一種橫向溝槽絕緣柵雙極型電晶體及其製備方法
2023-04-29 02:05:31 1
一種橫向溝槽絕緣柵雙極型電晶體及其製備方法
【專利摘要】一種橫向溝槽絕緣柵雙極型電晶體及其製備方法。該結構包括：P型襯底，埋氧層，漂移區，在漂移區一側設有深溝槽柵，深P型體區，深P型體區內設有相連的向漂移區內延伸止於BOX層的深P型發射極區、深N型發射極區，在相連的深P型發射極區、深N型發射極區上方設有發射極金屬，另一側設有N型緩衝層和P型集電極區，在P型集電區上方設有集電極金屬，該半導體製備方法包括：襯底，埋氧層，N型外延層的製備，用深槽工藝結合多次外延多次高濃度離子注入工藝形成N型發射極、P型體區和P型發射極，用高濃度離子注入工藝形成N型緩衝層和P型集電極區，用槽柵工藝製造成多晶矽柵，打孔、澱積鋁形成電極。
【專利說明】一種橫向溝槽絕緣柵雙極型電晶體及其製備方法
【技術領域】
[0001] 本發明主要涉及功率半導體結構【技術領域】，具體來說，特別適用於大功率集成電 路如變頻調速、高壓輸電、電力牽引、變頻家電、半橋驅動電路以及汽車生產等領域。
【背景技術】
[0002] 絕緣柵雙極型電晶體是M0S柵結構結構與雙極型電晶體結構相結合進化而成 的複合型功率結構，它完美結合了 M0S管開關速度快和雙極型電晶體電流能力強的優 點，已廣泛運用於變頻家電、感應加熱、工業變頻、光伏發電、風力發電、機車牽引等領域。 其中，絕緣體上娃橫向絕緣柵雙極型電晶體（SOI-Lateral Insulated Gate Bipolar Transistor，SOI-LIGBT)是一種典型的基於SOI工藝的結構，具有易於集成、耐壓高、驅動 電流能力強、開關速度快等優點，在功率集成電路中得到了廣泛應用。
[0003] 隨著IGBT應用的普及，對其性能的要求也日益苛刻，不同應用領域對其需求亦 逐漸分化，這就促使我們在現有結構上對其進行更進一步的優化，使其更進一步的適應不 同的領域。傳統的橫向S0I-LIGBT雖然具有易集成等優勢，但是其為表面型結構，電子在結 構表面的遷移率較低，所以電流密度較低，在保證結構耐壓的條件下，難以獲得較高的電流 驅動能力，極大地限制了其在大功率集成電路中的應用。
[0004] 橫向溝槽絕緣柵雙極型電晶體（普通溝槽柵型LIGBT)的出現，使LIGBT的電流能 力得到了較大的提升，但是由於其存儲的載流子較多，且空穴在關斷時需要繞過溝槽，所以 其關斷速度較慢，關斷損耗較大，其在大功率集成電路中的應用也受到了限制。
【發明內容】
[0005] 本發明針對上述問題，提出了一種橫向溝槽絕緣柵雙極型電晶體及其製備方法， 本發明結構可以大大增加提高結構的電流能力，顯著減小結構的正嚮導通壓降，並且提高 器件關斷速度，實現器件正嚮導通壓降和關斷損耗之間的良好折中。
[0006] 本發明提供如下技術方案：
[0007] -種橫向溝槽絕緣柵雙極型電晶體，包括：P型襯底，在P型襯底上設有埋氧層，在 埋氧層上設有N型漂移區，在N型漂移區的上表面上方設有氧化層，在N型漂移區的上表面 下方設有多晶矽柵、P型體區和N型緩衝層，在P型體區內設有發射極區，在發射極區上設有 發射極鋁電極，在N型緩衝層內設有P型集電極區，在P型集電極區上設有集電極鋁電極， 並且，所述N型緩衝層和P型集電極區位於N型漂移區的一側，所述P型體區和發射極區位 於N型漂移區的另一側，其特徵在於，所述多晶矽柵貫穿N型漂移區且始於N型漂移區的上 表面並止於埋氧層，在多晶矽柵的外周面上設有一層柵氧化層且柵氧化層將多晶矽柵圍合 其內，所述P型體區始於N型漂移區的上表面並止於埋氧層，P型體區在N型漂移區的上表 面上的形狀呈現閉合，且P型體區貫穿N型漂移區並始於N型漂移區的上表面、止於埋氧 層，位於P型體區內的發射極區由P型發射極及分別位於P型發射極兩側的第一 N型發射 極和第二N型發射極組成，所述所述第一 N型發射極、第二N型發射極和P型發射極貫穿N 型漂移區且始於N型漂移區的上表面並止於埋氧層，所述柵氧化層及其內的多晶矽柵橫向 切入第一 N型發射極、第二N型發射極、P型發射極和P型體區內並將第一 N型發射極、第 二N型發射極、P型發射極和P型體區分隔成兩部分，多晶矽柵底部到埋氧層上表面之間 的距離介於Oum到30um之間，P型體區的底部到埋氧層上表面之間的距離介於Oum到30um 之間，第一N型發射極和第二N型發射極的底部和P型發射極的底部到埋氧層上表面之間 的距離介於Oum到30um之間，P型體區的各外側邊界到與P型體區的外側邊界所對應的N 型緩衝層的元胞邊界的距離分別為3um到30um之間，所述橫向溝槽絕緣柵雙極型電晶體 的製備方法，包括以下步驟：P型襯底、埋氧層的製備，在埋氧層上外延N型外延層，用深槽 工藝結合多次外延多次高濃度離子注入工藝形成第一 N型發射極、第二N型發射極、P型體 區和P型發射極，用高濃度離子注入工藝形成N型緩衝層和P型集電極區，用槽柵工藝製造 成多晶矽柵，在器件表面澱積氧化層，接著進行打孔處理、澱積金屬鋁形成發射極鋁電極和 集電極鋁電極。
[0008] 與現有技術相比，本發明具有如下優點：
[0009] 本發明的橫向溝槽絕緣柵雙極型電晶體（本發明LIGBT)可以巧妙的解決上述問 題，它可以通過控制溝槽柵、P型發射極、N型發射極深度，在不增加結構面積的前提下增加 溝道個數和溝道面積來大大提升結構的電流密度。與此同時，結構在關斷時，由於本發明結 構的柵集電容較小，從而加快了結構的關斷速度，實現了結構正嚮導通壓降和關斷損耗之 間的良好折中。
[0010] 在本發明LIGBT的集電極和發射極之間加上正的電壓，且當LIGBT柵極所加的電 壓超過LIGBT的閾值電壓時，LIGBT導通，電子從LIGBT的發射極區注入到漂移區，大量空 穴從LIGBT的集電極區注入到漂移區形成電導調製效應。本發明結構中，N型發射極向漂 移區深度方向延伸並貫穿整個漂移區，即溝道的有效寬度大大增加，並且本發明結構有兩 條溝道貢獻電流，且所述溝道為橫向溝道，所以整個漂移區內都均勻充滿了電子電流和空 穴電流，不存在局部高阻區域。而普通溝槽柵型LIGBT的溝道寬度有限，且所述溝道為縱向 溝道，所以電子電流和空穴電流在漂移區內部不均勻分布，使得其可能存在局部高阻區域。 故本發明結構大大提高了電流驅動能力，顯著降低了結構的正嚮導通壓降。
[0011] 在本發明LIGBT柵極所加的電壓低於閾值電壓時，結構關斷，P型體區與N型漂移 區所構成的PN結反偏，漂移區內存儲的空穴將迅速流向IGBT的發射極區，由於本發明結構 的柵極與N型漂移區的接觸面積只包括兩個窄側面，而普通溝槽柵型LIGBT的柵極與N型 漂移區的接觸面積包括兩個寬側面和底部面積，即本發明結構的柵集接觸面積相比於普通 溝槽柵型LIGBT的大大減小，即柵極集電極電容（柵集電容）大大減小，從而顯著減小了本 發明LIGBT的關斷時間，實現正嚮導通壓降與關斷損耗之間的良好折中。
[0012] 本發明結構在大大提高電流驅動能力的同時，並不增加結構原有的版圖面積。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0013] 圖1所示為普通橫向溝槽絕緣柵雙極型電晶體的三維結構電流圖。
[0014] 圖2所示為本發明橫向溝槽絕緣柵雙極型電晶體的三維結構圖。
[0015] 圖3所示為本發明橫向溝槽絕緣柵雙極型電晶體的三維結構側視圖（去掉氧化 層、鋁電極）。
[0016] 圖4所示為本發明橫向溝槽絕緣柵雙極型電晶體的三維結構電流圖（去溝槽柵、 氧化層和發射極鋁電極）。
[0017] 圖5所示為本發明結構與普通橫向溝槽絕緣柵雙極型電晶體的電流能力對比圖。
[0018] 圖6所示為本發明結構與普通橫向溝槽絕緣柵雙極型電晶體的柵集電容對比圖。 [0019] 圖7所示為本發明結構與普通橫向溝槽絕緣柵雙極型電晶體的關斷曲線對比圖。
[0020] 圖8所示為本發明結構製作工藝流程圖。
【具體實施方式】
[0021] 下面結合圖2,對本發明做詳細說明，一種橫向溝槽絕緣柵雙極型電晶體，包括：P 型襯底1，在P型襯底1上設有埋氧層2,在埋氧層2上設有N型漂移區3,在N型漂移區3 的上表面上方設有氧化層9,在N型漂移區3的上表面下方設有多晶矽柵4、P型體區8和N 型緩衝層12,在P型體區8內設有發射極區，在發射極區上設有發射極鋁電極7,在N型緩 衝層12內設有P型集電極區11，在P型集電極區11上設有集電極鋁電極10,並且，所述N 型緩衝層12和P型集電極區11位於N型漂移區3的一側，所述P型體區8和發射極區位 於N型漂移區3的另一側，其特徵在於，所述多晶矽柵4貫穿N型漂移區3且始於N型漂移 區3的上表面並止於埋氧層2,在多晶矽柵4的外周面上設有一層柵氧化層13且柵氧化層 13將多晶矽柵4圍合其內，所述P型體區8始於N型漂移區3的上表面並止於埋氧層2, P 型體區8在N型漂移區3的上表面上的形狀呈現閉合，且P型體區8貫穿N型漂移區3並 始於N型漂移區3的上表面、止於埋氧層2,位於P型體區8內的發射極區由P型發射極6 及分別位於P型發射極6兩側的第一 N型發射極5和第二N型發射極14組成，所述所述第 一 N型發射極5、第二N型發射極14和P型發射極6貫穿N型漂移區3且始於N型漂移區 3的上表面並止於埋氧層2,所述柵氧化層13及其內的多晶矽柵4橫向切入第一 N型發射 極5、第二N型發射極14、P型發射極6和P型體區8內並將第一 N型發射極5、第二N型發 射極14、P型發射極6和P型體區8分隔成兩部分。
[0022] 所述的一種橫向溝槽絕緣柵雙極型電晶體，其特徵在於多晶矽柵4底部到埋氧層 2上表面之間的距離介於Oum到30um之間。
[0023] 所述的一種橫向溝槽絕緣柵雙極型電晶體，其特徵在於P型體區8的底部到埋氧 層2上表面之間的距離介於Oum到30um之間。
[0024] 所述的一種橫向溝槽絕緣柵雙極型電晶體，其特徵在於第一 N型發射極5和第二N 型發射極14的底部和P型發射極6的底部到埋氧層2上表面之間的距離介於Oum到30um 之間。
[0025] 所述的一種橫向溝槽絕緣柵雙極型電晶體，其特徵在於P型體區8的各外側邊界 到與P型體區8的外側邊界所對應的N型緩衝層12的元胞邊界的距離分別為3um到30um 之間。
[0026] 所述的一種橫向溝槽絕緣柵雙極型電晶體的製備方法，其特徵在於，包括以下步 驟：P型襯底1、埋氧層2的製備，在埋氧層2上外延N型外延層3,用深槽工藝結合多次外延 多次高濃度離子注入工藝形成第一 N型發射極5、第二N型發射極14、P型體區8和P型發 射極6,用高濃度離子注入工藝形成N型緩衝層12和P型集電極區11，用槽柵工藝製造成 多晶矽柵4,在器件表面澱積氧化層9,接著進行打孔處理、澱積金屬鋁形成發射極鋁電極7 和集電極鋁電極10。
[0027] 下面具體描述本發明器件的實際製造過程：襯底、埋氧層以及N型外延層的製備， 然後用深槽工藝刻蝕出本發明結構中的發射極有源區，在槽中進行第一次N型外延和P型 外延，並在此基礎上進行硼離子注入形成P型體區，然後進行高濃度的硼離子注入形成P型 發射極區、進行高濃度的磷離子注入形成N型發射極區，接著在槽中進行第二次外延，重複 上述離子注入步驟，在進行多次外延多次高濃度離子注入後最終形成第一 N型發射極、第 二N型發射極、P型體區和P型發射極，然後製作犧牲氧化層，在此基礎上進行高濃度的磷 離子注入形成N型緩衝層，高濃度的硼離子注入形成P型集電極區，然後採用槽柵工藝製作 多晶矽柵，在此之後在器件表面澱積一層氧化層，接著進行打孔處理、澱積金屬鋁發射極鋁 電極和集電極鋁電極，如圖8所示.
[0028] 下面結合附圖對本發明進行進一步說明。
[0029] 本發明的工作原理：
[0030] 在本發明LIGBT的集電極和發射極之間加上正的電壓，當本發明LIGBT所加的 電壓超過閾值電壓時，IGBT導通，電子從LIGBT的第一 N型發射極5與P型體區8構成 的第一溝道和第二N型發射極發射極14與P型體區8構成的第二溝道分別注入漂移區 (如圖4所示），第二N型發射極發射極14與P型體區8構成的第二溝道電子電流直接 流向集電極區，而第一 N型發射極5與P型體區8構成的第一溝道電子電流需經過頸區 到達集電極區，所以對於器件的電子電流貢獻能力小於第二N型發射極發射極14與P型 體區8構成的第二溝道的，設上述兩側溝道總電子電流為1_，根據M0S管知識可知，電流 大小為
【權利要求】
1. 一種橫向溝槽絕緣柵雙極型電晶體，包括：p型襯底（1 )，在P型襯底（1)上設有埋 氧層（2 )，在埋氧層（2 )上設有N型漂移區（3 )，在N型漂移區（3 )的上表面上方設有氧化層 (9)，在N型漂移區（3)的上表面下方設有多晶矽柵（4)、P型體區（8)和N型緩衝層（12)， 在P型體區（8)內設有發射極區，在發射極區上設有發射極鋁電極（7)，在N型緩衝層（12) 內設有P型集電極區（11)，在P型集電極區（11)上設有集電極鋁電極（10)，並且，所述N型 緩衝層（12)和P型集電極區（11)位於N型漂移區（3)的一側，所述P型體區（8)和發射極 區位於N型漂移區（3)的另一側，其特徵在於，所述多晶矽柵（4)貫穿N型漂移區（3)且始 於N型漂移區（3)的上表面並止於埋氧層（2)，在多晶矽柵（4)的外周面上設有一層柵氧化 層（13)且柵氧化層（13)將多晶矽柵（4)圍合其內，所述P型體區（8)始於N型漂移區（3) 的上表面並止於埋氧層（2)，P型體區（8)在N型漂移區（3)的上表面上的形狀呈現閉合，且 P型體區（8)貫穿N型漂移區（3)並始於N型漂移區（3)的上表面、止於埋氧層（2)，位於P 型體區（8)內的發射極區由P型發射極（6)及分別位於P型發射極（6)兩側的第一 N型發 射極（5)和第二N型發射極（14)組成，所述所述第一 N型發射極（5)、第二N型發射極（14) 和P型發射極（6)貫穿N型漂移區（3)且始於N型漂移區（3)的上表面並止於埋氧層（2)， 所述柵氧化層（13)及其內的多晶矽柵（4)橫向切入第一 N型發射極（5)、第二N型發射極 (14)、P型發射極（6)和P型體區（8)內並將第一 N型發射極（5)、第二N型發射極（14)、P 型發射極（6)和P型體區（8)分隔成兩部分。
2. 根據權利要求1所述的一種橫向溝槽絕緣柵雙極型電晶體，其特徵在於多晶矽柵 (4)底部到埋氧層（2)上表面之間的距離介於Oum到30um之間。
3. 根據權利要求1所述的一種橫向溝槽絕緣柵雙極型電晶體，其特徵在於P型體區 (8)的底部到埋氧層（2)上表面之間的距離介於Oum到30um之間。
4. 根據權利要求1所述的一種橫向溝槽絕緣柵雙極型電晶體，其特徵在於第一 N型發 射極（5)和第二N型發射極（14)的底部和P型發射極（6)的底部到埋氧層（2)上表面之間 的距離介於Oum到30um之間。
5. 根據權利要求1所述的一種橫向溝槽絕緣柵雙極型電晶體，其特徵在於P型體區 (8)的各外側邊界到與P型體區（8)的外側邊界所對應的N型緩衝層（12)的元胞邊界的距 離分別為3um到30um之間。
6. -種橫向溝槽絕緣柵雙極型電晶體的製備方法，其特徵在於，包括以下步驟：P型 襯底（1)、埋氧層（2)的製備，在埋氧層（2)上外延N型外延層（3)，用深槽工藝結合多次外 延多次高濃度離子注入工藝形成第一 N型發射極（5)、第二N型發射極（14)、P型體區（8) 和P型發射極（6)，用高濃度離子注入工藝形成N型緩衝層（12)和P型集電極區（11 )，用槽 柵工藝製造成多晶矽柵（4)，在器件表面澱積氧化層（9)，接著進行打孔處理、澱積金屬鋁 形成發射極鋁電極（7 )和集電極鋁電極（10 )。
【文檔編號】H01L29/739GK104299992SQ201410571052
【公開日】2015年1月21日 申請日期:2014年10月23日 優先權日:2014年10月23日
【發明者】孫偉鋒, 喻慧, 張龍, 祝靖, 陸生禮, 時龍興 申請人:東南大學