐壓要求。為了改善器件的耐壓特性,研究者們提出了各種措施。文獻(xiàn)(1) Tae Moon Roh, Dae Woo Lee, Sang-Gi Kim, Il-Yong Park, Sung Ku Kwon, Yil Suk Yang, Byoung Gon Yu, and Jongdae Kim, "Highly Reliable p-LDMOSFET with an Uneven Racetrack Source for PDP Driver IC Applications", ISPSD 2003, April 14-17,Cambridge,UK,采用 硅基厚柵氧p-LDMOSFET,如圖1。其中,1是p襯底,16是深n阱,9是p+漏區(qū),5是和 漏區(qū)9摻雜雜質(zhì)類型相同的p漂移區(qū),3是高壓n阱,7是p+源區(qū),8是n+阱接觸區(qū),10是 厚柵氧層,20是場氧層,11是柵極,13是源極,14是漏極。該結(jié)構(gòu)柵氧化層10較厚、為 200nm,可以承受高的柵源電壓VGS,滿足電平位移電路對p-LDMOSFET柵源耐壓的要求。 然而其采用硅基自隔離技術(shù),需要大的PN結(jié)隔離面積,漏電流大,寄生效應(yīng)嚴(yán)重,并容易 發(fā)生閂鎖。文獻(xiàn)(2) Jongdae Kim, Tae Moon Roh, Sang-Gi Kim, Q. Sang Song, Dae Woo Lee, Jin-Gun Koo, Kyoung-Ik Cho, and Dong Sung Ma, "High-Voltage Power Integrated Circuit Technology Using SOI for Driving Plasma Display Panels",正EE TRANSACTIONS ON ELECTRON DEVICES, VOL.48, NO.6, JUNE 2001,如圖2。其中,l是n+襯底,2是埋氧層,15是SOI 層,21是p外延層,16是深n阱,9是p+漏區(qū),5是和漏區(qū)9摻雜雜質(zhì)類型相同的p漂移區(qū), 3是n阱,7是n+阱接觸區(qū),8是p+源區(qū),10是厚柵氧層,11是柵極,13是源極,14是漏極。 該器件為厚膜SOI (Silicon-On-Insulator)結(jié)構(gòu),在圖1的基礎(chǔ)上增加了埋氧層2, SOI層15 較厚,為8pm。器件集成方式由PN結(jié)隔離變?yōu)樯畈劢橘|(zhì)隔離,寄生效應(yīng)減小,有助于避免 閂鎖效應(yīng)。柵氧化層10較厚,可以承受高的柵源電壓。由于較厚的SOI層,雖采用介質(zhì)隔離的SOI技術(shù),但p型漂移區(qū)5與深n阱16仍存在大面積的PN結(jié),其并沒有充分利用SOI 技術(shù)的低漏電、低功耗優(yōu)勢;并且由于采用深槽介質(zhì)隔離方式,需要進(jìn)行深槽刻蝕、槽填充、 平坦化等額外的工藝步驟,增加了工藝成本。傳統(tǒng)厚膜SOI厚柵氧器件由于受到SOI背柵效 應(yīng)而導(dǎo)致的穿通擊穿限制,通常采用大于5tim的頂層硅厚度,而不能做得更薄。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明目的在于提供一種具有源極場板的薄膜SOI新型厚柵氧功率器件,與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)相 比,其基于薄膜SOI技術(shù),進(jìn)一步降低了傳統(tǒng)厚膜SOI器件的寄生效應(yīng),從而具有更低的漏 電流。由于SOI層較薄,其可采用常規(guī)的LOCOS(local oxidation of silicon)工藝實(shí)現(xiàn)器件的介 質(zhì)隔離,亦可采用淺槽隔離技術(shù);與深槽介質(zhì)隔離相比,改善了工藝的兼容性。器件具有延 伸至漂移區(qū)的源極場板,增強(qiáng)了薄膜SOI器件的漂移區(qū)耗盡,有助于提高漂移區(qū)濃度,降低 器件的導(dǎo)通電阻,并在源極場板末端引入新的電場峰值,降低器件承受高壓時(shí)柵極末端的硅 表面電場峰值,從而改善器件的擊穿特性。本發(fā)明提供一種具有源極場板的薄膜SOI厚柵氧功率器件,它包括襯底1、埋氧層2、 SOI層15、厚柵氧10、柵極11、源極13和漏極14;所述埋氧層2處于襯底1和SOI層15 中間;所述SOI層15由體區(qū)3、漏區(qū)阱4、漂移區(qū)5、源區(qū)7、阱接觸區(qū)8和漏區(qū)9構(gòu)成;所 述厚柵氧10處于柵極11和SOI層15之間,所述漏區(qū)9處于漏極14和漏區(qū)阱4之間,所述 源區(qū)7和阱接觸區(qū)8并排處于源極13和體區(qū)3之間;所述柵極11、源極13和漏極14通過 層間介質(zhì)12相互隔離。其特征在于所述源極13在器件表面跨過柵極11的上方并延伸至漂 移區(qū)5的上方,成為源極場板;所述SOI層15的厚度為lpm 2pm;所述柵氧層10的厚度 為100nm 800nm;所述體區(qū)3、漂移區(qū)5、漏區(qū)阱4直接與埋氧層2相接。上述方案中,所述體區(qū)3中還可具有有源擴(kuò)展區(qū)6,所述有源擴(kuò)展區(qū)6位于厚柵氧10的 下方并與源區(qū)7相連。本發(fā)明體區(qū)3、漂移區(qū)5、漏區(qū)阱4直接與埋氧層2相接,進(jìn)一步消除了傳統(tǒng)厚膜SOI器件的 寄生效應(yīng);柵氧下具有源擴(kuò)展區(qū)6,其與源區(qū)7相連,以保證器件的更加有效的形成;源極13 在器件表面跨過柵極11并延伸至漂移區(qū)5上、與漏極14相距一定距離,作為場板以增強(qiáng)薄膜S01 器件的漂移區(qū)5耗盡,降低器件承受高壓時(shí)柵極ll末端的硅表面電場峰值。需要說明的是(1)上面所述的漂移區(qū)5可由分別與體區(qū)3和漏區(qū)阱4相連且導(dǎo)電類型相反的p型區(qū) 17和n型區(qū)18交替構(gòu)成(如圖4所示);其中,p型區(qū)17和n型區(qū)18的形狀可以是矩形(圖4所示),也可以是梯形(如圖5所示);p型區(qū)17和n型區(qū)18的濃度、寬度可以相同也 可以不同。(2)上面所述的漂移區(qū)5可由分別與體區(qū)3和漏區(qū)阱4相連的p型區(qū)17和介質(zhì)I區(qū)19 構(gòu)成(如圖6所示)。p型區(qū)17和介質(zhì)I區(qū)的形狀可以是矩形(如圖6所示),也可以是梯形; p型區(qū)17和介質(zhì)I區(qū)19寬度可以相同也可以不同。G)上面所述的漂移區(qū)5可由從源區(qū)到漏區(qū)方向線性變摻雜的p型區(qū)Pl、P2.......Pi......,Pn-l, Pn (—1,2,..., i, ..., n-l,n)構(gòu)成(如圖7所示),p型區(qū)Pl到p型區(qū)Pn濃度線性增 加。(4)上面所述的體區(qū)3可以是均勻摻雜,也可以是倒摻雜,如圖8 (b)所示,倒摻雜 時(shí)體區(qū)3底部濃度高、表面濃度低。本發(fā)明的工作原理本發(fā)明提供的一種具有源極場板的薄膜SOI新型厚柵氧功率器件,可以進(jìn)一步降低傳統(tǒng) 器件的寄生電容,提高器件的開關(guān)速度,避免閂鎖效應(yīng),易與薄膜SOI技術(shù)兼容,且通過增 加源極場板改善器件的擊穿特性,并進(jìn)一步降低器件的導(dǎo)通電阻,獲得較低的導(dǎo)通損耗。這 里以高壓p-LDMOSFET為例(如圖3),說明本發(fā)明的工作原理。在器件關(guān)斷時(shí),源極13和柵極11電位為高壓電源電壓、漏極14為低電壓,器件漂移區(qū) 5耗盡,以承受高耐壓。器件的縱向耐壓取決于埋氧層2厚度,厚度越大,縱向耐壓越高。 假設(shè)埋氧層2足夠厚,器件不發(fā)生縱向體內(nèi)擊穿,在沒有源極場板13,漂移區(qū)5濃度較高時(shí), 雪崩擊穿發(fā)生在柵極11末端的硅表面或漂移區(qū)5和體區(qū)3形成的冶金結(jié)表面。源極13在器 件表面跨過柵極ll,并延伸至漂移區(qū)5上,與漏極14相距一定距離,其與柵極ll形成階梯 場板以增強(qiáng)薄膜SOI器件的漂移區(qū)5耗盡,在源極13末端引入新的電場峰值,降低器件承受 高壓時(shí)柵極11末端或漂移區(qū)5和體區(qū)3形成的冶金結(jié)處的硅表面電場峰值,從而改善器件的 擊穿特性,并有助于提高漂移區(qū)5濃度,降低器件的導(dǎo)通電阻。由于采用薄膜SOI, n型體區(qū) 3如采用均勻濃度,其濃度要求略高,以防止由于源極13為高壓、襯底l為低壓時(shí),器件背 溝MOSFET耗盡層擴(kuò)展到源擴(kuò)展區(qū)6、源區(qū)7和體區(qū)3的內(nèi)建勢壘所引起的器件過早發(fā)生穿 通擊穿,從而降低器件擊穿電壓。可采用倒摻雜的體區(qū)3結(jié)構(gòu),提高埋氧層2上體區(qū)3濃度 以防止器件穿通擊穿、降低體區(qū)3表面濃度以減小厚柵氧器件的閾值電壓,從而改善器件的 開態(tài)特性。在器件導(dǎo)通時(shí),由于采用的柵氧化層10較厚,因此柵極11和源極13間能夠承受 較高的電壓。本發(fā)明采用薄膜SOI材料,與傳統(tǒng)PN結(jié)隔離的體硅技術(shù)相比,其具有更小的寄生效應(yīng), 更高的工作頻率,且器件避免了閂鎖現(xiàn)象的發(fā)生。而與文獻(xiàn)2厚膜SOI器件相比,本發(fā)明采 用小于2pm的SOI厚度。這一結(jié)構(gòu)特點(diǎn)使得薄膜SOI器件具有寄生效應(yīng)小、速度快、功耗低、 抗輻照能力強(qiáng)等諸多優(yōu)點(diǎn),并且與標(biāo)準(zhǔn)工藝兼容,不需要深槽介質(zhì)隔離,工藝簡單。采用 LOCOS隔離工藝或淺槽隔離技術(shù)實(shí)現(xiàn)器件的高低壓兼容,降低了工藝難度及成本。綜上所述,本發(fā)明提供一種具有源極場板的薄膜SOI厚柵氧功率器件,其柵氧層厚,可 承受大的柵源電壓,滿足電平位移電路的需要;利用薄膜SOI,可降低器件的寄生效應(yīng),減 小損耗;通過在功率器件表面增加跨過柵極的源極場板,增大漂移區(qū)耗盡,降低柵極末端的 硅表面電場峰值,改善器件的擊穿特性,并有助于提高漂移區(qū)濃度,降低器件的導(dǎo)通電阻。 因此,采用本發(fā)明可以制作各種性能優(yōu)良的高壓、高速、低導(dǎo)通損耗的功率器件。


圖1是基于體硅技術(shù)的厚柵氧p-LDMOSFET結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是基于厚膜SOI的厚柵氧p-LDMOSFET結(jié)構(gòu)示意圖。圖3是本發(fā)明提供的具有源極場板的薄膜SOI新型厚柵氧功率器件結(jié)構(gòu)示意圖。圖4是本發(fā)明提供的漂移區(qū)5為矩形p、 n交替結(jié)構(gòu)的厚柵氧功率器件結(jié)構(gòu)示意圖,硅表 面上結(jié)構(gòu)與圖3同。圖5是本發(fā)明提供的漂移區(qū)5為梯形p、 n交替結(jié)構(gòu)的厚柵氧功率器件結(jié)構(gòu)示意圖,硅表 面上結(jié)構(gòu)與圖3同。圖6是本發(fā)明提供的漂移區(qū)5為矩形(或梯形)p、 I交替結(jié)構(gòu)的厚柵氧功率器件結(jié)構(gòu)示 意圖,硅表面上結(jié)構(gòu)與圖3同。圖7是本發(fā)明提供的漂移區(qū)5為線性變摻雜的厚柵氧功率器件結(jié)構(gòu)示意圖。圖8是本發(fā)明提供的體區(qū)3為倒摻雜阱的厚柵氧功率器件結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
采用本發(fā)明的具有源極場板的薄膜SOI新型厚柵氧功率器件結(jié)構(gòu),可以得到性能優(yōu)良的 高壓、高速、低導(dǎo)通損耗的功率器件。尤其是可實(shí)現(xiàn)60V到300V的高壓厚柵氧器件,滿足 70~100 V PDP尋址驅(qū)動IC、 170~275 VPDP行驅(qū)動IC中的電平位移電路對高壓PMOS的耐 壓要求。具有源極場板的薄膜SOI新型厚柵氧功率器件如圖3所示,包括襯底l,埋氧層2, SOI 層15,體區(qū)3,漂移區(qū)5,柵氧下源擴(kuò)展區(qū)6,源區(qū)7,阱接觸區(qū)8,漏區(qū)阱4、漏區(qū)9,厚柵 氧IO,層間介質(zhì)12,柵極11,源極13和漏極14。其特征是SOI層15較薄,厚度為lnm 2pm, 沒有采用傳統(tǒng)的厚膜SOI;柵氧層10較厚、為100nm 800nm,柵極11和源極13間可承受 大的電壓;體區(qū)3、漂移區(qū)5、漏區(qū)阱4直接與埋氧層2相接,進(jìn)一步消除了傳統(tǒng)厚膜SOI 器件的寄生效應(yīng);柵氧下具有源擴(kuò)展區(qū)6,其與源區(qū)7相連,以保證器件更加有效的形成; 源擴(kuò)展區(qū)6可通過柵氧10形成后的高能離子注入實(shí)現(xiàn),也可以通過柵氧形成前注入實(shí)現(xiàn)。源 極13在器件表面跨過柵極11并延伸至漂移區(qū)5上、與漏極14相距一定距離,作為場板以增 強(qiáng)薄膜SOI器件的漂移區(qū)5耗盡,降低器件承受高壓時(shí)柵極11末端的硅表面電場峰值。該結(jié) 構(gòu)可以用于p型橫向雙擴(kuò)散場效應(yīng)晶體管p-LDMOSFET、 n型橫向雙擴(kuò)散場效應(yīng)晶體管 n-LDMOSFET、還可以用于p型橫向絕緣柵雙極型晶體管p-LIGBT(p-Channel Lateral Insulated Gate Bipolar Transistor)、 n型橫向絕緣柵雙極型晶體管n-LIGBT、橫向晶閘管,PN 二極管等 常見功率器件。在實(shí)施過程中,可以根據(jù)具體情況,在基本結(jié)構(gòu)不變的情況下,進(jìn)行一定的變通設(shè)計(jì),例如圖4是漂移區(qū)5采用矩形p型區(qū)17和矩形n型區(qū)18交替結(jié)構(gòu),以改善器件漂移區(qū)5承 受高壓時(shí)表面場分布,并進(jìn)一步降低器件導(dǎo)通電阻。圖5是漂移區(qū)5采用梯形p型區(qū)17和梯形n型區(qū)18交替結(jié)構(gòu),以改善器件漂移區(qū)5承 受高壓時(shí)表面場分布,并進(jìn)一步降低器件導(dǎo)通電阻。圖6是漂移區(qū)5采用矩形(或梯形)p型區(qū)17和矩形(或梯形)介質(zhì)I區(qū)19交替結(jié)構(gòu), 以改善器件漂移區(qū)5承受高壓時(shí)表面場分布,并進(jìn)一步降低器件的導(dǎo)通電阻。I區(qū)可以通過 LOCOS工藝形成,也可以通過槽刻蝕再填充介質(zhì)方式形成。圖7是漂移區(qū)5采用線性變摻雜結(jié)構(gòu),以改善器件漂移區(qū)5承受高壓時(shí)表面場分布,并 進(jìn)一步降低器件的導(dǎo)通電阻。線形摻雜的漂移區(qū)5可通過掩模窗口從源到漏依次增大的注入 再擴(kuò)散方式形成。圖8是體區(qū)3采用倒摻雜阱結(jié)構(gòu),通過高能離子注入形成倒摻雜阱結(jié)構(gòu)。提高器件的背 柵閾值電壓,降低前柵閾值電壓。
權(quán)利要求
1、具有源極場板的薄膜SOI厚柵氧功率器件,它包括襯底(1)、埋氧層(2)、SOI層(15)、厚柵氧(10)、柵極(11)、源極(13)和漏極(14);所述埋氧層(2)處于襯底(1)和SOI層(15)中間;所述SOI層(15)由體區(qū)(3)、漏區(qū)阱(4)、漂移區(qū)(5)、源區(qū)(7)、阱接觸區(qū)(8)和漏區(qū)(9)構(gòu)成;所述厚柵氧(10)處于柵極(11)和SOI層(15)之間,所述漏區(qū)(9)處于漏極(14)和漏區(qū)阱(4)之間,所述源區(qū)(7)和阱接觸區(qū)(8)并排處于源極(13)和體區(qū)(3)之間;所述柵極(11)、源極(13)和漏極(14)通過層間介質(zhì)(12)相互隔離;其特征在于所述源極(13)在器件表面跨過柵極(11)的上方并延伸至漂移區(qū)(5)的上方,成為源極場板;所述SOI層(15)的厚度為1μm~2μm;所述柵氧層(10)的厚度為100nm~800nm;所述體區(qū)(3)、漂移區(qū)(5)、漏區(qū)阱(4)直接與埋氧層(2)相接。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有源極場板的薄膜SOI厚柵氧功率器件,其特征在于所述 體區(qū)(3)中具有有源擴(kuò)展區(qū)(6),所述有源擴(kuò)展區(qū)(6)位于厚柵氧(10)的下方并與源區(qū)(7)相連。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的具有源極場板的薄膜SOI厚柵氧功率器件,其特征在于 所述漂移區(qū)(5)由分別與體區(qū)(3)和漏區(qū)阱(4)相連且導(dǎo)電類型相反的p型區(qū)(17)和n 型區(qū)(18)交替構(gòu)成;其中,p型區(qū)(17)和n型區(qū)(18)的形狀是矩形或梯形;p型區(qū)(17) 和n型區(qū)(18)的濃度、寬度相同或不同。
4、 根據(jù)權(quán)利要求l或2所述的具有源極場板的薄膜SOI厚柵氧功率器件,其特征在于 所述漂移區(qū)(5)由分別與體區(qū)(3)和漏區(qū)阱(4)相連的p型區(qū)(17)和介質(zhì)I區(qū)(19)構(gòu) 成p型區(qū)(17)和介質(zhì)I區(qū)(19)的形狀是矩形或梯形;p型區(qū)(17)和介質(zhì)I區(qū)(19)寬 度相同或不同。
5、 根據(jù)權(quán)利要求l或2所述的具有源極場板的薄膜SOI厚柵氧功率器件,其特征在于.-所述漂移區(qū)(5)由從源區(qū)到漏區(qū)方向線性變摻雜的p型區(qū)Pl、 P2.......Pi....... Pn-l和Pn構(gòu)成,i=l,2,..., i, ..., n-l,n, p型區(qū)Pl到p型區(qū)Pn濃度線性增加。
6、 根據(jù)權(quán)利要求l或2所述的具有源極場板的薄膜SOI厚柵氧功率器件,其特征在于 所述體區(qū)(3)是均勻摻雜或倒摻雜,倒摻雜時(shí)體區(qū)(3)底部濃度高、表面濃度低。
7、 根據(jù)權(quán)利要求l或2所述的具有源極場板的薄膜SOI厚柵氧功率器件,其特征在于 所述具有源極場板的薄膜SOI厚柵氧功率器件具體是p型橫向雙擴(kuò)散場效應(yīng)晶體管 p-LDMOSFET、 n型橫向雙擴(kuò)散場效應(yīng)晶體管n-LDMOSFET、 p型橫向絕緣柵雙極型晶體管 p-LIGBT、 n型橫向絕緣柵雙極型晶體管n-LIGBT、橫向晶閘管或PN 二極管。
全文摘要
本發(fā)明屬于半導(dǎo)體功率器件技術(shù)領(lǐng)域。器件SOI層較薄(1~2μm);柵氧化層較厚(100~800nm);源極跨過柵極上方并延伸至漂移區(qū)的上方。器件體區(qū)中還可具有位于厚柵氧下方并與源區(qū)相連的有源擴(kuò)展區(qū),以使整個(gè)器件更加有效的形成。本發(fā)明柵氧層較厚,可承受大的柵源電壓,滿足電平位移電路的需要;SOI層較薄,可降低器件的寄生效應(yīng),減小損耗;通過在功率器件表面增加跨過柵極的源極場板,可增大漂移區(qū)耗盡,降低柵極末端的硅表面電場峰值,改善器件的擊穿特性,并有助于提高漂移區(qū)濃度,降低器件的導(dǎo)通電阻。本發(fā)明具有寄生效應(yīng)小、速度快、功耗低、抗輻照能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),且與標(biāo)準(zhǔn)工藝兼容。采用本發(fā)明可以制作各種性能優(yōu)良的高壓、高速、低導(dǎo)通損耗的功率器件。
文檔編號H01L29/78GK101226961SQ20081004529
公開日2008年7月23日 申請日期2008年1月29日 優(yōu)先權(quán)日2008年1月29日
發(fā)明者明 喬, 波 張, 健 方, 李肇基, 驍 董, 蔣林利, 磊 趙 申請人:電子科技大學(xué)
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