P溝道注入效率增強(qiáng)型絕緣柵雙極型晶體管的制作方法
【專利摘要】P溝道注入效率增強(qiáng)型絕緣柵雙極型晶體管，屬于功率半導(dǎo)體器件【技術(shù)領(lǐng)域】，本發(fā)明是在傳統(tǒng)SOI-LIGBT器件結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，在多晶硅柵下方分別引入第一N型體區(qū)和P型體區(qū)。在正向?qū)〞r(shí)，高的N型體區(qū)摻雜濃度或厚度，抬高了電子的勢壘，增強(qiáng)了發(fā)射極附近載流子的濃度，從而獲得更好的載流子分布，降低了器件的正向?qū)▔航挡@得了更好的正向?qū)▔航岛完P(guān)斷損耗的折中關(guān)系，同時(shí)提高了器件的飽和電流能力。在正向阻斷時(shí)，多晶硅柵相當(dāng)于一個(gè)場板，導(dǎo)致器件耐壓由第一N型體區(qū)與P型外延層耗盡決定，因此P型體區(qū)濃度可以大幅提高，且不會影響器件的耐壓。
【專利說明】P溝道注入效率增強(qiáng)型絕緣柵雙極型晶體管
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明主要涉及功率半導(dǎo)體器件【技術(shù)領(lǐng)域】，具體來說，是P溝道注入效率增強(qiáng)型絕緣柵雙極型晶體管，特別適用于功率集成電路如變頻調(diào)速、電力牽引、變頻家電、半橋驅(qū)動電路以及汽車生產(chǎn)領(lǐng)域等驅(qū)動芯片。
【背景技術(shù)】
[0002]當(dāng)前，隨著現(xiàn)代化和信息化時(shí)代的發(fā)展，高壓集成電路的發(fā)展越來越迅速，工藝技術(shù)也在不斷提高,在這種形勢下絕緣體上娃(Silicon On Insulator, SOI)工藝技術(shù)問世了，其獨(dú)特的絕緣埋層把器件與襯底完全隔離，在很大程度上減輕了硅器件的寄生效應(yīng)，大大提高了器件和電路的性能。絕緣體上硅橫向絕緣柵雙極型晶體管(SO1-LateralInsulated Gate Bipolar Transistor, S01-LIGBT)是一種典型的基于 SOI 工藝的器件，具有易于集成、耐壓高、驅(qū)動電流能力強(qiáng)、開關(guān)速度快等優(yōu)點(diǎn)，在功率集成電路中得到了廣泛應(yīng)用。由于S01-LIGBT用作功率集成電路中的功率開關(guān)管，其功率損耗決定了整個(gè)系統(tǒng)的損耗,并且其面積也占據(jù)了整個(gè)功率集成電路芯片很大一部分,面積大會使功率集成電路制造成本偏高。因此，降低S01-LIGBT功率損耗、減小S01-LIGBT面積是其主要發(fā)展方向，對功率集成電路的設(shè)計(jì)具有十分重要的意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明針對上述問題，提出了一種P溝道注入效率增強(qiáng)型絕緣柵雙極型晶體管。該結(jié)構(gòu)可以顯著降低器件的正向?qū)▔航?、提高器件的電流能力、減小芯片面積，并且不會影響器件的耐壓。
[0004]本發(fā)明提供如下技術(shù)方案:
[0005]一種P溝道注入效率增強(qiáng)型絕緣柵雙極型晶體管，包括:N型襯底，在N型襯底上設(shè)有埋氧，在埋氧上設(shè)有P型外延層，在P型外延層的內(nèi)部設(shè)有P型緩沖阱和第二 N型體區(qū)，在P型緩沖阱內(nèi)設(shè)有N型集電極區(qū)，在第二 N型體區(qū)中設(shè)有重?fù)诫sN型發(fā)射極區(qū)和P型發(fā)射極區(qū)，在P型外延層的表面設(shè)有柵氧化層和場氧化層且柵氧化層的一端和場氧化層的一端相抵，所述柵氧化層的另一端向P型發(fā)射極區(qū)延伸并止于P型緩沖阱，所述場氧化層的另一端向N型集電極區(qū)延伸并止于N型集電極區(qū)，在柵氧化層的表面設(shè)有多晶硅柵且多晶硅柵延伸至場氧化層的上表面，在場氧化層、P型發(fā)射極區(qū)、第二N型體區(qū)、多晶硅柵、N型集電極區(qū)和P型緩沖阱表面設(shè)有鈍化層，在N型集電極區(qū)表面連接有第一金屬層，在多晶硅柵表面連接有第二金屬層，在重?fù)诫sN型發(fā)射極區(qū)和P型發(fā)射極區(qū)表面連接有第三金屬層，其特征在于，在P型外延層的內(nèi)部設(shè)有第一 N型體區(qū)和P型體區(qū)，并且，所述第二 N型體區(qū)位于P型體區(qū)上方且所述第二 N型體區(qū)被P型體區(qū)包圍，所述第一 N型體區(qū)位于多晶硅柵的下方，所述第一 N型體區(qū)的一個(gè)邊界與P型體區(qū)的一個(gè)邊界相抵觸。進(jìn)一步地，第一 N型體區(qū)與埋氧的邊界可以相連或不相連；第一N型體區(qū)與柵氧化層的邊界可以相連或不相連；第一N型體區(qū)4不與第二 N型體區(qū)5相連，第一 N型體區(qū)4不與場氧化層12相連；當(dāng)?shù)谝?N型體區(qū)4與柵氧化層9的下邊界相連時(shí)，第一 N型體區(qū)4的濃度低于第二 N型體區(qū)5的濃度。
[0006]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn):
[0007]本發(fā)明提供了一種P溝道注入效率增強(qiáng)型絕緣柵雙極型晶體管。該器件結(jié)構(gòu)是在傳統(tǒng)S01-LIGBT器件結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，在器件柵極下方引入第一 N型體區(qū)。在器件正向?qū)〞r(shí)，高的P型體區(qū)摻雜濃度或厚度，抬高了電子的勢壘，增強(qiáng)了發(fā)射極附近載流子的濃度，從而獲得更好的載流子分布，以降低器件的正向飽和壓降并獲得更好的正向?qū)▔航岛完P(guān)斷損耗的折中。在正向阻斷時(shí)，多晶硅柵接低電位，相當(dāng)于一個(gè)場板，使柵下方的P型外延層表面耗盡，當(dāng)耗盡層展寬、與第一 N型體區(qū)接觸時(shí)，第一 N型體區(qū)的電子可以通過耗盡層流向發(fā)射極，第一 N型體區(qū)與P型外延層耗盡耐壓，而第一 N型體區(qū)與第二 N型體區(qū)之間的P型體區(qū)并不參與耗盡耐壓，因此P型體區(qū)濃度可以大幅提高，并且不會影響器件的耐壓。
[0008]本發(fā)明器件不僅降低了線性區(qū)的正向?qū)▔航?，而且還提高了飽和區(qū)的電流能力，飽和區(qū)電流能力約為一般結(jié)構(gòu)的2倍，這就可以有效減小芯片面積，降低芯片制造成本。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0009]圖1所示為傳統(tǒng)P溝道絕緣體上硅橫向絕緣柵雙極型晶體管的器件剖面結(jié)構(gòu)圖。
[0010]圖2所示為本發(fā)明改進(jìn)后的P溝道注入效率增強(qiáng)型絕緣柵雙極型晶體管的器件剖面結(jié)構(gòu)圖。
[0011]圖3是本發(fā)明器件與傳統(tǒng)器件的正向1-V曲線對比圖，從圖中可以明顯看出，改進(jìn)后的器件具有較低的正向?qū)▔航岛洼^高的飽和電流能力。
[0012]圖4是本發(fā)明器件和傳統(tǒng)器件的擊穿電壓比較圖，可以看出改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)并沒有影響器件的耐壓。
[0013]圖5是本發(fā)明器件和傳統(tǒng)器件的關(guān)斷損耗與飽和壓降的折中關(guān)系對比圖，可以看出改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)明顯改善了關(guān)斷損耗與飽和壓降的折中關(guān)系。
[0014]圖6是本發(fā)明器件和傳統(tǒng)器件的導(dǎo)通過程中電子濃度分布對比圖，可以看出改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)導(dǎo)通狀態(tài)下內(nèi)部電子濃度明顯高于傳統(tǒng)器件，因此其具有較低的正向?qū)▔航岛洼^高的飽和電流能力。
【具體實(shí)施方式】
[0015]下面結(jié)合圖2，對本發(fā)明做詳細(xì)說明，一種P溝道注入效率增強(qiáng)型絕緣柵雙極型晶體管，包括:N型襯底1，在N型襯底I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的內(nèi)部設(shè)有P型緩沖阱14和第二 N型體區(qū)5，在P型緩沖阱14內(nèi)設(shè)有N型集電極區(qū)13，在第二 N型體區(qū)5中設(shè)有重?fù)诫sN型發(fā)射極區(qū)18和P型發(fā)射極區(qū)6，在P型外延層3的表面設(shè)有柵氧化層9和場氧化層12且柵氧化層9的一端和場氧化層12的一端相抵，所述柵氧化層9的另一端向P型發(fā)射極區(qū)6延伸并止于P型發(fā)射極區(qū)6，所述場氧化層12的另一端向N型集電極區(qū)13延伸并止于P型緩沖阱14，在柵氧化層9的表面設(shè)有多晶硅柵10且多晶硅柵10延伸至場氧化層12的上表面，在場氧化層12、P型發(fā)射極區(qū)6、第二 N型體區(qū)5、多晶硅柵10、N型集電極區(qū)13和P型緩沖阱14表面設(shè)有鈍化層8，在N型集電極區(qū)13表面連接有第一金屬層15,在多晶娃柵10表面連接有第二金屬層11，在重?fù)诫sN型發(fā)射極區(qū)18和P型發(fā)射極區(qū)6表面連接有第三金屬層7，其特征在于，在P型外延層3的內(nèi)部設(shè)有第一 N型體區(qū)4和P型體區(qū)16，并且，所述第二 N型體區(qū)5位于P型體區(qū)16上方且所述第二 N型體區(qū)5被P型體區(qū)16包圍，所述第一 N型體區(qū)4位于多晶硅柵10的下方，所述第一 N型體區(qū)10的一個(gè)邊界與P型體區(qū)16的一個(gè)邊界相接觸。
[0016]所述的第一 N型體區(qū)4與埋氧2的邊界可以相連或不相連；第一 N型體區(qū)4與柵氧化層9的邊界可以相連或不相連?’第一 N型體區(qū)4不與第二 N型體區(qū)5相連，第一 N型體區(qū)4不與場氧化層12相連；當(dāng)?shù)谝?N型體區(qū)4與柵氧化層9相連時(shí)，第一 N型體區(qū)4的濃度低于第二 N型體區(qū)5的濃度。
[0017]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步說明。
[0018]本發(fā)明的工作原理:
[0019]S01-LIGBT的正向?qū)▔航礦f = VdmeJUVpn，其中Vehannel為溝道壓降，VdHft為漂移區(qū)壓降，Vpn為結(jié)導(dǎo)通壓降。VdHft為影響正向?qū)▔航档闹饕蛩?，可以用PiN 二極管
模型近似為
【權(quán)利要求】
1.一種P溝道注入效率增強(qiáng)型絕緣柵雙極型晶體管，包括:N型襯底(I)，在N型襯底(I)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)的內(nèi)部設(shè)有P型緩沖阱(14)和第二 N型體區(qū)(5)，在P型緩沖阱(14)內(nèi)設(shè)有N型集電極區(qū)(13)，在第二 N型體區(qū)(5)中設(shè)有重?fù)诫sN型發(fā)射極區(qū)(18)和P型發(fā)射極區(qū)(6)，在P型外延層(3)的表面設(shè)有柵氧化層(9)和場氧化層(12)且柵氧化層(9)的一端和場氧化層(12)的一端相抵，所述柵氧化層(9)的另一端向P型發(fā)射極區(qū)(6)延伸并止于P型發(fā)射極區(qū)(6)，所述場氧化層(12)的另一端向N型集電極區(qū)(13)延伸并止于P型緩沖阱(14)，在柵氧化層(9)的表面設(shè)有多晶硅柵(10)且多晶硅柵(10)延伸至場氧化層(12)的上表面，在場氧化層(12)、P型發(fā)射極區(qū)(6)、第二 N型體區(qū)(5)、多晶硅柵(10)、N型集電極區(qū)(13)和P型緩沖阱(14)表面設(shè)有鈍化層(8)，在N型集電極區(qū)(13)表面連接有第一金屬層(15)，在多晶硅柵(10)表面連接有第二金屬層(11)，在重?fù)诫sN型發(fā)射極區(qū)(18)和P型發(fā)射極區(qū)(6)表面連接有第三金屬層(7)，其特征在于，在P型外延層(3)的內(nèi)部設(shè)有第一 N型體區(qū)(4)和P型體區(qū)(16)，并且，所述第二 N型體區(qū)(5)位于P型體區(qū)(16)上方且所述第二 N型體區(qū)(5)被P型體區(qū)(16)包圍，所述第一 N型體區(qū)(4)位于多晶硅柵(10)的下方，所述第一 N型體區(qū)(10)的一個(gè)邊界與P型體區(qū)(16)的一個(gè)邊界相接觸。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的P溝道注入效率增強(qiáng)型絕緣柵雙極型晶體管，其特征在于，第一 N型體區(qū)(4)與埋氧(2)的邊界可以相連或不相連；第一 N型體區(qū)(4)與柵氧化層(9)的邊界可以相連或不相連。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的P溝道注入效率增強(qiáng)型絕緣柵雙極型晶體管，其特征在于第一 N型體區(qū)(4)不與第二 N型體區(qū)(5)相連，第一 N型體區(qū)(4)不與場氧化層(12)相連。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的P溝道注入效率增強(qiáng)型絕緣柵雙極型晶體管，當(dāng)?shù)谝籒型體區(qū)(4)與柵氧化層(9)的下`邊界相連時(shí)，第一 N型體區(qū)(4)的濃度低于第二 N型體區(qū)(5)的濃度。
【文檔編號】H01L29/739GK103779404SQ201410035881
【公開日】2014年5月7日 申請日期:2014年1月24日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月24日
【發(fā)明者】孫偉鋒, 楊卓, 陳健, 郭超, 祝靖, 陸生禮, 時(shí)龍興 申請人:東南大學(xué)