CN103022134B - 一种超低比导通电阻的soi横向高压功率器件 - Google Patents
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Abstract
一种超低比导通电阻的SOI横向高压功率器件，属于功率半导体器件技术领域。包括纵向超结元胞结构和终端结构，终端结构位于整体元胞结构的外侧或***；器件制作于SOI材料的SOI层上。纵向超结元胞结构在提高击穿电压的同时降低了比导通电阻，并减小了版图面积；单个或多个元胞集成，多个并联元胞可共用同一个终端，并通过漏极引出结构将漏电极横向引出，使漏极、栅极和源极都在表面，不仅易于和常规电路集成，而且大大减小版图面积，进一步降低工艺成本；另外，采用较薄的埋氧层可增加器件纵向电场，同时可有效减缓器件自热效应。
Description
技术领域
本发明属于半导体功率器件技术领域，涉及一种超低比导通电阻的SOI横向高压功率器件。
背景技术
绝缘层上的硅SOI(Silicon On Insulator)是一种用于集成电路制造的新型材料，可代替目前大量应用的体硅。横向高压功率器件LDMOS(Lateral Double-diffused Metal OxideSemiconductor)在功率集成电路及智能功率电路中具有极其重要的用途，这类器件的漏极、源极和栅极都在芯片表面，易于通过内部连接与低压信号电路集成，简化功率器件的驱动电路。用SOI材料制造的LDMOS具有良好的隔离性能、较小的寄生电容和泄漏电流，而且工艺与CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)工艺兼容，相对体硅LDMOS工艺更加简单，可以广泛用于通信、功率电源、马达驱动及汽车电子等高频、高功率领域。传统的SOILDMOS为了实现高的击穿电压要求其用于承担耐压的漂移区具有较低的掺杂浓度和较高的厚度，但为了降低器件的比导通电阻，又要求作为电流通道的漂移区具有高的掺杂浓度。使用较长轻掺杂的漂移区和厚埋氧层可以提高器件的击穿电压，但是这将增大器件的导通面积，导致器件的比导通电阻增大和产生严重的自热效应。MOS(Metal Oxide Semiconductor)类器件的比导通电阻与器件耐压的矛盾关系限制了该类器件在高压大电流领域的应用。为了缩短器件的漂移区长度，人们提出槽型漂移区的结构，如图1。通过槽氧化层24耐压来缩短漂移区的长度，进而降低器件的比导通电阻。但是由于槽的引用，虽然漂移区长度缩短，但载流子流动的路径发生弯曲，较低的漂移区浓度使得器件的比导通电阻虽有改善，但仍然较大。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对传统SOI横向高压功率器件为获得高耐压而采用较低掺杂浓度的漂移区，致使器件比导通电阻增大，以及采用厚埋氧层带来显著自热效应等问题，基于体电场增强ENBULF(Enhanced Bulk Field)的理论，提出一种低超低比导通电阻的SOI横向高压功率器件。该器件一方面漂移区内引入纵向P条和N条减小版图面积，缓解了器件比导通电阻与耐压的矛盾关系；另一方面采用薄的埋氧层厚度可以增加器件纵向电场，同时可有效减缓器件自热效应；再一方面，P型掺杂条辅助耗尽，增大器件的漂移区浓度从而降低器件比导通电阻。另外，本发明可采用单个或多个元胞集成，多个并联元胞可共用同一个终端，并通过漏极金属将漏电极横向引出，使漏极、栅极和源极都在表面，不仅易于和常规电路集成，而且大大减小版图面积，进一步降低工艺成本。
本发明技术方案为：
一种超低比导通电阻的SOI横向高压功率器件，如图2所示，包括至少一个或一个以上的纵向超结元胞结构11和终端结构12；多个纵向超结元胞结构11沿器件横向或宽度方向紧密堆积在一起，形成整体纵向超结元胞结构；所述终端结构12位于整体元胞结构的外侧或***。所述纵向超结元胞结构11和终端结构12制作于SOI材料的SOI层26上，所述SOI材料包括衬底层34、埋氧层25和SOI层26，其中埋氧层25位于衬底层34和SOI层26中间。
所述纵向超结元胞结构11包括N型漂移区43，位于N型漂移区43顶部外侧的P型阱区31，位于P型阱区31中且与源极金属51相接触的P+源极接触区33和N+源极接触区41，P型阱区31下方的N型漂移区43中具有P型掺杂条32，P型掺杂条32与旁边的N型漂移区43形成超结结构，超结结构与超结结构下方的N型漂移区43构成具有部分超结结构的漂移区；栅极结构由栅氧化层21和多晶硅栅电极52构成，其中栅氧化层21与N型漂移区43和P型阱区31相接触，多晶硅栅电极52与源极金属51之间通过介质层23相互隔离。
所述终端结构12包括N型漂移区43、N型掺杂条42、N型重掺杂漏极接触区44和介质槽24；终端结构12中N型漂移区43的顶部一侧是与漏极金属53相连的N型重掺杂漏极接触区44，N型掺杂条42位于N型重掺杂漏极接触区44下方的N型漂移区43中，且与N型重掺杂漏极接触区44相接触；介质槽24位于N型掺杂条42和所述纵向超结元胞结构11的P型掺杂条32之间，介质槽24和N型掺杂条42下方保留部分N型漂移区43作为电流通道，漏极金属53和源极金属51之间通过介质层23相互隔离。
本发明提供的超低比导通电阻的SOI横向高压功率器件包括元胞结构11、终端结构12；原胞结构11中P型掺杂条32和N型型漂移区43构成纵向超结结构，缓解器件击穿电压和比导通电阻之间的矛盾关系；图2(b)所示，器件可集成一个或多个元胞，多个并联的元胞可共用一个终端结构12，并通过漏极金属53引出，将器件的漏电极横向引出，不仅大大减小版图，降低工艺成本，而且可以和常规电路集成，应用灵活；本发明提供的SOI横向高压功率器件可采用平面栅、槽栅或V型栅等结构。
本发明提供的超低比导通电阻的SOI横向高压功率器件，其中埋氧层25电势被源极下方纵向超结结构钳位，导致埋氧层25上下表面分别积累大量空穴和电子，这些电子空穴对产生的电场方向与N型漂移区43和衬底34的电场方向相同，使得埋氧层25的厚度可比普通SOI横向高压器件更薄，减缓器件的自加热效应。埋氧层25的两个界面处有积累的反型电荷，使得埋氧层25电场增大。
本发明的工作原理可以描述如下：
所述超低比导通电阻的SOI横向高压功率器件可采用平面栅、槽栅或V型栅等结构，这些结构的工作原理都是相似的。
如图2(a)所示，超低比导通电阻的SOI横向高压功率器件包括P型阱区31、P+源极接触区33、N+源极接触区41、N+漏极接触区44、P型掺杂条32、N型掺杂条42、N型漂移区43；其中P型掺杂条32和N型漂移区43构成了纵向超结结构。所述的超低比导通电阻的SOI横向高压功率器件可以集成单个或多个元胞，多个元胞可共用同一个终端，并通过漏极横向引出。
本发明提供的超低比导通电阻的SOI横向高压功率器件的耐压包括横向耐压和纵向耐压，其中横向耐压则由器件横向终端结构12决定，纵向耐压由元胞的纵向超结结构和埋氧层25厚度决定。当器件漏极施加高电压时，P型阱区31与N型漂移区43所构成的PN结冶金结面开始耗尽，随着漏极电压增加耗尽区向N型漂移区43扩展，使P型阱区31与N型漂移区43所构成的PN结冶金结面出现电场峰值。同时，耗尽的P型掺杂条32中剩下电离受主电荷，调制器件体内的电场分布，避免电场线在源端过度集中，并在P型掺杂条32和介质槽24的界面处引入新的电场峰值，增强介质槽24体内电场，进一步提高器件横向耐压。当器件正向耐压时，由于N型掺杂条42的浓度较高，可以提供低阻通道，降低器件的比导通电阻；当器件反向耐压时，N型掺杂条42提供大量正电荷，调制介质槽24的电场线分布，降低电场峰值，提高器件耐压。本发明在N型漂移区43内引入介质槽24，可增强电场强度，同时介质槽24形成折叠漂移区，可缩小有源区面积，能够显著降低比导通电阻。
本发明提供的超低比导通电阻的SOI横向高压功率器件的埋氧层25厚度比普通SOI高压功率器件薄，可以减缓器件的自热效应。这是因为当器件漏端接高电位，源端和衬底接零电位时，埋氧层25的电势被源极下方纵向超结结构钳位，导致埋氧层25上表面积累大量空穴，而下表面积累大量电子，这些电子空穴对产生的电场方向与N型漂移区43和衬底34的电场方向相同，从而使得埋氧层25的厚度可以比普通SOI横向高压器件更薄，从而减缓器件的自热效应。随着埋氧层25的厚度改变，发生埋氧层25增强介质场效应，而且埋氧层25的两个界面处有反型电荷积累，使得埋氧层25电场增大。而传统SOI横向高压功率器件采用较厚的埋氧层25，有源区产生的热量无法导入基体，致使器件温度升高，载流子迁移率降低，出现负电导等自热效应，阻碍SOI技术的进一步发展和应用，特别是在高温和高压领域。另外，本发明引入的P型掺杂条32和N型漂移区43形成纵向超结结构，P型掺杂条32辅助耗尽N型漂移区43，优化器件纵向电场，提高器件纵向耐压。
本发明的优点如下：
1）本发明可集成单个或多个元胞结构，多个并联的元胞可共用同一个终端结构12，并通过漏极金属将漏电极横向引出，使栅极、漏极和源极都在表面，不仅易于和常规电路集成，同时大大减小版图面积。
2）本发明可以是平面栅、槽栅或V型栅等结构。
3）本发明提出的P型掺杂条32和N型漂移区43形成纵向超结结构，缓解器件击穿电压和比导通电阻的矛盾关系。
4）本发明提出的P型掺杂条32和N型掺杂条42在N型漂移区43内引入两个新的电场尖峰，使得N型漂移区43的电场分布类似于源漏下垂直超结的电场分布。同时，P型掺杂条32和N型掺杂条42产生的额外电场，增加了槽氧化层24的电场，并且缩短了器件的有源区，继而缩小了整个器件的面积。
5）本发明在N型漂移区43内引入介质槽24，介质槽24可增强电场强度，同时介质槽24形成折叠漂移区，可缩小有源区面积，能够显著降低比导通电阻，仿真结果表明器件的比导通电阻可以小于60mΩ·cm2，最优电压可以超过650V，这打破了传统的硅极限。
6）本发明埋氧层25的厚度比普通SOI高压功率器件薄，可以减缓器件的自加热效应。另外，埋氧层25的两个界面处有反型电荷积累，使得埋氧层25电场超过500V/mm。
附图说明
图1是传统SOI横向高压功率器件结构剖面图，N型漂移区43中引入介质槽24，用于降低器件的比导通电阻。
图2是本发明提供的具有超低比导通电阻的平面栅型SOI横向高压功率器件结构示意图。其中，(a)为集成一个元胞的器件结构示意图；(b)为集成多个元胞的器件结构示意图。
图3是本发明提供的具有超低比导通电阻的平面栅型SOI横向高压功率器件横向电场示意图。其中(a)是本发明器件横向电场示意图；(b)传统器件横向电场示意图。
图4是本发明提供的具有超低比导通电阻的平面栅型SOI横向高压功率器件纵向电场示意图。
图5是本发明提供的具有超低比导通电阻的平面栅型SOI横向高压功率器件体内电势分布示意图。其中(a)是本发明器件体内电势示意图，A为介质槽24与源极接触点、B为介质槽24与P型掺杂条32接触点、C为介质槽24与漏极接触点、D为介质槽24边缘处一点；(b)是传统器件体内电势示意图，A’、B’、C’、D’分别对应于本发明结构中的A、B、C、D四点。
图6是本发明提供的具有超低比导通电阻的平面栅型SOI横向高压功率器件绕介质槽24表面的硅电场分布图。A为介质槽24与源极接触点、B为介质槽24与P型掺杂条32接触点、C为介质槽24与漏极接触点、D为介质槽24边缘处一点，A’、B’、C’、D’分别对应于本发明结构中的A、B、C、D四点。
图7是SOI横向高压功率器件比导通电阻与击穿电压的关系示意图。
图8是本发明提供的具有超低比导通电阻的浅槽栅型SOI横向高压功率器件结构示意图。其中，(a)为集成一个元胞的器件结构示意图；(b)为集成多个元胞的器件结构示意图。
图9是本发明提供的具有超低比导通电阻的深槽栅型SOI横向高压功率器件结构示意图。其中，(a)为集成一个元胞的器件结构示意图；(b)为集成多个元胞的器件结构示意图。
图10是本发明提供的具有超低比导通电阻的平面栅型SOI横向高压功率器件结构示意图，35为P+漏极接触区，形成LIGBT(Lateral Insulated Gate Bipolar Transistor)结构。其中，(a)为集成一个元胞的器件结构示意图；(b)为集成多个元胞的器件结构示意图。
具体实施方式
一种超低比导通电阻的SOI横向高压功率器件，如图2所示，包括至少一个或一个以上的纵向超结元胞结构11和终端结构12；多个纵向超结元胞结构11沿器件横向或宽度方向紧密堆积在一起，形成整体纵向超结元胞结构；所述终端结构12位于整体元胞结构的外侧或***。所述纵向超结元胞结构11和终端结构12制作于SOI材料的SOI层26上，所述SOI材料包括衬底层34、埋氧层25和SOI层26，其中埋氧层25位于衬底层34和SOI层26中间。
所述纵向超结元胞结构11包括N型漂移区43，位于N型漂移区43顶部外侧的P型阱区31，位于P型阱区31中且与源极金属51相接触的P+源极接触区33和N+源极接触区41，P型阱区31下方的N型漂移区43中具有P型掺杂条32，P型掺杂条32与旁边的N型漂移区43形成超结结构，超结结构与超结结构下方的N型漂移区43构成具有部分超结结构的漂移区；栅极结构由栅氧化层21和多晶硅栅电极52构成，其中栅氧化层21与N型漂移区43和P型阱区31相接触，多晶硅栅电极52与源极金属51之间通过介质层23相互隔离。
所述终端结构12包括N型漂移区43、N型掺杂条42、N型重掺杂漏极接触区44和介质槽24；终端结构12中N型漂移区43的顶部一侧是与漏极金属53相连的N型重掺杂漏极接触区44，N型掺杂条42位于N型重掺杂漏极接触区44下方的N型漂移区43中，且与N型重掺杂漏极接触区44相接触；介质槽24位于N型掺杂条42和所述纵向超结元胞结构11的P型掺杂条32之间，介质槽24和N型掺杂条42下方保留部分N型漂移区43作为电流通道，漏极金属53和源极金属51之间通过介质层23相互隔离。
本发明通过在N型漂移区43引入纵向P型掺杂条32、N型掺杂条42和介质槽24，减小版图面积，缓解比导通电阻与器件耐压的矛盾关系，同时，P型掺杂条32辅助耗尽N型漂移区43，增大器件的N型漂移区43浓度从而降低器件比导通电阻。另外，采用薄的埋氧层25（厚度不超过0.5微米）可以有效减缓器件自热效应。采用本发明可以制造各种性能优良的功率器件，具有高耐压、高集成度、低导通损耗、低自加热效应的特点。
本发明提供的超低比导通电阻的SOI横向高压功率器件包括元胞结构11、终端结构12；元胞结构11中P型掺杂条32和N型型漂移区43构成纵向超结结构，缓解器件击穿电压和比导通电阻之间的矛盾关系；图2(b)所示，器件可集成一个或多个元胞，多个并联的元胞可共用一个终端结构12，并通过漏极金属53引出，将器件的漏电极横向引出，不仅大大减小版图，降低工艺成本，而且可以和常规电路集成，应用灵活；
本发明提供的超低比导通电阻的SOI横向高压功率器件可采用平面栅、槽栅或V型栅等结构。相对平面栅而言，选择槽栅器件的元胞可以做的更小，因为槽栅具有纵向沟道，沟道长度由P型阱区31的结深决定，而平面栅的沟道长度由P型阱区31的长度决定。
图3是本发明提供的具有超低比导通电阻的平面栅型SOI横向高压功率器件横向电场示意图，由于本发明引入P型掺杂条32和N型掺杂条42，如图3(a)所示，P型掺杂条32的引入增加了N型漂移区43的浓度，从而降低器件的比导通电阻，同时，高浓度的N型掺杂条42为开态电流提供了低阻通道，降低器件的比导通电阻。关态时，P型掺杂条32辅助耗尽N型漂移区43，在N型漂移区43和介质槽24的界面处引入新的电场尖峰，提高硅电场，从而使得介质槽24电场增强，继而提高器件的击穿电压。本发明引入的P型掺杂条32在介质槽24左侧引入大量电离受主电荷，调制介质槽24内电场线在源端的分布，避免电场线在源极过度集中，防止器件提前在A点击穿。同样的，本发明引入的N型掺杂条42在介质槽24右侧引入大量电离施主电荷，调制介质槽24内电场线在漏端的分布，避免电场线在漏极过度集中，防止器件提前在B点击穿，从而提高器件的耐压。所以相比无P型掺杂条32和N型掺杂条42的传统SOI横向高压功率器件，如图3(b)所示，介质槽24的电场有显著增加。
图4是本发明提供的具有超低比导通电阻的平面栅型SOI横向高压功率器件的纵向电场分布图。基于体电场增强理论通过增强埋氧层25的电场提高SOI横向高压功率器件的纵向耐压。埋氧层25的电势被源极下方纵向超结结构钳位，导致埋氧层25上下表面分别积累大量空穴和电子，这些电子空穴对产生的电场方向与N型漂移区43和衬底34的电场方向相同，使得埋氧层25的厚度比普通SOI横向高压器件更薄，减缓器件的自加热效应。由于埋氧层25的两个界面处有反型电荷积累，使得埋氧层25电场增大。
图5是SOI横向高压功率器件电势分布示意图。图(a)是本发明提供的具有超低比导通电阻的平面栅型SOI横向高压功率器件的电势分布图，选介质槽24与源极接触点A、与P型掺杂条32接触点B、与漏极接触点C和介质槽24边缘处点D，是可以看出电势分布较均匀，源极和漏极下的电势线类似纵向超结结构的电势线分布。这是因为本发明引入的P型掺杂条32和N型漂移区43构成纵向超结结构，P型掺杂条32辅助耗尽N型漂移区43，并引入一个纵向电场峰值，可以优化器件纵向电场，提高器件纵向耐压。耗尽型的P型掺杂条32和N型掺杂条42分别为N型漂移区43提供电离施主和电离受主，优化了介质槽24的电场分布，缓解N型漂移区43电场在源端和漏端过度集中，从而增加器件耐压。图(b)是传统SOI横向高压功率器件的电势分布图，A’、B’、C’、D’分别对应于本发明结构的A、B、C、D四点，与本发明相比，器件的电势线在点A’、D’较集中，越往体内电势线分布越稀疏，导致器件容易在源极和漏极与槽氧化层43的界面处发生击穿。仿真结果表面，本发明的器件击穿电压可高达684V，而传统结构的击穿电压仅有389V。
图6是SOI横向高压功率器件绕槽氧化层24表面的硅电场分布图。A、B、C、D是图5中选定的四点，A’、B’、C’、D’分别对应于本发明结构中的A、B、C、D四点。本发明引入的P型掺杂条32在器件关态时辅助耗尽N型漂移区43，在N型漂移区43和介质槽24的界面处引入新的电场尖峰，提高硅电场，从而使得戒子槽24电场增强，继而提高器件的击穿电压，所以与传统SOI横向高压功率器件相比，器件耐压有明显提高。
图7是SOI横向高压功率器件比导通电阻与击穿电压的关系示意图。本发明在N型漂移区43内引入介质槽24，介质槽24可增强电场强度，同时介质槽24形成折叠漂移区，缩小有源区面积，比导通电阻显著降低，同时，P型掺杂条32辅助耗尽N型漂移区43，增大器件N型漂移区43的浓度从而降低比导通电阻。同时，高浓度的N型掺杂条42为开态电流提供了低阻通道，进一步降低器件的比导通电阻。仿真结果表明器件的比导通电阻可以小于60mΩ·cm2，最优电压可以超过650V，这打破了传统的硅极限。
图8(a)是本发明提供的集成一个元胞的超低比导通电阻的浅槽栅型SOI横向高压功率器件结构剖面图。器件也可集成多个元胞，如图8(b)所示。元胞11采用P型掺杂条32和N型漂移区43构成纵向超结结构；多晶硅栅电极52***是槽栅氧化层22；终端结构12包括N型掺杂条42和介质槽24；漏极金属53位于N+漏极接触区44上面，漏极金属53与源极金属51之间通过介质层23相互隔离。除了栅结构不同，器件的其他构成均可采用和图2相同的工艺实现。
图9(a)是本发明提供的集成一个元胞的超低比导通电阻的深槽栅型SOI横向高压功率器件结构剖面图。器件也可集成多个元胞，如图9(b)所示。元胞11采用P型掺杂条32和N型漂移区43构成纵向超结结构；多晶硅栅电极52***是槽栅氧化层22，与图8超低比导通电阻的浅槽栅SOI横向高压功率器件不同之处是槽栅氧化层22较深，与埋氧层25相接触；终端结构12包括N型掺杂条42和介质槽24；漏极金属53位于N+漏极接触区44上面，漏极金属53与源极金属51之间通过介质层23相互隔离。采用深槽栅结构可以N型漂移区43的浓度，从而进一步降低比导通电阻。另外，将槽栅氧化层22与埋氧层相连，可以避免槽栅氧化层22底部的尖角提前击穿。但是，这将带来器件击穿电压降低的负面影响。除了栅结构不同，器件的其他构成均可采用和图2相同的工艺实现。
图10(a)是本发明提供的超低比导通电阻的平面栅SOI横向高压功率器件集成一个元胞的结构剖面图，此器件与图2所提供的超低比导通电阻的平面栅SOI横向高压功率器件唯一不同之处是采用P+漏极接触区35，形成LIGBT结构，该器件具备LIGBT的优良特性。器件也可集成多个元胞，如图10(b)所示。
Claims (3)
1.一种超低比导通电阻的SOI横向高压功率器件，包括至少一个纵向超结元胞结构(11)和终端结构(12)；当包括多个纵向超结元胞结构(11)时，多个纵向超结元胞结构(11)沿器件横向或宽度方向紧密堆积在一起，形成整体纵向超结元胞结构；所述终端结构(12)位于整体元胞结构的外侧或***；所述纵向超结元胞结构(11)和终端结构(12)制作于SOI材料的SOI层(26)上，所述SOI材料包括衬底层(34)、埋氧层(25)和SOI层(26)，其中埋氧层(25)位于衬底层(34)和SOI层(26)中间；
所述纵向超结元胞结构(11)包括N型漂移区(43)，位于N型漂移区(43)顶部外侧的P型阱区(31)，位于P型阱区(31)中且与源极金属(51)相接触的P+源极接触区(33)和N+源极接触区(41)，P型阱区(31)下方的N型漂移区(43)中具有P型掺杂条(32)，P型掺杂条(32)与旁边的N型漂移区(43)形成超结结构，超结结构与超结结构下方的N型漂移区(43)构成具有部分超结结构的漂移区；栅极结构由栅氧化层(21)和多晶硅栅电极(52)构成，其中栅氧化层(21)与N型漂移区(43)和P型阱区(31)相接触，多晶硅栅电极(52)与源极金属(51)之间通过介质层(23)相互隔离；
所述终端结构(12)包括N型漂移区(43)、N型掺杂条(42)、N型重掺杂漏极接触区(44)和介质槽(24)；终端结构(12)中N型漂移区(43)的顶部一侧是与漏极金属(53)相连的N型重掺杂漏极接触区(44)，N型掺杂条(42)位于N型重掺杂漏极接触区(44)下方的N型漂移区(43)中，且与N型重掺杂漏极接触区(44)相接触；介质槽(24)位于N型掺杂条(42)和所述纵向超结元胞结构(11)的P型掺杂条(32)之间，介质槽(24)和N型掺杂条(42)下方保留部分N型漂移区(43)作为电流通道，漏极金属(53)和源极金属(51)之间通过介质层(23)相互隔离。
2.根据权利要求1所述的超低比导通电阻的SOI横向高压功率器件，其特征在于，所述栅极结构为平面栅、槽栅或V型栅。
3.根据权利要求1所述的超低比导通电阻的SOI横向高压功率器件，其特征在于，所述SOI材料的埋氧层(25)的厚度不超过0.5微米。
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