一種基於雙溝道結構的soi-ligbt器件的製作方法

2023-05-03 23:28:36 2

專利名稱：一種基於雙溝道結構的soi-ligbt器件的製作方法
技術領域：
本發明屬於半導體器件技術領域，具體涉及ー種基於雙溝道結構的S0I-LIGBT器件。
背景技術：
LIGBT (Lateral Insulated-Gate Bipolar Transistor,橫向絕緣柵雙極型電晶體)是ー種將功率MOSFET的優點(易於驅動，控制簡單，開關速度快)和雙極電晶體的優點(電流處理能力大、飽和壓降低、開關損耗小)集於一身的電晶體，是電子產業中必不可少的功率「芯髒」，廣泛被用於功率輸出驅動電路的輸出級。而SOI (Silicon On Insulator, 絕緣體上矽)技術以其理想的介質隔離性能，廣泛用於功率集成電路製造中。S0I-LIGBT器件是基於SOI技術製造的LIGBT器件，由於其與襯底以及其他高低壓器件被介質完全隔離，消除了器件之間的寄生效應，從而避免了器件與襯底和器件與器件之間的閂鎖效應；閂鎖效應是由寄生的n-p-n-p結構產生，當寄生NPN電晶體和寄生PNP電晶體均導通且形成正反饋時，會引起電流增加，嚴重會導致電路失效，甚至燒毀晶片。然而，由於S0I-LIGBT器件自身的特殊結構(內部存在寄生晶閘管結構)，器件內仍然可能發生閂鎖效應。圖I所示了一種傳統的S0I-LIGBT器件，其中101是P型襯底，102是埋氧層，103是N-外延層，104是場氧層，105是P-體區，106是P+接觸區，107是N+發射極，108是柵氧層，109是多晶娃柵電極，110是LIGBT P+集電極，111是N-緩衝層。S0I-LIGBT器件體內，P+集電極109，N-緩衝層110，N-外延層103，P-體區105，N+發射極107共同構成了寄生晶閘管，如圖I中NPN電晶體T1、PNP電晶體T2所示。大電流工作吋，當電晶體Tl、T2均開啟，且形成正反饋，S0I-LIGBT器件內部即發生閂鎖效應，導致其失去柵控能力，且長時間處於大電流工作狀態，最終導致器件燒毀失效。

發明內容
針對現有技術所存在的上述技術缺陷，本發明提供了一種基於雙溝道結構的S0I-LIGBT器件，通過改變器件導通時內部電流的走向，抑制了寄生晶閘管的開啟，提高了器件的抗閂鎖能力，從而提升了器件的可靠性。一種基於雙溝道結構的S0I-LIGBT器件，包括P型襯底；所述的P型襯底上鋪設有埋氧層，所述的埋氧層上鋪設有N-外延層，所述的N-外延層上嵌設有P+集電極區，所述的P+集電極區上設有金屬電極；位於P+集電極區ー側的N-外延層上並排設有兩個相互対稱的體區結構；所述的體區結構包括設於N-外延層上P阱、嵌設於P阱上的N+發射極區以及貫穿P阱的P+接觸區；所述的P+接觸區一端穿出P阱後伸入N-外延層內；所述的體區結構上設有連接N+發射極區和P+接觸區的金屬電極，兩個體區結構分別對應的兩個金屬電極相連通；所述的P+集電極區與其相鄰的體區結構之間的N-外延層上鋪設有場氧層；兩個體區結構之間的N-外延層上鋪設有柵氧層，所述的柵氧層兩側分別延伸至與兩個體區結構對應的兩個N+發射極區相接觸，所述的柵氧層上設有柵電極區。位於柵氧層下方的兩塊P阱區域即為器件的兩個溝道區。優選地，所述的N-外延層上設有N阱，所述的P+集電極區嵌設於所述的N阱上；N阱可以弱化集電極區附近的高電場，有效提高器件的關態雪崩擊穿電壓。所述的場氧層ー側延伸至與所述的N阱相接觸。優選地，所述的P+集電極區上的金屬電極以及與P+集電極區相鄰的體區結構上的金屬電極延伸覆蓋至場氧層上；可以弱化表面電場，有效提高器件的關態雪崩擊穿電壓。
所述的埋氧層、場氧層和柵氧層均採用ニ氧化矽。所述的柵電極區採用多晶矽。上述S0I-LIGBT器件的寄生等效電路由三個三極體Tl T3和三個電阻Rl R3組成；其中，電阻R3的一端與三極體T3的發射極相連，電阻R3的另一端與三極體T3的基極、三極體Tl的集電極和三極體T2的集電極相連，三極體T3的集電極與三極體Tl的基極、三極體T2的基極、電阻Rl的一端和電阻R2的一端相連，三極體Tl的發射極與三極體T2的發射極、電阻Rl的另一端和電阻R2的另一端相連。其中，三極體Tl T2為NPN型三極體，三極體T3為PNP型三極體。三極體T3的發射極和基極分別等效對應P+集電極區和N-外延層，三極體Tl T2的發射極分別等效對應兩個N+發射極區，三極體Tl T2的基極分別等效對應兩個P阱，三極體Tl T3的基極均等效對應N-外延層；電阻Rl R2分別等效對應兩個P阱內的阱電阻，電阻R3等效對應N阱內的阱電阻。本發明通過在發射極處設置兩個溝道區，使空穴電流從集電極流到發射極時，均分成兩股電流，分別經兩個由N+發射極區、P阱和P+接觸區組成的寄生NPN三極體基極洩放，因此，流過寄生NPN三極體基極電流減小為總電流的一半；同吋，P+接觸區結深較深、摻雜濃度大，寄生NPN三極體基極電阻小。故基於上述兩個改進技術特徵，使得兩個寄生NPN三極體開啟的難度大大增加(三極體的基極電壓-發射極電壓> 0. 7V吋，三極體才會開啟)，進而有效抑制了寄生晶閘管的觸發難度。故相比現有技術，本發明具有以下有益效果(I)本發明器件寄生晶閘管的觸發難度大，器件抗閂鎖能力強，可靠性好。(2)本發明器件加強了電導調製效應，其電流密度提高了，但並不影響器件的關態雪崩擊穿電壓。(3)本發明器件的製作並不需要額外エ藝步驟，與現有的集成電路製造エ藝完全兼容。


圖I為傳統S0I-LIGBT器件的結構示意圖。圖2為本發明S0I-LIGBT器件的結構示意圖。圖3為本發明S0I-LIGBT器件的寄生等效電路示意圖。圖4為寄生等效電路的原通不意圖。圖5為本發明S0I-LIGBT器件的エ藝製備流程圖。
圖6為傳統S0I-LIGBT器件和本發明S0I-LIGBT器件的閂鎖觸發電壓曲線圖。圖7為傳統S0I-LIGBT器件和本發明S0I-LIGBT器件的集電極電流密度曲線圖。圖8為傳統S0I-LIGBT器件和本發明S0I-LIGBT器件的關態雪崩擊穿電壓曲線圖。
具體實施例方式為了更為具體地描述本發明，下面結合附圖及具體實施方式
對本發明的技術方案及其相關原理進行詳細說明。如圖2所示，一種基於雙溝道結構的S0I-L IGBT器件，包括P型襯底10 ；P型襯底10上鋪設有埋氧層11，埋氧層11上鋪設有N-外延層12，N-外延層12上設有N阱20，N阱20上嵌設有P+集電極區40，P+集電極區40上設有金屬電極50 ;位於P+集電極區40 —側的N-外延層上並排設有兩個相互対稱的體區結構；其中第二體區結構與P+集電極區40相鄰；第一體區結構包括設於N-外延層12上P阱21、嵌設於P阱21上的N+發射極區41以及貫穿P阱21的P+接觸區31 ;P+接觸區31 —端穿出P阱21後伸入N-外延層12內；第一體區結構上設有連接N+發射極區41和P+接觸區31的金屬電極51 ；第二體區結構包括設於N-外延層12上P阱22、嵌設於P阱22上的N+發射極區42以及貫穿P阱22的P+接觸區32 ;P+接觸區32 —端穿出P阱22後伸入N-外延層12內；第二體區結構上設有連接N+發射極區42和P+接觸區32的金屬電極52 ；兩個金屬電極51 52相連通；P+集電極區40與第二體區結構之間的N-外延層12上鋪設有場氧層13 ;場氧層13 —側延伸至與N阱20相接觸；兩個體區結構之間的N-外延層12上鋪設有柵氧層14，柵氧層14兩側分別延伸至與兩個N+發射極區41 42相接觸,柵氧層14上設有柵電極區15 ；金屬電極50以及金屬電極52延伸覆蓋至場氧層13上。位於柵氧層14下方的兩塊P阱21 22區域即為器件的兩個溝道區。埋氧層11、場氧層13和柵氧層14均採用ニ氧化矽；柵電極區15採用多晶矽。如圖3所示，本實施方式器件的寄生等效電路由三個三極體Tl T3和三個電阻Rl R3組成；其中，電阻R3的一端與三極體T3的發射極相連，電阻R3的另一端與三極體T3的基極、三極體Tl的集電極和三極體T2的集電極相連，三極體T3的集電極與三極體Tl的基極、三極體T2的基極、電阻Rl的一端和電阻R2的一端相連，三極體Tl的發射極與三極體T2的發射極、電阻Rl的另一端和電阻R2的另一端相連。其中，三極體TI T2為NPN型三極體，三極體T3為PNP型三極體。三極體T3的發射極和基極分別等效對應P+集電極區40和N-外延層12，三極體Tl T2的發射極分別等效對應兩個N+發射極區41 42，三極體Tl T2的基極分別等效對應兩個P阱21 22，三極體Tl T3的基極均等效對應N-外延層12 ；電阻Rl R2分別等效對應兩個P阱21 22內的阱電阻，電阻R3等效對應N阱20內的阱電阻。當器件工作時，其內部電路工作原理如圖4所示。T3處於導通狀態，集電極電流IC3流向Tl和T2的基板。由於本實施方式設置了兩個溝道區，使得空穴電流IC3均分成兩股電流，其中小部分電流IBl和IB2通過Tl和T2的基極洩放，其餘電流IRl和IR2分別通過寄生電阻Rl和R2洩放。因此，Tl和T2的基極-發射極之間的電壓降約為0. 5IC3R。相比傳統S0I-LIGBT器件中的寄生NPN三極體(其基極-發射極之間的電壓降約為IC3R)，本實施方式中的寄生NPN三極體的開啟難度提高了近一倍(基極-發射極之間的電壓降>0. 7V時，三極體才開啟)；同吋，P+接觸區結深較深、摻雜濃度大，Tl和T2的基極電阻小。基於上述兩個技術特徵，本實施方式有效抑制了由T1、T2和T3組成的寄生晶閘管的觸發難度，提高了器件的抗閂鎖能力。本實施方式器件的エ藝製備過程如下(I)製備具有N型外延層的絕緣體上矽圓片，形成P型襯底，埋氧層和N-外延層， 如圖5(a)所示；(2)通過高能磷離子注入，並高溫退火形成N阱，如圖5(b)所示；(3)通過高溫氧化、刻蝕，分別形成場氧層和柵氧層，如圖5 (C)所示；(4)澱積多晶矽，並刻蝕出多晶矽柵電極區，如圖5(d)所示；(5)通過高能量硼離子注入，並高溫退火形成兩個P阱，如圖5(e)所示；(6)通過高劑量硼離子注入形成兩個P+接觸區和ー個P+集電極區；接著通過高劑量磷離子注入以及低溫退火，形成兩個N+發射極區，如圖5(f)所示；(7)刻蝕電極接觸孔，澱積金屬引線層並刻蝕掉多餘金屬，形成最終S0I-LIGBT器件結構，如圖5(g)所示。以下我們通過エ藝仿真軟體Tsuprem4和器件仿真軟體Medici對本實施方式進行了仿真驗證。圖6比較了傳統S0I-LIGBT器件和本實施方式器件的抗閂鎖能力；從圖中可以看出，施加柵壓Vge為50V時，傳統S0I-LIGBT器件的閂鎖觸發電壓為3. 4V(即圖中集電極電壓-集電極電流曲線回滯點)，而本實施方式器件的閂鎖觸發電壓為6. 4V。本實施方式器件的抗閂鎖能力較傳統S0I-LIGBT器件提高了近一倍，改進效果明顯，器件可靠性明顯提高。圖7為傳統S0I-LIGBT器件和本實施方式器件集電極電流密度對比結果，可見本實施方式器件的集電極電流密度較傳統S0I-LIGBT器件的電流密度大大提高了。圖8為傳統S0I-LIGBT器件和本實施方式器件關態擊穿電壓比較圖，可見本實施方式器件的關態擊穿電壓可以保持與傳統S0I-LIGBT器件基本一致。
權利要求
1.一種基於雙溝道結構的SOI-LIGBT器件，包括P型襯底； 所述的P型襯底上鋪設有埋氧層，所述的埋氧層上鋪設有N-外延層，所述的N-外延層上嵌設有P+集電極區，所述的P+集電極區上設有金屬電極；其特徵在於位於P+集電極區一側的N-外延層上並排設有兩個相互對稱的體區結構； 所述的體區結構包括設於N-外延層上P阱、嵌設於P阱上的N+發射極區以及貫穿P阱的P+接觸區；所述的P+接觸區一端穿出P阱後伸入N-外延層內； 所述的體區結構上設有連接N+發射極區和P+接觸區的金屬電極，兩個體區結構分別對應的兩個金屬電極相連通； 所述的P+集電極區與其相鄰的體區結構之間的N-外延層上鋪設有場氧層；兩個體區結構之間的N-外延層上鋪設有柵氧層，所述的柵氧層兩側分別延伸至與兩個體區結構對應的兩個N+發射極區相接觸，所述的柵氧層上設有柵電極區。·
2.根據權利要求I所述的基於雙溝道結構的S0I-LIGBT器件，其特徵在於所述的N-外延層上設有N阱，所述的P+集電極區嵌設於所述的N阱上。
3.根據權利要求2所述的基於雙溝道結構的S0I-LIGBT器件，其特徵在於所述的場氧層一側延伸至與所述的N阱相接觸。
4.根據權利要求I所述的基於雙溝道結構的S0I-LIGBT器件，其特徵在於所述的P+集電極區上的金屬電極以及與P+集電極區相鄰的體區結構上的金屬電極延伸覆蓋至場氧層上。
5.根據權利要求I所述的基於雙溝道結構的S0I-LIGBT器件，其特徵在於所述的埋氧層、場氧層和柵氧層均採用二氧化矽。
6.根據權利要求I所述的基於雙溝道結構的S0I-LIGBT器件，其特徵在於所述的柵電極區採用多晶矽。
全文摘要
本發明公開了一種基於雙溝道結構的SOI-LIGBT器件，包括P型襯底；P型襯底上鋪設有埋氧層，埋氧層上鋪設有N-外延層，N-外延層上嵌設有P+集電極區，位於P+集電極區一側的N-外延層上並排設有兩個相互對稱的體區結構；體區結構包括設於N-外延層上P阱、嵌設於P阱上的N+發射極區以及貫穿P阱的P+接觸區。本發明通過在發射極處設置兩個溝道區，使空穴電流從集電極流到發射極時，均分成兩股電流，故流過寄生NPN三極體基極電流減小為總電流的一半；抑制了寄生晶閘管的開啟，提高了器件的抗閂鎖能力，從而提升了器件的可靠性。
文檔編號H01L29/10GK102956687SQ201210422280
公開日2013年3月6日 申請日期2012年10月30日 優先權日2012年10月30日
發明者張世峰, 韓雁, 張斌, 張煒, 吳煥挺 申請人:浙江大學