具有u型延伸柵的soi槽型ldmos器件的制作方法
【專利摘要】一種具有U型延伸柵的SOI槽型LDMOS器件，屬于半導(dǎo)體功率器件【技術(shù)領(lǐng)域】。本發(fā)明在常規(guī)LDMOS器件的基礎(chǔ)上，通過將普通槽柵延伸至漏端，形成U型延伸柵，并在有源層中引入介質(zhì)槽，介質(zhì)槽中填充材料的介電系數(shù)低于有源層的介電系數(shù)。本發(fā)明一方面，在導(dǎo)通狀態(tài)，U型延伸柵側(cè)壁形成多子積累層，形成電流的低阻通道，降低導(dǎo)通電阻；另一方面，在阻斷狀態(tài)，介質(zhì)槽調(diào)制器件橫向電場，改善器件表面和體內(nèi)電場分布，提高器件耐壓。同時介質(zhì)槽折疊漂移區(qū)，縮小器件橫向尺寸，大大降低了比導(dǎo)通電阻。
【專利說明】具有U型延伸柵的SOI槽型LDMOS器件
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于功率半導(dǎo)體器件【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及LDMOS (Lateral Double-diffusionMetal Oxide Semiconductor field effect transistor,橫向雙擴(kuò)散金屬-氧化物-半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管)器件，尤其是一種SOI (Semiconductor On Insulator,絕緣襯底上半導(dǎo)體)槽型LDM0S)器件
【背景技術(shù)】
[0002]SOI是指絕緣襯底上的半導(dǎo)體，與體硅技術(shù)相比，SOI技術(shù)具有高速、低功耗、高集成度、寄生效應(yīng)小、泄漏電流小以及便于隔離等優(yōu)點(diǎn)，并具備很強(qiáng)的抗輻照能力以及無可控硅自鎖效應(yīng)。同時其相對低的導(dǎo)通電阻以及便于集成等特點(diǎn)使得SOI LDMOS在功率集成電路、尤其在低功耗集成電路中應(yīng)用十分廣泛。
[0003]對常規(guī)功率MOS器件，存在硅極限(Silicon limit)問題，即比導(dǎo)通電阻正比于擊穿電壓的2.5次方(Rm，sp - BV2 5)。隨著擊穿電壓提高，比導(dǎo)通電阻呈指數(shù)趨勢上升，功耗大大增加。與 VDMOS(Vertical Double-diffusion Metal Oxide Semiconductor fieldeffect transistor,縱向雙擴(kuò)散金屬-氧化物-半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管)相比，LDMOS漂移區(qū)長度增加導(dǎo)致芯片面積等比例增加，器件的比導(dǎo)通電阻增加。因此，LDMOS的硅極限問題嚴(yán)重制約著橫向器件的發(fā)展。
[0004]為了緩解比導(dǎo)通電阻和擊穿電壓的矛盾關(guān)系，業(yè)內(nèi)研究者進(jìn)行了大量研究。RESURF (Reduced Surface Field)技術(shù)是橫向器件常用的改善耐壓與比導(dǎo)通電阻的關(guān)系的方法之一，RESURF技術(shù)把常規(guī)的一維電場向二維電場轉(zhuǎn)換，通過二維耗盡，優(yōu)化器件表面電場，改善耐壓與比導(dǎo)通電阻的關(guān)系，但RESURF技術(shù)對比導(dǎo)通電阻的改善有限。
[0005]槽柵結(jié)構(gòu)能夠有效降低比導(dǎo)通電阻，與傳統(tǒng)平面柵結(jié)構(gòu)相比，槽柵結(jié)構(gòu)有以下優(yōu)點(diǎn):首先，槽柵結(jié)構(gòu)能夠避免平面柵結(jié)構(gòu)的JFET (Junction Field-Effect-Transistor,結(jié)型場效應(yīng)晶體管)效應(yīng)；其次，槽柵結(jié)構(gòu)的溝道沿縱向方向，能夠縮小器件元胞尺寸，提高溝道密度和電流密度；最后，槽柵結(jié)構(gòu)的溝道長度不受光刻工藝的限制，溝道可以做得較短，能有效降低導(dǎo)通電阻。由于槽深結(jié)構(gòu)有相對于平面柵的優(yōu)勢，部分業(yè)內(nèi)研究者將槽柵和平面柵結(jié)合，進(jìn)一步提高溝道密度，減小導(dǎo)通電阻。文獻(xiàn)(Tobias Erlbacher, G.Rattmann, Anton J.Bauer,Lothar Frey,【Trench Gate Integration into PlanarTechnology for Reduced 0n-resistance in LDMOS Devices】，ISPSD, 2010)針對LDMOS功率器件提出了一種雙柵結(jié)構(gòu)，槽柵的引入，使得漂移區(qū)的電流不再集中于表面，電流流通面積增大。槽柵和平面柵構(gòu)成雙溝道，大大降低了導(dǎo)通電阻。但由于漂移區(qū)的摻雜濃度較低，且漂移區(qū)較長，限制了導(dǎo)通電阻的進(jìn)一步降低。中國專利(201210179867.9,2012.06.04，【一種雙柵功率MOSFET器件】)提出一種低阻雙柵LDM0S，器件結(jié)構(gòu)如圖1所示，該結(jié)構(gòu)在普通雙柵LDMOS的基礎(chǔ)上，通過將與金屬漏極相連的漏極歐姆接觸區(qū)向有源層下方延伸，形成縱向漏極接觸區(qū)18a，并在有源層與襯底之間引入一層與縱向漏極接觸區(qū)下端相連的重?fù)诫s埋層18b。該結(jié)構(gòu)能夠 有效縮短電流導(dǎo)通路徑，同時雙電流通道能夠提高電流流通面積，降低導(dǎo)通電阻，但耐壓會受到一定影響。
[0006]為了進(jìn)一步緩解常規(guī)LDMOS存在的上述問題，業(yè)內(nèi)研究者基于槽的概念，在器件漂移區(qū)中引入介質(zhì)槽。介質(zhì)槽能折疊漂移區(qū)，縮小器件尺寸，同等耐壓下，能大大減小芯片面積，節(jié)約成本°文獻(xiàn)(Xiaorong Luo, Jie Fan, Yuangang Wang, Tianfei Lei, Ming Qiao, BoZhang, Florin Udrea,【Ultralow Specific On-Resistance High-Voltage SOI LateralMOSFET], IEEE ELECTRON DEVICE LETTERS, VOL.32，N0.2，F(xiàn)EBRUARY2011)提出一種超低比導(dǎo)通電阻SOI LDM0S,器件結(jié)構(gòu)如圖2所示，該結(jié)構(gòu)把常規(guī)槽柵結(jié)構(gòu)延伸至介質(zhì)埋層2，并在漂移區(qū)5中引入介質(zhì)槽6。介質(zhì)槽對漂移區(qū)產(chǎn)生多維度耗盡，降低器件表面電場，同時介質(zhì)槽填充材料的介電系數(shù)低于漂移區(qū)5材料介電常數(shù)，增強(qiáng)了介質(zhì)槽內(nèi)電場，提高了器件耐壓。延伸至介質(zhì)埋層的槽柵形成低電阻通道，提高電流密度，且介質(zhì)槽折疊漂移區(qū)，縮小器件橫向尺寸，使器件比導(dǎo)通電阻大大降低，功耗降低。該結(jié)構(gòu)在橫向尺寸為6.5 μ m上，擊穿電壓為233V,比導(dǎo)通電阻為3.3mΩ.cm2，優(yōu)值為16.5MW/cm2。
[0007]以上結(jié)構(gòu)正向?qū)〞r漂移區(qū)電阻占主導(dǎo)，因此導(dǎo)通電阻依賴漂移區(qū)濃度。但隨耐壓升高，優(yōu)化的漂移區(qū)濃度降低，導(dǎo)致導(dǎo)通電阻增大。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]為了進(jìn)一步緩減功率半導(dǎo)體器件中擊穿電壓和比導(dǎo)通電阻的矛盾，本發(fā)明提供一種具有U型延伸柵的SOI槽型LDMOS器件，該器件將普通槽柵延伸至漏端形成U型延伸柵結(jié)構(gòu)。在器件的導(dǎo)通狀態(tài)下，U型延伸柵側(cè)壁形成多子積累層，形成電流的低阻通道，降低導(dǎo)通電阻，使導(dǎo)通電阻 不取決于漂移區(qū)摻雜濃度；而在器件的阻斷狀態(tài)下，在漂移區(qū)中引入的介質(zhì)槽能夠改善器件表面和體內(nèi)電場分布，提高器件耐壓，同時介質(zhì)槽通過折疊漂移區(qū)作用，能夠縮小器件橫向尺寸，降低比導(dǎo)通電阻。
[0009]本發(fā)明技術(shù)方案如下:
[0010]具有U型延伸柵的SOI槽型LDMOS器件，如圖3至圖6所示，包括縱向自下而上的襯底層1、介質(zhì)埋層2和有源層3。有源層3表面兩側(cè)分別具有第二導(dǎo)電類型半導(dǎo)體體區(qū)9和第一導(dǎo)電類型重?fù)诫s半導(dǎo)體漏區(qū)12，其中第二導(dǎo)電類型半導(dǎo)體體區(qū)9中具有相互獨(dú)立的第一導(dǎo)電類型重?fù)诫s半導(dǎo)體源區(qū)10和第二導(dǎo)電類型重?fù)诫s半導(dǎo)體體接觸區(qū)11，第一導(dǎo)電類型重?fù)诫s半導(dǎo)體源區(qū)10和第二導(dǎo)電類型重?fù)诫s半導(dǎo)體體接觸區(qū)11的引出端均與金屬源極S相連，第一導(dǎo)電類型重?fù)诫s半導(dǎo)體漏區(qū)12的引出端與金屬漏極D相連。第二導(dǎo)電類型半導(dǎo)體體區(qū)9和之間的有源層為第一導(dǎo)電類型半導(dǎo)體漂移區(qū)5，第一導(dǎo)電類型半導(dǎo)體漂移區(qū)5中具有介質(zhì)槽6，槽內(nèi)填充有介電常數(shù)小于第一導(dǎo)電類型半導(dǎo)體漂移區(qū)5介電常數(shù)的介質(zhì)材料；介質(zhì)槽6的縱向深度大于第二導(dǎo)電類型半導(dǎo)體體區(qū)9的縱向深度但小于漂移區(qū)5的厚度。有源層3中還具有一個U型延伸柵結(jié)構(gòu)，所述U型延伸柵結(jié)構(gòu)由金屬柵極G、延伸柵半導(dǎo)體材料和柵介質(zhì)材料4構(gòu)成，其中延伸柵半導(dǎo)體材料包括第二導(dǎo)電類型重?fù)诫s半導(dǎo)體柵端歐姆接觸區(qū)13，半導(dǎo)體高阻區(qū)14，第一導(dǎo)電類型重?fù)诫s半導(dǎo)體場截止區(qū)15以及第二導(dǎo)電類型半導(dǎo)體漏端接觸區(qū)16 ;第二導(dǎo)電類型重?fù)诫s半導(dǎo)體柵端歐姆接觸區(qū)13的引出端與金屬柵極G相連，第二導(dǎo)電類型半導(dǎo)體漏端接觸區(qū)16的引出端與金屬漏極D相連，第二導(dǎo)電類型半導(dǎo)體漏端接觸區(qū)16的下方與第一導(dǎo)電類型重?fù)诫s半導(dǎo)體場截止區(qū)15相連，半導(dǎo)體高阻區(qū)14連接于第二導(dǎo)電類型重?fù)诫s半導(dǎo)體柵端歐姆接觸區(qū)13和第一導(dǎo)電類型重?fù)诫s半導(dǎo)體場截止區(qū)15之間，整個延伸柵半導(dǎo)體材料形成一個U型結(jié)構(gòu)；半導(dǎo)體高阻區(qū)14的下方與介質(zhì)埋層2相連，整個延伸柵半導(dǎo)體材料采用柵介質(zhì)材料4與第一導(dǎo)電類型重?fù)诫s半導(dǎo)體源區(qū)10、第二導(dǎo)電類型半導(dǎo)體體區(qū)9、第一導(dǎo)電類型半導(dǎo)體漂移區(qū)5和第一導(dǎo)電類型重?fù)诫s半導(dǎo)體漏區(qū)12相隔離。
[0011]進(jìn)一步地，本發(fā)明提供的具有U型延伸柵的SOI槽型LDMOS器件中，所述介質(zhì)槽6的縱向深度大于第二導(dǎo)電類型半導(dǎo)體體區(qū)9的縱向深度但小于漂移區(qū)5的厚度；介質(zhì)槽內(nèi)填充兩種或兩種以上介電常數(shù)不同介質(zhì)材料，不同介質(zhì)材料的介電常數(shù)沿介質(zhì)槽縱向方向自下而上逐漸遞減。多種填充介質(zhì)在不同介質(zhì)界面處引入的電場尖峰，能起到調(diào)制體內(nèi)電場，提高器件耐壓的作用。
[0012]進(jìn)一步地，本發(fā)明提供的具有U型延伸柵的SOI槽型LDMOS器件中，所述介質(zhì)槽內(nèi)靠近第二導(dǎo)電類型半導(dǎo)體體區(qū)9的一側(cè)還具有一個由導(dǎo)電材料形成的槽柵結(jié)構(gòu)7，所述槽柵結(jié)構(gòu)7的導(dǎo)電材料8的引出端與金屬柵極G相連；所述第一導(dǎo)電類型重?fù)诫s半導(dǎo)體源區(qū)10分為兩部分，且分別位于第二導(dǎo)電類型重?fù)诫s半導(dǎo)體體接觸區(qū)11兩側(cè)，三者的引出端共同接金屬源極S，其中一部分第一導(dǎo)電類型重?fù)诫s半導(dǎo)體源區(qū)IOa與柵介質(zhì)材料4接觸，另一部分第一導(dǎo)電類型重?fù)诫s半導(dǎo)體源區(qū)IOb與介質(zhì)槽6接觸；槽柵結(jié)構(gòu)7的縱向深度大于或等于第二導(dǎo)電類型半導(dǎo)體體區(qū)9的縱向深度，槽柵結(jié)構(gòu)7的導(dǎo)電材料8采用介質(zhì)槽6內(nèi)填充的介質(zhì)材料與另一部分第一導(dǎo)電類型重?fù)诫s半導(dǎo)體源區(qū)IOb和第二導(dǎo)電類型半導(dǎo)體體區(qū)9相隔離。槽柵結(jié)構(gòu)7的增加能提高整個器件的溝道密度，降低溝道電阻。
[0013]此外，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)知道，本發(fā)明提供的具有U型延伸柵的SOI槽型LDMOS器件中，所述U型延伸柵中的半導(dǎo)體高阻區(qū)14可以采用第一導(dǎo)電類型或第二導(dǎo)電類型半導(dǎo)體形成；所述柵介質(zhì)材料4可以采用二氧化硅或介電系數(shù)比二氧化硅高的介質(zhì)材料；所述介質(zhì)埋層2材料可以采用二氧化硅或介電常數(shù)低于二氧化硅的介質(zhì)材料；所述有源層3可以采用采用S1、SiC、SiGe、GaAs或GaN半導(dǎo)體材料形成。
[0014]本發(fā)明的有益效果是:
[0015]與常規(guī)槽型LDMOS器件相比，本發(fā)明提供的具有U型延伸柵的SOI槽型LDMOS器件具有以下優(yōu)點(diǎn):器件在正向?qū)顟B(tài)下，延伸至漏端的U型柵在漂移區(qū)外側(cè)形成多子積累層，構(gòu)成低阻通道，能夠降低漂移區(qū)電阻；在反向阻斷狀態(tài)下，在有源層中引入的介質(zhì)槽，能夠起到調(diào)制器件橫向電場，改善器件的表面和體內(nèi)電場分布的作用，從而提高器件耐壓。正向電流大部分通過多子積累層，打破常規(guī)器件導(dǎo)通電阻強(qiáng)烈依賴漂移區(qū)濃度的定律，同時介質(zhì)槽折疊漂移區(qū)，縮小器件橫向尺寸，能夠進(jìn)一步降低比導(dǎo)通電阻，緩解了 Rm，sp - BV2 5的矛盾。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]圖1是現(xiàn)有技術(shù)中雙柵帶埋層的功率MOSFET器件的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。
[0017]圖2是現(xiàn)有技術(shù)中超低比導(dǎo)通電阻功率MOSFET器件的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。
[0018]圖3是本發(fā)明提供的具有U型延伸柵的SOI槽型功率LDMOS器件剖面結(jié)構(gòu)示意圖(N溝道)。
[0019]圖4是本發(fā)明提供的具有U型延伸柵的雙柵SOI槽型功率LDMOS器件剖面結(jié)構(gòu)示意圖。[0020]圖5是本發(fā)明提供的具有變介電系數(shù)介質(zhì)槽的U型延伸柵SOI槽型LDMOS器件剖面結(jié)構(gòu)示意圖。
[0021]圖6是本發(fā)明提供的具有U型延伸柵的SOI槽型LDMOS器件剖面結(jié)構(gòu)示意圖(P溝道)。
[0022]圖7是各結(jié)構(gòu)在反向阻斷狀態(tài)下的二維等勢線分布圖。
[0023]圖8是各結(jié)構(gòu)在正向?qū)顟B(tài)下的二維電流線分布圖。
[0024]附圖標(biāo)記:
[0025]I是襯底層，2是介質(zhì)埋層，3是有源層，4是柵介質(zhì)材料，5是第一導(dǎo)電類型半導(dǎo)體漂移區(qū)，6是介質(zhì)槽，7是槽柵結(jié)構(gòu)，8是槽柵結(jié)構(gòu)中的導(dǎo)電材料，9是第二導(dǎo)電類型半導(dǎo)體體區(qū)，10是第一導(dǎo)電類型重?fù)诫s半導(dǎo)體源區(qū)，11是第二導(dǎo)電類型重?fù)诫s半導(dǎo)體體接觸區(qū)，12是第一導(dǎo)電類型重?fù)诫s半導(dǎo)體漏區(qū)，13是第二導(dǎo)電類型重?fù)诫s半導(dǎo)體柵端歐姆接觸區(qū)，14是半導(dǎo)體高阻區(qū)，15是第一導(dǎo)電類型重?fù)诫s半導(dǎo)體場截止區(qū)，16是第二導(dǎo)電類型半導(dǎo)體漏端接觸區(qū)，17是平面柵，18是漏接觸區(qū)，18a是縱向漏接觸區(qū)，18b是橫向重?fù)诫s埋層，19是平面柵柵介質(zhì)，G是金屬柵極，D是金屬漏極，S是金屬源極。
【具體實(shí)施方式】
[0026]下面參照附圖并結(jié)合具體實(shí)施例，對本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)描述。
[0027]本發(fā)明的技術(shù)方案，充分利用U型延伸柵、介質(zhì)槽，對SOI槽型LDMOS的電氣性能進(jìn)行了綜合改進(jìn)和提高。為方便描述，本發(fā)明提供的具有U型延伸柵的SOI槽型LDMOS器件有時也簡稱器件。
[0028]實(shí)施方案一
[0029]圖3是本發(fā)明提出的N溝道具有U型延伸柵的SOI槽型LDMOS器件結(jié)構(gòu)示意圖。如圖3所示，器件包括縱向自下而上的襯底層1、介質(zhì)埋層2和有源層3 ;有源層3表面兩側(cè)分別具有第二導(dǎo)電類型半導(dǎo)體體區(qū)9和第一導(dǎo)電類型重?fù)诫s半導(dǎo)體漏區(qū)12，其中第二導(dǎo)電類型半導(dǎo)體體區(qū)9中具有相互獨(dú)立的第一導(dǎo)電類型重?fù)诫s半導(dǎo)體源區(qū)10和第二導(dǎo)電類型重?fù)诫s半導(dǎo)體體接觸區(qū)11，第一導(dǎo)電類型重?fù)诫s半導(dǎo)體源區(qū)10和第二導(dǎo)電類型重?fù)诫s半導(dǎo)體體接觸區(qū)11的引出端均與金屬源極S相連，第一導(dǎo)電類型重?fù)诫s半導(dǎo)體漏區(qū)12的引出端與金屬漏極D相連。第二導(dǎo)電類型半導(dǎo)體體區(qū)9和之間的有源層為第一導(dǎo)電類型半導(dǎo)體漂移區(qū)5，第一導(dǎo)電類型半導(dǎo)體漂移區(qū)5中具有介質(zhì)槽6，槽內(nèi)填充有介電常數(shù)小于第一導(dǎo)電類型半導(dǎo)體漂移區(qū)5介電常數(shù)的介質(zhì)材料；介質(zhì)槽6的縱向深度大于第二導(dǎo)電類型半導(dǎo)體體區(qū)9的縱向深度但小于漂移區(qū)5的厚度。有源層3中還具有一個U型延伸柵結(jié)構(gòu)，所述U型延伸柵結(jié)構(gòu)由金屬柵極G、延伸柵半導(dǎo)體材料和柵介質(zhì)材料4構(gòu)成，其中延伸柵半導(dǎo)體材料包括第二導(dǎo)電類型重?fù)诫s半導(dǎo)體柵端歐姆接觸區(qū)13，半導(dǎo)體高阻區(qū)14，第一導(dǎo)電類型重?fù)诫s半導(dǎo)體場截止區(qū)15以及第二導(dǎo)電類型半導(dǎo)體漏端接觸區(qū)16 ;第二導(dǎo)電類型重?fù)诫s半導(dǎo)體柵端歐姆接觸區(qū)13的引出端與金屬柵極G相連，第二導(dǎo)電類型半導(dǎo)體漏端接觸區(qū)16的引出端與金屬漏極D相連，第二導(dǎo)電類型半導(dǎo)體漏端接觸區(qū)16的下方與第一導(dǎo)電類型重?fù)诫s半導(dǎo)體場截止區(qū)15相連，半導(dǎo)體高阻區(qū)14連接于第二導(dǎo)電類型重?fù)诫s半導(dǎo)體柵端歐姆接觸區(qū)13和第一導(dǎo)電類型重?fù)诫s半導(dǎo)體場截止區(qū)15之間，整個延伸柵半導(dǎo)體材料形成一個U型結(jié)構(gòu)；半導(dǎo)體高阻區(qū)14的下方與介質(zhì)埋層2相連，整個延伸柵半導(dǎo)體材料采用柵介質(zhì)材料4與第一導(dǎo)電類型重?fù)诫s半導(dǎo)體源區(qū)10、第二導(dǎo)電類型半導(dǎo)體體區(qū)9、第一導(dǎo)電類型半導(dǎo)體漂移區(qū)5和第一導(dǎo)電類型重?fù)诫s半導(dǎo)體漏區(qū)12相隔離。
[0030]實(shí)施方案二
[0031]圖4是本發(fā)明提出的一種具有U型延伸柵的雙柵SOI槽型LDMOS器件。圖4所示方案二與圖3所示方案一的區(qū)別在于采用雙柵結(jié)構(gòu)。在介質(zhì)槽6中引入槽柵7，將N型源區(qū)分為兩部分10a、10b，一部分源區(qū)IOa與柵介質(zhì)4接觸，另一部分源區(qū)IOb與介質(zhì)槽6接觸，。雙柵結(jié)構(gòu)能提高溝道密度和電流密度，降低溝道電阻，進(jìn)而降低比導(dǎo)通電阻，與實(shí)施方案一相比，本方案器件具有更低的比導(dǎo)通電阻。
[0032]實(shí)施方案三
[0033]圖5是本發(fā)明提出的一種具有變介電系數(shù)介質(zhì)槽的U型延伸柵SOI槽型LDMOS器件。圖5所示方案三與圖3所示方案一的區(qū)別在于介質(zhì)槽6的填充材料為介電系數(shù)從上到下逐漸增加的多種介質(zhì)，且所有填充材料的介電系數(shù)都低于半導(dǎo)體有源層3的介質(zhì)系數(shù)。由于介質(zhì)槽6內(nèi)填充材料介電系數(shù)不同，該器件在反向阻斷狀態(tài)下，在不同介電系數(shù)填充材料的交界處引入電場尖峰，能夠起到調(diào)制器件體內(nèi)電場分布的作用，從而提高器件耐壓，進(jìn)一步改善耐壓和比導(dǎo)通電阻的關(guān)系。
[0034]實(shí)施方案四
[0035]圖6是本發(fā)明提供的P溝道具有U型延伸柵的SOI槽型LDMOS器件。與N溝道具有U型延伸柵的SOI槽型LDMOS器件相比，圖6所示方案四的漂移區(qū)5、漏區(qū)12、體接觸區(qū)11、體區(qū)9、歐姆接觸區(qū)13、重?fù)诫s場截止區(qū)15、接觸區(qū)16、源區(qū)IOa和IOb等區(qū)域的半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電類型與N溝道具有延伸柵的SOI槽型LDMOS器件的相應(yīng)區(qū)域相反。襯底I和高阻區(qū)14的導(dǎo)電類型可為第一導(dǎo)電類型或者第二導(dǎo)電類型。本發(fā)明提出的具有延伸柵的SOI槽型LDMOS器件，既可用于制作N溝道MOSFET器件，也可以制作P溝道MOSFET器件。
[0036]本發(fā)明的上述幾種實(shí)施方案描述的具有U型延伸柵的SOI槽型LDMOS器件，其襯底I可以是N型或P型半導(dǎo)體材料，其SOI層3可以采用S1、SiC、SiGe、GaAs或GaN等半導(dǎo)體材料。當(dāng)有源層材料采用Si，則延伸柵半導(dǎo)體材料為Si，槽柵的導(dǎo)電材料8為多晶硅。
[0037]柵介質(zhì)材料4工業(yè)界一般選擇二氧化硅，或者介電常數(shù)高于二氧化硅的介質(zhì)材料。介電系數(shù)高的柵介質(zhì)在相同柵結(jié)構(gòu)下的MIS (Metal-1nsulator-Semiconductor)電容更大，積累的電荷越多，更能有效降低導(dǎo)通電阻。且在同等柵電容下，柵介質(zhì)能做得足夠厚，工藝容差性好。
[0038]介質(zhì)埋層2工業(yè)界常取二氧化硅，或介電系數(shù)低于二氧化硅的介質(zhì)材料。二氧化硅工藝相對成熟，但采用介電系數(shù)低于二氧化硅的介質(zhì)，可以增強(qiáng)介質(zhì)埋層2的電場，有利于提高器件的耐壓。介質(zhì)槽6的填充材料的介電系數(shù)低于半導(dǎo)體有源層的介質(zhì)系數(shù)，工業(yè)界常用材料為二氧化硅，或介電系數(shù)低于二氧化硅的介質(zhì)材料。采用介電系數(shù)低于二氧化娃的介質(zhì)材料，能進(jìn)一步增強(qiáng)介質(zhì)槽內(nèi)電場，提高器件耐壓。
[0039]圖7是各結(jié)構(gòu)在反向阻斷狀態(tài)下時的二維等勢線分布圖。(a)代表常規(guī)槽型SOILDMOS結(jié)構(gòu)；(b)代表具有延伸柵的SOI槽型LDMOS器件結(jié)構(gòu)。圖7 (b)的高阻區(qū)14為N型半導(dǎo)體，圖中兩根相鄰等勢線的電位差為5V，兩種結(jié)構(gòu)在器件橫向尺寸均為7μ m的條件下，擊穿電壓都是215V (有源層半導(dǎo)體材料為Si，絕緣介質(zhì)材料為Si02)。如圖7所示，介質(zhì)槽的引入能折疊漂移區(qū)，縮小器件橫向尺寸，同時調(diào)制器件橫向電場，改善器件表面和體內(nèi)電場分布，提高器件耐壓，延伸柵的引入對器件的耐壓幾乎無影響。
[0040]圖8是是各結(jié)構(gòu)在正向?qū)顟B(tài)下的二維電流線分布圖。(a)代表常規(guī)槽型SOILDMOS結(jié)構(gòu)；(b)代表本發(fā)明的具有U型延伸柵的SOI槽型LDMOS器件結(jié)構(gòu)。圖8 (b)的高阻區(qū)14為N型半導(dǎo)體，圖中兩根相鄰電流線的電流強(qiáng)度差為IX 10_6Α/μ m。如圖8 (a)所示，常規(guī)槽型SOI LDMOS漂移區(qū)濃度比較低，電流線非常稀疏，比導(dǎo)通電阻為13.5mΩ.cm2(Ve=15V)。如圖8(b)所示，U型延伸柵在漂移區(qū)5外側(cè)形成一層高濃度的電子積累層，在正向?qū)顟B(tài)下，大部分電流通過電子積累層，漂移區(qū)電阻大大降低，比導(dǎo)通電阻為2πιΩ -cm2(Ve=15V)。高阻區(qū)14為P型時，反向阻斷狀態(tài)下，能對N型漂移區(qū)5耗盡，提高漂移區(qū)5摻雜濃度，能進(jìn)一步降低比導(dǎo)通電阻。
[0041]綜上所述，本發(fā)明提供的具有U型延伸柵的SOI槽型LDMOS器件，一方面通過延伸至漏的U型延伸柵，在導(dǎo)通狀態(tài)，在漂移區(qū)外側(cè)形成高濃度的多子積累層，形成低阻通道；另一方面在漂移區(qū)中引入介質(zhì)槽，在阻斷狀態(tài)，調(diào)制器件橫向電場，改善器件表面和體內(nèi)電場分布，提高器件耐壓。正向?qū)顟B(tài)下，大部分電流流過多子積累層，且介質(zhì)槽折疊漂移區(qū)，縮小器件橫向尺寸，器件比導(dǎo)通電阻大大降低。與常規(guī)槽型LDMOS器件相比，器件電流大部分通過電子積累層，打破常規(guī)器件比導(dǎo)通電阻強(qiáng)烈依賴漂移區(qū)濃度的定律，而延伸柵對耐壓幾乎無影響，有效緩解了擊穿電壓和比導(dǎo)通電阻的矛盾關(guān)系。
【權(quán)利要求】
1.具有U型延伸柵的SOI槽型LDMOS器件，包括縱向自下而上的襯底層(I)、介質(zhì)埋層(2)和有源層(3);有源層(3)表面兩側(cè)分別具有第二導(dǎo)電類型半導(dǎo)體體區(qū)(9)和第一導(dǎo)電類型重?fù)诫s半導(dǎo)體漏區(qū)(12)，其中第二導(dǎo)電類型半導(dǎo)體體區(qū)(9)中具有相互獨(dú)立的第一導(dǎo)電類型重?fù)诫s半導(dǎo)體源區(qū)(10)和第二導(dǎo)電類型重?fù)诫s半導(dǎo)體體接觸區(qū)(11 )，第一導(dǎo)電類型重?fù)诫s半導(dǎo)體源區(qū)(10)和第二導(dǎo)電類型重?fù)诫s半導(dǎo)體體接觸區(qū)(11)的引出端均與金屬源極(S)相連，第一導(dǎo)電類型重?fù)诫s半導(dǎo)體漏區(qū)(12)的引出端與金屬漏極(D)相連；第二導(dǎo)電類型半導(dǎo)體體區(qū)(9)和之間的有源層為第一導(dǎo)電類型半導(dǎo)體漂移區(qū)(5)，第一導(dǎo)電類型半導(dǎo)體漂移區(qū)(5)中具有介質(zhì)槽(6)，槽內(nèi)填充有介電常數(shù)小于第一導(dǎo)電類型半導(dǎo)體漂移區(qū)(5)介電常數(shù)的介質(zhì)材料；所述介質(zhì)槽(6)的縱向深度大于第二導(dǎo)電類型半導(dǎo)體體區(qū)(9)的縱向深度但小于漂移區(qū)(5)的厚度； 其特征在于，有源層(3)中還具有一個U型延伸柵結(jié)構(gòu)，所述U型延伸柵結(jié)構(gòu)由金屬柵極(G)、延伸柵半導(dǎo)體材料和柵介質(zhì)材料(4)構(gòu)成，其中延伸柵半導(dǎo)體材料包括第二導(dǎo)電類型重?fù)诫s半導(dǎo)體柵端歐姆接觸區(qū)(13)，半導(dǎo)體高阻區(qū)(14)，第一導(dǎo)電類型重?fù)诫s半導(dǎo)體場截止區(qū)(15)以及第二導(dǎo)電類型半導(dǎo)體漏端接觸區(qū)(16);第二導(dǎo)電類型重?fù)诫s半導(dǎo)體柵端歐姆接觸區(qū)(13)的引出端與金屬柵極(G)相連，第二導(dǎo)電類型半導(dǎo)體漏端接觸區(qū)(16)的引出端與金屬漏極(D)相連，第二導(dǎo)電類型半導(dǎo)體漏端接觸區(qū)(16)的下方與第一導(dǎo)電類型重?fù)诫s半導(dǎo)體場截止區(qū)(15)相連，半導(dǎo)體高阻區(qū)(14)連接于第二導(dǎo)電類型重?fù)诫s半導(dǎo)體柵端歐姆接觸區(qū)(13)和第一導(dǎo)電類型重?fù)诫s半導(dǎo)體場截止區(qū)(15)之間，整個延伸柵半導(dǎo)體材料形成一個U型結(jié)構(gòu)；半導(dǎo)體高阻區(qū)(14)的下方與介質(zhì)埋層(2)相連，整個延伸柵半導(dǎo)體材料采用柵介質(zhì)材料(4)與第一導(dǎo)電類型重?fù)诫s半導(dǎo)體源區(qū)(10)、第二導(dǎo)電類型半導(dǎo)體體區(qū)(9)、第一導(dǎo)電類型半導(dǎo)體漂移區(qū)(5)和第一導(dǎo)電類型重?fù)诫s半導(dǎo)體漏區(qū)(12)相隔離。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有U型延伸柵的SOI槽型LDMOS器件，其特征在于，所述介質(zhì)槽(6)內(nèi)填充兩種或兩種 以上介電常數(shù)不同介質(zhì)材料，不同介質(zhì)材料的介電常數(shù)沿介質(zhì)槽縱向方向自下而上逐漸遞減。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的具有U型延伸柵的SOI槽型LDMOS器件，其特征在于，所述介質(zhì)槽內(nèi)靠近第二導(dǎo)電類型半導(dǎo)體體區(qū)(9)的一側(cè)還具有一個由導(dǎo)電材料形成的槽柵結(jié)構(gòu)(7)，所述槽柵結(jié)構(gòu)(7)的導(dǎo)電材料(8)的引出端與金屬柵極(G)相連；所述第一導(dǎo)電類型重?fù)诫s半導(dǎo)體源區(qū)(10)分為兩部分，且分別位于第二導(dǎo)電類型重?fù)诫s半導(dǎo)體體接觸區(qū)(11)兩側(cè)，三者的引出端共同接金屬源極(S)，其中一部分第一導(dǎo)電類型重?fù)诫s半導(dǎo)體源區(qū)(IOa)與柵介質(zhì)材料(4)接觸，另一部分第一導(dǎo)電類型重?fù)诫s半導(dǎo)體源區(qū)(IOb)與介質(zhì)槽(6)接觸；槽柵結(jié)構(gòu)(8)的縱向深度大于或等于第二導(dǎo)電類型半導(dǎo)體體區(qū)(9)的縱向深度，槽柵結(jié)構(gòu)(8)的導(dǎo)電材料(8)采用介質(zhì)槽(6)內(nèi)填充的介質(zhì)材料與另一部分第一導(dǎo)電類型重?fù)诫s半導(dǎo)體源區(qū)(IOb)和第二導(dǎo)電類型半導(dǎo)體體區(qū)(9)相隔離。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述具有U型延伸柵的SOI槽型LDMOS器件，其特征在于，所述U型延伸柵中的半導(dǎo)體高阻區(qū)(14)為第一導(dǎo)電類型或第二導(dǎo)電類型半導(dǎo)體。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述具有U型延伸柵的SOI槽型LDMOS器件，其特征在于，所述柵介質(zhì)材料(4)為二氧化硅或介電系數(shù)比二氧化硅高的介質(zhì)材料。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5中任一項(xiàng)所述具有U型延伸柵的SOI槽型LDMOS器件，其特征在于，所述介質(zhì)埋層(2)材料為二氧化硅或介電常數(shù)低于二氧化硅的介質(zhì)材料。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6中任一項(xiàng)所述具有U型延伸柵的SOI槽型LDMOS器件，其特征在于，所述有源層 (3)材料采用S1、SiC、SiGe、GaAs或GaN半導(dǎo)體材料。
【文檔編號】H01L29/06GK103904124SQ201410142967
【公開日】2014年7月2日 申請日期:2014年4月10日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月10日
【發(fā)明者】羅小蓉, 田瑞超, 徐菁, 石先龍, 李鵬程, 魏杰, 張波 申請人:電子科技大學(xué)