專利名稱：一種基于雙溝道結(jié)構(gòu)的soi-ligbt器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于半導體器件技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及ー種基于雙溝道結(jié)構(gòu)的S0I-LIGBT器件。
背景技術(shù)：
LIGBT (Lateral Insulated-Gate Bipolar Transistor,橫向絕緣柵雙極型晶體管)是ー種將功率MOSFET的優(yōu)點(易于驅(qū)動，控制簡單，開關(guān)速度快)和雙極晶體管的優(yōu)點(電流處理能力大、飽和壓降低、開關(guān)損耗小)集于一身的晶體管，是電子產(chǎn)業(yè)中必不可少的功率“芯臟”，廣泛被用于功率輸出驅(qū)動電路的輸出級。而SOI (Silicon On Insulator, 絕緣體上硅)技術(shù)以其理想的介質(zhì)隔離性能，廣泛用于功率集成電路制造中。S0I-LIGBT器件是基于SOI技術(shù)制造的LIGBT器件，由于其與襯底以及其他高低壓器件被介質(zhì)完全隔離，消除了器件之間的寄生效應，從而避免了器件與襯底和器件與器件之間的閂鎖效應；閂鎖效應是由寄生的n-p-n-p結(jié)構(gòu)產(chǎn)生，當寄生NPN晶體管和寄生PNP晶體管均導通且形成正反饋時，會引起電流增加，嚴重會導致電路失效，甚至燒毀芯片。然而，由于S0I-LIGBT器件自身的特殊結(jié)構(gòu)(內(nèi)部存在寄生晶閘管結(jié)構(gòu))，器件內(nèi)仍然可能發(fā)生閂鎖效應。圖I所示了一種傳統(tǒng)的S0I-LIGBT器件，其中101是P型襯底，102是埋氧層，103是N-外延層，104是場氧層，105是P-體區(qū)，106是P+接觸區(qū)，107是N+發(fā)射極，108是柵氧層，109是多晶娃柵電極，110是LIGBT P+集電極，111是N-緩沖層。S0I-LIGBT器件體內(nèi)，P+集電極109，N-緩沖層110，N-外延層103，P-體區(qū)105，N+發(fā)射極107共同構(gòu)成了寄生晶閘管，如圖I中NPN晶體管T1、PNP晶體管T2所示。大電流工作吋，當晶體管Tl、T2均開啟，且形成正反饋，S0I-LIGBT器件內(nèi)部即發(fā)生閂鎖效應，導致其失去柵控能力，且長時間處于大電流工作狀態(tài)，最終導致器件燒毀失效。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有技術(shù)所存在的上述技術(shù)缺陷，本發(fā)明提供了一種基于雙溝道結(jié)構(gòu)的S0I-LIGBT器件，通過改變器件導通時內(nèi)部電流的走向，抑制了寄生晶閘管的開啟，提高了器件的抗閂鎖能力，從而提升了器件的可靠性。一種基于雙溝道結(jié)構(gòu)的S0I-LIGBT器件，包括P型襯底；所述的P型襯底上鋪設(shè)有埋氧層，所述的埋氧層上鋪設(shè)有N-外延層，所述的N-外延層上嵌設(shè)有P+集電極區(qū)，所述的P+集電極區(qū)上設(shè)有金屬電極；位于P+集電極區(qū)ー側(cè)的N-外延層上并排設(shè)有兩個相互対稱的體區(qū)結(jié)構(gòu)；所述的體區(qū)結(jié)構(gòu)包括設(shè)于N-外延層上P阱、嵌設(shè)于P阱上的N+發(fā)射極區(qū)以及貫穿P阱的P+接觸區(qū)；所述的P+接觸區(qū)一端穿出P阱后伸入N-外延層內(nèi)；所述的體區(qū)結(jié)構(gòu)上設(shè)有連接N+發(fā)射極區(qū)和P+接觸區(qū)的金屬電極，兩個體區(qū)結(jié)構(gòu)分別對應的兩個金屬電極相連通；所述的P+集電極區(qū)與其相鄰的體區(qū)結(jié)構(gòu)之間的N-外延層上鋪設(shè)有場氧層；兩個體區(qū)結(jié)構(gòu)之間的N-外延層上鋪設(shè)有柵氧層，所述的柵氧層兩側(cè)分別延伸至與兩個體區(qū)結(jié)構(gòu)對應的兩個N+發(fā)射極區(qū)相接觸，所述的柵氧層上設(shè)有柵電極區(qū)。位于柵氧層下方的兩塊P阱區(qū)域即為器件的兩個溝道區(qū)。優(yōu)選地，所述的N-外延層上設(shè)有N阱，所述的P+集電極區(qū)嵌設(shè)于所述的N阱上；N阱可以弱化集電極區(qū)附近的高電場，有效提高器件的關(guān)態(tài)雪崩擊穿電壓。所述的場氧層ー側(cè)延伸至與所述的N阱相接觸。優(yōu)選地，所述的P+集電極區(qū)上的金屬電極以及與P+集電極區(qū)相鄰的體區(qū)結(jié)構(gòu)上的金屬電極延伸覆蓋至場氧層上；可以弱化表面電場，有效提高器件的關(guān)態(tài)雪崩擊穿電壓。
所述的埋氧層、場氧層和柵氧層均采用ニ氧化硅。所述的柵電極區(qū)采用多晶硅。上述S0I-LIGBT器件的寄生等效電路由三個三極管Tl T3和三個電阻Rl R3組成；其中，電阻R3的一端與三極管T3的發(fā)射極相連，電阻R3的另一端與三極管T3的基極、三極管Tl的集電極和三極管T2的集電極相連，三極管T3的集電極與三極管Tl的基極、三極管T2的基極、電阻Rl的一端和電阻R2的一端相連，三極管Tl的發(fā)射極與三極管T2的發(fā)射極、電阻Rl的另一端和電阻R2的另一端相連。其中，三極管Tl T2為NPN型三極管，三極管T3為PNP型三極管。三極管T3的發(fā)射極和基極分別等效對應P+集電極區(qū)和N-外延層，三極管Tl T2的發(fā)射極分別等效對應兩個N+發(fā)射極區(qū)，三極管Tl T2的基極分別等效對應兩個P阱，三極管Tl T3的基極均等效對應N-外延層；電阻Rl R2分別等效對應兩個P阱內(nèi)的阱電阻，電阻R3等效對應N阱內(nèi)的阱電阻。本發(fā)明通過在發(fā)射極處設(shè)置兩個溝道區(qū)，使空穴電流從集電極流到發(fā)射極時，均分成兩股電流，分別經(jīng)兩個由N+發(fā)射極區(qū)、P阱和P+接觸區(qū)組成的寄生NPN三極管基極泄放，因此，流過寄生NPN三極管基極電流減小為總電流的一半；同吋，P+接觸區(qū)結(jié)深較深、摻雜濃度大，寄生NPN三極管基極電阻小。故基于上述兩個改進技術(shù)特征，使得兩個寄生NPN三極管開啟的難度大大增加(三極管的基極電壓-發(fā)射極電壓> 0. 7V吋，三極管才會開啟)，進而有效抑制了寄生晶閘管的觸發(fā)難度。故相比現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有以下有益效果(I)本發(fā)明器件寄生晶閘管的觸發(fā)難度大，器件抗閂鎖能力強，可靠性好。(2)本發(fā)明器件加強了電導調(diào)制效應，其電流密度提高了，但并不影響器件的關(guān)態(tài)雪崩擊穿電壓。(3)本發(fā)明器件的制作并不需要額外エ藝步驟，與現(xiàn)有的集成電路制造エ藝完全兼容。


圖I為傳統(tǒng)S0I-LIGBT器件的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本發(fā)明S0I-LIGBT器件的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為本發(fā)明S0I-LIGBT器件的寄生等效電路示意圖。圖4為寄生等效電路的原通不意圖。圖5為本發(fā)明S0I-LIGBT器件的エ藝制備流程圖。
圖6為傳統(tǒng)S0I-LIGBT器件和本發(fā)明S0I-LIGBT器件的閂鎖觸發(fā)電壓曲線圖。圖7為傳統(tǒng)S0I-LIGBT器件和本發(fā)明S0I-LIGBT器件的集電極電流密度曲線圖。圖8為傳統(tǒng)S0I-LIGBT器件和本發(fā)明S0I-LIGBT器件的關(guān)態(tài)雪崩擊穿電壓曲線圖。
具體實施例方式為了更為具體地描述本發(fā)明，下面結(jié)合附圖及具體實施方式
對本發(fā)明的技術(shù)方案及其相關(guān)原理進行詳細說明。如圖2所示，一種基于雙溝道結(jié)構(gòu)的S0I-L IGBT器件，包括P型襯底10 ；P型襯底10上鋪設(shè)有埋氧層11，埋氧層11上鋪設(shè)有N-外延層12，N-外延層12上設(shè)有N阱20，N阱20上嵌設(shè)有P+集電極區(qū)40，P+集電極區(qū)40上設(shè)有金屬電極50 ;位于P+集電極區(qū)40 —側(cè)的N-外延層上并排設(shè)有兩個相互対稱的體區(qū)結(jié)構(gòu)；其中第二體區(qū)結(jié)構(gòu)與P+集電極區(qū)40相鄰；第一體區(qū)結(jié)構(gòu)包括設(shè)于N-外延層12上P阱21、嵌設(shè)于P阱21上的N+發(fā)射極區(qū)41以及貫穿P阱21的P+接觸區(qū)31 ;P+接觸區(qū)31 —端穿出P阱21后伸入N-外延層12內(nèi)；第一體區(qū)結(jié)構(gòu)上設(shè)有連接N+發(fā)射極區(qū)41和P+接觸區(qū)31的金屬電極51 ；第二體區(qū)結(jié)構(gòu)包括設(shè)于N-外延層12上P阱22、嵌設(shè)于P阱22上的N+發(fā)射極區(qū)42以及貫穿P阱22的P+接觸區(qū)32 ;P+接觸區(qū)32 —端穿出P阱22后伸入N-外延層12內(nèi)；第二體區(qū)結(jié)構(gòu)上設(shè)有連接N+發(fā)射極區(qū)42和P+接觸區(qū)32的金屬電極52 ；兩個金屬電極51 52相連通；P+集電極區(qū)40與第二體區(qū)結(jié)構(gòu)之間的N-外延層12上鋪設(shè)有場氧層13 ;場氧層13 —側(cè)延伸至與N阱20相接觸；兩個體區(qū)結(jié)構(gòu)之間的N-外延層12上鋪設(shè)有柵氧層14，柵氧層14兩側(cè)分別延伸至與兩個N+發(fā)射極區(qū)41 42相接觸,柵氧層14上設(shè)有柵電極區(qū)15 ；金屬電極50以及金屬電極52延伸覆蓋至場氧層13上。位于柵氧層14下方的兩塊P阱21 22區(qū)域即為器件的兩個溝道區(qū)。埋氧層11、場氧層13和柵氧層14均采用ニ氧化硅；柵電極區(qū)15采用多晶硅。如圖3所示，本實施方式器件的寄生等效電路由三個三極管Tl T3和三個電阻Rl R3組成；其中，電阻R3的一端與三極管T3的發(fā)射極相連，電阻R3的另一端與三極管T3的基極、三極管Tl的集電極和三極管T2的集電極相連，三極管T3的集電極與三極管Tl的基極、三極管T2的基極、電阻Rl的一端和電阻R2的一端相連，三極管Tl的發(fā)射極與三極管T2的發(fā)射極、電阻Rl的另一端和電阻R2的另一端相連。其中，三極管TI T2為NPN型三極管，三極管T3為PNP型三極管。三極管T3的發(fā)射極和基極分別等效對應P+集電極區(qū)40和N-外延層12，三極管Tl T2的發(fā)射極分別等效對應兩個N+發(fā)射極區(qū)41 42，三極管Tl T2的基極分別等效對應兩個P阱21 22，三極管Tl T3的基極均等效對應N-外延層12 ；電阻Rl R2分別等效對應兩個P阱21 22內(nèi)的阱電阻，電阻R3等效對應N阱20內(nèi)的阱電阻。當器件工作時，其內(nèi)部電路工作原理如圖4所示。T3處于導通狀態(tài)，集電極電流IC3流向Tl和T2的基板。由于本實施方式設(shè)置了兩個溝道區(qū)，使得空穴電流IC3均分成兩股電流，其中小部分電流IBl和IB2通過Tl和T2的基極泄放，其余電流IRl和IR2分別通過寄生電阻Rl和R2泄放。因此，Tl和T2的基極-發(fā)射極之間的電壓降約為0. 5IC3R。相比傳統(tǒng)S0I-LIGBT器件中的寄生NPN三極管(其基極-發(fā)射極之間的電壓降約為IC3R)，本實施方式中的寄生NPN三極管的開啟難度提高了近一倍(基極-發(fā)射極之間的電壓降>0. 7V時，三極管才開啟)；同吋，P+接觸區(qū)結(jié)深較深、摻雜濃度大，Tl和T2的基極電阻小。基于上述兩個技術(shù)特征，本實施方式有效抑制了由T1、T2和T3組成的寄生晶閘管的觸發(fā)難度，提高了器件的抗閂鎖能力。本實施方式器件的エ藝制備過程如下(I)制備具有N型外延層的絕緣體上硅圓片，形成P型襯底，埋氧層和N-外延層， 如圖5(a)所示；(2)通過高能磷離子注入，并高溫退火形成N阱，如圖5(b)所示；(3)通過高溫氧化、刻蝕，分別形成場氧層和柵氧層，如圖5 (C)所示；(4)淀積多晶硅，并刻蝕出多晶硅柵電極區(qū)，如圖5(d)所示；(5)通過高能量硼離子注入，并高溫退火形成兩個P阱，如圖5(e)所示；(6)通過高劑量硼離子注入形成兩個P+接觸區(qū)和ー個P+集電極區(qū)；接著通過高劑量磷離子注入以及低溫退火，形成兩個N+發(fā)射極區(qū)，如圖5(f)所示；(7)刻蝕電極接觸孔，淀積金屬引線層并刻蝕掉多余金屬，形成最終S0I-LIGBT器件結(jié)構(gòu)，如圖5(g)所示。以下我們通過エ藝仿真軟件Tsuprem4和器件仿真軟件Medici對本實施方式進行了仿真驗證。圖6比較了傳統(tǒng)S0I-LIGBT器件和本實施方式器件的抗閂鎖能力；從圖中可以看出，施加柵壓Vge為50V時，傳統(tǒng)S0I-LIGBT器件的閂鎖觸發(fā)電壓為3. 4V(即圖中集電極電壓-集電極電流曲線回滯點)，而本實施方式器件的閂鎖觸發(fā)電壓為6. 4V。本實施方式器件的抗閂鎖能力較傳統(tǒng)S0I-LIGBT器件提高了近一倍，改進效果明顯，器件可靠性明顯提高。圖7為傳統(tǒng)S0I-LIGBT器件和本實施方式器件集電極電流密度對比結(jié)果，可見本實施方式器件的集電極電流密度較傳統(tǒng)S0I-LIGBT器件的電流密度大大提高了。圖8為傳統(tǒng)S0I-LIGBT器件和本實施方式器件關(guān)態(tài)擊穿電壓比較圖，可見本實施方式器件的關(guān)態(tài)擊穿電壓可以保持與傳統(tǒng)S0I-LIGBT器件基本一致。
權(quán)利要求
1.一種基于雙溝道結(jié)構(gòu)的SOI-LIGBT器件，包括P型襯底； 所述的P型襯底上鋪設(shè)有埋氧層，所述的埋氧層上鋪設(shè)有N-外延層，所述的N-外延層上嵌設(shè)有P+集電極區(qū)，所述的P+集電極區(qū)上設(shè)有金屬電極；其特征在于位于P+集電極區(qū)一側(cè)的N-外延層上并排設(shè)有兩個相互對稱的體區(qū)結(jié)構(gòu)； 所述的體區(qū)結(jié)構(gòu)包括設(shè)于N-外延層上P阱、嵌設(shè)于P阱上的N+發(fā)射極區(qū)以及貫穿P阱的P+接觸區(qū)；所述的P+接觸區(qū)一端穿出P阱后伸入N-外延層內(nèi)； 所述的體區(qū)結(jié)構(gòu)上設(shè)有連接N+發(fā)射極區(qū)和P+接觸區(qū)的金屬電極，兩個體區(qū)結(jié)構(gòu)分別對應的兩個金屬電極相連通； 所述的P+集電極區(qū)與其相鄰的體區(qū)結(jié)構(gòu)之間的N-外延層上鋪設(shè)有場氧層；兩個體區(qū)結(jié)構(gòu)之間的N-外延層上鋪設(shè)有柵氧層，所述的柵氧層兩側(cè)分別延伸至與兩個體區(qū)結(jié)構(gòu)對應的兩個N+發(fā)射極區(qū)相接觸，所述的柵氧層上設(shè)有柵電極區(qū)?！?br> 2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于雙溝道結(jié)構(gòu)的S0I-LIGBT器件，其特征在于所述的N-外延層上設(shè)有N阱，所述的P+集電極區(qū)嵌設(shè)于所述的N阱上。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于雙溝道結(jié)構(gòu)的S0I-LIGBT器件，其特征在于所述的場氧層一側(cè)延伸至與所述的N阱相接觸。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于雙溝道結(jié)構(gòu)的S0I-LIGBT器件，其特征在于所述的P+集電極區(qū)上的金屬電極以及與P+集電極區(qū)相鄰的體區(qū)結(jié)構(gòu)上的金屬電極延伸覆蓋至場氧層上。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于雙溝道結(jié)構(gòu)的S0I-LIGBT器件，其特征在于所述的埋氧層、場氧層和柵氧層均采用二氧化硅。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于雙溝道結(jié)構(gòu)的S0I-LIGBT器件，其特征在于所述的柵電極區(qū)采用多晶硅。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于雙溝道結(jié)構(gòu)的SOI-LIGBT器件，包括P型襯底；P型襯底上鋪設(shè)有埋氧層，埋氧層上鋪設(shè)有N-外延層，N-外延層上嵌設(shè)有P+集電極區(qū)，位于P+集電極區(qū)一側(cè)的N-外延層上并排設(shè)有兩個相互對稱的體區(qū)結(jié)構(gòu)；體區(qū)結(jié)構(gòu)包括設(shè)于N-外延層上P阱、嵌設(shè)于P阱上的N+發(fā)射極區(qū)以及貫穿P阱的P+接觸區(qū)。本發(fā)明通過在發(fā)射極處設(shè)置兩個溝道區(qū)，使空穴電流從集電極流到發(fā)射極時，均分成兩股電流，故流過寄生NPN三極管基極電流減小為總電流的一半；抑制了寄生晶閘管的開啟，提高了器件的抗閂鎖能力，從而提升了器件的可靠性。
文檔編號H01L29/10GK102956687SQ201210422280
公開日2013年3月6日 申請日期2012年10月30日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月30日
發(fā)明者張世峰, 韓雁, 張斌, 張煒, 吳煥挺 申請人:浙江大學