本發(fā)明涉及半導(dǎo)體功率器件技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種具有固定界面電荷場(chǎng)限環(huán)的功率器件。

背景技術(shù)：

功率集成電路(Power Integrated Circuit，PIC)集信號(hào)處理、傳感保護(hù)、功率傳輸技術(shù)于一體，自上世紀(jì)八十年代產(chǎn)生以來發(fā)展迅速，在武器裝備、電力電子、航空航天、平板顯示驅(qū)動(dòng)和其它高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)有著極為廣泛的應(yīng)用。PIC是集成電路中的一個(gè)重要分支，與分立器件相比，PIC不僅在性能、功耗和穩(wěn)定性方面有很大優(yōu)勢(shì)，而且對(duì)于降低成本、減少體積和重量有著非常大的意義。因此，國(guó)內(nèi)外專家和學(xué)者對(duì)PIC投入了極大的關(guān)注和深入的研究。

功率半導(dǎo)體器件主要包括功率二極管、晶閘管、功率MOSFET、功率絕緣柵雙極晶體管(IGBT)和寬禁帶功率半導(dǎo)體器件等。其中除晶閘管在特大功率領(lǐng)域應(yīng)用，功率MOS和IGBT是兩種主要的功率器件。由于寬禁帶材料寬帶隙、高飽和漂移速度、高臨界擊穿電場(chǎng)等突出優(yōu)勢(shì)，隨著碳化硅單晶生長(zhǎng)技術(shù)和氮化鎵異質(zhì)結(jié)外延生長(zhǎng)技術(shù)的不斷成熟，新一代寬禁帶功率半導(dǎo)體器件也獲得了國(guó)內(nèi)外半導(dǎo)體公司和研究機(jī)構(gòu)的廣泛關(guān)注和深入研究。

功率半導(dǎo)體器件設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是優(yōu)化高耐壓、通態(tài)壓降、快速開關(guān)等關(guān)鍵特性參數(shù)之間的折衷。提高功率密度和降低損耗一直以來都是功率半導(dǎo)體器件的發(fā)展方向，而前者與功率器件的耐壓提高密切相關(guān)。場(chǎng)限環(huán)(FLR)技術(shù)是提高功率器件耐壓的關(guān)鍵。然而，現(xiàn)有場(chǎng)限環(huán)技術(shù)需要通過離子注入在有源層上部形成FLR區(qū)。由于FLR區(qū)位于有源層上部，因此當(dāng)器件進(jìn)行退火等高溫工藝時(shí)，F(xiàn)LR中的雜質(zhì)會(huì)向周圍擴(kuò)散，使得FLR的尺寸參數(shù)偏離優(yōu)化值，從而導(dǎo)致器件的實(shí)際耐壓值與設(shè)計(jì)值發(fā)生較大的偏離。當(dāng)器件有源層厚度設(shè)計(jì)得很薄時(shí)，雜質(zhì)的熱擴(kuò)散會(huì)使得FLR區(qū)幾乎完全阻斷有源層，進(jìn)而導(dǎo)致器件的失效，這樣就限制了功率器件尺寸的縮小和集成度的提高。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是現(xiàn)有功率器件的FLR區(qū)中的雜質(zhì)擴(kuò)散而導(dǎo)致的擊穿電壓下降和器件失效的問題，提供一種具有固定界面電荷場(chǎng)限環(huán)的功率器件。

為解決上述問題，本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

一種具有固定界面電荷場(chǎng)限環(huán)的功率器件，包括場(chǎng)氧層和有源層，場(chǎng)氧層位于有源層之上；場(chǎng)氧層內(nèi)設(shè)有至少1個(gè)固定界面電荷區(qū)，該固定界面電荷區(qū)位于場(chǎng)氧層的下部，并與場(chǎng)氧層的下表面即場(chǎng)氧層和有源層的交界面相接觸。固定界面電荷區(qū)為濃度大于等于1×10¹³cm^-2的高濃度固定界面電荷區(qū)。

上述方案中，當(dāng)固定界面電荷區(qū)的個(gè)數(shù)為2個(gè)以上時(shí)，這些固定界面電荷區(qū)在場(chǎng)氧層的下表面處呈水平間斷設(shè)置。

上述方案中，每2個(gè)固定界面電荷區(qū)之間的間距呈線性遞增變化。

上述方案中，所有固定界面電荷區(qū)的濃度和/或高度均相等。

上述方案中，固定界面電荷區(qū)通過離子注入方式注入到場(chǎng)氧層中，且注入的離子為銫離子、碘離子、鈉離子、硼離子和/或硅離子。

本發(fā)明的工作原理：當(dāng)器件反向耐壓時(shí)，柵電極附近的主結(jié)的耗盡區(qū)沿有源層向右擴(kuò)展，當(dāng)與高濃度的固定界面電荷區(qū)下方的耗盡區(qū)相連時(shí)，耗盡區(qū)的邊界變得更加平坦，減弱了平行平面結(jié)的曲率效應(yīng)，從而降低了主結(jié)附近的電場(chǎng)峰值，提高了器件的擊穿電壓。與此同時(shí)，多個(gè)高濃度的固定界面電荷區(qū)會(huì)引入多個(gè)新的電場(chǎng)尖峰，改善了有源層表面的電場(chǎng)分布，使得電場(chǎng)分布更加均勻。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下特點(diǎn)：

1、固定界面電荷區(qū)在場(chǎng)氧層中的高溫?cái)U(kuò)散遠(yuǎn)低于場(chǎng)限環(huán)在有源層中的高溫?cái)U(kuò)散，這有利于獲得更高、更穩(wěn)定的擊穿電壓；

2、固定界面電荷區(qū)位于場(chǎng)氧層中，不占據(jù)有源層中的區(qū)域，從而在器件導(dǎo)通時(shí)，不會(huì)占用電流的導(dǎo)通路徑，這有利于提高器件的輸出電流和功率密度；

3、當(dāng)器件厚度變得很薄時(shí)，不會(huì)出現(xiàn)場(chǎng)限環(huán)阻斷有源層導(dǎo)致器件失效，從而能夠進(jìn)一步縮小器件尺寸和提高集成度；

4、固定界面電荷區(qū)濃度范圍等于或大于1×10¹³cm^-2，等于或大于該值時(shí)，摻雜濃度對(duì)擊穿電壓幾乎沒有影響，工藝容差較好；

5、在需要多次離子注入的多層結(jié)構(gòu)中，固定界面電荷區(qū)可以在場(chǎng)氧層中代替表面高摻雜區(qū)域，從而有利于實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的器件結(jié)構(gòu)。

附圖說明

圖1為常規(guī)P型SOI LDMOS功率器件的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明提出的一種具有固定界面電荷場(chǎng)限環(huán)的功率器件即P型SOI LDMOS器件的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本發(fā)明提出的一種具有固定界面電荷場(chǎng)限環(huán)的功率器件即P型SOI LDMOS器件與常規(guī)P型SOI LDMOS功率器件的擊穿電壓比較圖；

圖4為本發(fā)明提出的一種具有固定界面電荷場(chǎng)限環(huán)的功率器件即P型SOI LDMOS器件與常規(guī)P型SOI LDMOS功率器件反向擊穿時(shí)的表面電場(chǎng)比較圖。

圖5為常規(guī)功率二極管的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖6為本發(fā)明提出的另一種具有固定界面電荷場(chǎng)限環(huán)的功率器件即功率二極管的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖7為本發(fā)明提出的另一種具有固定界面電荷場(chǎng)限環(huán)的功率器件即功率二極管與常規(guī)功率二極管的擊穿電壓比較圖；

圖8為本發(fā)明提出的另一種具有固定界面電荷場(chǎng)限環(huán)的功率器件即功率二極管與常規(guī)功率二極管反向擊穿時(shí)的表面電場(chǎng)比較圖；

圖9為本發(fā)明提出的另一種具有固定界面電荷場(chǎng)限環(huán)的功率器件即功率二極管與常規(guī)功率二極管反向擊穿時(shí)的表面電勢(shì)比較圖。

圖中標(biāo)號(hào)：1、襯底；2、埋層；3、P^-漂移區(qū)；4、場(chǎng)氧層；5、源電極；6、柵電極；7、漏電極；8、N阱；9、N⁺接觸區(qū)；10、P⁺源區(qū)；11、P⁺漏區(qū)；12、固定界面電荷區(qū)；13、N^-漂移區(qū)；14、陽(yáng)極P⁺區(qū)；15、陰極N⁺區(qū)；16、陽(yáng)極；17、陰極。

具體實(shí)施方式

以下將結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)的描述。應(yīng)當(dāng)理解，優(yōu)選實(shí)施例僅為了說明本發(fā)明，而不是為了限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。

實(shí)施例1：

一種具有固定界面電荷場(chǎng)限環(huán)的功率器件即P型SOI LDMOS器件，如圖2所示，包括襯底1、埋層2、P^-漂移區(qū)3、場(chǎng)氧層4、源電極5、柵電極6、漏電極7、N阱8、N⁺接觸區(qū)9、P⁺源區(qū)10、P⁺漏區(qū)11和至少1個(gè)固定界面電荷區(qū)12。

襯底1、埋層2、P^-漂移區(qū)3和場(chǎng)氧層4自下而上依次疊置。其中P^-漂移區(qū)3即為有源層。源電極5、柵電極6和漏電極7設(shè)置在場(chǎng)氧層4的兩側(cè)，其中源電極5和柵電極6位于場(chǎng)氧層4的左側(cè)，漏電極7位于場(chǎng)氧層4的右側(cè)。N阱8、N⁺接觸區(qū)9、P⁺源區(qū)10、P⁺漏區(qū)11位于P^-漂移區(qū)3的上部，并與P^-漂移區(qū)3的上表面接觸。

固定界面電荷區(qū)12位于場(chǎng)氧層4的下部，并與場(chǎng)氧層4的下表面接觸。固定界面電荷區(qū)12為濃度大于等于1×10¹³cm^-2的高濃度固定界面電荷區(qū)12。固定界面電荷區(qū)12通過離子注入方式注入到場(chǎng)氧層4中，且注入的離子為銫離子、碘離子、鈉離子、硼離子和/或硅離子。

當(dāng)固定界面電荷區(qū)12的個(gè)數(shù)為2個(gè)以上時(shí)，所有固定界面電荷區(qū)12的濃度和高度均相等，且這些固定界面電荷區(qū)12在場(chǎng)氧層4的下表面處呈水平間斷設(shè)置。每2個(gè)固定界面電荷區(qū)12之間的間距相等或不等。在本實(shí)施例中，每2個(gè)固定界面電荷區(qū)12之間的間距自左至右線性遞增，即最靠近場(chǎng)氧層4的左側(cè)即源電極5和柵電極6的2個(gè)固定界面電荷區(qū)12之間的間距最小，而最靠近場(chǎng)氧層4的右側(cè)即漏電極7的2個(gè)固定界面電荷區(qū)12之間的間距最大。

在本實(shí)施例中，場(chǎng)氧層4為二氧化硅介質(zhì)。P^-漂移區(qū)3的濃度設(shè)置為6E14/cm³。N阱8的濃度設(shè)置為1E17/cm³。P⁺漏區(qū)11、P⁺源區(qū)10和N⁺接觸區(qū)9的濃度均設(shè)置為1E18/cm³。固定界面電荷區(qū)12的面電荷密度為1E13/cm²，高度為0.05μm。

當(dāng)漏電極7外加一個(gè)高電壓V_d，而柵電極6、源電極5和襯底1接地，即器件處于反向阻斷狀態(tài)時(shí)，N阱8/P^-漂移區(qū)3PN結(jié)的耗盡區(qū)向右側(cè)擴(kuò)展，當(dāng)與第一個(gè)固定界面電荷區(qū)12下方的耗盡區(qū)相連時(shí)，耗盡區(qū)沿P^-漂移區(qū)3獲得延展，減弱了N阱8/P^-漂移區(qū)3PN結(jié)的曲率效應(yīng)，從而降低了柵電極6附近的電場(chǎng)峰值；耗盡區(qū)繼續(xù)延展，當(dāng)與第二個(gè)固定界面電荷區(qū)12下方的耗盡區(qū)相連時(shí)，將N阱8/P^-漂移區(qū)3PN結(jié)與第一個(gè)固定界面電荷區(qū)12的整體視為受保護(hù)的主結(jié)，則上述原理依然適用，依此類推，一直到最后一個(gè)固定界面電荷區(qū)12。與此同時(shí)，每個(gè)固定界面電荷區(qū)12都會(huì)引入新的電場(chǎng)尖峰，從而調(diào)制了P^-漂移區(qū)3表面的電場(chǎng)分布，使得電場(chǎng)分布更加均勻，因此器件的耐壓能力獲得提高。此外，固定界面電荷區(qū)12在場(chǎng)氧層4中擴(kuò)散系數(shù)小，并且濃度很高，可近似為等勢(shì)體，這使得耐壓幾乎不受面電荷密度大小的影響，從而獲得較好的工藝容差。

將圖2所示的本發(fā)明提出的一種具有固定界面電荷場(chǎng)限環(huán)的耐壓結(jié)構(gòu)的P型SOI LDMOS器件與圖1所示的常規(guī)P型SOI LDMOS功率器件的擊穿電壓進(jìn)行比較，如圖3所示。通過比較可以看出，與常規(guī)結(jié)構(gòu)的擊穿電壓360V相比，本發(fā)明提出的結(jié)構(gòu)達(dá)到了494V，提升了37.2％，器件的耐壓能力獲得明顯提高。

將圖2所示的本發(fā)明提出的一種具有固定界面電荷場(chǎng)限環(huán)的耐壓結(jié)構(gòu)的P型SOI LDMOS器件與圖1所示的常規(guī)P型SOI LDMOS功率器件反向擊穿時(shí)的表面電場(chǎng)進(jìn)行比較，如圖4所示。通過比較可以看出，常規(guī)結(jié)構(gòu)的表面電場(chǎng)有兩個(gè)主峰，其中在柵電極6附近只有一個(gè)主峰，并且電場(chǎng)分布非常不均勻；本發(fā)明提出的結(jié)構(gòu)不僅降低了柵電極6附近主峰的電場(chǎng)峰值，還在中間引入了若干新的電場(chǎng)尖峰，使得電場(chǎng)分布更加均勻，并且增大了表面電場(chǎng)曲線下所圍的面積，從而獲得了更高的擊穿電壓。

實(shí)施例2：

另一種具有固定界面電荷場(chǎng)限環(huán)的功率器件即功率二極管，如圖6所示，包括襯底1、N^-漂移區(qū)13、場(chǎng)氧層4、陽(yáng)極P⁺區(qū)14、陰極N⁺區(qū)15、陽(yáng)極16、陰極17、以及至少1個(gè)固定界面電荷區(qū)12。

襯底1，N^-漂移區(qū)13和場(chǎng)氧層4自下而上依次疊置。其中N^-漂移區(qū)13即為有源層。陽(yáng)極P⁺區(qū)14和陰極N⁺區(qū)15位于N^-漂移區(qū)13的上部，并與N^-漂移區(qū)13的上表面接觸。陽(yáng)極16和陰極17設(shè)置在場(chǎng)氧層4的兩側(cè)，其中陽(yáng)極16位于場(chǎng)氧層4的左側(cè)，陰極17位于場(chǎng)氧層4的右側(cè)。

固定界面電荷區(qū)12位于場(chǎng)氧層4的下部，并與場(chǎng)氧層4的下表面接觸。固定界面電荷區(qū)12為濃度大于等于1×10¹³cm^-2的高濃度固定界面電荷區(qū)12。固定界面電荷區(qū)12通過離子注入方式注入到場(chǎng)氧層4中，且注入的離子為銫離子、碘離子、鈉離子、硼離子和/或硅離子。

當(dāng)固定界面電荷區(qū)12的個(gè)數(shù)為2個(gè)以上時(shí)，所有固定界面電荷區(qū)12的濃度和高度均相等，且這些固定界面電荷區(qū)12在場(chǎng)氧層4的下表面處呈水平間斷設(shè)置。每2個(gè)固定界面電荷區(qū)12之間的間距相等或不等。在本實(shí)施例中，每2個(gè)固定界面電荷區(qū)12之間的間距自左至右線性遞增，即最靠近場(chǎng)氧層4 的左側(cè)陽(yáng)極16的2個(gè)固定界面電荷區(qū)12之間的間距最小，而最靠近場(chǎng)氧層4的右側(cè)即陰極17的2個(gè)固定界面電荷區(qū)12之間的間距最大。

在本實(shí)施例中，場(chǎng)氧層4為二氧化硅介質(zhì)。固定界面電荷區(qū)12的面電荷密度為1E13/cm²，高度為0.05μm。

當(dāng)器件反向耐壓時(shí)，陽(yáng)極16附近的主結(jié)的耗盡區(qū)沿N^-漂移區(qū)13向右擴(kuò)展，當(dāng)與固定界面電荷區(qū)12下方的耗盡區(qū)相連時(shí)，耗盡區(qū)的邊界變得更加平坦，減弱了平行平面結(jié)的曲率效應(yīng)，從而降低了主結(jié)附近的電場(chǎng)峰值，提高了器件的擊穿電壓。與此同時(shí)，多個(gè)固定界面電荷區(qū)12會(huì)引入多個(gè)新的電場(chǎng)尖峰，改善了N^-漂移區(qū)13表面的電場(chǎng)分布，使得電場(chǎng)分布更加均勻。

將圖6所示的本發(fā)明提出的一種具有固定界面電荷場(chǎng)限環(huán)的耐壓結(jié)構(gòu)的功率二極管與圖5所示的常規(guī)功率二極管的擊穿電壓進(jìn)行比較，如圖7所示。通過比較可以看出，與常規(guī)結(jié)構(gòu)的擊穿電壓391V相比，本發(fā)明提出的結(jié)構(gòu)達(dá)到了552V，提升了41％，器件的耐壓能力獲得明顯提高。

將圖6所示本發(fā)明提出的一種具有固定界面電荷場(chǎng)限環(huán)的耐壓結(jié)構(gòu)的功率二極管與圖5所示常規(guī)功率二極管反向擊穿時(shí)的表面電場(chǎng)進(jìn)行比較，如圖8所示。通過比較可以看出，常規(guī)結(jié)構(gòu)的表面電場(chǎng)只有陽(yáng)極附近的一個(gè)主峰，并且電場(chǎng)分布非常不均勻；本發(fā)明提出的結(jié)構(gòu)不僅降低了陽(yáng)極附近主峰的電場(chǎng)峰值，還在中間引入了若干新的電場(chǎng)尖峰，使得電場(chǎng)分布更加均勻，并且增大了表面電場(chǎng)曲線下所圍的面積，從而獲得了更高的擊穿電壓。

將圖6所示本發(fā)明提出的一種具有固定界面電荷場(chǎng)限環(huán)的耐壓結(jié)構(gòu)的功率二極管與圖5所示常規(guī)功率二極管反向擊穿時(shí)的表面電勢(shì)進(jìn)行比較，如圖9所示。通過比較可以看出，常規(guī)結(jié)構(gòu)的表面電勢(shì)分布極不均勻，漂移區(qū)相當(dāng)一部分長(zhǎng)度的耐壓能力并未得到充分利用；本發(fā)明提出的結(jié)構(gòu)使得表面電勢(shì)分布近似階梯變化，改善了表面電勢(shì)分布，從而提高了器件的耐壓。

本發(fā)明不僅可以改善表面電場(chǎng)分布，從而有效提高耐壓；而且用位于場(chǎng)氧層4中的高濃度固定界面電荷區(qū)7代替位于有源層中的場(chǎng)限環(huán)，具有受高溫工藝影響較小、擊穿電壓相對(duì)穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)；此外，本發(fā)明的高濃度固定界面電荷區(qū)7可近似為等勢(shì)體，在較寬的范圍內(nèi)幾乎不受面電荷密度大小的影響，從而能夠獲得較好的工藝容差。

以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，并不用于限制本發(fā)明，顯然，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對(duì)本發(fā)明進(jìn)行各種改動(dòng)和變型而不脫離本發(fā)明的精神和范圍。這樣，倘若本發(fā)明的這些修改和變型屬于本發(fā)明權(quán)利要求及其同等技術(shù)的范圍之內(nèi)，則本發(fā)明也意圖包含這些改動(dòng)和變型在內(nèi)。