專利名稱：：同一襯底上具有高壓元件和低壓元件的半導(dǎo)體裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及半導(dǎo)體裝置，更具體而言，本申請涉及一種在同一襯底上具有高壓元件和低壓元件的半導(dǎo)體裝置。
背景技術(shù)：
：高壓半導(dǎo)體一般在同一襯底上使用高壓元件和低壓元件。在一些只有一個或少數(shù)幾個高壓裝置的應(yīng)用中，高壓裝置通常用作被稱為“開集或開漏“的配置。這意謂著電路中的高壓節(jié)點(diǎn)僅連接雙極晶體管的集電極或MOS晶體管的漏極。電路中的低壓部分可由外部低壓電源供電或由一個片上高壓裝置供電。上述結(jié)構(gòu)允許利用簡單并因此相對不昂貴的的工藝來制造上述半導(dǎo)體電路。在任何將高壓和低壓元件制造于同一襯底上的半導(dǎo)體工藝中，為成功制造裝置，設(shè)計者面臨三個需要平衡的重要因素。它們是(1)制程復(fù)雜性，(2)最佳的電路功能，以及(3)半導(dǎo)體芯片的面積。參見圖1。傳統(tǒng)上，在低壓元件10之間或低壓元件10與高壓元件20之間所必需或有利于絕緣的小的外延層厚度，與允許一些裝置的高壓操作在同一襯底上進(jìn)行之間，部分混合電路利用RESURF原理來尋找二者之平衡。圖1左側(cè)顯示通過ρ型絕緣分散隔離的低電壓npn電晶體。由于ISO擴(kuò)散不是很深，因此必須很薄，這也意味著(mean)大的邊界擴(kuò)散和喪失于大絕緣區(qū)的面積。這種方法還具有一些嚴(yán)重的缺陷，因為漏極下的襯底需要有高電阻，如圖1所示。低壓元件10和高壓元件20通過絕緣區(qū)隔離。低壓元件10可以是npn型雙極性晶體管，高壓元件20可以是dmos管。低壓元件10具有形成于η型外延層上方的集電極11、基極12和發(fā)射極13，η型外延層下方具有η型掩埋層nBL。高壓元件20具有形成于η型外延層上方的漏極21、柵極22和源極23，源極23形成于ρ型體M中。在該示例中，漏極21是摻雜的η+阱，其終止由該襯底產(chǎn)生的電場。這樣，漏極21下的整個電場被包含于半導(dǎo)體中。在遠(yuǎn)離漏極21(漂移區(qū))的區(qū)域，電場能夠完全耗盡η型外延層30，因此電場能夠存在于半導(dǎo)體的上方。該被完全耗盡的η型外延層30(截止區(qū)(pinchedoff))限定的橫向電場，能夠支持裝置的漏極21和柵極22與漏極21和源極23之間的高壓。該η型外延層30耗盡的漂移區(qū)依附于下面的襯底，η型外延層30的完全耗盡必須發(fā)生在裝置的柵極或源極附近的橫向電場到達(dá)邊界值之前，以避免電壓擊穿。同樣，襯底的電阻率也被限定為確定的值以促進(jìn)η型外延層的耗盡。在漏極下，情況不同，此處的襯底需要具有高電阻率以允許為了降低電場而實現(xiàn)的寬損耗區(qū)。由于漏極下的區(qū)域具有單邊階躍結(jié)的特征，因此薄的外延層的問題會更加突出。本領(lǐng)域眾所周知的是，在相同峰值的電場，相對于雙邊階躍結(jié)，例如能夠利用厚的η型外延層形成的雙邊階躍結(jié)，單邊階躍結(jié)僅能支撐一半的電壓。根據(jù)上述可以清楚地知道，漏極下需要具有的襯底電阻率和漂移區(qū)下需要具有的襯底電阻率互相沖突。傳統(tǒng)的解決該襯底電阻率沖突的方法是利用厚的η型外延層為η+漏極下的耗盡區(qū)提供需要的額外空間。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是針對上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種方法，以解決漏極下的襯底電阻率和漂移區(qū)下的襯底電阻率互相矛盾的問題。為了漂移區(qū)下的η型外延層的合適損耗，襯底電阻率可以被最優(yōu)化，該最優(yōu)化允許利用合適的薄η型外延層以提供低壓元件之間的簡單絕緣(simpleisolation)。為滿足以上要求，本發(fā)明提供技術(shù)方案是一種同一襯底上具有高壓元件和低壓元件的半導(dǎo)體裝置，包含襯底和形成于襯底上的低壓元件區(qū)域與高壓元件區(qū)域，所述高壓元件區(qū)域包含形成于襯底表面的η+漏極區(qū)，包圍該η+漏極區(qū)的η型外延層，以及形成于該η型外延層下方的深η型擴(kuò)散層，名為η型外延擴(kuò)延擴(kuò)散層(印iextensiondiffusion)0所述η型外延擴(kuò)延擴(kuò)散層的體積大于所述η+漏極區(qū)。所述η型外延層的厚度小于5um。所述η+漏極區(qū)的擴(kuò)展?jié)舛却笥讦切屯庋訉拥膿诫s濃度，η型外延層的摻雜濃度大于η型外延擴(kuò)展擴(kuò)散層的摻雜濃度，而η型外延擴(kuò)展擴(kuò)散層的摻雜濃度大于P型襯底的摻雜濃度。所述η型外延層的摻雜濃度為2Ε15atoms/cm3,而ρ型襯底層的摻雜濃度為2Ε14atoms/cm。所述高壓元件區(qū)域的電場強(qiáng)度隨深度延伸自η型外延層頂部至η型外延擴(kuò)展擴(kuò)散層底部逐漸增大，接著自P型襯底層頂部至P型襯底層底部逐漸減小。本發(fā)明另外提供一種技術(shù)方案一種同一襯底上具有高壓元件和低壓元件的半導(dǎo)體裝置，包含襯底和形成于襯底上的低壓元件區(qū)域與高壓元件區(qū)域，所述高壓元件區(qū)域包含形成于襯底表面的η+漏極區(qū)，包圍該η+漏極區(qū)的η型外延層，以及形成于該η型外延層下方的η型外延擴(kuò)展擴(kuò)散層；所述低壓元件區(qū)域包含形成于基極區(qū)下方的深PBL區(qū)域。所述η型外延層的厚度小于5um。本發(fā)明還提供一種技術(shù)方案一種同一襯底上具有高壓元件和低壓元件的半導(dǎo)體裝置，包含襯底和形成于襯底上的低壓元件區(qū)域與高壓元件區(qū)域，所述高壓元件區(qū)域包含形成于襯底表面的η+漏極區(qū)，包圍該η+漏極區(qū)的η型外延層，以及形成于該η型外延層下方的η型外延擴(kuò)展擴(kuò)散層；并且所述η+漏極區(qū)和η型外延層之間還具有環(huán)繞η+漏極區(qū)的η型摻雜區(qū)，該η型摻雜區(qū)的摻雜濃度高于所述η型外延層的摻雜濃度。所述η型摻雜區(qū)的摻雜濃度在1Ε16atoms/cm31E18atoms/cm3之間，所述η型外延層的摻雜濃度在1.5Ε15atoms/cm35E15atoms/cm3之間。所述η型外延層的厚度小于5um。本發(fā)明又提供一種技術(shù)方案一種同一襯底上具有高壓元件和低壓元件的半導(dǎo)體裝置，包含襯底和形成于襯底上的低壓元件區(qū)域與高壓元件區(qū)域，所述高壓元件區(qū)域包含形成于襯底表面的η+漏極區(qū)，包圍該η+漏極區(qū)的η型外延層，以及形成于該η型外延層下方的η型外延擴(kuò)展擴(kuò)散層；所述低壓元件區(qū)域包含形成于基極區(qū)下方的高摻雜濃度層。所述高摻雜濃度層的摻雜濃度在5Ε17atoms/cm35E18atoms/cm3之間。所述η型外延層的厚度小于5um。相較于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明通過設(shè)置外延擴(kuò)展擴(kuò)散層，可以使襯底到η+漏極的結(jié)成5為兩側(cè)具有足夠用于耗盡的空間的漸變結(jié)，該些空間用于容納需要支撐高電壓的寬耗盡區(qū)。該外延層擴(kuò)展擴(kuò)散能夠?qū)⒍喾N低電壓制程轉(zhuǎn)換為高電壓制程，而不需要進(jìn)行完全的，從頭開始研發(fā)的制程。圖1顯示高壓裝置和低壓裝置形成于同一襯底上時的傳統(tǒng)解決方案。圖2顯示本發(fā)明的一個實施例以及擴(kuò)散如何能夠增加具有更多用于擴(kuò)散層的空間的η型厚度。圖3是A方向的斷面圖，顯示摻雜剖面圖和其增強(qiáng)η型區(qū)。圖4是與η+漏極正下方的晶圓表面垂直的電場的圖表。圖5是高壓電晶體的漏極區(qū)的示意圖，顯示了耗盡層。圖6顯示應(yīng)用了深pBL的本發(fā)明的第二實施例。圖7顯示怎樣通過利用合適η型層圍繞η+漏極延伸高壓電晶體的S0A。圖8顯示對SOA進(jìn)行進(jìn)一步改善的又一實施例。具體實施例方式為使本發(fā)明的目的，技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)表達(dá)的更加清楚明白，下面結(jié)合附圖及具體實施例對本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)的說明。圖2至圖5顯示依據(jù)本發(fā)明的第一實施例。圖6顯示依據(jù)本發(fā)明的第二實施例。圖7顯示依據(jù)本發(fā)明的第三實施例。圖8顯示依據(jù)本發(fā)明的第四實施例。參照圖2。圖2的晶體管是將外延擴(kuò)展概念應(yīng)用于構(gòu)建具有“開漏”的高壓dmos晶體管的實施例。如圖所示，低壓元件10和高壓元20通過絕緣區(qū)隔離。低壓元件10可以是npn型雙極性晶體管。低壓元件10具有形成于η型外延層上方的集電極11、基極12和發(fā)射極13，η型外延層下方具有η型掩埋層nBL。高壓元件20具有形成于η型外延層上方的漏極21、柵極22和源極23，源極23形成于ρ型體M中。參照圖3至圖5。圖3是沿圖2中A-A方向的斷面圖，其顯示摻雜剖視圖和其增強(qiáng)η型區(qū)。如圖所示，η+漏極區(qū)的摻雜濃度最高，其次是η型外延層、再次是η型外延擴(kuò)展擴(kuò)散層，摻雜濃度最小的是ρ型襯底。其中，η型外延層的摻雜濃度為2Ε15atoms/cm3,而ρ型襯底的摻雜濃度為2Ε14atoms/cm3。圖4是與η+漏極正下方的晶圓表面垂直的電場的圖表，圖中電場El的強(qiáng)度為ΔNgN,logeq「，而電場Ε2的強(qiáng)度為-Δlogeq「。圖5是高壓電晶體的漏極區(qū)的示意圖，其進(jìn)一步顯示了耗盡層，耗盡層50在邊界51和邊界52之間延展。繼續(xù)參照圖2至圖5。在該實施例中，漏極21是摻雜的η+阱，其終止由襯底產(chǎn)生的電場。裝置中部的η+漏極區(qū)21必須寬至足夠容納焊墊。漏極區(qū)21下的外延擴(kuò)展擴(kuò)散層25橫向延伸超出η+漏極區(qū)21的邊界。橫向延伸該外延擴(kuò)展擴(kuò)散層25能夠降低η+漏極區(qū)21邊緣的電場，并且也能夠提供更多的η型橫截面用于傳導(dǎo)漏極電流，以減小晶體管的導(dǎo)通電阻(on-stateresistance).導(dǎo)通電阻的減小允許以更小的裝置制造具有一定導(dǎo)通電阻的半導(dǎo)體。漏極區(qū)下設(shè)置額外厚度的η型層并將其橫向延伸還有另外一個優(yōu)點(diǎn)，保持與η+漏極區(qū)相鄰的非耗盡區(qū)(un-d印letedregion)，該非耗盡區(qū)改善了裝置的安全工作區(qū)。該種情況如圖6所示。載流子渡越漂移區(qū)產(chǎn)生它們自己的結(jié)束于漏極區(qū)的電場。當(dāng)橫截面被擴(kuò)大并且η+漏極區(qū)具有被略微輕度摻雜的緩沖層環(huán)繞時，與傳統(tǒng)裝置相比，傳統(tǒng)裝置中通常出現(xiàn)與強(qiáng)磁場和高電流密度相關(guān)的碰撞電離，只能發(fā)生在更高的電壓下。這產(chǎn)生更優(yōu)越的安全工作區(qū)。參照圖6，該圖顯示依據(jù)本發(fā)明的第二實施例。該實施例在圖2所示的第一實施例的基礎(chǔ)上進(jìn)一步在高壓元件邊緣的ρ型體M下方形成深pBL區(qū)63。器件邊緣的深PBL區(qū)63通過在邊緣提供大的P型表面(p-typesurface)有助于減小器件邊緣的電場。由外延層內(nèi)的電荷產(chǎn)生的電場現(xiàn)在不僅由P型摻雜體終止，而且也有PBL摻雜層終止。耗盡區(qū)60變?yōu)樵谶吔?1和邊界62之間延展。因此，從外延層發(fā)射的電場被所述兩個摻雜層分享，與所有電場均由P型摻雜體終止的情況相比，其峰值降低。該技術(shù)方案允許漂移區(qū)縮短，從而降低了漂移區(qū)的電阻率。對一定導(dǎo)通電阻的半導(dǎo)體而言，用低電阻率的漂移區(qū)使制造的半導(dǎo)體的體積更小。參照圖7，其顯示本發(fā)明的另一優(yōu)選實施例，該實施例也顯示怎樣在圖2所示的第一實施例的基礎(chǔ)上進(jìn)一步改善高壓晶體管的S0A。如圖所示，該實施例在η+漏極區(qū)21和η型外延層之間還具有環(huán)繞η+漏極區(qū)21的η型摻雜區(qū)71，該η型摻雜區(qū)71的摻雜濃度高于η型外延層的摻雜濃度。例如，η型摻雜區(qū)71的摻雜濃度在1Ε16atoms/cm31E18atoms/cm3之間，η型外延層的摻雜濃度在1.5E15atoms/cm35E15atoms/cm3之間。該附加η型摻雜區(qū)終止部分由漂移區(qū)中的載流子所產(chǎn)生的電場，漏極區(qū)電場的減小能大大減少由碰撞電離所產(chǎn)生的載流子的數(shù)量，從而擴(kuò)大SOA的電壓，甚至更高的電流密度。意識到SOA對高壓器件長期使用時的可靠性和耐用性非常重要，圖8顯示在圖2所示的實施例的基礎(chǔ)上，對SOA的又一個進(jìn)一步的改善。如圖所示，圖8所示的實施例是在P型體M的附加一層新的P型深度摻雜層。盡管問題的根源在于碰撞電離和其產(chǎn)生的載流子，但如果能為不能足夠正向偏置源極/基體結(jié)(source/bodyjunction)的載流子創(chuàng)造合適的途徑，由漏極、P型體和源極產(chǎn)生的寄生npn可以變?yōu)闊o源。圖8所示的附加到初始P型體(p-body)的上合適ρ型層作為分流(shunt)能夠降低ρ型體的電阻，從而能夠?qū)⒖昭娏?carrytheholecurrent)引向面向漏極的邊緣，而不會將電壓提升至足以打開源極/基體結(jié)(source/bodyjunction)。附加的ρ型層可以通過適度的(suitable)硼植入或利用已有的硼擴(kuò)散產(chǎn)生。該實施例利用隔離擴(kuò)散減小體的串聯(lián)電阻值，將體(body)和襯底連接，而無需另外的掩膜板。利用本發(fā)明的上述技術(shù)方案，外延層可以做得較薄。就高壓半導(dǎo)體的制造而言，采用本發(fā)明技術(shù)方案所需要的外延層的厚度可以小于利用傳統(tǒng)技術(shù)的70%。例如，上述η型外延層的厚度可以小于5um,這約為傳統(tǒng)技術(shù)要求的一半或以下。本發(fā)明的原理及設(shè)計思想在于為解決漏極下的襯底電阻率和漂移區(qū)下的襯底電阻率互相矛盾的問題，本發(fā)明利用合適的薄η型外延層以提供低壓元件之間的簡單絕緣(simpleisolation),該薄η型外延層用以容納漏極下電場的空間，是從該薄η型外延層通過對襯底進(jìn)行η型擴(kuò)散(n-typediffusionintothesubstrate)所獲得，以仿真厚的η型外延層。通過進(jìn)行深度的η型擴(kuò)散，稱之為外延擴(kuò)展層擴(kuò)散(extensiondiffusion)(在US6，236，100也有提及)，該襯底結(jié)上的η+漏極成為一個兩側(cè)具有足夠用于耗盡空間的漸變結(jié)，該空間用于容納需要支撐高電壓的寬耗盡區(qū)。該外延擴(kuò)展擴(kuò)散層能夠?qū)⒍喾N低電壓制程轉(zhuǎn)換為高電壓制程，而不需要進(jìn)行完全的，從頭開始研發(fā)的制程。該制程中，低壓元件保持不變，包括它們的布圖、模型和別的CAD特征。另外，深的ρ型擴(kuò)散也可輔助外延層擴(kuò)展擴(kuò)散，如果需要，用于電路電壓部分的襯底電阻率進(jìn)行精確的匹配，同樣也可將該附加的擴(kuò)散用于在高壓裝置的邊界或其他關(guān)鍵部分(edgeorothercriticalparts)以形成電場。該外延層擴(kuò)展擴(kuò)散形成一種獨(dú)特的方法，該方法利用薄的外延層和厚的η型區(qū)，以低電壓并高密度制程構(gòu)建高電壓裝置。外延層擴(kuò)展的概念不限于利用擴(kuò)散產(chǎn)生，相同的效果也能夠通過選擇性外延層生長獲得。以上所述僅為本發(fā)明的較佳實例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的的任何修改，等同替換，改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。權(quán)利要求1.一種同一襯底上具有高壓元件和低壓元件的半導(dǎo)體裝置，包含襯底和形成于襯底上的低壓元件區(qū)域與高壓元件區(qū)域，其特征在于，所述高壓元件區(qū)域包含形成于襯底表面的η+漏極區(qū)，包圍該η+漏極區(qū)的η型外延層，以及形成于該η型外延層下方的η型外延擴(kuò)展擴(kuò)散層。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的同一襯底上具有高壓元件和低壓元件的半導(dǎo)體裝置，其特征在于，所述η型外延擴(kuò)延層的體積大于所述η+漏極區(qū)。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的同一襯底上具有高壓元件和低壓元件的半導(dǎo)體裝置，其特征在于，所述η型外延層的厚度小于5um。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的同一襯底上具有高壓元件和低壓元件的半導(dǎo)體裝置，其特征在于，所述η+漏極區(qū)的擴(kuò)展?jié)舛却笥讦切屯庋訉拥膿诫s濃度，η型外延層的摻雜濃度大于η型外延擴(kuò)展擴(kuò)散層的摻雜濃度，而η型外延擴(kuò)展擴(kuò)散層的摻雜濃度大于ρ型襯底的摻雜濃度。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的同一襯底上具有高壓元件和低壓元件的半導(dǎo)體裝置，其特征在于，所述η型外延層的摻雜濃度為2Ε15atoms/cm3，而ρ型襯底層的摻雜濃度為2E14atoms/cm3。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的同一襯底上具有高壓元件和低壓元件的半導(dǎo)體裝置，其特征在于，所述高壓元件區(qū)域的電場強(qiáng)度隨深度延伸自η型外延層頂部至η型外延擴(kuò)展擴(kuò)散層底部逐漸增大，接著自P型襯底層頂部至P型襯底層底部逐漸減小。7.—種同一襯底上具有高壓元件和低壓元件的半導(dǎo)體裝置，包含襯底和形成于襯底上的低壓元件區(qū)域與高壓元件區(qū)域，其特征在于，所述高壓元件區(qū)域包含形成于襯底表面的η+漏極區(qū)，包圍該η+漏極區(qū)的η型外延層，以及形成于該η型外延層下方的η型外延擴(kuò)展擴(kuò)散層；所述低壓元件區(qū)域包含形成于基極區(qū)下方的深PBL區(qū)域。8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的同一襯底上具有高壓元件和低壓元件的半導(dǎo)體裝置，其特征在于，所述η型外延層的厚度小于5um。9.一種同一襯底上具有高壓元件和低壓元件的半導(dǎo)體裝置，包含襯底和形成于襯底上的低壓元件區(qū)域與高壓元件區(qū)域，其特征在于，所述高壓元件區(qū)域包含形成于襯底表面的η+漏極區(qū)，包圍該η+漏極區(qū)的η型外延層，以及形成于該η型外延層下方的η型外延擴(kuò)展擴(kuò)散層；并且所述η+漏極區(qū)和η型外延層之間還具有環(huán)繞η+漏極區(qū)的η型摻雜區(qū)，該η型摻雜區(qū)的摻雜濃度高于所述η型外延層的摻雜濃度。10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的同一襯底上具有高壓元件和低壓元件的半導(dǎo)體裝置，其特征在于，所述η型摻雜區(qū)的摻雜濃度在1Ε16atoms/cm31E18atoms/cm3之間，所述η型外延層的摻雜濃度在1.5Ε15atoms/cm35E15atoms/cm3之間。11.根據(jù)權(quán)利要求9或10所述的同一襯底上具有高壓元件和低壓元件的半導(dǎo)體裝置，其特征在于，所述η型外延層的厚度小于5um。12.—種同一襯底上具有高壓元件和低壓元件的半導(dǎo)體裝置，包含襯底和形成于襯底上的低壓元件區(qū)域與高壓元件區(qū)域，其特征在于，所述高壓元件區(qū)域包含形成于襯底表面的η+漏極區(qū)，包圍該η+漏極區(qū)的η型外延層，以及形成于該η型外延層下方的η型外延擴(kuò)展擴(kuò)散層；所述低壓元件區(qū)域包含形成于基極區(qū)下方的高摻雜濃度層。13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的同一襯底上具有高壓元件和低壓元件的半導(dǎo)體裝置，其特征在于，所述高摻雜濃度層的摻雜濃度在5E17atoms/cm35E18atoms/cm3之間。14.根據(jù)權(quán)利要求12或13所述的同一襯底上具有高壓元件和低壓元件的半導(dǎo)體裝置，其特征在于，所述η型外延層的厚度小于5um。全文摘要本發(fā)明公開了一種同一襯底上具有高壓元件和低壓元件的半導(dǎo)體裝置，包含襯底和形成于襯底上的低壓元件區(qū)域與高壓元件區(qū)域，所述高壓元件區(qū)域包含形成于襯底表面的n+漏極區(qū)，包圍該n+漏極區(qū)的n型外延層，以及形成于該n型外延層下方的n型外延擴(kuò)展擴(kuò)散層。文檔編號H01L29/06GK102104038SQ20101060238公開日2011年6月22日申請日期2010年12月23日優(yōu)先權(quán)日2010年12月23日發(fā)明者J·龐納斯申請人:普緣芯半導(dǎo)體科技(上海)有限公司