CN103515240A

CN103515240A - 一种横向扩散场效应晶体管结构和制作方法

Info

Publication number: CN103515240A
Application number: CN201210219547.1A
Authority: CN
Inventors: 周地宝
Original assignee: Semiconductor Manufacturing International Shanghai Corp
Current assignee: Semiconductor Manufacturing International Shanghai Corp
Priority date: 2012-06-28
Filing date: 2012-06-28
Publication date: 2014-01-15

Abstract

本发明提供了一种横向扩散场效应晶体管结构和制作方法,利用N阱版图和与N阱版图部分重叠的P阱版图制作具有重叠区域的漂移区和阱区，且该重叠区域位于栅极下方，形成一个离子注入浓度梯度缓慢变化，同时耗尽区宽度较宽的PN结，减小了现有技术中漂移区与阱区交界处PN结的电场强度，从而减小热载流子注入效应，改善横向扩散场效应晶体管的可靠性。

Description

一种横向扩散场效应晶体管结构和制作方法

技术领域

本发明涉及半导体制造领域，特别涉及一种横向扩散场效应晶体管结构和制作方法。

背景技术

横向扩散场效应晶体管(lateral diffused MOS transistor,LDMOS)，是一种常用的高压器件。与普通MOS器件相比，LDMOS在漏极所在区域有一个较长的轻掺杂注入区，通常这部分结构被称为漂移区。LDMOS通过这一轻掺杂漂移区来承受较高的电压。同时为降低漏极电压对沟道的影响，通常在漂移区与漏极之间有浅沟槽隔离结构（STI），由于LDMOS技术具有简单、可靠、成熟的特点，以及良好的表现，同时由于LDMOS晶体管的制造工艺可以与现有的标准CMOS工艺完全兼容，LDMOS完全共享现有CMOS工艺和掩膜板，仅需在掩膜板制作中定义出LDMOS的版图即可，所以更加易于实现与低压CMOS电路的大规模集成，降低制造成本。它主要应用于各种功率电路，在2GHz以下的单管功率放大器中得到了非常广泛的应用。

以N型（N沟道）LDMOS为例介绍LDMOS的结构和制作方法，图1示出了采用现有技术制作的N型LDMOS的剖面结构示意图，图1中所示的LDMOS结构均可以通过版图（layout）设计的方法，利用标准的CMOS工艺就能实现。

图2中给出了现有技术制备图1所示N型LDMO器件结构的N型LDMOS的版图设计示意图。N型LDMOS结构的阱区版图包括N阱版图、P阱版图。在现有N型LDMOS结构的版图设计过程中，N阱版图和P阱版图的设计方法是：N阱版图是现有技术中标准MOS制造工艺中的N阱版图（例如CMOS双阱工艺中的N阱版图）通过版图设计来画出N阱区域；对于P阱区域，则是通过对除N阱区域以外的地方全部以逻辑关系取“非”运算，得到P阱版图；后续工艺将分别按照上述N阱版图和P阱版图在有源区中形成漂移区（N阱）和阱区（P阱）。由上述N阱版图和P阱版图的设计结构可知，在有源区中将形成边界相接的N阱和P阱。

具体的，现有技术中提供一半导体衬底，半导体衬底上定义出有源区（AA）后，通过在有源区中刻蚀沟槽以及在沟槽中沉积电介质等步骤在所述有源区中制作浅沟槽隔离（STI），STI位于漂移区中，且介于栅极下方的漂移区与漏极之间。然后，用如图2所示的N阱版图（虚线部分），用离子注入的方法在包括部分有源区（点划线部分）在内的半导体衬底中进行N型轻掺杂形成N阱，称为漂移区，采用如图2所示的P阱版图在包括另一部分有源区在内的半导体衬底中，采用离子注入的方法进行P型掺杂形成P阱，称为阱区，在阱区和漂移区的上方依次制作层叠的栅极氧化层和多晶硅层组成栅极，以及在栅极侧壁上制作侧墙之后，利用制备NMOS工艺过程中的源漏注入版，可以在侧墙两侧的半导体衬底中由自对准方式进行高掺杂，作为源漏区。N阱和P阱将LDMOS器件的有源区分成两块，STI位于漂移区中，且介于栅极下方的漂移区与漏极之间，可以有助于降低漏极高压对栅极下方载流子的加速作用，使器件热载子注入特性进一步优化。

由现有技术中制作的LDMOS结构和方法可见，在漂移区和阱区之间的分界面上存在从N型掺杂到P型掺杂的突变PN结，当漏极处于工作状态的高电压时，此PN结形成一个强电场，且PN结两侧离子注入浓度梯度越大，耗尽层越窄，电场强度越强，强电场将加速沟道中从源极漂移过来的载流子，碰撞电离形成二次电子注入LDMOS的栅极电解质层，使LDMOS的特性发生退化（阈值电压升高，饱和电流降低），此即为场效应晶体管（MOSFET）的热载流子注入效应（HCI）。由以上分析可知，漂移区与阱区之间PN结电场的强度越大，将会有更多的碰撞电离所产生的电子注入栅极氧化层，载流子注入效应（HCI）越差。由于器件工作时处于高温状态，会更加剧HCI效应，因此降低HCI效应是MOSFET，尤其是像LDMOS这样的高压器件最重要的可靠性要求。

发明内容

有鉴于此，本发明解决的技术问题是：改善横向扩散场效应晶体管的热载流子注入效应。

为解决上述问题，本发明的技术方案具体是这样实现的：

一种横向扩散场效应晶体管的制作方法，提供一半导体衬底该方法包括：

制作用于定义阱区的第一版图；

制作用于定义漂移区的第二版图；

分别按照所述第一、第二版图在所述半导体衬底中制作阱区和漂移区，所述阱区和所述漂移区具有重叠区域；

在所述阱区和漂移区的上方制作栅极氧化层以及栅极多晶硅层；

在所述栅极多晶硅层侧壁上形成侧墙；

在所述侧墙的两侧的所述阱区和漂移区中通过自对准离子注入分别形成源漏区。

所述重叠区域的长度范围是大于零且小于所述阱区长度。

所述重叠区域的长度是10纳米nm，20nm，30nm或者40nm。

一种横向扩散场效应晶体管的结构，该结构包括半导体衬底、漂移区、阱区、源极、漏极和栅极，所述栅极位于所述半导体衬底上方所述源极和漏极位于所述栅极两侧的半导体衬底中，所述漂移区和阱区位于半导体衬底中所述漂移区和所述阱区具有重叠部分。

所述重叠区域的长度范围是大于零且小于所述阱区长度。

所述重叠区域的长度是10纳米nm，20nm，30nm或者40nm。

由上述的技术方案可见，本发明提供了一种横向扩散场效应晶体管结构和制作方法,将第一版图定义的阱区和第二版图定义的漂移区部分重叠，在半导体衬底中制作具有重叠区域的漂移区和阱区，且该重叠区域位于栅极下方，该重叠区域使阱区的P型载流子与漂移区的N型载流子互相中和，形成一个离子注入浓度梯度缓慢变化，同时耗尽区宽度较宽的PN结，从而使交界处PN结的电场强度减小，因而减弱了LDMOS的热载流子注入效应，改善横向扩散场效应晶体管的可靠性。

附图说明

图1为现有技术N型LDMOS结构的示意图；

图2为现有技术N型LDMOS结构的版图设计示意图；

图3为本发明具体实施例一N型LDMOS结构的版图设计示意图；

图4为本发明具体实施例一N型LDMOS结构剖面示意图。

图5为本发明具体实施例3个具有不同重叠区域长度的晶体管与现有技术的HCI寿命比较图。

图6为本发明具体实施例3个具有不同重叠区域长度的晶体管与现有技术的线性区电流比较图。

图7为本发明具体实施例3个具有不同重叠区域长度的晶体管与现有技术的源漏击穿电压比较图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案、及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本发明进一步详细说明。

具体实施例一

图3中给出了本发明具体实施例一的N型LDMOS结构的版图设计示意图（仅表示出了N阱版图和P阱版图部分）。本发明N型LDMOS结构的版图设计过程中，N阱版图（第一版图）和P阱版图（第二版图）的设计方法有多种实现方式。例如：采用现有技术中标准MOSFET制造工艺中的N阱版图（例如CMOS双阱工艺中的N阱版图）为参考基准，画出和现有技术相同大小的N阱区域，通过对除此N阱区域以外的地方全部以逻辑关系取“非”运算后，得到本发明的P阱版图，再通过逻辑运算对已画出的N阱区域进行增大，以形成N阱版图。上述增大的N阱区域会向P阱区域移动，将增大后的N阱区域中覆盖P阱区域的部分称为重叠区域。或者通过重新进行版图设计画出增大的N阱区域以形成第一版图，同时通过版图设计画出和现有技术相同大小的P阱区域以形成第二版图；此时，P阱区域的大小相比现有技术保持不变，但第一版图中位于栅极下方的N阱区域被画得更大，具体表现为使得N阱区域边缘向P阱方向扩大，并将N阱区域边缘所增加的部分称为重叠区域。如图3所示，P阱区域（阱区）与N阱区域（漂移区）具有重叠部分，该重叠部分的长度范围是大于0小于1倍的所述阱区长度，理论上只要小于阱区长度，不使阱区完全消失都可以，取决于对器件特性的不同要求。优选的，重叠部分的长度可以是10纳米（nm），20nm，30nm或者40nm。相比现有技术，根据本发明提出的N阱版图和P阱版图的设计结构，后续在LDMOS器件的有源区中注入形成的N阱（阱区）和P阱（漂移区）的位置不再相邻，而是部分重叠，且该重叠部分位于栅极氧化层下方。

提供一P型掺杂的半导体衬底，采用如图3中所示的N阱版图在半导体衬底中形成低掺杂的N阱作为漂移区，采用如图3所示的P阱版图在半导体衬底中形成P阱作为阱区，阱区通常与源极一起接地。利用制备NMOS工艺过程中的源漏注入版，可以在N型LDMOS的侧墙两侧由自对准方式进行高掺杂，作为源漏区。从而形成一种横向扩散场效应晶体管的结构，该结构包括半导体衬底、漂移区、阱区、源极、漏极和栅极，所述栅极位于所述半导体衬底上方所述源极和漏极位于所述栅极两侧的半导体衬底中，所述漂移区和阱区位于半导体衬底中所述漂移区和所述阱区具有重叠部分，且所述重叠区域的长度范围是大于零且小于所述阱区长度，优选的，重叠部分的长度可以是10nm，20nm，30nm或者40nm。

本发明具体实施例一的N型LDMOS器件结构可见，N阱和P阱以及重叠区域将N型LDMOS器件的有源区分成三块，N阱和P阱的重叠区域位于栅极氧化层下方，且重叠区域的长度范围是大于0且小于1倍的所述阱区长度。由于该重叠区域分别进行了N型掺杂和P型掺杂，所以其净掺杂浓度（取决于N型掺杂和P型掺杂的浓度差）小于两边的N阱和P阱中的掺杂，形成一个离子注入浓度梯度缓慢变化，同时耗尽区宽度较宽的PN结，减小了该重叠区域中的电场强度，减小了HCI效应。

当然，图3只是一个示意图，并没有包括实际设计中所有的版图设计结构，比如各层金属线版图以及对应的引线孔版图等。

N型LDMOS的具体制造工艺步骤如下：

采用与常规MOSFET制作相同的半导体衬底，本实施例中以P型掺杂的半导体衬底为例进行说明，所述半导体衬底上定义出有源区后，通过刻蚀和沉积等步骤在有源区中制作浅沟槽隔离（STI）；在后续工艺完成后，STI位于漂移区中，且介于栅极下方的漂移区与漏极之间。

首先，采用标准工艺流程的阱注入工艺时，利用图3中N阱版图（虚线部分），用离子注入的方法在包括部分有源区（点划线部分）在内的半导体衬底中进行N型轻掺杂形成N阱，称为漂移区，采用图3所示的P阱版图在包括另一部分有源区在内的半导体衬底中，采用离子注入的方法进行P型掺杂形成P阱，称为阱区。上述本发明具体实施例一中形成的漂移区和阱区具有重叠区域，且重叠区域的长度范围是大于0且小于1倍的所述阱区长度；优选的，重叠部分的长度可以是10nm，20nm，30nm或者40nm。。N阱和P阱以及重叠区域将N型LDMOS器件的有源区分成三块，N阱和P阱的重叠区域位于栅极氧化层下方，该重叠区域分别进行了N型掺杂和P型掺杂，所以该重叠区域中的净掺杂浓度（取决于N型掺杂和P型掺杂的浓度差）小于两边的N阱和P阱中的掺杂，形成一个离子注入浓度梯度缓慢变化，同时耗尽区宽度较宽的PN结，减小了该重叠区域中的电场强度，减小了HCI效应。

接下来，进行沟道区注入和栅极形成工艺，N型LDMOS结构和常规MOS结构完全相同，在阱区和漂移区的上方依次制作层叠的栅极氧化层和多晶硅层组成栅极，以及在栅极侧壁上制作侧墙之后，利用制备NMOS工艺过程中的源漏注入版，可以在LDMOS的侧墙之外由自对准方式进行高掺杂，作为源漏区。上述步骤为现有技术，不再赘述。

后续工艺流程中，N型LDMOS结构和常规的MOS结构完全一样。先后进行:源漏金属化，沉积隔离层，光刻引线孔，淀积金属，光刻引线，钝化，等等。

上述N型横向扩散场效应晶体管的制备步骤中，STI工艺和阱注入工艺先后顺序可以颠倒，视标准工艺顺序而定。

上述所有的版图设计不应该受到参数选择的限制。

由具体实施例一可见，本发明提供了一种横向扩散场效应晶体管结构和制作方法,利用N阱版图和与N阱版图部分重叠的P阱版图制作具有重叠区域的漂移区和阱区，且该重叠区域位于栅极下方，此重叠区域形成一个离子注入浓度梯度缓慢变化，同时耗尽区宽度较宽的PN结，减小了PN结的电场强度从而减小热载流子注入效应（HCI），改善横向扩散场效应晶体管的可靠性。

根据本发明具体实施一的方法，制作具有不同漂移区与阱区重叠区域长度的三个横向扩散场效应晶体管，下面以上述三个晶体管为例，具体说明不同重叠区域长度的横向扩散场效应晶体管与现有技术不具有重叠区域的横向扩散场效应晶体管相比的性能改善效果。其中，例1到例3的重叠区域的长度越来越大，具体的，例1的重叠区域长度为10纳米，例2的重叠区域长度为20纳米，例3的重叠区域长度为30纳米。

图5为本发明具体实施例3个具有不同重叠区域长度的晶体管与现有技术的HCI寿命比较图。可以看到本发明三个晶体管HCI寿命均有不同程度改善，重叠区域越长，HCI寿命延长效果越明显。

图6为本发明具体实施例3个具有不同重叠区域长度的晶体管与现有技术的线性区电流比较图。可以看到本发明三个晶体管线性区电流不仅没有下降，反而均有不同程度上升，重叠区域越长，线性区电流越大。

图7为本发明具体实施例3个具有不同重叠区域长度的晶体管与现有技术的源漏击穿电压比较图。可以看到本发明三个晶体管的击穿电压和现有技术持平，没有任何下降。

以上数据表明本发明在改善横向扩散场效应晶体管HCI寿命的同时，没有牺牲其他电学特性。

以上所述仅为现有技术的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。

Claims

1.一种横向扩散场效应晶体管的制作方法，提供一半导体衬底，该方法包括：

制作用于定义阱区的第一版图；

制作用于定义漂移区的第二版图；

在半导体衬底上定义出有源区，通过刻蚀制作出浅沟槽隔离；

在所述栅极多晶硅层侧壁形成侧墙；

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述阱区和漂移区具有重叠区域的长度范围是大于零且小于所述阱区长度。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述阱区和漂移区具有重叠区域的长度是10纳米nm，20nm，30nm或者40nm。

4.一种横向扩散场效应晶体管结构，该结构包括半导体衬底、漂移区、阱区、源极、漏极和栅极，所述栅极位于所述半导体衬底上方，所述源极和漏极位于所述栅极两侧的半导体衬底中，所述漂移区和阱区位于半导体衬底中，其特征在于，所述漂移区和所述阱区具有重叠区域。

5.根据权利要求4所述的结构，其特征在于，所述重叠区域的长度范围是大于零且小于所述阱区长度。

6.根据权利要求4所述的结构，其特征在于，所述重叠区域的长度是10nm，20nm，30nm或者40nm。