CN101872771B - 逆导型soi ligbt器件单元 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种逆导型SOI LIGBT器件单元。常规的SOI LIGBT由于没有集成反向续流器件，不具备逆向导通功能。本发明包括半导体衬底、隐埋氧化层、缓冲区、漂移区、阱区、阱接触区、源区、栅氧化层；其中隐埋氧化层将半导体衬底和顶层器件层完全隔离，顶层器件层分为缓冲区和漂移区，内部沟槽隔离氧化层将顶层器件层隔离成主器件部分和续流二极管部分；主器件部分上设置有主器件阳极接触区、主器件阳极短路点区，续流二极管部分设置有续流二极管阴极接触区。本发明由于将反向续流二极管集成在SOI LIGBT器件单元结构之中，无需外接任何器件就具有逆向导通能力，有利于节省资源、降低能耗。

Description

逆导型SOI LIGBT器件单元

技术领域

本发明属于功率集成电路技术领域，涉及一种集成续流二极管的逆导型SOI(绝缘层上半导体)LIGBT(横向绝缘栅双极晶体管)器件单元。

背景技术

SOI LIGBT器件由于其较小的体积、重量，较高的工作温度和较强的抗辐照能力，较低的成本和较高的可靠性，作为无触点功率电子开关或功率驱动器在智能电力电子、高温环境电力电子、空间电力电子和交通工具电力电子等技术中具有广泛应用。常规的SOI LIGBT(以SOI NLIGBT为例)在衬底与顶层半导体之间含有隐埋氧化层的SOI顶层半导体中的N^-漂移区上形成场氧化层；在靠近阴极区端采用双离子注入多晶硅自对准掺杂技术形成短沟道NMOSFET及多晶硅栅及场板，附加P⁺离子注入掺杂实现P-阱的欧姆接触；由多晶硅栅引出栅极金属电极，N⁺P⁺区引出阴极金属电极；在近阳极端通过磷离子注入掺杂形成N型缓冲区，在该掺杂区进行浅P型杂质注入形成阳极区，并利用层间介质薄膜和金属薄膜引出阳极金属电极-漏极与漏极场板。该SOI LIGBT器件没有集成反向续流器件结构，不具备逆向导通功能，在带感性负载且高频使用过程中由于缺乏磁场能的电能泄放回路容易引起感生高电压，导致器件损坏失效。目前，商业化的SOI LIGBT器件在实际应用中采用外接续流二极管解决该问题，增加了系统体积、重量、成本并降低了系统速度、可靠性与使用寿命。

发明内容

本发明目的在于针对现有技术的不足，提供一种具有逆向导通功能的SOILIGBT器件单元，从而显著改善基于SOI LIGBT器件的电力变换系统的速度、可靠性与使用寿命并降低系统体积、重量、成本。

本发明包括半导体衬底、隐埋氧化层、缓冲区、漂移区、与漂移区异型的阱、与阱同型重掺杂的阱接触区、与漂移区同型重掺杂的源区、栅氧化层、与阱同型的主器件阳极区、与阱同型重掺杂的主器件阳极接触区、与漂移区同型的主器件阳极短路点区、场氧化层、主器件多晶硅栅极与栅场板区、主器件边墙隔离氧化层、边缘沟槽隔离氧化层、内部沟槽隔离氧化层、续流二极管阴极接触区；所述的缓冲区和漂移区为同型掺杂；

水平设置的隐埋氧化层将半导体衬底和顶层器件层完全隔离；顶层器件层包括掺杂浓度不同的两个同型半导体区，掺杂浓度高的为缓冲区、掺杂浓度低的为漂移区；竖直设置的内部沟槽隔离氧化层将顶层器件层隔离成主器件部分和续流二极管部分，其中内部沟槽隔离氧化层将缓冲区完全隔离，而将漂移区部分隔离；主器件部分的边缘设置有边缘沟槽隔离氧化层，边缘沟槽隔离氧化层与内部沟槽隔离氧化层平行，边缘沟槽隔离氧化层和内部沟槽隔离氧化层与隐埋氧化层相连；

在顶层器件层漂移区的上表面远离缓冲区的一侧向下掺杂形成与漂移区异型的阱，阱沿水平方向贯穿主器件部分和续流二极管部分；在阱内沿上表面向下设置与阱同型的重掺杂的阱接触区，阱接触区沿水平方向贯穿主器件部分和续流二极管部分；在主器件部分的阱内沿上表面向下设置与漂移区同型的重掺杂源区，在阱内的源区的端面与边缘沟槽隔离氧化层和内部沟槽隔离氧化层紧密接触、侧面与主器件部分的阱接触区紧密接触；

其中在主器件部分的阱接触区和源区构成主器件阴极区，在续流二极管部分的阱作为续流二极管阳极区，阱接触区作为续流二极管阳极接触区；

在主器件部分顶层器件层的缓冲区的上表面远离漂移区的一侧向下掺杂形成与阱同型的主器件阳极区；在主器件阳极区内沿上表面向下设置与阱同型重掺杂的主器件阳极接触区，在主器件阳极接触区内远离漂移区的一侧沿上表面向下设置有主器件阳极短路点区，主器件阳极短路点区沿竖直方向贯穿主器件阳极区；主器件阳极短路点区的两个端面、主器件阳极区的两个端面以及主器件阳极接触区的两个端面分别与边缘沟槽隔离氧化层和内部沟槽隔离氧化层紧密接触；

在续流二极管部分顶层器件层的缓冲区的上表面远离漂移区的一侧向下进行同型重掺杂形成续流二极管阴极接触区，其中续流二极管部分的缓冲区作为续流二极管阴极区；

在漂移区的上表面设置有栅氧化层，栅氧化层将源区与漂移区之间的阱的上表面完全覆盖；

场氧化层设置在顶层器件层上表面，场氧化层在主器件部分将栅氧化层以外的顶层器件层覆盖，在续流二极管部分将顶层器件层全部覆盖；在主器件阴极区、主器件阳极接触区、续流二极管阳极接触区和续流二极管阴极接触区上开有接触孔；

在栅氧化层上表面设置有多晶硅栅极与栅场板区，多晶硅栅极与栅场板区将栅氧化层的全部上表面以及与栅氧化层相邻的场氧化层的部分上表面覆盖；

在主器件部分，栅氧化层裸露的侧表面和多晶硅栅极与栅场板区的表面上设置有边墙隔离氧化层；位于边缘沟槽隔离氧化层上方的边墙隔离氧化层上开有接触孔；在所有接触孔上设置金属薄膜电极。

本发明由于将续流二极管集成在SOI LIGBT器件单元结构之中，使其无需外接任何器件就具有逆向导通能力，能够显著改善SOI LIGBT器件速度、可靠性与使用寿命，减小采用该种器件的各种电力电子系统的体积、重量和成本，并且有助于提高应用系统的工作频率、效率、使用寿命和可靠性。因此，本发明有利于节省资源、降低能耗、保护环境与可持续发展。

附图说明

图1为本发明实施例的单元版图结构示意图；

图2为图1的A-A向截面结构示意图；

图3为图1的B-B向截面结构示意图。

具体实施方式

图1、图2和图3(两点划线之间的部分)为一个逆导型SOI LIGBT器件单元的结构示意图，其中图2为(A-A向)SOI LIGBT截面示意图，图3为(B-B向)续流二极管截面示意图。以下以N沟道为例详细说明该逆导型SOILIGBT器件单元的结构。

该逆导型SOI LIGBT器件单元包括半导体衬底1、隐埋氧化层2、N型缓冲区3、N^-漂移区4、P阱8、P阱接触区6、源区7、栅氧化层9、主器件阳极区14、主器件阳极接触区13、主器件阳极短路点区15、场氧化层12、多晶硅栅极与栅场板区11、边墙隔离氧化层10、边缘沟槽隔离氧化层16、内部沟槽隔离氧化层17、续流二极管阴极接触区18。

水平设置的隐埋氧化层2将半导体衬底1和顶层器件层完全隔离。顶层器件层包括掺杂浓度不同的两个N型半导体区，掺杂浓度高的为N型缓冲区3、掺杂浓度低的为N^-漂移区4。竖直设置的内部沟槽隔离氧化层17将顶层器件层隔离成主器件部分和续流二极管部分，其中内部沟槽隔离氧化层17将N型缓冲区3完全隔离，而将N^-漂移区4部分隔离。主器件部分的边缘设置有边缘沟槽隔离氧化层16，边缘沟槽隔离氧化层16与内部沟槽隔离氧化层17平行，边缘沟槽隔离氧化层16和内部沟槽隔离氧化层17与隐埋氧化层2相连。

在顶层器件层N^-漂移区4的上表面远离N型缓冲区3的一侧向下掺杂形成P阱8，P阱8沿水平方向贯穿主器件部分和续流二极管部分；在P阱8内沿上表面向下设置P阱接触区6，P阱接触区6沿水平方向贯穿主器件部分和续流二极管部分；在主器件部分的P阱8内沿上表面向下设置源区7，在P阱8内的源区7的端面与边缘沟槽隔离氧化层16和内部沟槽隔离氧化层17紧密接触、侧面与主器件部分的P阱接触区6紧密接触。

其中在主器件部分的P阱接触区6和源区7构成主器件阴极区，在续流二极管部分的P阱接触区6作为续流二极管阳极区，P阱接触区6作为续流二极管阳极接触区。

在主器件部分顶层器件层的N型缓冲区3的上表面远离N^-漂移区4的一侧向下掺杂形成主器件阳极区14；在主器件阳极区14内沿上表面向下设置主器件阳极接触区13，在主器件阳极接触区13内远离N^-漂移区4的一侧沿上表面向下设置有主器件阳极短路点区15，主器件阳极短路点区15沿竖直方向贯穿主器件阳极区14；主器件阳极短路点区15的两个端面、主器件阳极区14的两个端面以及主器件阳极接触区13的两个端面分别与边缘沟槽隔离氧化层16和内部沟槽隔离氧化层17紧密接触。

在续流二极管部分顶层器件层的N型缓冲区3的上表面远离N^-漂移区4的一侧向下掺杂形成续流二极管阴极接触区18，其中续流二极管部分的N型缓冲区3作为续流二极管阴极区。

在N^-漂移区4的上表面设置有栅氧化层9，栅氧化层9将源区7与N^-漂移区4之间的P阱8的上表面完全覆盖。

场氧化层12设置在顶层器件层上表面，场氧化层12在主器件部分将栅氧化层9以外的顶层器件层覆盖，在续流二极管部分将顶层器件层全部覆盖；在主器件阴极区、主器件阳极接触区13、续流二极管阳极接触区和续流二极管阴极接触区18上开有接触孔。

在栅氧化层9上表面设置有多晶硅栅极与栅场板区11，多晶硅栅极与栅场板区11将栅氧化层9的全部上表面以及与栅氧化层9相邻的场氧化层12的部分上表面覆盖。

在主器件部分，栅氧化层9裸露的侧表面和多晶硅栅极与栅场板区11的表面上设置有边墙隔离氧化层10；位于边缘沟槽隔离氧化层16上方的边墙隔离氧化层10上开有接触孔；在所有接触孔上设置金属薄膜电极5。

将本实施例中的n和p对换即为p沟道逆导型SOI LIGBT器件单元结构。

Claims (1)

1.逆导型SOI LIGBT器件单元，其特征在于该器件单元包括半导体衬底(1)、隐埋氧化层(2)、缓冲区(3)、漂移区(4)、与漂移区(4)异型的阱(8)、与阱(8)同型重掺杂的阱接触区(6)、与漂移区(4)同型重掺杂的源区(7)、栅氧化层(9)、与阱(8)同型的主器件阳极区(14)、与阱同型重掺杂的主器件阳极接触区(13)、与漂移区(4)同型的主器件阳极短路点区(15)、场氧化层(12)、主器件多晶硅栅极与栅场板区(11)、主器件边墙隔离氧化层(10)、边缘沟槽隔离氧化层(16)、内部沟槽隔离氧化层(17)、续流二极管阴极接触区(18)；所述的缓冲区(3)和漂移区(4)为同型掺杂；

水平设置的隐埋氧化层(2)将半导体衬底(1)和顶层器件层完全隔离；顶层器件层包括掺杂浓度不同的两个同型半导体区，掺杂浓度高的为缓冲区(3)、掺杂浓度低的为漂移区(4)；竖直设置的内部沟槽隔离氧化层(17)将顶层器件层隔离成主器件部分和续流二极管部分，其中内部沟槽隔离氧化层(17)将缓冲区(3)完全隔离，而将漂移区(4)部分隔离；主器件部分的边缘设置有边缘沟槽隔离氧化层(16)，边缘沟槽隔离氧化层(16)与内部沟槽隔离氧化层(17)平行，边缘沟槽隔离氧化层(16)和内部沟槽隔离氧化层(17)与隐埋氧化层(2)相连；

在顶层器件层漂移区(4)的上表面远离缓冲区(3)的一侧向下掺杂形成与漂移区(4)异型的阱(8)，阱(8)沿水平方向贯穿主器件部分和续流二极管部分；在阱(8)内沿上表面向下设置与阱同型的重掺杂的阱接触区(6)，阱接触区(6)沿水平方向贯穿主器件部分和续流二极管部分；在主器件部分的阱(8)内沿上表面向下设置与漂移区(4)同型的重掺杂源区(7)，在阱(8)内的源区(7)的端面与边缘沟槽隔离氧化层(16)和内部沟槽隔离氧化层(17)紧密接触、侧面与主器件部分的阱接触区(6)紧密接触；

其中在主器件部分的阱接触区(6)和源区(7)构成主器件阴极区，在续流二极管部分的阱(8)作为续流二极管阳极区，阱接触区(6)作为续流二极管阳极接触区；

在主器件部分顶层器件层的缓冲区(3)的上表面远离漂移区(4)的一侧向下掺杂形成与阱同型的主器件阳极区(14)；在主器件阳极区(14)内沿上表面向下设置与阱同型重掺杂的主器件阳极接触区(13)，在主器件阳极接触区(13)内远离漂移区(4)的一侧沿上表面向下设置有主器件阳极短路点区(15)，主器件阳极短路点区(15)沿竖直方向贯穿主器件阳极区(14)；主器件阳极短路点区(15)的两个端面、主器件阳极区(14)的两个端面以及主器件阳极接触区(13)的两个端面分别与边缘沟槽隔离氧化层(16)和内部沟槽隔离氧化层(17)紧密接触；

在续流二极管部分顶层器件层的缓冲区(3)的上表面远离漂移区(4)的一侧向下进行同型重掺杂形成续流二极管阴极接触区(18)，其中续流二极管部分的缓冲区(3)作为续流二极管阴极区；

在漂移区(4)的上表面设置有栅氧化层(9)，栅氧化层(9)将源区(7)与漂移区(4)之间的阱(8)的上表面完全覆盖；

场氧化层(12)设置在顶层器件层上表面，场氧化层(12)在主器件部分将栅氧化层(9)以外的顶层器件层覆盖，在续流二极管部分将顶层器件层全部覆盖；在主器件阴极区、主器件阳极接触区(13)、续流二极管阳极接触区和续流二极管阴极接触区(18)上开有接触孔；

在栅氧化层(9)上表面设置有多晶硅栅极与栅场板区(11)，多晶硅栅极与栅场板区(11)将栅氧化层(9)的全部上表面以及与栅氧化层(9)相邻的场氧化层(12)的部分上表面覆盖；

在主器件部分，栅氧化层(9)裸露的侧表面和多晶硅栅极与栅场板区(11)的表面上设置有边墙隔离氧化层(10)；位于边缘沟槽隔离氧化层(16)上方的边墙隔离氧化层(10)上开有接触孔；在所有接触孔上设置金属薄膜电极(5)。

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