CN112993021A - 横向双扩散金属氧化物半导体场效应管 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种横向双扩散金属氧化物半导体场效应管，包括：沟槽栅极，包括沟槽内的下部和沟槽外的上部，下部在导电沟道宽度方向上的长度小于上部，下部伸入体区且小于体区的深度；绝缘结构，设于漏极区和沟槽栅极之间并向下伸入漂移区，绝缘结构的深度小于漂移区，绝缘结构在漂移区内的深度大于场氧层在漂移区内的深度，绝缘结构在导电沟道宽度方向上的长度小于漂移区，绝缘结构两侧的表面形成有场氧层，上部延伸至场氧层上。本发明的导电沟道为在漂移区和体区中围绕绝缘结构和沟槽栅极设置的立体化结构。因此器件导通时的电流通路得到了扩展，能够大幅降低导通电阻。且绝缘结构可以有效提高器件的耐压性能，并起到辅助耗尽的作用。

Description

横向双扩散金属氧化物半导体场效应管
技术领域
本发明涉及半导体制造领域，特别是涉及一种横向双扩散金属氧化物半导体场效应管。
背景技术
功率器件中横向双扩散金属氧化物半导体场效应管(Lateral Double-DiffusedMOSFET，简称LDMOS)具有开关速度快、输出功率大、线性增益高、耐久性好等优点，同时LDMOS器件基于成熟的硅工艺，使得其制作成本较低，所以LDMOS器件逐渐取代硅双极型功率器件，广泛应用在电源管理、显示驱动及汽车电子等领域中。
传统LDMOS器件与普通MOS器件的相比，其多具有一段漂移区，该漂移区提高了器件的击穿电压，高的击穿电压可以提高输出功率和功率密度。而由于漂移区的掺杂浓度较低，会导致器件的导通电阻增大，因此对于LDMOS器件，协调其击穿电压与导通电阻之间的关系十分重要。但由于材料的限制，击穿电压与导通电阻之间存在矛盾的关系，因此在实际设计中要平衡二者之间的矛盾。
发明内容
基于此，有必要提供一种低导通电阻的横向双扩散金属氧化物半导体场效应管。
一种横向双扩散金属氧化物半导体场效应管，包括第一导电类型的源极区、第一导电类型的漏极区、第一导电类型的漂移区、第二导电类型的体区、所述漂移区表面的场氧层，所述第一导电类型和第二导电类型为相反的导电类型，还包括：沟槽栅极，包括沟槽内的下部和沟槽外的上部，所述下部在导电沟道宽度方向上的长度小于所述上部在导电沟道宽度方向上的长度，所述下部伸入所述体区且小于所述体区的深度；绝缘结构，设于所述漏极区和沟槽栅极之间并向下伸入所述漂移区，所述绝缘结构的深度小于所述漂移区的深度，所述绝缘结构在所述漂移区内的深度大于所述场氧层在所述漂移区内的深度，所述绝缘结构在导电沟道宽度方向上的长度小于所述漂移区在导电沟道宽度方向上的长度，所述漂移区位于所述绝缘结构在所述导电沟道宽度方向上两侧的表面形成有所述场氧层，所述上部延伸至所述场氧层上。
在其中一个实施例中，所述绝缘结构的材质为硅氧化物。
在其中一个实施例中，所述沟槽栅极包括多晶硅栅极和多晶硅栅极下的栅介质层。
在其中一个实施例中，所述绝缘结构的深度大于所述沟槽栅极的深度。
在其中一个实施例中，所述绝缘结构比所述沟槽栅极深0.1至0.4微米。
在其中一个实施例中，所述漂移区的深度大于所述体区的深度。
在其中一个实施例中，所述体区还开设有与所述沟槽栅极相邻设置的电极槽，所述电极槽设于所述沟槽栅极背离所述绝缘结构的一侧。
在其中一个实施例中，还包括设于所述体区内的接触区，所述接触区具有第二导电类型，所述接触区为沿所述电极槽的槽壁和槽底延伸至所述电极槽在导电沟道宽度方向上的另一侧的U型结构。
在其中一个实施例中，所述绝缘结构和所述下部在所述导电沟道宽度方向上的长度相等。
在其中一个实施例中，所述绝缘结构在导电沟道宽度方向上的长度小于所述漏极区在导电沟道宽度方向上的长度。
在其中一个实施例中，所述第一导电类型为N型，所述第二导电类型为P型。
上述横向双扩散金属氧化物半导体场效应管，通过在漂移区设置绝缘结构、在体区设置沟槽栅极，使得传统技术中仅形成于漂移区和体区表面的导电沟道，变为在漂移区和体区中围绕所述绝缘结构和沟槽栅极设置的立体化结构。因此器件导通时的电流通路得到了扩展，在相同工作条件下，电流通路增加等效于减小了导通电阻。这样可以在相同器件尺寸以及工作条件下大幅提高器件导通时的电流密度，即大幅降低导通电阻。同时，漂移区的绝缘结构可以有效提高器件的耐压性能，并起到辅助耗尽的作用，从而允许我们提高漂移区掺杂浓度，进一步降低导通电阻。
附图说明
为了更好地描述和说明这里公开的那些发明的实施例和/或示例，可以参考一幅或多幅附图。用于描述附图的附加细节或示例不应当被认为是对所公开的发明、目前描述的实施例和/或示例以及目前理解的这些发明的最佳模式中的任何一者的范围的限制。
图1是一实施例中横向双扩散金属氧化物半导体场效应管的主体结构立体图；
图2是一实施例中横向双扩散金属氧化物半导体场效应管的主体结构俯视图；
图3是沿图2中AA’剖面的器件剖面结构示意图；
图4是沿图2中BB’剖面的器件剖面结构示意图。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的首选实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
应当明白，当元件或层被称为“在...上”、“与...相邻”、“连接到”或“耦合到”其它元件或层时，其可以直接地在其它元件或层上、与之相邻、连接或耦合到其它元件或层，或者可以存在居间的元件或层。相反，当元件被称为“直接在...上”、“与...直接相邻”、“直接连接到”或“直接耦合到”其它元件或层时，则不存在居间的元件或层。应当明白，尽管可使用术语第一、第二、第三等描述各种元件、部件、区、层和/或部分，这些元件、部件、区、层和/或部分不应当被这些术语限制。这些术语仅仅用来区分一个元件、部件、区、层或部分与另一个元件、部件、区、层或部分。因此，在不脱离本发明教导之下，下面讨论的第一元件、部件、区、层或部分可表示为第二元件、部件、区、层或部分。
空间关系术语例如“在...下”、“在...下面”、“下面的”、“在...之下”、“在...之上”、“上面的”等，在这里可为了方便描述而被使用从而描述图中所示的一个元件或特征与其它元件或特征的关系。应当明白，除了图中所示的取向以外，空间关系术语意图还包括使用和操作中的器件的不同取向。例如，如果附图中的器件翻转，然后，描述为“在其它元件下面”或“在其之下”或“在其下”元件或特征将取向为在其它元件或特征“上”。因此，示例性术语“在...下面”和“在...下”可包括上和下两个取向。器件可以另外地取向(旋转90度或其它取向)并且在此使用的空间描述语相应地被解释。
在此使用的术语的目的仅在于描述具体实施例并且不作为本发明的限制。在此使用时，单数形式的“一”、“一个”和“所述/该”也意图包括复数形式，除非上下文清楚指出另外的方式。还应明白术语“组成”和/或“包括”，当在该说明书中使用时，确定所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但不排除一个或更多其它的特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或组的存在或添加。在此使用时，术语“和/或”包括相关所列项目的任何及所有组合。
这里参考作为本发明的理想实施例(和中间结构)的示意图的横截面图来描述发明的实施例。这样，可以预期由于例如制造技术和/或容差导致的从所示形状的变化。因此，本发明的实施例不应当局限于在此所示的区的特定形状，而是包括由于例如制造导致的形状偏差。例如，显示为矩形的注入区在其边缘通常具有圆的或弯曲特征和/或注入浓度梯度，而不是从注入区到非注入区的二元改变。同样，通过注入形成的埋藏区可导致该埋藏区和注入进行时所经过的表面之间的区中的一些注入。因此，图中显示的区实质上是示意性的，它们的形状并不意图显示器件的区的实际形状且并不意图限定本发明的范围。
本文所使用的半导体领域词汇为本领域技术人员常用的技术词汇，例如对于P型和N型杂质，为区分掺杂浓度，简易的将P+型代表重掺杂浓度的P型，P型代表中掺杂浓度的P型，P-型代表轻掺杂浓度的P型，N+型代表重掺杂浓度的N型，N型代表中掺杂浓度的N型，N-型代表轻掺杂浓度的N型。
对于工作电流较大的器件，对其导通电阻要求较高，需要在保证击穿电压的条件下降低其电阻。一般降低导通电阻的方式是调节漂移区掺杂浓度，但是由于掺杂浓度的提高会导致击穿电压下降，因此还需要采取额外的结构来保证击穿电压，例如场板，STI(浅沟槽隔离)技术；另外还可以调整电流在漂移区的流通途径，即使漂移区电流路径便短，通过减少漂移区长度等实现。目前从这些方面出发还衍生了很多相关新型结构，如RESURF(降低表面电场)技术，分段线性掺杂技术。然而这些结构在降低导通电阻的同时都会随之带来击穿电压的降低，需要额外采取措施保证两者均达到设计指标，这样对器件整体的结构改动较大。
图1是一实施例中横向双扩散金属氧化物半导体场效应管的主体结构立体图，图2是一实施例中横向双扩散金属氧化物半导体场效应管的主体结构俯视图，图3是沿图2中AA’剖面的器件剖面结构示意图，图4是沿图2中BB’剖面的器件剖面结构示意图。
包括漏极区6、源极区5、漂移区3、体区4、场氧化层7、绝缘结构10及沟槽栅极。其中，源极区、漏极区及漂移区具有第一导电类型，体区具有第二导电类型。在本实施例中，第一导电类型是N型，第二导电类型是P型；在另一个实施例中，也可以第一导电类型是P型，第二导电类型是N型。具体地，在图1所示的实施例中，源极区5为重掺杂N+源极，漏极区6为重掺杂N+漏极。
在图1所示的实施例中，沟槽栅极包括多晶硅栅极9和多晶硅栅极9下的栅介质层8。多晶硅栅极9包括沟槽内的下部和沟槽外的上部，下部伸入体区4，且下部的深度小于体区4的深度，下部在导电沟道宽度方向上的长度小于上部在导电沟道宽度方向上的长度。有别于只在体区4表面形成导电沟道的传统技术，上述在体区4中设置沟槽栅极的方案能够将电流的通路(导电沟道)扩展到几乎整个立体的体区4，这样可以在相同器件尺寸以及工作条件下大幅提高器件导通时的电流密度，即大幅降低导通电阻。在图1中导电沟道宽度方向即X轴方向、导电沟道长度方向即Y轴方向。在一个实施例中，栅介质层8的材质为硅氧化物，例如二氧化硅。
绝缘结构10设于漏极区6和沟槽栅极之间并向下伸入漂移区3。绝缘结构10的深度小于漂移区3的深度，绝缘结构10在漂移区3内的深度大于场氧层7在漂移区3内的深度，绝缘结构10在导电沟道宽度方向上的长度小于漂移区3在导电沟道宽度方向上的长度。场氧层7形成于绝缘结构10两侧(导电沟道宽度方向上的两侧)，且形成于漂移区3表面，多晶硅栅极9的上部部分延伸至场氧层7上，部分则设于栅介质层8上。沟槽栅极的槽底和槽壁也形成有栅介质层8。
上述横向双扩散金属氧化物半导体场效应管，通过在漂移区设置绝缘结构、在体区设置沟槽栅极，使得传统技术中仅形成于漂移区和体区表面的平面型导电沟道，变为在漂移区和体区中围绕所述绝缘结构和沟槽栅极设置的立体化结构。绝缘结构在导电沟道宽度方向上的长度小于漂移在导电沟道宽度方向上的长度，因此绝缘结构的两侧保留有一定的漂移区作为电流通道，避免电流只能从绝缘结构下方通过。由于器件的导电通道变为了立体化结构，因此器件导通时的电流通路得到了扩展，在相同工作条件下，电流通路增加等效于减小了导通电阻。这样可以在相同器件尺寸以及工作条件下大幅提高器件导通时的电流密度，即大幅降低导通电阻。同时，漂移区的绝缘结构可以有效提高器件的耐压性能，并起到辅助耗尽的作用，从而允许我们提高漂移区掺杂浓度，进一步降低导通电阻；且上述横向双扩散金属氧化物半导体场效应管对器件结构的改进方向有别于场板结构、RESURF结构等传统结构。
参见图1，横向双扩散金属氧化物半导体场效应管还包括第二导电类型的衬底1、和衬底1上的第一导电类型区2。在图1所示的实施例中，衬底1为P衬底，第一导电类型区2为高压N型区，第一导电类型区2的掺杂浓度可以根据器件耐压的设计指标进行调节。
在一个实施例中，绝缘结构10在导电沟道宽度方向上的长度小于漏极区6在导电沟道宽度方向上的长度。
在一个实施例中，多晶硅栅极9的下部在导电沟道宽度方向上的长度小于体区4在导电沟道宽度方向上的长度。
在一个实施例中，绝缘结构10的材质为硅氧化物，例如二氧化硅。
在一个实施例中，绝缘结构10的深度大于沟槽栅极的深度。优选的，绝缘结构10比沟槽栅极深0.1至0.4微米。
在一个实施例中，漂移区3的深度大于体区4的深度。
在图1所示的实施例中，体区4还开设有与沟槽栅极相邻设置的电极槽，电极槽设于沟槽栅极背离绝缘结构10的一侧，后续工艺中会在电极槽中淀积形成金属电极。
在图1所示的实施例中，横向双扩散金属氧化物半导体场效应管还包括设于体区4内的接触区11，接触区11具有第二导电类型，具体可以为重掺杂P+接触区。接触区11为沿电极槽的槽壁和槽底延伸至电极槽在导电沟道宽度方向上的另一侧的U型结构。在图1所示的实施例中，接触区11紧贴源极区5设置。
在一个实施例中，绝缘结构10和多晶硅栅极9的下部在导电沟道宽度方向上的长度相等。进一步地，电极槽在导电沟道宽度方向上的长度也可以与绝缘结构10和多晶硅栅极9相等。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种横向双扩散金属氧化物半导体场效应管，包括第一导电类型的源极区、第一导电类型的漏极区、第一导电类型的漂移区、第二导电类型的体区、所述漂移区表面的场氧层，所述第一导电类型和第二导电类型为相反的导电类型，其特征在于，还包括：
沟槽栅极，包括沟槽内的下部和沟槽外的上部，所述下部在导电沟道宽度方向上的长度小于所述上部在导电沟道宽度方向上的长度，所述下部伸入所述体区且小于所述体区的深度；
绝缘结构，设于所述漏极区和沟槽栅极之间并向下伸入所述漂移区，所述绝缘结构的深度小于所述漂移区的深度，所述绝缘结构在所述漂移区内的深度大于所述场氧层在所述漂移区内的深度，所述绝缘结构在导电沟道宽度方向上的长度小于所述漂移区在导电沟道宽度方向上的长度，所述绝缘结构在所述导电沟道宽度方向上两侧的表面形成有所述场氧层，所述上部延伸至所述场氧层上。
2.根据权利要求1所述的横向双扩散金属氧化物半导体场效应管，其特征在于，所述绝缘结构的材质为硅氧化物。
3.根据权利要求1所述的横向双扩散金属氧化物半导体场效应管，其特征在于，所述沟槽栅极包括多晶硅栅极和多晶硅栅极下的栅介质层。
4.根据权利要求1所述的横向双扩散金属氧化物半导体场效应管，其特征在于，所述绝缘结构的深度大于所述沟槽栅极的深度。
5.根据权利要求4所述的横向双扩散金属氧化物半导体场效应管，其特征在于，所述绝缘结构比所述沟槽栅极深0.1至0.4微米。
6.根据权利要求1所述的横向双扩散金属氧化物半导体场效应管，其特征在于，所述漂移区的深度大于所述体区的深度。
7.根据权利要求1所述的横向双扩散金属氧化物半导体场效应管，其特征在于，所述体区还开设有与所述沟槽栅极相邻设置的电极槽，所述电极槽设于所述沟槽栅极背离所述绝缘结构的一侧。
8.根据权利要求7所述的横向双扩散金属氧化物半导体场效应管，其特征在于，还包括设于所述体区内的接触区，所述接触区具有第二导电类型，所述接触区为沿所述电极槽的槽壁和槽底延伸至所述电极槽在导电沟道宽度方向上的另一侧的U型结构。
9.根据权利要求1所述的横向双扩散金属氧化物半导体场效应管，其特征在于，所述绝缘结构和所述下部在所述导电沟道宽度方向上的长度相等。
10.根据权利要求1-9中任一项所述的横向双扩散金属氧化物半导体场效应管，其特征在于，所述第一导电类型为N型，所述第二导电类型为P型。
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