《一種高壓結型場效應電晶體》是無錫華潤上華半導體有限公司於2012年6月12日申請的專利，該專利的申請號為2012101922214，公布號為CN103489912A，公布日為2014年1月1日，發明人是韓廣濤，該發明屬於半導體器件製造領域。
《一種高壓結型場效應電晶體》包括：第一導電類型外延層上的第二導電類型漂移區；第二導電類型漂移區中的第二導電類型漏極重摻雜區；第二導電類型漏極重摻雜區一側、第二導電類型漂移區上的漏端場氧區；第二導電類型漂移區一側的第一導電類型阱區；第一導電類型阱區上的第二導電類型源極重摻雜區和第一導電類型柵極重摻雜區及柵源端場氧區；第二導電類型源極重摻雜區與第二導電類型漂移區之間的第二導電類型溝道層；第二導電類型溝道層之上的介電層和場極板；其漏極由第二導電類型漏極重摻雜區引出，源極由場極板與第二導電類型源極重摻雜區連線後引出，柵極由第一導電類型柵極重摻雜區引出。該電晶體具有高的崩潰電壓，且易於集成。
2017年5月，《一種高壓結型場效應電晶體》獲得第十屆江蘇省專利項目獎優秀獎。
（概述圖為《一種高壓結型場效應電晶體》摘要附圖）
基本介紹
- 中文名：一種高壓結型場效應電晶體
- 公布號：CN103489912A
- 公布日：2014年1月1日
- 申請號：2012101922214
- 申請日：2012年6月12日
- 申請人：無錫華潤上華半導體有限公司
- 地址：江蘇省無錫市國家高新技術產業開發區漢江路5號
- 發明人：韓廣濤
- 分類號：H01L29/78（2006.01）I、H01L29/08（2006.01）I、H01L29/10（2006.01）I
- 類別：發明專利
專利背景,發明內容,專利目的,技術方案,有益效果,附圖說明,權利要求,實施方式,榮譽表彰,
專利背景
場效應電晶體（FieldEffectTransistor）廣泛套用於各類模擬電路的設計，例如：放大器電路、偏壓或降壓電路、啟動電路、可變電阻……等等。隨著高壓器件需求的日益增加，如何提高各種場效應電晶體的崩潰電壓，已成為高壓場效應電晶體器件設計的目標。
對於金屬氧化物半導體場效應管（MOSFET，Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor），一種利用平面擴散技術的DMOS（Double-diffused MOS）結構，具有高電流驅動能力、低導通電阻和高擊穿電壓等特點，在功率器件中有廣泛套用。其中，橫向雙擴散金屬氧化物半導體場效應管（LDMOSFET，Latera lDouble-diffused MOSFET）由於更容易與CMOS工藝兼容而被廣泛採用。通常LDMOS的器件結構在有源區和漏區之間設有漂移區，並且漂移區的雜質濃度比較低，當LDMOS接高壓時，漂移區由於是高阻，能夠承受較高的電壓。另外，LDMOS的多晶層或金屬層擴展到漂移區的場氧區上面，充當場極板，可以弱化漂移區的表面電場，有利於提高提高崩潰電壓。
對於結型場效應電晶體（JFET，Junction Field Effect Transistor），與LDMOSFET不同，其漏極電壓加在漏極與柵極的PN結上，且擊穿點一般在體內，不是在表面，所以場極板等方式都不能提高其崩潰電壓，故傳統的結型場效應電晶體JFET受限於PN結，其崩潰電壓約為20~30伏左右，限制了其在高壓領域的套用。
然而，對於日漸興起的高壓半導體積體電路工藝而言，不僅需要高壓MOS電晶體，同時也需要提供具有更高崩潰電壓、且能與CMOS/LDMOS積體電路製造工藝兼容的高壓JFET，以滿足更多電源管理等晶片的需求。
發明內容
專利目的
《一種高壓結型場效應電晶體》要解決的技術問題在於提供一種高壓結型場效應電晶體，該電晶體具有高的崩潰電壓，且能與CMOS/LDMOS積體電路製造工藝兼容。
技術方案
《一種高壓結型場效應電晶體》包括：具有第一導電類型外延層的半導體襯底；位於所述第一導電類型外延層上的第二導電類型漂移區；位於所述第二導電類型漂移區中的第二導電類型漏極重摻雜區；位於所述第二導電類型漏極重摻雜區一側、第二導電類型漂移區上的漏端場氧區；位於所述第二導電類型漂移區一側的第一導電類型阱區，所述第一導電類型阱區與所述第二導電類型漂移區之間由第一導電類型外延層隔開；位於所述第一導電類型阱區上的第二導電類型源極重摻雜區和第一導電類型柵極重摻雜區，所述第二導電類型源極重摻雜區和第一導電類型柵極重摻雜區之間設有柵源端場氧區將其隔開；位於所述第二導電類型源極重摻雜區與第二導電類型漂移區之間的第二導電類型溝道層；位於所述第二導電類型溝道層之上的場極板，所述場極板延伸至所述漏端場氧區的部分表面，所述場極板與所述第二導電類型溝道層和第二導電類型漂移區之間設有介電層；其中，漏極由第二導電類型漏極重摻雜區電引出；源極由所述場極板與第二導電類型源極重摻雜區電連線後引出；柵極由第一導電類型柵極重摻雜區電引出。
作為該發明的優選方案，所述第二導電類型溝道層為離子注入形成的第二導電類型注入層。
作為該發明的優選方案，所述場極板為多晶層或金屬層。
作為該發明的優選方案，在所述高壓場效應電晶體兩側設有第二導電類型阱區，在所述第一導電類型外延層之下設有第二導電類型深阱區，以將所述高壓場效應電晶體隔離。
作為該發明的優選方案，在所述第二導電類型漂移區相對第一導電類型阱區的另一側設有抗高壓結構。
作為該發明的優選方案，所述第一導電類型為P型，第二導電類型為N型。
作為該發明的優選方案，所述第一導電類型為N型，第二導電類型為P型。
另一種高壓結型場效應電晶體，包括：具有第一導電類型外延層的半導體襯底；位於所述第一導電類型外延層上的第二導電類型漂移區；位於所述第二導電類型漂移區中的第二導電類型漏極重摻雜區；分別位於所述第二導電類型漏極重摻雜區兩側、第二導電類型漂移區上的漏端場氧區；分別位於所述第二導電類型漂移區兩側的第一導電類型阱區，所述第一導電類型阱區與所述第二導電類型漂移區之間由第一導電類型外延層隔開；位於所述第一導電類型阱區上的第二導電類型源極重摻雜區和第一導電類型柵極重摻雜區，所述第二導電類型源極重摻雜區和第一導電類型柵極重摻雜區之間設有柵源端場氧區將其隔開；分別位於所述第二導電類型源極重摻雜區與第二導電類型漂移區之間的第二導電類型溝道層；分別位於所述第二導電類型溝道層之上的場極板，所述場極板延伸至漏端場氧區的部分表面，所述場極板與所述第二導電類型溝道層和第二導電類型漂移區之間設有介電層；其中，漏極由第二導電類型漏極重摻雜區電引出；源極由漏極兩側的場極板與第二導電類型源極重摻雜區電連線後引出；柵極由漏極兩側的第一導電類型柵極重摻雜區電連線後引出。
作為該發明的優選方案，所述第二導電類型溝道層為離子注入形成的第二導電類型注入層。
作為該發明的優選方案，所述場極板為多晶層或金屬層。
作為該發明的優選方案，在所述高壓場效應電晶體兩側設有第二導電類型阱區，在所述第一導電類型外延層之下設有第二導電類型深阱區，以將所述高壓場效應電晶體隔離。
作為該發明的優選方案，所述第一導電類型為P型，第二導電類型為N型。
作為該發明的優選方案，所述第一導電類型為N型，第二導電類型為P型。
有益效果
《一種高壓結型場效應電晶體》提供的高壓結型場效應電晶體借鑑了LDMOS的耐高壓結構，將溝道設定於外延層表面，並利用RESURF（降低表面電場）原理在溝道和漏端場氧區上設定場極板，極大地提高了JFET的崩潰電壓；其截止電壓可由溝道注入層的注入條件進行調節；且其製造工藝可與典型CMOS/LDMOS積體電路製造工藝兼容，滿足了高壓半導體積體電路工藝的需求。
附圖說明
圖1為《一種高壓結型場效應電晶體》一實施例中高壓JFET器件結構示意圖。
圖2為該發明另一實施例中高壓JFET器件結構示意圖。
圖3為該發明另一實施例中高壓JFET器件的Id-Vgs特性曲線。
圖4為該發明另一實施例中高壓JFET器件的Id-Vds特性曲線。
權利要求
1.《一種高壓結型場效應電晶體》其特徵在於，包括：具有第一導電類型外延層的半導體襯底；位於所述第一導電類型外延層上的第二導電類型漂移區；位於所述第二導電類型漂移區中的第二導電類型漏極重摻雜區；位於所述第二導電類型漏極重摻雜區一側、第二導電類型漂移區上的漏端場氧區；位於所述第二導電類型漂移區一側的第一導電類型阱區，所述第一導電類型阱區與所述第二導電類型漂移區之間由第一導電類型外延層隔開；位於所述第一導電類型阱區上的第二導電類型源極重摻雜區和第一導電類型柵極重摻雜區，所述第二導電類型源極重摻雜區和第一導電類型柵極重摻雜區之間設有柵源端場氧區將其隔開；位於所述第二導電類型源極重摻雜區與第二導電類型漂移區之間的第二導電類型溝道層；位於所述第二導電類型溝道層之上的場極板，所述場極板延伸至所述漏端場氧區的部分表面，所述場極板與所述第二導電類型溝道層和第二導電類型漂移區之間設有介電層；其中，漏極由第二導電類型漏極重摻雜區電引出；源極由所述場極板與第二導電類型源極重摻雜區電連線後引出；柵極由第一導電類型柵極重摻雜區電引出。
2.根據權利要求1所述的高壓結型場效應電晶體，其特徵在於：所述第二導電類型溝道層為離子注入形成的第二導電類型注入層。
3.根據權利要求1所述的高壓結型場效應電晶體，其特徵在於：所述場極板為多晶層或金屬層。
4.根據權利要求1所述的高壓結型場效應電晶體，其特徵在於：在所述高壓場效應電晶體兩側設有第二導電類型阱區，在所述第一導電類型外延層之下設有第二導電類型深阱區，以將所述高壓場效應電晶體隔離。
5.根據權利要求1所述的高壓結型場效應電晶體，其特徵在於：在所述第二導電類型漂移區相對第一導電類型阱區的另一側設有抗高壓結構。
6.根據權利要求1所述的高壓結型場效應電晶體，其特徵在於：所述第一導電類型為P型，第二導電類型為N型。
7.根據權利要求1所述的高壓結型場效應電晶體，其特徵在於：所述第一導電類型為N型，第二導電類型為P型。
8.一種高壓結型場效應電晶體，其特徵在於，包括：具有第一導電類型外延層的半導體襯底；位於所述第一導電類型外延層上的第二導電類型漂移區；位於所述第二導電類型漂移區中的第二導電類型漏極重摻雜區；分別位於所述第二導電類型漏極重摻雜區兩側、第二導電類型漂移區上的漏端場氧區；分別位於所述第二導電類型漂移區兩側的第一導電類型阱區，所述第一導電類型阱區與所述第二導電類型漂移區之間由第一導電類型外延層隔開；位於所述第一導電類型阱區上的第二導電類型源極重摻雜區和第一導電類型柵極重摻雜區，所述第二導電類型源極重摻雜區和第一導電類型柵極重摻雜區之間設有柵源端場氧區將其隔開；分別位於所述第二導電類型源極重摻雜區與第二導電類型漂移區之間的第二導電類型溝道層；分別位於所述第二導電類型溝道層之上的場極板，所述場極板延伸至漏端場氧區的部分表面，所述場極板與所述第二導電類型溝道層和第二導電類型漂移區之間設有介電層；其中，漏極由第二導電類型漏極重摻雜區電引出；源極由漏極兩側的場極板與第二導電類型源極重摻雜區電連線後引出；柵極由漏極兩側的第一導電類型柵極重摻雜區電連線後引出。
9.根據權利要求8所述的高壓結型場效應電晶體，其特徵在於：所述第二導電類型溝道層為離子注入形成的第二導電類型注入層。
10.根據權利要求8所述的高壓結型場效應電晶體，其特徵在於：所述場極板為多晶層或金屬層。
11.根據權利要求8所述的高壓結型場效應電晶體，其特徵在於：在所述高壓場效應電晶體兩側設有第二導電類型阱區，在所述第一導電類型外延層之下設有第二導電類型深阱區，以將所述高壓場效應電晶體隔離。
12.根據權利要求8所述的高壓結型場效應電晶體，其特徵在於：所述第一導電類型為P型，第二導電類型為N型。
13.根據權利要求8所述的高壓結型場效應電晶體，其特徵在於：所述第一導電類型為N型，第二導電類型為P型。
實施方式
- 實施例一
參閱圖1，《一種高壓結型場效應電晶體》包括：具有第一導電類型外延層100的半導體襯底；位於所述第一導電類型外延層100上的第二導電類型漂移區110；位於所述第二導電類型漂移區110中的第二導電類型漏極重摻雜區120；位於所述第二導電類型漏極重摻雜區120一側、第二導電類型漂移區110上的漏端場氧區130；位於所述第二導電類型漂移區110一側的第一導電類型阱區140，所述第一導電類型阱區140與所述第二導電類型漂移區110之間由第一導電類型外延層100隔開；位於所述第一導電類型阱區140上的第二導電類型源極重摻雜區150和第一導電類型柵極重摻雜區160，所述第二導電類型源極重摻雜區150和第一導電類型柵極重摻雜區160之間設有柵源端場氧區170將其隔開；位於所述第二導電類型源極重摻雜區150與第二導電類型漂移區110之間的第二導電類型溝道層180；位於所述第二導電類型溝道層180之上的場極板190，所述場極板190延伸至所述漏端場氧區130的部分表面，所述場極板190與所述第二導電類型溝道層180和第二導電類型漂移區110之間設有介電層191；漏極D由第二導電類型漏極重摻雜區120電引出；源極S由所述場極板190與第二導電類型源極重摻雜區150電連線後引出；柵極G由第一導電類型柵極重摻雜區160電引出。
當所述第一導電類型選為P型，第二導電類型選為N型時，則該器件為N溝道JFET；當所述第一導電類型選為N型，第二導電類型選為P型時，則該器件為P溝道JFET。漏極D、源極S、柵極G的引出可以通過金屬布線實現，此為該領域技術人員習知，故不再贅述。
其中，柵極G通過第一導電類型柵極重摻雜區160連線第一導電類型阱區140，因此第一導電類型阱區140與第二導電類型溝道層180之間的空乏區受到柵極電壓的影響，從而控制該結型場效應電晶體的電流及開關。優選地，第二導電類型溝道層180為離子注入形成的第二導電類型注入層，通過控制注入條件可以調節場效應電晶體的截止電壓（Pinch-off Voltage）。
該JFET的漏端借鑑了LDMOS的耐高壓結構，設定了第二導電類型漂移區110、漏端場氧區130以及延伸至所述漏端場氧區130部分表面的場極板190，並將溝道設定於外延層表面，利用RESURF原理極大地提高了JFET的崩潰電壓。其中，場極板190可以是多晶（poly）層或金屬層，該實施例優選為多晶層。場極板190與源極S連線，以保持相同的電位。這樣的金屬布線方式，可使截止電壓完全僅由第一導電類型阱區140及第二導電類型溝道層180之間的空乏區控制，若是場極板190電位為浮接（floating）則可能因感應電位而造成截止電壓的波動，若是場極板190與柵極G也就是第一導電類型阱區140相連線，則產生的反向偏壓將容易耗盡圖1中A處區域的第二導電類型漂移區110的電荷，造成截止電壓不受第二導電類型溝道層180的工藝條件控制，或是電晶體提前進入截止區的情形。
此外，為了將器件與襯底隔離，以滿足不同電路設計的需求，在所述高壓場效應電晶體兩側可以設定第二導電類型阱區101，並在所述第一導電類型外延層100之下設定第二導電類型深阱區102，形成隔離結構，從而將所述高壓場效應電晶體隔離。
由於高壓JFET的漏極D載入高壓，作為該實施例的優選方案，在所述第二導電類型漂移區110相對第一導電類型阱區140的另一側可以設定抗高壓結構，例如低濃度、大尺寸的阱區，即傳統的阱隔離結構（圖中未示出），以避免該JFET載入高壓時對周圍器件的影響。
- 實施例二
參閱圖2，該發明包括：具有第一導電類型外延層200的半導體襯底；位於所述第一導電類型外延層200上的第二導電類型漂移區210；位於所述第二導電類型漂移區210中的第二導電類型漏極重摻雜區220；分別位於所述第二導電類型漏極重摻雜區220兩側、第二導電類型漂移區210上的第一漏端場氧區230和第二漏端場氧區2300；分別位於所述第二導電類型漂移區210兩側的第一第一導電類型阱區240和第二第一導電類型阱區2400，所述第一第一導電類型阱區240和第二第一導電類型阱區2400與所述第二導電類型漂移區210之間由第一導電類型外延層200隔開；位於所述第一第一導電類型阱區240內的第一第二導電類型源極重摻雜區260和第一第一導電類型柵極重摻雜區250，所述第一第二導電類型源極重摻雜區260和第一第一導電類型柵極重摻雜區250之間設有第一柵源端場氧區270將其隔開；位於所述第二第一導電類型阱區2400內的第二第二導電類型源極重摻雜區2600和第二第一導電類型柵極重摻雜區2500，所述第二第二導電類型源極重摻雜區2600和第二第一導電類型柵極重摻雜區2500之間設有第二柵源端場氧區2700將其隔開；位於所述第一第二導電類型源極重摻雜區250與第二導電類型漂移區210之間的第一第二導電類型溝道層280；位於所述第二第二導電類型源極重摻雜區2500與第二導電類型漂移區210之間的第二第二導電類型溝道層2800；分別位於所述第一第二導電類型溝道層280和第二第二導電類型溝道層2800之上的第一場極板290和第二多晶區場極板2900，第一場極板290和第二場極板2900分別延伸至第一漏端場氧區230和第二漏端場氧區2300的部分表面，所述第一場極板290與第一第二導電類型溝道層280和第二導電類型漂移區210之間設有第一介電層291；所述第二場極板2900與第二第二導電類型溝道層2800和第二導電類型漂移區210之間設有第二介電層2910；漏極D由第二導電類型漏極重摻雜區220電引出；源極S由漏極D兩側的第一場極板290和第二場極板2900與第一第二導電類型源極重摻雜區250和第二第二導電類型源極重摻雜區2500電連線後引出；柵極G由漏極D兩側的第一第一導電類型柵極重摻雜區260和第二第一導電類型柵極重摻雜區2600電連線後引出。
當所述第一導電類型選為P型，第二導電類型選為N型時，則該器件為N溝道JFET；當所述第一導電類型選為N型，第二導電類型選為P型時，則該器件為P溝道JFET。漏極D、源極S、柵極G的引出可以通過金屬布線實現。
優選地，所述第一第二導電類型溝道層280和第二第二導電類型溝道層2800均為離子注入形成的第二導電類型注入層。
優選地，所述場極板190可以是多晶（poly）層或金屬層，該實施例為多晶層。
優選地，在所述高壓場效應電晶體兩側設有第二導電類型阱區201，在所述第一導電類型外延層200之下設有第二導電類型深阱區201，以將所述高壓場效應電晶體隔離。
該結構與實施例一提供的JFET結構不同之處在於：在漏極D兩側設定了對稱的有源結構（源極和柵極），這樣設計可避免當漏極載入高壓時對周圍其他器件的影響，不需要增加額外的抗高壓結構，節約了晶片面積，雙源端和柵端結構的設計同時也提升了器件性能。
製作上述高壓JFET器件結構，除了需增加一次光刻並注入第二導電類型注入層以形成溝道區之外，其餘的工藝流程，製成條件皆可與典型的CMOS/LDMOS積體電路製造工藝兼容。
為了驗證該方案的可行性，對製作的器件結構進行了測試：參考圖3、圖4，圖3為Id-Vgs的漏電流-柵源電壓特性曲線，圖4為Id-Vds的漏電流-漏源電壓特性曲線，其截止電壓約為-6伏，崩潰電壓均高於50伏。
可見，該發明提供的高壓JFET電晶體在滿足高耐壓的同時具有良好的JFET的IV特性，且CMOS/LDMOS積體電路製造工藝兼容，易於集成。
榮譽表彰
2017年5月，《一種高壓結型場效應電晶體》獲得第十屆江蘇省專利項目獎優秀獎。
