一種超低比導(dǎo)通電阻的橫向高壓器件的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及半導(dǎo)體功率器件【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種超低比導(dǎo)通電阻的橫向高壓器件。本發(fā)明的超低比導(dǎo)通電阻的橫向高壓器件在N型漂移區(qū)中引入了高濃度的N型摻雜條為開(kāi)態(tài)電流提供低阻通道，在介質(zhì)槽中引入體場(chǎng)板輔助耗盡N型漂移區(qū)和N型摻雜條，提高器件的擊穿電壓。本發(fā)明的有益效果為，具有導(dǎo)通電阻低、耐壓高和版圖面積小的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)還降低了工藝難度和成本。本發(fā)明尤其適用于超低比導(dǎo)通電阻的橫向高壓器件。
【專利說(shuō)明】一種超低比導(dǎo)通電阻的橫向高壓器件
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及半導(dǎo)體功率器件【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種超低比導(dǎo)通電阻的橫向高壓器件。
【背景技術(shù)】
[0002]橫向高壓功率器件是高壓功率集成電路發(fā)展必不可少的部分，高壓功率器件要求具有高的擊穿電壓，低的導(dǎo)通電阻和低的開(kāi)關(guān)損耗。橫向高壓功率器件實(shí)現(xiàn)高的擊穿電壓，要求其用于承擔(dān)耐壓的漂移區(qū)具有長(zhǎng)的尺寸和低的摻雜濃度，但為了滿足器件低導(dǎo)通電阻，又要求作為電流通道的漂移區(qū)具有高的摻雜濃度。這一矛盾關(guān)系限制了橫向高壓器件在高壓功率集成電路中的引用，尤其是在要求低導(dǎo)通損耗和笑芯片面積的電路中。為了解決這對(duì)矛盾，在獲得高耐壓的同時(shí)，降低器件的比導(dǎo)通電阻，人們提出了了在漂移區(qū)中引入氧化槽，來(lái)承擔(dān)器件的大部分耐壓。由于二氧化硅的介電系數(shù)低，所以同樣耐壓下，只需要較短的漂移區(qū)長(zhǎng)度，進(jìn)而大大地降低整個(gè)芯片的面積。但傳統(tǒng)氧化槽結(jié)構(gòu)的橫向高壓器件，其比導(dǎo)通電阻仍然較大，無(wú)法進(jìn)一步緩解比導(dǎo)通電阻和擊穿電壓的矛盾關(guān)系。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明所要解決的，就是針對(duì)上述傳統(tǒng)橫向高壓功率器件存在的問(wèn)題，提出一種超低比導(dǎo)通電阻的橫向高壓器件。
[0004]本發(fā)明解決上述技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是:種超低比導(dǎo)通電阻的橫向高壓器件，包括P型襯底I上和設(shè)置在P型襯底I上端面的N型漂移區(qū)31，所述N型漂移區(qū)31中設(shè)置有元胞結(jié)構(gòu)和終端結(jié)構(gòu)，所述元胞結(jié)構(gòu)包括P型體區(qū)41，所述P型體區(qū)41中包括相互獨(dú)立的第一 N型重?fù)诫s區(qū)32和第一 P型重?fù)诫s區(qū)42，所述P型體區(qū)41上端面設(shè)置有源極金屬52和柵氧化層21，所述源極金屬52和柵氧化層21之間通過(guò)介質(zhì)層22隔離，所述柵氧化層21上端面設(shè)置有多晶硅柵電極51 ;所述終端結(jié)構(gòu)包括介質(zhì)槽2和第二 N型重?fù)诫s區(qū)33，所述介質(zhì)槽2分別與元胞結(jié)構(gòu)和第二 N型重?fù)诫s區(qū)33連接，所述第二 N型重?fù)诫s區(qū)33上端面設(shè)置有漏極金屬53，所述漏極金屬53和柵氧化層21之間通過(guò)介質(zhì)層22隔離，其特征在于，所述元胞結(jié)構(gòu)還包括第一 N型摻雜條34，所述第一 N型摻雜條34與介質(zhì)槽2的側(cè)面和柵氧化層21的底部連接，所述終端結(jié)構(gòu)還包括體場(chǎng)板54，所述多晶硅柵電極51和柵氧化層21延伸到介質(zhì)槽2上端面，所述體場(chǎng)板54與多晶硅柵電極51和柵氧化層21相切后深入介質(zhì)槽2。
[0005]本發(fā)明總的技術(shù)方案，元胞結(jié)構(gòu)的N型漂移區(qū)31中引入第一 N型摻雜條34，構(gòu)成高低結(jié)結(jié)構(gòu)，為開(kāi)路電流提供低阻通路，從而降低高壓器件導(dǎo)通電阻，另一方面，在介質(zhì)槽中引入體場(chǎng)板54，輔助耗盡重?fù)诫s的N型摻雜條，提高器件的擊穿電壓；再一方面，高濃度的N型摻雜條和N型漂移區(qū)構(gòu)成突變結(jié)產(chǎn)生的額外電場(chǎng)，增強(qiáng)了介質(zhì)槽電場(chǎng)，從而提高器件耐壓。
[0006]具體的，所述終端結(jié)構(gòu)還包括第二 N型摻雜條35，所述第二 N型摻雜條35分別與介質(zhì)槽2的下端面和第一 N型摻雜條34連接。
[0007]本方案提供了一種更優(yōu)的方案，在終端結(jié)構(gòu)中引入第二 N型摻雜條35，優(yōu)化器件體內(nèi)電場(chǎng)，增強(qiáng)介質(zhì)槽電場(chǎng)，從而提高器件耐壓。
[0008]具體的，所述終端結(jié)構(gòu)還包括第三N型摻雜條36，所述第三N型摻雜條36分別與介質(zhì)槽2的側(cè)面、第二 N型重?fù)诫s區(qū)33的下端面和第二 N型摻雜條35連接。
[0009]本發(fā)明的有益效果為，具有導(dǎo)通電阻低、耐壓高和版圖面積小的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)還降低了工藝難度和成本。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0010]圖1是傳統(tǒng)橫向高壓功率器件結(jié)構(gòu)剖面示意圖；
[0011]圖2是本發(fā)明的平面柵超低比導(dǎo)通電阻的橫向高壓器件結(jié)構(gòu)剖面圖；
[0012]圖3是傳統(tǒng)橫向高壓功率器件的耐壓原理圖；
[0013]圖4是本發(fā)明的超低比導(dǎo)通電阻的橫向高壓器件的耐壓原理圖；
[0014]圖5是本發(fā)明的平面柵超低比導(dǎo)通電阻的橫向高壓器件結(jié)構(gòu)剖面圖，其中第二 N型摻雜條35直接集成在P型襯底I上；
[0015]圖6是本發(fā)明提供的平面柵超低比導(dǎo)通電阻的橫向高壓器件結(jié)構(gòu)剖面圖，其中高壓器件不包含N型漂移區(qū)31 ；
[0016]圖7是本發(fā)明的淺槽柵結(jié)構(gòu)的槽柵超低比導(dǎo)通電阻的橫向高壓器件結(jié)構(gòu)剖面圖；
[0017]圖8是本發(fā)明的中等槽柵結(jié)構(gòu)的槽柵超低比導(dǎo)通電阻的橫向高壓器件結(jié)構(gòu)剖面圖；
[0018]圖9是本發(fā)明的深槽柵結(jié)構(gòu)的槽柵超低比導(dǎo)通電阻的橫向高壓器件結(jié)構(gòu)剖面圖；
[0019]圖10是本發(fā)明的另一種槽柵超低比導(dǎo)通電阻的橫向高壓器件結(jié)構(gòu)剖面圖，其中，多晶娃柵51位于介質(zhì)槽2中；
[0020]圖11是本發(fā)明提供的一種新型的橫向IGBT器件結(jié)構(gòu)剖面圖，其中，第二 N型重?fù)诫s區(qū)33用第二 P型重?fù)诫s區(qū)44代替；
[0021]圖12是本發(fā)明提供的超低比導(dǎo)通電阻的橫向高壓器件結(jié)構(gòu)剖面圖，其中，器件集成在SOI襯底3上；
[0022]圖13是本發(fā)明提供的超低比導(dǎo)通電阻的橫向高壓器件結(jié)構(gòu)剖面圖，器件集成了多個(gè)元胞結(jié)構(gòu)61，共用同一個(gè)終端結(jié)構(gòu)62 ；
[0023]圖14是傳統(tǒng)橫向高壓功率器件和本發(fā)明提供的超低比導(dǎo)通電阻的橫向高壓器件擊穿時(shí)電勢(shì)分布圖；
[0024]圖15是傳統(tǒng)橫向高壓功率器件和本發(fā)明提供的超低比導(dǎo)通電阻的橫向高壓器件擊穿時(shí)，器件的表面和體內(nèi)的橫向電場(chǎng)分布圖；
[0025]圖16是傳統(tǒng)橫向高壓功率器件和本發(fā)明提供的超低比導(dǎo)通電阻的橫向高壓器件擊穿時(shí)，器件的高壓器件繞介質(zhì)槽的電場(chǎng)分布。
【具體實(shí)施方式】
[0026]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例，詳細(xì)描述本發(fā)明的技術(shù)方案:
[0027]本發(fā)明的主要技術(shù)方案，是通過(guò)在N型漂移區(qū)31中引入N型摻雜條34?36，優(yōu)化器件導(dǎo)通電阻和擊穿電壓，同時(shí)采用介質(zhì)槽2耐壓，可以減小版圖面積，降低制造成本，在介質(zhì)槽中弓I入體場(chǎng)板54輔助耗盡N型摻雜條，可以進(jìn)一步提高器件擊穿電壓。采用本發(fā)明可獲得各種性能優(yōu)良的橫向高壓功率半導(dǎo)體器件，具有高速、高集成度、低導(dǎo)通損耗的特點(diǎn)。
[0028]如圖2所示，本發(fā)明的超低比導(dǎo)通電阻的橫向高壓器件半導(dǎo)體器件的元胞結(jié)構(gòu)61，包括N型漂移區(qū)31、第一 N型重?fù)诫s區(qū)32、P型體區(qū)41、第一 P型重?fù)诫s區(qū)42、第一 N型摻雜條34 ;第一 N型重?fù)诫s區(qū)32和第一 P型重?fù)诫s區(qū)42并排位于器件表面、被P型體區(qū)41包圍；第一 N型摻雜條34位于P型體區(qū)41右側(cè)，P型體區(qū)41和第一 N型摻雜條34被N型漂移區(qū)31包圍；柵氧化層21的上面是多晶硅柵電極51，第一 P型重?fù)诫s區(qū)42和第一 N型重?fù)诫s區(qū)32上面是源極金屬52，多晶硅柵電極51和源極金屬52之間通過(guò)介質(zhì)層22相互隔離。所述超低比導(dǎo)通電阻的橫向高壓器件的終端結(jié)構(gòu)62，包括N型漂移區(qū)31、第二 N型摻雜條35、第三N型摻雜條36、第二 N型重?fù)诫s區(qū)33、體場(chǎng)板54和介質(zhì)槽2 ;第一 N型摻雜條34的右側(cè)是介質(zhì)槽2，介質(zhì)槽2的右側(cè)是第三N型摻雜條36，介質(zhì)槽2的下方是第二 N型摻雜條35 ;第三N型摻雜條36的上方是第二 N型重?fù)诫s區(qū)33，第二 N型重?fù)诫s區(qū)33位于N型漂移區(qū)31的表面；第二 N型摻雜條35、第三N型摻雜條36和介質(zhì)槽2被N型漂移區(qū)31包圍，N型漂移區(qū)31直接和P型襯底I接觸；體場(chǎng)板54位于介質(zhì)槽2中，并與多晶硅柵電極51相連；漏極金屬53位于第二 N型重?fù)诫s區(qū)33上面,漏極金屬53和源極金屬52之間通過(guò)介質(zhì)層22相互隔離。
[0029]所述超低比導(dǎo)通電阻的橫向高壓器件集成在P型襯底I上，包括元胞結(jié)構(gòu)61和終端結(jié)構(gòu)62。在N型漂移區(qū)31中引入第一 N型摻雜條34、第二 N型摻雜條35和第三N型摻雜條36開(kāi)態(tài)時(shí)為電流提供低阻通道，降低器件的比導(dǎo)通電阻。在N型漂移區(qū)31中引入介質(zhì)槽2承受器件橫向耐壓,介質(zhì)槽被N型摻雜條34?36包圍,體場(chǎng)板54位于介質(zhì)槽中，輔助耗盡N型摻雜條34?36，進(jìn)一步提高器件的擊穿電壓。引入的第一 N型摻雜條34、第三N型摻雜條36與N型漂移區(qū)31形成N+N結(jié)，器件耐壓時(shí)，第一 N型摻雜條34和第二 N型摻雜條36在漂移區(qū)中引入兩個(gè)新的電場(chǎng)尖峰，增強(qiáng)介質(zhì)槽電場(chǎng)，從而提高器件的擊穿電壓。器件的橫向耐壓主要由終端結(jié)構(gòu)62決定，終端結(jié)構(gòu)包括介質(zhì)槽2、體場(chǎng)板54、N型漂移區(qū)31、第二 N型摻雜條35、第三N型摻雜條36和第二 N型重?fù)诫s區(qū)33，采用介質(zhì)槽2耐壓可以減小版圖面積，降低工藝成本。所述的橫向高壓器件可以采用平面柵、槽柵或V型柵等結(jié)構(gòu)，應(yīng)用靈活，其中選擇槽柵結(jié)構(gòu)的元胞可以做的更小，因?yàn)椴蹡诺臏系朗强v向，溝道長(zhǎng)度由P型體區(qū)41的結(jié)深決定，而平面柵的溝道長(zhǎng)度由P型體區(qū)41的長(zhǎng)度決定。器件可集成單個(gè)或多個(gè)元胞結(jié)構(gòu)61，多個(gè)元胞可以共用同一個(gè)終端結(jié)構(gòu)62，進(jìn)一步減小版圖面積，降低工藝成本。
[0030]本發(fā)明的工作原理為:
[0031]本發(fā)明的超低比導(dǎo)通電阻的橫向高壓器件可采用平面柵、槽柵或V型柵等結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)的工作原理相似，如圖2所示，超低比導(dǎo)通電阻的橫向高壓器件集成在P型襯底I上，包括包括N型漂移區(qū)31、P型體區(qū)41、第一 N型重?fù)诫s區(qū)32、第一 P型重?fù)诫s區(qū)42、第
一N型摻雜條34、第二 N型摻雜條35、第三N型摻雜條36、第二 N型重?fù)诫s區(qū)33、體場(chǎng)板54和介質(zhì)槽2。所述的橫向高壓器件可集成單個(gè)或多個(gè)元胞結(jié)構(gòu)61，多個(gè)元胞結(jié)構(gòu)可共用同一個(gè)終端結(jié)構(gòu)62，從而大大減小版圖面積。所述高壓器件的橫向耐壓主要由終端結(jié)構(gòu)62決定，介質(zhì)槽2是終端結(jié)構(gòu)的主要組成部分，也是器件耐壓的主要部分。工作原理如圖3 (b)所示，當(dāng)器件耐壓時(shí)，N型漂移區(qū)31和P型體區(qū)41構(gòu)成的PN結(jié)冶金結(jié)面開(kāi)始耗盡，隨著漏電壓增加，耗盡區(qū)向N型漂移區(qū)31擴(kuò)展，使得N型漂移區(qū)31與P型體區(qū)41所構(gòu)成的PN結(jié)冶金結(jié)面出現(xiàn)電場(chǎng)峰值。N型漂移區(qū)31中引入了第一 N型摻雜條34、第二 N型摻雜條35和第三N型摻雜條36，N型摻雜條34?36的濃度較高和N型漂移區(qū)31構(gòu)成高低結(jié)，器件耐壓時(shí)，耗盡的N型摻雜條剩下大量正的電離施主電荷，調(diào)制器件體內(nèi)的電場(chǎng)分布，避免源端和漏端電場(chǎng)線過(guò)度集中，并在第一 N型摻雜條34、第三N型摻雜條36和介質(zhì)槽2界面處弓I入兩個(gè)新的電場(chǎng)尖峰，增強(qiáng)介質(zhì)槽電場(chǎng)，從而提高器件擊穿電壓。在介質(zhì)槽2中引入體場(chǎng)板54，器件耐壓時(shí)，體場(chǎng)板接低電位，輔助耗盡N型摻雜條34?36，從而增加了 N型摻雜條34?36的濃度。開(kāi)態(tài)時(shí)，高濃度的N型摻雜條34?36為器件提供了低阻的電流通道，大大地降低了器件的比導(dǎo)通電阻。所述器件終端結(jié)構(gòu)62位于元胞結(jié)構(gòu)61右側(cè)，主要包括N型漂移區(qū)31、第二 N型摻雜條35、第三N型摻雜條36、第二 N型重?fù)诫s區(qū)33和介質(zhì)槽2。采用介質(zhì)槽2耐壓可以進(jìn)一步減小器件版圖面積，降低工藝成本。
[0032]本發(fā)明提供的超低比導(dǎo)通電阻的橫向高壓器件包括元胞結(jié)構(gòu)61和終端結(jié)構(gòu)62，其中，元胞結(jié)構(gòu)61的N型漂移區(qū)31引入第一 N型摻雜條34，構(gòu)成高低結(jié)結(jié)構(gòu)，提高耐壓的同時(shí)降低器件的比導(dǎo)通電阻，從而緩解耐壓和比導(dǎo)通電阻的矛盾關(guān)系。傳統(tǒng)橫向功率MOS器件實(shí)現(xiàn)高的擊穿電壓時(shí)，要求其用于承受耐壓的N型漂移區(qū)具有長(zhǎng)的尺寸和低的摻雜濃度，這使得器件的面積和導(dǎo)通電阻大大增加，增加了工藝成本，從而限制橫向高壓功率器件的應(yīng)用。本發(fā)明提供的終端結(jié)構(gòu)主要包括N型漂移區(qū)31、介質(zhì)槽2、第二 N型重?fù)诫s區(qū)33、第二 N型摻雜條35和第三N型摻雜條36，介質(zhì)槽2承受耐壓，需要的面積較小，從而減小器件的版圖面積。介質(zhì)槽2左側(cè)的P型摻雜條43輔助耗盡N型漂移區(qū)31，優(yōu)化器件縱向電場(chǎng)。介質(zhì)槽2中引入體場(chǎng)板54，輔助耗盡N型摻雜條和N型漂移區(qū)，關(guān)態(tài)時(shí)，耗盡的N型摻雜條在介質(zhì)槽2的外側(cè)引入大量正的電離施主電荷，調(diào)制漂移區(qū)電場(chǎng)的分布，避免源漏端電場(chǎng)線過(guò)度集中在介質(zhì)槽2和N型摻雜條的接觸界面，防止器件提前發(fā)生擊穿。第一 N型摻雜條34和第二 N型摻雜條36引入了兩個(gè)新的電場(chǎng)尖峰，優(yōu)化器件體內(nèi)電場(chǎng)，增強(qiáng)介質(zhì)槽電場(chǎng)，
[0033]從而提高器件耐壓。體場(chǎng)板54的引入輔助耗盡N型漂移區(qū)和N型摻雜條，因此本發(fā)明結(jié)構(gòu)的N型摻雜條濃度較高，開(kāi)態(tài)時(shí)為電流提供低阻通道，大大降低器件的比導(dǎo)通電阻，從而緩解了耐壓和比導(dǎo)通電阻之間的矛盾關(guān)系。所述橫向高壓器件可以采用平面柵、槽柵或者V型柵等結(jié)構(gòu)，同時(shí)，可集成單個(gè)或多個(gè)元胞結(jié)構(gòu)61，多個(gè)并聯(lián)的元胞61可共用同一個(gè)終端結(jié)構(gòu)62，因此極大地減小器件版圖面積，降低工藝成本。橫向高壓器件的第二N型重?fù)诫s區(qū)33用第二 P型重?fù)诫s區(qū)44代替，可以獲得高耐壓和低導(dǎo)通電阻的橫向IGBT器件。
[0034]圖3和圖4是傳統(tǒng)橫向高壓功率器件和本發(fā)明提供的超低比導(dǎo)通電阻的橫向高壓器件的耐壓原理圖，其中，圖3是傳統(tǒng)橫向高壓器件的耐壓原理圖，其對(duì)應(yīng)的傳統(tǒng)器件結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括N型漂移區(qū)31、第一 N型重?fù)诫s區(qū)32、第二 N型重?fù)诫s33、P型體區(qū)41、第一 P型重?fù)诫s區(qū)42和介質(zhì)槽2 ;柵氧化層21上面是多晶硅柵電極51，介質(zhì)槽2位于N型漂移區(qū)31中，N型漂移區(qū)2與P型襯底I相連，多晶硅柵電極51、源極金屬52和漏極金屬53之間通過(guò)介質(zhì)層22相互隔離。當(dāng)器件耐壓時(shí)，N型漂移區(qū)31耗盡，剩下大量正的電離施主電荷，而只有P型體區(qū)41和第一 P型重?fù)诫s區(qū)42耗盡時(shí)，剩下負(fù)的電離受主雜質(zhì)，使得介質(zhì)槽2內(nèi)的電場(chǎng)線，從第二 N型重?fù)诫s區(qū)33穿過(guò)介質(zhì)槽2指向P型體區(qū)41和第一 P型重?fù)诫s區(qū)42，如圖3所示，在源端A點(diǎn)和漏端B點(diǎn)處電場(chǎng)線過(guò)度集中，導(dǎo)致器件提前擊穿，器件耐壓大大降低。
[0035]圖4是本發(fā)明提供的超低比導(dǎo)通電阻的橫向高壓器件的耐壓原理圖，與圖3不同的是，本發(fā)明在介質(zhì)槽2的三側(cè)引入了第一 N型摻雜條34、第二 N型摻雜條35和第三N型摻雜條36，同時(shí)在介質(zhì)槽2中引入體場(chǎng)板54，體場(chǎng)板54的引入增加了 N型摻雜條的濃度，為開(kāi)態(tài)電流提供超低導(dǎo)通電阻通道。第一 N型摻雜條34、第三N型摻雜條36和N型漂移區(qū)31構(gòu)成高低結(jié)結(jié)構(gòu)，關(guān)態(tài)時(shí)，在N型摻雜條和介質(zhì)槽2的界面處引入兩個(gè)新的電場(chǎng)尖峰，提高體硅電場(chǎng)，從而使得介質(zhì)槽電場(chǎng)增強(qiáng)，器件耐壓增大。耗盡的N型摻雜條在介質(zhì)槽兩側(cè)引入大量正的電離施主電荷，介質(zhì)槽2內(nèi)的體場(chǎng)板54輔助耗盡N型摻雜條，同時(shí)體場(chǎng)板接低電位，相當(dāng)于在介質(zhì)槽內(nèi)引入了大量的負(fù)電荷，當(dāng)漏電極加壓時(shí)，介質(zhì)槽內(nèi)的電場(chǎng)從介質(zhì)槽內(nèi)側(cè)指向體場(chǎng)板，體場(chǎng)板右側(cè)的電場(chǎng)基本上平行指向體場(chǎng)板54，電場(chǎng)分布較為密集而均勻，左側(cè)的電場(chǎng)則以傾斜角度指向體場(chǎng)板，分布較為稀疏，且從表面到體內(nèi)，電場(chǎng)越來(lái)越大。由圖可見(jiàn)，第一 N型摻雜條34、第三N型摻雜條36和體場(chǎng)板54的引入調(diào)制了介質(zhì)槽的電場(chǎng)線在源端和漏端的分布，避免電場(chǎng)線的過(guò)度集中，防止器件提前在A或B點(diǎn)擊穿，從而提高器件的擊穿電壓。比較圖3和圖4可見(jiàn)，本發(fā)明提供的高壓器件的介質(zhì)槽電場(chǎng)線分布均勻，不會(huì)在源端和漏端過(guò)度集中，這使得器件體內(nèi)電場(chǎng)增強(qiáng)，電場(chǎng)與橫坐標(biāo)圍城的面積大大增加，即器件的擊穿電壓大大提高。
[0036]如圖5所示，為本發(fā)明提供的另一種平面柵超低比導(dǎo)通電阻的橫向高壓器件結(jié)構(gòu)剖面圖。器件集成在P型襯底I上，包括N型漂移區(qū)31、第一 N型摻雜條34、第二 N型摻雜條35、第三N型摻雜條36、P型體區(qū)41、第一 P型重?fù)诫s區(qū)42、第一 N型摻雜區(qū)32、第二 N型重?fù)诫s區(qū)33、體場(chǎng)板54和介質(zhì)槽2。如圖所示，該結(jié)構(gòu)中的第二 N型摻雜條35位于P型襯底I和介質(zhì)槽2之間，而第一 N型摻雜條34和第三N型摻雜條36位于介質(zhì)槽兩側(cè)、被N型漂移區(qū)31包圍。該結(jié)構(gòu)的工作原理與圖2相似，開(kāi)態(tài)時(shí)N型摻雜條為電流提供低阻通道，降低比導(dǎo)通電阻，關(guān)態(tài)時(shí)，體場(chǎng)板輔助耗盡N型摻雜條，調(diào)制電場(chǎng)分布，耗盡的N型摻雜條在介質(zhì)槽兩側(cè)引入兩個(gè)新的電場(chǎng)尖峰，提高器件的體內(nèi)電場(chǎng)和介質(zhì)槽電場(chǎng)，從而提高器件擊穿電壓。
[0037]如圖6所示，為本發(fā)明提供的平面柵超低比導(dǎo)通電阻的橫向高壓器件結(jié)構(gòu)剖面圖。器件集成在P型襯底I上，包括第一 N型摻雜條34、第二 N型摻雜條35、第三N型摻雜條36、P型體區(qū)41、第一 P型重?fù)诫s區(qū)42、第一 N型摻雜區(qū)32、第二 N型重?fù)诫s區(qū)33、體場(chǎng)板54和介質(zhì)槽2。如圖所示，該結(jié)構(gòu)中的第第一 N型摻雜條34、第二 N型摻雜條35和第三N型摻雜條36位于介質(zhì)槽三側(cè)、被P型襯底I包圍。該結(jié)構(gòu)的工作原理與圖2相似，開(kāi)態(tài)時(shí)N型摻雜條為電流提供低阻通道，降低比導(dǎo)通電阻，關(guān)態(tài)時(shí)，體場(chǎng)板輔助耗盡N型摻雜條，調(diào)制電場(chǎng)分布，耗盡的N型摻雜條在介質(zhì)槽兩側(cè)引入兩個(gè)新的電場(chǎng)尖峰，提高器件的體內(nèi)電場(chǎng)和介質(zhì)槽電場(chǎng)，從而提高器件擊穿電壓。
[0038]槽柵橫向高壓功率器件的耐壓原理與平面柵高壓功率器件相同，相比平面柵器件而言，槽柵器件的元胞結(jié)構(gòu)61可以做的更小，從而減小版圖面積，降低工藝成本。
[0039]圖7-圖9是本發(fā)明提供的槽柵超低比導(dǎo)通電阻的橫向高壓器件結(jié)構(gòu)剖面圖。器件集成在P型襯底I上，包括N型漂移區(qū)31、第一 N型摻雜條34、第二 N型摻雜條35、第三N型摻雜條36、P型體區(qū)41、第一 P型重?fù)诫s區(qū)42、第一 N型摻雜區(qū)32、第二 N型重?fù)诫s區(qū)33、體場(chǎng)板54和介質(zhì)槽2 ；23是槽柵氧化層,多晶娃柵電極51、源極金屬52和漏極金屬53之間通過(guò)介質(zhì)層22相互隔離。其中圖7是淺槽柵結(jié)構(gòu)；圖8是中等槽柵結(jié)構(gòu)；圖9是深槽柵結(jié)構(gòu)。淺槽柵器件耐壓時(shí)，漂移區(qū)中的電場(chǎng)容易在槽氧化層23的尖角處過(guò)度集中，如圖中C點(diǎn)，導(dǎo)致器件提前發(fā)生擊穿。如圖8中等槽柵結(jié)構(gòu)是將一部分的多晶硅柵電極延伸至N型漂移區(qū)31中，中等槽柵器件與淺槽柵器件在結(jié)構(gòu)上除了槽柵的深淺不同之外，沒(méi)有其他的區(qū)別。與淺槽柵結(jié)構(gòu)相比，中等槽柵結(jié)構(gòu)有兩個(gè)方面的優(yōu)勢(shì):一方面，深槽柵和N型漂移區(qū)31構(gòu)成MIS (Metal Insulator Semiconductor)電容,關(guān)態(tài)時(shí)，MIS電容使N型漂移區(qū)31和槽氧化層23界面處積累大量空穴，輔助耗盡N型漂移區(qū)，優(yōu)化器件縱向電場(chǎng)；另一方面，開(kāi)態(tài)時(shí)，MIS電容的作用，使N型漂移區(qū)31和槽氧化層23界面處積累大量電子，增加N型漂移區(qū)的濃度，為開(kāi)態(tài)電流提供低阻通道，從而降低器件導(dǎo)通電阻。然而和淺槽柵結(jié)構(gòu)一樣，中等槽柵結(jié)構(gòu)在耐壓時(shí)，槽氧化層23處電場(chǎng)過(guò)度集中，將導(dǎo)致器件提前發(fā)生擊穿。深槽柵結(jié)構(gòu)耐壓原理與中等槽柵結(jié)構(gòu)相似，都利用了 MIS電容輔助耗盡原理。相比淺槽柵和中等槽柵結(jié)構(gòu)，深槽柵器件還有另外兩個(gè)方面的作用:第一，將多晶硅柵深入到P型襯底I中，可以避免槽氧化層23底部尖角處的電場(chǎng)過(guò)度集中(如圖中E點(diǎn))，從而防止器件提前擊穿，大大提高器件的擊穿電壓；第二，深槽柵還可以起到器件之間的隔離作用。
[0040]如圖10所示，是本發(fā)明提供的另一種槽柵超低比導(dǎo)通電阻的橫向高壓器件結(jié)構(gòu)剖面圖，其中，多晶硅柵51位于介質(zhì)槽2中，介質(zhì)槽2左側(cè)作為槽氧化層23。與圖7中槽柵結(jié)構(gòu)相比，該結(jié)構(gòu)可以進(jìn)一步減小器件尺寸，多晶硅柵電極51和體場(chǎng)板54可以同時(shí)形成，也可以分步形成，其工作原理和上述圖2的工作原理相似。
[0041]如圖11所示，是本發(fā)明提供的一種新型的橫向IGBT器件結(jié)構(gòu)剖面圖，集成在P型襯底I上，包括N型漂移區(qū)31、P型體區(qū)41、第一 N型重?fù)诫s區(qū)32、第一 P型重?fù)诫s區(qū)42、介質(zhì)槽2、第一 N型摻雜條34、第二 N型摻雜條35、第三N型摻雜條36、體場(chǎng)板54和第二 P型重?fù)诫s區(qū)44 ;第二 P型重?fù)诫s區(qū)44的下面是第三N型摻雜條36，第三N型摻雜條36的左側(cè)是介質(zhì)槽2 ;柵氧化層21上面是多晶硅柵電極51，發(fā)射極金屬55位于P型體區(qū)41上面，集電極金屬56位于第二 P型重?fù)诫s區(qū)44 ;多晶娃柵電極51、發(fā)射極金屬55和集電極金屬56之間通過(guò)介質(zhì)層22相互隔離。采用本發(fā)明的結(jié)構(gòu)，可將傳統(tǒng)IGBT器件的集電極從器件底部橫向引出，柵電極、發(fā)射極和集電極都在表面，使得器件易于和常規(guī)電路集成，同時(shí)采用終端結(jié)構(gòu)62橫向耐壓，可以大大減小器件版圖面積。
[0042]如圖12所示，是本發(fā)明提供的超低比導(dǎo)通電阻的橫向高壓器件結(jié)構(gòu)剖面圖，其中，器件集成在SOI襯底3上。當(dāng)漏電極53加高電位，源極和襯底接低電位時(shí)，埋氧化層3表面積累大量空穴，而下表面積累大量電子，這些電子空穴對(duì)產(chǎn)生的電場(chǎng)方向與N型漂移區(qū)31和襯底I的電場(chǎng)方向相同，從而增強(qiáng)埋氧化層3的電場(chǎng)。在同等耐壓水平下，本發(fā)明提供的超低比導(dǎo)通電阻的橫向高壓器件的埋氧化層3可以做的很薄，從而降低器件的自加熱效應(yīng)，提聞器件性能。
[0043]如圖13所示，是本發(fā)明提供的平面柵橫向高壓功率半導(dǎo)體器件結(jié)構(gòu)剖面圖，器件集成多個(gè)元胞結(jié)構(gòu)61。元胞結(jié)構(gòu)的N型漂移區(qū)31中引入第一 N型摻雜條34與N型漂移區(qū)31形成高低結(jié)結(jié)構(gòu)。開(kāi)態(tài)時(shí)，高濃度的第一 N型摻雜條34為電流提供電阻通道，極大的降低器件的比導(dǎo)通電阻，關(guān)態(tài)時(shí)，第一 N型摻雜條34與N型漂移區(qū)31形成的高低結(jié)在介質(zhì)槽側(cè)面引入一個(gè)新的電場(chǎng)尖峰，提高器件體內(nèi)電場(chǎng)，從而增強(qiáng)介質(zhì)槽2的電場(chǎng)，大大提高了器件的擊穿電壓。多個(gè)元胞結(jié)構(gòu)共用一個(gè)終端結(jié)構(gòu)62，大大減小器件版圖面積，從而降低工藝成本。終端結(jié)構(gòu)中引入第二 N型摻雜條35和第三N型摻雜條36，可以進(jìn)一步緩解器件的耐壓和導(dǎo)通電阻之間的矛盾關(guān)系。
[0044]實(shí)施例:
[0045]以的平面柵超低比導(dǎo)通電阻的橫向高壓器件為例，并通過(guò)和傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)對(duì)比，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。
[0046]如圖6所示，本例的平面柵超低比導(dǎo)通電阻的橫向高壓器件包括元胞結(jié)構(gòu)61和終端結(jié)62，其中，器件直接集成在P型襯底I上，在介質(zhì)槽2外側(cè)引入第一 N型摻雜條34、第
二N型摻雜條35和第三N型摻雜條36，在介質(zhì)槽2體內(nèi)中引入體場(chǎng)板54，介質(zhì)槽和N型摻雜條34?36被P型襯底I包圍。引入的N型摻雜條34?36和N型漂移區(qū)31構(gòu)成高低結(jié)結(jié)構(gòu)，在N型漂移區(qū)31中引入兩個(gè)新的電場(chǎng)峰值，提高體硅電場(chǎng)，從而增強(qiáng)介質(zhì)槽2的電場(chǎng)，使得器件的擊穿電壓大大提高。在介質(zhì)槽2的外側(cè)引入N型摻雜條34?36，耗盡的N型摻雜條34?36分別為N型漂移區(qū)提供大量正的電離施主電荷，優(yōu)化介質(zhì)槽內(nèi)的電場(chǎng)分布，緩解漂移區(qū)電場(chǎng)在源端和漏端的過(guò)度集中，提高器件的擊穿電壓。開(kāi)態(tài)時(shí)，N型摻雜條34?36為開(kāi)態(tài)電流提供低阻通道，降低器件導(dǎo)通電阻。
[0047]圖14采用二維器件仿真軟件Medici給出了傳統(tǒng)橫向高壓功率器件和本發(fā)明提供的超低比導(dǎo)通電阻的橫向高壓器件擊穿時(shí)，器件體內(nèi)的電勢(shì)分布圖。如圖14左邊是傳統(tǒng)橫向高壓器件擊穿時(shí)的電勢(shì)分布圖，其中，N型漂移區(qū)濃度為1.lel5CnT3，P型襯底耗盡僅50微米，而且源端下方介質(zhì)槽底部的N型漂移區(qū)不能完全耗盡。與本發(fā)明結(jié)構(gòu)相比，傳統(tǒng)橫向高壓器件的電勢(shì)線在源極和漏極較密集，越往體內(nèi)電勢(shì)線分布越稀疏，導(dǎo)致器件容易在源極和漏極與介質(zhì)槽2接觸的界面處發(fā)生擊穿，如圖3中的A’點(diǎn)和B’點(diǎn)，因此器件耐壓較低。如圖14右邊是本發(fā)明提供的橫向高壓器件擊穿時(shí)的電勢(shì)分布圖，其中，P型襯底I的濃度為lel4Cm_3、厚度為121.5微米，介質(zhì)槽2的寬度10微米、深度21微米，N型摻雜條34?36的濃度為2.4el6cnT3、厚度0.5微米，體場(chǎng)板的深度17微米。由圖，電勢(shì)線在源極下方分布類似縱向超結(jié)結(jié)構(gòu)的電勢(shì)分布，介質(zhì)槽2下方的P型襯底耗盡將近74微米。器件的所有電勢(shì)線都集中在體場(chǎng)板54右側(cè)的介質(zhì)槽中，其中一部分分繞過(guò)體場(chǎng)板到達(dá)源極，隨著像表面靠近，體場(chǎng)板左側(cè)介質(zhì)槽內(nèi)的電勢(shì)線分布更稀疏，防止源端電場(chǎng)線的集中，避免了器件在源極提前擊穿。而較少一部分的電勢(shì)線延伸到漏電極下方，等勢(shì)線分布線較為稀疏，避免了傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)中電勢(shì)線在漏電極集中，防止器件提前擊穿。同時(shí)，相比而言，本發(fā)明結(jié)構(gòu)的襯底輔助耗盡效應(yīng)較為明顯，器件具有更好的縱向耐壓。
[0048]圖15和圖16分別是傳統(tǒng)橫向高壓功率器件和本發(fā)明提供的超低比導(dǎo)通電阻的橫向高壓器件擊穿時(shí)的電場(chǎng)分布情況，圖中實(shí)心曲線是本發(fā)明結(jié)構(gòu)的電場(chǎng)分布，空心曲線是傳統(tǒng)橫向高壓器件的電場(chǎng)分布。如圖15是高壓器件的表面和體內(nèi)橫向電場(chǎng)分布。本發(fā)明結(jié)構(gòu)只在體場(chǎng)板右側(cè)的介質(zhì)槽2中才有表面電場(chǎng)，左側(cè)的介質(zhì)槽和體硅中的表面電場(chǎng)幾乎為0，可見(jiàn)本發(fā)明結(jié)構(gòu)避免了電勢(shì)線在源極和漏極過(guò)度集中，防止了器件提前擊穿。相比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，本發(fā)明結(jié)構(gòu)的橫向電場(chǎng)大大提高，這是因?yàn)樵诮橘|(zhì)槽2中引入了體場(chǎng)板54輔助耗盡，從而增加了 N型摻雜條的濃度，高濃度的N型摻雜條引入兩個(gè)新的電場(chǎng)尖峰增強(qiáng)介質(zhì)槽電場(chǎng)，從而提高器件的耐壓。圖16是高壓器件繞介質(zhì)槽2的電場(chǎng)分布情況，如圖可見(jiàn)，本發(fā)明結(jié)構(gòu)中引入兩個(gè)新的電場(chǎng)尖峰，使得電場(chǎng)與橫坐標(biāo)圍城的面積增加，即器件的擊穿電壓大大提高。圖14是通過(guò)MEDICI 二維器件仿真給出的兩種器件擊穿時(shí)的電勢(shì)分布圖，每?jī)蓷l等勢(shì)線的電勢(shì)差為20V，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的耐壓只有453V，其導(dǎo)通電阻將近201mQ ^m2，而本發(fā)明結(jié)構(gòu)的耐壓高達(dá)705V，但導(dǎo)通電阻僅有32mQ ? #_2，本發(fā)明結(jié)構(gòu)打破了傳統(tǒng)硅極限，在獲得高的擊穿電壓的同時(shí)，大大降低了導(dǎo)通電阻。[0049]本發(fā)明提供的超低比導(dǎo)通電阻的橫向高壓器件在N型漂移區(qū)中引入了高濃度的N型摻雜條為開(kāi)態(tài)電流提供低阻通道，在介質(zhì)槽中引入體場(chǎng)板輔助耗盡N型漂移區(qū)和N型摻雜條，提高器件的擊穿電壓。關(guān)態(tài)時(shí)，耗盡的N型摻雜條在介質(zhì)槽三側(cè)剩下大量正的電離施主雜質(zhì)，優(yōu)化介質(zhì)槽兩側(cè)的電場(chǎng)，避免器件提前在源極或漏極發(fā)生擊穿，從而提高器件的擊穿電壓。N型摻雜條的引入，為開(kāi)態(tài)電流提供低阻通道，大大降低了器件的導(dǎo)通電阻，同時(shí)，N型摻雜條增大了硅界面電場(chǎng)，使得介質(zhì)槽電場(chǎng)增強(qiáng)，器件耐壓進(jìn)一步提高。器件可以采用平面柵、槽柵或V型柵等結(jié)構(gòu)，還可以集成單個(gè)或多個(gè)元胞結(jié)構(gòu)。本發(fā)明提供的橫向高壓器件，可以集成在P型襯底上，P型襯底進(jìn)一步輔助耗盡N型漂移區(qū)，從而增加了 N型漂移區(qū)的濃度，一方面，優(yōu)化器件縱向電場(chǎng)，進(jìn)一步提高器件的擊穿電壓，另一方面降低了器件的導(dǎo)通電阻。本發(fā)明結(jié)構(gòu)也可以集成在SOI襯底柵，本發(fā)明結(jié)構(gòu)可以采用薄層埋氧化層，從而減小了 SOI器件的自熱效應(yīng)，同時(shí)獲得高耐壓和低的導(dǎo)通電阻，降低器件的成本。
【權(quán)利要求】
1.一種超低比導(dǎo)通電阻的橫向高壓器件，包括P型襯底(I)上和設(shè)置在P型襯底(I)上端面的N型漂移區(qū)(31)，所述N型漂移區(qū)(31)中設(shè)置有元胞結(jié)構(gòu)(61)和終端結(jié)構(gòu)(62 )，所述元胞結(jié)構(gòu)(61)包括P型體區(qū)(41)，所述P型體區(qū)(41)中包括相互獨(dú)立的第一 N型重?fù)诫s區(qū)(32)和第一 P型重?fù)诫s區(qū)(42)，所述P型體區(qū)(41)上端面設(shè)置有源極金屬(52)和柵氧化層(21)，所述源極金屬(52)和柵氧化層(21)之間通過(guò)介質(zhì)層(22)隔離，所述柵氧化層(21)上端面設(shè)置有多晶硅柵電極(51);所述終端結(jié)構(gòu)(62)包括介質(zhì)槽(2)和第二 N型重?fù)诫s區(qū)(33 )，所述介質(zhì)槽(2 )分別與元胞結(jié)構(gòu)(61)和第二 N型重?fù)诫s區(qū)(33 )連接，所述第二 N型重?fù)诫s區(qū)(33)上端面設(shè)置有漏極金屬(53)，所述漏極金屬(53)和柵氧化層(21)之間通過(guò)介質(zhì)層(22)隔離，其特征在于，所述元胞結(jié)構(gòu)(61)還包括第一 N型摻雜條(34)，所述第一 N型摻雜條(34)與介質(zhì)槽(2 )的側(cè)面和柵氧化層(21)的底部連接，所述終端結(jié)構(gòu)(62)還包括體場(chǎng)板(54)，所述多晶硅柵電極(51)和柵氧化層(21)延伸到介質(zhì)槽(2)上端面，所述體場(chǎng)板(54 )與多晶硅柵電極(51)和柵氧化層(21)連接后延伸入介質(zhì)槽(2 )中。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種超低比導(dǎo)通電阻的橫向高壓器件，其特征在于，所述終端結(jié)構(gòu)(62)還包括第二 N型摻雜條(35)，所述第二 N型摻雜條(35)分別與介質(zhì)槽(2)的下端面和第一 N型摻雜條(34)連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種超低比導(dǎo)通電阻的橫向高壓器件，其特征在于，所述終端結(jié)構(gòu)(62 )還包括第三N型摻雜條(36 )，所述第三N型摻雜條(36 )分別與介質(zhì)槽(2 )的側(cè)面、第二 N型重?fù)诫s區(qū)(33)的下端面和第二 N型摻雜條(35)連接。
【文檔編號(hào)】H01L29/06GK103715238SQ201310743344
【公開(kāi)日】2014年4月9日 申請(qǐng)日期:2013年12月30日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月30日
【發(fā)明者】喬明, 章文通, 李燕妃, 李肇基, 張波 申請(qǐng)人:電子科技大學(xué)