一种垂直双扩散金属氧化物半导体功率器件制造技术

一种垂直双扩散金属氧化物半导体功率器件，属于半导体功率器件技术领域。本发明专利技术在功率器件中引入部分埋氧区４，所述部分埋氧区４位于器件主要垂直导电通路的两旁，可做在外延层３上，或同时占据衬底２和外延层３的部分区域，或同时占据外延层３和ｐ／ｎ区５的部分区域，还可同时占据衬底２、外延层３和ｐ／ｎ区５的部分区域；其形状可为矩形、梯形、椭圆形等；并可由二氧化硅或氮化硅等绝缘材料制作。本发明专利技术通过部分埋氧结构提供的高耐压、高电子一空穴对复合通道来提高器件耐压及抗辐照能力。与传统的垂直ＤＭＯＳ相比，在相同导通电阻下，耐压提高２０％以上，抗瞬态辐照能力提高２倍以上，单粒子失效阈值提高近１倍。采用本发明专利技术可以制作各种性能优良的抗辐照、高压、高速垂直ＤＭＯＳ器件。

【技术实现步骤摘要】

一种垂直双扩散金属氧化物半导体功率器件，属于半导体功率器件

技术介绍
垂直双扩散金属氧化物半导体(V-DMOS)相对于较早出现的横向DMOS而言，它将漏区、漂移区和沟道区从表面分别转移到硅片的底部和体内，管芯占用的硅片面积大大缩小，提高了硅片表面的利用率，而且器件的频率特性也得到了很大的改善，使功率MOS器件从小功率向大功率领域迈进的过程中前进了一大步。垂直DMOS适合用于制作大功率器件，是功率电子的重要基础，作为功率开关，垂直DMOS器件以其高耐压、低导通电阻等特性常用于功率集成电路和功率集成系统中。图1是制作在体硅上的传统垂直DMOS器件结构示意图。其中，1是垂直DMOS器件的漏极，2是n+(或p+)衬底区，3是n-(或p-)外延层，5是p(或n)区，6是n+(或p+)区，7是p+(或n+)区，8是源极，9是栅极。双扩散金属氧化物半导体(DMOS)器件在核辐照和空间辐照等环境的大量应用，对其抗辐照的性能提出了更高的要求。对于传统的DMOS器件，在瞬态辐照和单粒子辐照情况下，器件内将产生较多的电子—空穴对。瞬态辐照下，电子—空穴对被扫入漏源，单粒子辐照下，电子—空穴对被耗尽区收集，分别发生瞬态辐照效应和单粒子辐照效应。上述两种情况下DMOS器件内都将产生较大的瞬态电流，从而导致器件失效，所以传统DMOS器件的抗辐照能力不强，这对其可靠性和环境适应性产生了很不利的影响。为了改善器件的抗辐照性能，研究者们提出了各种措施。文献J.R.Schwank，M.R.Shaneyfelt，etc，“Radiation Effects in SOI Technologies”(绝缘体上生长单晶硅技术中的辐照效应)，IEEE TRANSACTION ON NUCLEAR SCIENCE，VOL.50，NO.3，JUNE 2003，采用了一种特殊的版图设计，如图2，它在保留传统横向MOS结构的基础上，在称底1内引入了埋氧层结构—绝缘体区域4，然后在埋氧层上的单晶硅中制作器件的源、漏、栅及沟道区。该结构通过引入电子—空穴对复合能力较高的部分埋氧层，提高器件的抗辐照能力，但是该器件受到浮体效应的影响，其抗单粒子辐照能力减弱，因此其抗辐照能力仍不能得到充分的改善。此外，由于它是在一种横向MOS器件，也不适合用于制作大功率器件，而且管芯占用的芯片面积太大，硅片表面利用率不高。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种垂直双扩散金属氧化物半导体功率器件，它具有部分SOI(Silicon On Insulator，绝缘体上生长薄单晶硅膜)结构，是一种具有部分SOI结构的垂直DMOS器件，与传统垂直DMOS器件相比，具有在相同的导通电阻情况下，使耐压提高20％以上，抗瞬态辐照能力提高2倍以上，单粒子失效阈值提高近1倍的特点。本专利技术技术方案如下一种垂直双扩散金属氧化物半导体功率器件，如图3所示，包括衬底2、外延层3和p(或n)区5，外延层3位于衬底2和p(或n)区5的中间，其特征是还包括部分埋氧结构，所述部分埋氧结构位于器件主要垂直导电通路的两旁，由绝缘体区域4构成。需要说明的是(1)所述由绝缘体区域4构成的部分埋氧结构可以做在外延层3上，也可以同时占据衬底2和外延层3的部分区域，或同时占据外延层3和p(或n)区5的部分区域，还可以同时占据衬底2、外延层3和p(或n)区5的部分区域(如图4、5、6所示)。(2)所述由绝缘体区域4构成的部分埋氧结构，其形状可以是矩形，也可以是梯形，椭圆形等非规则形状(如图7、8所示)。(3)所述由绝缘体区域4构成的部分埋氧结构可以由二氧化硅或氮化硅等绝缘材料制作。(4)本专利技术所述的一种垂直双扩散金属氧化物半导体功率器件可以采用体硅、碳化硅、砷化镓、磷化铟或锗硅等半导体材料制作。本专利技术的工作原理本专利技术提供的一种垂直双扩散金属氧化物半导体功率器件，可以克服传统垂直DMOS器件抗辐照能力不够好，耐压不够高的缺点，获得较好的抗辐照能力和较高的耐压。这里以部分埋氧区为二氧化硅的垂直DMOS为例(如图3)，说明本专利技术的工作原理。在器件受辐照情况下，部分埋氧结构为辐照产生的电子—空穴对提供较大的复合几率，有效降低辐照电流，达到增强器件抗辐照能力的目的。瞬态辐照情况下，器件中由于辐照产生的电子—空穴对被扫入漏/源，从而产生瞬态电流。由于二氧化硅本身的结构特点，其体内有数量庞大的复合中心，因此二氧化硅中瞬态辐照产生的电子—空穴对的复合几率较大，从而二氧化硅在瞬态辐照下表现出来的瞬态电流很小；单粒子辐照情况下，入射的高能粒子将沿着它的轨迹产生高密度的电子—空穴对，辐照产生的电子—空穴对又会中和其周围的耗尽层。若耗尽层进一步消失，则由于失去屏蔽作用，正偏压产生的电场将推进到衬底内部，使漏端电流在一瞬间达到极大值。由于二氧化硅中电子—空穴对的复合几率较高，使得辐照中产生的大量电子—空穴对在被耗尽层收集前就已经复合，即器件收集电子的有效轨道长度减小了，因此本专利技术提供的垂直DMOS在单粒子辐照情况下产生的瞬态电流大大减少。在单粒子入射到器件内部很短时间内，由于部分埋氧结构的存在，部分SOI垂直DMOS内部温度仅仅是略有增加，然后缓慢恢复，因此不容易发生热击穿，所以其失效域值增加。借助MEDICI仿真可得，瞬态辐照情况下，辐照剂量在1×103rad(Si)-1×107rad(Si)范围内，本专利技术所述具有部分SOI结构的垂直DMOS器件(以下简称部分SOI垂直DMOS)和传统垂直DMOS器件(以下简称传统垂直DMOS)的瞬态辐照产生的漏端诱生峰值电流与瞬态辐照量的关系如图9、10所示，由图可知，部分SOI垂直DMOS抗瞬态辐照能力较传统垂直DMOS提高2倍以上。单粒子辐照情况下，对于金粒子，线性传输能(Linear Energy Transfer，LET)与产生的辐照诱生电流脉冲峰值关系如图10所示。由图可知，单粒子辐照对部分SOI垂直DMOS的影响远远小于对传统垂直DMOS器件的影响，用钇、溴、铟、铜四种粒子入射进行测试，也得到相同的结论。单粒子烧毁前后辐照诱生电流脉冲如图12、13所示，由图可知，部分SOI垂直DMOS失效阈值较传统垂直DMOS提高1倍多。可见，本专利技术提供的结构在引入高电子—空穴对复合能力的部分埋氧结构后，可以大幅度减小辐照电流，使器件的抗辐照能力提高。根据本专利技术提供的结构，可以使器件抗瞬态辐照能力提高2倍以上，单粒子失效阈值提高1倍多。本专利技术除了大幅提高器件抗辐照能力外，还具有的优点是导通电阻变化不大，器件耐压提高。引入部分埋氧结构后，器件导通电阻较传统结构有所增加，但变化不大，适当调节外沿的掺杂浓度，可以使部分SOI垂直DMOS器件与传统垂直DMOS器件有相同的导通电阻，甚至更小。由于部分埋氧结构的引入，相当于在该结构中相当于增加了一TRENCH结构，使得漂移区变长，因此器件耐压提高。借助ISE分析可得部分埋氧层的宽高与导通电阻、耐压的关系如图14、15，由图可知，取H＝7μm，L＝5μm时，部分SOI垂直DMOS的导通电阻与IRF120相同，耐压较IRF120提高了30V。可见，根据本专利技术提供的结构，可以达到同等导通电阻下使器件耐压比传统垂直DMOS的提高20％以上。综上所述，本专利技术提供的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种垂直双扩散金属氧化物半导体功率器件，包括衬底（２）、外延层（３）和ｐ／ｎ区（５），外延层（３）位于衬底（２）和ｐ／ｎ区（５）的中间，其特征是还包括部分埋氧结构，所述部分埋氧结构位于器件主要垂直导电通路的两旁，由绝缘体区域（４）构成。

【技术特征摘要】
1.一种垂直双扩散金属氧化物半导体功率器件，包括衬底(2)、外延层(3)和p/n区(5)，外延层(3)位于衬底(2)和p/n区(5)的中间，其特征是还包括部分埋氧结构，所述部分埋氧结构位于器件主要垂直导电通路的两旁，由绝缘体区域(4)构成。2.根据权利要求1所述的一种垂直双扩散金属氧化物半导体功率器件，其特征是，所述由绝缘体区域(4)构成的部分埋氧结构可以做在外延层(3)上，也可以同时占据衬底(2)和外延层(3)的部分区域，或同时占据外延层(3)和p/n区(5)的部分区域，还可以同时占据衬底(2)、外延层(3)和p...

【专利技术属性】
技术研发人员：李泽宏，张子澈，张磊，易黎，张波，李肇基，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：90[中国|成都]