一种具有平面组合辅助电极结构的LDMOS器件及其制备方法

一种具有平面组合辅助电极结构的ldmos器件及其制备方法
技术领域
1.本发明涉及横向双扩散金属氧化物半导体场效应管及其制备方法，具体涉及一种具有平面组合辅助电极结构的ldmos器件及其制备方法。


背景技术：

2.横向双扩散金属氧化物半导体场效应管(lateral double-diffused mosfet，简称ldmos)因其具有较高功率、增益和开关特性且与cmos器件兼容等性能而被应用于电源管理、汽车电子和照明驱动等领域，是高压器件与低压器件结合的关键点。
3.获得更高耐压、更低比导通电阻的ldmos器件一直是研究者们的目标。ldmos可以通过增加漂移区长度、降低漂移区掺杂浓度等手段来提高击穿电压，但比导通电阻会随之增加，因此击穿电压和比导通电阻是一对矛盾关系。迄今为止，国内外已经涌出了许多技术来缓解这个矛盾，比如降低表面电场技术、分区掺杂技术、场板技术、埋层技术、超结技术等。其本质都是通过改变ldmos器件内部电场分布来保证器件耐压的同时，降低其比导通电阻。优化ldmos器件击穿电压与比导通电阻的矛盾一直是研究人员研究热点。传统的扩展栅结构，在扩展栅极的边缘会形成高峰电场，限制了器件击穿电压的提高。


技术实现要素：

4.本发明的目的是解决现有ldmos器件无法同时对击穿电压和比导通电阻进行优化的不足之处，而提供一种具有平面组合辅助电极结构的ldmos器件及其制备方法。
5.为了解决上述现有技术所存在的不足之处，本发明提供了如下技术解决方案：
6.一种具有平面组合辅助电极结构的ldmos器件，包括p型衬底；
7.所述p型衬底的上部两侧分别设置有基区和漏区；
8.所述基区上部沿依次设置有p

区和n

区，其中p

区远离漏区；所述p

区和n

区构成源区，源区上表面设置有源电极；
9.所述漏区上表面设置有漏电极，所述基区上表面设置有位于源电极和漏电极之间的栅氧化层，栅氧化层上表面设置有栅电极；
10.其特殊之处在于：所述p型衬底上表面设置有位于栅氧化层和漏电极之间的平面组合辅助电极结构，平面组合辅助电极结构包括多个从栅氧化层向漏电极方向设置的厚度t1依次增加的辅助氧化层、每个辅助氧化层上表面设置的辅助电极，以及相邻所述辅助氧化层下方设置的位于p型衬底上部的n环。
11.进一步地，所述多个辅助氧化层的厚度t1均大于栅氧化层的厚度。
12.进一步地，所述多个辅助氧化层的宽度w1相同，且多个辅助氧化层的宽度w1之和等于栅电极到漏电极的距离。器件正向导通时，有利于在p型衬底上部形成更加均匀的载流子积累层，进一步降低器件比导通电阻；器件反向阻断时，有利于进一步提高p型衬底表面横向电场的均匀性，从而提高器件击穿电压。
13.进一步地，所述n环的掺杂浓度为1
×
10
15
cm-3
～5
×
10
16
cm-3
。
14.进一步地，所述辅助氧化层的数量大于等于3，所述多个n环的掺杂浓度从基区向漏区方向依次增加，用于增加耗尽区曲率，使辅助漏极承担更大电压，从而提高器件耐压；并且随着器件漂移区长度增加，辅助电极个数随之增加，电场优化效果越明显。
15.进一步地，所述n环宽度w2和厚度t2均为0.5μm～1.0μm。
16.进一步地，所述p型衬底的掺杂浓度为1
×
10
12
cm-3
～1
×
10
14
cm-3
，p型衬底的厚度为5～50μm；所述基区的掺杂浓度为1
×
10
16
cm-3
～1
×
10
17
cm-3
，基区的厚度为0.5～5μm。
17.同时，本发明提供一种具有平面组合辅助电极结构的ldmos器件的制备方法，其特殊之处在于，基于上述具有平面组合辅助电极结构的ldmos器件，包括如下步骤：
18.步骤(1)、选取合适浓度的p型衬底；
19.步骤(2)、在p型衬底上部掺杂形成基区和n环；
20.步骤(3)、在基区上表面生长一层二氧化硅形成栅氧化层；
21.步骤(4)、在p型衬底上表面生长出不同厚度的二氧化硅形成多个辅助氧化层；
22.步骤(5)、通过掺杂分别形成源区和漏区；
23.步骤(6)、在源区上表面生长一层金属材料作为源电极，在漏区表面生长一层金属材料作为漏电极；
24.步骤(7)、在栅氧化层上表面生长一层多晶硅或金属材料作为栅电极；
25.步骤(8)、在多个辅助氧化层上表面生长一层多晶硅或金属材料作为辅助电极。
26.进一步地，所述步骤4具体为：
27.(4.1)在p型衬底上表面生长出相同预设厚度的二氧化硅形成多个辅助氧化层；所述预设厚度为多个辅助氧化层中的厚度最大值；
28.(4.2)对步骤4.1形成的多个辅助氧化层进行依次刻蚀，形成厚度从栅氧化层向沿靠近漏电极方向依次增加的多个辅助氧化层。
29.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
30.(1)本发明一种具有平面组合辅助电极结构的ldmos器件，其与常规ldmos器件的区别之一在于没有n型漂移区，由低掺杂的p型衬底实现漂移区作用。与此同时，其p型衬底上部设置有位于栅氧化层和漏电极之间的平面组合辅助电极结构，平面组合辅助电极结构包括多个辅助氧化层、多个辅助电极和至少一个n环，其一方面能够在漂移区形成新的电场峰，利用电场调制效应对表面横向电场进行调制，使得表面横向电场分布更加均匀，进一步提高器件耐压水平；其另一方面能够在器件导通时形成载流子积累层，与n环连接组成电流通路，大幅降低器件比导通电阻。本发明能够降低ldmos器件耐压对漂移区浓度和长度的依赖，使器件能够在耐压没有明显改变的同时大幅降低比导通电阻，从而达到优化ldmos器件击穿电压与比导通电阻矛盾的作用。
31.(2)本发明一种具有平面组合辅助电极结构的ldmos器件，其击穿电压同时取决于表面的横向电场与纵向电场。当p型衬底中起到漂移区作用的区域长度较小时，即p型漂移区长度较小时，器件耐压较低且主要取决于表面横向电场。由于ldmos常规结构能够在不考虑比导通电阻时被优化到较高值，此时平面组合辅助电极结构主要被用于不改变器件耐压的同时，大幅降低比导通电阻。当漂移区长度适中时，器件耐压取决于横向电场与纵向电场，此时ldmos常规结构表面电场分布较不均匀，本发明可以在优化横向电场与纵向电场分布的同时，大幅降低比导通电阻。当漂移区较长时，器件耐压较高，本发明可以通过调整平
面组合辅助电极个数来优化电场分布，达到大幅降低比导通电阻的目的。
32.(3)本发明一种具有平面组合辅助电极结构的ldmos器件的制备方法，其采用低掺杂的p型衬底代替n型漂移区实现漂移区作用，在兼容原有硅ldmos工艺的基础上，省略了n型漂移区工艺步骤，能在减少工艺成本的同时，提高器件稳定性。
附图说明
33.图1为本发明一种具有平面组合辅助电极结构的ldmos器件一个实施例的结构示意图；
34.图2为常规结构ldmos与本发明平面组合辅助电极结构ldmos实施例的表面电场分布对比图；
35.图3为常规结构ldmos与本发明平面组合辅助电极结构ldmos实施例的纵向电场分布对比图；
36.图4为常规结构ldmos与本发明平面组合辅助电极结构ldmos实施例的击穿特性对比图；
37.图5为常规结构ldmos与本发明平面组合辅助电极结构ldmos实施例的输出特性曲线对比图。
38.附图标记说明如下：1-p型衬底；2-n环；3-漏区；4-漏电极；5-辅助氧化层；6-辅助电极；7-栅氧化层；8-栅电极；9-源电极；10-n

区、11-p

区；12-基区。
具体实施方式
39.下面结合附图和示例性实施例对本发明作进一步地说明。
40.参照图1，一种具有平面组合辅助电极结构的ldmos器件，包括p型衬底1；p型衬底1的上部两侧分别设置有基区12和漏区3；基区12上部依次设置有p

区11和n

区10，其中p

区11远离漏区3，p

区11和n

区10构成源区，源区上表面设置有源电极9；漏区3上表面设置有漏电极4，基区12上表面设置有位于源电极9和漏电极4之间的栅氧化层7，栅氧化层7上表面设置有栅电极8。
41.p型衬底1上表面设置有位于栅氧化层7和漏电极4之间的平面组合辅助电极结构，平面组合辅助电极结构包括三个从栅氧化层7向漏电极4方向设置的厚度t1依次增加的辅助氧化层5、每个辅助氧化层5上表面设置的辅助电极6，以及相邻所述辅助氧化层5下方设置的位于p型衬底1上部的n环2。
42.本实施例中，p型衬底1的掺杂浓度为1
×
10
12
cm-3
～1
×
10
14
cm-3
，p型衬底1的厚度为10～20μm；基区12的掺杂浓度为1
×
10
16
cm-3
～1
×
10
17
cm-3
，基区12的厚度为1～2μm；栅氧化层7的厚度为50nm，三个辅助氧化层5厚度t1依次为100～200nm、200～400nm、400～800nm；三个辅助氧化层5宽度w1均相同且宽度w1之和等于栅电极8到漏电极4的距离；两个n环2的掺杂浓度均为1
×
10
15
cm-3
～5
×
10
16
cm-3
，两个n环2的宽度w2和厚度t2均为0.5μm～0.6μm。
43.本实例中的平面组合辅助电极结构能够在器件处于反向阻断时，增加p型衬底内耗尽区曲率半径，形成新电场峰值，优化器件电场分布。并且在器件处于正向导通时，平面组合辅助电极结构在p型衬底表面形成的积累层，能够使器件在p型漂移区长度较小、耐压没有明显变化的同时大幅降低比导通电阻，从而进一步优化ldmos器件击穿电压及比导通
电阻的矛盾。
44.针对p型衬底厚度为15μm，漂移区长度为3μm的常规结构ldmos器件和器件功能层尺寸与上述常规ldmos器件一致的本发明平面组合辅助电极结构ldmos器件进行仿真，图2为表面电场分布对比图，图3为纵向电场分布对比图，图4为击穿特性对比图，图5为输出特性曲线对比图。
45.参照图2和图3，常规结构ldmos表面由基区和漂移区构成的pn结承担耐压明显大于漂移区和漏区构成的n

n结，造成器件表面电场分布不均匀，漏区附近纵向电场也略低于本发明。而本发明平面组合辅助电极结构因为在p型漂移区内增加耗尽区半径，并引入新电场，使器件表面电场分布更均匀，纵向电场也得到优化。
46.参照图4，常规结构bv＝91.15v，本发明平面组合辅助电极结构bv＝94.19v；由图4可知，本发明平面组合辅助电极结构击穿电压略高于常规结构ldmos结构。
47.参照图5，在器件导通时，本发明平面组合辅助电极结构在p型漂移区表面形成了载流子积累层，大幅降低ldmos器件的比导通电阻。仿真表明，本发明平面组合辅助电极结构的输出电流远大于常规结构的输出电流。与此同时，常规结构ldmos比导通电阻为2.3235mω
·
cm2，本发明平面组合辅助电极结构比导通电阻为0.4533mω
·
cm2，同比下降了80.49％。因此本发明平面组合辅助电极结构能够在没有常规n型漂移区、耐压没有明显改变的同时大幅降低比导通电阻。从而达到优化ldmos器件击穿电压与比导通电阻矛盾的作用。
48.本发明所提供的具有平面组合辅助电极结构的ldmos器件为n沟道ldmos器件，本发明的原理同样适用于p沟道ldmos器件。
49.基于上述具有平面组合辅助电极结构的ldmos器件，本发明提供一种具有平面组合辅助电极结构的ldmos器件制备方法，包括如下步骤：
50.步骤(1)、选取合适浓度的p型衬底1材料；p型衬底1的掺杂浓度为1
×
10
12
cm-3
～1
×
10
14
cm-3
，p型衬底1的厚度为10～20μm；
51.步骤(2)、在p型衬底1上部掺杂形成基区12和n环2；基区12的掺杂浓度为1
×
10
16
cm-3
～1
×
10
17
cm-3
，基区12的厚度为1～2μm；两个n环2的掺杂浓度均为1
×
10
15
cm-3
～5
×
10
16
cm-3
，两个n环2的宽度w2和厚度t2均为0.5μm～0.6μm；
52.步骤(3)、在基区12上部生长一层二氧化硅形成栅氧化层7；栅氧化层7的厚度为50nm；
53.步骤(4)、在p型衬底1上部生长出不同厚度的二氧化硅形成多个辅助氧化层5；三个辅助氧化层5厚度t1依次为100～200nm、200～400nm、400～800nm；三个辅助氧化层5宽度w1均相同且宽度w1之和等于栅电极8到漏电极4的距离；
54.(4.1)在p型衬底1上部生长出相同预设厚度的二氧化硅形成三个辅助氧化层5；所述预设厚度等于三个辅助氧化层5的厚度最大值；
55.(4.2)对步骤4.1形成的三个辅助氧化层5进行依次刻蚀，形成厚度沿靠近漏电极方向依次增加的三个辅助氧化层5；
56.步骤(5)、通过掺杂分别形成源区和漏区3；
57.步骤(6)、在源区上部生长一层金属材料作为源电极9，在漏区3表面生长一层金属材料作为漏电极4；
58.步骤(7)、在栅氧化层7上部生长一层多晶硅或金属材料作为栅电极8；
59.步骤(8)、在多个辅助氧化层5上部生长一层多晶硅或金属材料作为辅助电极6。
60.以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，对于本领域的普通专业技术人员来说，可以对前述各实施例所记载的具体技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明所保护技术方案的范围。