專利名稱：抗輻照、可集成的垂直雙擴散金屬氧化物半導體功率器件的制作方法
技術領域：
抗輻照、可集成的垂直雙擴散金屬氧化物半導體功率器件，屬于半導體功率器件技術領域。
背景技術：
垂直雙擴散金屬氧化物半導體(V-DMOS)相對于較早出現的L-DMOS(L-DMOS)而言，它將漏區、漂移區和溝道區從表面分別轉移到硅片的底部和體內，管芯占用的硅片面積大大縮小，提高了硅片表面的利用率，而且器件的頻率特性也得到了很大的改善，使功率MOS器件從小功率向大功率領域邁進的過程中前進了一大步。V-DMOS適合用于制作大功率器件，是功率電子的重要基礎，作為功率開關，V-DMOS器件以其高耐壓、低導通電阻等特性常用于功率集成電路和功率集成系統中。圖1是制作在體硅上的傳統V-DMOS器件結構示意圖。其中，1是器件的襯底，5是n-(或p-)外延層，6是p(或n)區，7是n+(或p+)區，8是p+(或n+)區，9是漏極，10是源極，11是柵極。
將多種功能的器件集成在一塊芯片上是當前電子工業的主要發展方向，它包括將低電壓裝置和高電壓裝置制作在同一襯底上，這樣可使產品可靠性更強，體積和重量更小，費用更低。而傳統V-DMOS不能將高電壓器件和低電壓器件有效地隔離開，不便于集成。文獻Kuntjoro Pinardi，Ulrich Heinle，Stefan Bengtsson，etc，“High-Power SOI Vertical DMOSTransistors With Lateral Drain ContactsProcess Developments，characterization，and Modeling”(漏引出端位于器件層表面的高功率SOI(Silicon-on-insulator，絕緣體上生長薄單晶硅膜)V-DMOS器件發展、描述和模型)IEEE TRANSACTIONS ON ELECTRON DEVICES，VOL.51，NO.5，MAY2004.提出了一種新的結構，采用SOI技術，將器件隔離開，同時采用重摻雜電流通道，把漏端引到器件表面，如圖2所示。由于器件被隔離開，因此采用此結構制作的器件較傳統V-DMOS更易于集成。
V-DMOS器件在核輻照和空間輻照等環境的大量應用，對其抗輻照的性能提出了更高的要求。對于上述的V-DMOS器件，在瞬態輻照和單粒子輻照情況下，器件內將產生較多的電子—空穴對。瞬態輻照下，電子—空穴對被掃入漏源，單粒子輻照下，電子—空穴對被耗盡區收集，分別發生瞬態輻照效應和單粒子輻照效應。上述兩種情況下V-DMOS器件內都將產生較大的瞬態電流，從而導致器件失效，所以上述V-DMOS器件的抗輻照能力不強，這對其可靠性和環境適應性產生了很不利的影響。
為了改善器件的抗輻照性能，研究者們提出了各種措施。文獻J.R.Schwank，M.R.Shaneyfelt，etc，“Radiation Effects in SOI Technologies”(絕緣體上生長薄單晶硅膜技術中的輻照效應)，IEEE TRANSACTION ON NUCLEAR SCIENCE，VOL.50，NO.3，JUNE 2003，采用了一種特殊的版圖設計，如圖3，它在保留傳統橫向MOS結構的基礎上，在稱底1內引入了埋氧層結構—絕緣體區域4，然后在埋氧層上的單晶硅中制作器件的源、漏、柵及溝道區。該結構通過引入電子—空穴對復合能力較高的埋氧層，提高器件的抗輻照能力，但是該器件受到浮體效應的影響，其抗單粒子輻照能力減弱，因此其抗輻照能力仍不能得到充分的改善。此外，由于它是在一種橫向MOS器件，也不適合用于制作大功率器件，而且管芯占用的芯片面積太大，硅片表面利用率不高。
發明內容
本發明的目的在于提供抗輻照、可集成的垂直雙擴散金屬氧化物半導體功率器件，它是在上述漏引出端位于器件層表面的高功率SOIV-DMOS器件體內引入部分埋氧結構(如圖4)，與傳統DMOS器件相比，具有抗輻照能力更強、更易于集成的特點。
本發明技術方案如下抗輻照、可集成的垂直雙擴散金屬氧化物半導體功率器件，如圖4所示，包括襯底1、SOI層2、重摻雜區3、外延層5、p(或n)區6、n+(或p+)區7和p+(或n+)區8，外延層5位于重摻雜區3和p(或n)區6的中間，其特征是還包括部分埋氧結構，所述部分埋氧結構位于器件主要垂直導電通路的兩旁，由絕緣體區域4構成。
需要說明的是(1)所述由絕緣體區域4構成的部分埋氧結構可緊靠重摻雜區3做在外延層5的體內，也可與重摻雜區3有一定距離地做在外延層5的體內(如圖5)。
(2)所述由絕緣體區域4構成的部分埋氧結構，其形狀可以是矩形，也可以是梯形，橢圓形等非規則形狀(如圖6、7)。
(3)所述由絕緣體區域4構成的部分埋氧結構可以由二氧化硅或氮化硅等絕緣材料制作。
(4)本發明所述的抗輻照、可集成的垂直雙擴散金屬氧化物半導體功率器件可以采用體硅、碳化硅、砷化鎵、磷化銦或鍺硅等半導體材料制作。
本發明的工作原理本發明提供的抗輻照、可集成的垂直雙擴散金屬氧化物半導體功率器件，采用漏引出端位于器件層表面的高功率SOIV-DMOS內引入部分埋氧結構，可以克服傳統V-DMOS器件抗輻照能力不夠好、耐壓不夠高、不便于集成的缺點，獲得較好的抗輻照能力和較高的耐壓且便于集成。這里以部分埋氧區為二氧化硅的SOI-部分SOIV-DMOS為例，說明本發明的工作原理。
在器件受輻照情況下，部分埋氧結構為輻照產生的電子—空穴對提供較大的復合幾率，有效降低輻照電流，達到增強器件抗輻照能力的目的。瞬態輻照情況下，器件中由于輻照產生的電子—空穴對被掃入漏/源，從而產生瞬態電流。由于二氧化硅本身的結構特點，其體內有數量龐大的復合中心，因此二氧化硅中瞬態輻照產生的電子—空穴對的復合幾率較大，從而二氧化硅在瞬態輻照下表現出來的瞬態電流很小；單粒子輻照情況下，入射的高能粒子將沿著它的軌跡產生高密度的電子一空穴對，輻照產生的電子—空穴對又會中和其周圍的耗盡層。若耗盡層進一步消失，則由于失去屏蔽作用，正偏壓產生的電場將推進到襯底內部，使漏端電流在一瞬間達到極大值。由于二氧化硅中電子—空穴對的復合幾率較高，使得輻照中產生的大量電子一空穴對在被耗盡層收集前就已經復合，即器件收集電子的有效軌道長度減小了，因此本發明提供的SOI-部分SOIV-DMOS由于內部存在部分埋氧結構，其在單粒子輻照情況下產生的瞬態電流大大減少。在單粒子入射到器件內部很短時間內，由于部分埋氧結構的存在，SOI-部分SOIV-DMOS內部溫度僅僅是略有增加，然后緩慢恢復，因此不容易發生熱擊穿，所以其失效域值增加。
本發明除了大幅提高器件抗輻照能力外，還具有的優點是器件耐壓提高且易于集成。部分埋氧結構的引入，相當于在該結構中相當于增加了一TRENCH結構，使得漂移區變長，因此器件耐壓提高。由于采用了漏引出端位于器件層表面的高功率SOIV-DMOS結構，器件被隔離，更易于集成。
綜上所述，本發明提供的抗輻照、可集成的垂直雙擴散金屬氧化物半導體功率器件，通過在漏引出端位于器件層表面的高功率SOIV-DMOS器件功率器件內部引入部分埋氧結構，以提供一個高耐壓、高電子—空穴對復合能力的通道來提高器件耐壓及其抗輻照能力。與傳統的V-DMOS相比，具有耐壓更高、抗輻照能力更強、更易于集成的特點。因此，采用本發明可以制作各種性能優良的抗輻照、高壓、高速、高集成度V-DMOS器件。
圖1是傳統V-DMOS結構示意圖。
其中，1是器件的襯底，5是n-(或p-)外延層，6是p(或n)區，7是n+(或p+)區，8是p+(或n+)區，9是漏極，10是源極，11是柵極。
圖2是漏引出端位于器件層表面的高功率SOIV-DMOS器件結構示意圖。
其中，1是器件的襯底，2是SOI層，3是重摻雜n+(或p+)層，5是外延層，6是p(或n)區，7是n+(或p+)區，8是p+(或n+)區，9是漏極，10是源極，11是柵極。
圖3是具有SOI結構的橫向MOS結構示意圖。
其中，1是器件的襯底，4是絕緣體區，7是n+(或p+)區，9是漏極，10是源極，11是柵極。
圖4是本發明提供的在漏引出端位于器件層表面的高功率SOIV-DMOS內引入部分埋氧層的DMOS結構示意圖。
其中，1是器件的襯底，2是SOI層，3是重摻雜n+(或p+)層，4是部分埋氧區，5是外延層，6是p(或n)區，7是n+(或p+)區，8是p+(或n+)區，9是漏極，10是源極，11是柵極。
圖5是部分埋氧結構4與重摻雜層3有一定距離地做在外延層5體內的V-DMOS結構示意圖。
其中，1是器件的襯底，2是SOI層，3是重摻雜n+(或p+)層，4是部分埋氧區，5是外延層，6是p(或n)區，7是n+(或p+)區，8是p+(或n+)區，9是漏極，10是源極，11是柵極。
圖6是本發明部分埋氧區為梯形的情形。
其中，1是器件的襯底，2是SOI層，3是重摻雜n+(或p+)層，4是部分埋氧區，5是外延層，6是p(或n)區，7是n+(或p+)區，8是p+(或n+)區，9是漏極，10是源極，11是柵極。
圖7是本發明部分埋氧區為橢圓形的情形。
其中，1是器件的襯底，2是SOI層，3是重摻雜n+(或p+)層，4是部分埋氧區，5是外延層，6是p(或n)區，7是n+(或p+)區，8是p+(或n+)區，9是漏極，10是源極，11是柵極。
具體實施例方式
采用本發明的部分埋氧結構，可以得到性能優良的抗輻照、高壓、高速、高集成度功率器件。可以應用于雙擴散場效應晶體管、絕緣柵雙極型功率晶體管、靜電誘導晶體管、PN二極管等常見功率器件。采用部分埋氧結構的器件可以用于對器件抗輻照性能要求較高的航空航天、核環境及其他領域。隨著半導體技術的發展，采用本發明還可以制作更多的抗輻照、高壓、高速、高集成度功率器件。
引入部分埋氧結構的新型V-DMOS功率器件，如圖4所示，包括襯底1、SOI層2、重摻雜電流通道3、外延層5、p(或n)區6、n+(或p+)區7和p+(或n+)區8，外延層5位于重摻雜電流通道3和p(或n)區6的中間，其特征是還包括部分埋氧結構，所述部分埋氧結構位于器件主要垂直導電通路的兩旁，由絕緣體區域4構成。
具體實施時，可先利用鍵合技術制作SOI層2的橫向部分，再通過重摻雜做出低電阻通道3的橫向部分，然后采用預氧技術，對硅片的部分區域進行氧注入，以形成部分埋氧區。在此基礎上，制作器件漏、源、柵，最后刻蝕出SOI層2的兩側面溝道。器件中采用了三次RESURF(Reduced surface filed，減少表面區域)技術，以提高器件的擊穿電壓。由于刻蝕SOI層2的兩側面溝道是在工藝的最后階段進行，溝道未暴露于器件制作過程中退火時的高溫下，因此器件表面幾乎沒有缺陷。
在實施過程中，可以根據具體情況，在基本結構不變的情況下，進行一定的變通設計。例如圖5所示是將分埋氧結構4與重摻雜層3有一定距離地做在外延層5體內。
圖6所示部分埋氧區，它包含的絕緣體區域4的形狀為梯形結構。
圖7所示部分埋氧區，它包含的絕緣體區域4的形狀為橢圓形結構。
還可以用氮化硅等絕緣材料代替二氧化硅，形成部分埋氧層；制作器件時還可用碳化硅、砷化鎵、磷化銦或鍺硅等半導體材料代替體硅。
權利要求
1.抗輻照、可集成的垂直雙擴散金屬氧化物半導體功率器件，包括襯底(1)、SOI層(2)、重摻雜區(3)、外延層(5)、p(或n)區(6)、n+(或p+)區(7)和p+(或n+)區(8)，外延層(5)位于重摻雜區(3)和p(或n)區(6)的中間，其特征是，它還包括部分埋氧結構，所述部分埋氧結構位于器件主要垂直導電通路的兩旁，由絕緣體區域(4)構成。
2.根據權利要求1所述的抗輻照、可集成的垂直雙擴散金屬氧化物半導體功率器件，其特征是，所述由絕緣體區域(4)構成的部分埋氧結構可緊靠重摻雜區(3)做在外延層(5)的體內，也可與重摻雜區(3)有一定距離地做在外延層(5)的體內。
3.根據權利要求1、2所述的抗輻照、可集成的垂直雙擴散金屬氧化物半導體功率器件，其特征是，所述由絕緣體區域(4)構成的部分埋氧結構，其形狀可以是矩形，也可以是梯形，橢圓形等非規則形狀。
4.根據權利要求1、2所述的抗輻照、可集成的垂直雙擴散金屬氧化物半導體功率器件，其特征是，所述由絕緣體區域(4)構成的部分埋氧結構可以由二氧化硅或氮化硅等絕緣材料制作。
5.根據權利要求1所述的抗輻照、可集成的垂直雙擴散金屬氧化物半導體功率器件，其特征是，所述抗輻照、可集成的垂直雙擴散金屬氧化物半導體功率器件可以采用體硅、碳化硅、砷化鎵、磷化銦或鍺硅等半導體材料制作。
全文摘要
抗輻照、可集成的垂直雙擴散金屬氧化物半導體功率器件，屬于半導體功率器件技術領域。采用漏引出端位于器件層表面的高功率SOI V－DMOS內引入由絕緣體區域4構成的部分埋氧結構，所述部分埋氧結構位于器件主要垂直導電通路的兩旁，可緊靠重摻雜區3做在外延層5的體內，也可與重摻雜區3有一定距離地做在外延層5的體內；其形狀可為矩形、梯形、橢圓形等；并可由二氧化硅或氮化硅等絕緣材料制作。本發明通過部分埋氧結構提供的高耐壓、高電子—空穴對復合通道來提高器件耐壓及抗輻照能力。此外，由于采用漏引出端9位于器件層表面的高功率SOI垂直DMOS結構，可以制作各種性能優良的抗輻照、高壓、高速、高集成度垂直DMOS器件及功率集成電路、功率系統集成電路。
文檔編號H01L27/12GK1851929SQ200610021068
公開日2006年10月25日 申請日期2006年6月1日 優先權日2006年6月1日
發明者李澤宏, 張子澈, 易黎, 張磊, 張波 申請人:電子科技大學