一种具有L形垂直场板的LDMOS晶体管的制作方法

本发明属于半导体高压功率集成电路用器件领域，具体涉及一种具有l形垂直场板的横向双扩散金属氧化物半导体(lateraldouble-diffusedmetal-oxide-semiconductor,ldmos)晶体管。
背景技术：
随着高压功率集成电路的飞速发展，对于高压大功率半导体器件的要求也越来越严苛，所以高压器件性能的提升变得尤为重要。这就意味着需要提高器件功率控制容量，如击穿电压和工作电流；并改善器件性能指标参数，如导通电阻、工作频率以及开关速度等。场板技术的引入主要是通过使电场尖峰发生偏移，降低了源、漏端的电场强度，缓解了电场在源、漏端的集边效应，从而改善高压大功率器件的横向电场分布，提升器件的击穿电压、导通电阻等性能指标。随着传统场板的发展，后续出现了阶梯型场板、双阶梯型场板、垂直型场板等技术，可以更好地改善高压大功率器件的性能。因此，在现有的场板技术基础之上，对场板进行进一步的改良，使得器件的击穿电压和导通电阻等性能得到进一步提升，对扩展高压大功率器件的应用范围和促进半导体功率集成电路的发展具有积极作用。技术实现要素：本发明的目的是为功率集成电路的发展提供一种具有高击穿电压、低导通电阻、高驱动能力的ldmos晶体管。本发明采用的技术方案如下：本发明包括衬底层、硅膜层和器件顶层。所述的衬底层在最底部，呈凹形；衬底层的掺杂类型为p型，掺杂材料为硅；硅膜层位于衬底层上方，包括源区、硅体、漂移区、漏区、氧化槽和l形场板；漂移区设置在衬底层围成的凹形区域内；硅体和漏区位于衬底层两端，硅体呈凹形，源区设置在硅体的凹形区域内；硅体内侧面与漂移区和衬底层的侧部交界面对齐，外侧面与衬底层外侧面对齐；漏区内侧面与漂移区和氧化槽的侧部交界面对齐，外侧面与衬底层外侧面对齐；漂移区呈凹形，氧化槽设置在漂移区围成的凹形区域内；氧化槽设有l形槽，l形槽包括竖直槽和水平槽；竖直槽开口于氧化槽的顶部；水平槽朝向漏区设置；l形垂直场板设置在氧化槽的l形槽中，l形垂直场板顶部伸出氧化槽外。源区顶面、硅体顶面、漂移区靠近硅体一侧的顶面、氧化槽顶面以及漏区顶面对齐设置；氧化槽采用二氧化硅材料，源区、硅体、漂移区、漏区和l形垂直场板都为硅材料；器件沟道由源区和漂移区之间的硅体提供；硅体掺杂类型为p型；漂移区掺杂类型为n型；源区和漏区的掺杂类型为n型，l形垂直场板的硅材料不进行掺杂。器件顶层包括栅氧化层、源电极、栅电极和漏电极；栅氧化层位于沟道上方，且与l形垂直场板接触；栅氧化层采用二氧化硅材料；栅氧化层被栅电极全部覆盖；源电极位于源区上方，且与栅氧化层之间设有间距；漏电极位于漏区上方，且与氧化槽在长度方向上设有间距。所述的衬底和源电极都接地。所述的衬底层长16μm，掺杂浓度为4×1014cm-3；源区的长度为1.5μm，漏区的长度为1μm，源区和漏区掺杂浓度均为1×1020cm-3；硅体长度为3.5μm，掺杂浓度为1×1017cm-3；沟道长度为1.5μm；栅氧化层厚度为0.04μm；氧化槽的厚度为25μm；l形场板的厚度为0.1μm；漂移区的厚度为0.5μm；漂移区的长度11.1μm，漂移区的掺杂浓度为3.1×1016cm-3。l形场板的竖直板朝向源区的边界与氧化槽朝向源区的边界在长度方向上的距离为1.5μm；l形场板的水平板朝向漏区的边界与氧化槽朝向源区的边界在长度方向上的距离为3μm；l形场板底部与氧化槽底部在厚度方向上的距离为3.5μm；l形场板的垂直板朝向漏区的边界与漏区朝向源区的边界在长度方向上的距离为8.5μm。本发明具有的有益效果是：1、l形垂直场板有效促进了漂移区的耗尽程度，从而提高漂移区的浓度，使得高压ldmos器件硅膜层容纳载流子的能力更强，电流增大，导致器件的导通电阻(on-resistance，ron)明显降低。2、l形垂直场板在漂移区右侧区域可产生一个新的电场尖峰，此尖峰可改善电场分布、降低漏端的电场，从而能够有效地避免器件的过早击穿，提高器件的击穿电压。3、由于l形垂直场板的ldmos进一步优化了ldmos的性能，因而为高压集成电路设计提供了一个新的选择。附图说明图1为本发明的结构图；图2为本发明实施例1及垂直场板结构的ldmos晶体管的电场强度沿漂移区外侧位置变化的曲线图；图3为本发明实施例1及垂直场板结构的ldmos晶体管的硅膜上表面电场随横向位置变化的曲线图；图4为本发明实施例1及垂直场板结构的ldmos晶体管的电场强度由原点o起随纵向位置变化的曲线图；图5为本发明实施例1及垂直场板结构的ldmos晶体管的漏端下方的电势随纵向位置变化的曲线图；图6为本发明实施例2中改变l形场板在氧化槽中的位置和漂移区掺杂浓度对器件击穿电压的影响示意图；图7为本发明实施例3中改变在纵向上l形场板的水平板底部与氧化槽底部之间的距离和漂移区掺杂浓度对器件击穿电压的影响示意图；图8为本发明实施例4中改变在横向上l形场板的水平板右边界与氧化槽右边界之间的距离和漂移区掺杂浓度对器件击穿电压的影响示意图；图9为本发明实施例5中改变氧化槽的厚度和漂移区掺杂浓度对器件击穿电压的影响示意图。具体实施方式以下结合附图对本发明作进一步说明。如图1所示，一种具有l形垂直场板的ldmos晶体管，包括衬底层7、硅膜层和器件顶层。衬底层7在最底部，呈凹形；衬底层7的掺杂类型为p型，掺杂浓度为4×1014cm-3的硅材料，衬底层长16μm；硅膜层位于衬底层上方，包括源区1、硅体2、漂移区3、漏区6、氧化槽4及l形场板5。漂移区3设置在衬底层7围成的凹形区域内；硅体2和漏区6位于衬底层7两端，硅体2呈凹形，源区1设置在硅体2的凹形区域内；硅体2内侧面与漂移区3和衬底层7的侧部交界面对齐，外侧面与衬底层7外侧面对齐；漏区6内侧面与漂移区3和氧化槽4的侧部交界面对齐，外侧面与衬底层7外侧面对齐；漂移区3呈凹形，氧化槽4设置在漂移区3围成的凹形区域内；氧化槽4设有l形槽，l形槽包括竖直槽和水平槽；竖直槽开口于氧化槽4的顶部；水平槽朝向漏区6设置；l形垂直场板5设置在氧化槽4的l形槽中，l形垂直场板5顶部伸出氧化槽外，便于与栅电极10连接；源区1顶面、硅体2顶面、漂移区3靠近硅体2一侧的顶面、氧化槽4顶面以及漏区6顶面对齐；源区1和漏区6的厚度相等；硅膜层中，氧化槽4采用二氧化硅材料，源区1、硅体2、漂移区3、漏区6和l形垂直场板5都为硅材料；器件沟道由源区1和漂移区3之间的硅体2提供；硅体2掺杂类型为p型，掺杂浓度为1×1017cm-3；漂移区3掺杂类型为n型；源区1和漏区6的掺杂类型为n型，掺杂浓度为1×1020cm-3，l形垂直场板5的硅材料不进行掺杂。器件顶层包括栅氧化层8、源电极9、栅电极10和漏电极11；栅氧化层8位于沟道上方，且与l形垂直场板5接触；栅氧化层8采用二氧化硅材料；栅氧化层8被栅电极10全部覆盖；源电极9位于源区1上方，且与栅氧化层8之间设有间距；漏电极11位于漏区6上方，且与氧化槽4在长度方向上设有间距。本发明具有l形垂直场板的ldmos晶体管性能是通过sentaurustcad软件模拟仿真获得，并且模拟仿真中衬底7和源电极9都接地。设长度方向为横向位置x，厚度方向为纵向位置y，硅体2的外侧纵向界面最顶部点为原点o，下面对各个实施例进行具体阐述。实施例1：如图1所示，l形垂直场板的ldmos的硅体2的长度为3.5μm；在横向上l形场板5的竖直板左边界与氧化槽4左边界之间的距离为1.5μm；在横向上l形场板5的水平板右边界与氧化槽4右边界之间的距离为3μm；在纵向上l形场板5的水平板底部与氧化槽4底部之间的距离为3.5μm；在横向上l形场板的竖直板右边界与漏区6之间的距离为8.5μm；氧化槽4的厚度为25μm；漂移区掺杂浓度为3.1×1016cm-3；l形垂直场板的厚度为0.1μm；含有l形垂直场板的ldmos晶体管，电场强度(由漂移区左侧顶部起)沿着漂移区外侧位置变化的曲线图如图2所示，图2中的0刻度位置为漂移区与硅体2接触面的最高点位置；与垂直场板(氧化槽内沿纵向布置的长条形场板)的ldmos相比，l形垂直场板的ldmos中的l形场板在氧化槽中引入了更高的电场，而且在电场分布中，除了栅电极10和漏电极11下方各产生的凸起外，另外还引入了四个凸起，于是降低表面场(reducedsurfacefield，resurf)效应得到改善，从而提高了器件击穿电压。四个凸起产生的原因分别解释如下：(1)在漂移区左侧与l形场板最低点对应的高度位置处，由于l形场板无掺杂且连着栅电极与漂移区有掺杂不同导致；(2)在漂移区左侧与氧化槽最低点对应的高度位置处，由于氧化槽和漂移区两侧材料不同导致；(3)在漂移区右侧与氧化槽最低点对应的高度位置处，由于氧化槽和漂移区两侧材料不同导致；(4)在漂移区右侧与l形场板最低点对应的高度位置处，由于l形场板无掺杂且连着栅电极与漂移区有掺杂不同导致。而带有垂直场板的ldmos随着漂移区外侧位置变化的电场变化中只有三个凸起，没有l形垂直场板的ldmos中的第4个凸起。如图3所示，l形垂直场板的ldmos的上表面(过原点o的表面)电场强度随横向位置变化的曲线图，可以看出，对比于垂直场板的ldmos，l形场板的ldmos有了更高的电场，从而达到更高的击穿电压。如图4所示，电场强度(由漏区右上角起)随纵向位置变化的曲线图，图中l形垂直场板产生了两个凸起(除漏端产生的一个凸起外)，该两个凸起产生原理与图2中l形垂直场板的ldmos第3个和第4个凸起产生原理相同，而传统垂直场板只产生了一个凸起，产生原理对应于图2中具有垂直场板的ldmos的第3个凸起的产生原理。l形垂直场板的ldmos的两个凸起拉低了漏端的电场强度，避免过早击穿，从而提高了器件击穿电压。如图5所示，l形垂直场板的ldmos和垂直场板的ldmos漏区下方的电势随纵向位置变化的曲线图，可看出l形垂直场板的ldmos漏区下方衬底中的电势分布具有更好的线性度，也即意味着纵向方向上衬底能够更均匀的承担电压，使得衬底的某一个局部区域不会因为承担过高的电压而导致击穿。图5中可见l形垂直场板的ldmos和垂直场板的ldmos的最优化击穿电压分别为833v和705.8v。如表1所示，与具有垂直场板的ldmos相比，l形垂直场板的ldmos的击穿电压更高且导通电阻更低，由品质因素(figure-of-merit，fom)参数可以更直观看出，l形垂直场板的ldmos的整体器件性能比垂直场板的ldmos有很大提升。表1两种结构参数比较器件类型击穿电压(v)导通电阻(mω)品质因素(mw/cm2)l形垂直场板结构83333.820529.26垂直场板结构705.84211680.8实施例2：只改变l形场板5在氧化槽4中的位置，即：横向上l形场板5的竖直板左边界与氧化槽4左边界之间的距离(记为t1)和在横向上l形场板5的竖直板右边界与漏区6右边界之间的距离(记为t3)，以及漂移区掺杂浓度，其余参数与实施例1的参数相同；如图6所示，当t1和t3不变时，随着漂移区掺杂浓度的增加，击穿电压都是先增大后减小；随着t1的增加和t3的减小，每组t1和t3对应的击穿电压随漂移区掺杂浓度变化曲线的峰值先增大后减小，最佳的位置是l形场板5的竖直板左侧在横向上距离漂移区左侧的长度为1.5μm，即t1＝1.5μm；和l形场板5的竖直板右侧在横向上距离漏区6的长度为8.5μm，即t3＝8.5μm。实施例3：只改变在纵向上l形场板5的水平板底部与氧化槽4底部之间的距离(记为t2)以及漂移区掺杂浓度，其余参数与实施例1的参数相同；如图7所示，当t2不变时，随着漂移区掺杂浓度的增加，击穿电压都是先增加后减小；随着t2的增加，各t2对应的击穿电压随着漂移区掺杂浓度变化曲线的峰值先增大，后减小，再增大，最后再减小。最佳的l形场板5底部在纵向上距离漂移区底部的长度为3.5μm，即t2＝3.5μm。实施例4：只改变在横向上l形场板的水平板右边界与氧化槽4右边界之间的距离(记为t4)以及漂移区掺杂浓度，其余参数与实施例1的参数相同；如图8所示，当t4不变时，随着漂移区掺杂浓度的增加，击穿电压都是先增大后减小；随着t4的增加，各t4对应的击穿电压随着漂移区掺杂浓度变化曲线的峰值先增大，后减小，再增大，最后再减小。最佳的l形场板5板的水平板靠近漏区的一侧在横向上距离漂移区右侧的长度是3μm，即t4＝3μm。实施例5：只改变氧化槽4的厚度(记为tt)以及漂移区掺杂浓度，其余参数与实施例1的参数相同；如图9所示，当tt不变时，随着漂移区掺杂浓度的增加，击穿电压都是先增加后减小；随着tt的增加，各tt对应的击穿电压随着漂移区掺杂浓度变化曲线的峰值先增大后减小。最佳的氧化槽厚度是25μm，即tt＝25μm。当前第1页12