本發(fā)明主要涉及功率集成電路技術領域，具體來說，特別適用于開關電源、馬達控制、汽車電子系統(tǒng)、家用電器等諸多功率控制處理領域。

背景技術：

高壓功率集成技術是VLSI與功率器件結(jié)合的產(chǎn)物。隨著高壓功率集成技術的發(fā)展，在同一芯片上集成有低壓控制電路和高壓功率元件的高壓集成電路使電子系統(tǒng)所要求的電子元件數(shù)目極大的降低，從而降低系統(tǒng)成本，減小了設備尺寸，提高了系統(tǒng)可靠性。

高壓集成電路的應用廣泛，涵蓋電子照明、電機驅(qū)動、電源管理、工業(yè)控制以及顯示驅(qū)動等眾多領域。作為功率集成電路中的核心，功率器件所承受的工作電壓越來越高，電流越來越大，可靠性問題也越來越突出，功率器件的可靠性直接決定了功率集成電路的工作壽命。因此，高壓集成電路器件的研究成果對完善高壓功率電路評估體系，具有實際意義。

對于高壓集成電路，需要高壓互連線進行高側(cè)及低側(cè)之間的信號傳遞；遺憾的是，由于高壓互連線上的電勢較高，往往造成其下方硅區(qū)域耐壓降低，使高壓集成電路的可靠性降低。因此，高壓互連線屏蔽技術是研究設計高壓集成電路必須解決的關鍵技術。在前人的工作中，提出了一種多溝槽結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)能有效解決互連線導致耐壓降低的問題，但載流子會在溝槽之間堆積，從而影響關斷速度。本發(fā)明針對高壓互連線導致耐壓降低的問題，提出一種新型的高壓互連線屏蔽結(jié)構(gòu)，極大地提高了高壓互連線下方的耐壓，提高整個高壓集成電路可靠性，但并不影響器件的關斷速度。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對上述問題，提出了一種分段雙溝槽高壓屏蔽的橫向絕緣柵雙極器件，本發(fā)明結(jié)構(gòu)可以有效防止因高壓互連線影響導致的器件提前擊穿，增強整個高壓集成電路的可靠性，且與全溝槽的結(jié)構(gòu)相比，關斷速度提高。

本發(fā)明提供如下技術方案：

一種分段雙溝槽高壓屏蔽的橫向絕緣柵雙極器件，包括：P型襯底，在P型襯底上設有埋氧層，在埋氧層上設有N型外延層，在N型外延層的表面淀積有氧化層，在N型外延層上設有環(huán)形溝槽且所述環(huán)形溝槽立于埋氧層上，在N型外延層中設有呈U形的P型體區(qū)和環(huán)形N型緩沖層且所述呈U形的P型體區(qū)和環(huán)形N型緩沖層位于環(huán)形溝槽的內(nèi)側(cè)，所述環(huán)形N型緩沖層位于所述呈U形的P型體區(qū)的U形內(nèi)側(cè)，在呈U形的P型體區(qū)內(nèi)設有呈U形的N型發(fā)射極和呈U形的P型發(fā)射極，在P型體區(qū)的內(nèi)邊界上方設有呈U形的多晶硅柵且呈U形的多晶硅柵位于氧化層內(nèi)，在多晶硅柵上連接有金屬且多晶硅柵連接至第一外圍結(jié)構(gòu)端子，在環(huán)形N型緩沖層中設有P型集電極，在環(huán)形N型緩沖層的外邊界上方有環(huán)形多晶硅場板且所述環(huán)形多晶硅場板位于氧化層內(nèi)，在P型集電極上引出的集電極金屬連線且所述集電極金屬連線通過U形的開口區(qū)域延伸并連接至第二外圍結(jié)構(gòu)端子，在U形開口外側(cè)設有連續(xù)溝槽，在環(huán)形溝槽及連續(xù)溝槽內(nèi)填充有二氧化硅或耐壓介質(zhì)包裹多晶硅，其特征在于，在U形開口與連續(xù)溝槽之間設有一排分段溝槽，在相鄰分段溝槽之間設有由多晶硅形成的載流子撤離通道，在所述分段溝槽中設有填充有二氧化硅或耐壓介質(zhì)包裹多晶硅。

與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點：

本發(fā)明在長短雙溝槽結(jié)構(gòu)基礎上，提出了一種新的結(jié)構(gòu)。靠近集電極的溝槽為分段溝槽，遠離集電極的溝槽與埋氧層接觸。長短雙溝槽結(jié)構(gòu)中靠近集電極的溝槽不與埋氧層接觸，遠離集電極的溝槽與此結(jié)構(gòu)相同。溝槽的作用相當于電容，吸收周圍的電勢線。未到分段處時，耐壓主要由靠近集電極的溝槽實現(xiàn)，距離集電極較遠的溝槽上的電荷主要是感應電荷。分段溝槽之間的空隙使得電勢線擴展至后一溝槽。當漏端加電壓時，耗盡區(qū)會通過分段的間隙延展至溝槽之間，形成正電中心，同時遠離集電極的溝槽另一側(cè)感應出負電荷?？紤]到耗盡增加的部分電荷，分段溝槽結(jié)構(gòu)與長短雙溝槽相比，耐壓有所提高。

關斷過程中，柵極為零電位，溝槽的頂部為高電位，底部為低電位，發(fā)射極是高電位，集電極低電位。對于長短雙溝槽結(jié)構(gòu)，積累在溝槽之間的載流子中空穴會因為底部低電位引導很容易從短溝槽下方流向集電極，電子由于頂部高電位的存在很難自由通過溝槽下方的間隙，從而在關斷過程中積累在雙溝槽間的上方區(qū)域，影響關斷速度。對于傳統(tǒng)雙溝槽結(jié)構(gòu)，兩邊溝槽都與埋氧層接觸，由于漏端加高壓，在雙溝槽之間，靠近集電極的溝槽一端感應出正電荷，另一端感應出負電荷。關斷時積累的電荷無法轉(zhuǎn)移，只能通過在雙溝槽之間的復合消耗，大大影響關斷的速度。

本結(jié)構(gòu)提出的分段溝槽結(jié)構(gòu)可以有效提高關斷速度，工藝上容易實現(xiàn)。分斷溝槽為關斷過程中積累的載流子提供了通道，猶如篩漏一般，電子和空穴都可以流過分斷溝槽之間的空隙流向電極，電子流向發(fā)射極，空穴流向集電極。而不是像傳統(tǒng)雙溝槽結(jié)構(gòu)那樣過盛載流子只能通過復合減少，也可以避免長短溝槽中電子積累的問題，從而提高器件的關斷速度。

附圖說明

圖1所示為雙溝槽高壓互連線的頂層部分腐蝕結(jié)構(gòu)圖。

圖2所示為雙溝槽高壓互連線去除金屬鋁和氧化層后的頂層結(jié)構(gòu)圖圖。

圖3所示為雙溝槽高壓互連線的AB方向剖面圖。

圖4所示為雙溝槽高壓互連線的CD方向剖面圖。

圖5所示為長短雙溝槽高壓互連線的E區(qū)域溝槽的三維結(jié)構(gòu)圖。

圖6所示為本發(fā)明高壓互連線的頂層部分腐蝕結(jié)構(gòu)圖。

圖7所示為本發(fā)明高壓互連線去除金屬鋁和氧化層后的頂層結(jié)構(gòu)圖。

圖8所示為本發(fā)明高壓互連線的A’B’方向剖面圖。

圖9所示為本發(fā)明高壓互連線的C’D’方向剖面圖。

圖10所示為本發(fā)明高壓互連線的E’區(qū)域溝槽的三維結(jié)構(gòu)圖。

圖11所示為長短雙溝槽結(jié)構(gòu)在擊穿電壓為400V時的電勢分布圖。

圖12所示為本結(jié)構(gòu)在擊穿電壓為400V時的電勢分布圖。

圖13所示為傳統(tǒng)雙溝槽互連線結(jié)構(gòu)關斷過程中載流子積累和復合的示意圖。

圖14所示為長短雙溝槽互連線結(jié)構(gòu)關斷過程中電子積累和移動的示意圖。

圖15所示為本結(jié)構(gòu)關斷過程中A’溝槽區(qū)域電子積累和移動的俯視圖。

圖16所示為本結(jié)構(gòu)與長短和傳統(tǒng)雙溝槽結(jié)構(gòu)的關斷時間對比圖。

圖17所示為本發(fā)明高壓互連線屏蔽結(jié)構(gòu)與長短雙溝槽互連線結(jié)構(gòu)的耐壓對比圖。

具體實施方式

下面結(jié)合圖2，對本發(fā)明做詳細說明，一種分段雙溝槽高壓屏蔽的橫向絕緣柵雙極器件，包括：P型襯底1，在P型襯底1上設有埋氧層2，在埋氧層2上設有N型外延層3，在N型外延層3的表面淀積有氧化層20，在N型外延層3上設有環(huán)形溝槽12且所述環(huán)形溝槽12立于埋氧層2上，在N型外延層3中設有呈U形的P型體區(qū)4和環(huán)形N型緩沖層5且所述呈U形的P型體區(qū)4和環(huán)形N型緩沖層5位于環(huán)形溝槽12的內(nèi)側(cè)，所述環(huán)形N型緩沖層5位于所述呈U形的P型體區(qū)4的U形內(nèi)側(cè)，在呈U形的P型體區(qū)4內(nèi)設有呈U形的N型發(fā)射極6和呈U形的P型發(fā)射極7，在P型體區(qū)4的內(nèi)邊界上方設有呈U形的多晶硅柵13且呈U形的多晶硅柵13位于氧化層20內(nèi)，在多晶硅柵13上連接有金屬18且多晶硅柵13連接至第一外圍結(jié)構(gòu)端子16，在環(huán)形N型緩沖層5中設有P型集電極8，在環(huán)形N型緩沖層5的外邊界上方有環(huán)形多晶硅場板14且所述環(huán)形多晶硅場板14位于氧化層20內(nèi)，在P型集電極8上引出的集電極金屬連線9且所述集電極金屬連線9通過U形的開口區(qū)域延伸并連接至第二外圍結(jié)構(gòu)端子15，在U形開口外側(cè)設有連續(xù)溝槽11，在環(huán)形溝槽12及連續(xù)溝槽11內(nèi)填充有二氧化硅或耐壓介質(zhì)包裹多晶硅，其特征在于，在U形開口與連續(xù)溝槽11之間設有一排分段溝槽10，在相鄰分段溝槽10之間設有由多晶硅形成的載流子撤離通道21，在所述分段溝槽10中設有填充有二氧化硅或耐壓介質(zhì)包裹多晶硅。

所述的一種高壓互連線屏蔽結(jié)構(gòu)，分段溝槽的數(shù)量介于2到10之間。

所述的一種高壓互連線屏蔽結(jié)構(gòu)，其特征在于耐壓介質(zhì)包裹多晶硅采用二氧化硅包裹多晶硅。

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明進行進一步說明。

本發(fā)明的工作原理：

高壓集成電路將低壓控制電路和高壓器件集成在同一芯片時，需要實現(xiàn)高低壓隔離之間的互聯(lián)。LDMOS或者LIGBT漂移區(qū)上方通常需要跨過高壓互連線，由于高壓互連線相對于半導體表面帶正電，且一般需要耐壓達到幾百伏，導致高壓互聯(lián)線下方電勢線的局部集中，該處電場急劇增大，導致高壓器件提前擊穿。

傳統(tǒng)方案中，高壓互連線從絕緣介質(zhì)層的表面跨過高壓器件，這種方法工藝復雜，成本高，最糟糕的是整體器件的耐壓被高壓互連線上的高壓引入的高電場以及介質(zhì)層的耐壓能力所限制。為了提高耐壓，有方案采用了雙溝槽結(jié)構(gòu)，當高壓互連線上通過高壓時，其下方的溝槽幫助耐壓，從而提高器件的耐壓。圖1為長短雙溝槽結(jié)構(gòu)的示意圖，可以看到P型體區(qū)包圍N型緩沖層的結(jié)構(gòu)為三面包圍，留有一側(cè)間斷，高壓互連線從間斷一側(cè)延伸至結(jié)構(gòu)外，當高壓互連線上通過高壓時，電壓分布在溝槽結(jié)構(gòu)中，距離集電極較遠的溝槽承受更高的電壓，從而提高器件的耐壓。圖5對長短雙溝槽結(jié)構(gòu)的溝槽進行了放大，可見靠近集電極的溝槽不與埋氧層接觸，遠離集電極的溝槽與下面的埋氧層接觸。然而這種結(jié)構(gòu)在關斷時，會有過盛載流子的堆積，關斷時間不夠理想。

本發(fā)明在傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)基礎上，提出了一種新的結(jié)構(gòu)，如圖7所示，P型體區(qū)包圍N型緩沖層的結(jié)構(gòu)為三面包圍，留有一側(cè)間斷，靠近集電極的溝槽為分段溝槽。圖10為溝槽的三維結(jié)構(gòu)圖，可以看到靠近集電極的溝槽在傳統(tǒng)雙溝槽結(jié)構(gòu)上被分成不連續(xù)的三段。

如圖11所示，溝槽位于左側(cè)，長短雙溝槽的電勢線集中在靠近集電極的溝槽，雙溝槽之間的區(qū)域基本不參與耐壓。圖12為仿真得到的本結(jié)構(gòu)的電勢分布，電勢線延展至溝槽之間，耗盡區(qū)參與耐壓。分段溝槽與長短雙溝槽結(jié)構(gòu)相比，耐壓有所提高，且關斷速度提升。

關斷過程中，柵極為零電位，溝槽的頂部為高電位，底部為低電位，發(fā)射極是高電位，集電極低電位。對于圖13所示的傳統(tǒng)雙溝槽結(jié)構(gòu)，兩邊溝槽都與埋氧層接觸，由于漏端加高壓，在雙溝槽之間，靠近集電極的溝槽一端感應出正電荷，另一端感應出負電荷。由于溝槽區(qū)域封閉，關斷時積累的電荷無法轉(zhuǎn)移，只能通過在雙溝槽之間的復合減少，大大影響關斷的速度。由圖14可見，對于長短雙溝槽結(jié)構(gòu)，積累在溝槽之間的載流子中的空穴會因為底部低電位引導，很容易從短溝槽下方流向集電極，但電子由于頂部高電位的存在很難自由通過溝槽下方的間隙，因此在關斷過程中電子會積累在雙溝槽間的上方區(qū)域，影響關斷速度。對比過盛載流子只能通過復合減少的情況，長短雙溝槽及結(jié)構(gòu)的關斷時間還是優(yōu)于傳統(tǒng)雙溝槽的。

本文提出的分段溝槽結(jié)構(gòu)避免了以上兩種結(jié)構(gòu)在關斷時出現(xiàn)的情況，可以有效提升關斷速度。圖15為關斷過程中溝槽區(qū)域電子積累和移動的俯視圖，可見本結(jié)構(gòu)的分斷溝槽與傳統(tǒng)雙溝槽結(jié)構(gòu)相比，靠近集電極的溝槽被分成不連續(xù)的三段，這為關斷過程中溝槽之間積累的載流子提供了撤離通道，電子和空穴都可以輕易通過分斷溝槽之間的空隙流向電極，電子流向發(fā)射極，空穴流向集電極。這可以避免長短溝槽中由于溝槽開口位置導致的電子積累的問題，從而提高器件的關斷速度。圖16所示為本結(jié)構(gòu)與長短和傳統(tǒng)雙溝槽結(jié)構(gòu)的關斷時間對比圖，可以看出本結(jié)構(gòu)在關斷時間上與長短雙溝槽結(jié)構(gòu)相比要有優(yōu)勢。

當高壓互連線上通過高壓時，電壓分布在溝槽結(jié)構(gòu)中，其下方的溝槽幫助耐壓。圖17為本結(jié)構(gòu)與長短雙溝槽互連線結(jié)構(gòu)的耐壓對比圖，V_T2為第二根溝槽的耐壓，由圖知本結(jié)構(gòu)的V_T2與長短雙溝槽結(jié)構(gòu)相比，耐壓有所提高。