CN101771081B - N型超结横向双扩散半导体金属氧化物晶体管 - Google Patents
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Abstract
一种N型超结横向双扩散半导体金属氧化物晶体管，包括：P型衬底，在P型衬底上设有超结结构及P型体区，超结结构由连接源漏区方向相间分布的N型区和P型区构成，在P型体区上方设有N型源区、P型体接触区及栅氧化层，在超结结构的上方设有N型漏区，在超结结构上方，且位于N型漏区以外的区域设有第一型场氧化层，在栅氧化层上方设有多晶硅栅，在N型源区、P型体接触区、N型漏区、多晶硅栅和第一型场氧化层上方设有第二型场氧化层，N型源区、N型漏区、P型体接触区及多晶硅栅均接有穿通第二型场氧化层的金属引线，其特征在于在P型衬底内设有N型缓冲区，N型缓冲区位于超结结构中P型区的下方，且与超结结构中P型区底部相接。
Description
技术领域
本发明涉及功率半导体器件领域，是关于一种适用于高压应用的超结横向双扩散半导体金属氧化物晶体管的结构。
背景技术
随着节能需求日益增强，功率集成电路产品的性能越来越受到关注，其中电路的功率损耗无疑是最为主要的性能指标之一。决定功率集成电路功率损耗大小的因素除了功率集成电路本身电路结构、设计之外，电路所采用的制造工艺，所采用的功率器件性能便是功率集成电路功率损耗大小的关键。
目前，依据功率集成电路的制造工艺主要分为基于体硅、外延和绝缘体上硅(SOI)。其中，体硅工艺由于硅表面层存在较多的缺陷，所以在早期大尺寸集成电路主要采用这种工艺；绝缘体上硅(SOI)工艺由于存在绝缘层将表层硅和衬底硅层隔离，加之绝缘层一般为氧化硅，这样采用该工艺的器件的纵向击穿电压较高，同时对衬底电流有很好的抑制，有利于降低器件的功耗，然而由于氧化硅层的散热能力是硅层的1/100，导致功率集成电路的散热问题更加严重，并且绝缘体上硅工艺的圆片成本较高；外延工艺很好地解决了体硅工艺存在的表面缺陷问题，同时具有较好的散热性能，所以基于外延工艺的功率集成电路前景仍然广阔。
功率集成电路中集成的功率器件主要有横向绝缘栅双极型晶体管和横向双扩散半导体金属氧化物晶体管。尽管横向绝缘栅双极型晶体管的电流驱动能力比较强，然而由于关断拖尾电流的存在使得应用横向绝缘栅双极型晶体管的功率集成电路速度提高受到限制，所以在较高频率的功率集成电路中横向双扩散半导体金属氧化物晶体管还是相对较好的选择。
在横向双扩散半导体金属氧化物晶体管性能的优化过程中，提高器件的击穿电压与降低器件的导通电阻始终是一对矛盾的问题。因为器件的击穿电压提高依赖于掺杂浓度较低并且较长的漂移区，而导通电阻的降低要求漂移区掺杂浓度尽量高且长度尽量短。所以在实际设计过程中，往往采用二者的折衷来达到器件性能的最优化。为此最近提出了超结结构的横向双扩散半导体金属氧化物晶体管，该结构的提出主要是采用超结结构的漂移区，实现在提高漂移区掺杂浓度的同时不降低器件的击穿电压，甚至提高器件击穿电压，从而达到性能的优化。然而，现在的超结横向双扩散半导体金属氧化物晶体管由于存在衬底辅助耗尽因素的影响，性能还有提高的余地，本发明就是针对这一问题而提出的改进结构超结横向双扩散半导体金属氧化物晶体管。
发明内容
本发明提供一种能够有效提高横向双扩散半导体金属氧化物晶体管器件的击穿电压，并且可以降低横向双扩散半导体金属氧化物晶体管器件导通电阻的N型超结横向双扩散半导体金属氧化物晶体管。
本发明采用如下技术方案：
一种N型超结横向双扩散半导体金属氧化物晶体管，包括：P型衬底，在P型衬底上设有超结结构及P型体区，超结结构由连接源漏区方向相间分布的N型区和P型区构成，在P型体区上方设有N型源区、P型体接触区及栅氧化层，在超结结构的上方设有N型漏区，在超结结构上方，且位于N型漏区以外的区域设有第一型场氧化层，在栅氧化层上方设有多晶硅栅，在N型源区、P型体接触区、N型漏区、多晶硅栅和第一型场氧化层上方设有第二型场氧化层，N型源区、N型漏区、P型体接触区及多晶硅栅均接有穿通第二型场氧化层的金属引线，其特征在于在P型衬底内设有N型缓冲区，N型缓冲区位于超结结构中P型区的下方，且与超结结构中P型区底部相接。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
(1)本发明中的N型超结横向双扩散半导体金属氧化物晶体管采用了新结构，即：在超结结构中P型区12下方和P型衬底1之间加入了N型缓冲区15，相对于传统N型超结横向双扩散半导体金属氧化物晶体管(图4)能够有效消除传统N型超结横向双扩散半导体金属氧化物晶体管的P型衬底1对超结结构中N型区11之间的衬底辅助耗尽效应带来的不利影响，从而可以进一步提高器件击穿电压，降低器件导通电阻，最终达到提高器件性能。
(2)本发明中的N型超结横向双扩散半导体金属氧化物晶体管采用分离的N型缓冲区15，相对于其他N型超结横向双扩散半导体金属氧化物晶体管(图5)采用整体N型缓冲区16，整体N型缓冲区16只能实现P型衬底1与超结结构中N型区11隔离，在一定成度上降低了衬底辅助耗尽效应，然而引进了超结结构中P型区12与整体N型缓冲区16(图5)的辅助耗尽效应，这是我们不希望的。本发明结构实现了，除了超结表面层以外的三个方向的空间耗尽，即：表面超结结构中P型区12和超结结构中N型区11之间的两个侧面耗尽，超结结构中P型区12底部和其下方N型缓冲区15顶部之间的耗尽，超结结构中N型区11底部与P型衬底1顶部之间的耗尽，N型缓冲区15的两侧和底部均与P型衬底1耗尽，这样的全耗尽结构有效的消除了辅助耗尽效应的不利影响，充分利用超结结构，有益于提高器件击穿电压，同时在相同击穿电压的前提下有益于降低器件的导通电阻，减小芯片面积。
附图说明
图1是三维立体剖面图，图示了本发明N型超结横向双扩散半导体金属氧化物晶体管实施例的立体剖面结构。
图2是剖面图，图示出了本发明N型超结横向双扩散半导体金属氧化物晶体管三维立体剖面图1中AA剖面的器件剖面结构。
图3是剖面图，图示出了本发明N型超结横向双扩散半导体金属氧化物晶体管三维立体剖面图1中BB剖面的器件剖面结构。
图4是三维立体剖面图，图示了传统N型超结横向双扩散半导体金属氧化物晶体管实施例的立体剖面结构。
图5是三维立体剖面图，图示了带有整体缓冲区结构的N型超结横向双扩散半导体金属氧化物晶体管实施例的立体剖面结构。
图6是器件模拟仿真结果，图示了三种结构N型超结横向双扩散半导体金属氧化物晶体管的开态电流能力大小，可见本发明器件导通电阻更低电流驱动能力更强。
图7是器件模拟仿真结果，图示了三种结构N型超结横向双扩散半导体金属氧化物晶体管的关态击穿电压大小，可见本发明结构的击穿电压更高。
具体实施方式
下面结合附图1，对本发明作详细说明，一种N型超结横向双扩散半导体金属氧化物晶体管，包括：P型衬底1，在P型衬底1上设有超结结构及P型体区2，超结结构由连接源漏区方向相间分布的N型区11和P型区12构成，在P型体区2上方设有N型源区4、P型体接触区5及栅氧化层3，在超结结构的上方设有N型漏区14，在超结结构上方，且位于N型漏区14以外的区域设有第一型场氧化层10，在栅氧化层3上方设有多晶硅栅6，在N型源区4、P型体接触区5、N型漏区14、多晶硅栅6和第一型场氧化层10上方设有第二型场氧化层8，N型源区4、N型漏区14、P型体接触区5及多晶硅栅6均接有穿通第二型场氧化层8的金属引线，其特征在于在P型衬底1内设有N型缓冲区15，N型缓冲区15位于超结结构中P型区12的下方，且与超结结构中P型区12底部相接。
所述的超结结构中P型区12的宽度与对应的N型缓冲区15的宽度相等，也可以不完全相等。
所述的N型缓冲区15可以通过高能离子注入以隐埋层的方式形成。
所述的N型缓冲区15掺杂浓度与上方超结结构中P型区12掺杂浓度相当。
所述的N型缓冲区15可以通过离子注入，然后进行表面外延的方式形成。
所述的N型缓冲区15底部不一定要与P型体区2底部位于同一水平面，依据实际设计需要而定。
所述的超结结构中N型区11与超结结构中P型区12掺杂浓度相当，依据实际设计需要而定。
所述的超结结构中N型区11与超结结构中P型区12宽度相当，依据实际设计需要而定。
所述的多晶硅栅6可以延伸至第一型场氧化层10上方，形成晶硅场板，进一步降低表面电场，提高器件击穿电压。
所述的漏端金属电极13可以延伸至第一型场氧化层10上方，形成漏端金属场板，进一步降低表面电场，提高器件击穿电压。
本发明采用如下方法来制备：
第一步，取P型衬底，对其进行预清洗，在P型衬底上制备N型缓冲区，然后生长N型外延层，通离子注入和高温热扩散形成P型体区，在N型外延层上、N型缓冲区正上方制作宽度与N型缓冲区相当的超结结构中P型区，同时形成超结结构中N型区，再接着进行第一型场氧化层的生长，然后进行场氧注入，调整沟道阈值电压注入，栅氧化层生长，淀积刻蚀多晶硅形成多晶硅栅和多晶硅场板，源漏注入形成N型源区、N型漏区和P型体接触区，然后淀积第二型场氧化层。
第二步：刻蚀第二型氧化层，形成N型源区、N型漏区、P型体接触区和多晶硅栅的金属电极引出孔，淀积金属层，刻蚀金属层形成N型超结横向双扩散半导体金属氧化物晶体管的N型源区和P型体接触区的引出电极、N型漏区引出电极和多晶硅栅引出电极，最后进行钝化处理。
Claims (2)
1.一种N型超结横向双扩散半导体金属氧化物晶体管，包括：P型衬底(1)，在P型衬底(1)上设有超结结构及P型体区(2)，超结结构由连接源漏区方向相间分布的N型区(11)和P型区(12)构成，在P型体区(2)上方设有N型源区(4)、P型体接触区(5)及栅氧化层(3)，在超结结构的上方设有N型漏区(14)，在超结结构上方，且位于N型漏区(14)以外的区域设有第一型场氧化层(10)，在栅氧化层(3)上方设有多晶硅栅(6)，在N型源区(4)、P型体接触区(5)、N型漏区(14)、多晶硅栅(6)和第一型场氧化层(10)上方设有第二型场氧化层(8)，N型源区(4)、N型漏区(14)、P型体接触区(5)及多晶硅栅(6)均接有穿通第二型场氧化层(8)的金属引线，其特征在于在P型衬底(1)内设有N型缓冲区(15)，N型缓冲区(15)位于超结结构中P型区(12)的下方，且与超结结构中P型区(12)底部相接。
2.根据权利要求1所述的N型超结横向双扩散半导体金属氧化物晶体管，其特征在于超结结构中P型区(12)的宽度与对应的N型缓冲区(15)的宽度相等。
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