專利名稱：一種高維持電壓的可控硅橫向雙擴散金屬氧化物半導體管的制作方法
技術領域：
本發(fā)明主要涉及高壓功率半導體器件的可靠性領域，具體的說，是一種具有高維持電壓、較強抗閂鎖能力的一種高維持電壓的可控硅橫向雙擴散金屬氧化物半導體管，適用于等離子平板顯示設備、半橋驅(qū)動電路以及汽車生產(chǎn)領域等驅(qū)動芯片的靜電防護。
背景技術：
隨著節(jié)能需求的日益增強，高壓功率集成電路產(chǎn)品的性能受到越來越多的關注，其中電路的可靠性問題也越來越受到電路設計工程師的重視。靜電釋放就是一個非常重要的可靠性問題，也是造成諸多電子產(chǎn)品失效的主要原因之一。而隨著工藝特征尺寸的不斷縮小，電子產(chǎn)品更加容易遭到靜電釋放的損傷，于是靜電防護的需求變得越來越強烈。目前，在靜電防護問題中，一般是在電路的輸入與輸出端口上，利用靜電防護器件 組成靜電防護電路。當有靜電放電時，防護電路能夠率先開啟，釋放靜電放電電流，箝位靜電放電電壓，使靜電放電不會對內(nèi)部電路造成損傷。而當內(nèi)部電路正常工作時，靜電防護電路應當不工作，不能對內(nèi)部電路產(chǎn)生影響和干擾。其中，為了起到有效的靜電防護作用，防護器件的觸發(fā)電壓應該低于被保護電路的擊穿電壓，而為了降低閂鎖發(fā)生的風險，防護器件的維持電壓應當高于電路的電源電壓。橫向雙擴散金屬氧化物半導體晶體管(Lateral double diffused metal oxidesemi conductor, LDMOS )因為設計簡單、工藝兼容性好等優(yōu)點，在高壓功率集成電路的靜電防護中得到了廣泛的應用。但是，由于在泄放大的靜電電流時，橫向雙擴散金屬氧化物半導體晶體管體內(nèi)會發(fā)生嚴重的基區(qū)展寬效應，導致其靜電泄放能力顯著降低。為了克服這個缺點，人們對橫向雙擴散金屬氧化物半導體晶體管的結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化設計，提出了可控娃橫向雙擴散金屬氧化物半導體管(Silicon-controlled rectifier lateraldouble diffused metal oxide semiconductor, SCR-LDM0S),該結(jié)構(gòu)將可控娃整流器(Silicon-controlled rectifier, SCR)和橫向雙擴散金屬氧化物半導體晶體管融合在同一個器件中?？煽赝迿M向雙擴散金屬氧化物半導體管在泄放靜電電流時，在其陽極和陰極存在著載流子雙注入效應，不但能有效的抑制基區(qū)展寬效應，而且還具有更強的靜電泄放能力。所以，可控硅橫向雙擴散金屬氧化物半導體管已逐漸成為高壓功率集成電路靜電防護領域中非常具有吸引力的電子元件。但是可控硅橫向雙擴散金屬氧化物半導體管在泄放靜電時卻面臨著非常嚴峻的可靠性風險，其主要問題是由于在泄放靜電時，在其陽極和陰極存在著載流子雙注入效應，使得在漂移區(qū)中由于電子和空穴的大量中和而形成了準中性區(qū)域，于是可控硅橫向雙擴散金屬氧化物半導體管的維持電壓非常低，遠低于電路的電源電壓，存在很大的閂鎖隱患，這樣就造成可控硅橫向雙擴散金屬氧化物半導體管在高壓功率集成電路的靜電保護的設計和應用中受到了很大的限制。于是，要想利用可控硅橫向雙擴散金屬氧化物半導體管做靜電防護器件，就必須改進器件結(jié)構(gòu)，以解決在更小的面積上設計既能夠?qū)崿F(xiàn)靜電放電防護功能又沒有閂鎖風險的問題。
圍繞著高壓工藝的靜電保護對高維持電壓、低閂鎖風險以及較低的成本的要求，本發(fā)明提出了一種具有高維持電壓、能夠有效抗閂鎖的可控硅橫向雙擴散金屬氧化物半導體管結(jié)構(gòu)，在同樣的 尺寸下與一般的可控硅橫向雙擴散金屬氧化物半導體管結(jié)構(gòu)相比，其維持電壓有了明顯的提升，降低了閂鎖發(fā)生的風險。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種高維持電壓可控硅橫向雙擴散金屬氧化物半導體管。本發(fā)明采用如下技術方案一種高維持電壓的可控硅橫向雙擴散金屬氧化物半導體管，包括N型襯底，在N型襯底上設有埋氧，在埋氧上設有N型外延層，在N型外延層的內(nèi)部設有N型緩沖阱和P型體區(qū)，在N型緩沖阱內(nèi)設有P型陽區(qū)和N型體接觸區(qū)，在P型體區(qū)中設有N型陰區(qū)和P型體接觸區(qū)，在N型外延層的表面設有柵氧化層和場氧化層且柵氧化層的一端和場氧化層的一端相抵，所述柵氧化層的另一端向N型陰區(qū)延伸并止于N型陰區(qū)的邊界，所述場氧化層的另一端向P型陽區(qū)延伸并止于P型陽區(qū)的邊界，在N型陰區(qū)和P型體接觸區(qū)表面設有淺P型阱區(qū)，且淺P型阱區(qū)延伸至柵氧化層下方，在柵氧化層的表面設有多晶硅柵且多晶硅柵延伸至場氧化層的上表面，在場氧化層、P型體接觸區(qū)、N型陰區(qū)、多晶硅柵、P型陽區(qū)和N型體接觸區(qū)的表面設有鈍化層，在P型陽區(qū)和N型體接觸區(qū)19表面連接有第一金屬層，在多晶硅柵的表面連接有第二金屬層，在P型體接觸區(qū)和N型陰區(qū)表面連接有第三金屬層，在P型陽區(qū)和N型體接觸區(qū)正下方設有深N型阱區(qū)，所述深N型阱區(qū)位于N型緩沖阱內(nèi)。深N型阱區(qū)摻雜濃度是N型緩沖阱摻雜濃度的五倍到十倍，深N型阱區(qū)的注入能量是N型緩沖阱注入能量的二倍到三倍。與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(I )、本發(fā)明器件在P型陽區(qū)5和和N型體接觸區(qū)19下方設有深N型阱區(qū)18，有效地降低了寄生PNP三極管的發(fā)射效率，減少了從P型陽區(qū)5注入到N型外延層3中的空穴數(shù)目，從而減小了 N型外延層3中空間電荷中和的數(shù)量，于是提升了器件的維持電壓，使得器件在泄放靜電時因維持電壓過低而造成的閂鎖失效風險大大降低。(2)、本發(fā)明器件在N型陰區(qū)15和P型體接觸區(qū)14下方設有深P型阱區(qū)17，有效地降低了寄生NPN三極管的發(fā)射效率，減少了從N型陰區(qū)15注入到N型外延層3中的電子數(shù)目，從而減小了 N型外延層3中空間電荷中和的數(shù)量，于是提升了器件的維持電壓，使得器件在泄放靜電時因維持電壓過低而造成的閂鎖失效風險大大降低。參照圖3，Vhl為一般結(jié)構(gòu)的維持電壓，Vh2為本發(fā)明結(jié)構(gòu)的維持電壓，可以看到，同一般結(jié)構(gòu)相比，本發(fā)明結(jié)構(gòu)的維持電壓有了明顯的提高。(3 )、本發(fā)明器件采用高壓絕緣體上硅(Silicon-On-Insulator，SOI)工藝，該工藝里所用的高壓器件閾值調(diào)整的淺P型阱區(qū)13與用來提升維持電壓的深P型阱區(qū)17共用同一塊光刻板，兩者的注入窗口完全相同，只是注入能量與劑量不同，不需要增加新的掩模板，因而不會增加額外成本。(4)、本發(fā)明器件在提高了維持電壓，降低了閂鎖的風險的同時并不改變器件原來的版圖面積。同時本發(fā)明器件的制作工藝可以與現(xiàn)有CMOS工藝兼容，易于制備。(5)、本發(fā)明器件不僅能有效地提高維持電壓，還不會對器件的其他性能參數(shù)產(chǎn)生影響。例如，由于深N型阱區(qū)18位于N型緩沖阱4內(nèi)，且深P型阱區(qū)17位于P型體區(qū)16內(nèi)，，因而器件的觸發(fā)電壓也不會因采用本發(fā)明器件結(jié)構(gòu)而改變，結(jié)果參照附圖3。


圖I所示為一般結(jié)構(gòu)的可控硅橫向雙擴散金屬氧化物半導體管的器件剖面結(jié)構(gòu)。圖2所示為本發(fā)明改進后的高維持電壓的可控硅橫向雙擴散金屬氧化物半導體管的器件剖面結(jié)構(gòu)。圖3是本發(fā)明器件與一般結(jié)構(gòu)的可控硅橫向雙擴散金屬氧化物半導體管的器件的傳輸線脈沖(Transmission line pulse, TLP)測試結(jié)果的比較圖。從圖中可以明顯看出，改進后的器件的維持電壓Vh2要明顯高于一般結(jié)構(gòu)的器件的維持電壓Vhl，另外，從圖中還看出，本發(fā)明器件的觸發(fā)電壓和一般結(jié)構(gòu)的器件的觸發(fā)電壓差別不大。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖2，對本發(fā)明做詳細說明，一種高維持電壓可控硅橫向雙擴散金屬氧化物半導體管，包括N型襯底I，在N型襯底I上設有埋氧2，在埋氧2上設有N型外延層3，在N型外延層3的內(nèi)部設有N型緩沖阱4和P型體區(qū)16，在N型緩沖阱4內(nèi)設有P型陽區(qū)5和N型體接觸區(qū)19，在P型體區(qū)16中設有N型陰區(qū)15和P型體接觸區(qū)14，在N型外延層3的表面設有柵氧化層11和場氧化層8且柵氧化層11的一端和場氧化層8的一端相抵，所述柵氧化層11的另一端向N型陰區(qū)15延伸并止于N型陰區(qū)15的邊界，所述場氧化層8的另一端向P型陽區(qū)5延伸并止于P型陽區(qū)5的邊界，在N型陰區(qū)15和P型體接觸區(qū)14表面設有淺P型阱區(qū)13，且淺P型阱區(qū)13延伸至柵氧化層11下方，在柵氧化層11的表面設有多晶硅柵10且多晶硅柵10延伸至場氧化層8的上表面，在場氧化層8、P型體接觸區(qū)14、N型陰區(qū)15、多晶硅柵10、P型陽區(qū)5和N型體接觸區(qū)19的表面設有鈍化層7，在P型陽區(qū)5和N型體接觸區(qū)19表面連接有第一金屬層6，在多晶硅柵10的表面連接有第二金屬層9，在P型體接觸區(qū)14和N型陰區(qū)15表面連接有第三金屬層12，其特征在于，在P型陽區(qū)5和N型體接觸區(qū)19正下方設有深N型阱區(qū)18，所述深N型阱區(qū)18位于N型緩沖阱4內(nèi)。所述深N型阱區(qū)18摻雜濃度是N型緩沖阱4摻雜濃度的五倍到十倍，深N型阱區(qū)18的注入能量是N型緩沖阱4注入能量的二倍到三倍。所述N型緩沖阱4的摻雜劑量為lel3cm_2，注入能量為80Kev，深N型阱區(qū)18的摻雜劑量是I. 0el4cnT2，注入能量是180Kev。所述深N型阱區(qū)18與場氧化層8在器件底部的投影交疊，交疊部分的范圍為O-Ium0淺P型阱區(qū)13正下方還設有深P型阱區(qū)17，所述深P型阱區(qū)17位于P型體區(qū)16內(nèi)，且位于N型陰區(qū)15和P型體接觸區(qū)14下方，與淺P型阱區(qū)13在器件底部的投影完全重合。所述深P型阱區(qū)17摻雜濃度是淺P型阱區(qū)13摻雜濃度的十倍到二十倍，深P型阱區(qū)17的注入能量是淺P型阱區(qū)13注入能量的二倍到三倍。淺P型阱區(qū)13的摻雜劑量為I. 0el2cm_2，注入能量為80Kev，深P型阱區(qū)17的摻雜劑量是I. 5el3cm_2，注入能量是180Kev。
所述深P型阱區(qū)17與柵氧化層11在器件底部的投影交疊，交疊部分的范圍為
I-2 u m0本發(fā)明采用如下方法來制備首先是SOI制作，其中外延層3采用N型摻雜。接下來的是可控硅橫向雙擴散金屬氧化物半導體管的制作，包括在N型外延3上通過注入磷離子形成N型緩沖層4，N型緩沖層4的摻雜劑量為I. e13CnT2，注入能量為80Kev，注入硼離子形成P型體區(qū)16，然后在高能量下注入形成深N型阱區(qū)18，深N型阱區(qū)18的摻雜劑量是IeMcnT2，注入能量是180Kev。然后是場氧化層8，再次是硼離子在低能量下注入形成淺P型阱區(qū)13，淺P型阱區(qū)13的摻雜劑量為I. 0el2Cm_2，注入能量為80Kev。緊接著用同樣的光刻板在高能量下注入硼離子形成深P型阱區(qū)17，深P型阱區(qū)17的摻雜劑量是I. 5el3cm_2，注入能量是180Kev，接下來是 柵氧化層11的生長，之后淀積多晶硅10，刻蝕形成柵，再制作重摻雜的陽區(qū)5、陰區(qū)15、P型體接觸區(qū)14和N型體接觸區(qū)19。淀積二氧化硅，刻蝕電極接觸區(qū)后淀積金屬，再刻蝕金屬并引出電極，最后進行鈍化處理。
權利要求
1.一種高維持電壓的可控硅橫向雙擴散金屬氧化物半導體管，包括N型襯底(1)，在N型襯底(I)上設有埋氧(2 )，在埋氧(2 )上設有N型外延層(3 )，在N型外延層(3 )的內(nèi)部設有N型緩沖阱(4)和P型體區(qū)(16)，在N型緩沖阱(4)內(nèi)設有P型陽區(qū)(5)和N型體接觸區(qū)(19)，在P型體區(qū)(16)中設有N型陰區(qū)(15)和P型體接觸區(qū)(14)，在N型外延層(3)的表面設有柵氧化層(11)和場氧化層(8 )且柵氧化層(11)的一端和場氧化層(8 )的一端相抵，所述柵氧化層(11)的另一端向N型陰區(qū)(15)延伸并止于N型陰區(qū)(15)的邊界，所述場氧化層(8)的另一端向P型陽區(qū)(5)延伸并止于P型陽區(qū)(5)的邊界，在N型陰區(qū)(15)和P型體接觸區(qū)(14)表面設有淺P型阱區(qū)(13)，且淺P型阱區(qū)(13)延伸至柵氧化層(11)下方，在柵氧化層(11)的表面設有多晶硅柵(10)且多晶硅柵(10)延伸至場氧化層(8)的上表面，在場氧化層(8)、P型體接觸區(qū)(14)、N型陰區(qū)(15)、多晶硅柵(10)、P型陽區(qū)(5)和N型體接觸區(qū)(19)的表面設有鈍化層(7)，在P型陽區(qū)(5)和N型體接觸區(qū)(19)表面連接有第一金屬層(6)，在多晶硅柵(10)的表面連接有第二金屬層(9)，在P型體接觸區(qū)(14)和N型陰區(qū)(15)表面連接有第三金屬層(12)，其特征在于，在P型陽區(qū)(5)和N型體接觸區(qū)(19)正下方設有深N型阱區(qū)(18)，所述深N型阱區(qū)(18)位于N型緩沖阱(4)內(nèi)。
2.根據(jù)權利要求I所述的高維持電壓的可控硅橫向雙擴散金屬氧化物半導體管，其特征在于所述深N型阱區(qū)(18)摻雜濃度是N型緩沖阱(4)摻雜濃度的五倍到十倍，深N型阱區(qū)(18)的注入能量是N型緩沖阱(4)注入能量的二倍到三倍。
3.根據(jù)權利要求2所述的高維持電壓的可控硅橫向雙擴散金屬氧化物半導體管，其特征在于所述N型緩沖阱(4)的摻雜劑量為lel3CnT2，注入能量為80Kev，深N型阱區(qū)(18)的摻雜劑量是I. 0el4cnT2，注入能量是180Kev。
4.根據(jù)權利要求I所述的高維持電壓的可控硅橫向雙擴散金屬氧化物半導體管，其特征在于所述深N型阱區(qū)(18)與場氧化層(8)在器件底部的投影交疊，交疊部分的范圍為0-1u m0
5.根據(jù)權利要求I所述的高維持電壓的可控硅橫向雙擴散金屬氧化物半導體管，其特征在于在淺P型阱區(qū)(13)正下方設有深P型阱區(qū)(17)，所述深P型阱區(qū)(17)位于P型體區(qū)(16)內(nèi)，且位于N型陰區(qū)(15)和P型體接觸區(qū)(14)下方，與淺P型阱區(qū)(13)在器件底部的投影完全重合。
6.根據(jù)權利要求5所述的高維持電壓的可控娃橫向雙擴散金屬氧化物半導體管,其特征在于所述深P型阱區(qū)(17)摻雜濃度是淺P型阱區(qū)(13)摻雜濃度的十倍到二十倍，深P型阱區(qū)(17)的注入能量是淺P型阱區(qū)(13)注入能量的二倍到三倍。
7.根據(jù)權利要求6所述的高維持電壓的可控硅橫向雙擴散金屬氧化物半導體管，其特征在于所述淺P型阱區(qū)(13)的摻雜劑量為I. 0el2Cm_2，注入能量為80Kev，深P型阱區(qū)(17)的摻雜劑量是I. 5el3cm_2，注入能量是180Kev。
8.根據(jù)權利要求5所述的高維持電壓的可控硅橫向雙擴散金屬氧化物半導體管，其特征在于所述深P型阱區(qū)(17)與柵氧化層(11)在器件底部的投影交疊，交疊部分的范圍為1-2u m0
全文摘要
一種高維持電壓的可控硅橫向雙擴散金屬氧化物半導體管，包括N型襯底，在N型襯底上設有埋氧，在埋氧上設有N型外延層，在N型外延層的內(nèi)部設有N型緩沖阱和P型體區(qū)，在N型緩沖阱內(nèi)設有P型陽區(qū)和N型體接觸區(qū)，在P型體區(qū)中設有N型陰區(qū)和P型體接觸區(qū)，在N型外延層的表面設有柵氧化層和場氧化層，在N型陰區(qū)和P型體接觸區(qū)表面設有淺P型阱區(qū)，在柵氧化層的表面設有多晶硅柵，其特征在于，在P型陽區(qū)和N型體接觸區(qū)正下方設有深N型阱區(qū)，在淺P型阱區(qū)正下方設有深P型阱區(qū)，這兩個區(qū)域均能有效地抑制載流子雙注入效應，使得在漂移區(qū)中自由載流子中和的數(shù)目減少，從而提高了器件維持電壓，降低了泄放靜電過程中閂鎖發(fā)生的風險。
文檔編號H01L29/06GK102832232SQ20121028946
公開日2012年12月19日 申請日期2012年8月14日 優(yōu)先權日2012年8月14日
發(fā)明者劉斯揚, 黃婷婷, 衛(wèi)能, 嚴巖, 錢欽松, 孫偉鋒, 陸生禮, 時龍興 申請人:東南大學