專利名稱：具有線性電流電壓特性的半導(dǎo)體元件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及SOI(絕緣體基外延硅)晶片上的橫向絕緣柵雙極晶體管(LIGBT)的改進(jìn)，得到穿過坐標(biāo)原點的線性電流電壓特性。
SOI(絕緣體基外延硅)晶片上的橫向絕緣柵雙極晶體管(LIGBT)的剖面顯示在

圖1中。圖2示出了所述復(fù)雜器件的簡單等效電路圖，由兩個等效場效應(yīng)晶體管和兩個結(jié)型晶體管T1和T2畫出，其中p阱還作為T2的源極電阻。LIGBT器件看起來類似于橫向雙擴(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體(LDMOS)晶體管。除了漏接觸由已知為漂移區(qū)的幾微米輕摻雜材料與溝道區(qū)分離之外，LDMOS晶體管與熟悉的NMOS晶體管很類似。示意性的LDMOS器件顯示在圖3中，除了稱做陽極的p-區(qū)由之后稱做漏區(qū)的n+擴(kuò)散代替之外，圖3的器件類似于圖1的器件。在關(guān)斷狀態(tài)中，LDMOS可以使用所述漂移區(qū)支持由p阱和p型襯底形成的兩個反向偏置的pn結(jié)處的高漏極電壓。就電流電壓特性而論，所述簡單的修改對該器件的操作特性產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。
在導(dǎo)通狀態(tài)中，圖1中LIGBT的導(dǎo)通電阻比圖3中等效LDMOS的導(dǎo)通電阻小5-10倍，對于電阻很重要的應(yīng)用是個比較好的選擇。然而，LIGBT的一個缺點是由于pn結(jié)二極管在陽極側(cè)，因此低電流時有很高的電阻，如果晶體管工作在低電流，將產(chǎn)生失真，這是由于將在該區(qū)域出現(xiàn)非線性函數(shù)。
可以設(shè)計n+和p+擴(kuò)散位于陽極接觸區(qū)的混合IGBT和DMOS器件，如圖4所示。這種結(jié)構(gòu)通常表示為短陽極LIGBT(SA-LIGBT)。和LDMOS器件一樣，由于施加到柵極的大于閾值電壓的正電壓，和加到陽極上的低電壓，該器件導(dǎo)通電流。在某個電流級別，沿p+區(qū)的壓降足以正偏置陽極/漂移結(jié)，陽極開始將少數(shù)載流子(空穴)注入到漂移區(qū)內(nèi)。這些少數(shù)載流子調(diào)制漂移區(qū)的電導(dǎo)率，器件的操作類似于通常的LIGBT。由此，這種器件在低電流時有DMOS的線性特性，直到在較高電流時n漂移區(qū)內(nèi)的串聯(lián)電阻正偏置陽極的p和n結(jié)，器件表現(xiàn)為IGBT的電流電壓特性。因此，整個電流電壓特性曲線呈現(xiàn)兩個完全線性的部分，但具有完全不同的導(dǎo)數(shù)(斜率)。因此在兩個斜率的曲線之間存在特性過渡，這將呈現(xiàn)非線性且仍然產(chǎn)生失真。(詳細(xì)內(nèi)容例如可以參見Technical Report No.ICL93-020,Donald R.Disney的文章，題目為“絕緣體基外延硅中橫向功率器件的物理與技術(shù)”，斯坦福大學(xué)電子工程系，美國加州，1993。(“Physisc and Techology of Lateral Power Devices in Silicon-On-Insulator Substrates”,Department of Electrical Engineering,Stanford University,California,USA,1993。))此外，如果SOI材料中絕緣體下的襯底偏置變化，那么由于在絕緣體和硅襯底界面處的電荷載流子的堆積或耗盡，n漂移區(qū)內(nèi)的串聯(lián)電阻顯著改變，因此器件的電流電壓特性改變。此外由于最高電壓假設(shè)在p+陽極，晶體管不支持AC條件下的操作。
在例如電話系統(tǒng)中的中繼功能等的某些應(yīng)用中，要求存在穿過坐標(biāo)原點的線性和支持雙向電壓。
例如在1995年的美國專利No.5,382,535中，Satwinder和Wai公開了一種“特性橫向雙擴(kuò)散MOS晶體管的制造方法”，顯示出一種對稱性，并利用了一種通常稱做RESURF的技術(shù)，RESURF代表減小表面電場。然而這種解決方法在兩個源接觸之間存在一個向中心延伸的漏，即一側(cè)的源沒有用做漏，反之亦然。這意味著它不能作為雙向的解決方法，但這種元件必須與對應(yīng)的LDMOS串聯(lián)連接，以得到雙向的作用。
本發(fā)明的確改善了以上提到的LIGBT的不足，由此穿過坐標(biāo)原點的電流電壓特性為線性，而且表現(xiàn)出的雙向結(jié)構(gòu)也允許AC操作。
本發(fā)明提供了一種DMOS晶體管結(jié)構(gòu)代替SOI晶片上的IGBT的陽極。在它的最基本的形式中，陽極與陰極對稱。
在導(dǎo)通狀態(tài)中，柵極以DMOS晶體管處于導(dǎo)通狀態(tài)的方式偏置。在陽極側(cè)，電流首先流過第二晶體管，直到晶體管中的壓降正向偏置p阱二極管，開始調(diào)制漂移區(qū)的電導(dǎo)率，得到LIGBT的電流電壓(I-V)特性。固有的晶體管的對稱性使器件可以在AC條件下工作。
改善的設(shè)計包括包含在晶體管的橫向設(shè)計內(nèi)的p+電極，改善了漂移區(qū)的電導(dǎo)率調(diào)制。此外，可以設(shè)計不均勻的漂移區(qū)摻雜以優(yōu)化擊穿電壓與導(dǎo)通電阻的關(guān)系。
通過下面參考結(jié)合附圖的介紹，可以更好地理解本發(fā)明及其本發(fā)明的目的和優(yōu)點，其中圖1示出了LIGBT器件的剖面圖；圖2示出了LIGBT器件的等效電路圖3示出了LDMOS晶體管的剖面圖；圖4示出了短陽極LIGBT器件的剖面圖；圖5示出了根據(jù)本發(fā)明的雙向IGBT器件的剖面圖；以及圖6示出了根據(jù)本發(fā)明分段的雙向IGBT器件的剖面圖。
在圖5和6中示出了根據(jù)本發(fā)明的結(jié)構(gòu)，提供了DMOS晶體管代替SOI晶片上IGBT的陽極。在它的最基本的實施例中，陽極與陰極完全對稱，從圖5中顯示的可以清楚地看出。
為了得到穿過坐標(biāo)原點的線性電流電壓特性同時得到雙向結(jié)構(gòu)的圖5的半導(dǎo)體器件包含在示例性實施例中，p-摻雜的襯底的頂部上為氧化層。在所述氧化層的頂部產(chǎn)生n型漂移區(qū)形成縱向的n漂移區(qū)。n漂移區(qū)包括在每個端部的p+摻雜半導(dǎo)體材料的p型阱，每個p型阱附加地含有構(gòu)成源或漏電極的n+區(qū)。在p型阱的頂部附加地形成柵電極得到場效應(yīng)結(jié)構(gòu)，用于控制溝道區(qū)內(nèi)的電流。由此形成具有共用漂移區(qū)的雙向雙DMOS結(jié)構(gòu)。
對于起始材料，可以利用由襯底10、絕緣層20和半導(dǎo)體頂層30組成的SOI材料。襯底10可以為輕或重?fù)诫s的硅襯底，厚度為10到1000μm。襯底同樣可以為由二氧化硅、藍(lán)寶石、金剛石等組成的絕緣體。在示例性實施例中的絕緣體20可以是厚度為0.1到10μm的二氧化硅。此外，絕緣體可以為襯底10自身相同類型的材料，即二氧化硅、藍(lán)寶石、金剛石等。頂層30優(yōu)選為輕摻雜的硅層，厚度為0.1-30μm。
可以首先通過在頂層30上生長或淀積薄保護(hù)性的氧化物制備示例性的元件。隨后進(jìn)行n-摻雜物質(zhì)的注入，使頂層內(nèi)獲得正確的基本摻雜級別。注入的劑量可以為1011到1013cm-2的數(shù)量級。隨后退火，之后，進(jìn)行注入穿過光刻限定的圖形產(chǎn)生p+區(qū)31。合適的劑量級別為1014到1016cm-2。除此之外，為了得到與p阱區(qū)32的良好接觸，需要p+區(qū)，在本例中將在后面的步驟中限定。除去限定光刻圖形的材料之后，隨后的退火將p+區(qū)31向下擴(kuò)散到掩埋的絕緣體，如圖5所示。然而這不是完全地必要，當(dāng)頂層30很厚時，很難實現(xiàn)。
限定頂層的基本摻雜級別和p+區(qū)31之后，可以除去保護(hù)性的氧化物。然后分別在頂層30上生長或淀積柵氧化物和柵材料。在示例性實施例中柵氧化物的厚度可以為50-1000的數(shù)量級。柵材料可以由重?fù)诫s厚度為0.1-1μm的多晶硅組成。借助隨后的光刻圖形，通過腐蝕可以限定出漏和源側(cè)的柵結(jié)構(gòu)。合適的柵長度可以為0.2-5μm。
借助附加的光刻圖形，通過1011到1014cm-2劑量的注入可以添加p阱32。以p阱32用柵結(jié)構(gòu)的一個邊36為界線的方式限定圖形。(該邊由圖6中的虛線36表示)。在隨后的退火中，通過橫向擴(kuò)散可以確定溝道的長度(p阱到達(dá)柵結(jié)構(gòu)下多遠(yuǎn))。以相同的方式，分別限定并熱處理漏和源側(cè)的n+區(qū)33。注意由虛線限定的p阱32含有重?fù)诫s的p+區(qū)31和至少一個n+區(qū)，如圖5和6所示。
由元件可接收和承受的電壓級別確定漂移區(qū)的長度(源和漏之間的距離)。為了進(jìn)一步提高給定漂移區(qū)長度的電壓接受能力，可以利用橫向變化的摻雜分布得到從源到漏盡可能均勻的電場分布。對于所有其它的摻雜區(qū)域，可以相同的方式限定橫向變化的摻雜分布。
在另一實施例中，漂移區(qū)不均勻地?fù)诫s，但濃度從源朝器件的中心方向增加，然后再朝漏的方向降低。對于更簡單的制造，這種不均勻的漂移區(qū)將分段摻雜，當(dāng)從源或漏分別橫向地看時，都朝中心逐步地增加。
隨后的步驟為形成接觸孔、金屬化和鈍化的標(biāo)準(zhǔn)步驟以完全地限定元件。
本發(fā)明元件的附加優(yōu)點除了呈現(xiàn)穿過坐標(biāo)原點的線性電流電壓特性之外，由于雙向結(jié)構(gòu)，通過利用控制漂移區(qū)的第一柵和第二柵借助偏置電壓限定操作模式，同樣可以控制器件象具有源和漏的DMOS器件或帶陰極和陽極的IGBT器件一樣工作。
本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該理解可以根據(jù)本發(fā)明的概念對器件作出不同的修改和變化，但不脫離由附帶的權(quán)利要求書限定的本發(fā)明的精神和范圍。
權(quán)利要求
1．一種半導(dǎo)體器件，得到穿過坐標(biāo)原點的線性電流電壓特性及雙向結(jié)構(gòu)，包括襯底頂上的絕緣層和所述絕緣層頂上的n型漂移區(qū)；所述n型漂移區(qū)，在每端形成構(gòu)成p阱的低摻雜的p型區(qū)域，p阱又具有形成源或漏區(qū)的重?fù)诫s的n+區(qū)；所述p阱還包括至少部分p+摻雜的半導(dǎo)體材料，在所述p型阱上還有柵電極，所述n+摻雜半導(dǎo)體材料的一個部分或多個部分被分別放置在柵和漏電極之間或柵和源電極之間的p阱內(nèi)；由此形成具有共用漂移區(qū)的雙向雙DMOS結(jié)構(gòu)。
2．根據(jù)權(quán)利要求1的半導(dǎo)體，其中所述襯底為n摻雜或p摻雜的硅襯底。
3．根據(jù)權(quán)利要求1的半導(dǎo)體，其中所述襯底為絕緣體。
4．根據(jù)權(quán)利要求1的半導(dǎo)體，其中所述襯底為氧化物絕緣體。
5．根據(jù)權(quán)利要求1的半導(dǎo)體，其中分別在源和漏側(cè)p阱內(nèi)的所述p+型摻雜的半導(dǎo)體材料在某些區(qū)域一直達(dá)到所述漂移區(qū)，以提高少數(shù)載流子的注入。
6．根據(jù)權(quán)利要求1的半導(dǎo)體，其中所述漂移區(qū)沒有均勻地?fù)诫s，但分別從源或漏看，摻雜濃度朝器件的中心增加，當(dāng)從所述漂移區(qū)的中心看時，分別朝漏或源降低。
7．根據(jù)權(quán)利要求6的半導(dǎo)體，其中分別從源或漏看，所述漂移區(qū)摻雜以分段的方式朝中心增加。
全文摘要
公開了一種半導(dǎo)體器件,得到穿過坐標(biāo)原點的線性電流電壓特性及雙向結(jié)構(gòu)。通常器件含有P
文檔編號H01L29/739GK1231066SQ97198000
公開日1999年10月6日 申請日期1997年7月4日 優(yōu)先權(quán)日1996年7月26日
發(fā)明者A·瑟德貝爾格, A·里特溫 申請人:艾利森電話股份有限公司