逆導型soiligbt器件單元的製作方法

2023-07-27 06:45:31

專利名稱：逆導型soi ligbt器件單元的製作方法
技術領域：
本發明屬於功率集成電路技術領域，涉及一種集成續流二極體的逆導型SOI (絕緣層上半導體)LIGBT (橫向絕緣柵雙極電晶體)器件單元。
背景技術：
SOI LIGBT器件由於其較小的體積、重量，較高的工作溫度和較強的抗輻照能力， 較低的成本和較高的可靠性，作為無觸點功率電子開關或功率驅動器在智能電力電子、高 溫環境電力電子、空間電力電子和交通工具電力電子等技術中具有廣泛應用。常規的SOI LIGBT(以SOI NLIGBT為例)在襯底與頂層半導體之間含有隱埋氧化層的SOI頂層半導體 中的漂移區上形成場氧化層；在靠近陰極區端採用雙離子注入多晶矽自對準摻雜技術形 成短溝道NM0SFET及多晶矽柵及場板，附加P+離子注入摻雜實現P-阱的歐姆接觸；由多晶 矽柵引出柵極金屬電極，N+P+區引出陰極金屬電極；在近陽極端通過磷離子注入摻雜形成 N型緩衝區，在該摻雜區進行淺P型雜質注入形成陽極區，並利用層間介質薄膜和金屬薄膜 引出陽極金屬電極-漏極與漏極場板。該SOI LIGBT器件沒有集成反向續流器件結構，不 具備逆嚮導通功能，在帶感性負載且高頻使用過程中由於缺乏磁場能的電能洩放迴路容易 引起感生高電壓，導致器件損壞失效。目前，商業化的SOI LIGBT器件在實際應用中採用外 接續流二極體解決該問題，增加了系統體積、重量、成本並降低了系統速度、可靠性與使用 壽命ο

發明內容
本發明目的在於針對現有技術的不足，提供一種具有逆嚮導通功能的S0ILIGBT 器件單元，從而顯著改善基於SOI LIGBT器件的電力變換系統的速度、可靠性與使用壽命並 降低系統體積、重量、成本。本發明包括半導體襯底、隱埋氧化層、緩衝區、漂移區、與漂移區異型的阱、與阱同 型重摻雜的阱接觸區、與漂移區同型重摻雜的源區、柵氧化層、與阱同型的主器件陽極區、 與阱同型重摻雜的主器件陽極接觸區、與漂移區同型的主器件陽極短路點區、場氧化層、主 器件多晶矽柵極與柵場板區、主器件邊牆隔離氧化層、邊緣溝槽隔離氧化層、內部溝槽隔離 氧化層、續流二極體陰極接觸區；所述的緩衝區和漂移區為同型摻雜；水平設置的隱埋氧化層將半導體襯底和頂層器件層完全隔離；頂層器件層包括摻 雜濃度不同的兩個同型半導體區，摻雜濃度高的為緩衝區、摻雜濃度低的為漂移區；豎直設 置的內部溝槽隔離氧化層將頂層器件層隔離成主器件部分和續流二極體部分，其中內部溝 槽隔離氧化層將型緩衝區完全隔離，而將漂移區部分隔離；主器件部分的邊緣設置有邊緣 溝槽隔離氧化層，邊緣溝槽隔離氧化層與內部溝槽隔離氧化層平行，邊緣溝槽隔離氧化層 和內部溝槽隔離氧化層與隱埋氧化層相連；在頂層器件層漂移區的上表面遠離型緩衝區的一側向下摻雜形成與漂移區異型 的阱，阱沿水平方向貫穿主器件部分和續流二極體部分；在阱內沿上表面向下設置與阱同型的重摻雜的阱接觸區，阱接觸區沿水平方向貫穿主器件部分和續流二極體部分；在主器件部分的阱內沿上表面向下設置與漂移區同型的重摻雜源區，在阱內的源區的端面與邊緣 溝槽隔離氧化層和內部溝槽隔離氧化層緊密接觸、側面與主器件部分的阱接觸區緊密接 觸；其中在主器件部分的阱接觸區和源區構成主器件陰極區，在續流二極體部分的阱 作為續流二極體陽極區，阱接觸區作為續流二極體陽極接觸區；在主器件部分頂層器件層的型緩衝區的上表面遠離漂移區的一側向下摻雜形成 與阱同型的主器件陽極區；在主器件陽極區內沿上表面向下設置與阱同型重摻雜的主器件 陽極接觸區，在主器件陽極接觸區內遠離漂移區的一側沿上表面向下設置有主器件陽極短 路點區，主器件陽極短路點區沿豎直方向貫穿主器件陽極區；主器件陽極短路點區的兩個 端面、主器件陽極區的兩個端面以及主器件陽極接觸區的兩個端面分別與邊緣溝槽隔離氧 化層和內部溝槽隔離氧化層緊密接觸；在續流二極體部分頂層器件層的型緩衝區的上表面遠離漂移區的一側向下進行 同型重摻雜形成續流二極體陰極接觸區，其中續流二極體部分的型緩衝區作為續流二極體 陰極區；在漂移區的上表面設置有柵氧化層，柵氧化層將源區與漂移區之間的阱的上表面
完全覆蓋；場氧化層設置在頂層器件層上表面，場氧化層在主器件部分將柵氧化層以外的頂 層器件層覆蓋，在續流二極體部分將頂層器件層全部覆蓋；在主器件陰極區、主器件陽極接 觸區、續流二極體陽極接觸區和續流二極體陰極接觸區上開有接觸孔；在柵氧化層上表面設置有多晶矽柵極與柵場板區，多晶矽柵極與柵場板區將柵氧 化層的全部上表面以及與柵氧化層相鄰的場氧化層的部分上表面覆蓋；在主器件部分，裸露的柵氧化層的側表面和多晶磚柵極與柵場板區的表面上設置 有邊牆隔離氧化層；位於邊緣溝槽隔離氧化層上方的邊牆隔離氧化層上開有接觸孔；在所 有接觸孔上設置金屬薄膜電極。本發明由於將續流二極體集成在SOI LIGBT器件單元結構之中，使其無需外接任 何器件就具有逆嚮導通能力，能夠顯著改善SOI LIGBT器件速度、可靠性與使用壽命，減小 採用該種器件的各種電力電子系統的體積、重量和成本，並且有助於提高應用系統的工作 頻率、效率、使用壽命和可靠性。因此，本發明有利於節省資源、降低能耗、保護環境與可持 續發展。


圖1為本發明實施例的單元版圖結構示意圖；圖2為圖1的A-A向截面結構示意圖；圖3為圖1的B-B向截面結構示意圖。
具體實施例方式圖1、圖2和圖3 (兩點劃線之間的部分)為一個逆導型SOI LIGBT器件單元的結 構示意圖，其中圖2為(A-A向)SOI LIGBT截面示意圖，圖3為(B-B向)續流二極體截面示意圖。以下以N溝道為例詳細說明該逆導型SOILIGBT器件單元的結構。該逆導型SOI LIGBT器件單元包括半導體襯底1、隱埋氧化層2、N型緩衝區3、N_漂 移區4、P阱8、P阱接觸區6、源區7、柵氧化層9、主器件陽極區14、主器件陽極接觸區13、 主器件陽極短路點區15、場氧化層12、多晶矽柵極與柵場板區11、邊牆隔離氧化層10、邊緣 溝槽隔離氧化層16、內部溝槽隔離氧化層17、續流二極體陰極接觸區18。
水平設置的隱埋氧化層2將半導體襯底1和頂層器件層完全隔離。頂層器件層包 括摻雜濃度不同的兩個N型半導體區，摻雜濃度高的為N型緩衝區3、摻雜濃度低的為N—漂 移區4。豎直設置的內部溝槽隔離氧化層17將頂層器件層隔離成主器件部分和續流二極體 部分，其中內部溝槽隔離氧化層17將N型緩衝區3完全隔離，而將N—漂移區4部分隔離。 主器件部分的邊緣設置有邊緣溝槽隔離氧化層16，邊緣溝槽隔離氧化層16與內部溝槽隔 離氧化層17平行，邊緣溝槽隔離氧化層16和內部溝槽隔離氧化層17與隱埋氧化層2相連。
在頂層器件層N—漂移區4的上表面遠離N型緩衝區3的一側向下摻雜形成P阱8， P阱8沿水平方向貫穿主器件部分和續流二極體部分；在P阱8內沿上表面向下設置P阱 接觸區6，P阱接觸區6沿水平方向貫穿主器件部分和續流二極體部分；在主器件部分的P 阱8內沿上表面向下設置源區7，在P阱8內的源區7的端面與邊緣溝槽隔離氧化層16和 內部溝槽隔離氧化層17緊密接觸、側面與主器件部分的P阱接觸區6緊密接觸。其中在主器件部分的P阱接觸區6和源區7構成主器件陰極區，在續流二極體部 分的P阱接觸區6作為續流二極體陽極區，P阱接觸區6作為續流二極體陽極接觸區。在主器件部分頂層器件層的N型緩衝區3的上表面遠離N"漂移區4的一側向下 摻雜形成主器件陽極區14 ；在主器件陽極區14內沿上表面向下設置主器件陽極接觸區13， 在主器件陽極接觸區13內遠離N_漂移區4的一側沿上表面向下設置有主器件陽極短路點 區15，主器件陽極短路點區15沿豎直方向貫穿主器件陽極區14 ；主器件陽極短路點區15 的兩個端面、主器件陽極區14的兩個端面以及主器件陽極接觸區13的兩個端面分別與邊 緣溝槽隔離氧化層16和內部溝槽隔離氧化層17緊密接觸。在續流二極體部分頂層器件層的N型緩衝區3的上表面遠離N"漂移區4的一側 向下摻雜形成續流二極體陰極接觸區18，其中續流二極體部分的N型緩衝區3作為續流二 極管陰極區。在N—漂移區4的上表面設置有柵氧化層9，柵氧化層9將源區7與N—漂移區4之 間的P阱8的上表面完全覆蓋。場氧化層12設置在頂層器件層上表面，場氧化層12在主器件部分將柵氧化層9 以外的頂層器件層覆蓋，在續流二極體部分將頂層器件層全部覆蓋；在主器件陰極區、主器 件陽極接觸區13、續流二極體陽極接觸區和續流二極體陰極接觸區18上開有接觸孔。在柵氧化層9上表面設置有多晶矽柵極與柵場板區11，多晶矽柵極與柵場板區11 將柵氧化層9的全部上表面以及與柵氧化層9相鄰的場氧化層12的部分上表面覆蓋。在主器件部分，裸露的柵氧化層9的側表面和多晶矽柵極與柵場板區11的表面上 設置有邊牆隔離氧化層10 ；位於邊緣溝槽隔離氧化層16上方的邊牆隔離氧化層10上開有 接觸孔；在所有接觸孔上設置金屬薄膜電極5。將本實施例中的η和ρ對換即為ρ溝道逆導型SOI LIGBT器件單元結構。
權利要求
逆導型SOI LIGBT器件單元，其特徵在於該器件單元包括半導體襯底(1)、隱埋氧化層(2)、緩衝區(3)、漂移區(4)、與漂移區(4)異型的阱(8)、與阱(8)同型重摻雜的阱接觸區(6)、與漂移區(4)同型重摻雜的源區(7)、柵氧化層(9)、與阱(8)同型的主器件陽極區(14)、與阱同型重摻雜的主器件陽極接觸區(13)、與漂移區(4)同型的主器件陽極短路點區(15)、場氧化層(12)、主器件多晶矽柵極與柵場板區(11)、主器件邊牆隔離氧化層(10)、邊緣溝槽隔離氧化層(16)、內部溝槽隔離氧化層(17)、續流二極體陰極接觸區(18)；所述的緩衝區(3)和漂移區(4)為同型摻雜；水平設置的隱埋氧化層(2)將半導體襯底(1)和頂層器件層完全隔離；頂層器件層包括摻雜濃度不同的兩個同型半導體區，摻雜濃度高的為緩衝區(3)、摻雜濃度低的為漂移區(4)；豎直設置的內部溝槽隔離氧化層(17)將頂層器件層隔離成主器件部分和續流二極體部分，其中內部溝槽隔離氧化層(17)將型緩衝區(3)完全隔離，而將漂移區(4)部分隔離；主器件部分的邊緣設置有邊緣溝槽隔離氧化層(16)，邊緣溝槽隔離氧化層(16)與內部溝槽隔離氧化層(17)平行，邊緣溝槽隔離氧化層(16)和內部溝槽隔離氧化層(17)與隱埋氧化層(2)相連；在頂層器件層漂移區(4)的上表面遠離型緩衝區(3)的一側向下摻雜形成與漂移區(4)異型的阱(8)，阱(8)沿水平方向貫穿主器件部分和續流二極體部分；在阱(8)內沿上表面向下設置與阱同型的重摻雜的阱接觸區(6)，阱接觸區(6)沿水平方向貫穿主器件部分和續流二極體部分；在主器件部分的阱(8)內沿上表面向下設置與漂移區(4)同型的重摻雜源區(7)，在阱(8)內的源區(7)的端面與邊緣溝槽隔離氧化層(16)和內部溝槽隔離氧化層(17)緊密接觸、側面與主器件部分的阱接觸區(6)緊密接觸；其中在主器件部分的阱接觸區(6)和源區(7)構成主器件陰極區，在續流二極體部分的阱(8)作為續流二極體陽極區，阱接觸區(6)作為續流二極體陽極接觸區；在主器件部分頂層器件層的型緩衝區(3)的上表面遠離漂移區(4)的一側向下摻雜形成與阱同型的主器件陽極區(14)；在主器件陽極區(14)內沿上表面向下設置與阱同型重摻雜的主器件陽極接觸區(13)，在主器件陽極接觸區(13)內遠離漂移區(4)的一側沿上表面向下設置有主器件陽極短路點區(15)，主器件陽極短路點區(15)沿豎直方向貫穿主器件陽極區(14)；主器件陽極短路點區(15)的兩個端面、主器件陽極區(14)的兩個端面以及主器件陽極接觸區(13)的兩個端面分別與邊緣溝槽隔離氧化層(16)和內部溝槽隔離氧化層(17)緊密接觸；在續流二極體部分頂層器件層的型緩衝區(3)的上表面遠離漂移區(4)的一側向下進行同型重摻雜形成續流二極體陰極接觸區(18)，其中續流二極體部分的型緩衝區(3)作為續流二極體陰極區；在漂移區(4)的上表面設置有柵氧化層(9)，柵氧化層(9)將源區(7)與漂移區(4)之間的阱(8)的上表面完全覆蓋；場氧化層(12)設置在頂層器件層上表面，場氧化層(12)在主器件部分將柵氧化層(9)以外的頂層器件層覆蓋，在續流二極體部分將頂層器件層全部覆蓋；在主器件陰極區、主器件陽極接觸區(13)、續流二極體陽極接觸區和續流二極體陰極接觸區(18)上開有接觸孔；在柵氧化層(9)上表面設置有多晶矽柵極與柵場板區(11)，多晶矽柵極與柵場板區(11)將柵氧化層(9)的全部上表面以及與柵氧化層(9)相鄰的場氧化層(12)的部分上表面覆蓋；在主器件部分，裸露的柵氧化層(9)的側表面和多晶矽柵極與柵場板區(11)的表面上設置有邊牆隔離氧化層(10)；位於邊緣溝槽隔離氧化層(16)上方的邊牆隔離氧化層(10)上開有接觸孔；在所有接觸孔上設置金屬薄膜電極(5)。
全文摘要
本發明涉及一種逆導型SOI LIGBT器件單元。常規的SOI LIGBT由於沒有集成反向續流器件，不具備逆嚮導通功能。本發明包括半導體襯底、隱埋氧化層、緩衝區、漂移區、阱區、阱接觸區、源區、柵氧化層；其中隱埋氧化層將半導體襯底和頂層器件層完全隔離，頂層器件層分為緩衝區和漂移區，內部溝槽隔離氧化層將頂層器件層隔離成主器件部分和續流二極體部分；主器件部分上設置有主器件陽極接觸區、主器件陽極短路點區，續流二極體部分設置有續流二極體陰極接觸區。本發明由於將反向續流二極體集成在SOI LIGBT器件單元結構之中，無需外接任何器件就具有逆嚮導通能力，有利於節省資源、降低能耗。
文檔編號H01L27/12GK101872771SQ20101019747
公開日2010年10月27日 申請日期2010年6月8日 優先權日2010年6月8日
發明者張亮, 張帆, 張海鵬, 林彌, 牛小燕, 蘇步春 申請人:杭州電子科技大學