CN102760761B - 一种抗闩锁n型绝缘体上硅横向绝缘栅双极型晶体管 - Google Patents

Abstract

一种抗闩锁N型绝缘体上硅横向绝缘栅双极型晶体管，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型外延层的内部设有N型缓冲阱和P型体区，在N型缓冲阱内设有P型阳区，在P型体区中设有N型阴区和P型体接触区，在N型外延层的表面设有栅氧化层和场氧化层，在N型阴区和P型体接触区表面设有浅P型阱区，在栅氧化层的表面设有多晶硅栅，在场氧化层、P型体接触区、N型阴区、多晶硅栅和P型阳区的表面设有钝化层，其特征在于，在浅P型阱区正下方还设有与其共用一块光刻板但采用高能量离子注入形成的深P型阱区，该区域有效地减小了体区的导通电阻，提高器件的电流能力的同时，降低了工作过程中发生闩锁的风险。

Description

一种抗闩锁N型绝缘体上硅横向绝缘栅双极型晶体管

技术领域

本发明主要涉及高压功率半导体器件领域，具体来说，是一种具有较强抗闩锁能力的N型绝缘体上硅横向绝缘栅双极型晶体管，适用于等离子平板显示设备、半桥驱动电路以及汽车生产领域等驱动芯片。

背景技术

现今，高压集成电路成为发展最为迅速的功率半导体行业之一。在这种形势下绝缘体上硅（Silicon On Insulator,SOI）工艺技术问世了，其独特的绝缘埋层把器件与衬底完全隔离，在很大程度上减轻了硅器件的寄生效应，大大提高了器件和电路的性能。绝缘体上硅横向绝缘栅双极型晶体管（SOI-LIGBT）是一种典型的基于SOI工艺的器件，具有耐压高、驱动电流能力强、开关速度快和功率损耗低等优点，已逐渐成为功率集成电路的核心电子元件。由于功率器件工作在高电压、大电流的环境下，面临着非常严峻的可靠性问题，其中SOI-LIGBT器件存在寄生的PNPN结构，有发生闩锁的风险。因此，探究其工作特性以及尽可能解决闩锁问题对提高SOI-LIGBT的可靠性具有十分重要的意义。

目前，国内外有许多器件结构上的改进方法，用来提高抗闩锁能力。对于SOI-LIGBT来说，阴极在器件宽度方向上采用N+／P+间隔排布，可以有效地避免KIRK效应，从而减小了闩锁发生的风险；还有在阴极附近增加P-sinker阱，使得电流路径更多的位于器件体内，流经阴区N+与体接触区下方的电流变小，寄生管开启的风险也变小。类似的方法还有很多，它们在改善闩锁问题的条件下，也会有不足的地方，比如电流能力的下降、器件面积的显著增大以及工艺版次的复杂度提高等。

本发明就是针对上述问题，提出了一种能够有效抗闩锁的N型绝缘体上硅横向绝缘栅双极型晶体管结构。该结构的器件在保持电学性能基本保持不变且不增加任何工艺成本的前提下，可以显著改善工作过程中由于寄生双极型晶体管开启引起的闩锁问题。

发明内容

本发明提供一种抗闩锁N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：一种抗闩锁N型绝缘体上硅横向绝缘栅双极型晶体管，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型外延层的内部设有N型缓冲阱和P型体区，在N型缓冲阱内设有P型阳区，在P型体区中设有N型阴区和P型体接触区，在N型外延层的表面设有栅氧化层和场氧化层且栅氧化层的一端和场氧化层的一端相抵，所述栅氧化层的另一端向N型阴区延伸并止于N型阴区，所述场氧化层的另一端向P型阳区延伸并止于P型阳区，在N型阴区和P型体接触区表面设有浅P型阱区，且浅P型阱区延伸至栅氧化层下方，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上表面，在场氧化层、P型体接触区、N型阴区、多晶硅栅和P型阳区的表面设有钝化层，在P型阳区表面连接有第一金属层，在多晶硅栅的表面连接有第二金属层，在P型体接触区和N型阴区表面连接有第三金属层，其特征在于，在浅P型阱区正下方还设有深P型阱区，所述深P型阱区位于P型体区内，且在N型阴区和P型体接触区下方，与浅P型阱区在器件底部的投影完全重合；深P型阱区的掺杂浓度是浅P型阱区掺杂浓度的十倍到二十倍，深P型阱区的注入能量是浅P型阱区注入能量的二倍到三倍；同时，深P型阱区与栅氧化层在器件底部的投影交叠，交叠部分的范围为1-2um。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

（1）、本发明器件在N型阴区15和P型体接触区14下方设有深P型阱区17，有效地减小了P型体区16的导通电阻，从而提升了器件闩锁能力，使得器件在正常工作时因寄生三极管开启而造成的闩锁失效风险大大降低。

（2）、本发明器件在N型阴区15和P型体接触区14下方设有深P型阱区17，有效地减小了P型体区16的导通电阻，从而提高了器件的电流导通能力，降低了器件正常工作的功耗。

（3）、本发明器件采用高压SOI工艺，该工艺里所用的高压器件阈值调整的浅P型阱区13与用来改善闩锁问题的深P型阱区17共用同一块光刻板，两者的注入窗口完全相同，只是注入能量与剂量不同，因而不会增加额外成本；同时，本发明器件的制作工艺可以与现有CMOS工艺兼容，易于制备。

（4）、本发明器件不仅能有效地改善寄生管引起的闩锁问题，还不会对器件的其他性能参数产生影响。例如，由于深P型阱区17由于距表面较远，因而对器件的阈值电压影响很小，可以忽略不计，附图4显示采用本发明器件结构后的阈值电压变化很小。另外，由于深P型阱区17位于P型体区16内，因而器件的反向击穿电压也不会因采用本发明器件结构而改变，结果参照附图5。

附图说明

图1所示为一般的N型绝缘体上硅横向绝缘栅双极型晶体管的器件剖面结构。

图2所示为本发明改进后的抗闩锁N型绝缘体上硅横向绝缘栅双极型晶体管的器件剖面结构。

图3是本发明器件与一般器件的阳极电压电流曲线对比图，从图中可以明显看出，改进后的器件在发生闩锁之前的I-V曲线与普通器件类似，但是闩锁电压明显提升，即闩锁问题得到了改善。

图4是本发明器件阈值电压和一般器件阈值电压的比较图。可以看出两者的阈值电压差别很小，近似可忽略。

图5是本发明器件的反向击穿电压和一般器件的反向击穿电压比较图。可以看出两者差别不大。

具体实施方式

下面结合附图2，对本发明做详细说明，一种抗闩锁N型绝缘体上硅横向绝缘栅双极型晶体管，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的内部设有N型缓冲阱4和P型体区16，在N型缓冲阱4内设有P型阳区5，在P型体区16中设有N型阴区15和P型体接触区14，在N型外延层3的表面设有栅氧化层11和场氧化层8且栅氧化层11的一端和场氧化层8的一端相抵，所述栅氧化层11的另一端向N型阴区15延伸并止于N型阴区15，所述场氧化层8的另一端向P型阳区5延伸并止于P型阳区5，在N型阴区15和P型体接触区14表面设有浅P型阱区13，且浅P型阱区13延伸至栅氧化层11下方，在栅氧化层11的表面设有多晶硅栅10且多晶硅栅10延伸至场氧化层8的上表面，在场氧化层8、P型体接触区14、N型阴区15、多晶硅栅10和P型阳区5的表面设有钝化层7，在P型阳区5表面连接有第一金属层6，在多晶硅栅10的表面连接有第二金属层9，在P型体接触区14和N型阴区15表面连接有第三金属层12，其特征在于，在浅P型阱区13正下方还设有深P型阱区17，所述深P型阱区17位于P型体区16内，且在N型阴区15和P型体接触区14下方，与浅P型阱区13在器件底部的投影完全重合。

所述深P型阱区17掺杂浓度是浅P型阱区13掺杂浓度的十倍到二十倍，深P型阱区17的注入能量是浅P型阱区13注入能量的二倍到三倍。

所述深P型阱区17与栅氧化层11在器件底部的投影交叠，交叠部分的范围为1-2um。

本发明采用如下方法来制备：

首先是常规的SOI层制作，其中外延层3采用N型掺杂。接下来的是横向绝缘栅双极型晶体管的制作，包括在N型外延3上通过注入磷离子形成N型缓冲层4，注入硼离子形成P型体区16；然后是场氧化层8，再次是硼离子在低能量条件下注入形成浅P型阱区13，浅P型阱区13的掺杂浓度为1.0e12cm^-2，注入能量为80Kev，紧接着用同样的光刻板在高能量条件下注入硼离子形成深P型阱区17，深P型阱区17的掺杂浓度是1.5e13cm^-2，注入能量是180Kev，接下来是栅氧化层11的生长，之后淀积多晶硅10，刻蚀形成栅，再制作重掺杂的阳区5、阴区15以及P型体接触区14。淀积二氧化硅，刻蚀电极接触区后淀积金属，再刻蚀金属并引出电极，最后进行钝化处理。

Claims (4)

1.一种抗闩锁N型绝缘体上硅横向绝缘栅双极型晶体管，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）的内部设有N型缓冲阱（4）和P型体区（16），在N型缓冲阱（4）内设有P型阳区（5），在P型体区（16）中设有N型阴区（15）和P型体接触区（14），在N型外延层（3）的表面设有栅氧化层（11）和场氧化层（8）且栅氧化层（11）的一端和场氧化层（8）的一端相抵，所述栅氧化层（11）的另一端向N型阴区（15）延伸并止于N型阴区（15），所述场氧化层（8）的另一端向P型阳区（5）延伸并止于P型阳区（5），在N型阴区（15）和P型体接触区（14）表面设有浅P型阱区（13），且浅P型阱区（13）延伸至栅氧化层（11）下方，在栅氧化层（11）的表面设有多晶硅栅（10）且多晶硅栅（10）延伸至场氧化层（8）的上表面，在场氧化层（8）、P型体接触区（14）、N型阴区（15）、多晶硅栅（10）和P型阳区（5）的表面设有钝化层（7），在P型阳区（5）表面连接有第一金属层（6），在多晶硅栅（10）的表面连接有第二金属层（9），在P型体接触区（14）和N型阴区（15）表面连接有第三金属层（12），其特征在于，在浅P型阱区（13）正下方还设有深P型阱区（17），所述深P型阱区（17）位于P型体区（16）内，且位于N型阴区（15）和P型体接触区（14）下方，所述N型阴区（15）和P型体接触区（14）位于深P型阱区（17）外部，所述深P型阱区（17）与浅P型阱区（13）在器件底部的投影完全重合。

2.根据权利要求1所述的一种抗闩锁N型绝缘体上硅横向绝缘栅双极型晶体管，其特征在于所述深P型阱区（17）掺杂浓度是浅P型阱区（13）掺杂浓度的十倍到二十倍，深P型阱区（17）的注入能量是浅P型阱区（13）注入能量的二倍到三倍。

3.根据权利要求2所述的一种抗闩锁N型绝缘体上硅横向绝缘栅双极型晶体管，其特征在于所述浅P型阱区（13）的掺杂浓度为1.0e12cm^-2，注入能量为80Kev，深P型阱区（17）的掺杂浓度是1.5e13cm^-2，注入能量是180Kev。

4.根据权利要求1所述的一种抗闩锁N型绝缘体上硅横向绝缘栅双极型晶体管，其特征在于所述深P型阱区（17）与栅氧化层（11）在器件底部的投影交叠，交叠部分的范围为1-2um。