CN101819993A - 降低热载流子效应的p型横向绝缘栅双极型器件 - Google Patents

Abstract

一种降低热载流子效应的P型横向绝缘栅双极型器件，包括：N型衬底，在N型衬底上设有埋氧，在埋氧上设有N型外延层，在N型外延层上设有P型阱和N阱区，在P型阱上设有P型缓冲阱，在P型缓冲阱上设有N型阳区，在N阱区上设有P型阴区和N型体接触区，而场氧化层，金属层，栅氧化层，多晶硅栅以及氧化层设置在所述器件的上表面，其特征在于在N阱区的下部、埋氧之上设有N型埋层，且插入N型外延层一部分，与N阱区整体构成反向的“L”型N区，这种结构可以将器件的电子电流引向底部，降低了器件沟道区的离子产生率和纵向电场，同时降低了热电子的温度，从而有效抑制了器件的热载流子效应。

Description

降低热载流子效应的P型横向绝缘栅双极型器件

技术领域

本发明涉及高压功率半导体器件领域，是关于一种适用于高压应用的降低热载流子效应的P型横向绝缘栅双极型器件。

背景技术

功率半导体器件是电力电子系统进行能量控制和转换的基本电子元件，电力电子技术的不断发展为半导体功率器件开拓了广泛的应用领域，而半导体功率器件的导通电阻和击穿电压等特性则决定了电力电子系统的效率、功耗等基本性能。

随着人们对现代化生活需求的日益增强，功率集成电路产品的性能越来越受到关注，其中功率集成电路的寿命越来越成为最为主要的性能指标之一。决定功率集成电路使用寿命大小的因素除了功率集成电路本身电路结构、设计以及电路所采用的制造工艺之外，所采用的功率器件性能便是功率集成电路整体性能的关键。

近来绝缘体上硅制造技术日益成熟，与通过传统的体型衬底硅晶圆生产的芯片相比，基于绝缘体上硅的芯片结构中绝缘层把活动硅膜层与体型衬底硅基板分隔开来，因此大面积的NP结将被介电隔离取代。各种阱可以向下延伸至氧化埋层，有效减少了漏电流和结电容。其结果必然是大幅度提高了芯片的运行速度，拓宽了器件工作的温度范围。随着绝缘体上硅的横向双扩散金属氧化物半导体晶体管的出现，它以普通横向双扩散金属氧化物半导体晶体管无法比拟的优点(功耗低、抗干扰能力强、集成密度高、速度快、消除闩锁效应)而得到学术界和工业界的广泛垂青。

绝缘栅双极型晶体管综合了双极型晶体管和绝缘栅场效应管器件的优点，驱动功率小而饱和压降低。非常适合应用于直流电压为600V及以上的变流系统如交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域。

目前，功率半导体器件的主要性能由击穿电压，导通电阻，增益来衡量。另外，由于功率半导体器件工作在很高的电压下，热载流子效应会导致器件的阈值电压，导通电阻，增益等性能参数随着使用时间的增加而出现不同程度的退化，严重影响器件的使用寿命。如何降低热载流子效应成为研究功率半导体器件，提高器件寿命的重要课题之一。

本发明就是针对这一问题而提出的改进结构的绝缘体上硅横向绝缘栅双极型晶体管。

发明内容

本发明提供一种能够有效降低热载流子效应的P型横向绝缘栅双极型器件。

本发明采用如下技术方案：

一种降低热载流子效应的P型横向绝缘栅双极型器件，包括：N型衬底，在N型衬底上设有埋氧，在埋氧上设有N型外延层，在N型外延层上设有P型阱和N阱区，在P型阱上设有P型缓冲阱，在P型缓冲阱上设有N型阳区，在N阱区上设有P型阴区和N型体接触区，在N型外延区的表面设有栅氧化层且栅氧化层自N型外延区延伸至P型阱区，在N型阳区、N型体接触区、P型阴区和栅氧化层以外的区域设有场氧化层，在栅氧化层的上表面设有多晶硅栅且多晶硅栅延伸至场氧化层的表面，在场氧化层、N型体接触区、P型阴区、多晶硅栅及N型阳区的表面设有氧化层，在N型阳区、N型体接触区、P型阴区和多晶硅栅上分别连接有金属层。其特征在于在N阱区的下部、埋氧之上设有N型埋层，插入N型外延层一部分，与N阱区整体构成反向的“L”型N区。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

(1)本发明器件在N阱区13的下部制作一个浓度不小于N阱区13的N型埋层14，可以有效的将电子电流的路径引到器件底部，然后从N阱区13流入N型体接触区11(参见附图4)。而在一般的器件结构中电子电流的路径是在沟道区下方且离沟道区很近的区域(参见附图3)。因而本发明结构能有效降低沟道区的离子产生率(参见附图5)，从而降低热载流子注入的剂量。

(2)本发明器件的好处在于将电流路径引到器件底部后能有效降低沟道区的纵向电场的峰值(参见附图6)，从而通过减低热载流子的注入能量来降低热载流子注入氧化层的可能性。

(3)本发明器件的好处在于能明显降低载流子温度(参见附图7)，从而有效地抑制了器件热载流子效应的发生。

(4)本发明器件在延长的器件的热载流子退化寿命的同时，可以通过合理的设置N型埋层14的位置和浓度使得器件阈值电压和导通电阻以及击穿电压等器件特性参数不发生改变。

(5)本发明器件的N型埋层可以通过高能量的硼离子注入后退火形成，不引入额外的工艺过程，与现有的集成电路制造工艺完全兼容。

附图说明

图1是剖面图，图示出了一般的P型横向高压绝缘栅双极型器件的剖面结构。

图2是剖面图，图示了本发明改进的P型横向高压绝缘栅双极型器件的剖面结构。

图3是一般器件结构的电流路径示意图。

图4是本发明器件的电流路径示意图，图示出了本发明器件的电流路径是沿着器件底部流动的。

图5是本发明器件沟道区的离子产生率和一般结构器件沟道区的离子产生率比较图。可以看出本发明器件沟道区的离子产生率有明显的降低。

图6是本发明器件沟道区的电场和一般结构器件沟道区的电场比较图。可以看出本发明器件沟道区的纵向电场峰值有明显的降低。

图7是本发明结构电子的温度和一般结构器件电子的温度比较图。可以看出本发明器件电子的温度有明显降低。

具体实施方式

下面结合附图1，对本发明作详细说明，一种降低热载流子效应的P型横向绝缘栅双极型器件，包括：N型衬底1，在N型衬底1上设有埋氧2，在埋氧2上设有N型外延层3，在N型外延层3上设有P型阱4和N阱区13，在P型阱4上设有P型缓冲阱5，在P型缓冲阱5上设有N型阳区6，在N阱区13上设有P型阴区12和N型体接触区11，在N型外延区3的表面设有栅氧化层10且栅氧化层10自N型外延区3延伸至P型阱区4，在N型阳区6、N型体接触区11、P型阴区12和栅氧化层10以外的区域设有场氧化层8，在栅氧化层10的上表面设有多晶硅栅9且多晶硅栅9延伸至场氧化层8的表面，在场氧化层8、N型体接触区11、P型阴区12、多晶硅栅9及N型阳区6的表面设有氧化层15，在N型阳区6、N型体接触区11、P型阴区12和多晶硅栅9上分别连接有金属层7。其特征在于在N阱区13的下部、埋氧2之上设有N型埋层14，插入N型外延层3一部分，与N阱区13整体构成反向的“L”型N区。

所述的特征结构中N型埋层14的宽度是N阱区13宽度的1.5到2倍。

所述的特征结构中N型埋层14的高度是N阱区13高度的0.3到0.5倍。

所述的特征结构中N型埋层14的掺杂浓度不小于N阱区13掺杂浓度。

所述的特征结构中N型埋层14可以通过高能离子注入以隐埋层的方式形成。

本发明采用如下方法来制备：

第一步，在SOI层制作所需要的N型埋层，取P型外延绝缘体上硅，对其进行预清洗.通过高能量硼离子注入，在外延层的底部形成一个N型埋层，经高温退火恢复晶格损伤。

第二步，接下来的是常规的横向绝缘栅双极型晶体管的制作，它包括在N型外延上通过注入硼离子制备P型深阱，经高温退火形成扩散区。再制作高浓度的N阱区，P型缓冲层，场氧化层、栅氧化的生长，之后淀积多晶硅，刻蚀形成栅，再制作重掺杂的阳区和阴区以及N型体接触区。淀积二氧化硅，刻蚀电极接触区后淀积金属。刻蚀金属并引出电极，最后进行钝化处理。

Claims (4)

1.一种降低热载流子效应的P型横向绝缘栅双极型器件，包括：N型衬底(1)，在N型衬底(1)上设有埋氧(2)，在埋氧(2)上设有N型外延层(3)，N型外延层(3)左边设有P型阱(4)，右边设有N阱区(13)，P型阱(4)和N阱区(13)之间仍有N型外延层(3)隔离。在P型阱(4)上设有P型缓冲阱(5)，在P型缓冲阱(5)上设有N型阳区(6)，在N阱区(13)上设有P型阴区(12)和N型体接触区(11)，在N型外延层(3)的表面设有栅氧化层(10)且栅氧化层(10)自P型阴区(12)开始延伸至P型阱(4)，在N型阳区(6)、N型体接触区(11)、P型阴区(12)和栅氧化层(10)以外的硅表面区域设有场氧化层(8)，在栅氧化层(10)的上表面设有多晶硅栅(9)且多晶硅栅(9)延伸至其左边P型阱(4)上的场氧化层(8)的表面，在N型阳区(6)、场氧化层(8)、多晶硅栅(9)、N型体接触区(11)、P型阴区(12)的表面设有氧化层(15)，在N型阳区(6)、N型体接触区(11)、P型阴区(12)和多晶硅栅(9)上分别连接有金属层(7)，其中N型体接触区(11)、P型阴区(12)上连接的为同一金属层(7)，其特征在于在N阱区(13)的下部、埋氧(2)之上设有N型埋层(14)，插入N型外延层(3)一部分，与N阱区(13)整体构成反向的“L”型N区。

2.根据权利要求1所述的降低热载流子效应的P型横向绝缘栅双极型器件，其特征在于N型埋层(14)的宽度是N阱区(13)宽度的1.5到2倍。

3.根据权利要求1所述的降低热载流子效应的P型横向绝缘栅双极型器件，其特征在于N型埋层(14)的高度是N阱区(13)高度的0.3到0.5倍。

4.根据权利要求1所述的降低热载流子效应的P型横向绝缘栅双极型器件，其特征在于N型埋层(14)的浓度不小于N阱区(13)的浓度。

Images