一種電流增強(qiáng)型橫向絕緣柵雙極型晶體管的制作方法
【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，是一種電流增強(qiáng)型橫向絕緣柵雙極型晶體管，特別適用于高壓三相單芯片逆變器集成電路中，用來驅(qū)動直流無刷電機(jī)。
【背景技術(shù)】
[0002]絕緣柵雙極型晶體管IGBT是MOS柵器件結(jié)構(gòu)與雙極型晶體管結(jié)構(gòu)相結(jié)合進(jìn)化而成的復(fù)合型功率器件，同時具備MOS管與雙極型晶體管的特點(diǎn)，具有良好的通態(tài)電流和開關(guān)損耗之間的折中關(guān)系。絕緣體上娃橫向絕緣柵雙極型晶體管(SO1-Lateral InsulatedGate Bipolar Transistor, SO1-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。
[0003]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系統(tǒng)的損耗，功率損耗包括導(dǎo)通損耗和關(guān)斷損耗，為了降低S01-LIGBT的導(dǎo)通損耗，就必須提高器件的導(dǎo)通電流密度；為了降低S01-LIGBT的關(guān)斷損耗，就必須提高器件的關(guān)斷速度。為了提高器件的導(dǎo)通電流密度，目前提出了一些器件，例如多溝道LIGBT，立體溝道LIGBT和E2LIGBT。但在這些器件提高導(dǎo)通電流密度的同時，又會帶來一些新的問題，對于多溝道LIGBT，關(guān)斷前漂移區(qū)存貯的載流子數(shù)量較多，且沒有專門的空穴載流子排空通道，增加了器件的關(guān)斷時間，其它提高導(dǎo)通電流密度的技術(shù)也會帶來器件耐壓下降或抗閂鎖能力下降等問題。耐壓的下降，降低了器件的最高工作電壓，使器件的運(yùn)用受到限制；關(guān)斷時間增加，導(dǎo)致器件的開關(guān)損耗大幅增加；閂鎖效應(yīng)會使柵信號失去對器件的控制，器件結(jié)構(gòu)可能經(jīng)歷破壞性失效，閂鎖抑制能力的下降，使得器件的可靠性降低。
[0004]因此，在保持器件的耐壓、不降低S01-LIGBT的閂鎖抑制能力的基礎(chǔ)上提高S01-LIGBT的導(dǎo)通電流密度和降低關(guān)斷時間是S01-LIGBT的主要發(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】

[0005]本發(fā)明針對上述問題，提出了一種電流增強(qiáng)型橫向絕緣柵雙極型晶體管。該結(jié)構(gòu)在保持器件耐壓、抑制閂鎖能力不降低的前提下，顯著提高器件的電流密度，同時也提升了器件的關(guān)斷速率。
[0006]一種電流增強(qiáng)型橫向絕緣柵雙極型晶體管，包括:P型襯底，在P型襯底上設(shè)有埋氧，在埋氧上設(shè)有N型漂移區(qū)，在N型漂移區(qū)的兩側(cè)分別設(shè)有P型體區(qū)和N型緩沖區(qū)，在N型緩沖區(qū)內(nèi)設(shè)有重?fù)诫s的P型集電極區(qū)，重?fù)诫s的P型集電極區(qū)上連接有陽極金屬，在N型漂移區(qū)的上方設(shè)有場氧層，所述場氧層的一側(cè)邊界落在N型緩沖區(qū)上方，另一側(cè)邊界與P型體區(qū)相接且為直邊界，在P型體區(qū)內(nèi)設(shè)有P型阱區(qū)，在P型阱區(qū)內(nèi)設(shè)有重?fù)诫s的P型發(fā)射極區(qū)和發(fā)射極區(qū)，在重?fù)诫s的P型發(fā)射極區(qū)和發(fā)射極區(qū)連接有陰極金屬，其特征在于，所述P型體區(qū)、P型阱區(qū)、重?fù)诫s的P型發(fā)射極區(qū)和發(fā)射極區(qū)的內(nèi)側(cè)邊界同步內(nèi)陷形成一方形凹槽，發(fā)射極區(qū)的內(nèi)陷方形凹槽的底部定義為第三N型發(fā)射極區(qū)，發(fā)射極區(qū)的內(nèi)陷方形凹槽的兩邊分別定義為第二 N型發(fā)射極區(qū)和第四N型發(fā)射極區(qū)，分別與發(fā)射極區(qū)的內(nèi)陷方形凹槽的兩邊頂點(diǎn)連接的發(fā)射極區(qū)部分分別定義為第一 P型發(fā)射極區(qū)和第五P型發(fā)射極區(qū)，所述N型漂移區(qū)外凸并充滿方形凹槽，在P型阱區(qū)以外的P型體區(qū)表面設(shè)有柵氧化層，所述柵氧化層向場氧層延伸并止于場氧層的邊界，在柵氧化層表面設(shè)有多晶硅層且所述多晶硅層延伸至場氧層的上方，在多晶硅層上連接有柵金屬。
[0007]所述的電流增強(qiáng)型橫向絕緣柵雙極型晶體管，其特征在于第一 P型發(fā)射極區(qū)、第五P型發(fā)射極區(qū)可以全變?yōu)镹型重?fù)诫s。
[0008]所述的電流增強(qiáng)型橫向絕緣柵雙極型晶體管，其特征在于第一 P型發(fā)射極區(qū)、第二 N型發(fā)射極區(qū)、第三N型發(fā)射極區(qū)、第四N型發(fā)射極區(qū)、第五P型發(fā)射極區(qū)長度范圍均為
0.5um?lOOum。
[0009]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn):
本發(fā)明提供了一種電流增強(qiáng)型橫向絕緣柵雙極型晶體管，在P型體區(qū)、P型阱區(qū)、重?fù)诫s的P型發(fā)射極區(qū)和發(fā)射極區(qū)的內(nèi)側(cè)邊界同步內(nèi)陷后，形成了 U形的發(fā)射極區(qū)，相比于傳統(tǒng)的單溝道LIGBT，大大增加了等效的溝道長度。當(dāng)器件開啟時，電子從溝道區(qū)注入的效率大幅提升，從而使得漂移區(qū)載流子濃度升高；那么當(dāng)漏端PN結(jié)開啟時，將促使更多的空穴從漏端注入，形成更強(qiáng)的電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，大大提升了器件的導(dǎo)通電流能力。
[0010]對于傳統(tǒng)器件，空穴載流子是須通過N型發(fā)射極區(qū)，進(jìn)入源端；而本發(fā)明的第一、第五發(fā)射極區(qū)為P型重?fù)诫s，空穴載流子則是通過第一、第五P型發(fā)射極區(qū)進(jìn)入源端，P型發(fā)射極區(qū)本身吸收大量的空穴載流子，一方面抑制了寄生NPN晶體管的開啟，提高了器件的抗閂鎖特性；另一方面提高了器件的關(guān)斷速度，減小了關(guān)斷損耗。
[0011]與此同時，第一、第二、第三、第四、第五發(fā)射極區(qū)的長度之比可調(diào)，第一 P型發(fā)射極區(qū)和第五P型發(fā)射極區(qū)亦可全部替換成N型重?fù)诫s區(qū)，所以在實(shí)際應(yīng)用中可以更加靈活，在增加導(dǎo)通電流密度和提高抗閂鎖能力之間進(jìn)行折中。
[0012]故本發(fā)明器件不僅能夠顯著提高器件的導(dǎo)通電流密度，而且提高了器件的關(guān)斷速度，提高了器件的閂鎖抑制能力。
【附圖說明】
[0013]圖1所示為普通橫向絕緣柵雙極型晶體管的器件剖面結(jié)構(gòu)圖。
[0014]圖2所示為本發(fā)明U形溝道橫向絕緣柵雙極型晶體管的結(jié)構(gòu)三維圖。
[0015]圖3所不為本發(fā)明結(jié)構(gòu)去掉金屬電極和一半多晶娃后的三維圖。
[0016]圖4所示為本發(fā)明結(jié)構(gòu)去掉金屬電極后和柵氧層的三維圖。
[0017]圖5所示為本發(fā)明結(jié)構(gòu)去掉金屬電極和場氧層后的俯視圖。
[0018]圖6所示為本發(fā)明結(jié)構(gòu)去掉金屬電極和場氧層后柵極加正壓的俯視圖。
[0019]圖7所示為本發(fā)明結(jié)構(gòu)去掉金屬電極和場氧層后第一、第五P型發(fā)射極區(qū)改為全N型摻雜的俯視圖。
[0020]圖8所示為本發(fā)明結(jié)構(gòu)去掉金屬電極和場氧層后改變第三N型發(fā)射極區(qū)長度的俯視圖。
[0021]圖9所示為本發(fā)明結(jié)構(gòu)去掉金屬電極和場氧層后改變第二、四N型發(fā)射極區(qū)長度的俯視圖。
[0022]圖10所示為本發(fā)明結(jié)構(gòu)去掉金屬電極和場氧層后改變第一、第五P型發(fā)射極區(qū)長度的俯視圖。
[0023]圖11所示為本發(fā)明結(jié)構(gòu)第二、第三、第四N型發(fā)射區(qū)不同長度時的導(dǎo)通電流密度圖。
[0024]圖12所示為本發(fā)明結(jié)構(gòu)第一 P型發(fā)射區(qū)不同長度時的導(dǎo)通電流密度和閂鎖電壓圖。
[0025]圖13所示為本發(fā)明結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的1-V曲線對比圖。
[0026]圖14所示為本發(fā)明結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的閂鎖電壓比較圖。
[0027]圖15所示為本發(fā)明結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的關(guān)斷時間比較圖。
[0028]圖16所示為本發(fā)明結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的耐壓比較圖。
【具體實(shí)施方式】
[0029]下面結(jié)合圖2、圖3，對本發(fā)明做詳細(xì)說明，一種電流增強(qiáng)型橫向絕緣柵雙極型晶體管，包括:P型襯底1，在P型襯底I上設(shè)有埋氧2，在埋氧2上設(shè)有N型漂移區(qū)3，在N型漂移區(qū)3的兩側(cè)分別設(shè)有P型體區(qū)4和N型緩沖區(qū)9，在N型緩沖區(qū)9內(nèi)設(shè)有重?fù)诫s的P型集電極區(qū)8，重?fù)诫s的P型集電極區(qū)8上連接有陽極金屬10，在N型漂移區(qū)3的上方設(shè)有場氧層16，所述場氧層16的一側(cè)邊界落在N型緩沖區(qū)9上方，另一側(cè)邊界與P型體區(qū)4相接且為直邊界，在P型體區(qū)4內(nèi)設(shè)有P型阱區(qū)5，在P型阱區(qū)5內(nèi)設(shè)有重?fù)诫s的P型發(fā)射極區(qū)6和發(fā)射極區(qū)7，在重?fù)诫s的P型發(fā)射極區(qū)6和發(fā)射極區(qū)7連接有陰極金屬11，其特征在于，所述P型體區(qū)4、P型阱區(qū)5、重?fù)诫s的P型發(fā)射極區(qū)6和發(fā)射極區(qū)7的內(nèi)側(cè)邊界同步內(nèi)陷形成一方形凹槽17，發(fā)射極區(qū)7的寬度為定值，P型體區(qū)4的內(nèi)側(cè)邊界到P型阱區(qū)5的內(nèi)側(cè)邊界的距離為定值，發(fā)射極區(qū)7的內(nèi)陷方形凹槽17的底部定義為第三N型發(fā)射極區(qū)7c，發(fā)射極區(qū)7的內(nèi)陷方形凹槽17的兩邊分別定義為第二 N型發(fā)射極區(qū)7b和第四N型發(fā)射極區(qū)7d，分別與發(fā)射極區(qū)7的內(nèi)陷方形凹槽17的兩邊頂點(diǎn)連接的發(fā)射極區(qū)部分分別定義為第一P型發(fā)射極區(qū)7a和第五P型發(fā)射極區(qū)7e，第一 P型發(fā)射極區(qū)7a和第五P型發(fā)射極區(qū)7e的長度相同，所述N型漂移區(qū)3外凸并充滿方形凹槽17，在P型阱區(qū)5以外的P型體區(qū)4表面設(shè)有柵氧化層13，所述柵氧化層13向場氧層16延伸并止于場氧層16的邊界，在柵氧化層13表面設(shè)有多晶硅層15且所述多晶硅層15延伸至場氧層16的上方，在多晶硅層15上連接有柵金屬14。
[0030]所述的電流增強(qiáng)型橫向絕緣柵雙極型晶體管，其特征在于第一 P型發(fā)射極區(qū)7a、第五P型發(fā)射極區(qū)7e可以全變?yōu)镹型重?fù)诫s。
[0031]所述的電流增強(qiáng)型橫向絕緣柵雙極型晶體管，其特征在于第一 P型發(fā)射極區(qū)7a、第二 N型發(fā)射極區(qū)7b、第三N型發(fā)射極區(qū)7c、第四N型發(fā)射極區(qū)7d、第五P型發(fā)射極區(qū)7e長度范圍均為0.5um~100um。
[0032]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步說明。
[0033]本發(fā)明的工作原理:
器件的柵電極加正壓，如圖6，在柵下面形成了一個連接重?fù)诫s的N型發(fā)射區(qū)以及N型漂移區(qū)的溝道。集電極加正壓時，電子電流從N型發(fā)射區(qū)傳送到N