一种SOI横向功率器件耐压结构及其制备方法

摘要

本发明公开了一种SOI横向功率器件耐压结构，包括衬底层、埋氧层、有源层，埋氧层设置于衬底层与有源层之间，在埋氧层和衬底层之间设有浓度从源到漏减小的P型掺杂层。本发明所公开的耐压结构有效提高器件动态耐压，降低比导通电阻和开关功耗以及器件工作温度，在高压、高频智能功率集成电路等领域具有广泛的适用性。

说明书

技术领域

本发明涉及一种半导体功率器件，特别涉及一种横向SOI耐压功率器件。

背景技术

SOI横向功率器件具有高速、低功耗、抗辐照等优点，在智能功率集成电路 中得以广泛应用。但较低的纵向耐压，限制了其在高压功率集成电路领域的应用。

针对上述问题，本领域提供了诸多解决方案，其核心思路是基于下述物理学 发现：硅厚度小于0.5微米时，硅的纵向临界击穿电场会随硅厚度减小而迅速增 加。利用这一原理，超薄SOI器件结合漂移区线性变掺杂技术能大大提高器件静 态耐压。此类解决方案的缺点在于靠近源端的漂移区掺杂浓度过低，导致比导通 电阻过大，而且如果按动态耐压优化掺杂浓度，还会进一步增加比导通电阻。已 有的工艺实现证明，这种改进方案在器件处于开态时，靠近源端的高阻会引起高 温，使器件的性能、可靠性降低；并且整个工艺成本很高，难于加工生产。

针对上述问题，本领域还提出过另一类解决方案，是利用深耗尽效应提高动 态耐压，从而改善SOI功率器件在开关状态下的可靠性。但此种技术方案在使用 中显示对纵向耐压有明显提高，但对横向耐压没有提高。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明公开了一种SOI横向功率器件耐压结构，通过 在埋氧层与衬底之间引入阶梯或线性变掺杂P型层，显著改善了SOI横向功率器 件的动态耐压，降低功率器件的比导通电阻、开关功耗和工作温度，实现了耐压 与比导通电阻的良好平衡，适合于高压、高频智能功率集成电路等需要高可靠性 的应用环境。

具体地说，本发明是通过如下技术方案实现的：

一种SOI横向功率器件耐压结构，包括衬底层、埋氧层、有源层，埋氧层设 置于衬底层与有源层之间，在埋氧层和衬底层之间设有浓度从源到漏减小的P 型掺杂层(以下简称变掺杂层)。

通过使用浓度渐变的衬底变掺杂层。当SOI横向功率器件工作在开关状态 下，衬底变掺杂层将对漂移区电场调制，使器件横向表面电场均匀分布。使得漂 移区可采用高均匀掺杂，同时能获得耐压与比导通电阻的平衡。

其中，掺杂层的厚度为0.5-1um，浓度变化范围为2×10¹⁷-4×10¹⁴cm^-3之间， 上述的参数可以根据需要调整。

本发明的耐压结构可以广泛适用于各种横向功率器件，例如基于SOI技术的 IGBT、PiN二极管、LDMOS等，优选埋氧层为SiO₂介质，衬底层为P型衬底，掺 杂层为P型衬底变掺杂层。

在本发明中，所用的有源层可以是各种有源半导体层，包括但不限于Si、SiC 等半导体材料。

作为本发明的一种具体工艺实现，本发明的耐压结构，在有源层上还设有 n⁺漏区、n⁺源区、p阱、n^-漂移区，n⁺漏区上方为漏电极，p阱和n^-漂移区上 方为栅氧化层，栅氧化层上方为栅电极，n⁺源区上方为源电极，衬底变掺杂层 自n⁺源区到n⁺漏区方向浓度依次降低。

上述的浓度变化方式并不受到特别限定。根据动态耐压需求，可将其处理为 阶梯变掺杂或线性变掺杂。当对动态耐压要求较低时，阶梯掺杂分区数较少，工 艺实现容易；当对动态耐压要求较高时，增加分区数目至其线性分布。通常的， 如果漂移区长度不变，如50um，分区数大于100可视为是线性变掺杂，此时器 件能获得最高动态耐压。

相应的，本发明还公开了所述SOI横向功率器件耐压结构的制备方法，包括 在衬底层上，分区进行离子注入，形成一层掺杂层的步骤，其余工艺采用常规 SOI器件加工工艺即可。

附图说明

图1为本发明的SOI横向功率器件耐压结构剖面示意图；

图2为采用本发明结构的SOI横向功率器件等势线分布图。

具体实施方式

在如下实施中，申请人结合附图对本发明的具体实现进行了详细描述，如下所提 供的实施仅为示意性的，并不对本发明构成特别限制。本领域的技术人员在不脱 离本发明的精神和范围基础上可以对本发明进行各种改动和变型，依旧属于本发 明的保护范围。

参考图1，本发明的SOI横向功率器件耐压结构，包括衬底1、埋氧层2、 有源层3，埋氧层2位于衬底层1与有源层3之间，在埋氧层2与衬底1之 间具有浓度单向渐变的掺杂层4。

其中，埋氧层为SiO₂介质，衬底为P型衬底，掺杂层为P型衬底变掺杂层。

其中，有源层上设有n⁺漏区、n⁺源区、p阱、n^-漂移区，n⁺漏区上方为漏电 极，p阱和n^-漂移区上方为栅氧化层，栅氧化层上方为栅电极，n⁺源区上方为 源电极，变掺杂层自n⁺源区到n⁺漏区方向浓度依次降低，即从1区到n区方向 浓度逐渐降低；在P型衬底下方为衬底电极。

参考图2，显示了本发明的功率器件在开关状态下的等势线分布。当器件由 开态转为关态，漏压迅速升高，埋氧层下面电子反型层来不及形成，因此在衬底 中形成深耗尽层。

与此同时，衬底变掺杂层被耗尽，形成了不同浓度的负电荷区。这些不同负 电荷区域对漂移区中的横向电场进行调制，有效地提高了横向耐压，而漂移区可 以采用高浓度的均匀掺杂。

在纵向上，由于SOI硅层很薄，硅的临界击穿电场被大大提高，加上衬底深 耗尽层也能承受漏压，因此纵向耐压也大大提高。从图2的器件二维等势线分布 图可以看出，器件横向表面等势线分布均匀。从纵向看，埋氧层中等势线很密， 衬底中也有很多等势线分布，表明了埋氧层、衬底都承担了当然多的漏电压，故 而器件能获得很高的耐压。

申请人进行的研究显示，在多种结构参数下，如漂移区长度40um，漂移区 厚度0.2um，埋氧层厚度1um，衬底厚度大于30um时，动态耐压可达600V以 上，比常规结构高出约6倍。由于衬底变掺杂层对漂移区横向电场的调制，使得 漂移区掺杂浓度增加，有效地降低了器件的比导通电阻和温度。