專利名稱：一種絕緣體上硅可集成大電流p型組合半導(dǎo)體器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及高壓功率半導(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 度的絕緣體上硅可集成大電流P型組合半導(dǎo)體器件。
背景技術(shù)：
隨著人們對現(xiàn)代化生活需求的日益增強，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，先出現(xiàn) 的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 上硅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、變頻器、開關(guān)電源、照明電路、牽引傳動等領(lǐng)域。圍繞著絕緣體上硅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可集成大電流P 型組合半導(dǎo)體器件，在不增加版圖面積的前提下，與同尺寸的普通絕緣體上硅P型橫向絕 緣柵雙極型器件相比，電流密度大幅度增加。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明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 體上硅可集成大電流P型組合半導(dǎo)體器件。本發(fā)明采用如下技術(shù)方案
一種絕緣體上硅可集成大電流P型組合半導(dǎo)體器件，包括N型硅襯底，在N型硅 襯底上設(shè)有埋氧層，在埋氧層中央上方處設(shè)有N型深阱，在N型深阱上設(shè)有P型環(huán)形源區(qū)和 N型體接觸區(qū)，所述P型環(huán)形源區(qū)環(huán)繞在N型體接觸區(qū)的外部，且在P型源區(qū)和N型體接觸 區(qū)上設(shè)有用于連通P型源區(qū)和N型體接觸區(qū)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)，所述第一隔離區(qū)和第二隔離區(qū)向埋氧層中心延伸并由此分隔形成第一區(qū)域I 和第二區(qū)域II，在第一區(qū)域I內(nèi)設(shè)有P型橫向絕緣柵雙極型晶體管，在第二區(qū)域(II )內(nèi)設(shè) 有NPN型高壓雙極型晶體管和P型橫向雙擴散金屬氧化層場效應(yīng)晶體管，所述的P型橫向 絕緣柵雙極型晶體管的源區(qū)采用所述的P型環(huán)形源區(qū)，所述的NPN型高壓雙極型晶體管的 集電區(qū)采用所述的N型體接觸區(qū)，所述的P型橫向雙擴散金屬氧化層場效應(yīng)晶體管的源區(qū) 采用所述的P型環(huán)形源區(qū)，所述的N型體接觸區(qū)同時為所述的P型橫向絕緣柵雙極型晶體 管的體接觸區(qū)，連接于P型橫向絕緣柵雙極型晶體管漏極的漏極金屬通過金屬層與連接于 NPN型高壓雙極型晶體管基極的基極金屬連接。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(1)本發(fā)明器件在原來版圖的基礎(chǔ)上用隔離槽將器件分隔為兩個部分，其中一個 部分用于制作普通P型橫向絕緣柵雙極型晶體管，另一部分用于制作NPN型高壓雙極型晶 體管和普通P型高壓橫向雙擴散金屬氧化層場效應(yīng)晶體管，并通過金屬層將P型橫向絕緣 柵雙極型晶體管的漏極和NPN型高壓雙極型晶體管的基極連接在一起，可以有效的將前者 的漏極電流作為流過NPN型高壓雙極型晶體管的基極電流進一步放大，除此之外還將與 NPN型高壓雙極型晶體管處在相同區(qū)域的普通P型高壓橫向雙擴散金屬氧化層場效應(yīng)晶體 管的電流進行放大，從而提高整個器件電流密度。該半導(dǎo)體組合器件的等效電路圖參見附 圖4，圖5顯示了本發(fā)明的半導(dǎo)體組合器件與相同面積的一般P型絕緣柵雙極型器件的電流 密度的比較，可見，本發(fā)明的半導(dǎo)體組合器件的電流密度比一般P型絕緣柵雙極型器件的 電流密度大大提高了。(2)本發(fā)明器件的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。(3)本發(fā)明器件的好處在于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要求。圖6顯示了本發(fā)明的半導(dǎo)體組合器件與相同面積的一般的 P型絕緣柵雙極型晶體管的關(guān)態(tài)擊穿電壓比較圖，可見本發(fā)明的半導(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P型絕緣柵雙極型器件一致。(4)本發(fā)明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)是本發(fā)明組合半導(dǎo)體器件去除鈍化保護氧化層后的俯視圖。圖1 (b)是沿著圖1 (a)的AA’面的剖面圖。(含有鈍化保護氧化層)圖1 (c)是沿著圖1 (a)的BB’面的剖面圖。(含有鈍化保護氧化層)圖2是本發(fā)明的組合半導(dǎo)體器件三維立體結(jié)構(gòu)圖。(去除鈍化保護氧化層和部分 金屬)圖3是本發(fā)明的半導(dǎo)體組合器件沿AA’面的三維立體剖面圖(去除鈍化保護氧化層和部分金屬)。圖4是本發(fā)明的半導(dǎo)體組合器件的等效電路圖。圖5是本發(fā)明的半導(dǎo)體組合器件和相同面積的一般P型絕緣柵雙極型器件的漏極 電流密度比較圖。圖6是本發(fā)明的半導(dǎo)體組合器件和相同面積的一般P型絕緣柵雙極型器件的關(guān)態(tài) 擊穿電壓比較圖。圖7(a)是形成本發(fā)明的半導(dǎo)體組合器件中的N型深阱16工藝示意圖。圖7(b)是形成本發(fā)明的半導(dǎo)體組合器件中第一區(qū)域(I)WP型漂移區(qū)4以及 第二區(qū)域(II )的P型三極管漂移區(qū)4’的工藝示意圖。圖7(c)是形成本發(fā)明的半導(dǎo)體組合器件中P型漂移區(qū)4上的P型緩沖阱5以及 P型三極管漂移區(qū)4’上的P型三極管緩沖阱5’的工藝示意圖。圖7(d)是形成本發(fā)明的半導(dǎo)體組合器件中第一區(qū)域(I )的的場氧化層8、柵氧 化層9以及多晶硅柵10和第二區(qū)域(II)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)是形成本發(fā)明的半導(dǎo)體組合器件中N型漏區(qū)6、N型發(fā)射區(qū)14、P型基區(qū) 15、N型體接觸區(qū)12以及P型環(huán)形源區(qū)11的工藝示意圖。圖7(f)是完全形成本發(fā)明的半導(dǎo)體組合器件后，沿著圖1(a)的AA’面的剖面圖。
具體實施例方式一種絕緣體上硅可集成大電流P型組合半導(dǎo)體器件，包括N型硅襯底1，在N型硅 襯底1上設(shè)有埋氧層2，在埋氧層2中央上方處設(shè)有N型深阱16，在N型深阱16上設(shè)有P型 環(huán)形源區(qū)11和N型體接觸區(qū)12，所述P型環(huán)形源區(qū)11環(huán)繞在N型體接觸區(qū)12的外部，且 在P型環(huán)形源區(qū)11和N型體接觸區(qū)12上設(shè)有用于連通P型環(huán)形源區(qū)11和N型體接觸區(qū) 12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，所述第一隔離區(qū) 101和第二隔離區(qū)102向埋氧層2中心延伸并由此分隔形成第一區(qū)域I和第二區(qū)域II，在第 一區(qū)域I內(nèi)設(shè)有P橫向絕緣柵雙極型晶體管，在第二區(qū)域II內(nèi)設(shè)有NPN型高壓雙極型晶體 管和P型橫向雙擴散金屬氧化層場效應(yīng)晶體管，所述的P型橫向絕緣柵雙極型晶體管的源 區(qū)采用所述的P型環(huán)形源區(qū)11，所述的NPN型高壓雙極型晶體管的集電區(qū)采用所述的N型 體接觸區(qū)12，所述的P型橫向雙擴散金屬氧化層場效應(yīng)晶體管的源區(qū)采用所述的P型環(huán)形 源區(qū)11，所述的N型體接觸區(qū)12同時為所述的P型橫向絕緣柵雙極型晶體管的體接觸區(qū)， 連接于P型橫向絕緣柵雙極型晶體管漏極的漏極金屬70通過金屬層與連接于NPN型高壓 雙極型晶體管基極的基極金屬70’連接。根述的第一隔離區(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中心延伸并分隔形成的兩個區(qū)域中，鈍角所 包圍的區(qū)域必須為第一區(qū)域I，而銳角所包圍的區(qū)域必須為第二區(qū)域II。雖然

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) 形式并不僅限于圓形，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 區(qū)域I和區(qū)域II隔開并將P型橫向絕緣柵雙極型器件的漏極與NPN高壓三極管的基極用金 屬連接即可。
所述的絕緣體上硅P型半導(dǎo)體組合器件N型發(fā)射區(qū)14與P型基區(qū)15的間距為 1 μ m ~ 2 μ m ；本發(fā)明采用如下方法來制備第一步，取具有N型外延層的絕緣體上硅圓片，刻蝕所需要的隔離槽101和102，從 而形成區(qū)域I和區(qū)域II，且N型外延層被分割成在區(qū)域I內(nèi)的第一 N型外延層3和在區(qū)域 II內(nèi)的第二 N型外延層3’。第二步，通過高能量磷離子注入，并高溫退火形成N型深阱16。第三步，以高能量的硼離子注入，高溫退火后在區(qū)域I形成P型漂移區(qū)4而在區(qū)域 II形成P型三極管漂移區(qū)4’ ；第四步，以高能量的硼離子注入，高溫退火后在P漂移區(qū)4上形成P型緩沖阱5而 在P型三極管漂移區(qū)4’上形成P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，進行鈍化層的制作。
權(quán)利要求
一種絕緣體上硅可集成大電流P型組合半導(dǎo)體器件，包括N型硅襯底(1)，在N型硅襯底(1)上設(shè)有埋氧層(2)，其特征在于，在埋氧層(2)中央上方處設(shè)有N型深阱(16)，在N型深阱(16)上設(shè)有P型環(huán)形源區(qū)(11)和N型體接觸區(qū)(12)，所述P型環(huán)形源區(qū)(11)環(huán)繞在N型體接觸區(qū)(12)的外部，且在P型源區(qū)(11)和N型體接觸區(qū)(12)上設(shè)有用于連通P型源區(qū)(11)和N型體接觸區(qū)(12)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)，所述第一隔離區(qū)(101)和第二隔離區(qū)(102)向埋氧層(2)中心延伸并由此分隔形成第一區(qū)域(Ⅰ)和第二區(qū)域(Ⅱ)，在第一區(qū)域(Ⅰ)內(nèi)設(shè)有P型橫向絕緣柵雙極型晶體管，在第二區(qū)域(Ⅱ)內(nèi)設(shè)有NPN型高壓雙極型晶體管和P型橫向雙擴散金屬氧化層場效應(yīng)晶體管，所述的P型橫向絕緣柵雙極型晶體管的源區(qū)采用所述的P型環(huán)形源區(qū)(11)，所述的NPN型高壓雙極型晶體管的集電區(qū)采用所述的N型體接觸區(qū)(12)，所述的P型橫向雙擴散金屬氧化層場效應(yīng)晶體管的源區(qū)采用所述的P型環(huán)形源區(qū)(11)，所述的N型體接觸區(qū)(12)同時為所述的P型橫向絕緣柵雙極型晶體管的體接觸區(qū)，連接于P型橫向絕緣柵雙極型晶體管漏極的漏極金屬(70)通過金屬層與連接于NPN型高壓雙極型晶體管基極的基極金屬(70’)連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的絕緣體上硅可集成大電流P型組合半導(dǎo)體器件，其特征在 于，所述的區(qū)域(I )包括設(shè)在埋氧層(2)上的第一 N型外延層(3)，在第一 N外延層(3) 的左上方設(shè)有P型漂移區(qū)(4)，在P型漂移區(qū)(4)的左上方設(shè)有P緩沖阱(5)，在P型緩沖 阱(5)的左上方設(shè)有N型漏區(qū)(6)且所述的漏極金屬(70)設(shè)在N型漏區(qū)(6)的上方，在P 型漂移區(qū)(4)的硅表面設(shè)有場氧化層(8)且場氧化層(8)與N型漏區(qū)(6)相接，在P型環(huán) 形源區(qū)(11)和場氧化層(8)之間的硅表面設(shè)有柵氧化層(9)，柵氧化層(9)上設(shè)有多晶硅 柵(10)且多晶硅柵(10)延伸至場氧化層(8)的上表面，在多晶硅柵(10)上設(shè)有柵極金屬 (71)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的絕緣體上硅可集成大電流P型組合半導(dǎo)體器件，其特征在于， 所述的區(qū)域(II )包括設(shè)在埋氧層(2)上的第二 N型外延層(3’)，在第二 N外延層(3’) 的右上方設(shè)有P型三極管漂移區(qū)(4’)，在P型三極管漂移區(qū)(4’ )的右上方設(shè)有P型三極 管緩沖阱(5’)，在P型三極管緩沖阱(5’ )上自右至左設(shè)有N型發(fā)射區(qū)(14)和P型基區(qū) (15)，在N型發(fā)射區(qū)(14)上設(shè)有發(fā)射極金屬(73)，在P型基區(qū)(15)上設(shè)有所述的基極金屬 (70’)，在P型三極管漂移區(qū)(4’)的硅表面設(shè)有場氧化層(8’)且場氧化層(8’)與P型基 區(qū)(15)相接，在N型環(huán)形源區(qū)(11)和場氧化層(8’)之間的硅表面設(shè)有柵氧化層(9’)，柵 氧化層(9’ )上設(shè)有多晶硅柵(10’ )且多晶硅柵(10’ )延伸至場氧化層(8’ )的上表面， 在多晶硅柵(10’ )上設(shè)有柵極金屬(71’)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的絕緣體上硅可集成大電流P型組合半導(dǎo)體器件，其特 征在于，N型發(fā)射區(qū)(14)與P型基區(qū)(15)的間距為1微米 2微米。
5.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的絕緣體上硅可集成大電流P型組合半導(dǎo)體器件，其特 征在于，區(qū)域(I )和區(qū)域(II )上表面非金屬區(qū)域設(shè)有鈍化保護氧化層(13)。
全文摘要
一種提高電流密度的絕緣體上硅可集成大電流P型半導(dǎo)體組合器件，包括N型襯底及其上設(shè)埋氧層，在埋氧層上設(shè)被分隔成區(qū)域Ⅰ和Ⅱ的N型外延層，Ⅰ區(qū)包括P型漂移區(qū)、N型深阱、P型緩沖阱、N型漏區(qū)、P型源區(qū)和N型體接觸區(qū)，在硅表面設(shè)有場氧化層和柵氧化層，在柵氧化層上設(shè)有多晶硅柵，Ⅱ區(qū)包括P型三極管漂移區(qū)、N型深阱、P型三極管緩沖阱、N型發(fā)射區(qū)和P型基區(qū)、P型源區(qū)和N型體接觸區(qū)，硅表面設(shè)有場氧化層和柵氧化層，在柵氧化層上設(shè)有多晶硅柵，其特征在于P型基區(qū)包在P型緩沖區(qū)內(nèi)部，N型漏區(qū)上的漏極金屬與P型基區(qū)上的基極金屬通過金屬層連通。本發(fā)明在不增加器件面積及降低器件其他性能的基礎(chǔ)上顯著提升器件的電流密度。
文檔編號H01L27/12GK101976670SQ20101026646
公開日2011年2月16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, 曹鵬飛, 錢欽松, 陸生禮 申請人:東南大學(xué)