一種具有傾斜表面漂移區的橫向功率電晶體的製作方法
2023-09-23 19:56:35 1
專利名稱：一種具有傾斜表面漂移區的橫向功率電晶體的製作方法
技術領域：
本發明屬於半導體功率器件技術領域，它特別涉及大功率和高壓應用的體矽橫 向功率器件，如橫向擴散場效應電晶體LDMOS、橫向高壓二極體、橫向絕緣柵雙極型電晶體 LIGBT等。
背景技術：
橫向高壓功率MOS指的是具有橫向溝道結構的高壓功率MOS。由於這類器件的漏 極、源極和柵極都在晶片表面，易於通過內部連接與低壓信號電路集成，故在高壓集成電路 (HVIC)和功率集成電路(PIC)中作為高壓功率器件特別合適。 在橫向功率器件的設計中，必須綜合考慮擊穿電壓、導通電阻、電晶體尺寸、製造 成本和可靠性等因素的折中。通常而言，某方面性能的改善往往會導致其它性能的退化。特
別是擊穿電壓的提高通常是以導通電阻的增加為代價的。 橫向功率器件的基本結構是RESURF(Reduced Surface Field)結構。圖 1給出了一個典型常規橫向擴散場效應電晶體(Lateral Double Diffusion Metal OxideSemiconductor Field Effect Transistor,簡稱LDMOS)的示意圖。它包括半導體 襯底層100，外延層120，場氧層112a，柵氧化層112b，和柵金屬114組成。其中所述的半 導體襯底是具有第一類導電類型的半導體區域100。半導體外延層位於襯底之上，且與襯 底相接，外延層120至少包含兩個具有高摻雜濃度的第二類導電類型的半導體區域104和 108，具有第一類導電類型的半導體區域106，具有重摻雜濃度的第一類導電類型的半導體 區域102，其中，半導體區域106和半導體區域108 二者之間通過一個具有低摻雜濃度的第 二類導電類型的半導體區域110隔開，這裡，半導體區域104構成LDM0S的源區，半導體區 域108構成L匿OS的漏區，半導體區域106構成L匿OS的溝道區，半導體區域110用做漂移 區，半導體區域102用做LDMOS的體接觸。大量研究表明當漂移區的濃度和厚度的乘積約 為1012cm—2，器件具有最高的擊穿電壓。此時漂移區兩端表面處的電場雖然達到最高值，但 中部電場仍較低，從而限制了器件的耐壓能力。 為了改善RESURF結構的擊穿特性，R. STENGL等人在《Variation of LateralDoping as a Field Terminator for High-Voltage Power Devices》 (IEEETRANSACTIONS ON ELECTRON DEVICES,VOL. ED_33，NO. 3，MARCH 1986) —文中，提出了 一種橫向變摻雜的高壓器件結構，如圖2所示。它包括半導體襯底層IOO，外延層120，場氧 層112a，柵氧化層112b，和柵金屬114組成。其中所述的半導體襯底是具有第一類導電類型 的半導體區域100。半導體外延層位於襯底之上，且與襯底相接，外延層120至少包含兩個 具有高摻雜濃度的第二類導電類型的半導體區域104和108，具有第一類導電類型的半導 體區域106，具有重摻雜濃度的第一類導電類型的半導體區域102，其中，半導體區域106和 半導體區域108 二者之間通過一個具有低摻雜濃度的第二類導電類型的半導體區域110隔 開，這裡，半導體區域104構成LDM0S的源區，半導體區域108構成LDM0S的漏區，半導體區 域106構成L匿OS的溝道區，半導體區域110用做漂移區，半導體區域102用做L匿OS的體接觸。所述的低摻雜濃度的第二類導電類型的半導體區域110的摻雜濃度從溝道區106 — 側向漏區108 —側增加。通過優化橫向摻雜分布，這種新的結構可以獲得均勻的表面電場， 從而提高了器件的擊穿電壓，但也需要注意到，橫向變摻雜增加了工藝的複雜性，從而增加 了成本。
發明內容
技術問題本項發明的目的是提供一種新的具有傾斜表面漂移區的橫向功率器件
結構，採用該結構，一方面可以大幅度提高漂移區濃度，大大降低導通電阻，增大工作電流，
另一方面，可以獲得近似為常數的漂移區表面電場分布，從而提高關態和開態擊穿電壓、增
大安全工作區。此外，該結構製作工藝比線性橫向摻雜簡單，無需高溫過程，在某些情況下，
甚至可以採用完全CMOS工藝而無需增加掩模板和附加工藝步驟，從而降低製造成本。
技術方案本發明提供了一種具有傾斜表面漂移區的橫向功率器件結構。它包括
半導體襯底層，在襯底上方的外延層，和外延層上方的場氧化層，所述的外延層包含一個具
有第一類導電類型的半導體區域，一個具有高摻雜濃度的第二類導電類型的半導體區域，
二者之間通過一個具有低摻雜濃度的第二類導電類型的半導體區域隔開，半導體區域構成
了功率器件的漂移區，其厚度沿著從第一類導電類型的半導體區域到具有高摻雜濃度第二
類導電類型的半導體區域的方向由薄到厚逐漸增加，從而形成傾斜表面。 作為漂移區的具有低摻雜濃度的第二類導電類型的半導體區域，其厚度的增加方
式是線性的、平方根的或其它遞增函數形式，其最厚和最薄處的漂移區高度比大於1. 5。 作為漂移區的具有低摻雜濃度的第二類導電類型的半導體區域，其濃度分布是均
勻分布、橫向非均勻分布、縱向非均勻分布或縱向和橫向均為非均勻分布。 場氧化層是均勻厚度的，或是沿第一類導電類型的半導體區域到高摻雜濃度的第
二類導電類型的半導體區域的方向逐漸變薄的。
半導體外延層是矽、碳化矽、砷化鎵或鍺矽。 所述的傾斜表面漂移區體矽功率器件的具體形式是橫向擴散場效應電晶體 LDM0S、橫向PN二極體、橫向絕緣柵雙極型電晶體LIGBT、或橫向晶閘管。
有益效果本發明所述的傾斜表面漂移區可以採用兩種方式製造。第一，採用常規 半導體工藝中的光刻、各向異性腐蝕、氧化、澱積等工藝實現。這種方法得到的場氧化厚度 均勻，但要增加掩模版和工藝步驟。第二，採用類似美國專利6221737的所述的方法，通過 改變場氧的光刻掩模圖形，在靠近漏端(陰極)的地方採用窄槽掩模，在靠近源端(陽極) 的區域採用寬槽掩模，從而一次氧化即可獲得變厚度的漂移區。這種方法有望完全和常規 工藝兼容，無需增加新的掩模版和工藝步驟，但所得到的場氧化厚度從漏到源逐漸減小。
圖1是常規RESURF LDM0S結構示意圖。 圖2是橫向變摻雜漂移區LDM0S結構示意圖。具有低摻雜濃度的第二類導電類型 的半導體區域110的摻雜濃度沿著從具有第一類導電類型的半導體區域106到具有高摻雜 濃度的第二類導電類型的半導體區域108的方向增加。這裡，半導體區域110構成L匿0S 的漂移區，半導體區域106構成L匿0S的溝道區，半導體區域108構成L匿0S的漏區。
圖3是本發明的具有傾斜表面漂移區的LDMOS結構的一種形式。具有低摻雜濃度 的第二類導電類型的半導體區域110的厚度沿著從具有第一類導電類型的半導體區域106 到具有高摻雜濃度的第二類導電類型的半導體區域108的方向線性增加。而場氧層112厚 度保持不變。這裡，半導體區域110構成L匿OS的漂移區，半導體區域106構成L匿OS的溝 道區，半導體區域108構成LDMOS的漏區。 圖4是本發明的具有傾斜表面漂移區LDMOS結構的一種形式。具有低摻雜濃度的 第二類導電類型的半導體區域110的厚度沿著從具有第一類導電類型的半導體區域106到 具有高摻雜濃度的第二類導電類型的半導體區域108的方向以平方根函數增加。而場氧層 112厚度保持不變。這裡，半導體區域110構成LDMOS的漂移區，半導體區域106構成LDMOS 的溝道區，半導體區域108構成L匿OS的漏區。 圖5是本發明的具有傾斜表面漂移區L匿OS結構的一種形式。具有低摻雜濃度 的第二類導電類型的半導體區域110的厚度沿著從具有第一類導電類型的半導體區域106 到具有高摻雜濃度的第二類導電類型的半導體區域108的方向線性增加。而場氧層112厚 度沿著從具有第一類導電類型的半導體區域106到具有高摻雜濃度的第二類導電類型的 半導體區域108的方向逐漸減小。這裡，半導體區域110構成LDMOS的漂移區，半導體區域 106構成LDMOS的溝道區，半導體區域108構成LDMOS的漏區。 圖6是本發明的具有傾斜表面漂移區LDMOS結構的一種形式。具有低摻雜濃度的 第二類導電類型的半導體區域110的厚度沿著從具有第一類導電類型的半導體區域106到 具有高摻雜濃度的第二類導電類型的半導體區域108的方向以平方根函數增加。而場氧層 112厚度沿著從具有第一類導電類型的半導體區域106到具有高摻雜濃度的第二類導電類 型的半導體區域108的方向逐漸減小。這裡，半導體區域110構成LDMOS的漂移區，半導體 區域106構成LDMOS的溝道區，半導體區域108構成LDMOS的漏區。 圖7是相同結構參數的常規RESURF LDMOS、變摻雜漂移區LDMOS和傾斜表面漂移 區LDMOS的等勢線分布示意圖。其中，圖7a對應於常規RESURF LDMOS，圖7b對應於變摻雜 漂移區LDMOS，而圖7c對應於本發明的傾斜表面漂移區LDMOS。 圖8是相同結構參數常規RESURF LDMOS、變摻雜漂移區LDMOS和傾斜表面漂移區
LDMOS的IV特性示意圖。其中，圖8a對應於常規RESURF LDMOS，圖8b對應於變摻雜漂移
區LDMOS，圖8c對應於本發明的傾斜表面漂移區LDMOS。 圖9是本發明的具有傾斜表面漂移區PN二極體結構示意圖。 圖10是本發明的具有傾斜表面漂移區LIGBT結構示意圖。 在上述示意圖中，相同導電類型的半導體區域用傾斜方向相同的斜線表示。同時 應當指出的是上述示意圖並未按照真實比例進行繪製。
具體實施例方式
(1)所述的具有低摻雜濃度的第二類導電類型的半導體區域110的厚度的增加方 式，可以是線性形式(如圖3所示)或平方根形式(如圖4所示)，也可以其它逐漸遞增的 形式。其特徵是最高厚度和最低厚度的比值大於或等於1.5。 (2)所述的具有低摻雜濃度的第二類導電類型的半導體區域110的濃度即可以是 均勻的，也可以是非均勻的。如在橫向可以是線性分布、階梯分布、平方根分布等形式，在縱向可以是高斯分布或線性分布，或在縱向和橫向均為非均勻分布。 (3)所述的場氧層112的厚度即可以是均勻的(如圖3和圖4所示)，也可以沿從
半導體區域106到半導體區域108的方向逐漸增加的(如圖5和圖6所示)。 (4)所述的半導體外延層120的材料是矽、碳化矽、砷化鎵或鍺矽。
(5)所述的傾斜表面漂移區結構可以和其它結終端結構相結合，以進一步改善器
件性能。如場板、降場層等。 (6)所述的傾斜表面漂移區結構可以用於LDM0S(如圖3)、橫向PN二極體(如圖9) 、 LIGBT(如圖10)、橫向晶閘管等功率器件，以同時改善器件的擊穿特性和導通特性。
本發明的工作原理 下面以L匿OS為例，對的工作機理進行詳細說明。 圖7比較具有RESURF結構、變摻雜漂移區結構和傾斜表面漂移區結構的LDMOS的等勢線分布。三種結構具有相同的幾何尺寸，而漂移區濃度分布則進行了優化。由圖7a可知對於常規RESURF結構，在漂移區兩端的表面等勢線密集，從而導致這兩個地方出現電場峰值，降低擊穿電壓。而對於圖7b中的平方根變摻雜漂移區和圖7c中的傾斜表面漂移區而言，外延層的等勢線分布更加趨於均勻，表面電場近似為常數，從而使擊穿電壓大幅度提高。這是因為這兩種結構都具有最佳的漂移區橫向電荷密度分布。 圖8對應於以上三種結構的IV特性曲線，其中圖8a對應於常規RESURF LDMOS，圖8b對應於變摻雜漂移區LDM0S，圖8c對應於本發明的傾斜表面漂移區LDM0S。由圖8c和圖8a比較可知，和常規RESURF結構相比，本發明所述的傾斜表面漂移區能夠保持飽和電流不變(甚至略有提高)，而使飽和電壓降低一半，同時開態擊穿電壓也大幅度提高。這是由於傾斜表面結構的最優漂移區雜質濃度為RESURF結構的兩倍，從而導通電阻降低近一半。而由圖8c和圖8b可見，和線性摻雜漂移區結構相比，本發明所述的傾斜表面漂移區結構的IV特性有了大幅度改善。不但飽和電流提高50%以上，而且飽和電壓也降低4倍。這是因為本發明所述的傾斜表面漂移區結構，優化後漂移區濃度可以和線性摻雜漂移區的最優雜質分布的峰值濃度相當，從而消除了後者在溝道區附近的低摻雜區，大幅度降低了漂移區電阻。 根據本發明提供的傾斜表面漂移區結構，可以製作出性能優良的各類橫向功率器件，舉例如下 1)具有傾斜表面漂移區的橫向擴散場效應電晶體，簡稱LDMOS，如圖3_6。它包括半導體襯底層100、在襯底上方的半導體外延層120，以及外延層上方的場氧層112。所述的外延層120包含一個具有第一類導電類型的半導體區域106作為溝道區，兩個具有高摻雜濃度的第二類導電類型的半導體區域104和108，分別作為源區和漏區。溝道區和源區相接，溝道區和漏區之間通過一個具有低摻雜濃度的第二類導電類型的半導體區域110隔開。這裡，具有低摻雜濃度的第二類導電類型的半導體區域IIO構成LDMOS的漂移區，其濃度分布即可以是均勻分布，也可以是橫向變摻雜或縱向變摻雜，或者橫向和縱向均為變摻雜。具有低摻雜濃度的第二類導電類型的半導體區域110的厚度沿從具有第一類導電類型的半導體區域106到具有高摻雜濃度的第二類導電類型的半導體區域108的方向由薄向厚逐漸增加，其增加方式可以是線性的，也可以平方根的，還可以是其它遞增形式。場氧層112即可以是均勻厚度的，也可以是沿從溝道區到漏區方向逐漸變薄的。
2)具有傾斜表面漂移區的PN二極體，如圖9所示。它包括半導體襯底層100、在襯底上方的半導體外延層120，以及外延層上方的場氧層112。所述的外延層120包含一個具有第一類導電類型的半導體區域106作為陽極區，一個具有高摻雜濃度的第二類導電類型的半導體區域108作為陰極區，陽極區和陰極區之間通過一個具有低摻雜濃度的第二類導電類型的半導體區域110隔開。具有低摻雜濃度的第二類導電類型的半導體區域110構成PN二極體的漂移區，其濃度分布即可以是均勻分布，也可以是橫向變摻雜或縱向變摻雜，或者橫向和縱向均為變摻雜。具有低摻雜濃度的第二類導電類型的半導體區域110的厚度沿從具有第一類導電類型的半導體區域106到具有高摻雜濃度的第二類導電類型的半導體區域108的方向由薄向厚逐漸增加，其增加方式可以是線性的，也可以平方根的，還可以是其它遞增形式。場氧層112即可以是均勻厚度的，也可以是沿從陽極區106到陰極區108方向逐漸變薄的。 3)具有傾斜表面漂移區的絕緣柵雙極型功率電晶體，簡稱LIGBT，如圖10所示。它包括半導體襯底層100、在襯底上方的半導體外延層120，以及外延層上方的場氧層112。所述的外延層120包含三個具有第一類導電類型的半導體區域106、 122和102，和三個具有第二類導電類型的半導體區域104、第二類導電類型的半導體區域108和第二類導電類型的半導體區域110。其中具有第一類導電類型的半導體區域106作為溝道區， 一側和具有高摻雜濃度的第二類導電類型的半導體區域104相連，另一側和具有低摻雜濃度的第二類導電類型的半導體區域110相連，其中104構成器件的陰極區，110構成器件的漂移區。漂移區夾在具有第一類導電類型的半導體區域106和具有高摻雜濃度的第二類導電類型的半導體區域108之間。半導體區域108的另外一側和具有第一類導電類型的半導體區域122相連，半導體區域122構成器件的陽極區，半導體區域102用做體接觸。所述的構成器件漂移區的具有低摻雜濃度的第二類導電類型的半導體區域110，其濃度分布即可以是均勻分布，也可以是橫向變摻雜或縱向變摻雜，或者橫向和縱向均為變摻雜。具有低摻雜濃度的第二類導電類型的半導體區域110的厚度沿從具有第一類導電類型的半導體區域106到具有高摻雜濃度的第二類導電類型的半導體區域108的方向由薄向厚逐漸增加，其增加方式可以是線性的，也可以平方根的，還可以是其它遞增形式。場氧層112即可以是均勻厚度的，也可以是沿從陽極區到陰極區方向逐漸變薄的。 需要說明的是，本發明提出的傾斜表面漂移區結構除了可以應用於上述所列幾類橫向功率器件外，還可用橫向晶閘管、靜電誘導電晶體(SIT)等其它未列出的橫向功率器件。
權利要求
一種具有傾斜表面漂移區橫向功率器件，其特徵是它包括半導體襯底層(100)，在襯底上方的外延層(120)，和外延層上方的場氧化層(112)，所述的外延層(120)包含一個具有第一類導電類型的半導體區域(106)，一個具有高摻雜濃度的第二類導電類型的半導體區域(108)，二者之間通過一個具有低摻雜濃度的第二類導電類型的半導體區域(110)隔開，半導體區域(110)構成了功率器件的漂移區，其厚度沿著從第一類導電類型的半導體區域(106)到具有高摻雜濃度第二類導電類型的半導體區域(108)的方向由薄到厚逐漸增加，從而形成傾斜表面。
2. 根據權利要求1所述的傾斜表面漂移區橫向功率器件，其特徵是作為漂移區的具 有低摻雜濃度的第二類導電類型的半導體區域(110)，其厚度的增加方式是線性的、平方根 的或其它遞增函數形式，其最厚和最薄處的漂移區高度比大於1. 5。
3. 根據權利要求1或2所述的傾斜表面漂移區橫向功率器件，其特徵是作為漂移區 的具有低摻雜濃度的第二類導電類型的半導體區域(110)，其濃度分布是均勻分布、橫向非 均勻分布、縱向非均勻分布或縱向和橫向均為非均勻分布。
4. 根據權利要求l所述的傾斜表面漂移區橫向功率器件，其特徵是場氧化層(112) 是均勻厚度的，或是沿第一類導電類型的半導體區域(106)到高摻雜濃度的第二類導電類 型的半導體區域(108)的方向逐漸變薄的。
5. 根據權利要求1、或2、或3所述的傾斜表面漂移區橫向功率器件，其特徵是半導體 外延層(120)是矽、碳化矽、砷化鎵或鍺矽。
6. 根據權利要求1所述的傾斜表面漂移區橫向功率器件，其特徵是所述的傾斜表面 漂移區體矽功率器件的具體形式是橫向擴散場效應電晶體L匿OS、橫向PN二極體、橫向絕 緣柵雙極型電晶體LIGBT、或橫向晶閘管。
全文摘要
本發明提供了一種具有傾斜表面漂移區的橫向功率電晶體，該器件至少包含依次相連的三個半導體摻雜區。其中位於一端的摻雜區為第一類導電類型，構成器件的溝道區(或陽極區)，另一端的摻雜區為第二類導電類型，構成器件的漏區(或陰極區)，夾在中間的半導體區為第二類導電類型，構成器件的漂移區。漂移區的下部與襯底層相接，上部與場氧層相接。漂移區的厚度沿從溝道區(陽極)到漏區(陰極)的方向以線性或平方根形式逐漸增加，從而形成傾斜的漂移區表面。採用該結構製造橫向擴散場效應電晶體LDMOS、橫向PN二極體或橫向絕緣柵雙極型電晶體LIGBT，具有導通電阻小、擊穿電壓高、工藝簡單、成本低廉等優點。
文檔編號H01L29/739GK101707205SQ20091023249
公開日2010年5月12日 申請日期2009年11月27日 優先權日2009年11月27日
發明者郭宇鋒, 黃峻 申請人:南京郵電大學