專利名稱：利用場板達(dá)到最佳表面橫向通量的橫向高壓器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于半導(dǎo)體器件，特別是橫向半導(dǎo)體器件的耐壓區(qū)(或漂移區(qū))及縱向半導(dǎo)體器件的結(jié)邊緣技術(shù)。

背景技術(shù)：
在參考文獻(xiàn)[1，2]中指出，對橫向器件的表面耐壓技術(shù)或縱向器件的結(jié)邊緣技術(shù)可利用最佳的橫向表面變摻雜(Variation lateraldoping，簡稱VLD)，這種方法可以在最短的表面距離內(nèi)達(dá)到最高的擊穿電壓，即接近于同襯底制作的單邊突變平行平面二極管所達(dá)到的擊穿電壓。文獻(xiàn)[4，5]又提出了根據(jù)文獻(xiàn)[1，2]的方法來實(shí)現(xiàn)高側(cè)及低側(cè)器件的方法。文獻(xiàn)[3]中提出了最佳表面變摻雜實(shí)質(zhì)上應(yīng)換為最佳的表面變通量密度( VLF)，而且提出了一種在表面覆蓋一種介電系數(shù)比半導(dǎo)體高得多的材料來達(dá)到最佳表面變通量的方法。
由于最常用的集成電路工藝是CMOS/BiCMOS，而通常的這種工藝中并不一定有很合適文獻(xiàn)[2，4，5]的技術(shù)所要求的p區(qū)及n區(qū)的劑量及深度，更不含有文獻(xiàn)[3]所要求的介電系數(shù)比半導(dǎo)體材料高得多的覆蓋層的制造工藝。因此有無利用現(xiàn)有的CMOS/BiCMOS工藝來實(shí)現(xiàn)在半導(dǎo)體表面之上改變表面耐壓區(qū)向體內(nèi)發(fā)出電通量的方法是一個有興趣的問題。
本發(fā)明利用CMOS/BiCMOS工藝中半導(dǎo)體表面可制造多種絕緣層及導(dǎo)電層的方法來改變表面向體內(nèi)發(fā)出的電通量。
參考文獻(xiàn)
1X.B.Chen，et al.，“Lateral high-voltage devices using anoptimized variational
lateral doping”，Int.J.Electronics，Vol.80，No.3，pp.449-459(1996).
2X.B.Chen，U.S.Patent，5,726,469(1998)，or，Chinesepatent ZL 95108317.1(1998).
3X.B.Chen，U.S.Patent，6,936,907(2005)，or，Chinese patentZL 02142183.8(2005).
4X.B.Chen，U.S.Patent，6,310,365 B1(2001).
5 X.B.Chen，U.S.Patent，6，998，681 B2(2006).

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是利用CMOS/BiCMOS工藝中表面的多層絕緣膜及作連線的導(dǎo)體(即多層布線)來達(dá)到表面(橫向)向體內(nèi)送出一個接近最佳電通量密度分布的電通量，以期在最短表面距離內(nèi)達(dá)到最高的擊穿電壓。
本發(fā)明是利用通常CMOS/BiCMOS工藝中所用的多層布線工藝，即利用多層絕緣層及多層導(dǎo)電層，來形成一種階梯式的場板。由于它對半導(dǎo)體表面有不同的單位面積電容，因此可以實(shí)現(xiàn)對半導(dǎo)體吸收或放出不同的電通量密度。利用這個原理，可以改變半導(dǎo)體表面對襯底發(fā)出的電通量密度，使其接近文獻(xiàn)[3]所述的理想的電通量密度，從而使器件的表面耐壓在最短的表面距離內(nèi)接近于由同襯底做成的單邊突變平行平面結(jié)的擊穿電壓。
每個浮空場板本身不帶電荷，它對半導(dǎo)體吸收或放出的電通量又可通過與它相鄰近的浮空場板間形成的耦合電容的充放電來抵消，因此本發(fā)明還提供了設(shè)置這種耦合電容的方法 浮空場板有可能因某些原因帶上電荷，例如受粒子輻照或電壓過高時的局部擊穿。為了消除這種電荷，一個方法是將其聯(lián)接到耐壓區(qū)的浮空場限環(huán)上。于是，當(dāng)器件不外加電壓或器件導(dǎo)通而耐壓區(qū)兩端的電壓很低時，所有場板的電位都接近于襯底電位，從而可以釋放其上的電荷。
利用浮空場板作表面耐壓區(qū)，可以制作既有浮動端的高側(cè)器件，又可制作以此浮動端作為高壓端而以襯底為低壓端的器件(下面稱為低側(cè)器件)。



圖1橫向器件的表面耐壓區(qū)及其最佳電通量密度與表面電位分布的示意圖 (a)橫向功率MOST的結(jié)構(gòu)； (b)表面耐壓區(qū)的電通量密度與最大電位處的距離的關(guān)系 實(shí)線——理想的電通量密度F(x) 虛線——n區(qū)雜質(zhì)產(chǎn)生的電通量密度qD0 陰影區(qū)——需要從表面引出的電通量密度 (圖中分了四個相等的區(qū)域，其需引出的平均電通量密度分別用平均值表示為ΔF1，ΔF2，ΔF3及ΔF4)； (c)理想情形下表面耐壓區(qū)的電位V(x)(以襯底p-區(qū)未耗盡的中性區(qū)的電位為參考點(diǎn))。
圖2橫向MOST利用場板對半導(dǎo)體表面吸收電通量 (a)加有場板的橫向MOST的結(jié)構(gòu)； (b)場板的俯視圖(該場板在四段距離內(nèi)有四種不同的占空比，因此形成了四個平均值不同的MIS電容)； (c)四個不同電容C1、C2、C3和C4及對應(yīng)電位V1、V2、V3和V4形成的場板的等效電路。
圖3橫向MOST在其耐壓區(qū)上有一塊場板的結(jié)構(gòu)。場板下面有四層不同厚度的介質(zhì)與半導(dǎo)體表面隔離(階梯式的場板)。
圖4采用幾種浮空場板制作橫向MOST例子 (a)有一個接地的階梯式場板(104)，其下面三段有浮空場板(107，108，109)； (b)有一個接地的階梯式場板(104)，其下面在兩段有階梯式的浮空場板(110，111)，另一段還有一個浮空場板(107)。
圖5利用多個階梯式浮空場板及一個接地場板制作的橫向二極管示意圖(場板之間有交疊區(qū)，構(gòu)成耦合電容) (a)每個階梯式浮空場板在朝電極A的方向上是向上的階梯； (b)在圖5(a)的接近于電極A處的浮空場板之間及浮空場板與襯底之間增加耦合電容的方法； (c)每個階梯式浮空場板在朝電極A的方向上是向下的階梯。
圖6用于計(jì)算圖5所示場板參數(shù)所用的等效電路。
圖7利用階梯式浮空場板將電通量引入半導(dǎo)體表面的橫向二極管示意圖 (a)其中每個階梯式浮空場板在朝電極A的方向上是向下的階梯； (b)其中每個階梯式浮空場板在朝電極A的方向上是向上的階梯； (c)計(jì)算場板參數(shù)的等效電路。
圖8場板聯(lián)于耐壓區(qū)的浮空場限環(huán)上的二極管的示意圖 (a)橫向二極管結(jié)構(gòu)，其中耐壓區(qū)的n區(qū)中設(shè)有p+浮空場限環(huán) (b)叉指條的指邊無浮空場限環(huán)的剖面圖； (c)叉指條的指端有浮空場限環(huán)的俯視圖。
圖9利用階梯式場板的橫向MOST的剖面圖 (a)在叉指條指邊上； (b)在叉指條指端上。
圖10一個面積大的器件(202)的浮空場板與另一個面積小的器件(201)的浮空場板連接，而小器件有浮空場限環(huán)的示意圖 (a) 器件的結(jié)構(gòu)剖面圖(201是一個小的圓形器件，202是一個大的叉指條器件)； (b)器件的俯視圖。
圖11在n型襯底上利用由階梯型場板和浮空場限環(huán)構(gòu)成的表面耐壓區(qū)來制造的高側(cè)MOST及低側(cè)MOST的示意圖。
圖12利用襯底和表面耐壓區(qū)之間有薄的絕緣體I來制造象圖11所示的高側(cè)MOST及低側(cè)MOST的示意圖。

具體實(shí)施例方式 圖1(a)示出一個以p-區(qū)001為襯底且有一個n型耐壓區(qū)011(亦即漂移區(qū))的橫向(表面)MOST的例子，其中D為漏電極，S為源電極，G為柵電極。圖中的陰影區(qū)101為柵氧化層或柵絕緣層。漏電極D與n+漏區(qū)012相聯(lián)，源電極S與n+源區(qū)013相聯(lián)，并通過p+區(qū)014與p-襯底區(qū)001直接相聯(lián)。根據(jù)參考文獻(xiàn)[1]與[2]，該器件n型耐壓區(qū)的電通量密度F(x)的分布在理想情形下應(yīng)為圖1(b)的實(shí)線所示、其中坐標(biāo)軸x如圖1(a)所示。F(x)在x＝0處之值最大，約為2εsVB/Wpp，其中εs為半導(dǎo)體的介電常數(shù)，VB為擊穿電壓，Wpp為該擊穿電壓下同襯底形成的單邊突變平行平面結(jié)的耗盡層厚度。設(shè)實(shí)際工藝能夠得到n型區(qū)的平均施主密度為D0，其電通量密度為qD0，如圖1(b)的虛線所示。它和實(shí)線有一個距離，其差值為圖中陰影區(qū)的上下縱坐標(biāo)之差。設(shè)器件的n型耐壓區(qū)011被均勻分為四段，且每段的長度為d，則四段電通量密度的差值的平均值分別為ΔF1，ΔF2，ΔF3和ΔF4，它們代表多余的電通量密度，其對應(yīng)的電通量按本發(fā)明的目的是要通過半導(dǎo)體表面之上的電容充電來消除。圖1(c)是以p-襯底001中未耗盡的中性區(qū)的電位為參考點(diǎn)表面耐壓區(qū)在理想情形下在y＝0處電位V(x)的分布示意圖，其中坐標(biāo)軸y如圖1(a)所示。圖中V1、V2、V3和V4分別代表如圖1(b)所示的四段耐壓區(qū)的平均電位，V0代表器件耐壓區(qū)的最高電位。
注意到由過去我們變摻雜的理論得到過一個近似的方法來實(shí)現(xiàn)最佳表面變摻雜，即只要在一個尺度遠(yuǎn)小于Wpp的距離內(nèi)，由表面層產(chǎn)生的電通量密度的平均值能做到近似等于如圖1(b)實(shí)線反映的通量密度F(x)即可。圖2(a)是一個橫向MOST的結(jié)構(gòu)示意圖，圖中D為漏電極，S為源電極，G為柵電極，陰影區(qū)101為柵氧化層或柵絕緣層。漏電極D與n+漏區(qū)012相聯(lián)，源電極S與n+源區(qū)013相聯(lián)，并通過p+區(qū)014與p-襯底區(qū)001直接相聯(lián)，坐標(biāo)軸x如圖所示?，F(xiàn)在，設(shè)有一個氧化層102在半導(dǎo)體表面100之上，且其上又有導(dǎo)電的金屬或重?fù)诫s的多晶硅覆蓋做成場板103，該場板還通過一個在器件外的連線106與源電極S相連接，如圖2(a)所示。那么，一個平均值隨距離x變化的MOS電容就可以做出。按照本發(fā)明的圖2(a)的結(jié)構(gòu)，這個電容的頂部的導(dǎo)體103是接地的，其與半導(dǎo)體表面100形成的電容以單位面積計(jì)算為ε0X/t0X，其中ε0X是氧化層的介電系數(shù)，t0X是氧化層的厚度。平均電容可以通過改變極板的占空比來達(dá)到。圖2(b)示出該器件頂部場板的一種圖形的俯視圖。該極板被均勻地分為四段，每段的長度為d。在圖2(b)最左部分占空比最小，依次序向右則其占空比逐漸增大。一般來講，設(shè)占空比為r，則單位面積平均電容C(x)為rε0X/t0X，這里，r的數(shù)值應(yīng)根據(jù)所需電容之值來計(jì)算。由圖1(c)，設(shè)某點(diǎn)x半導(dǎo)體表面應(yīng)有電位V(x)，則由圖1(b)對應(yīng)的耗盡劑量應(yīng)為D(x)(＝F(x)/q)，而現(xiàn)在有摻雜劑量D0，故應(yīng)從電容取走的電通量密度為q(D0-D(x))，而電容兩邊的電壓為V(x)，這樣得到 由圖可知，x值愈小，即愈接近于漏極，則V(x)愈大，而(D0-D(x))愈小，因此r的值愈小。
圖2(b)所示的四段場板需要引出的平均電通量密度已在圖1(b)中表示出，分別為ΔF1、ΔF2、ΔF3及ΔF4。由圖1(c)可知各段對應(yīng)的半導(dǎo)體表面的平均電位分別為V1、V2、V3及V4。由此便可定出圖2(b)中場板各段的占空比。圖2(c)是四個不同電容C1、C2、C3和C4及對應(yīng)電位V1、V2、V3和V4形成的場板的等效電路圖。
但是上述方法在某些情況下可能并不適用。例如，當(dāng)所做器件的V(x＝0)很高，而t0X又很小，這時氧化層中的電場會超過其擊穿強(qiáng)度(dielectric strength)。又例如，當(dāng)占空比r很小時，極板周邊垂直于紙面方向的電場可能很大，也會使氧化層或半導(dǎo)體表面局部電場超過其擊穿強(qiáng)度。
為了克服上述困難，可以采用CMOS工藝中常用的多層導(dǎo)電膜，以獲得厚度可變的場板，從而使電容可變。圖3示出一個這種方法的例子。該圖是一個橫向MOST的結(jié)構(gòu)示意圖，其中D為漏電極，S為源電極，G為柵電極，陰影區(qū)101為柵氧化層或柵絕緣層，漏電極D與n+漏區(qū)012相聯(lián)，源電極S與n+源區(qū)013相聯(lián)，并通過p+區(qū)014與p-襯底區(qū)001直接相聯(lián)。該結(jié)構(gòu)中有一塊場板104，其下面有四層厚度不同的介質(zhì)105與半導(dǎo)體表面100隔離。場板104還通過一個在器件外的連線106與源電極S相連接。這種同一導(dǎo)體下面厚度是階梯式變化的場板在下面稱為階梯式場板。圖中C1、C2、C3及C4代表場板各段和半導(dǎo)體表面之間單位面積的電容值。該場板的電容和圖2(c)所示一樣。顯然，其值按C1、C2、C3及C4的次序逐漸增大，但電容上所加電壓V1、V2、V3及V4卻依次減小，因此從半導(dǎo)體表面吸收的電通量依次增加。
但是這種方法可能存在可用的最厚的氧化層厚度太小的問題。例如，設(shè)C1的厚度為t0X＝1μm，介電強(qiáng)度為5×106V/cm，電壓V1可達(dá)500V，吸收的電通量密度為其中ε0X為氧化層的介電系數(shù)，為3.9×8.85×10-14F/cm。由此得到吸收的電通量密度相當(dāng)于雜質(zhì)的劑量為F/q＝1×1013cm-2。這個通量密度可能太大。
當(dāng)然，圖3中C1太大的問題也可以用場板做成占空比小于1的方法來實(shí)現(xiàn)，其場板的俯視圖如圖2(b)所示那樣。
為了避免圖3中的場板做成圖2(b)那樣時產(chǎn)生垂直于紙面的局部電場過高而導(dǎo)致?lián)舸?，可以采用浮空場板的方法，如圖4(a)所示。該圖是一個橫向MOST的結(jié)構(gòu)示意圖，其中D為漏電極，S為源電極，G為柵電極，陰影區(qū)101為柵氧化層或柵絕緣層，漏電極D與n+漏區(qū)012相聯(lián)，源電極S與n+源區(qū)013相聯(lián)，并通過p+區(qū)014與p-襯底區(qū)001直接相聯(lián)。該圖中最頂上的一層極板做成如圖2(b)那樣的叉指條極板，而且其下面的一層中做了三個浮空場板，分別為107、108和109，它們均非叉指條。從每一段半導(dǎo)體表面到最上面一層場板都等效于兩個電容串聯(lián)。串聯(lián)后的等效電容和圖3的沒有浮空場板時的電容差不多。
另一種采用浮空場板的方法如圖4(b)所示，這是采用多層浮空場板的方法，其中第一層浮空場板107之上有兩個浮空場板110及111，還有一個接地場板104。第二層浮空場板110之上有一個浮空場板111及一個接地場板104。第三層浮空場板111之上有一個接地場板104。我們注意到，第一個浮空場板107吸收的是圖1(b)中的最左邊陰影區(qū)所對應(yīng)的電通量ΔF1，但因?yàn)楦】請霭逭w講是中性的，因此它吸收的電通量ΔF1必須從該浮空場板上部發(fā)出而被浮空場板110吸收。浮空場板110除吸收這個電通量外，還要吸收圖1(b)中次左邊陰影區(qū)的電通量ΔF2。因此浮空場板110必須向浮空場板111發(fā)出同樣多的電通量，如此等等。由此可見，浮空場板從半導(dǎo)體表面吸收的電通量由107到110再到111愈來愈多。如每兩個浮空場板間的電壓相等，則相鄰兩個浮空場板間的耦合電容應(yīng)依次增大。圖4(b)的結(jié)構(gòu)比較適合于這個要求。其中如個別耦合電容要求的數(shù)值較小，還可以采用占空比小于1的方法，即象圖2(b)的方法。
在上面所有的例子中都可發(fā)現(xiàn)，利用場板及浮空場板能夠達(dá)到的電壓不會超過由半導(dǎo)體表面向上到最高一個導(dǎo)電層之間的所有介質(zhì)的耐壓之和。因此，耐壓受到具體的CMOS/BiCMOS工藝中總介質(zhì)厚度的限制。為了克服這個限制，本發(fā)明還提供了下面一些方法。
圖5(a)示出了用n個浮空場板(P1，P2，P3，……，Pn-1，Pn)及一個接地場板PG做高耐壓二極管的情形。其中A為陽極，K為陰極，陰極K與n+區(qū)012相聯(lián)，陽極A與p+區(qū)014相聯(lián)。設(shè)每個場板和半導(dǎo)體間的耐壓是ΔV，而場板之間的耐壓是ΔVF，則陰極K到襯底的耐壓為nΔVF+ΔV。隨著n的增大，耐壓也不斷提高。
由于電位愈低的浮空場板，需要對地愈大的電容。圖5(a)這種結(jié)構(gòu)可能不能滿足電壓很低的浮空場板之間耦合電容及最后一塊浮空場板Fn對地的耦合電容量要求，為此我們可以利用器件所占面積之外的部分來制造耦合電容。將浮空場板通過外部的引線來聯(lián)到這些地方，這種方法示意地表示在圖5(b)中。圖5(b)是一個高耐壓二極管的示意圖，其中A為陽極，K為陰極，陰極K與n+區(qū)012相聯(lián)，陽極A與p+區(qū)014相聯(lián)。該器件有接地場板116，浮空場板112、113、114和115，其中浮空場板114通過外部連線119與極板118連接，浮空場板115通過外部連線120與極板117連接。
圖5(c)示出了另一種多個浮空場板的情形，它其實(shí)和圖5(a)是相仿的，不過可能存在一個優(yōu)點(diǎn)，就是在最高電壓處是一個厚度較大的場板，使得同樣耐壓下浮空場板的數(shù)目可以減少。這時，如有n個浮空場板，總的耐壓成為(n+1)ΔVF+ΔV，比圖5(a)的效果是相當(dāng)于那里增加了一個浮空場板。
上面所舉的例子中有些是表面耐壓層分成寬度相等的四段，每段上有場板或浮空場板或兩種都有。有些例子是分成更多的段。在實(shí)際情形中，應(yīng)按具體情況來確定段數(shù)及每段的寬度。場板到半導(dǎo)體表面的氧化層的厚度及上、下兩塊場板之間的氧化層的厚度也并非一定要都一樣。更重要的是，本專利并非局限于氧化層這種介質(zhì)，還可以是其它的絕緣的介質(zhì)層，包括Si3N4，Al2O3等等。表面的摻雜的半導(dǎo)體區(qū)也不一定是一個電荷密度均勻的區(qū)域。而且如文獻(xiàn)[1]、[2]、[4]所述，表面耐壓區(qū)的平均電通量密度是指在一個尺度遠(yuǎn)小于Wpp的距離內(nèi)凈電荷密度產(chǎn)生的電通量的平均值。
設(shè)計(jì)圖5結(jié)構(gòu)的場板的方法可根據(jù)圖6先作一個估計(jì)。圖中Ci(i＝1，2，3，......，n)代表第i個浮空場板或場板與半導(dǎo)體表面構(gòu)成的單位面積的電容，di(i＝1，2，......，n)代表第i段半導(dǎo)體表面所占寬度，ΔFi及Vi分別代表第i段半導(dǎo)體應(yīng)被吸收的平均電通量密度及半導(dǎo)體表面的平均電位。半導(dǎo)體表面的平均電位Vi從i＝1開始依1，2，3......的次序逐漸下降。由此得到電容Ci上的電壓為 Vi-Ui＝ΔFi/Ci 其中Ui為第i個浮空場板的電壓。于是我們可算出第i個場板與第(i+1)個場板間的耦合電容Ci，i+1兩邊的電壓為
而由i段所引起的單位面積上耦合電容的電荷增量為ΔFi，耦合電容Ci，i+1上的電荷是第i段及其前各段所有吸收的電通量之和，故Ci，i-1上的電荷為 ΔF1+ΔF2+......+ΔFi 由此我們可以算出Ci，i+1的值 Ci，i+1＝(ΔF1+ΔF2+...+ΔFi)/(Ui-Ui+1) ＝(ΔF1+ΔF2+...ΔFi)/(Vi+ΔFi/Ci-Vi+1-ΔFi+1/Ci+1) 根據(jù)上述公式可以做出一個各個電容的值的初步設(shè)計(jì)，然后再用數(shù)值模擬的方法進(jìn)行修正。
以上所述例子均為將電通量用場板及浮空場板從半導(dǎo)體表面引出的情形。不難推測，通過場板及浮空場板也可將電通量引入半導(dǎo)體表面。圖7(a)示出一個在p-襯底001上做的高壓橫向(表面)n+-p二極管的例子，其中A為陽極，K為陰極。陰極K與n+區(qū)012相聯(lián)，陽極A與p+區(qū)014相聯(lián)。在表面除有n+區(qū)012外，耐壓區(qū)完全沒有表面n型區(qū)。這里用了一個與陰極K相連的場板121及三個浮空場板122、123和124?，F(xiàn)將表面分四段來討論，在最左邊一段場板121由于它的電位高于其下的平均電位V1，因此有電通量線從場板經(jīng)過氧化層進(jìn)入半導(dǎo)體表面。同時，此場板121比浮空場板122的電位高，因此有電通量從場板121經(jīng)過氧化層進(jìn)入浮空場板122。而浮空場板122的電位又比其下面的半導(dǎo)體表面的平均電位V2高，因此有通量線從浮空場板122進(jìn)入第2段半導(dǎo)體表面，如此等等。
正如同圖5(a)及圖5(c)是兩種翻版一樣，圖7(a)也有一個翻版，它是圖7(b)。圖7(b)的作用原理自然不用贅述。很明顯，圖7(a)有三個浮空場板122、123和124及一個與陰極K相連的場板121。半導(dǎo)體表面從最高電壓處開始到最低電壓處可耐電壓為3×ΔVF+ΔV。而圖7(b)也有三個浮空場板126、127和128及一個與陰極K相連的場板125、但它的耐壓為4×ΔVF+ΔV。
圖7(a)及圖7(b)所示場板的設(shè)計(jì)均可利用圖7(c)所示的等效電路圖。其中Ci是單位面積的電容與該段寬度之乘積，即相當(dāng)于圖6的Cidi，Ci，i+1是第i個浮空場板與第i+1個浮空場板間在垂直于紙面方向單位長度的耦合電容。Vi和Ui的意義與圖6中相同，V0代表二極管的陰極電壓。對于圖7(a)而言，C1自然代表與電極K聯(lián)接的場板與半導(dǎo)體表面直接構(gòu)成的電容，電容Ci上的電壓為Ui-Vi，它對半導(dǎo)體表面發(fā)出在垂直于紙面方向單位長度的電通量為Fi＝(Ui-Vi)×Ci，其中Fi代表引入到半導(dǎo)體表面的電通量，相當(dāng)于圖6的ΔFidi。耦合電容上的電壓為 (Ui-Ui+1)＝Vi-Vi+1+Fi/Ci-Fi+1/Ci+1 而Ci，i+1上的電荷為第i+1段起到最后一塊場板的所有電荷之和 Fi+1+Fi+2+...+FN 由此可算出Ci，i+1之值 Ci，i+1＝(Fi+1+Fi+2+...+FN)/(Ui-Ui+1) 對于圖7(b)而言，可以認(rèn)為C1不存在(即C1＝0)。
上面所述的浮空場板，實(shí)際上在陰極K與陽極A或漏極D與源極S之間加正電壓時，它們都有一定的電位。但是如果絕緣層不是完美的，它們產(chǎn)生泄漏電流，則這種泄漏電流不論數(shù)值的大小，在長期存在時會給場板一定的電荷，從而使場板的電壓變化，不能達(dá)到預(yù)期的效果。為此，我們當(dāng)然可以在器件不工作時，或?qū)ǘ蛪簠^(qū)兩端的電壓很低時，將各個浮空場板采用開關(guān)將其聯(lián)接到襯底電極，使其成為無電荷。但是這種方法需要另外的電路。
另一種方法是將各個浮空場板通過外電路聯(lián)接到一定的電位。在這種情形下，它們已經(jīng)不是浮空的。
本發(fā)明提出的一個方法是把各個場板聯(lián)接到浮空場限環(huán)上。圖8示意地示出這種情形。圖8(a)是一個在p-襯底001上做的高反壓橫向(表面)n+-p二極管設(shè)置浮空場限環(huán)的結(jié)構(gòu)示意圖。其中A為陽極，K為陰極。陰極K與n+區(qū)012相聯(lián)。陽極A與p+區(qū)014相聯(lián)，且與場板131相連。圖中，場板129和130分別與p+浮空場限環(huán)015和016相連。一般講，在陰極K對陽極A有一個很大的正電壓時，每個p+浮空場限環(huán)由于其內(nèi)空穴離開而向低壓處流去，使p+浮空島的電位比緊靠其右邊的n型區(qū)的電位低而形成負(fù)電壓。此負(fù)電壓值達(dá)到1伏左右即能阻止空穴的流動。由于1伏的電壓比起高壓(功率)器件的工作電壓小得多，因此通常可以忽略。
這樣，如果設(shè)想p+區(qū)的寬度比耐壓區(qū)n型區(qū)的寬度小得多，p+區(qū)的厚度也比n型區(qū)的小得多，那么只要p+場限環(huán)設(shè)置的地點(diǎn)正確，與其相聯(lián)的場板也設(shè)置正確，就可以使圖8(a)的耐壓達(dá)到接近理想的最佳VLF的耐壓。
場板聯(lián)于浮空場限環(huán)，可使得即使通過場板與半導(dǎo)體之間的絕緣層有少許的泄漏電流，仍不會改變場板的電位。要達(dá)到這一目的，并不需要在耐壓區(qū)處處都設(shè)置浮空場限環(huán)，而是可以設(shè)在某些個別區(qū)域。
圖8(b)表示在一個叉指條的指邊上沒有浮空場限環(huán)的情形。圖8(b)的場板實(shí)際上是連接于設(shè)置在指端。這時的指端的結(jié)構(gòu)的剖面圖和圖8(a)一樣。圖8(c)是浮空場限環(huán)設(shè)在叉指條的耐壓區(qū)的指端的俯視圖。由于場板的阻擋，在俯視圖中并不能看見浮空場限環(huán)。實(shí)際上，指端上有兩個浮空的p+區(qū)015、016，它們的電位各為U1、U2，其上覆蓋的場板分別是129和130。采用這種方法，與場板129和130相連的兩個浮空場限環(huán)015和016可以在叉指條的地區(qū)取消。
圖9示出利用上述方法之一來做一個表面橫向MOST的示意圖。
圖9(a)示出一個以p-區(qū)001為襯底且有n型耐壓區(qū)011橫向MOST的例子，其中D為漏電極，S為源電極，G為柵電極，陰影區(qū)101為柵氧化層或柵絕緣層，漏電極D與n+漏區(qū)012相聯(lián)，源電極S與n+源區(qū)013相聯(lián)，并通過p+區(qū)014與p-襯底區(qū)001直接相聯(lián)。該器件有兩個浮空階梯形場板132和133。圖9(a)所示意地表出的是一個叉指條式安排的器件的指條在指邊的階梯式場板。其中兩個場板分別用引線聯(lián)到指條的終端區(qū)的p+浮空場限環(huán)015和016，這個指條在指端的示意圖如圖9(b)所示。
浮空場板也可連接在不在這個器件的本身耐壓區(qū)內(nèi)浮空場限環(huán)上，而是接在另一個器件上合適的地方。后一個器件和這個器件在結(jié)構(gòu)上一樣，但面積要小得多。例如，這個小器件沒有叉指條，在表面只有一個圓周做邊界。圖10(a)為兩個在p-襯底001上做的高反壓橫向(表面)n+-p二極管的剖面圖。圖10(b)為這兩個器件的俯視圖。這兩個器件分別為201和202。左邊虛線框內(nèi)的器件201代表的是一個面積小的器件，它只是一個圓形圖形，右邊虛線框內(nèi)的器件202代表的是一個面積大的器件。在兩個器件中，A為陽極，K為陰極。陰極K與n+區(qū)012相聯(lián)，陽極A與p+區(qū)014相聯(lián)。在器件201中p+區(qū)場限環(huán)015和016分別與器件202中場板132和133相連。兩個器件同時加同樣的反偏壓。小器件中各浮空場限環(huán)提供了相應(yīng)的電壓給場板，特別是當(dāng)器件是在無外加電壓時或在導(dǎo)通而耐壓區(qū)兩側(cè)的電壓很小時，浮空場限環(huán)及其所連接的場板均處于接近于襯底電壓，即可視為零。這有利于消除浮空場限環(huán)中一旦存在的電荷。
顯然，聯(lián)于浮空場限環(huán)的場板仍可說是浮空場板。
雖然我們是以p-襯底為例的器件來討論本專利，但其原理自然適用于以n-半導(dǎo)體為襯底的器件的表面耐壓。
利用浮空場板作表面耐壓區(qū)，不僅適用于一個電極與襯底相連接的器件，也適用于圖騰柱接法的高側(cè)器件。圖11示出了一個利用這種技術(shù)同時制造高側(cè)n-MOST與低側(cè)n-MOST的例子。該圖的左邊部分是高側(cè)n-MOST，右邊部分是低側(cè)器件。兩個器件都以n-區(qū)002為襯底，且耐壓區(qū)都包含有p型區(qū)017和n型區(qū)019，且兩個器件的耐壓區(qū)之間有一個n型區(qū)003。圖中，DL、SL和GL分別表示低側(cè)n-MOST的漏電極、源電極和柵電極；DH、SH和GH分別表示高側(cè)n-MOST的漏電極、源電極和柵電極。低側(cè)MOST的漏電極DL與n+漏區(qū)019相聯(lián)，源電極SL與n+源區(qū)020相聯(lián)，并通過p+區(qū)021與源襯底區(qū)018直接相聯(lián)。高側(cè)MOST的漏電極DH與n+漏區(qū)022相聯(lián)，源電極SH與n+源區(qū)023相聯(lián)，并通過p+區(qū)024與源襯底區(qū)024直接相聯(lián)。在低側(cè)MOST的耐壓區(qū)內(nèi)有三個階梯型場板，分別是134、135和136，其中場板136與低側(cè)器件的源電極SL相連，134和135分別與浮空場限環(huán)025和026相連。同樣，高側(cè)MOST中也含有137、138和139三個場板，其中場板139與高側(cè)器件的源電極SH相連，138和139分別與浮空場限環(huán)027和028相連。
圖11所示結(jié)構(gòu)在功能上和文獻(xiàn)[5]的圖14類似。文獻(xiàn)[5]中的圖14是對該文獻(xiàn)中圖11的一種改進(jìn)。其原理是將圖11中用作漂移區(qū)的n型區(qū)的劑量增加到接近一倍。所增加的劑量引起的正電荷在耐壓區(qū)耗盡時被其頂部的p型區(qū)的負(fù)電荷所中和。在本專利的圖11中，場板可將n型漂移區(qū)019的多余的施主正電荷產(chǎn)生的電通量從表面通過氧化層而取走。
正如文獻(xiàn)[4[與文獻(xiàn)[5]所指出的，在高側(cè)器件與低側(cè)器件之間需要有一個隔離區(qū)，在圖11中，這個隔離區(qū)就是從低側(cè)器件的p+區(qū)021到高側(cè)器件的n+漏區(qū)022的區(qū)域。此區(qū)域之上也覆蓋有聯(lián)于低側(cè)MOST漏區(qū)及高側(cè)MOST的源區(qū)的一個場板140，它有助于高側(cè)器件與低側(cè)器件的隔離。該場板下的陰影區(qū)為絕緣層141。
也正如文獻(xiàn)[4]與文獻(xiàn)[5]所指出的，本發(fā)明提出的技術(shù)自然適用于表面耐壓區(qū)與襯底之間存在一個薄絕緣層的情形。圖12示出圖11有一個薄的絕緣體1區(qū)004將兩個表面耐壓區(qū)及其間的隔離區(qū)和對底隔開的情形。
為了避免每個場板的終端產(chǎn)生局部電場過高，還可以利用集成電路中由場氧化產(chǎn)生的鳥嘴，使場板的邊緣向上彎曲。
毫無疑問，本發(fā)明所涉及的耐壓區(qū)不僅適用于橫向二極管及橫向MOST，也適用于其它橫向器件，而且也適用于作為一種縱向器件的邊緣技術(shù)。
以上對本發(fā)明的耐壓區(qū)利用許多應(yīng)用例子作了說明。顯然，對于熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員而言，還可以在本發(fā)明的思想下，做出其它許多應(yīng)用例子而不超出本發(fā)明的權(quán)利要求。
權(quán)利要求
1.一種半導(dǎo)體橫向器件，它包含
一個第一種導(dǎo)電類型的輕摻雜的半導(dǎo)體襯底；
一個處在表面的作為這個器件邊緣的第一種導(dǎo)電類型半導(dǎo)體構(gòu)成的厚度很薄的器件邊緣區(qū)；
一個處在表面被所述第一種導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體區(qū)域所包圍的范圍的中央部分的第二種導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體構(gòu)成的厚度很薄的中央?yún)^(qū)；
一個從所述在表面的第二種導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體中央?yún)^(qū)到在表面的第一種導(dǎo)電類型的器件邊緣區(qū)所構(gòu)成的表面耐壓區(qū)，它包含至少有一段表面被厚度不均勻或介電系數(shù)不均勻的絕緣層所覆蓋，在所述絕緣層上，至少有一段覆蓋了導(dǎo)電材料構(gòu)成浮空場板，其對半導(dǎo)體表面形成的單位面積的電容值隨離開器件中央?yún)^(qū)的距離而變化，當(dāng)電容最大的那部分半導(dǎo)體表面的電位的值大于、或小于浮空場板的浮空電位時，半導(dǎo)體表面有第一種電通量流出、或流入，每處流出、或流入的通量的平均密度與電位的差值成正比，也與單位面積的電容值成正比；
一個浮空場板之上可以再有一個絕緣層，其上面又有一個導(dǎo)電材料和另一個浮空場板相聯(lián)接，這兩個浮空場板之間有一個電容，第一種電通量可以從電位大的浮空場板流向電位小的浮空場板；
在表面耐壓區(qū)中還可以含有一層或多層半導(dǎo)體區(qū)域，它們在耐壓區(qū)兩端加上接近于擊穿電壓的反偏壓時全部電離，產(chǎn)生電通量；在最表面的一層半導(dǎo)體區(qū)域?yàn)橐环N導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體區(qū)域時，還可以含有一個不論哪個方向上尺度都比此區(qū)小的、局部的、與這種導(dǎo)電類型相反的區(qū)域，它們在耐壓層上加上接近于擊穿電壓的反偏壓時并不全部電離而留下一些緊貼表面的浮空的中性區(qū)域構(gòu)成浮空場限環(huán)；
浮空場板可以有一小部分和所述的浮空場限環(huán)聯(lián)接；
最靠近器件邊緣區(qū)的場板可以并不是浮空的而是與器件邊緣區(qū)的第一種導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體區(qū)域直接聯(lián)接；
最靠近器件中央?yún)^(qū)的場板可以并不是浮空的而是與器件中央?yún)^(qū)的第二種導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體區(qū)域直接聯(lián)接；
當(dāng)器件的中央?yún)^(qū)和邊緣區(qū)之間加上最大的反偏壓時，在所述耐壓區(qū)中的場板、浮空場板及表面耐壓區(qū)中耗盡的半導(dǎo)體區(qū)域共同作用下所產(chǎn)生的向襯底發(fā)出的第一種電通量的平均密度隨離開器件的中央?yún)^(qū)的距離的增加而逐漸或階梯式地從2εsVB/Wpp下降到最后接近于零，其中εs為半導(dǎo)體的介電常數(shù)，VB為擊穿電壓，Wpp為該電壓下由襯底形成的單邊突變平行平面結(jié)的耗盡層厚度，所述的平均密度是指在比Wpp小得多的尺寸下的平均值；
所述浮空場板或場板對半導(dǎo)體表面形成的單位面積的電容值隨距離的變化是由于其和半導(dǎo)體表面所隔離的介質(zhì)層的厚度變化及/或介電系數(shù)的變化及/或場板的占空比的變化，這些變化都是指在尺度小于Wpp的范圍內(nèi)進(jìn)行的；
所述表面耐壓區(qū)中的半導(dǎo)體區(qū)域的一層或多層半導(dǎo)體區(qū)域的厚度都遠(yuǎn)小于Wpp；
上述第一種導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體材料如為p型，則所述第二種導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體材料是n型，所述第一種電通量是指正電荷產(chǎn)生的通量，而所述的電位是正的，所述的反偏壓是器件的中央?yún)^(qū)相對于邊緣區(qū)是正電壓；上述第一種導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體材料如為n型，則所述第二種導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體材料是p型，所述第一種電通量是指負(fù)電荷產(chǎn)生的通量，而所述的電位是負(fù)的，所述的反偏壓是器件的邊緣區(qū)相對于中央?yún)^(qū)是正電壓。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體橫向器件，其中浮空場板不是聯(lián)在本器件的耐壓區(qū)的浮空場限環(huán)上，而是聯(lián)在一個類似于本器件、但尺寸小得多的器件的耐壓區(qū)的浮空場限環(huán)上，兩個器件加在耐壓區(qū)兩端的電壓相同。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體橫向器件，其中該半導(dǎo)體橫向器件是低側(cè)高壓MOST及/或高側(cè)高壓MOST。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體器件，其中該器件是橫向二極管，其中，如第一種導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體材料如是p型，則器件中央?yún)^(qū)是陰極，而器件邊緣區(qū)是陽極；如第一種導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體材料如是n型，則器件中央?yún)^(qū)是陽極，而器件邊緣區(qū)是陰極。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體器件，其中該器件是橫向低側(cè)器件及/或高側(cè)器件，其中表面耐壓區(qū)和襯底之間有一個絕緣層相隔；襯底通過器件外部與低側(cè)器件的邊緣區(qū)相連接。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的表面耐壓區(qū)作為縱向功率器件的結(jié)邊緣耐壓技術(shù)。
全文摘要
一種半導(dǎo)體表面的橫向耐壓區(qū)及由其構(gòu)成的器件。它是一種利用階梯式場板對半導(dǎo)體表面形成的金屬-絕緣層-半導(dǎo)體(MIS)電容來吸收(或注入)電通量于半導(dǎo)體表面，使半導(dǎo)體表面向襯底發(fā)出的有效電通量密度接近于最佳分布，從而在最短的表面距離內(nèi)有最高的耐壓。場板可以是浮空的，或聯(lián)接于浮空場限環(huán)。各場板間還可存在耦合電容。
文檔編號H01L29/78GK101150145SQ200610138829
公開日2008年3月26日 申請日期2006年9月19日 優(yōu)先權(quán)日2006年9月19日
發(fā)明者陳星弼 申請人:電子科技大學(xué)