[发明专利]线性间距分布固定电荷岛SOI耐压结构及功率器件

说明书

技术领域

本发明属于半导体功率器件领域，具体涉及一种线性间距分布固定电荷岛SOI耐压结构及功率器件。

背景技术

SOI(Silicon On Insulator，绝缘衬底上的硅)功率器件具有高的工作速度和集成度、可靠的绝缘性能、强的抗辐照能力以及无可控硅自锁效应，广泛用于电力电子、工业自动化、航空航天和武器装备等领域。

SOI功率器件的击穿电压由电场沿耐压长度进行电离积分计算得到，取决于纵向耐压和横向耐压中的较小者。SOI横向耐压的设计原理可沿用成熟的硅基原理和技术，例如RESURF(Reduce SURface electric Field，降低表面电场)、横向变掺杂、场板和超结结构等。而由于介质埋层阻止了器件的耗尽区向衬底扩展，所以SOI纵向耐压只能由顶层硅和介质埋层承担。但是受器件结构、自热效应以及工艺的限制，顶层硅和介质埋层都不能太厚，所以导致纵向耐压较低，成为限制横向SOI功率器件和集成电路发展及应用的主要原因。

典型的常规n型SOI LDMOS(Lateral Double Diffused Metal Oxide Semiconductor，横向双扩散金属氧化物半导体)器件的结构，如图1所示，其主要由源电极，n+源区，栅氧化层，n型有源半导体层，n+漏区，漏电极，p型沟道区，p型衬底半导体层和介质埋层组成。对于介质埋层为SiO2的常规SOI器件，受高斯定理的限制，器件击穿时的介质埋层电场E_I和半导体有源层电场E_S需满足“E_I＝3E_S”。常规情况下，硅的临界击穿电场为20-40V/um，所以器件击穿时，E_I仅为约100V/um，远远未达到SiO₂的临界击穿电场600V/um以上，所以SiO₂的耐压潜力未能得到充分利用。

为了提高SOI器件的纵向耐压，公告号为CN101477999A的中国发明专利公开了一种“用于功率器件的具有界面电荷岛SOI耐压结构”，其主要由半导体衬底层，介质埋层和半导体有源层。在所述介质埋层和半导体有源层的交界面的全部范围或部分范围内设置有伸入至所述半导体有源层内的多个高浓度n+区，多个高浓度n+区间断设置，所述高浓度n+区为半导体材质，多个高浓度n+区形成界面电荷岛，高浓度n+区的浓度范围大于1×10¹⁶cm^-3。该发明在常规SOI功率器件的有源层中，介质埋层之上设置有至少一个界面岛型埋层，有源层的导电类型与界面岛型埋层的导电类型相反。当漏极施加反偏电压时，同时源、栅和衬底接地时，介质埋层的上界面将自适应地收集空穴，空穴浓度从源到漏线性增加。虽然，这些界面空穴能有效的增加介质埋层电场和提高耐压，但是，电荷岛在硅有源层中形成，高温时横向和纵向扩展严重，而且该电荷岛也难于在薄硅层中实现。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是常规SOI耐压器件纵向耐压低的不足，提供一种线性间距分布固定电荷岛SOI耐压结构及功率器件，其不仅可以大大提高介质埋层电场，从而有效提高耐压；而且工艺实现简单，与常规CMOS工艺完全兼容。

为解决上述问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

一种线性间距分布固定电荷岛SOI耐压结构，包括自下而上依次叠放的衬底层、介质埋层和有源层，其不同之处是：还进一步包括多个浓度大于等于1×10¹³cm^-2的高浓度固定电荷区；这些高浓度固定电荷区由介质材料形成，且电荷极性为正；这些高浓度固定电荷区均位于介质埋层上部，且相互之间呈间断设置；在横向耐压方向上，每2个高浓度固定电荷区之间的间距呈线性递减或递增。

上述方案中，所有高浓度固定电荷区的浓度最好均相等。

上述方案中，所述高浓度固定电荷区通过离子注入方式注入到介质埋层中，且注入的离子最好为铯正离子、钠正离子、碘正离子、硼正离子和/或硅正离子。

上述方案中，所有高浓度固定电荷区的高度最好均相等。

上述方案中，所有高浓度固定电荷区的顶部至介质埋层上表面的距离最好相等。

上述方案中，所述介质埋层上最好开有上下贯通衬底层和有源层的散热硅窗口。