一種絕緣體上矽可集成大電流p型組合半導體器件的製作方法

2023-06-05 21:07:31 1

專利名稱：一種絕緣體上矽可集成大電流p型組合半導體器件的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及高壓功率半導體器件領域，是關於一種適用於高壓應用的提高電 流密度的絕緣體上矽可集成大電流P型組合半導體器件。
背景技術：
隨著人們對現代化生活需求的日益增強，功率半導體器件的性能越來越受到關 注，其中功率半導體器件的可集成性、高耐壓、大電流和與低壓電路部分的良好的隔離能力 是人們最大的技術要求。決定功率集成電路處理高電壓、大電流能力大小的因素除了功率 半導體器件的種類以外，功率半導體器件的結構和製造工藝也是重要的影響因素。長久以來，人們採用的功率半導體器件為高壓三級管和高壓絕緣柵場效應晶體 管。這兩種器件在滿足人們基本的高耐壓和可集成性的需求的同時，也給功率集成電路帶 來了許多的負面影響。對於高壓三級管，它的不足有輸入阻抗很低，開關速度不高。儘管高 壓絕緣柵場效應電晶體的輸入阻抗非常高，但是電流驅動能力有限，除此之外，它的高耐壓 和高的導通阻抗呈現出不可避免的矛盾。隨著科學技術的發展，絕緣柵雙極型器件的出現解決了人們對功率半導體器件的 大部分需求。絕緣柵雙極型器件集合了高壓三極體和絕緣柵場效應電晶體的優勢，具有高 的輸入阻抗、高的開關速度、高耐壓、大的電流驅動能力和低導通阻抗等性能。但是，先出現 的絕緣柵雙極型器件是縱向器件，可集成性能差。後來出現的橫向絕緣柵雙極型器件解決 了這一問題。功率半導體器件的可集成性、高耐壓、大電流的需求解決後，它的隔離性成為主要 的矛盾。主要是在體矽工藝中，高壓電路和低壓電路同時集成在一個晶片上，高壓電路的漏 電流會比較高，因此會通過襯底進入低壓電路引發低壓電路的閂鎖，最終造成晶片燒毀。為 了解決這一問題，人們提出了絕緣體上矽工藝。絕緣體上矽工藝的出現有效地解決了功率半導體器件的隔離問題。目前絕緣體 上矽橫向絕緣柵雙極型器件已成為功率半導體器件的主力軍，廣泛應用於直流電壓為600V 及以上的變流系統如交流電機、變頻器、開關電源、照明電路、牽引傳動等領域。圍繞著絕緣體上矽橫向絕緣柵雙極型器件的一個較大的問題是，與縱向器件相比 電流密度不夠高，因此常常以加大器件的面積來獲得高的電流驅動能力，因而耗費大量的 晶片面積，增加了成本。本文介紹了一種新型的提高電流密度的絕緣體上可集成大電流P 型組合半導體器件，在不增加版圖面積的前提下，與同尺寸的普通絕緣體上矽P型橫向絕 緣柵雙極型器件相比，電流密度大幅度增加。

實用新型內容本實用新型提供一種能夠在不改變器件面積的基礎上有效提高器件電流密度的 絕緣體上矽可集成大電流P型組合半導體器件。本實用新型採用如下技術方案[0010]一種絕緣體上矽可集成大電流P型組合半導體器件，包括N型矽襯底，在N型矽 襯底上設有埋氧層，在埋氧層中央上方處設有N型深阱，在N型深阱上設有P型環形源區和 N型體接觸區，所述P型環形源區環繞在N型體接觸區的外部，且在P型源區和N型體接觸 區上設有用於連通P型源區和N型體接觸區的源極金屬，在埋氧層上還設有第一隔離區和 第二隔離區，所述第一隔離區和第二隔離區向埋氧層中心延伸並由此分隔形成第一區域I 和第二區域II，在第一區域I內設有P型橫向絕緣柵雙極型電晶體，在第二區域(II)內設 有NPN型高壓雙極型電晶體和P型橫向雙擴散金屬氧化層場效應電晶體，所述的P型橫向 絕緣柵雙極型電晶體的源區採用所述的P型環形源區，所述的NPN型高壓雙極型電晶體的 集電區採用所述的N型體接觸區，所述的P型橫向雙擴散金屬氧化層場效應電晶體的源區 採用所述的P型環形源區，所述的N型體接觸區同時為所述的P型橫向絕緣柵雙極型晶體 管的體接觸區，連接於P型橫向絕緣柵雙極型電晶體漏極的漏極金屬通過金屬層與連接於 NPN型高壓雙極型電晶體基極的基極金屬連接。與現有技術相比，本實用新型具有如下優點(1)本實用新型器件在原來版圖的基礎上用隔離槽將器件分隔為兩個部分，其中 一個部分用於製作普通P型橫向絕緣柵雙極型電晶體，另一部分用於製作NPN型高壓雙極 型電晶體和普通P型高壓橫向雙擴散金屬氧化層場效應電晶體，並通過金屬層將P型橫向 絕緣柵雙極型電晶體的漏極和NPN型高壓雙極型電晶體的基極連接在一起，可以有效的將 前者的漏極電流作為流過NPN型高壓雙極型電晶體的基極電流進一步放大，除此之外還將 與NPN型高壓雙極型電晶體處在相同區域的普通P型高壓橫向雙擴散金屬氧化層場效應晶 體管的電流進行放大，從而提高整個器件電流密度。該半導體組合器件的等效電路圖參見 附圖4，圖5顯示了本實用新型的半導體組合器件與相同面積的一般P型絕緣柵雙極型器件 的電流密度的比較，可見，本實用新型的半導體組合器件的電流密度比一般P型絕緣柵雙 極型器件的電流密度大大提高了。(2)本實用新型器件的在提高電流密度的同時與傳統器件相比，並不改變器件原 來的版圖面積。(3)本實用新型器件的好處在於提高電流密度的同時，並不影響器件的耐壓水平， 器件的基本性能要求仍能滿足要求。圖6顯示了本實用新型的半導體組合器件與相同面積 的一般的P型絕緣柵雙極型電晶體的關態擊穿電壓比較圖，可見本實用新型的半導體組合 器件的關態擊穿電壓可以保持與相同面積的一般P型絕緣柵雙極型器件一致。(4)本實用新型器件的製作並不需要額外工藝步驟，與現有的集成電路製造工藝 完全兼容。

圖1 (a)是本實用新型組合半導體器件去除鈍化保護氧化層後的俯視圖。圖1 (b)是沿著圖1 (a)的AA』面的剖面圖。(含有鈍化保護氧化層)圖1 (c)是沿著圖1 (a)的BB』面的剖面圖。(含有鈍化保護氧化層)圖2是本實用新型的組合半導體器件三維立體結構圖。(去除鈍化保護氧化層和 部分金屬)圖3是本實用新型的半導體組合器件沿AA』面的三維立體剖面圖(去除鈍化保護氧化層和部分金屬)。圖4是本實用新型的半導體組合器件的等效電路圖。圖5是本實用新型的半導體組合器件和相同面積的一般P型絕緣柵雙極型器件的 漏極電流密度比較圖。圖6是本實用新型的半導體組合器件和相同面積的一般P型絕緣柵雙極型器件的 關態擊穿電壓比較圖。圖7(a)是形成本實用新型的半導體組合器件中的N型深阱16工藝示意圖。圖7 (b)是形成本實用新型的半導體組合器件中第一區域(I)的P型漂移區4以 及第二區域(II)的P型三極體漂移區4』的工藝示意圖。圖7 (c)是形成本實用新型的半導體組合器件中P型漂移區4上的P型緩衝阱5 以及P型三極體漂移區4』上的P型三極體緩衝阱5』的工藝示意圖。圖7(d)是形成本實用新型的半導體組合器件中第一區域(I)的的場氧化層8、柵 氧化層9以及多晶矽柵10和第二區域(II)的場氧化層8』、柵氧化層9』以及多晶矽柵10』 的工藝示意圖。圖7 (e)是形成本實用新型的半導體組合器件中N型漏區6、N型發射區14、P型基 區15、N型體接觸區12以及P型環形源區11的工藝示意圖。圖7(f)是完全形成本實用新型的半導體組合器件後，沿著圖1(a)的AA』面的剖 面圖。
具體實施方式
一種絕緣體上矽可集成大電流P型組合半導體器件，包括N型矽襯底1，在N型矽 襯底1上設有埋氧層2，在埋氧層2中央上方處設有N型深阱16，在N型深阱16上設有P 型環形源區11和N型體接觸區12，所述P型環形源區11環繞在N型體接觸區12的外部， 且在P型環形源區11和N型體接觸區12上設有用於連通P型環形源區11和N型體接觸 區12的源極金屬72，在埋氧層2上還設有第一隔離區101和第二隔離區102，所述第一隔 離區101和第二隔離區102向埋氧層2中心延伸並由此分隔形成第一區域I和第二區域 II，在第一區域I內設有P橫向絕緣柵雙極型電晶體，在第二區域II內設有NPN型高壓雙 極型電晶體和P型橫向雙擴散金屬氧化層場效應電晶體，所述的P型橫向絕緣柵雙極型晶 體管的源區採用所述的P型環形源區11，所述的NPN型高壓雙極型電晶體的集電區採用所 述的N型體接觸區12，所述的P型橫向雙擴散金屬氧化層場效應電晶體的源區採用所述的 P型環形源區11，所述的N型體接觸區12同時為所述的P型橫向絕緣柵雙極型電晶體的體 接觸區，連接於P型橫向絕緣柵雙極型電晶體漏極的漏極金屬70通過金屬層與連接於NPN 型高壓雙極型電晶體基極的基極金屬70』連接。根述的第一隔離區101和第二隔離區102所形成的夾角可以調整，但是由所述的 第一隔離區101和第二隔離區102向埋氧層2中心延伸並分隔形成的兩個區域中，鈍角所 包圍的區域必須為第一區域I，而銳角所包圍的區域必須為第二區域II。雖然附圖說明中的本半導體組合器件結構是採用圓形版圖實現形式，但是其實現 形式並不僅限於圓形，也可以是跑道型、矩形等其他形狀，只要用兩個隔離槽101和102將 區域I和區域II隔開並將P型橫向絕緣柵雙極型器件的漏極與NPN高壓三極體的基極用金屬連接即可。所述的絕緣體上矽P型半導體組合器件N型發射區14與P型基區15的間距為 1 μ m ~ 2 μ m ；本實用新型採用如下方法來製備第一步，取具有N型外延層的絕緣體上矽圓片，刻蝕所需要的隔離槽101和102，從 而形成區域I和區域II，且N型外延層被分割成在區域I內的第一 N型外延層3和在區域 II內的第二 N型外延層3』。第二步，通過高能量磷離子注入，並高溫退火形成N型深阱16。第三步，以高能量的硼離子注入，高溫退火後在區域I形成P型漂移區4而在區域 II形成P型三極體漂移區4』 ；第四步，以高能量的硼離子注入，高溫退火後在P漂移區4上形成P型緩衝阱5而 在P型三極體漂移區4』上形成P型三極體緩衝阱5』。第五步，澱積並刻蝕氮化矽，在高溫下生長場氧化層。再生長柵氧化層，並澱積多 晶矽，刻蝕出多晶矽柵。第六步，通過高劑量的硼離子和磷離子注入，製作各個電極接觸區。第七步，澱積二氧化矽，刻蝕電極接觸孔後澱積金屬引線層並刻蝕掉多餘金屬。第八步，進行鈍化層的製作。
權利要求1.一種絕緣體上矽可集成大電流P型組合半導體器件，包括N型矽襯底(1)，在N型矽 襯底(1)上設有埋氧層O)，其特徵在於，在埋氧層O)中央上方處設有N型深阱(16)，在 N型深阱(16)上設有P型環形源區(11)和N型體接觸區(12)，所述P型環形源區(11)環 繞在N型體接觸區(1 的外部，且在P型環形源區(11)和N型體接觸區(1 上設有用於 連通P型環形源區(11)和N型體接觸區(1 的源極金屬(72)，在埋氧層( 上還設有第 一隔離區(101)和第二隔離區(102)，所述第一隔離區(101)和第二隔離區(102)向埋氧層 (2)中心延伸並由此分隔形成第一區域(I)和第二區域(II)，在第一區域(I)內設有P型橫 向絕緣柵雙極型電晶體，在第二區域(II)內設有NPN型高壓雙極型電晶體和P型橫向雙擴 散金屬氧化層場效應電晶體，所述的P型橫向絕緣柵雙極型電晶體的源區採用所述的P型 環形源區(11)，所述的NPN型高壓雙極型電晶體的集電區採用所述的N型體接觸區(12)， 所述的P型橫向雙擴散金屬氧化層場效應電晶體的源區採用所述的P型環形源區(11)，所 述的N型體接觸區(1 同時為所述的P型橫向絕緣柵雙極型電晶體的體接觸區，連接於P 型橫向絕緣柵雙極型電晶體漏極的漏極金屬(70)通過金屬層與連接於NPN型高壓雙極型 電晶體基極的基極金屬(70』 )連接。
2.根據權利要求1所述的絕緣體上矽可集成大電流P型組合半導體器件，其特徵在於， N型發射區(14)與P型基區(15)的間距為1微米 2微米。
專利摘要一種提高電流密度的絕緣體上矽可集成大電流P型半導體組合器件，包括N型襯底及其上設埋氧層，在埋氧層上設被分隔成區域I和II的N型外延層，I區包括P型漂移區、N型深阱、P型緩衝阱、N型漏區、P型源區和N型體接觸區，在矽表面設有場氧化層和柵氧化層，在柵氧化層上設有多晶矽柵，II區包括P型三極體漂移區、N型深阱、P型三極體緩衝阱、N型發射區和P型基區、P型源區和N型體接觸區，矽表面設有場氧化層和柵氧化層，在柵氧化層上設有多晶矽柵，其特徵在於P型基區包在P型緩衝區內部，N型漏區上的漏極金屬與P型基區上的基極金屬通過金屬層連通。本實用新型在不增加器件面積及降低器件其他性能的基礎上顯著提升器件的電流密度。
文檔編號H01L29/06GK201918387SQ20102050756
公開日2011年8月3日 申請日期2010年8月27日 優先權日2010年8月27日
發明者孫偉鋒, 時龍興, 曹鵬飛, 錢欽松, 陸生禮 申請人:東南大學