一種抗閂鎖n型絕緣體上矽橫向絕緣柵雙極型電晶體的製作方法

2023-06-28 16:55:41 1

專利名稱：一種抗閂鎖n型絕緣體上矽橫向絕緣柵雙極型電晶體的製作方法
技術領域：
本發明主要涉及高壓功率半導體器件領域，具體來說，是一種具有較強抗閂鎖能力的N型絕緣體上矽橫向絕緣柵雙極型電晶體，適用於等離子平板顯示設備、半橋驅動電路以及汽車生產領域等驅動晶片。
背景技術：
現今，高壓集成電路成為發展最為迅速的功率半導體行業之一。在這種形勢下絕緣體上矽(Silicon On Insulator, SOI)工藝技術問世了，其獨特的絕緣埋層把器件與襯底完全隔離，在很大程度上減輕了矽器件的寄生效應，大大提高了器件和電路的性能。絕緣體上矽橫向絕緣柵雙極型電晶體(S0I-LIGBT)是一種典型的基於SOI工藝的器件，具有耐壓高、驅動電流能力強、開關速度快和功率損耗低等優點，已逐漸成為功率集成電路的核心電子元件。由於功率器件工作在高電壓、大電流的環境下，面臨著非常嚴峻的可靠性問題，其中S0I-LIGBT器件存在寄生的PNPN結構，有發生閂鎖的風險。因此，探究其工作特性以及儘可能解決閂鎖問題對提高S0I-LIGBT的可靠性具有十分重要的意義。目前，國內外有許多器件結構上的改進方法，用來提高抗閂鎖能力。對於S0I-LIGBT來說，陰極在器件寬度方向上採用N+ / P+間隔排布，可以有效地避免KIRK效應，從而減小了閂鎖發生的風險；還有在陰極附近增加P-sinker阱，使得電流路徑更多的位於器件體內，流經陰區N+與體接觸區下方的電流變小，寄生管開啟的風險也變小。類似的方法還有很多，它們在改善閂鎖問題的條件下，也會有不足的地方，比如電流能力的下降、器件面積的顯著增大以及工藝版次的複雜度提高等。本發明就是針對上述問題，提出了一種能夠有效抗閂鎖的N型絕緣體上矽橫向絕緣柵雙極型電晶體結構。該結構的器件在保持電學性能基本保持不變且不增加任何工藝成本的前提下，可以顯著改善工作過程中由於寄生雙極型電晶體開啟引起的閂鎖問題。

發明內容
本發明提供一種抗閂鎖N型絕緣體上矽橫向絕緣柵雙極型電晶體。本發明採用如下技術方案一種抗閂鎖N型絕緣體上矽橫向絕緣柵雙極型電晶體，包括N型襯底，在N型襯底上設有埋氧，在埋氧上設有N型外延層，在N型外延層的內部設有N型緩衝阱和P型體區，在N型緩衝阱內設有P型陽區，在P型體區中設有N型陰區和P型體接觸區，在N型外延層的表面設有柵氧化層和場氧化層且柵氧化層的一端和場氧化層的一端相抵，所述柵氧化層的另一端向N型陰區延伸並止於N型陰區，所述場氧化層的另一端向P型陽區延伸並止於P型陽區，在N型陰區和P型體接觸區表面設有淺P型阱區，且淺P型阱區延伸至柵氧化層下方，在柵氧化層的表面設有多晶矽柵且多晶矽柵延伸至場氧化層的上表面，在場氧化層、P型體接觸區、N型陰區、多晶矽柵和P型陽區的表面設有鈍化層，在P型陽區表面連接有第一金屬層，在多晶矽柵的表面連接有第二金屬層，在P型體接觸區和N型陰區表面連接有第三金屬層，其特徵在於，在淺P型阱區正下方還設有深P型阱區，所述深P型阱區位於P型體區內，且在N型陰區和P型體接觸區下方，與淺P型阱區在器件底部的投影完全重合；深P型阱區的摻雜濃度是淺P型阱區摻雜濃度的十倍到二十倍，深P型阱區的注入能量是淺P型阱區注入能量的二倍到三倍；同時，深P型阱區與柵氧化層在器件底部的投影交疊，交疊部分的範圍為l-2um。與現有技術相比，本發明具有如下優點(I)、本發明器件在N型陰區15和P型體接觸區14下方設有深P型阱區17，有效地減小了 P型體區16的導通電阻，從而提升了器件閂鎖能力，使得器件在正常工作時因寄生三極體開啟而造成的閂鎖失效風險大大降低。(2)、本發明器件在N型陰區15和P型體接觸區14下方設有深P型阱區17，有效地減小了 P型體區16的導通電阻，從而提高了器件的電流導通能力，降低了器件正常工作的功耗。
(3)、本發明器件採用高壓SOI工藝，該工藝裡所用的高壓器件閾值調整的淺P型阱區13與用來改善閂鎖問題的深P型阱區17共用同一塊光刻板，兩者的注入窗口完全相同，只是注入能量與劑量不同，因而不會增加額外成本；同時，本發明器件的製作工藝可以與現有CMOS工藝兼容，易於製備。(4)、本發明器件不僅能有效地改善寄生管引起的閂鎖問題，還不會對器件的其他性能參數產生影響。例如，由於深P型阱區17由於距表面較遠，因而對器件的閾值電壓影響很小，可以忽略不計，附圖4顯示採用本發明器件結構後的閾值電壓變化很小。另外，由於深P型阱區17位於P型體區16內，因而器件的反向擊穿電壓也不會因採用本發明器件結構而改變，結果參照附圖5。


圖I所示為一般的N型絕緣體上矽橫向絕緣柵雙極型電晶體的器件剖面結構。圖2所示為本發明改進後的抗閂鎖N型絕緣體上矽橫向絕緣柵雙極型電晶體的器件剖面結構。圖3是本發明器件與一般器件的陽極電壓電流曲線對比圖，從圖中可以明顯看出，改進後的器件在發生閂鎖之前的I;曲線與普通器件類似，但是閂鎖電壓明顯提升，即閂鎖問題得到了改善。圖4是本發明器件閾值電壓和一般器件閾值電壓的比較圖。可以看出兩者的閾值電壓差別很小，近似可忽略。圖5是本發明器件的反向擊穿電壓和一般器件的反向擊穿電壓比較圖。可以看出兩者差別不大。
具體實施例方式下面結合附圖2，對本發明做詳細說明，一種抗閂鎖N型絕緣體上矽橫向絕緣柵雙極型電晶體，包括N型襯底1，在N型襯底I上設有埋氧2，在埋氧2上設有N型外延層3，在N型外延層3的內部設有N型緩衝阱4和P型體區16，在N型緩衝阱4內設有P型陽區5，在P型體區16中設有N型陰區15和P型體接觸區14，在N型外延層3的表面設有柵氧化層11和場氧化層8且柵氧化層11的一端和場氧化層8的一端相抵，所述柵氧化層11的另一端向N型陰區15延伸並止於N型陰區15，所述場氧化層8的另一端向P型陽區5延伸並止於P型陽區5，在N型陰區15和P型體接觸區14表面設有淺P型阱區13，且淺P型阱區13延伸至柵氧化層11下方，在柵氧化層11的表面設有多晶矽柵10且多晶矽柵10延伸至場氧化層8的上表面，在場氧化層8、P型體接觸區14、N型陰區15、多晶矽柵10和P型陽區5的表面設有鈍化層7，在P型陽區5表面連接有第一金屬層6，在多晶矽柵10的表面連接有第二金屬層9，在P型體接觸區14和N型陰區15表面連接有第三金屬層12，其特徵在於，在淺P型阱區13正下方還設有深P型阱區17，所述深P型阱區17位於P型體區16內，且在N型陰區15和P型體接觸區14下方，與淺P型阱區13在器件底部的投影完全重
入
口 o所述深P型阱區17摻雜濃度是淺P型阱區13摻雜濃度的十倍到二十倍，深P型阱區17的注入能量是淺P型阱區13注入能量的二倍到三倍。
所述深P型阱區17與柵氧化層11在器件底部的投影交疊，交疊部分的範圍為l-2um。本發明採用如下方法來製備首先是常規的SOI層製作，其中外延層3採用N型摻雜。接下來的是橫向絕緣柵雙極型電晶體的製作，包括在N型外延3上通過注入磷離子形成N型緩衝層4，注入硼離子形成P型體區16 ;然後是場氧化層8，再次是硼離子在低能量條件下注入形成淺P型阱區13，淺P型阱區13的摻雜濃度為I. 0el2cm-2,注入能量為80Kev，緊接著用同樣的光刻板在高能量條件下注入硼離子形成深P型阱區17，深P型阱區17的摻雜濃度是I. 5el3Cnr2，注入能量是180Kev，接下來是柵氧化層11的生長，之後澱積多晶矽10，刻蝕形成柵，再製作重摻雜的陽區5、陰區15以及P型體接觸區14。澱積二氧化矽，刻蝕電極接觸區後澱積金屬，再刻蝕金屬並引出電極，最後進行鈍化處理。
權利要求
1.一種抗閂鎖N型絕緣體上矽橫向絕緣柵雙極型電晶體，包括N型襯底(1)，在N型襯底(I)上設有埋氧(2 )，在埋氧(2 )上設有N型外延層(3 )，在N型外延層(3 )的內部設有N型緩衝阱(4)和P型體區(16)，在N型緩衝阱(4)內設有P型陽區(5)，在P型體區(16)中設有N型陰區(15)和P型體接觸區(14)，在N型外延層(3)的表面設有柵氧化層(11)和場氧化層(8)且柵氧化層(11)的一端和場氧化層(8)的一端相抵，所述柵氧化層(11)的另一端向N型陰區(15)延伸並止於N型陰區(15)，所述場氧化層(8)的另一端向P型陽區(5)延伸並止於P型陽區(5)，在N型陰區(15)和P型體接觸區(14)表面設有淺P型阱區(13)，且淺P型阱區(13 )延伸至柵氧化層(11)下方，在柵氧化層(11)的表面設有多晶矽柵(10 )且多晶矽柵(10)延伸至場氧化層(8)的上表面，在場氧化層(8)、P型體接觸區(14)、N型陰區(15)、多晶矽柵(10)和P型陽區(5)的表面設有鈍化層(7)，在P型陽區(5)表面連接有第一金屬層(6)，在多晶矽柵(10)的表面連接有第二金屬層(9)，在P型體接觸區(14)和N型陰區(15)表面連接有第三金屬層(12)，其特徵在於，在淺P型阱區(13)正下方還設有深P型阱區(17)，所述深P型阱區(17)位於P型體區(16)內，且位於N型陰區(15)和P型體 接觸區(14)下方，所述深P型阱區(17)與淺P型阱區(13)在器件底部的投影完全重合。
2.根據權利要求I所述的一種抗閂鎖N型絕緣體上矽橫向絕緣柵雙極型電晶體，其特徵在於所述深P型阱區(17)摻雜濃度是淺P型阱區(13)摻雜濃度的十倍到二十倍，深P型阱區(17)的注入能量是淺P型阱區(13)注入能量的二倍到三倍。
3.根據權利要求2所述的一種抗閂鎖N型絕緣體上矽橫向絕緣柵雙極型電晶體，其特徵在於所述淺P型阱區(13)的摻雜濃度為I. 0el2Cm_2，注入能量為80Kev，深P型阱區(17)的摻雜濃度是I. 5el3CnT2，注入能量是180Kev。4、根據權利要求I所述的一種抗閂鎖N型絕緣體上矽橫向絕緣柵雙極型電晶體，其特徵在於所述深P型阱區(17)與柵氧化層(11)在器件底部的投影交疊，交疊部分的範圍為l-2um。
全文摘要
一種抗閂鎖N型絕緣體上矽橫向絕緣柵雙極型電晶體，包括N型襯底，在N型襯底上設有埋氧，在埋氧上設有N型外延層，在N型外延層的內部設有N型緩衝阱和P型體區，在N型緩衝阱內設有P型陽區，在P型體區中設有N型陰區和P型體接觸區，在N型外延層的表面設有柵氧化層和場氧化層，在N型陰區和P型體接觸區表面設有淺P型阱區，在柵氧化層的表面設有多晶矽柵，在場氧化層、P型體接觸區、N型陰區、多晶矽柵和P型陽區的表面設有鈍化層，其特徵在於，在淺P型阱區正下方還設有與其共用一塊光刻板但採用高能量離子注入形成的深P型阱區，該區域有效地減小了體區的導通電阻，提高器件的電流能力的同時，降低了工作過程中發生閂鎖的風險。
文檔編號H01L29/06GK102760761SQ20121022709
公開日2012年10月31日 申請日期2012年6月30日 優先權日2012年6月30日
發明者劉斯揚, 唐正華, 孫偉鋒, 時龍興, 潘紅偉, 錢欽松, 陸生禮 申請人:東南大學