[發明專利]基于折疊漂移區的SOI耐壓結構及功率器件

有效

• 申請號: 201410333042.7
• 申請日: 2014-07-14
• 公開（公告）號: CN104218088B
• 公開（公告）日: 2017-09-29
• 發明（設計）人: 李琦;李海鷗;左園;翟江輝
• 申請（專利權）人: 桂林電子科技大學
• 主分類號: H01L29/78
• 分類號: H01L29/78;H01L29/06
• 代理公司: 桂林市持衡專利商標事務所有限公司45107
• 代理人: 陳躍琳

技術領域

本發明涉及半導體功率器件和功率集成技術領域，具體涉及一種用于功率器件或高壓集成電路中，基于折疊漂移區的SOI(Silicon On Insulator，絕緣襯底上的硅)耐壓結構及功率器件。

背景技術

SOI(Silicon On Insulator)功率器件具有高的工作速度和集成度、可靠的絕緣性能、強的抗輻照能力和大的安全工作區的優點，廣泛用于電力電子、工業自動化、航空航天和武器裝備等領域，是SOI功率集成電路的核心器件。

典型的常規n型SOI LDMOS(Lateral Double Diffused Metal Oxide Semicondutor，橫向雙擴散金屬氧化物半導體)器件的結構如圖1所示，由源電極1，n+源區2，柵電極3，n型有源半導體層4，n+漏區5，漏電極6，p型溝道區7，p型襯底半導體層8和介質埋層9組成。器件的耐壓由縱向耐壓和橫向耐壓中的較小者決定，其中橫向耐壓由橫向電場沿耐壓長度進行電離積分計算得到，因而提高橫向耐壓的設計思路是：提高平坦化表面電場分布和增加漂移區長度。

首先，平坦化表面電場的方法包括：降低表面電場(RESURF)、橫向變摻雜、場板和SJ(Super Junction，超結)結構等。其中陳星弼院士提出的SJ結構，其比導通電阻與耐壓的1.3次方關系打破了常規器件中2.5次方的硅極限。P柱和N柱間的電荷平衡至關重要，導通電阻和耐壓的矛盾關系隨著N(P)柱深寬比的增加進一步改善，但是高深寬比SJ往往需要多次外延或深槽刻蝕等特殊工藝，存在工藝復雜、成本高昂和可靠性低的缺點。其次，在平坦化表面電場的基礎上，隨著功率器件有源層長度的增加，擊穿電壓增大。但是增加有源層長度會導致常規高壓功率器件尺寸巨大，制造成本高昂，同時與半導體集成電路的等比例減小的發展趨勢相悖，這嚴重束縛了分立器件和功率集成電路的發展及應用，因此減小高壓功率器件表面長度就成為功率集成電路技術的關鍵。

通過改變體電場分布或者把橫向耐壓引入縱向，是減小器件表面長度、提高耐壓的有效方法。在半導體表面插入介質槽，依靠其對載流子的阻擋作用把耐壓引入縱向，提高橫向耐壓，如圖2。在有源層4表面形成多個介質槽10，對載流子產生阻擋作用，促使漂移區電場重構，提高橫向耐壓。但是由于上述介質槽僅存在于上表面，載流子的阻擋效果不佳，導致有效橫向耐壓長度并沒有明顯增加，器件耐壓改善有限。

通過在介質埋層產生界面電荷，增強介質埋層中的電場，導致體電場重新分布，從而提高器件耐壓，如圖3所示。在常規SOI功率器件的有源層4中，介質埋層9之上設置有至少一個界面島型埋層11，有源層的導電類型與界面島型埋層的導電類型相反。當正的高漏極電壓添加到漏，同時源、柵和襯底接地時，介質埋層上界面將自適應地收集空穴，空穴濃度從源到漏線性增加。根據高斯定理，這些界面空穴能有效的增加介質埋層電場和提高耐壓。

通過施加襯底偏壓，使得有源層電場重新分布，可顯著提高擊穿電壓。在常規SOI器件的襯底層背面制作襯底電極，襯底電場的調制作用使有源層的體內電場重新分布，漏極電場降低，源極電場增加，器件的擊穿電壓較常規LDMOS增加47.8％。把耐壓引入縱向，通過襯底分壓作用可以提高擊穿特性，如圖4所示。在常規SOI器件中加入部分SiO₂介質埋層12，在溝道區下面有一個開窗口。反向偏置時，器件通過開窗口向襯底耗盡，部分電勢由襯底承擔，而且導通時產生的熱量可以通過該開窗口由襯底向外散發，具有較好的熱特性。有源層4為變化摻雜濃度分布，以改善表面電場分布。

通過在有源層表面刻蝕硅槽，形成橫向折疊形貌，具有增加橫向寬度和降低導通電阻的作用，如圖5。通過刻蝕工藝，器件橫向形成厚度不同的薄有源層13和厚有源層14。硅槽用半絕緣多晶硅填充，其電場調制作用改善有源層電場分布。正向導通時，電流流經厚度不同的有源層，硅槽側面的電流等效于增加器件的寬度，因而導通和耐壓特性獲得較大的改善，接近于SJ器件的性能。

綜上所述，目前把耐壓引入縱向以減小器件長度的方法主要是在表面嵌入介質槽，通過其對載流子的阻擋作用改善耐壓特性。但是由于表面介質槽阻擋效果不佳，有效橫向耐壓長度并沒有明顯增加，器件耐壓未獲得理想結果；在平坦化表面電場分布的技術中，器件的橫向耐壓長度并沒有增加；而且在改善表面電場的SJ結構中，高深寬比SJ的制作工藝復雜、成本高昂，改進結構往往未能實現電荷的充分補償，耐壓和導通電阻改善有限。

發明內容