P-沟道功率MIS场效应晶体管和开关电路制造技术

在形成于基本上含有（１１０）平面的硅表面上的Ｐ－沟道功率ＭＩＳ场效应晶体管中，使用栅极绝缘膜，该栅极绝缘膜提供１０Ｖ或以上的栅极－至－源极击穿电压，并且平面化硅表面，或者含有Ｋｒ、Ａｒ或Ｘｅ。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及一种P-沟道功率MIS场效应晶体管，由其能够在相同大小和相同成本下获得等于或高于N-沟道功率MIS场效应晶体管的性能，以及涉及一种使用这种P-沟道功率MIS场效应晶体管的开关电路。
技术介绍
为了移动和停止汽车电子部件如雨刷和门锁，使用开关电路开启/关闭从电池到诸如电动机的负载的电源电压。尽管按常规将继电器用作这些开关电路，但是为了小型化和节能需要使用半导体器件。作为半导体器件开关控制对象的负载的实例为上述的雨刷电动机和门锁电动机，以及鼓风机电动机、自动调节座位电动机、诸如前灯和尾灯之类的灯、喇叭、后除雾器和坐位加热器。激励电流从几A到约20A，电池额定电压为12或36V，并且击穿电压为60到100V。最近，也开始需求如HEV和FCV等、用于电动汽车的、适用于大电流高电压的半导体器件。图21是显示使用半导体器件的传统开关电路的一个实例的电路图。图21中所示的开关电路包括充电泵电路(charge pump circuit)CP101、电阻器R101和R102以及形成在硅衬底(100)平面上的N-沟道功率MOS场效应晶体管Q101。电源电压BATT(电池额定电压)为12或36V。微机MC输出高电平电压(a high-level voltage)(电池电压BATT)以开启该开关电路。在这种状态下，晶体管Q101的源极电压变得比其栅极电压降低了阈值电压的数值，因此如果将微机MC的输出直接连接到电阻器R101和R102上，则供应到负载LO的电压减小了晶体管Q101的阈值电压。所以，通过充电泵电路CP101升高微机MC的输出而避免这种电压降。然而，图21所示的开关电路存在由于充电泵电路CP101的成本而成本增加和充电泵电路CP101产生噪音的问题。图22是显示传统开关电路的另一实例的电路图。在图21所示的布置中，将作为开关元件的N-沟道功率MOS场效应晶体管Q101插在通往负载LO的电源线的高电势侧。另一方面，图22所示的开关电路采用桥接构造，其中将N-沟道功率MOS场效应晶体管Q111和Q112插入电源线的高电势侧，而将N-沟道功率MOS场效应晶体管Q113和Q114插入电源线的低电势侧(接地)。这种开关电路包括晶体管Q111、Q112、Q113和Q114，电阻器R111、R112、R113和R114，高侧驱动电路DR1和低侧驱动电路DR2。高侧驱动电路DR1包括双极性晶体管等，其通过放大来自微机MC的输出电流而驱动晶体管Q111和Q112。类似地，低侧驱动电路DR1包括驱动晶体管Q113和Q114的双极性晶体管等。如在图21所示的布置中那样，图22所示的开关电路也需要充电泵电路CP101以避免负载电压降，因此有由于充电泵电路CP101的成本而成本增加和充电泵电路CP101产生噪音的问题。避免负载电压降的另一种方法是使用P-沟道功率MOS场效应晶体管。由于P-沟道功率MOS场效应晶体管不产生如对N-沟道功率MOS场效应晶体管所解释的这样的电压降，所以可以不使用任何充电泵电路而实现开关电路，从而可以消除和充电泵电路相关的上述问题。不幸的是，类似N-沟道MOS晶体管，形成在硅(100)平面上的P-沟道MOS场效应晶体管的电流驱动性能，例如迁移率，是N-沟道MOS场效应晶体管的约1/3，故为了使用P-沟道MOS晶体管获得和N-沟道MOS晶体管相等的电流驱动性能，必须使P-沟道MOS晶体管的大小是N-沟道MOS晶体管大小的约3倍。因此，当在硅(100)平面上形成具有和N-沟道MOS晶体管相等的特性的P-沟道MOS晶体管时，其成本约是N-沟道MOS晶体管的3倍，这造成了虽然充电泵电路不是必需的，但是整个开关电路的成本却变得高于图21和22所示电路成本的问题。如果能够使P-沟道MOS晶体管的大小和形成在硅(100)平面上的N-沟道MOS晶体管相等，则可以提供廉价的开关电路，其中没有由充电泵电路产生的噪音。因此，必须使P-沟道MOS晶体管的电流驱动性能高于形成在硅(100)平面上的晶体管的电流驱动性能。例如，专利参考文献1和2提出在硅的(110)平面上形成P-沟道MOS晶体管以提高晶体管的电流驱动性能。在专利参考文献1中，将在其(100)平面上形成N-沟道MOS晶体管的硅进行蚀刻，以在侧表面的(110)平面上形成P-沟道MOS晶体管。但是，据本专利技术人的发现，含有栅极绝缘膜的P-沟道MOS晶体管，其中栅极绝缘膜是在用传统方法蚀刻的硅的(110)表面上通过热氧化形成的氧化硅膜，仅具有不切实际的特性，不能用作栅极-至-源极击穿电压为10V或以上的功率晶体管。专利参考文献2由于注意到以下事实如图23(该参考文献的图2)所示，当有效垂直电场为约3V时，(110)平面上的空穴迁移率大于(100)平面的电子迁移率，而目的在于在(110)平面上形成P-沟道晶体管。但是，由于作为有效垂直电场，氧化膜的击穿极限为1V，因此使用高k材料如氧化钽或氧化钛作为栅极绝缘膜而不使用任何氧化硅膜形成P-沟道MIS晶体管。即使在这种器件中，如图23所示，迁移率也次于标准的N-沟道MOS晶体管，因此不能认为获得了和N-沟道MOS晶体管相等的迁移率。专利参考文献1日本专利公开4-372166专利参考文献2日本专利公开7-231088
技术实现思路
本专利技术要解决的问题如上所述，虽然提出了在硅的(110)平面上形成P-沟道功率MIS场效应晶体管，但是还没有获得在相同大小下，其电流驱动性能等于或高于N-沟道功率MOS场效应晶体管的电流驱动性能的实际P-沟道功率MIS场效应晶体管。请注意，上述问题不仅出现在MOS晶体管中，而且也出现在含有栅极绝缘膜的普通MIS晶体管中。为了解决上述问题而作出了本专利技术，并且本专利技术以实现以下P-沟道功率MIS场效应晶体管和使用这种P-沟道功率MIS场效应晶体管的开关电路为其目的由这种P-沟道功率MIS场效应晶体管，能够在相同大小下获得等于或高于N-沟道功率MIS场效应晶体管的性能。解决问题的手段本专利技术提供一种P-沟道功率MIS场效应晶体管，其包含具有硅区域的衬底，硅区域的表面基本上是(110)平面，形成在该表面上的栅极绝缘膜，以及形成在栅极绝缘膜上的栅极电极，其中硅区域至少被用作沟道，该P-沟道功率MIS场效应晶体管的特征在于栅极绝缘膜的至少和硅区域表面接触的接触部分含有氩、氪或氙，并且P-沟道MIS场效应晶体管的源极-至-栅极击穿电压为10V或以上。在本专利技术P-沟道功率MIS场效应晶体管的一个构造实例中，在栅极绝缘膜的至少和硅区域表面接触的接触部分中的氩、氪或氙含量以表面密度计为5×1011cm-2或以下。并且，在本专利技术P-沟道功率MIS场效应晶体管的一个构造实例中，栅极绝缘膜中氩、氪或氙的含量在栅极绝缘膜和栅极电极接触的界面中为最大值，并且向着栅极绝缘膜和硅区域表面接触的界面减小。此外，在本专利技术P-沟道功率MIS场效应晶体管的一个构造实例中，P-沟道功率MIS场效应晶体管的栅极阈值电压基本上等于这样的P-沟道MIS场效应晶体管的栅极阈值电压，所述P-沟道MIS场效应晶体管具有相同的栅极绝缘膜，只是不含氩、氪和氙，并且其中栅极绝缘膜和栅极电极形成于其表面为(100)平面的硅区域中。在本专利技术P-沟道功率MIS场效应晶本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种Ｐ－沟道功率ＭＩＳ场效应晶体管，其包含具有硅区域的衬底，硅区域的表面基本上是（１１０）平面，形成在该表面上的栅极绝缘膜，以及形成在所述栅极绝缘膜上的栅极电极，并且其中所述硅区域至少被用作沟道，该Ｐ－沟道功率ＭＩＳ场效应晶体管的特征在于：所述栅极绝缘膜的至少和所述硅区域表面接触的接触部分含有氩、氪或氙，并且Ｐ－沟道ＭＩＳ场效应晶体管的源极－至－栅极击穿电压不小于１０Ｖ。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】JP 2003-5-26 148275/20031.一种P-沟道功率MIS场效应晶体管，其包含具有硅区域的衬底，硅区域的表面基本上是(110)平面，形成在该表面上的栅极绝缘膜，以及形成在所述栅极绝缘膜上的栅极电极，并且其中所述硅区域至少被用作沟道，该P-沟道功率MIS场效应晶体管的特征在于所述栅极绝缘膜的至少和所述硅区域表面接触的接触部分含有氩、氪或氙，并且P-沟道MIS场效应晶体管的源极-至-栅极击穿电压不小于10V。2.根据权利要求1的P-沟道功率MIS场效应晶体管，其特征在于所述栅极绝缘膜的至少和所述硅区域表面接触的接触部分中的氩、氪或氙含量以表面密度计为不超过5×1011cm-2。3.根据权利要求1的P-沟道功率MIS场效应晶体管，其特征在于所述栅极绝缘膜中氩、氪或氙的含量在所述栅极绝缘膜和所述栅极电极接触的界面中为最大值，并且向着所述栅极绝缘膜和所述硅区域表面接触的界面减小。4.根据权利要求1的P-沟道功率MIS场效应晶体管，其特征在于P-沟道功率MIS场效应晶体管的栅极阈值电压基本上等于这样的P-沟道MIS场效应晶体管的栅极阈值电压，所述P-沟道MIS场效应晶体管具有不含氩、氪和氙中任何一种的栅极绝缘膜，并且其中所述栅极绝缘膜和栅极电极形成于其表面为(100)平面的硅区域中。5.根据权利要求1的P-沟道功率MIS场效应晶体管，其特征在于所述栅极绝缘膜的至少和所述硅区域表面接触的接触部分是由氧化硅膜、氧氮化硅膜或氮化硅膜制成的。6.根据权利要求5的P-沟道功率MIS场效应晶体管，其特征在于所述栅极绝缘膜的至少和所述硅区域表面接触的接触部分是由氧化硅膜制成的，所述的氧化硅膜是通过使用自由基氧氧化所述硅区域的表面而形成的并且厚度不大于100nm。7.根据权利要求5的P-沟道功率MIS场效应晶体管，其特征在于所述栅极绝缘膜的至少和所述硅区域表面接触的接触部分是由氮化硅膜制成的，所述氮化硅膜是通过使用自由基氮或自由基NH氮化所述硅区域表面而形成的并且厚度不大于100nm。8.根据权利要求5的P-沟道功率MIS场效应晶体管，其特征在于所述栅极绝缘膜的至少和所述硅区域表面接触的接触部分是由氧氮化硅膜制成的，所述氧氮化硅膜是通过使用自由基氮或自由基NH和自由基氧氧氮化所述硅区域表面而形成的并且厚度不大于100nm。9.根据权利要求5的P-沟道功率MIS场效应晶体管，其特征在于所述栅极绝缘膜除了和所述硅区域表面接触的接触部分外的部分含有通过CVD形成的氧化硅膜、氧氮化硅膜和氮化硅膜中的至少一种。10.根据权利要求1的P-沟道功率MIS场效应晶体管，其特征在于所述栅极绝缘膜是通过使用含有稀有气体和绝缘膜形成气体的气体混合物等离子体而形成的，其中稀有气体用于产生微波激发。11.根据权利要求10的P-沟道功率MIS场效应晶体管，其特征在于稀有气体是氩、氪和氙中的至少一种，并且绝缘膜形成气体含有氧、氮和氨中的至少一种。12.一种P-沟道功率MIS场效应晶体管，其包含具有硅区域的衬底，硅区域的表面基本上是(110)平面，形成在该表面上的栅极绝缘膜，以及形成在所述栅极绝缘膜上的栅极电极，并且其中所述硅区域至少被用作一个沟道，该P-沟道功率MIS场效应晶体管的特征在于硅表面的表面粗糙度当用中心线平均粗糙度(Ra)表示时不大于0.15nm，并且源极-至-栅极击穿电压不小于10V。13.根据权利要求12的P-沟道功率MIS场效应晶体管，其特征在于所述栅极绝缘膜的至少和所述硅区域表面接触的接触部分含有氩、氪或氙。14.根据权利要求12的P-沟道功率MIS场效应晶体管，其特征在于硅表面的表面粗糙度Ra不大于0.11nm。15.根据权利要求14的P-沟道功率MIS场效应晶体管，其特征在于硅表面的表面粗糙度Ra不大于0.09nm。16.根据权利要求15的P-沟道功率MIS场效应晶体管，其特征在于硅表面的表面粗糙度Ra不大于0.07nm。17.根据权利要求12的P-沟道功率MIS场效应晶体管，其特征在于所述中心线平均粗糙度Ra不小于0.02nm。18.根据权利要求1的P-沟道功率MIS场效应晶体管，其特征在于基本上含有(110)平面的硅表面是(110)平面、(551)平面、(311)平面、(221)平面、(553)平面、(335)平面、(112)平面、(113)平面、(115)平面、(117)平面、(331)平面、(221)平面、(332)平面、(111)平面和(320)平面中的一个。19.根据权利要求12的P-沟道功率MIS场效应晶体管，其特征在于基本上含有(110)平面的硅表面是(110)平面、(551)平面、(311)平面、(221)平面、(553)平面、(335)平面、(112)平面、(113)平面、(115)平面、(117)平面、(331)平面、(221)平面、(332)平面、(111)平面和(320)平面中的一个。20.根据权利要求1的P-沟道功率MIS场效应晶体管，其特征在于基本上含有(110)平面的硅表面是(110)平面或(551)平面。21.根据权利要求12的P-沟道功率MIS场效应晶体管，其特征在于基本上含有(110)平面的硅表面是(110)平面或(551)平面。22.根据权利要求12的P-沟道功率MIS场效应晶体管，其特征在于所述栅极绝缘膜的至少和硅表面接触的接触部分是由包括氧化硅膜、氮化硅膜或氧氮化硅膜中至少一种的膜制成的。23.根据权利要求22的P-沟道功率MIS场效应晶体管，其特征在于所述栅极绝缘膜除了接触部分外的部分包含高k膜，该高k膜含有以下中的至少一种金属硅酸盐，所述的金属硅酸盐含有至少一种选自Hf、Zr、Ta、Ti、La、Co、Y和Al...

【专利技术属性】
技术研发人员：大见忠弘，寺本章伸，赤堀浩史，二井启一，渡边高训，
申请(专利权)人：大见忠弘，矢崎总业株式会社，
类型：发明
国别省市：JP[日本]