專利名稱：降低熱載流子效應(yīng)的n型橫向絕緣柵雙極型器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及高壓功率半導(dǎo)體器件領(lǐng)域，是關(guān)于一種適用于高壓應(yīng)用的降低熱 載流子效應(yīng)的N型橫向絕緣柵雙極型器件。
背景技術(shù)：
功率半導(dǎo)體器件是電力電子系統(tǒng)進(jìn)行能量控制和轉(zhuǎn)換的基本電子元件，電力電子 技術(shù)的不斷發(fā)展為半導(dǎo)體功率器件開拓了廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，而半導(dǎo)體功率器件的導(dǎo)通電阻 和擊穿電壓等特性則決定了電力電子系統(tǒng)的效率、功耗等基本性能。隨著人們對現(xiàn)代化生活需求的日益增強(qiáng)，功率集成電路產(chǎn)品的性能越來越受到關(guān) 注，其中功率集成電路的壽命越來越成為最為主要的性能指標(biāo)之一。決定功率集成電路使 用壽命大小的因素除了功率集成電路本身電路結(jié)構(gòu)、設(shè)計以及電路所采用的制造工藝之 外，所采用的功率器件性能便是功率集成電路整體性能的關(guān)鍵。近來絕緣體上硅制造技術(shù)日益成熟，與通過傳統(tǒng)的體型襯底硅晶圓生產(chǎn)的芯片相 比，基于絕緣體上硅的芯片結(jié)構(gòu)中絕緣層把活動硅膜層與體型襯底硅基板分隔開來，因此 大面積的PN結(jié)將被介電隔離取代。各種阱可以向下延伸至氧化埋層，有效減少了漏電流和 結(jié)電容。其結(jié)果必然是大幅度提高了芯片的運(yùn)行速度，拓寬了器件工作的溫度范圍。隨著 絕緣體上硅的橫向雙擴(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管的出現(xiàn)，它以普通橫向雙擴(kuò)散金屬氧化 物半導(dǎo)體晶體管無法比擬的優(yōu)點(diǎn)(功耗低、抗干擾能力強(qiáng)、集成密度高、速度快、消除閂鎖 效應(yīng))而得到學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛垂青。絕緣柵雙極型晶體管綜合了雙極型晶體管和絕緣柵場效應(yīng)管器件的優(yōu)點(diǎn)，驅(qū)動功 率小而飽和壓降低。非常適合應(yīng)用于直流電壓為600V及以上的變流系統(tǒng)如交流電機(jī)、變頻 器、開關(guān)電源、照明電路、牽引傳動等領(lǐng)域。目前，功率半導(dǎo)體器件的主要性能由擊穿電壓，導(dǎo)通電阻，增益來衡量。另外，由于 功率半導(dǎo)體器件工作在很高的電壓下，熱載流子效應(yīng)會導(dǎo)致器件的閾值電壓，導(dǎo)通電阻，增 益等性能參數(shù)隨著使用時間的增加而出現(xiàn)不同程度的退化，嚴(yán)重影響器件的使用壽命。如 何降低熱載流子效應(yīng)成為研究功率半導(dǎo)體器件，提高器件壽命的重要課題之一。本實用新型就是針對這一問題而提出的改進(jìn)結(jié)構(gòu)的絕緣體上硅橫向絕緣柵雙極 型晶體管。

實用新型內(nèi)容本實用新型提供一種能夠有效降低熱載流子效應(yīng)的N型橫向絕緣柵雙極型器件。本實用新型采用如下技術(shù)方案一種降低熱載流子效應(yīng)的N型橫向絕緣柵雙極型器件，包括P型襯底，在P型襯 底上設(shè)有埋氧，在埋氧上設(shè)有P型外延層，在P型外延層上設(shè)有N型阱和P阱區(qū)，在N型阱 上設(shè)有N型緩沖阱，在N型緩沖阱上設(shè)有P型陽區(qū)，在P阱區(qū)上設(shè)有N型陰區(qū)和P型體接觸 區(qū)，在P型外延區(qū)的表面設(shè)有柵氧化層且柵氧化層自P型外延區(qū)延伸至N型阱區(qū)，在P型陽
3區(qū)、P型體接觸區(qū)、N型陰區(qū)和柵氧化層以外的區(qū)域設(shè)有場氧化層，在柵氧化層的上表面設(shè) 有多晶硅柵且多晶硅柵延伸至場氧化層的表面，在場氧化層、P型體接觸區(qū)、N型陰區(qū)、多晶 硅柵及P型陽區(qū)的表面設(shè)有氧化層，在P型陽區(qū)、P型體接觸區(qū)、N型陰區(qū)和多晶硅柵上分別 連接有金屬層。其特征在于在P阱區(qū)的下部、埋氧之上設(shè)有P型埋層，插入P型外延層一部 分，與P阱區(qū)整體構(gòu)成反向的“L”型P區(qū)。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實用新型具有如下優(yōu)點(diǎn)(1)本實用新型器件在P阱區(qū)13的下部制作一個濃度不小于P阱區(qū)13的P型埋 層14，可以有效的將空穴電流的路徑引到器件底部，然后從P阱區(qū)13流入P型體接觸區(qū) 11 (參見附圖4)。而在一般的器件結(jié)構(gòu)中空穴電流的路徑是在溝道區(qū)下方且離溝道區(qū)很近 的區(qū)域(參見附圖3)。因而本實用新型結(jié)構(gòu)能有效降低溝道區(qū)的離子產(chǎn)生率(參見附圖 5)，從而降低熱載流子注入的劑量。(2)本實用新型器件的好處在于將電流路徑引到器件底部后能有效降低溝道區(qū)的 縱向電場的峰值(參見附圖6)，從而通過減低熱載流子的注入能量來降低熱載流子注入氧 化層的可能性。(3)本實用新型器件的好處在于能明顯降低載流子溫度(參見附圖7)，從而有效 地抑制了器件熱載流子效應(yīng)的發(fā)生。(4)本實用新型器件在延長的器件的熱載流子退化壽命的同時，可以通過合理的 設(shè)置P型埋層14的位置和濃度使得器件閾值電壓和導(dǎo)通電阻以及擊穿電壓等器件特性參 數(shù)不發(fā)生改變。(5)本實用新型器件的P型埋層可以通過高能量的硼離子注入后退火形成，不引 入額外的工藝過程，與現(xiàn)有的集成電路制造工藝完全兼容。

圖1是剖面圖，圖示出了一般的N型橫向高壓絕緣柵雙極型器件剖面結(jié)構(gòu)。圖2是剖面圖，圖示了本實用新型改進(jìn)的N型橫向高壓絕緣柵雙極型器件的剖面 結(jié)構(gòu)。圖3是一般器件結(jié)構(gòu)的電流路徑示意圖。圖4是本實用新型器件的電流路徑示意圖，圖示出了本實用新型器件的電流路徑 是沿著器件底部流動的。圖5是本實用新型器件溝道區(qū)的離子產(chǎn)生率和一般結(jié)構(gòu)器件溝道區(qū)的離子產(chǎn)生 率比較圖?？梢钥闯霰緦嵱眯滦推骷系绤^(qū)的離子產(chǎn)生率有明顯的降低。圖6是本實用新型器件溝道區(qū)的電場和一般結(jié)構(gòu)器件溝道區(qū)的電場比較圖?？梢?看出本實用新型器件溝道區(qū)的縱向電場峰值有明顯的降低。圖7是本實用新型結(jié)構(gòu)電子的溫度和一般結(jié)構(gòu)器件電子的溫度比較圖。可以看出 本實用新型器件電子的溫度有明顯降低。
具體實施方式
以下結(jié)合附圖1，對本實用新型作詳細(xì)說明，一種降低熱載流子效應(yīng)的N型橫向絕 緣柵雙極型器件，包括p型襯底1，在P型襯底1上設(shè)有埋氧2，在埋氧2上設(shè)有P型外延層3，在P型外延層3上設(shè)有N型阱4和P阱區(qū)13，在N型阱4上設(shè)有N型緩沖阱5，在N型 緩沖阱5上設(shè)有P型陽區(qū)6，在P阱區(qū)13上設(shè)有N型陰區(qū)12和P型體接觸區(qū)11，在P型外 延區(qū)3的表面設(shè)有柵氧化層10且柵氧化層10自P型外延區(qū)3延伸至N型阱區(qū)4，在P型 陽區(qū)6、P型體接觸區(qū)11、N型陰區(qū)12和柵氧化層10以外的區(qū)域設(shè)有場氧化層8，在柵氧化 層10的上表面設(shè)有多晶硅柵9且多晶硅柵9延伸至場氧化層8的表面，在場氧化層8、P型 體接觸區(qū)11、N型陰區(qū)12、多晶硅柵9及P型陽區(qū)6的表面設(shè)有氧化層15，在P型陽區(qū)6、 P型體接觸區(qū)U、N型陰區(qū)12和多晶硅柵9上分別連接有金屬層7。其特征在于在P阱區(qū) 13的下部、埋氧2之上設(shè)有P型埋層14，插入P型外延層3 —部分，與P阱區(qū)13整體構(gòu)成 反向的“L”型P區(qū)。所述的特征結(jié)構(gòu)中P型埋層14的寬度是P阱區(qū)13寬度的1. 5到2倍。所述的特征結(jié)構(gòu)中P型埋層14的高度是P阱區(qū)13高度的0. 3到0. 5倍。所述的特征結(jié)構(gòu)中P型埋層14的摻雜濃度不小于P阱區(qū)13摻雜濃度。所述的特征結(jié)構(gòu)中P型埋層14可以通過高能離子注入以隱埋層的方式形成。本實用新型采用如下方法來制備第一步，在SOI層制作所需要的P型埋層，取P型外延絕緣體上硅，對其進(jìn)行預(yù)清 洗.通過高能量硼離子注入，在外延層的底部形成一個P型埋層，經(jīng)高溫退火恢復(fù)晶格損傷。。第二步，接下來的是常規(guī)的橫向絕緣柵雙極型晶體管的制作，它包括在P型外延 上通過注入磷離子制備N型深阱，經(jīng)高溫退火形成擴(kuò)散區(qū)。再制作高濃度的P阱區(qū)，N型緩 沖層，場氧化層、柵氧化的生長，之后淀積多晶硅，刻蝕形成柵，再制作重?fù)诫s的陽區(qū)和陰區(qū) 以及P型體接觸區(qū)。淀積二氧化硅，刻蝕電極接觸區(qū)后淀積金屬。刻蝕金屬并引出電極，最 后進(jìn)行鈍化處理。
權(quán)利要求一種降低熱載流子效應(yīng)的N型橫向絕緣柵雙極型器件，包括P型襯底(1)，在P型襯底(1)上設(shè)有埋氧(2)，在埋氧(2)上設(shè)有P型外延層(3)，P型外延層(3)左邊設(shè)有N型阱(4)，右邊設(shè)有P阱區(qū)(13)，N型阱(4)和P阱區(qū)(13)之間仍有P型外延層(3)隔離，在N型阱(4)上設(shè)有N型緩沖阱(5)，在N型緩沖阱(5)上設(shè)有P型陽區(qū)(6)，在P阱區(qū)(13)上設(shè)有N型陰區(qū)(12)和P型體接觸區(qū)(11)，在P型外延層(3)的表面設(shè)有柵氧化層(10)且柵氧化層(10)自N型陰區(qū)(12)開始延伸至N型阱(4)，在P型陽區(qū)(6)、P型體接觸區(qū)(11)、N型陰區(qū)(12)和柵氧化層(10)以外的硅表面區(qū)域設(shè)有場氧化層(8)，在柵氧化層(10)的上表面設(shè)有多晶硅柵(9)且多晶硅柵(9)延伸至其左邊N型阱(4)上的場氧化層(8)的表面，在P型陽區(qū)(6)、場氧化層(8)、多晶硅柵(9)、P型體接觸區(qū)(11)、N型陰區(qū)(12)的表面設(shè)有氧化層(15)，在P型陽區(qū)(6)、P型體接觸區(qū)(11)、N型陰區(qū)(12)和多晶硅柵(9)上分別連接有金屬層(7)，其中P型體接觸區(qū)(11)、N型陰區(qū)(12)上連接的為同一金屬層(7)，其特征在于在P阱區(qū)(13)的下部、埋氧(2)之上設(shè)有P型埋層(14)，插入P型外延層(3)一部分，與P阱區(qū)(13)整體構(gòu)成反向的“L”型P區(qū)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的降低熱載流子效應(yīng)的N型橫向絕緣柵雙極型器件，其特征在 于P型埋層(14)的寬度是P阱區(qū)(13)寬度的1. 5到2倍。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的降低熱載流子效應(yīng)的N型橫向絕緣柵雙極型器件，其特征在 于P型埋層(14)的高度是P阱區(qū)(13)高度的0. 3到0. 5倍。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的降低熱載流子效應(yīng)的N型橫向絕緣柵雙極型器件，其特征在 于P型埋層(14)的濃度不小于P阱區(qū)(13)的濃度。
專利摘要一種降低熱載流子效應(yīng)的N型橫向絕緣柵雙極型器件，包括P型襯底，在P型襯底上設(shè)有埋氧，在埋氧上設(shè)有P型外延層，在P型外延層上設(shè)有N型阱和P阱區(qū)，在N型阱上設(shè)有N型緩沖阱，在N型緩沖阱上設(shè)有P型陽區(qū)，在P阱區(qū)上設(shè)有N型陰區(qū)和P型體接觸區(qū)，而場氧化層，金屬層，柵氧化層，多晶硅柵以及氧化層設(shè)置在所述器件的上表面，其特征在于在P阱區(qū)的下部、埋氧之上設(shè)有P型埋層，且插入P型外延層一部分，與P阱區(qū)整體構(gòu)成反向的“L”型P區(qū)，這種結(jié)構(gòu)可以將器件的空穴電流引向底部，降低了器件溝道區(qū)的離子產(chǎn)生率和縱向電場，同時降低了熱電子的溫度，從而有效抑制了器件的熱載流子效應(yīng)。
文檔編號H01L29/36GK201667336SQ20102016471
公開日2010年12月8日 申請日期2010年4月13日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月13日
發(fā)明者孫偉鋒, 孫虎, 莊華龍, 時龍興, 錢欽松, 陸生禮 申請人:東南大學(xué)