專利名稱：一種具有高k絕緣區(qū)的橫向功率器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于半導(dǎo)體功率器件技術(shù)領(lǐng)域，它特別涉及大功率和高壓應(yīng)用橫向功率器件，如橫向擴(kuò)散場(chǎng)效應(yīng)晶體管LDM0S、橫向PN 二極管、橫向絕緣柵雙極型晶體管LIGBT等。
背景技術(shù)：
眾所周知，在橫向高壓功率器件的設(shè)計(jì)中，必須綜合考慮擊穿電壓，導(dǎo)通電阻，器件尺寸，制造成本等因素。通常一方面性能的提高往往會(huì)導(dǎo)致另一方面性能的降低，特備是擊穿電壓提高的同時(shí)往往使得導(dǎo)通電阻同時(shí)增加。因此如何獲得擊穿電壓與導(dǎo)通電阻之間的折衷一直是專家學(xué)者研究的熱點(diǎn)。SOI橫向功率器件的基本結(jié)構(gòu)是RESURF (Reduced Surface Field)結(jié)構(gòu)。圖1給出了一個(gè)典型的常規(guī)SOI RESURF LDMOS器件的三維結(jié)構(gòu)示意圖，它是由半導(dǎo)體襯底I，外延層2，外延層2包括作為漂移區(qū)的N型半導(dǎo)體區(qū)域3、半導(dǎo)體漏區(qū)5、半導(dǎo)體體區(qū)6、半導(dǎo)體體接觸區(qū)7、半導(dǎo)體源區(qū)8，柵氧化層9，柵極10，源極金屬11，漏極金屬12組成。該結(jié)構(gòu)在達(dá)到最優(yōu)擊穿電壓時(shí)，漂移區(qū)兩端的電場(chǎng)峰值較高，而漂移區(qū)中部的電場(chǎng)峰值任然較低，因此限制了器件的耐壓能力。陳星弼，中國(guó)專利，91101845.X，在縱向器件中采用了一種新型結(jié)構(gòu)的耐壓區(qū)——復(fù)合緩沖層，來代替常規(guī)縱向器件中的外延層。如圖2所示，它在n+ (或p+)襯底上制作交替排列的n區(qū)3和p區(qū)16來作為耐壓層，接著擴(kuò)散形成p區(qū)(或n區(qū))14，再掩蔽擴(kuò)散或離子注入n+ (或p+)13，接著進(jìn)行開垂直槽和制作柵氧9，最后制作電極10。該結(jié)構(gòu)有效的緩解了器件擊穿電壓和導(dǎo)通電阻之間的矛盾，但是制作交替排列的n區(qū)和p區(qū)必須通過中子膻變等非常規(guī)工藝，從而造成了與超大規(guī)模集成電路工藝的不兼容，限制了其應(yīng)用。Sameh G 等人在文獻(xiàn)“Super junction LDMOST in silicon-on-sapphiretechnology (SJ-LDMOST) ”中將上述超結(jié)結(jié)構(gòu)運(yùn)用到橫向功率器件中，提出了在SOS材料上制作超結(jié)LDM0S。如圖3所示，17是蘭寶石材料，5是半導(dǎo)體漏區(qū)，6是半導(dǎo)體體區(qū)，7是半導(dǎo)體體接觸區(qū)8是半導(dǎo)體源區(qū)，9是柵氧，10是柵極金屬，11是源極金屬，12是漏極金屬。該結(jié)構(gòu)靠相互交替的重參雜的半導(dǎo)體區(qū)3和16代替原有的漂移區(qū)，師其在擊穿前完全耗盡即可得到一個(gè)較高的耐壓，并且在正向?qū)〞r(shí)可降低導(dǎo)通電阻的大小。但是在SOS材料制作超結(jié)漂移區(qū)，成本太聞。陳星弼，美國(guó)專利，7230310，在縱向器件中采用了一種新型的超結(jié)結(jié)構(gòu)，如圖3所示，該結(jié)構(gòu)的主要特征為采用交替的半導(dǎo)體區(qū)域3和高介電常數(shù)的絕緣體區(qū)域4來代替常規(guī)縱向器件中作為耐壓層的外延層，整個(gè)外延層區(qū)域就相當(dāng)于一個(gè)具有高介電常數(shù)的半導(dǎo)體，其介電常數(shù)比常規(guī)半導(dǎo)體自身的介電常數(shù)高，因此在同樣的外加電壓下，該縱向結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體區(qū)域內(nèi)部的電場(chǎng)比常規(guī)結(jié)構(gòu)的要高，并且降低了導(dǎo)通電阻，因此有效的緩解了器件耐壓與導(dǎo)通電阻之間的矛盾。這種結(jié)構(gòu)在橫向功率器件中的運(yùn)用還未有報(bào)道
發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明目的:本發(fā)明的目的是提供一種具有高K (高介電常數(shù))絕緣區(qū)的橫向功率器件，采用該結(jié)構(gòu)，不僅可以在外延層內(nèi)實(shí)現(xiàn)任意幾何尺寸和任意集合圖形的高K介質(zhì)區(qū)域，從而優(yōu)化漂移區(qū)的電場(chǎng)分布。同時(shí)還可以提高器件的最優(yōu)漂移區(qū)濃度，即降低器件的導(dǎo)通電阻。此外，該結(jié)構(gòu)的制作工藝相當(dāng)簡(jiǎn)單，只需增加一塊掩膜版就能實(shí)現(xiàn)任意圖形任意尺寸的高K介質(zhì)區(qū)域,并與標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝完全兼容,從而降低了制造成本。技術(shù)方案:本發(fā)明提供了一種具有高K絕緣區(qū)的橫向功率器件，它包括位于最下方的襯底，位于襯底上方的外延層，所述外延層包括:位于外延層頂部一側(cè)的半導(dǎo)體漏區(qū)、位于外延層另一側(cè)的半導(dǎo)體體區(qū)、半導(dǎo)體體區(qū)中具有半導(dǎo)體源區(qū)和半導(dǎo)體體接觸區(qū)、位于所述半導(dǎo)體漏區(qū)和半導(dǎo)體體區(qū)之間的漂移區(qū)；所述漂移區(qū)由交替排布的N型半導(dǎo)體區(qū)域和高K絕緣體區(qū)域構(gòu)成，該橫向功率器件表面與半導(dǎo)體漏區(qū)接觸的是漏極金屬，與半導(dǎo)體源區(qū)和半導(dǎo)體體接觸區(qū)接觸的是源極金屬，半導(dǎo)體體區(qū)表面分別和半導(dǎo)體源區(qū)與漂移區(qū)接觸的是柵氧化層，柵氧化層上方的是柵極。所述的高K絕緣體區(qū)域一端需延伸至半導(dǎo)體體區(qū)的內(nèi)部。所述的高K絕緣體區(qū)域的形狀是矩形的，或是梯形、鋸齒形。所述的高K絕緣體區(qū)域?yàn)楦逰介質(zhì)，其材料為氧化物或氮化物絕緣材料。所述橫向功率器 件可以采用體硅，SOI，碳化硅，砷化鎵，磷化銦或鍺硅材料制作。所述橫向功率器件的具體形式是橫向PN 二極管、橫向擴(kuò)散場(chǎng)效應(yīng)晶體管LDM0S、或橫向絕緣柵雙極型晶體管LIGBT。有益效果:本發(fā)明所述具有高K絕緣區(qū)的橫向結(jié)構(gòu)可采用如下工藝制備，首先是利用具有所需圖形的掩膜版在外延層上刻蝕溝槽，如圖5 (a)所示，接著在溝槽中填充具有高介電常數(shù)的絕緣材料如圖5 (b)所示。隨后即可按照標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝完成LDMOS的加工。由此可見該工藝是一個(gè)和標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝完全兼容的工藝方案，只需一塊掩膜版就能實(shí)現(xiàn)任意圖形的高K介質(zhì)區(qū)域。因此工藝簡(jiǎn)單，成本低廉。利用該方法制備的器件不僅可以優(yōu)化表面電場(chǎng)，從而提高擊穿電壓，而且漂移區(qū)濃度優(yōu)值也得到了較大的提高。


圖1是常規(guī)RESURF LDMOS的三維結(jié)構(gòu)示意 圖2是具有復(fù)合緩沖耐壓層結(jié)構(gòu)的RMOS示意 圖3是SOS上的超結(jié)(Super junction) LDMOS三維結(jié)構(gòu)不意 圖4是具有交替N區(qū)和高K絕緣區(qū)復(fù)合耐壓層的縱向結(jié)構(gòu)的示意 圖5是本發(fā)明提供的具有高K絕緣區(qū)LDMOS及其主要工藝流程；圖5(a)為在外延層上刻蝕溝槽；圖5(b)為在溝槽中填充具有高介電常數(shù)的絕緣材料；圖5(c)為通過標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝得到的最終結(jié)構(gòu)。圖6是本發(fā)明提供的具有梯形高K絕緣區(qū)的LDMOS —個(gè)單元的三維結(jié)構(gòu)示意圖； 圖7是本發(fā)明提供的具有階梯形高K絕緣區(qū)的LDMOS —個(gè)單元的三維結(jié)構(gòu)示意 圖8是本發(fā)明提供的具有部分高K絕緣區(qū)的LDMOS —個(gè)單元的三維結(jié)構(gòu)示意 圖9是本發(fā)明提供的具有高K絕緣區(qū)的SJ-LDMOS的三維結(jié)構(gòu)示意圖，高K絕緣區(qū)的一邊是N型半導(dǎo)體區(qū)，另一邊則是P型半導(dǎo)體區(qū)；
圖10是本發(fā)明提供的具有高K絕緣區(qū)的PN 二極管的三維結(jié)構(gòu)示意圖；圖11是本發(fā)明提供的具有高K絕緣區(qū)的LIGBT的三維結(jié)構(gòu)示意 圖12是相同結(jié)構(gòu)參數(shù)的常規(guī)RESURF結(jié)構(gòu)，具有普通氧化層(K=3.9)作絕緣區(qū)結(jié)構(gòu)，以及本發(fā)明提供的具有高K絕緣區(qū)(K=150)結(jié)構(gòu)的表面電場(chǎng)分布對(duì)比圖。圖13 (a)是常規(guī)RESURF結(jié)構(gòu)的等勢(shì)線分布圖。圖13 (b)是本發(fā)明提供的具有高K絕緣區(qū)(K=150)結(jié)構(gòu)的等勢(shì)線分布圖。
具體實(shí)施例方式圖5是本發(fā)明提供的其中一種具有高K絕緣區(qū)的橫向功率器件的三維視圖，以及它的工藝流程。從圖 中可以看出，它是在外延層2上刻蝕相應(yīng)圖形的溝槽，接著在溝槽內(nèi)填充具有高介電常數(shù)的絕緣材料，從而形成交替排布的N型半導(dǎo)體區(qū)域3和高K絕緣體區(qū)域
4。接著利用常規(guī)的LDMOS工藝在外延層內(nèi)形成半導(dǎo)體體區(qū)6，半導(dǎo)體漏區(qū)5，半導(dǎo)體體區(qū)中的半導(dǎo)體源區(qū)8和半導(dǎo)體體接觸區(qū)7，柵氧化層9，柵極金屬10，源極金屬11，漏極金屬12。在設(shè)計(jì)過程中，可以根據(jù)具體情況，在基本結(jié)構(gòu)不變的情況下，可以進(jìn)行一定的變通設(shè)計(jì)，例如:
圖6是本發(fā)明提供的具有梯形高K絕緣區(qū)的LDM0S，高K絕緣區(qū)寬度的不同對(duì)漂移區(qū)內(nèi)部的電場(chǎng)和電勢(shì)分布的影響也不同，因此梯形的高K絕緣區(qū)能夠進(jìn)一步的優(yōu)化漂移區(qū)電場(chǎng)和電勢(shì)分布。圖7是本發(fā)明提供的具有階梯形高K絕緣區(qū)的LDM0S，高K絕緣區(qū)寬度的不同對(duì)漂移區(qū)內(nèi)部的電場(chǎng)和電勢(shì)分布的影響也不同，在階梯處能夠產(chǎn)生新的電場(chǎng)峰值，因此階梯形的高K絕緣區(qū)能夠進(jìn)一步的優(yōu)化漂移區(qū)電場(chǎng)和電勢(shì)分布。圖8是本發(fā)明提供的具有部分高K絕緣區(qū)的LDM0S，該結(jié)構(gòu)的高K絕緣區(qū)并不與漏端相連，在調(diào)制漂移區(qū)電場(chǎng)的同時(shí)，靠近漏端低摻雜的n區(qū)的在導(dǎo)通的情況下能夠有效的降低導(dǎo)通電阻。圖9是本發(fā)明提供的具有高K絕緣區(qū)的超結(jié)(Super Junction)LDM0S。在常規(guī)超結(jié)結(jié)構(gòu)的N柱和P柱之間增加高K絕緣柱，能夠促進(jìn)N型區(qū)和P型區(qū)的相互耗盡，有利于提高器件的耐壓特性。需要說明的是
(I)所述的高K絕緣區(qū)高K介質(zhì)，其材料可為氧化物，氮化物等絕緣材料。(2)所述橫向功率器件可以采用體硅，S0I，碳化硅，砷化鎵，磷化銦或鍺硅等材料制作。(3)所述的具有高K絕緣區(qū)的橫向功率器件，具體形式可以是橫向擴(kuò)散場(chǎng)效應(yīng)晶體管LDMOS (如圖4)、橫向PN 二極管(如圖10)、或橫向絕緣柵雙極型晶體管LIGBT (如圖11)，還可以是橫向晶閘管，靜電誘導(dǎo)晶體管(SIT)等其他橫向功率器件。圖12是相同結(jié)構(gòu)參數(shù)的常規(guī)RESURF LDMOS結(jié)構(gòu)，具有普通氧化層(K=3.9)作絕緣區(qū)的LDMOS結(jié)構(gòu)，以及本發(fā)明提供的具有高K絕緣區(qū)(K=150)LDM0S結(jié)構(gòu)的表面電場(chǎng)分布示意圖。圖13是常規(guī)RESURF LDMOS結(jié)構(gòu)和本發(fā)明提供的具有高K絕緣區(qū)(K=150) LDMOS結(jié)構(gòu)的等勢(shì)線分布。圖13 (a)對(duì)應(yīng)于常規(guī)RESURF LDMOS結(jié)構(gòu)，圖13 (b)對(duì)應(yīng)于本發(fā)明提供的具有高K絕緣區(qū)(K= 150) LDMOS結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明的工作原理:
下面以SOI橫向PN 二極管器件為例，對(duì)本發(fā)明的工作機(jī)理進(jìn)行說明。圖12比較了常規(guī)RESURF結(jié)構(gòu)，具有普通氧化層(K=3.9)作絕緣區(qū)的結(jié)構(gòu)，以及本發(fā)明提供的具有高K絕緣區(qū)(K=150)結(jié)構(gòu)的漂移區(qū)表面電場(chǎng)分布。三種結(jié)構(gòu)具有相同的幾何尺寸，。其中虛線為具有常規(guī)RESURF結(jié)構(gòu)器件的表面電場(chǎng)分布曲線，實(shí)線為本發(fā)明提供的具有高K絕緣區(qū)結(jié)構(gòu)的表面電場(chǎng)分布曲線。由圖可知，對(duì)于常規(guī)RESURF結(jié)構(gòu)，其在漂移區(qū)的兩端產(chǎn)生兩個(gè)高的電場(chǎng)峰值，而漂移區(qū)內(nèi)部的電場(chǎng)比較低。而對(duì)于只具有普通絕緣區(qū)的結(jié)構(gòu)而言，其表面電場(chǎng)分布較常規(guī)結(jié)構(gòu)更差。對(duì)于本發(fā)明提供的具有高K絕緣區(qū)結(jié)構(gòu)，其源端的電場(chǎng)峰值較常規(guī)結(jié)構(gòu)低，并且整個(gè)漂移區(qū)內(nèi)部的電場(chǎng)相對(duì)比較均勻，從而能夠提高器件的耐壓特性。圖13比較了常規(guī)RESURF結(jié)構(gòu)和本發(fā)明提供的具有高K絕緣區(qū)(K=150)結(jié)構(gòu)的等勢(shì)線分布。兩種結(jié)構(gòu)具有相同的幾何尺寸，而漂移區(qū)濃度分布則進(jìn)行了優(yōu)化。由圖13 (a)可知，對(duì)于常規(guī)RESURF結(jié)構(gòu)，漂移區(qū)兩端的表面等勢(shì)線較密集，而在漂移區(qū)中部比較稀疏，從而導(dǎo)致在漂移區(qū)的兩側(cè)產(chǎn)生兩個(gè)電場(chǎng)峰值，在漂移區(qū)內(nèi)部的電場(chǎng)比較低，限制了器件的耐壓特性。而對(duì)于圖13(b)中具有高K絕緣區(qū)結(jié)構(gòu)而言，其漂移區(qū)的等勢(shì)線分布非常均勻，使得漂移區(qū)內(nèi)部能夠均勻的承·擔(dān)外加電壓，從而能夠提高器件的耐壓特性。綜上所述，本發(fā)明通過在常規(guī)RESURF結(jié)構(gòu)的漂移區(qū)中引入高K絕緣區(qū)。一方面其能夠提高漂移區(qū)內(nèi)部的電場(chǎng)分布，同時(shí)能夠降低主結(jié)處的高的電場(chǎng)峰值，從而優(yōu)化了漂移區(qū)的表面電場(chǎng)分布，提高了器件的耐壓特性；另一方面，具有高K絕緣區(qū)的結(jié)構(gòu)在達(dá)到最優(yōu)擊穿電壓時(shí)，漂移區(qū)的的濃度也有很大的提高。根據(jù)RESURF原理，提高常規(guī)RESURF結(jié)構(gòu)漂移區(qū)濃度，即能夠降低器件的導(dǎo)通電阻。不僅如此，該工藝只需一塊掩膜版就能實(shí)現(xiàn)任意尺寸、任意圖形的高K絕緣區(qū)域，是一個(gè)和標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝完全兼容的工藝方案，因此具有工藝簡(jiǎn)單，成本低廉等優(yōu)點(diǎn)。
權(quán)利要求
1.一種具有高K絕緣區(qū)的橫向功率器件，其特征在于:它包括位于最下方的襯底(1)，位于襯底(I)上方的外延層(2)，所述外延層包括:位于外延層頂部一側(cè)的半導(dǎo)體漏區(qū)(5)、位于外延層另一側(cè)的半導(dǎo)體體區(qū)(6)、半導(dǎo)體體區(qū)(6)中具有半導(dǎo)體源區(qū)(8)和半導(dǎo)體體接觸區(qū)(7)、位于所述半導(dǎo)體漏區(qū)和半導(dǎo)體體區(qū)之間的漂移區(qū)；所述漂移區(qū)由交替排布的N型半導(dǎo)體區(qū)域(3)和高K絕緣體區(qū)域(4)構(gòu)成，該橫向功率器件表面與半導(dǎo)體漏區(qū)(5)接觸的是漏極金屬(12)，與半導(dǎo)體源區(qū)(8)和半導(dǎo)體體接觸區(qū)(7)接觸的是源極金屬(11)，半導(dǎo)體體區(qū)(6)表面分別和半導(dǎo)體源區(qū)(8)與漂移區(qū)接觸的是柵氧化層(9)，柵氧化層(9)上方的是柵極(10)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有高K絕緣區(qū)的橫向功率器件，其特征在于:所述的高K絕緣體區(qū)域(4) 一端需 延伸至半導(dǎo)體體區(qū)(6)的內(nèi)部。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有高K絕緣區(qū)的橫向功率器件，其特征在于:所述的高K絕緣體區(qū)域(4)的形狀是矩形的，或是梯形、鋸齒形。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有高K絕緣區(qū)的橫向功率器件，其特征在于:所述的高K絕緣體區(qū)域(4)為高K介質(zhì)，其材料為氧化物或氮化物絕緣材料。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有高K絕緣區(qū)的橫向功率器件，其特征在于:所述橫向功率器件可以采用體硅，SOI，碳化硅，砷化鎵，磷化銦或鍺硅材料制作。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有高K絕緣區(qū)的橫向功率器件，其特征在于:所述橫向功率器件的具體形式是橫向PN 二極管、橫向擴(kuò)散場(chǎng)效應(yīng)晶體管LDM0S、或橫向絕緣柵雙極型晶體管LIGBT。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種具有高K絕緣區(qū)的橫向功率器件，它是在功率器件的漂移區(qū)內(nèi)部引入具有高介電常數(shù)的絕緣柱區(qū)，所述的高K絕緣區(qū)與N型柱區(qū)交替排列，絕緣柱區(qū)延伸至半導(dǎo)體體區(qū)的內(nèi)部。具有高介電常數(shù)的絕緣區(qū)具有降場(chǎng)的作用，通過增大絕緣柱區(qū)的介電常數(shù)能夠優(yōu)化漂移區(qū)的表面電場(chǎng)分布及最優(yōu)漂移區(qū)濃度，從而提高器件的耐壓特性與導(dǎo)通特性。采用該結(jié)構(gòu)制造的橫向擴(kuò)散場(chǎng)效應(yīng)晶體管LDMOS、橫向PN二極管、或橫向絕緣柵雙極型晶體管LIGBT具有擊穿電壓高，導(dǎo)通電阻低，工藝簡(jiǎn)單，成本低廉等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)H01L21/336GK103219386SQ20131014140
公開日2013年7月24日 申請(qǐng)日期2013年4月22日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月22日
發(fā)明者郭宇鋒, 姚佳飛 申請(qǐng)人:南京郵電大學(xué)