CN107845675B - 一种横向双扩散金属氧化物半导体场效应管 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种横向双扩散金属氧化物半导体场效应管，包括：源极金属以及与源极金属相对的漏极金属，所述源极金属上连接宽度渐变型金属场板，所述宽度渐变型金属场板包括沿宽度方向排布的若干宽度渐变型金属层，每一个所述宽度渐变型金属层的宽度沿着源极到漏极的方向逐渐减小。该结构可以使场板上所感应的电荷在器件长度方向上分布更加均匀，从而使器件表面电场分布更加均匀，因此可以在保证器件导通电阻的条件下提高器件的横向耐压能力。
Description
技术领域
本发明涉及功率半导体器件领域，更具体的说，是涉及一种适用于高压应用的一种横向双扩散金属氧化物半导体场效应管(LDMOS)。
背景技术
横向双扩散金属氧化物半导体场效应管(LDMOS)是双扩散金属氧化物半导体场效应管器件(DMOS)的一种横向高压器件。具有耐压高、增益大、失真低等优点，并且更易与CMOS工艺兼容，因此在智能功率集成电路中得到广泛的应用。目前横向双扩散金属氧化物半导体场效应管(LDMOS)设计的重点是如何合理缓和击穿电压与导通电阻之间的矛盾，并且保证其有较高的稳定性。
传统的横向双扩散金属氧化物半导体场效应管(LDMOS)结构如图1所示，当前人们对横向双扩散金属氧化物半导体晶体管研究的焦点主要集中在其漂移区浓度的设计，通过埋层技术减小器件表面电场强度(Reducd Sfurace Field,简称RESURF)，以及电阻场极板、Super Junction、漂移区渐变掺杂等技术来实现击穿电压与导通电阻的折中。
横向双扩散金属氧化物半导体场效应管在关断耐压的状态下，其表面电势沿着源极到漏极的方向逐渐增大，使得传统场板上所感应的电荷逐渐增多，导致场板上电荷分布不均匀。
另外，为使体硅器件有更好的作用，提高器件的击穿电压是个重要的研究课题。源极金属场板是提高器件击穿电压的一个重要技术，但是传统的场板技术由于场板末端存在边缘效应，场板的末端边缘处会聚集大量的电荷，使得场板上电荷分布均匀性变差，降低了器件的击穿电压。解决这一问题将有效的提升器件的击穿电压。
现有技术公开了一种横向双扩散金属氧化物半导体场效应管结构，其场板末端均匀分裂成矩形块的形式，能够减小器件的源漏电容，提高器件的频率特性。但是，该技术中的场板宽度是非渐变的，因此场板上的电荷沿长度方向分布不均匀，不能与漂移区中的空间电荷达到完美的平衡。同时，其场板分裂块末端是对齐的，场板末端的边缘效应会使场板末端积聚大量的电荷，导致器件表面电场分布不均匀。
发明内容
本发明的目的就是为了解决上述问题，提出了一种横向双扩散金属氧化物半导体场效应管，通过设置宽度渐变的场板以及改变场板的长度，使得器件具有更均匀的表面电场分布和更高的横向耐压能力。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种横向双扩散金属氧化物半导体场效应管，包括：源极金属以及与源极金属相对的漏极金属，所述源极金属上连接宽度渐变型金属场板，所述宽度渐变型金属场板包括沿宽度方向排布的若干宽度渐变型金属层，每一个所述宽度渐变型金属层的宽度沿着源极到漏极的方向逐渐减小。
进一步地，所述宽度渐变型金属场板还包括：块状金属层；所述块状金属层一端与源极金属连接，另一端连接所述宽度渐变型金属层。
进一步地，所述块状金属层和宽度渐变型金属层为一次成型的整体。
进一步地，所述宽度渐变型金属层的长度不同。
进一步地，所述宽度渐变型金属场板包括沿宽度方向排布的多个宽度渐变型第一金属层和沿宽度方向排布的多个宽度渐变型第二金属层；所述宽度渐变型第一金属层和宽度渐变型第二金属层的长度不同。
进一步地，所述宽度渐变型第一金属层和宽度渐变型第二金属层交错排布。
进一步地，所述源极金属和漏极金属之间的空隙填充介质层。
进一步地，所述介质层下方连接场氧化层，场氧化层和介质层的厚度之和大于1μm。
进一步地，通过调节宽度渐变型金属层的长度或者调节宽度渐变型金属层宽度的渐变速度，调节宽度渐变型金属场板上所感应的电荷量。
本发明进一步公开了一种应用于打印机、电动机或者平板显示器上的驱动芯片，包括：采用上述的任一种横向双扩散金属氧化物半导体场效应管。
本发明有益效果：
(1)本发明结构中采用了宽度渐变型金属场板，场板的宽度沿着源极到漏极的方向逐渐减小，因此场板与漂移区之间的寄生电容也会沿着源极到漏极的方向逐渐减小，其变化趋势与表面电势的变化趋势相反，从而部分抵消了表面电势沿源极到漏极方向逐渐增大所引起的场板上电荷分布的不均匀性。因此，本发明结构器件的场板所感应的电荷分布更加均匀，从而使器件整个漂移区获得均匀的场板效果，使器件具有均匀的漂移区横向电场(即长度方向电场)分布，提高器件的横向耐压能力。
(2)本发明结构中的宽度渐变型第一金属层和宽度渐变型第二金属层的长度不同，使得场板的末端边缘在长度方向上分布有三个位置，从而使得场板的边缘效应分布变得均匀。从而改善器件场板上电荷分布的均匀性，使器件漂移区横向电场分布更加均匀，提高器件的横向耐压能力。
(3)本发明结构中的宽度渐变型金属场板可以在不增加所感应的电荷量的情况下增加场板的长度，因此，本发明结构可以增大器件漂移区的耗尽，从而增加器件的电场分布长度，提高器件的横向耐压能力。
(4)本发明结构只需要在版图上进行改善，不需要增加额外的工艺步骤，不会带来工艺成本的增加。
说明书附图
图1是传统的横向双扩散金属氧化物半导体场效应管结构示意图；
图2是本发明提供的一种横向双扩散金属氧化物半导体场效应管结构示意图；
图3是传统结构的横向双扩散金属氧化物半导体场效应管和本发明提供的一种横向双扩散金属氧化物半导体场效应管在器件击穿状态下的表面横向电场分布图；
图4是传统结构的横向双扩散金属氧化物半导体场效应管和本发明提供的一种横向双扩散金属氧化物半导体场效应管在器件击穿状态下的表面横向电场分布图；
图5是传统结构的横向双扩散金属氧化物半导体场效应管和本发明提供的一种横向双扩散金属氧化物半导体场效应管在栅极关断状态下漏极电流随漏极电压变化的仿真结果图；
其中，1.P型半导体衬底，2.埋氧化层，3.N型漂移区，4.P型阱，5.P型接触区，6.N型源区，7.场氧化层，8.N型漏区，9.栅氧化层，10.多晶硅栅，11.介质层，12.漏极金属，13.源极金属，14.宽度渐变型金属场板，140.块状金属层，141.宽度渐型第一金属层，142.宽度渐型第二金属层。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步介绍。
本发明公开了一种横向双扩散金属氧化物半导体场效应管，包括：P型半导体衬底1，设置在P型半导体衬底1上方的埋氧化层2，设置在埋氧化层2上方的N型漂移区3和P型阱4；在P型阱4上方设有P型接触区5和N型源区6，在N型漂移区3上方设有场氧化层7和N型漏区8；N型漂移区3和P型阱4的上方设有栅氧化层9，栅氧化层9的一端和N型源区6的边界相抵，另一端与场氧化层7的边界相抵；在栅氧化层9上方设有多晶硅栅10，多晶硅栅10延伸至场氧化层7的上方；在N型漏区8上方连接漏极金属12，在P型接触区5和N型源区6上方连接源极金属13；源极金属13上连接宽度渐变型金属场板14。
宽度渐变型金属场板14包括：块状金属层140以及沿宽度方向排布的若干宽度渐变型金属层，每一个宽度渐变型金属层的宽度沿着源极到漏极的方向逐渐减小。块状金属层140一端与源极金属13连接，另一端连接所述宽度渐变型金属层。
作为一种实施方式，宽度渐变型金属层的长度可以不同。
需要说明的是，上述一种横向双扩散金属氧化物半导体场效应管结构中，宽度渐变型金属层的个数、每一个宽度渐变型金属层的长度以及宽度的渐变速度都可以根据需要进行设置。
本实施例的宽度渐变型金属层包括了沿宽度方向排布的多个宽度渐变型第一金属层141和沿宽度方向排布的多个宽度渐变型第二金属层142，如图2所示；但不局限于此，其他形式的宽度渐变型金属层的结构也在本发明的保护范围之内。
如图2所示，宽度渐变型金属场板14包括块状金属层140、沿宽度方向排布的多个宽度渐变型第一金属层141和沿宽度方向排布的多个宽度渐变型第二金属层142；块状金属层140一端连接源极金属13，另一端连接第一金属层和第二金属层。
图2中，宽度渐变型第一金属层141和宽度渐变型第二金属层142交错排布，宽度渐变型第一金属层141和宽度渐变型第二金属层142的宽度沿着从源极到漏极的方向逐渐减小。宽度渐变型第一金属层141的长度小于宽度渐变型第二金属层142的长度。
场板的宽度沿着源极到漏极的方向逐渐减小，因此场板与漂移区之间的寄生电容也会沿着源极到漏极的方向逐渐减小，其变化趋势与表面电势的变化趋势相反，从而部分抵消了表面电势沿源极到漏极方向逐渐增大所引起的场板上电荷分布的不均匀性。如图3所示，本发明结构的场板上的平均电荷沿长度方向上的分布相比传统结构有明显改善。
由于场板末端存在边缘效应，场板的末端边缘处会聚集大量的电荷，使得场板上电荷分布均匀性变差。本发明结构中的宽度渐变型第一金属层141和宽度渐变型第二金属层142的长度不同，使得场板的末端边缘在长度方向上分布有三个位置，从而使得场板的边缘效应分布变得均匀。如图3所示，本发明结构场板上由场板边缘效应引起的平均电荷密度峰值分布于三个位置，变得更加均匀了。参照图4，由于本发明结构场板上电荷密度均匀性的改善，本发明结构的表面电场分布均匀性得到了很大的改善。
作为一种实施方式，块状金属层140、宽度渐变型第一金属层141和宽度渐变型第二金属层142是一次成型的整体，这样能够节约设计和制作成本。
作为一种实施方式，在部分P型阱4、P型接触区5、N型源区6、多晶硅栅10、N型漏区8及部分场氧化层7的表面设有介质层11；优选的，场氧化层7和介质层11的厚度之和大于1μm，这样能够获得更好的电荷分布均匀效果。
需要说明的是，本发明结构中宽度渐变型金属场板14上所感应的电荷量不仅可以通过场板长度进行调节，而且还可以通过改变宽度的渐变速度进行调节。因此本发明结构中的宽度渐变型金属场板14可以在不增加所感应的电荷量的情况下增加场板的长度，因此，本发明结构可以增大器件漂移区的耗尽，从而增加器件的电场分布长度，提高器件的横向耐压能力。参照图5，在漂移区浓度等其它参数相同的情况下，本发明结构可以获得的最大击穿电压明显高于传统结构可以获得的最大击穿电压。
需要说明的是，上述对于一种横向双扩散金属氧化物半导体场效应管的描述是针对N型器件的结构进行的，对于P型器件的结构，同样可以采用本发明的带有宽度渐变型场板结构，具体实施方式同上，在此不再赘述。
本发明进一步公开了一种应用于打印机、电动机或者平板显示器上的驱动芯片，该芯片中采用了本发明的一种横向双扩散金属氧化物半导体场效应管。
本发明进一步公开了一种打印机、电动机或者平板显示器，上述装置均采用包括了本发明公开的一种横向双扩散金属氧化物半导体场效应管的驱动芯片。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
Claims (9)
1.一种横向双扩散金属氧化物半导体场效应管，包括：源极金属以及与源极金属相对的漏极金属，其特征在于，所述源极金属上连接宽度渐变型金属场板，所述宽度渐变型金属场板包括沿宽度方向排布的若干宽度渐变型金属层，每一个所述宽度渐变型金属层的宽度沿着源极到漏极的方向逐渐减小，所述各宽度渐变型金属层的长度不同。
2.如权利要求1所述的一种横向双扩散金属氧化物半导体场效应管，其特征在于，所述宽度渐变型金属场板还包括：块状金属层；所述块状金属层一端与源极金属连接，另一端连接所述宽度渐变型金属层。
3.如权利要求2所述的一种横向双扩散金属氧化物半导体场效应管，其特征在于，所述块状金属层和宽度渐变型金属层为一次成型的整体。
4.如权利要求1所述的一种横向双扩散金属氧化物半导体场效应管，其特征在于，所述宽度渐变型金属场板包括沿宽度方向排布的多个宽度渐变型第一金属层和沿宽度方向排布的多个宽度渐变型第二金属层；所述宽度渐变型第一金属层和宽度渐变型第二金属层的长度不同。
5.如权利要求4所述的一种横向双扩散金属氧化物半导体场效应管，其特征在于，所述宽度渐变型第一金属层和宽度渐变型第二金属层交错排布。
6.如权利要求1所述的一种横向双扩散金属氧化物半导体场效应管，其特征在于，所述源极金属和漏极金属之间的空隙填充介质层。
7.如权利要求6所述的一种横向双扩散金属氧化物半导体场效应管，其特征在于，所述介质层下方连接场氧化层，场氧化层和介质层的厚度之和大于1μm。
8.如权利要求1所述的一种横向双扩散金属氧化物半导体场效应管，其特征在于，通过调节宽度渐变型金属层的长度或者调节金属层宽度的渐变速度，调节宽度渐变型金属场板上所感应的电荷量。
9.一种应用于打印机、电动机或者平板显示器上的驱动芯片，其特征在于，包括：采用权利要求1-8所述的任一种横向双扩散金属氧化物半导体场效应管。
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