CN101976682B - 一种提高电流密度的n型绝缘体上硅横向器件及其制备工艺 - Google Patents
一种提高电流密度的n型绝缘体上硅横向器件及其制备工艺 Download PDFInfo
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Abstract
一种提高电流密度的N型绝缘体上硅横向器件，包括型半导体衬底，在半导体衬底上设有埋氧层，在埋氧层上设有P外延层，在P外延层上面设有N型漂移区与P阱区，在P阱区表面设有N型源区和P型接触区，在N型漂移区上设有N型缓冲区，P型漏区，在P外延的表面还设有栅氧化层，在P阱的表面有N型源区、P型接触区，N型漂移区表面的P型漏区以外的区域设有场氧化层，其特征在于所述N型绝缘体上硅横向器件的N型缓冲区为环状缓冲区且该环状缓冲区向内扩散形成N型缓冲扩散区。制作该器件具体步骤如下：在SOI上生长P型外延；制备N型漂移区与P阱；制备环形N型缓冲区；制备场氧和栅氧；制备多晶硅栅；制备源、漏区；通孔；制备金属层。
Description
技术领域：
本发明涉及功率半导体器件领域，更具体的说，是关于一种适用于高压大电流应用的提高电流密度的N型绝缘体上硅横向器件及其制备工艺。
背景技术：
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，其中功率集成电路处理高电压、大电流的能力越来越成为最为主要的性能指标之一。决定功率集成电路处理高电压、大电流能力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，相同面积的单个器件能通过的电流能力是衡量功率集成电路性能和成本的关键。
由于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。
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PN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，功率半导体单个器件一般都采用圆形或跑道型的对称结构。在某些需要处理大电流的场合，不得不通过增大器件面积来达到目的。而这一做法的缺点就是降低了芯片的集成度，从而芯片的成本将随之提高。如何在不增大器件面积的前提下，有效提高单个器件的电流处理能力越来越受到功率集成电路设计者们的关注。这也成为功率器件设计上的一个难题。
发明内容：
本发明提供一种能够有效提高电流密度的N型绝缘体上硅横向器件及其制备工艺。
本发明就是针对这一问题，通过改变N型缓冲区14的注入窗口的位置而得到一种使得器件电流密度大幅提高的新型绝缘体上硅横向绝缘栅双极型晶体管。
本发明采用如下技术方案：
一种提高电流密度的N型绝缘体上硅横向器件，P型半导体衬底，在半导体衬底上面设置有埋氧化层，在埋氧化层上设有P外延层，在P外延层和上面设有N型漂移区与P型阱区，在P阱区表面设有N型源区和P型接触区，在N型漂移区上设有N型缓冲区，N型缓冲层上方设有P型漏区，在P外延层的表面还设有栅氧化层，且栅氧化层自P外延层6延伸至N型漂移区，在P外延层表面的N型源区、P型接触区和栅氧化层以外的区域及N型漂移区表面的N型漏区以外的区域设有场氧化层，在栅氧化层的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、P型接触区、N型源区、多晶硅栅及N型漏区的表面设有氧化层，在N型源区、P型接触区、多晶硅栅和P型漏区上分别连接有金属层。所述的提高电流密度的高压N型绝缘体上硅横向器件的N型缓冲区为N型环状缓冲区且所述N型环状缓冲区向内扩散形成N型缓冲扩散区。
制造上述提高电流密度的N型绝缘体上硅横向器件制备工艺为：
第一步，在SOI上生长P型外延层；
第二步，光刻、注入磷与砷离子、扩散，生成N型漂移区；光刻、注入硼离子、扩散，生成P阱区；
第三步，光刻、注入磷与砷离子，形成环形N型缓冲区，再经过热扩散生成N型缓冲扩散区；
第四步，生长场氧化层、刻蚀、生长栅氧；
第五步，多晶硅栅淀积、回刻；
第六步，光刻、源区与漏区注入、扩散；
第七步，刻蚀氧化层形成接触孔；
第八步，金属层淀积、光刻、刻蚀，形成金属层。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
(1)本发明中所述的提高电流密度的N型绝缘体上硅横向器件通过一个环形的离子注入窗口注入N型杂质形成N型缓冲区14然后经过热扩散的过程扩散出N型缓冲扩散区16，使得N型缓冲区扩散层16厚度比N型缓冲区14薄0.3-0.5微米，且N型缓冲扩散区16的浓度是N型缓冲区14浓度的1/5-1/2。从而将P型漏区10向器件注入空穴的位置从原来的P型漏区10两侧部分转移到P型漏区10的正下方，降低了注入的空穴载流子在N型缓冲区14中复合的概率，最终达到提高器件电流的目的，如图3对比该器件与传统N型绝缘体上硅横向器件IV曲线所示，器件的电流密度大大提高了。可以看出本发明器件的电流比一般器件的电流提高15％以上。
(2)由于本发明中器件的主要结构没有改变，仅仅改变了N型缓冲区14的注入窗口，因而并没有改变器件的击穿电压，如图4对比该器件与传统N型绝缘体上硅横向器件关态雪崩电压曲线所示，器件的击穿电压几乎没有改变。
(3)本发明中器件结构的实现只需要将原来的N缓冲区14注入的掩模板进行修正即可，与原有工艺兼容，不会增加掩模板的数量，节约了制作成本。
(4)本发明在没有增加器件面积的条件下提高了器件的电流密度，相比相同电流密度的器件而言，其芯片使用面积将会大大降低。
附图说明：
图1是常规的N型绝缘体上硅横向器件的结构示意图。
图2是本发明的提高电流密度的N型绝缘体上硅横向器件的结构示意图。
图3是本发明器件和一般结构器件的电流密度比较图。
图4是本发明结构器件和一般结构器件的关态击穿电压比较图。
图5是本发明结构的工艺步骤第一步，即在再SOI层上长出P外延。
图6是本发明结构的工艺步骤第二步，即在外延上推出N型漂移区与P阱。
图7是本发明结构的工艺步骤第三步，即注入环形的N型缓冲区，并扩散出N型缓冲扩散区。
图8是本发明结构的工艺步骤第五步，即在生长出场氧与栅氧后，淀积并刻蚀多晶硅栅。
图9是本发明结构的工艺步骤第六步，即生成有源区。
图10是本发明器件注入工艺改善图，即采用环形离子注入，由于是剖面图，看起来是对称的注入窗口。
具体实施方式：
参照图2，一种提高电流密度的N型绝缘体上硅横向器件，包括：P型半导体衬底9在半导体衬底9上面设置有埋氧化层8，在埋氧化层8上设有P外延层6，在P外延层和上面设有N型漂移区7与P型阱区15，在P阱区15表面设有N型源区12和P型接触区11，在N型漂移区7上设有N型缓冲区14，在N型缓冲区14上方设有P型漏区10，在P外延层6的表面还设有和栅氧化层3，且栅氧化层3自P外延层6延伸至N型漂移区7，在型P阱区15表面的N型源区12、P型接触区11，N型漂移区7表面的除P型漏区10以外的区域设有场氧化层1，在栅氧化层3的表面设有多晶硅栅4且多晶硅栅4延伸至场氧化层1的表面，在场氧化层1、P型接触区11、N型源区12、多晶硅栅4及P型漏区10的表面设有氧化层5，在N型源区12、P型接触区11、多晶硅栅4和P型漏区10上分别连接有金属层2。其特征在于所述的提高电流密度的高压N型绝缘体上硅横向器件的N型缓冲区14为N型环状缓冲区且所述N型环状缓冲区向内扩散形成N型缓冲扩散区16。
本发明采用如下方法来制备：
制作如上所述的提高电流密度的N型绝缘体上硅横向器件，具体步骤如下：按照常规的高压N型绝缘体上硅横向器件的制作，它包括：在SOI上生长P型外延层6；光刻、注入磷与砷离子、扩散，生成N型漂移区7；光刻、注入硼离子、扩散，生成P阱15；光刻、注入磷与砷离子形成环形N型缓冲区14，扩散后形成N型扩散缓冲区16；生长场氧化层1、刻蚀、生长栅氧3；多晶硅栅4淀积、回刻；光刻、源区12漏区10注入、扩散；刻蚀氧化层形成接触孔；金属层2淀积、刻蚀。
Claims (5)
1.一种提高电流密度的N型绝缘体上硅横向器件，包括：P型半导体衬底(9)，在半导体衬底(9)上面设置有埋氧化层(8)，在埋氧化层(8)上设有P外延层(6)，在P外延层中设有从P外延层(6)的上表面暴露的N型漂移区(7)与P型阱区(15)，在P型阱区(15)表面设有N型源区(12)和P型接触区(11)，在N型漂移区(7)上设有N型缓冲区(14)，在所述的N型缓冲区上方设置P型漏区(10)，在P外延层(6)的表面还设有和栅氧化层(3)且栅氧化层(3)自P外延层(6)延伸至N型漂移区(7)，在P型阱区(15)表面的除去N型源区(12)、P型接触区(11)以外的区域，以及N型漂移区(7)表面的除P型漏区(10)以外的区域设有场氧化层(1)，在栅氧化层(3)的表面设有多晶硅栅(4)且多晶硅栅(4)延伸至场氧化层(1)的表面，在场氧化层(1)、P型接触区(11)、N型源区(12)、多晶硅栅(4)及P型漏区(10)的表面设有氧化层(5)，在N型源区(12)、P型接触区(11)、多晶硅栅(4)和P型漏区(10)上分别连接有金属层(2)，其特征在于所述的提高电流密度的N型绝缘体上硅横向器件的N型缓冲区(14)为N型环形缓冲区且所述N型环形缓冲区向内扩散形成N型缓冲扩散区(16)。
2.根据权利要求1所述的提高电流密度的N型绝缘体上硅横向器件，其特征在于：N型缓冲扩散区(16)厚度比N型缓冲区(14)薄0.3-0.5微米。
3.根据权利要求1所述的提高电流密度的N型绝缘体上硅横向器件，其特征在于：N型缓冲扩散区(16)的浓度是N型缓冲区(14)浓度的1/3-1/2。
4.一种权利要求1所述N型绝缘体上硅横向器件制备工艺，其特征在于，包括以下步骤：
第一步，在SOI上生长P型外延层(6)；
第二步，光刻、注入磷与砷离子、扩散，生成N型漂移区(7)；光刻、注入硼离子、扩散，生成P型阱区(15)；
第三步，光刻、注入磷与砷离子，形成环形N型缓冲区(14)，再经过热扩散生成N型缓冲扩散区(16)；
第四步，生长场氧化层(1)、刻蚀、生长栅氧化层(3)；
第五步，多晶硅栅(4)淀积、回刻；
第六步，光刻、N型源区(12)与P型漏区(10)注入、扩散；
第七步，刻蚀栅氧化层(5)形成接触孔；
第八步，金属层淀积、光刻、刻蚀，形成金属层(2)。
5.根据权利要求4所述的制备工艺，其特征在于，形成N型缓冲区(14)的环形离子注入窗口内边界距离P型漏区(10)的中心线0.5-1微米。
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