專利名稱：絕緣體上硅的n型橫向絕緣柵雙極晶體管的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及高壓功率半導(dǎo)體器件領(lǐng)域，更準(zhǔn)確的講，是關(guān)于一種適用于高壓 高功率應(yīng)用條件下具有抑制閂鎖效應(yīng)的絕緣體上硅的N型橫向絕緣柵雙極晶體管。
背景技術(shù)：
隨著人們對現(xiàn)代化生活需求的日益增強(qiáng)，功率集成電路產(chǎn)品的性能越來越受到關(guān) 注，其中功率集成電路處理高電壓、大電流的能力越來越成為最為主要的性能指標(biāo)之一。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集成電路本身電路結(jié)構(gòu)、設(shè) 計(jì)以及電路所采用的制造工藝之外，相同面積的單個(gè)器件能通過的電流能力是衡量功率集 成電路性能和成本的關(guān)鍵。由于功率半導(dǎo)體器件是電力電子系統(tǒng)進(jìn)行能量控制和轉(zhuǎn)換的基本電子元件，電力 電子技術(shù)的不斷發(fā)展為半導(dǎo)體功率器件開拓了廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，而半導(dǎo)體功率器件的導(dǎo)通 電阻和擊穿電壓等特性則決定了電力電子系統(tǒng)的效率、功耗等基本性能。近來絕緣體上硅制造技術(shù)日益成熟，與通過傳統(tǒng)的體型襯底硅晶圓生產(chǎn)的芯片相 比，基于絕緣體上硅的芯片結(jié)構(gòu)中絕緣層把活動(dòng)硅膜層與體型襯底硅基板分隔開來，因此 大面積的PN結(jié)將被介電隔離取代。各種阱可以向下延伸至氧化埋層，有效減少了漏電流和 結(jié)電容。其結(jié)果必然是大幅度提高了芯片的運(yùn)行速度，拓寬了器件工作的溫度范圍。隨著 絕緣體上硅的橫向雙擴(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體器件的出現(xiàn)，它以普通橫向雙擴(kuò)散金屬氧化物 半導(dǎo)體器件無法比擬的優(yōu)點(diǎn)(功耗低、抗干擾能力強(qiáng)、集成密度高、速度快)而得到學(xué)術(shù)界 和工業(yè)界的廣泛垂青。絕緣柵雙極型器件綜合了雙極型器件和絕緣柵場效應(yīng)管器件的優(yōu)點(diǎn)，驅(qū)動(dòng)功率小 而飽和壓降低。非常適合應(yīng)用于變流系統(tǒng)如交流電機(jī)、變頻器、開關(guān)電源、照明電路、牽引傳 動(dòng)等大功率領(lǐng)域。然而在絕緣柵雙極型器件中存在有寄生的一個(gè)PNP和NPN三極管，在電流過大時(shí) 會(huì)觸發(fā)寄生三極管的組合導(dǎo)通從而發(fā)生閂鎖效應(yīng)，導(dǎo)致器件無法正常工作，甚至燒毀器件。 所以如何防止閂鎖效應(yīng)的發(fā)生或者提高觸發(fā)閾值條件一直以來都是在絕緣柵雙極型器件 的應(yīng)用中需要克服的難題之一。傳統(tǒng)的絕緣柵雙極型器件為防止器件發(fā)生閂鎖效應(yīng)往往在 P型摻雜溝道區(qū)中P型摻雜體接觸區(qū)域附近形成一個(gè)很深的P阱，使得從埋氧化層表面到 P型摻雜體接觸區(qū)域的通路上形成低阻導(dǎo)電通路以將體內(nèi)雪崩效應(yīng)產(chǎn)生的空穴電流從埋氧 化層表面引出到P型摻雜體接觸區(qū)，從而減小從N型摻雜陰極接觸區(qū)下方流過的空穴電流， 進(jìn)而提高了防止閂鎖效應(yīng)的性能。但是深P阱的形成往往會(huì)影響到P型摻雜體區(qū)的雜質(zhì)濃 度，從而會(huì)提高器件的閾值電壓和降低器件電流能力。本實(shí)用新型針對這一問題提出了一 種改進(jìn)型絕緣柵雙極晶體管，該器件結(jié)構(gòu)能夠在保證其他器件參數(shù)的前提下有效的抑制閂 鎖效應(yīng)的發(fā)生。
實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種有效的防止閂鎖效應(yīng)的絕緣體上硅的 N型橫向絕緣柵雙極晶體管。本實(shí)用新型采用如下技術(shù)方案一種絕緣體上硅的N型橫向絕緣柵雙極晶體管，包括P型襯底，在P型襯底上設(shè) 置有埋氧化層，在埋氧化層上設(shè)置有第一 P型外延層，在第一 P型外延層上方設(shè)置有第二 P 型外延層，在第二 P型外延層的左側(cè)設(shè)有N型摻雜深阱，在N型摻雜深阱和部分第二 P型外 延層中設(shè)有N型摻雜漂移區(qū)，在N型摻雜漂移區(qū)內(nèi)設(shè)有N型緩沖層，在N型緩沖層內(nèi)設(shè)有P 型摻雜陽極接觸區(qū)域，在第二 P型外延層的右側(cè)設(shè)有P型摻雜溝道區(qū)，在P型摻雜溝道區(qū)中 設(shè)有N型摻雜陰極接觸區(qū)域和P型摻雜體接觸區(qū)，在N型摻雜漂移區(qū)的上方和部分P型摻 雜溝道區(qū)的上方設(shè)有第一型場氧化層，在N型摻雜漂移區(qū)的右上方設(shè)有柵氧化層，并且柵 氧化層向右延伸至部分P型摻雜溝道區(qū)的上方，在柵氧化層的上方設(shè)有多晶硅，作為器件 的柵極，并且多晶硅延伸至第一型場氧化層上方，作為器件的柵極場板，在多晶硅、第一型 場氧化層以及N型摻雜陰極接觸區(qū)域和P型摻雜體接觸區(qū)上方覆蓋有第二型場氧化層，在 P型摻雜陽極接觸區(qū)域上連接有陽極金屬電極，在N型摻雜陰極接觸區(qū)域和P型摻雜體接觸 區(qū)上連接有陰極金屬層，其特征在于在第一 P型外延層內(nèi)的右側(cè)設(shè)置有P型埋層，在第二 P 型外延層內(nèi)的右側(cè)設(shè)置有P型高能離子注入層并且P型高能離子注入層的下表面與P型埋 層的上表面連通，所述P型埋層摻雜雜質(zhì)濃度大于P型高能離子注入層的摻雜雜質(zhì)濃度，P 型高能離子注入層的摻雜雜質(zhì)濃度大于P型摻雜溝道區(qū)摻雜雜質(zhì)濃度，P型埋層左邊界至 少延伸至第一型場氧化層的右邊界的正下方區(qū)域，P型高能離子注入層的左邊界延伸至N 型摻雜陰極接觸區(qū)域左邊界的正下方區(qū)域。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型具有如下優(yōu)點(diǎn)(1)傳統(tǒng)的高壓絕緣體上硅的N型橫向絕緣柵雙極晶體管為防止器件發(fā)生閂鎖效 應(yīng)往往在P型摻雜溝道區(qū)中P型摻雜體接觸區(qū)域附近形成一個(gè)很深的P阱，使得從埋氧化 層表面到P型摻雜體接觸區(qū)域的通路上形成低阻導(dǎo)電通路，分流了一部分空穴電流，從而 減小從N型摻雜陰極接觸區(qū)下方流過的空穴電流，進(jìn)而提高了防止閂鎖效應(yīng)的性能，參照 圖4。但是為了使得空穴導(dǎo)電通路電阻較小，往往增大深P阱的雜質(zhì)濃度和退火推阱時(shí)間， 導(dǎo)致深P阱中的雜質(zhì)橫向擴(kuò)散至P型摻雜溝道區(qū)，進(jìn)而提高了溝道區(qū)的摻雜濃度，從而會(huì)提 高器件的閾值電壓。而本實(shí)用新型中采用P型埋層4、P型高能離子注入層6和P型摻雜溝 道區(qū)9組合結(jié)構(gòu)，參照圖3，P型埋層4可以很好的延伸至埋氧化層2表面空穴堆積最大值 處，可以最大程度的吸引空穴至陰極，而且P型埋層4濃度較大，形成了更低的低阻通路，大 大地增強(qiáng)了抗閂鎖能力。(2)傳統(tǒng)的高壓絕緣體上硅的N型橫向絕緣柵雙極晶體管中深P阱通過離子注入 形成，雜質(zhì)濃度分布為從上至下逐漸減小，不利于埋氧化層2表面空穴的傳導(dǎo)。而本實(shí)用新 型采用P型埋層4、P型高能離子注入層6和P型摻雜溝道區(qū)9組合結(jié)構(gòu)，并且濃度由上至 下逐漸增大。由于P型埋層4注入在第一 P型外延層3表面，但在外延生長第二 P型外延 層5的過程中，摻雜雜質(zhì)可以向第一 P型外延層擴(kuò)散形成P型埋層42，向第二 P型外延層5 中擴(kuò)散形成P型埋層41，并能與P型高能離子注入層6相連通，P型高能離子注入層6上表 面與P型摻雜溝道區(qū)9相連通，三者形成P型雜質(zhì)低阻導(dǎo)電通路。參照圖3，由于P型埋層4雜質(zhì)濃度較大，可以使得大部分空穴電流經(jīng)P型埋層4至陰極，減少了從第二 P型外延層 5區(qū)域流經(jīng)P型摻雜溝道區(qū)9再至陰極的空穴電流，從而使得N型摻雜陰極接觸區(qū)13下方 的P型摻雜溝道區(qū)9的電阻分壓小于PN結(jié)開啟電壓0. 7V，進(jìn)而寄生的PNPN結(jié)構(gòu)不會(huì)導(dǎo)通， 提高了閂鎖效應(yīng)的觸發(fā)閾值條件。本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)不僅為埋氧化層表面堆積的空穴提供了 一個(gè)更低阻值的導(dǎo)電通路，而且對閾值電壓和擊穿電壓沒有任何影響。

圖1是本實(shí)用新型中的高壓絕緣體上硅的N型橫向絕緣柵雙極晶體管結(jié)構(gòu)示意 圖。圖2是帶有深P阱的傳統(tǒng)高壓絕緣體上硅的N型橫向絕緣柵雙極晶體管結(jié)構(gòu)示意 圖。圖3是本實(shí)用新型中的高壓絕緣體上硅的N型橫向絕緣柵雙極晶體管空穴電流分 布示意圖。圖4是帶有深P阱的傳統(tǒng)高壓絕緣體上硅的N型橫向絕緣柵雙極晶體管空穴電流 分布示意圖。圖5是三種不同結(jié)構(gòu)的高壓絕緣體上硅的N型橫向絕緣柵雙極晶體管的抗閂鎖能 力對比圖，可見本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)的觸發(fā)電壓最高。圖6-圖10是本實(shí)用新型中器件的制備工藝流程圖。
具體實(shí)施方式
參照圖1，一種絕緣體上硅的N型橫向絕緣柵雙極晶體管，包括P型襯底1，在P型 襯底1上設(shè)置有埋氧化層2，在埋氧化層2上設(shè)置有第一 P型外延層3，在第一 P型外延層3 上方設(shè)置有第二 P型外延層5，在第二 P型外延層5的左側(cè)設(shè)有N型摻雜深阱7，在N型摻 雜深阱7和部分第二 P型外延層5中設(shè)有N型摻雜漂移區(qū)8，在N型摻雜漂移區(qū)8內(nèi)設(shè)有 N型緩沖層10，在N型緩沖層10內(nèi)設(shè)有P型摻雜陽極接觸區(qū)域11，在第二 P型外延層5的 右側(cè)設(shè)有P型摻雜溝道區(qū)9，在P型摻雜溝道區(qū)9中設(shè)有N型摻雜陰極接觸區(qū)域13和P型 摻雜體接觸區(qū)12，在N型摻雜漂移區(qū)8的上方和部分P型摻雜溝道區(qū)9的上方設(shè)有第一型 場氧化層16，在N型摻雜漂移區(qū)8的右上方設(shè)有柵氧化層14，并且柵氧化層14向右延伸至 部分P型摻雜溝道區(qū)9的上方，在柵氧化層14的上方設(shè)有多晶硅15，作為器件的柵極，并 且多晶硅15延伸至第一型場氧化層16上方，作為器件的柵極場板，在多晶硅15、第一型場 氧化層16以及N型摻雜陰極接觸區(qū)域13和P型摻雜體接觸區(qū)12上方覆蓋有第二型場氧 化層17，在P型摻雜陽極接觸區(qū)域11上連接有陽極金屬電極18，在N型摻雜陰極接觸區(qū)域 13和P型摻雜體接觸區(qū)12上連接有陰極金屬層19，其特征在于在第一 P型外延層3內(nèi)的 右側(cè)設(shè)置有P型埋層4，在第二 P型外延層5內(nèi)的右側(cè)設(shè)置有P型高能離子注入層6并且P 型高能離子注入層6的下表面與P型埋層4的上表面連通，所述P型埋層4摻雜雜質(zhì)濃度 大于P型高能離子注入層6的摻雜雜質(zhì)濃度，P型高能離子注入層6的摻雜雜質(zhì)濃度大于P 型摻雜溝道區(qū)9摻雜雜質(zhì)濃度，P型埋層4左邊界至少延伸至第一型場氧化層16的右邊界 的正下方區(qū)域，P型高能離子注入層6的左邊界延伸至N型摻雜陰極接觸區(qū)域13左邊界的 正下方區(qū)域。[0020]本實(shí)用新型所述絕緣體上硅的N型橫向絕緣柵雙極晶體管可以采用以下方法來 制備(1)取一塊P型絕緣體上硅片，其中第一 P型外延層3的厚度為0. 5-1 μ m，采用離 子注入氟化硼以形成高濃度摻雜的P型埋層4 ；(2)外延生長第二 P型外延層5，厚度為6-7 μ m,然后采用高能粒子注入硼以形成 P型高能離子注入層6 ；(3)然后采用離子注入和后續(xù)的退火工藝形成N型摻雜深阱區(qū)7，N型摻雜漂移區(qū) 8，P型摻雜溝道區(qū)9以及N型緩沖層10。然后經(jīng)過熱生長氧化層工藝生成第一型場氧化層 16 ；(4)接著干法氧化工藝生長柵氧化層14，然后淀積多晶硅，并進(jìn)行刻蝕形成多晶 硅柵和多晶硅場板結(jié)構(gòu)15，然后經(jīng)過離子注入形成P型摻雜陽極接觸區(qū)域11，N型摻雜陰 極接觸區(qū)域13和P型摻雜體接觸區(qū)12 ；(5)淀積第二型場氧化層17并刻蝕出接觸孔，然后淀積鋁并刻蝕鋁，形成陽極金 屬層18和陰極金屬層19，最后進(jìn)行后序的鈍化處理。本實(shí)施例中還采用如下技術(shù)措施來進(jìn)一步提高本實(shí)用新型的性能所述的器件結(jié)構(gòu)中P型埋層4左邊界至少延伸至第一型場氧化層16的左邊界的 正下方區(qū)域。所述的器件結(jié)構(gòu)中P型高能離子注入層6的左邊界要延伸至N型摻雜陰極接觸區(qū) 域13左邊界的正下方區(qū)域。所述的器件結(jié)構(gòu)中的P型埋層4、P型高能離子注入層6和P型摻雜溝道區(qū)9在雜 質(zhì)擴(kuò)散后保證能夠彼此連通為一體。所述的器件結(jié)構(gòu)中的P型摻雜體接觸區(qū)域12和N型陰極接觸區(qū)域13保持一定間 距，0. 5-1. 5 μ m0所述的器件結(jié)構(gòu)中P型埋層4中的雜質(zhì)采用氟化硼，以減小P型雜質(zhì)在后序退火 過程中的向第二 P型外延層5的擴(kuò)散程度。更具體來說，1、取一塊P型絕緣體上硅片，其中第一 P型外延層3的厚度為0. 5-1 μ m,然后采用 離子注入氟化硼以形成高濃度的P型埋層4 ；2、外延生長第二 P型外延層5，厚度為6-7 μ m,然后采用高能粒子注入硼以形成P 型高能離子注入層6，然后退火使得P型埋層4和P型高能離子注入層6連通；3、然后采用離子注入和后續(xù)的退火工藝形成N型摻雜深阱區(qū)7 ；接著離子注入形 成N型摻雜漂移區(qū)8和P型摻雜溝道區(qū)9以及N型緩沖層10。然后經(jīng)過熱生長氧化層工藝 生成第一型場氧化層16 ；4、接著生長柵氧化層14，淀積多晶硅，并進(jìn)行刻蝕形成多晶硅柵和多晶硅場板結(jié) 構(gòu)15，然后經(jīng)過離子注入形成P型摻雜陽極接觸區(qū)域11，N型摻雜陰極接觸區(qū)域13和P型 摻雜體接觸區(qū)12 ；5、經(jīng)過淀積第二型場氧化層17并刻蝕出接觸孔，然后淀積鋁和刻蝕鋁，形成陽極 金屬層18和陰極金屬層19，最后進(jìn)行后序的鈍化處理。
權(quán)利要求1.一種絕緣體上硅的N型橫向絕緣柵雙極晶體管，包括P型襯底(1)，在P型襯底(1) 上設(shè)置有埋氧化層O)，在埋氧化層( 上設(shè)置有第一 P型外延層(3)，在第一 P型外延層 (3)上方設(shè)置有第二 P型外延層(5)，在第二 P型外延層( 的左側(cè)設(shè)有N型摻雜深阱(7)， 在N型摻雜深阱(7)和部分第二 P型外延層( 中設(shè)有N型摻雜漂移區(qū)(8)，在N型摻雜漂 移區(qū)(8)內(nèi)設(shè)有N型緩沖層(10)，在N型緩沖層(10)內(nèi)設(shè)有P型摻雜陽極接觸區(qū)域(11)， 在第二 P型外延層(5)的右側(cè)設(shè)有P型摻雜溝道區(qū)(9)，在P型摻雜溝道區(qū)(9)中設(shè)有N型 摻雜陰極接觸區(qū)域(1 和P型摻雜體接觸區(qū)(12)，在N型摻雜漂移區(qū)(8)的上方和部分P 型摻雜溝道區(qū)(9)的上方設(shè)有第一型場氧化層(16)，在N型摻雜漂移區(qū)(8)的右上方設(shè)有 柵氧化層(14)，并且柵氧化層(14)向右延伸至部分P型摻雜溝道區(qū)(9)的上方，在柵氧化 層(14)的上方設(shè)有多晶硅(15)，作為器件的柵極，并且多晶硅(15)延伸至第一型場氧化 層(16)上方，作為器件的柵極場板，在多晶硅(15)、第一型場氧化層(16)以及N型摻雜陰 極接觸區(qū)域(1 和P型摻雜體接觸區(qū)(1 上方覆蓋有第二型場氧化層(17)，在P型摻雜 陽極接觸區(qū)域(11)上連接有陽極金屬電極(18)，在N型摻雜陰極接觸區(qū)域(1 和P型摻 雜體接觸區(qū)(1 上連接有陰極金屬層(19)，其特征在于在第一 P型外延層(3)內(nèi)的右側(cè)設(shè) 置有P型埋層G)，在第二 P型外延層(5)內(nèi)的右側(cè)設(shè)置有P型高能離子注入層(6)并且P 型高能離子注入層(6)的下表面與P型埋層的上表面連通，所述P型埋層(4)摻雜雜 質(zhì)濃度大于P型高能離子注入層(6)的摻雜雜質(zhì)濃度，P型高能離子注入層(6)的摻雜雜 質(zhì)濃度大于P型摻雜溝道區(qū)(9)摻雜雜質(zhì)濃度，P型埋層(4)左邊界至少延伸至第一型場 氧化層(16)的右邊界的正下方區(qū)域，P型高能離子注入層(6)的左邊界延伸至N型摻雜陰 極接觸區(qū)域(1 左邊界的正下方區(qū)域。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的絕緣體上硅的N型橫向絕緣柵雙極晶體管，其特征在于，P型 高能離子注入層(6)的上表面與P型摻雜溝道區(qū)(9)的下表面連通。
專利摘要一種絕緣體上硅的N型橫向絕緣柵雙極晶體管，包括P型絕緣體上硅硅片，其中第一P型外延層右區(qū)設(shè)有P型埋層，而上方設(shè)有第二P型外延層，第二P型外延層內(nèi)設(shè)有P型高能離子注入層和P型溝道區(qū)，而左側(cè)設(shè)有N型深阱和N型漂移區(qū)，N型漂移區(qū)內(nèi)設(shè)N型緩沖層和P型陽極接觸區(qū)，而P型溝道區(qū)內(nèi)設(shè)N型陰極接觸區(qū)和P型體接觸區(qū)，N型漂移區(qū)上方設(shè)有第一場氧化層和柵氧化層，并且柵氧化層向右延伸至P型溝道區(qū)的上方，柵氧化層上方設(shè)有多晶硅，作為柵極。
文檔編號H01L21/331GK201904340SQ20102067415
公開日2011年7月20日 申請日期2010年12月22日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月22日
發(fā)明者劉斯揚(yáng), 孫偉鋒, 時(shí)龍興, 朱奎英, 祝靖, 錢欽松, 陸生禮 申請人:東南大學(xué)