專利名稱：一種提高電流密度的絕緣體上硅n型半導(dǎo)體組合器件的制作方法
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)用的提高電 流密度的絕緣體上硅N型半導(dǎo)體組合器件。
背景技術(shù)：
隨著人們對現(xiàn)代化生活需求的日益增強(qiáng)，功率半導(dǎo)體器件的性能越來越受到關(guān) 注，其中功率半導(dǎo)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(shù)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(dǎo)體器件的種類以外，功率半導(dǎo)體器件的結(jié)構(gòu)和制造工藝也是重要的影響因素。長久以來，人們采用的功率半導(dǎo)體器件為高壓三級管和高壓絕緣柵場效應(yīng)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(fù)面影響。對于高壓三級管，它的不足有輸入阻抗很低，開關(guān)速度不高。盡管高 壓絕緣柵場效應(yīng)晶體管的輸入阻抗非常高，但是電流驅(qū)動能力有限，除此之外，它的高耐壓 和高的導(dǎo)通阻抗呈現(xiàn)出不可避免的矛盾。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，絕緣柵雙極型器件的出現(xiàn)解決了人們對功率半導(dǎo)體器件的 大部分需求。絕緣柵雙極型器件集合了高壓三極管和絕緣柵場效應(yīng)晶體管的優(yōu)勢，具有高 的輸入阻抗、高的開關(guān)速度、高耐壓、大的電流驅(qū)動能力和低導(dǎo)通阻抗等性能。但是，絕緣柵 雙極型器件是縱向器件，可集成性能差。后來出現(xiàn)的橫向絕緣柵雙極型器件解決了這一問 題。功率半導(dǎo)體器件的可集成性、高耐壓、大電流的需求解決后，它的隔離性成為主要 的矛盾。主要是在體硅工藝中，高壓電路和低壓電路同時集成在一個芯片上，高壓電路的漏 電流會比較高，因此會通過襯底進(jìn)入低壓電路引發(fā)低壓電路的閂鎖，最終造成芯片燒毀。為 了解決這一問題，人們提出了絕緣體上硅工藝。絕緣體上硅工藝的出現(xiàn)有效地解決了功率半導(dǎo)體器件的隔離問題。目前絕緣體上 橫向絕緣柵雙極型器件已成為功率半導(dǎo)體器件的主力軍，廣泛應(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。圍繞著絕緣體上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(qū)動能力，因而耗費大量的芯 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硅N型半導(dǎo)體組合 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N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(nèi)容本實用新型提供一種能夠在不改變器件面積的基礎(chǔ)上有效提高器件電流密度的 絕緣體上硅N型半導(dǎo)體組合器件。本實用新型采用如下技術(shù)方案[0010]一種提高電流密度的絕緣體上硅N型半導(dǎo)體組合器件，包括P型襯底，在P型襯 底上設(shè)有埋氧層，其特征在于，在埋氧層中央設(shè)有P型深阱，在P型深阱上設(shè)有P型體接觸 區(qū)和N型源區(qū)且在P型體接觸區(qū)和N型源區(qū)上設(shè)有連通二者的源極金屬，在埋氧層上還設(shè) 有第一隔離區(qū)和第二隔離區(qū)，由所述的第一隔離區(qū)和第二隔離區(qū)向埋氧層中心延伸并由此 分割形成絕緣柵雙極型器件區(qū)和高壓三極管區(qū)，在絕緣柵雙極型器件區(qū)內(nèi)設(shè)有絕緣柵雙極 型器件，所述的絕緣柵雙極型器件中的源區(qū)采用所述的N型源區(qū)且所述的N型源區(qū)位于絕 緣柵雙極型器件區(qū)內(nèi)，在高壓三極管區(qū)內(nèi)設(shè)有高壓三極管，所述的高壓三極管中的集電區(qū) 采用所述的P型體接觸區(qū)，所述的P型體接觸區(qū)位于高壓三極管區(qū)內(nèi)，所述的絕緣柵雙極型 器件中的第一漏極金屬通過第二金屬與所述的高壓三極管中的第一基極金屬連接。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實用新型具有如下優(yōu)點(1)本實用新型的半導(dǎo)體組合半導(dǎo)體器件分為兩個部分，其中一個部分用于制作 絕緣柵雙極型器件，另一部分用于制作高壓三極管，并通過第二金屬將絕緣柵雙極型器件 的漏極和高壓三極管的基極連接在一起，可以在不改變器件總面積的基礎(chǔ)上有效的將前者 的漏極電流作為流過高壓三極管的基極電流進(jìn)一步放大，從而提高電流密度。該半導(dǎo)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(dǎo)體組合器件與相同面積的 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(dǎo)體組合器件的電流密度比 一般絕緣柵雙極型器件的電流密度大大提高了。(2)本實用新型器件的好處在于可以通過調(diào)整第一隔離區(qū)101與第二隔離區(qū)102 的夾角來優(yōu)化絕緣柵雙極型器件和高壓三極管的版圖面積的比例，以達(dá)到整個組合半導(dǎo) 體器件的電流密度與其他性能(如散熱情況等)折衷的最優(yōu)效果。(3)本實用新型器件在提高電流密度的同時與傳統(tǒng)器件相比，并不改變器件原來 的版圖面積。(4)本實用新型器件在提高電流密度的同時，并不影響器件的耐壓水平，器件的基 本性能要求仍能滿足。圖6所示為本實用新型的半導(dǎo)體組合器件與相同面積一般絕緣柵雙 極型器件的關(guān)態(tài)擊穿電壓的比較圖，可見本實用新型的半導(dǎo)體組合器件的關(guān)態(tài)擊穿電壓可 以保持與相同面積的一般絕緣柵雙極型器件一致。(5)本實用新型器件的制作并不需要額外工藝步驟，與現(xiàn)有的集成電路制造工藝
完全兼容。

圖1 (a)是本實用新型組合半導(dǎo)體器件去除鈍化保護(hù)氧化層后的俯視圖。圖1 (b)是沿著圖1 (a)的AA’面的剖面圖(含有鈍化層)。圖1 (c)是沿著圖1 (a)的BB’面的剖面圖(含有鈍化層)。圖2是本實用新型的組合半導(dǎo)體器件三維立體結(jié)構(gòu)圖(去除鈍化保護(hù)氧化層和所 有金屬)。圖3是本實用新型的半導(dǎo)體組合器件沿AA’面的三維立體剖面圖(去除鈍化保護(hù) 氧化層和所有金屬)。圖4是本實用新型的半導(dǎo)體組合器件的等效電路圖。圖5是本實用新型的半導(dǎo)體組合器件和相同面積的一般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(dǎo)體組合器件和相同面積的一般絕緣柵雙極型器件的關(guān) 態(tài)擊穿電壓比較圖。圖7(a)是形成本實用新型的半導(dǎo)體組合器件中的P型深阱14工藝示意圖。圖7(b)是形成本實用新型的半導(dǎo)體組合器件中絕緣柵雙極型器件區(qū)的N型漂移 區(qū)4以及高壓三極管區(qū)的N型三極管漂移區(qū)4’的工藝示意圖。圖7 (c)是形成本實用新型的半導(dǎo)體組合器件中N漂移區(qū)4上的N型緩沖阱5以 及N型三極管漂移區(qū)4’上的N型三極管緩沖阱5’的工藝示意圖。圖7(d)是形成本實用新型的半導(dǎo)體組合器件中絕緣柵雙極型器件區(qū)的場氧化層 8、柵氧化層9以及多晶硅柵10的工藝示意圖。圖7 (e)是形成本實用新型的半導(dǎo)體組合器件中P型漏區(qū)6、P型發(fā)射區(qū)15以及N 型基區(qū)16的工藝示意圖。圖7(f)是完全形成本實用新型的半導(dǎo)體組合器件后，沿著圖1(a)的AA’面的剖 面圖。
具體實施方式
一種提高電流密度的絕緣體上硅N型半導(dǎo)體組合器件，包括P型襯底1，在P型 襯底1上設(shè)有埋氧層2，其特征在于，在埋氧層2中央設(shè)有P型深阱14，在P型深阱14上設(shè) 有P型體接觸區(qū)12和N型源區(qū)11且在P型體接觸區(qū)12和N型源區(qū)11上設(shè)有連通二者的 源極金屬72，在埋氧層2上還設(shè)有第一隔離區(qū)101和第二隔離區(qū)102，由所述的第一隔離區(qū) 101和第二隔離區(qū)102向埋氧層2中心延伸并由此分割形成絕緣柵雙極型器件區(qū)I和高壓 三極管區(qū)II，在絕緣柵雙極型器件區(qū)I內(nèi)設(shè)有絕緣柵雙極型器件，所述的絕緣柵雙極型器 件中的源區(qū)采用所述的N型源區(qū)11且所述的N型源區(qū)11位于絕緣柵雙極型器件區(qū)I內(nèi)， 在高壓三極管區(qū)II內(nèi)設(shè)有高壓三極管，所述的高壓三極管中的集電區(qū)采用所述的P型體接 觸區(qū)12，所述的P型體接觸區(qū)12位于高壓三極管區(qū)II內(nèi)，所述的絕緣柵雙極型器件中的第 一漏極金屬74通過第二金屬75與所述的高壓三極管中的第一基極金屬71連接。所述的第一隔離區(qū)101和第二隔離區(qū)102所形成的夾角可以調(diào)整，但是由所述的 第一隔離區(qū)101和第二隔離區(qū)102向埋氧層2中心延伸并由此分割形成的兩個區(qū)域中，鈍 角所包圍的區(qū)域必須為絕緣柵雙極型器件區(qū)I，而銳角所包圍的區(qū)域必須為高壓三極管區(qū) II。雖然附圖說明中的本半導(dǎo)體組合器件結(jié)構(gòu)是采用圓形版圖實現(xiàn)形式，但是其實現(xiàn) 方式并不僅限于圓形，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 絕緣柵雙極型器件和高壓三極管隔開并將絕緣柵雙極型器件的漏極與高壓三極管的基極 用金屬連接即可。所述的絕緣體上硅N型半導(dǎo)體組合器件P型發(fā)射區(qū)15與N型基區(qū)16的間距為 1 μ m ~ 2 μ m ；本實用新型采用如下方法來制備第一步，取具有P型外延層的絕緣體上硅圓片，根據(jù)所設(shè)計的絕緣柵雙極型器件 和高壓三極管的面積比例，刻蝕所需要的隔離槽101和102，從而形成絕緣柵雙極型器件區(qū)I和高壓三極管區(qū)II，且P型外延層被分割成在絕緣柵雙極型器件區(qū)I內(nèi)的第一 P型外延 層3和在高壓三極管區(qū)內(nèi)的第二 P型外延層3’。第二步，通過高能量硼離子注入，并高溫退火形成P型深阱14。第三步，以高能量的磷離子注入，高溫退火后在絕緣柵雙極型器件區(qū)形成N型漂 移區(qū)4而在高壓三極管區(qū)形成N型三極管漂移區(qū)4’ ；第四步，以高能量的磷離子注入，高溫退火后在N漂移區(qū)4上形成N型緩沖阱5而 在N型三極管漂移區(qū)4’上形成N型三極管緩沖阱5’。第五步，淀積并刻蝕氮化硅，在高溫下生長場氧化層。再生長柵氧化層，并淀積多 晶硅，刻蝕出多晶硅柵。第六步，通過高劑量的硼離子和磷離子注入，制作各個電極接觸區(qū)。第七步，淀積二氧化硅，刻蝕電極接觸孔后淀積金屬引線層并刻蝕掉多余金屬。第八步，進(jìn)行鈍化層的制作。
權(quán)利要求1. 一種提高電流密度的絕緣體上硅N型半導(dǎo)體組合器件，包括P型襯底(1)，在P型襯 底⑴上設(shè)有埋氧層O)，其特征在于，在埋氧層⑵中央設(shè)有P型深阱(14)，在P型深阱 (14)上設(shè)有P型體接觸區(qū)(1 和N型源區(qū)(11)且在P型體接觸區(qū)(1 和N型源區(qū)(11) 上設(shè)有連通二者的源極金屬(72)，在埋氧層( 上還設(shè)有第一隔離區(qū)(101)和第二隔離區(qū) (102)，由所述的第一隔離區(qū)(101)和第二隔離區(qū)(102)向埋氧層O)中心延伸并由此分割 形成絕緣柵雙極型器件區(qū)(I)和高壓三極管區(qū)(II)，在絕緣柵雙極型器件區(qū)(I)內(nèi)設(shè)有絕 緣柵雙極型器件，所述的絕緣柵雙極型器件中的源區(qū)采用所述的N型源區(qū)(11)且所述的N 型源區(qū)(11)位于絕緣柵雙極型器件區(qū)(I)內(nèi)，在高壓三極管區(qū)(II)內(nèi)設(shè)有高壓三極管，所 述的高壓三極管中的集電區(qū)采用所述的P型體接觸區(qū)(12)，所述的P型體接觸區(qū)(12)位 于高壓三極管區(qū)(II)內(nèi)，所述的絕緣柵雙極型器件中的第一漏極金屬(74)通過第二金屬 (75)與所述的高壓三極管中的第一基極金屬(71)連接。
專利摘要一種提高電流密度的絕緣體上硅N型半導(dǎo)體組合器件，包括P型襯底，在P型襯底上設(shè)埋氧層，在埋氧層上設(shè)P型外延層且P型外延層被分割成區(qū)域I和II，其中I區(qū)為絕緣柵雙極型器件區(qū)，包括N型漂移區(qū)、P型深阱、N型緩沖阱、P型漏區(qū)、N型源區(qū)和P型體接觸區(qū)，在硅表面相應(yīng)設(shè)有場氧化層和柵氧化層，在柵氧化層上設(shè)有多晶硅柵；其中II區(qū)為高壓三極管區(qū)，包括N型三極管漂移區(qū)、N型三極管緩沖阱、P型發(fā)射區(qū)和N型基區(qū)，其特征在于II區(qū)中的N型基區(qū)包在N型緩沖區(qū)內(nèi)部，且I區(qū)中P型漏區(qū)上的第一漏極金屬與II區(qū)中N型基區(qū)上的第一基極金屬通過第二金屬連通。本實用新型在不增加器件面積基礎(chǔ)上顯著提升器件的電流密度且器件其他性能參數(shù)并不改變。
文檔編號H01L27/12GK201853707SQ201020508079
公開日2011年6月1日 申請日期2010年8月27日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月27日
發(fā)明者孫偉鋒, 時龍興, 錢欽松, 陸生禮, 魏守明 申請人:東南大學(xué)