一種結型場效應電晶體及其製備方法
2023-10-10 12:39:59 1
一種結型場效應電晶體及其製備方法
【專利摘要】本發明提供一種結型場效應電晶體（JFET）及其製備方法，屬於結型場效應電晶體【技術領域】。該JFET包括：在襯底上形成第一導電類型的埋層；在埋層上外延生長形成外延層；在外延層中形成的用於形成溝道的第一導電類型的第一阱，第一阱被引出形成源極；在外延層中形成的、位於第一阱的寬度方向的兩側並與其鄰接的第二導電類型的第二阱，第二阱被引出形成柵極；以及在外延層中形成的第一導電類型的第三阱，第三阱被引出形成漏極；其中，JFET的溝道方向基本垂直於襯底表面；JFET在導通時，第一阱與第三阱之間通過埋層電性連接導通；第一導電類型與所述第二導電類型互為相反。該JFET的夾斷電壓具有易於調節設置、製備工藝簡單的特點。
【專利說明】一種結型場效應電晶體及其製備方法
【技術領域】
[0001]本發明屬於結型場效應電晶體（JFET)【技術領域】，涉及可通過調節形成垂直溝道的阱的寬度大小來調節其夾斷電壓（Pinch-off Voltage)的結型場效應電晶體。
【背景技術】
[0002]結型場效應電晶體廣泛應用於各類模擬電路的設計，例如：放大器電路、偏壓或降壓電路、啟動電路、可變電阻等等。對於日漸興起的高壓半導體集成電路而言，為滿足諸如電源管理晶片中不同工作電壓器件的需求，提高結型場效應電晶體的夾斷電壓(也稱為崩潰電壓）來滿足更多的電源管理晶片的需求，成為一個新的研究課題。
[0003]現有技術的結型場效應電晶體結構中，其夾斷電壓的調節需要額外的增加Mask(掩膜版）並通過額外的注入實現，也大大增加了其工藝成本及製造的複雜性，並且在同一晶片中，難以同時實現各種不同夾斷電壓的結型場效應電晶體的製備。
【發明內容】
[0004]本發明的目的之一在於，提出一種夾斷電壓易於調節設置的結型場效應電晶體。
[0005]本發明的又一目的在於，降低結型場效應電晶體的製備工藝複雜性。
[0006]為實現以上目的或者其他目的，本發明提供以下技術方案。
[0007]按照本發明的一方面，提供一種結型場效應電晶體，其包括：
在襯底上形成第一導電類型的埋層；
在所述埋層上外延生長形成的外延層；
在外延層中形成的用於形成溝道的第一導電類型的第一阱，所述第一阱被引出形成源
極；
在外延層中形成的、位於所述第一阱的寬度方向的兩側並與其鄰接的第二導電類型的第二阱，所述第二阱被引出形成柵極；以及
在外延層中形成的第一導電類型的第三阱，所述第三阱被引出形成漏極；
其中，所述結型場效應電晶體的溝道方向基本垂直於所述襯底表面；
所述結型場效應電晶體在導通時，所述第一阱與所述第三阱之間通過所述埋層電性連接導通；
所述第一導電類型與所述第二導電類型互為相反。
[0008]按照本發明的結型場效應電晶體，其中，設置所述第一阱的寬度以調節所述結型場效應電晶體的夾斷電壓。
[0009]按照本發明一實施例的結型場效應電晶體，其中，所述第一阱的寬度在O. 8微米至I. 2微米的範圍內設置。
[0010]優選地，所述溝道的長度基本等於所述外延層的厚度。
[0011 ] 在之前所述任意實施例的結型場效應電晶體中，優選地，所述第二阱為兩個，其分別位於所述第一阱的寬度方向的兩側。「以上所述及的結型場效應電晶體的方法，
第二阱和第三阱；以及形成源極、柵極和漏極。
電管的製備方法，其中，在引出形成源極、柵匕分別構圖摻雜形成有源極引出區、柵極引
電晶體的製備方法，其中，所述第一阱和所三阱通過同步構圖摻雜形成。
述第二阱的摻雜濃度。
形成方向垂直於襯底表面的溝道，並且，第&電類型相反，其可以方便地調節溝道。因1可以受第一阱的寬度參數控制，通過布圖電壓大小，且夾斷電壓調節範圍大，方便在【具體實施方式】
[0030]下面介紹的是本發明的多個可能實施例中的一些，旨在提供對本發明的基本了解，並不旨在確認本發明的關鍵或決定性的要素或限定所要保護的範圍。容易理解，根據本發明的技術方案，在不變更本發明的實質精神下，本領域的一般技術人員可以提出可相互替換的其他實現方式。因此，以下【具體實施方式】以及附圖僅是對本發明的技術方案的示例性說明，而不應當視為本發明的全部或者視為對本發明技術方案的限定或限制。
[0031]在附圖中，為了清楚起見，誇大了層和區域的厚度，並且，由於刻蝕引起的圓潤等形狀特徵未在附圖中示意出。在描述中，使用方向性術語(例如「上」、「下」等）以及類似術語描述的各種實施方式的部件表示附圖中示出的方向或者能被本領域技術人員理解的方向。這些方向性術語用於相對的描述和澄清，而不是要將任何實施例的定向限定到具體的方向或定向。
[0032]圖I所示為按照本發明一實施例的結型場效應電晶體的截面結構示意圖。在該實施例中，為方便不說明，以垂直於襯底表面的方向定義為z方向，以平行於襯底表面且在溝道寬度上的方向定義為X方向。結型場效應電晶體10在該示例中具體地為N型結型場效應電晶體，其可以但不限於形成於在P-摻雜的半導體襯底11上，半導體襯底11的上表層被構圖摻雜形成埋層（Buried Layer) 111,埋層111為N型摻雜,其與半導體襯底11為相反的摻雜類型，並且其摻雜濃度相對較高，例如，埋層111的濃度範圍為1E15 /cm3至1E19/cm3，例如，4E18/cm3。在埋層111上，沿z方向生長形成了厚度為LI的外延層12，在外延層12中，構圖摻雜形成了 N阱（即N導電類型）121、P阱（即P導電類型）122a和122b、以及N阱（即N導電類型）123a和123b。其中，N阱121被引出形成源極、P阱122a和122b被引出形成柵極、N阱123a和123b被引出形成漏極；具體地，在N阱121上摻雜形成摻雜濃度相對高於N阱121的源極引出區（N+) 1211，在P阱122a和122b摻雜分別形成摻雜濃度相對高於P阱的柵極引出區（P+) 1221a和1221b，在N阱123a和123b摻雜分別形成摻雜濃度相對高於N阱的漏極引出區（N+) 1231a和1231b。
[0033]繼續如圖I所示，在該實施例中，N阱121、P阱122a和122b、N阱123a和123b是通過垂直摻雜形成，每個阱基本在方向貫穿外延層12，從而其厚度基本等於外延層12的厚度LI。在N阱121的X方向的相鄰兩側分別形成P阱122a和122b，P阱122a和122b的摻雜濃度相同並且其導電類型與鄰接的N阱121的導電類型相反，因此，P阱122a和122b與N阱121接觸分別形成PN結，在PN結兩端加反偏電壓時(例如柵極偏置負電壓)，PN結的耗盡區會展寬，隨著反偏電壓的增大，N阱121中所對應的一個PN結的耗盡區會展寬至與另一個PN結的耗盡區相接觸，此時溝道基本被夾斷，其有效寬度為O (溝道的有效寬度等於其寬度減去耗盡區的寬度)，被夾斷時對應的反偏電壓也被定義為該結型場效應電晶體的夾斷電壓。因此，N阱121中形成的垂直溝道(如圖中虛線箭頭所示)在柵極被偏置為夾斷電壓時，其將基本消失。
[0034]在該實施例中，結型場效應電晶體10的夾斷電壓Vp至少決定於N阱121的寬度W，寬度W越大，夾斷電壓Vp的絕對值越大(越不容易被夾斷)，反之，夾斷電壓Vp的絕對值越小；而其寬度W可以在構圖摻雜形成N阱121時，非常方便地通過布局（Layout)布圖調節設置，因此，該實施例的結型場效應電晶體10的夾斷電壓Vp非常容易調節，並且在同一晶片中可以通過設置不同的W、形成多個不同夾斷電壓的結型場效應電晶體。在該實施例中，N阱121的摻雜濃度範圍為1E15/W至lE18/cm3，例如，4E16 /cm3, P阱122a和122b的摻雜濃度範圍為lE15/cm3至1E18 /cm3，例如，7E17/cm3 ;寬度W可以在O. 8微米至I. 2微米的範圍內設置，其夾斷電壓Vp相應地在-O. 6V至-2. 6V的範圍內變化。需要理解的是，以上寬度W以及相應夾斷電壓Vp的設置僅是示例性的，本領域技術人員可以根據以上教導和啟示，具體設置相應的寬度W參數。
[0035]在一優選實例中，也可以設置N阱121的摻雜濃度低於P阱122a和122b的摻雜濃度，從而，二者在形成PN結並且PN結反偏時，N阱中耗盡區更厚，其展寬效應也更顯著。因此，也可以通過設置N阱121的濃度參數，來調節設置該JEFT的夾斷電壓，其調節設置更顯方便。
[0036]繼續如圖I所示，N阱123a和123b分別位於P阱122a和122b的x方向的兩側，N阱123a與P阱122a鄰接，N阱123b與P阱122b鄰接，N阱123a和123b的摻雜濃度可以相同，其摻雜濃度範圍為lE15/cm3至lE18/cm3，例如，4E16 /W。N阱123a和123b與N阱121之間埋層111電性連接（N阱121與埋層111之間可電性連接)，因此，也可以理解為N阱123a和123b是從埋層111垂直引出的。在漏極外加電壓偏置時，電子可以經由N阱121的垂直溝道、埋層、N阱123a或123b，從源極流向漏極(如圖I中虛線箭頭所示)。需要說明的是，在漏極偏置高壓時，結型場效應電晶體10的崩潰電壓主要取決於P阱122a (或122b)與N阱123a (或123b)形成的結的耐壓能力，其一般能滿足高於40V的耐壓需求。並且，埋層111與N阱123a和123b還可以形成N阱121、P阱122a和122b的隔離環，方便滿足不同電路設計的要求。
[0037]如圖I所示實施例的結型場效應電晶體10可以通過設置寬度調節其夾斷電壓Vp。圖2所示為圖I所示實施例的結型場效應電晶體的Id-Vg曲線示意圖。在寬度W分別在
O.8um、l. OumU. 2um時，其夾斷電壓大致分別在-O. 6V、_1. 6V、-2. 6V。並且，柵極上偏置電信號Vg時，通過P阱122a和122b調製N阱121的有效寬度以調節其導通電阻，從而使電流Id隨之變化(在Vd —定的情況下);在Vg基本等於夾斷電壓時，N阱121的有效寬度被P阱122a和122b調製為O。圖3所示為圖I所示實施例的結型場效應電晶體的Id-Vd曲線示意圖。
[0038]繼續如圖I所示，優選地，在外延層12的各個阱區之間，可以設置有用於隔離的隔尚層125，例如，隔尚層125可以但不限於為淺溝槽隔尚層（STI)，隔尚層125也可用LOCOS隔離方式形成。
[0039]圖4所示為製備圖I所示實施例的結型場效應電晶體的方法流程示意圖。圖5至圖8所示為基於圖4所示製備方法流程的相應截面結構變化示意圖。以下結合圖5至圖8，說明圖I所示實施例的結型場效應電晶體的製備方法過程。
[0040]首先，步驟S310，在襯底上構圖摻雜形成埋層。如圖5所示，選擇一定摻雜濃度的P型半導體襯底11，在其上構圖摻雜形成埋層111，埋層111為N型導電類型，其摻雜濃度相對較高(例如，其摻雜濃度高於N阱121的摻雜濃度)。
[0041]進一步，步驟S320，在襯底的埋層上外延生長形成外延層。如圖6所示，埋層111形成在半導體襯底111的上表層，在其上可以通過外延生長工藝形成外延層12，外延層12的厚度LI可以根據需要形成的結型場效應電晶體10的垂直溝道長度大小來設置，其具體厚度大小、形成工藝等不是限制性的。[0042]進一步，步驟S330，在所述外延層上構圖摻雜形成第一阱、第二阱和第三阱。如圖7所示，第一阱、第二阱和第三阱分別為N阱121、P阱122a和122b、N阱123a和123b，N阱121用於形成垂直於襯底表面的溝道，P阱122a和122b鄰接於N阱121用於調製溝道，N阱123a和123b用於引出形成漏端的埋層111、進而在其上引出形成漏極。N阱121、P阱122a和122b、N阱123a和123b均可以垂直構圖摻雜，其摻雜基本在z方向上貫通外延層12並在埋層111表面上終止，因此N阱121、P阱122a和122b、N阱123a和123b的寬度均容易通過布圖（Layout)來方便設置，尤其是對於N阱121，其寬度W可以通過布圖方便地調整設置，從而夾斷電壓方便調節。N阱121、N阱123a和123b為相同導電類型，它們之間的摻雜濃度可以相同也可以不相同，在摻雜濃度相同的情況下，N阱121、N阱123a和123b可以同步地構圖摻雜形成。但是，N阱121、N阱123a和123b、P阱122a和122b三者之間的構圖摻雜順序不是限制性的，各自的具體摻雜方法也不是限制性的，例如，可以選擇離子注入方法摻雜。
[0043]進一步，步驟S340，在第一阱、第二阱和第三阱上分別引出形成源極、柵極和漏極。如圖8所示，在該實施例中，在N阱121上摻雜形成摻雜濃度相對高於N阱121的源極引出區（N+)1211，在P阱122a和122b摻雜分別形成摻雜濃度相對高於P阱的柵極引出區（P+)1221a和1221b，在N阱123a和123b摻雜分別形成摻雜濃度相對高於N阱的漏極引出區(N+) 1231a和1231b，然後在源極引出區1211上形成金屬電極以引出形成源極（Source)、在柵極引出區1221a和1221b上同時形成金屬電極以引出形成柵極（Gate)、在漏極引出區1231a和1231b上同時形成金屬電極以引出形成漏極（Drain)。在該實施例中，還可以在各個阱區之間形成位於外延層12的上表面的隔離層125。至此，圖I所示實施例的結型場效應電晶體10基本形成。
[0044]需要說明的是，以上所示實施例中以N型（N型溝道）結型場效應電晶體為示例說明了其結構特徵和製備方法，本領域技術人員在以上教導和啟示下，同樣可以將其類推地應用到P型（P型溝道)結型場效應電晶體的結構設置和製備方法中(例如，第一阱、第二阱、第三阱分別對應)，並且同樣具有夾斷電壓易於調節設置、調節範圍大、製備工藝簡單的優點。
[0045]以上例子主要說明了本發明的結型場效應電晶體及其製備方法，儘管只對其中一些本發明的實施方式進行了描述，但是本領域普通技術人員應當了解，本發明可以在不偏離其主旨與範圍內以許多其他的形式實施。因此，所展示的例子與實施方式被視為示意性的而非限制性的，在不脫離如所附各權利要求所定義的本發明精神及範圍的情況下，本發明可能涵蓋各種的修改與替換。
【權利要求】
1.一種結型場效應電晶體，其特徵在於，包括： 在襯底上形成第一導電類型的埋層； 在所述埋層上外延生長形成的外延層； 在外延層中形成的用於形成溝道的第一導電類型的第一阱，所述第一阱被引出形成源極； 在外延層中形成的、位於所述第一阱的寬度方向的兩側並與其鄰接的第二導電類型的第二阱，所述第二阱被引出形成柵極；以及 在外延層中形成的第一導電類型的第三阱，所述第三阱被引出形成漏極； 其中，所述結型場效應電晶體的溝道方向基本垂直於所述襯底表面； 所述結型場效應電晶體在導通時，所述第一阱與所述第三阱之間通過所述埋層電性連接導通； 所述第一導電類型與所述第二導電類型互為相反。
2.如權利要求1所述的結型場效應電晶體，其特徵在於，設置所述第一阱的寬度以調節所述結型場效應電晶體的夾斷電壓。
3.如權利要求1或2所述的結型場效應電晶體，其特徵在於，所述第一阱的寬度在O.8微米至I. 2微米的範圍內設置。
4.如權利要求1或2所述的結型場效應電晶體，其特徵在於，所述溝道的長度基本等於所述外延層的厚度。
5.如權利要求1或2所述的結型場效應電晶體，其特徵在於，所述第二阱為兩個，其分別位於所述第一阱的寬度方向的兩側。
6.如權利要求1或2所述的結型場效應電晶體，其特徵在於，在所述柵極上偏置電信號以使所述第一阱與所述第二阱之間形成的PN結反向偏置，通過調節所述柵極上偏置的電信號大小以調節所述第一阱中所對應的PN結的耗盡區的寬度。
7.如權利要求6所述的結型場效應電晶體，其特徵在於，所述柵極上偏置夾斷電壓時，所述第一阱的寬度基本等於所述耗盡區的寬度。
8.如權利要求1所述的結型場效應電晶體，其特徵在於，所述埋層的摻雜濃度範圍為1E15/cm3 至 lE19/cm3。
9.如權利要求1或8所述的結型場效應電晶體，其特徵在於，所述第一阱的摻雜濃度範圍為 lE15/cm3 至 lE18/cm3。
10.如權利要求1或8或9所述的結型場效應電晶體，其特徵在於，所述第二阱的摻雜濃度範圍為1E15 /cm3至1E18 /cm3。
11.如權利要求1或8或9或10所述的結型場效應電晶體，其特徵在於，所述第三阱的摻雜濃度範圍為lE15/cm3至1E18 /cm3。
12.如權利要求1或8所述的結型場效應電晶體，其特徵在於，所述第一阱的摻雜濃度低於所述第二阱的摻雜濃度。
13.如權利要求1或2所述的結型場效應電晶體，其特徵在於，所述第三阱位於所述第二阱的寬度方向的兩側並與其鄰接。
14.一種製備如權利要求1所述結型場效應電晶體的方法，其特徵在於，包括步驟： 在襯底上構圖摻雜形成埋層；在所述襯底的埋層上外延生長形成外延層； 在所述外延層上構圖摻雜形成所述第一阱、第二阱和第三阱；以及 在所述第一阱、第二阱和第三阱上分別引出形成源極、柵極和漏極。
15.如權利要求14所述的方法，其特徵在於，在引出形成源極、柵極和漏極步驟中，所述第一阱、第二阱和第三阱上分別構圖摻雜形成有源極引出區、柵極引出區和漏極引出區。
16.如權利要求14所述的方法，其特徵在於，所述第一阱和所述第三阱的摻雜濃度相同，所述第一 阱和所述第三阱通過同步構圖摻雜形成。
17.如權利要求14或16所述的方法，其特徵在於，所述第一阱的摻雜濃度低於所述第二阱的摻雜濃度。
【文檔編號】H01L29/808GK103840012SQ201210477888
【公開日】2014年6月4日 申請日期:2012年11月22日 優先權日:2012年11月22日
【發明者】王瓊 申請人:無錫華潤上華半導體有限公司