一种鳍式横向双扩散功率器件的制作方法

本发明涉及半导体功率器件技术领域，特别是涉及一种鳍式横向双扩散功率器件。

背景技术：

随着功率芯片设计技术的发展，功率集成电路对半导体功率器件的性能也提出了更高的要求，作为功率集成电路的核心器件之一，横向半导体功率器件需要提供高的击穿电压，低的导通电阻来降低功耗，还可能要求具有较好的亚阈值特性并避免短沟道效应。横向双扩散功率器件ldmos由于其具有良好的工艺兼容性、优秀的转换性能、高的功率性能、高的增益与线性度以及低的制造成本，被广泛应用于dc-dc转换器、射频基站中。

ldmos击穿电压提高的同时往往使得导通电阻同时增加。这一矛盾关系限制了该类器件在高压和大电流领域的应用。随着半导体器件设计要求的不断提高，促使半导体器件结构向三维结构拓展，如鳍式场效应晶体管。在鳍式工艺中，ldmos半导体器件变成了鳍式三维结构，如文献:aminpak,alia.orouji.compactmodelingoffin-ldmostransistorbasedonthesurfacepotential,silicon，2019,pp.1-6涉及一种鳍式ldmos器件，但是这种器件仅采用了三栅的结构来进行沟道调制，对漂移区没有做出改进。中芯国际集成电路制造(上海)有限公司提出了一种寄生finfet的横向双扩散半导体器件(cn104576732b)，这种器件采用鳍式的栅，源，漏区域来改善器件性能，但是同样对漂移区没有调制作用。

技术实现要素：

发明目的：本发明的目的是提供一种鳍式横向双扩散功率器件，利用两个侧面和顶面来对鳍式有源区进行三个方向上的调制，不仅能够提高栅控能力，还能够提高器件的击穿电压并降低器件的导通电阻。

技术方案：本发明的鳍式横向双扩散功率器件，包括位于最下方的半导体衬底、位于半导体衬底上的埋层、位于埋层上方的鳍式有源区；所述鳍式有源区包括鳍部，鳍部呈凸起状；鳍部包括半导体漏区、半导体漂移区、半导体阱区，半导体阱区位于半导体漂移区的一侧，半导体漏区位于半导体漂移区的另一侧上方；其中半导体阱区中包括半导体源区和半导体体接触区，以及位于半导体漂移区和半导体源区之间的沟道区；其中，鳍部的数量可以是一个，也可以是多个。

鳍式有源区中，鳍部的两侧及表面均覆有材料形成介质区，三栅电极设于沟道区的两侧及顶部，三栅电极与沟道区之间设有栅介质层，栅介质层即为介质区的一部分；

该鳍式横向双扩散功率器件还包括位于有源区上方的漏极金属和源极金属，且漏极金属与半导体漏区接触，源极金属与半导体源区及半导体体接触区接触。

其中，沟道区三栅结构的介质为同种高介电常数介质，因此只需一次填充高介电常数介质材料即可，采用高介电常数介质作为栅介质还能够改善器件栅极泄漏电流；沟道区的三侧均有栅电极，形成了三栅结构，具有更好的沟道控制能力，能够降低器件关闭时的漏电流，并抑制短沟道效应大大降低阈值电压的迟滞并显著提高了跨导。

其中，介质区采用介电常数高于硅的介质材料，能够从表面及侧面调制器件漂移区的电势和电场分布来获得更高的击穿电压，同时高介电常数介质材料对漂移区的辅助耗尽作用能够提高漂移区掺杂浓度来降低器件的导通电阻。

优选地，鳍式有源区包括若干个分立的鳍部。

其中，沟道区三侧均有栅电极，形成三栅结构；沟道区两侧的栅电极深度与鳍式有源区的厚度相同。

鳍部的宽度可为0.5～2微米，鳍部之间槽的宽度可为0.5～2微米。

发明原理：本发明的横向功率器件将衬底上方的有源区制备成鳍式结构，然后采用高介电常数介质覆盖于鳍式有源区的两侧及表面，从三个方向进行对有源区进行调制。同时，本发明将三栅代替原有的表面栅，具有更好的沟道控制能力并降低器件关闭时的漏电流。此外，将常用的氧化硅栅介质变为高k栅介质，能够具有更厚的物理氧化层并改善栅极漏电流的问题。本发明中制备得到的器件具有高耐压，低导通电阻，低漏电流等优点，适用于高压高频领域。

有益效果：本发明通过在鳍式有源区的两个侧面及表面引入高介电常数的介质材料，同时在沟道区的两个侧面和表面形成三栅电极，电极与沟道区之间的栅介质为高介电常数介质。一方面，两个侧面及表面引入的高介电常数介质能够从三个方向对漂移区进行调制，首先是通过调节漂移区的表面电场和纵向电场从而提高器件的击穿电压，其次是能够大幅提高漂移区的掺杂浓度从而降低器件的导通电阻；另一方面，采用三栅结构代替原来的表面栅结构，能够提供了良好的沟道控制能力，能够降低器件关闭时的漏电流，并抑制短沟道效应大大降低阈值电压的迟滞并显著提高了跨导。此外，利用高介电常数介质作为三栅电极与沟道之间的栅介质，具有更厚的物理氧化层，并能够改善栅极漏电流的问题。

附图说明

图1为常规的横向双扩散功率器件ldmos结构示意图；

图2为本发明提供的鳍式双扩散功率器件的结构示意图；

图3为仅制备鳍式有源区后的器件结构示意图；

图4为本发明的鳍式双扩散功率器件结构沿图2中的a线的剖面示意图；

图5为本发明的鳍式双扩散功率器件结构沿图2中的b1线的剖面示意图，其中b1线位于半导体体接触区正上方；

图6为本发明的鳍式双扩散功率器件结构沿图2中的b2线的剖面示意图，其中b2线位于半导体源区正上方；

图7为本发明的鳍式双扩散功率器件结构沿图2中的b3线的剖面示意图，其中b3线位于三栅电极正上方；

图8为本发明的鳍式双扩散功率器件结构沿图2中的b4线的剖面示意图；

图9为本发明的鳍式双扩散功率器件结构沿图2中的b5线的剖面示意图；

图10为本发明的鳍式双扩散功率器件结构在形成沟道区后沿a线的剖面示意图；

图11为本发明的鳍式双扩散功率器件结构在形成沟道区后沿b5线的剖面示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明进一步地详细描述。

如图2所示为本发明提供的一种鳍式横向双扩散功率器件，该ldmos器件包括位于最下方的半导体衬底1、衬底上的埋层2和位于埋层上方的鳍式有源区3；

如图3所示，鳍式有源区3包括若干分立的鳍部，呈凸起状，图3中示出了三个鳍部，鳍部两侧均设有介质槽区；每个鳍部包括半导体漏区4、半导体漂移区5、半导体阱区8，半导体阱区8位于半导体漂移区5的一侧，半导体漏区4位于半导体漂移区5的另一侧上方；其中半导体阱区8中包括半导体源区6和半导体体接触区7，以及位于半导体漂移区5和半导体源区6之间的沟道区15，即半导体体接触区7位于外侧，半导体源区6位于内侧。

鳍式有源区3的鳍部两侧及表面均为介质区9，其采用介电常数高于硅的介质材料；三栅电极10在沟道区15的两侧及顶部，三栅电极10与沟道区15之间的栅介质层即为介质区9的一部分。该鳍式横向双扩散功率器件还包括位于有源区3上方的漏极金属11和源极金属12，漏极金属11与半导体漏区4相接触，源极金属12与半导体源区6及半导体体接触区7相接触。

本实施例的横向双扩散金属氧化物半导体场效应晶体管以n型漂移区为例，如图2所示为本发明的一种鳍式ldmos半导体器件，相比于图1所示为常规ldmos器件的结构示意图，常规的横向双扩散功率器件ldmos结构采用表面金属栅电极13以及二氧化硅栅介质14；本发明将衬底上方的有源区3变成鳍式结构，随后采用高介电常数介质覆盖于鳍式有源区3的两侧及表面，从三个方向进行对有源区进行调制。同时，本发明将三栅代替原有的表面栅，具有更好的沟道控制能力并降低器件关闭时的漏电流。此外，将常用的氧化硅栅介质变为高k栅介质，能够具有更厚的物理氧化层并改善栅极漏电流的问题。

在该实施例中，鳍式横向双扩散功率器件的漂移区5为n型漂移区，下面对该实施例中的鳍式ldmos半导体器件结构进行具体说明。

鳍式ldmos半导体器件形成于soi衬底上，soi衬底顶层硅的厚度在1微米以下，soi衬底上的顶层硅浓度范围可以是10¹⁵原子/cm³-10¹⁸原子/cm³。

在本发明的具体实施方式中，在soi衬底的表面上依次淀积氧化硅层，氮化硅层以及光刻胶层，通过光刻在光刻胶上形成图形，以光刻胶层作为掩模，采用干法刻蚀将没有光刻胶掩模的区域刻蚀，在soi衬底的顶层硅上形成鳍式有源区3结构，去除光刻胶层。鳍式有源区3的宽度可以是0.5微米～2微米，鳍部之间槽的宽度可以是0.5微米～2微米。

通过掩模在鳍式有源区3上采用标准的离子注入形成p阱区域，半导体体接触区7，半导体源区6，半导体漏区4。并通过退火工艺形成沟道区域。

采用磁控溅射将介质材料淀积填充入沟槽16中，并完全覆盖整个器件表面，然后采用研磨抛光的方式使得表面的介质材料具有一定的厚度，如0.1微米至2微米。所述的介质材料从表面和两个侧面三个方向包围有源区3。

在沟道区15的两侧的介质材料中刻蚀接触孔，接触孔深度与鳍式有源区3厚度一致。在源端和漏端刻蚀介质材料形成接触孔，接触孔的深度与表面介质材料的厚度一致。

沉积金属至接触孔中，并刻蚀金属形成金属栅电极、金属源电极和金属漏电极。其中，金属栅电极从表面和两个侧面三个方向包围沟道区，形成三栅结构，三栅结构的栅介质即所述的高介电常数的介质材料。源极金属12形成金属源电极，横跨有源区3及介质槽区，并与半导体源区6和体接触区7相接触；漏极金属11形成金属漏电极，横跨有源区3及介质槽区，并与半导体漏区4相接触。

其中，沟道区15是p型阱区在增加栅极电压后反型成n型才会形成的，其位置和大小不是固定的，且受到三栅影响在两侧也会形成沟道区，可见图10和图11所示。

本实施例的鳍式横向双扩散金属氧化物半导体场效应晶体管的制造方法包括以下步骤：

步骤a:在soi衬底上采用干法刻蚀形成鳍式有源区3结构；

步骤b:在鳍式有源区3上采用离子注入工艺注入p型杂质形成p型阱区，即半导体阱区8；

步骤c:在p型阱中采用离子注入工艺注入p型杂质形成半导体体接触区7；

步骤d:在p型阱区和n型漂移区5采用离子注入工艺注入n型杂质形成n型半导体源区6和半导体漏区4；

步骤e:将介质材料淀积填充入沟槽16中，并完全覆盖整个器件表面；

步骤f:采用化学机械抛光使得介质层表面平坦化并具有一定的厚度；

步骤g:刻蚀接触孔，沟道区15两侧的接触孔深度与鳍式有源区3厚度一致；源漏区域的接触孔至有源区3表面；

步骤h：在接触孔中淀积金属，刻蚀金属形成沟道区三栅电极10、源电极和漏电极。

以上所示实施方式仅是以n型漂移区的ldmos为例，也可应用于p型漂移区的ldmos,也可应用于横向igbt器件，本发明技术人员仅需做简单变形即可实现。