CN102956687A - 一种基于双沟道结构的soi-ligbt器件 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于双沟道结构的SOI-LIGBT器件，包括P型衬底；P型衬底上铺设有埋氧层，埋氧层上铺设有N-外延层，N-外延层上嵌设有P+集电极区，位于P+集电极区一侧的N-外延层上并排设有两个相互对称的体区结构；体区结构包括设于N-外延层上P阱、嵌设于P阱上的N+发射极区以及贯穿P阱的P+接触区。本发明通过在发射极处设置两个沟道区，使空穴电流从集电极流到发射极时，均分成两股电流，故流过寄生NPN三极管基极电流减小为总电流的一半；抑制了寄生晶闸管的开启，提高了器件的抗闩锁能力，从而提升了器件的可靠性。

Description

一种基于双沟道结构的SOI-LIGBT器件

技术领域

本发明属于半导体器件技术领域，具体涉及一种基于双沟道结构的SOI-LIGBT器件。

背景技术

LIGBT(Lateral Insulated-Gate Bipolar Transistor，横向绝缘栅双极型晶体管)是一种将功率MOSFET的优点(易于驱动，控制简单，开关速度快)和双极晶体管的优点(电流处理能力大、饱和压降低、开关损耗小)集于一身的晶体管，是电子产业中必不可少的功率“芯脏”，广泛被用于功率输出驱动电路的输出级。而SOI(Silicon On Insulator，绝缘体上硅)技术以其理想的介质隔离性能，广泛用于功率集成电路制造中。SOI-LIGBT器件是基于SOI技术制造的LIGBT器件，由于其与衬底以及其他高低压器件被介质完全隔离，消除了器件之间的寄生效应，从而避免了器件与衬底和器件与器件之间的闩锁效应；闩锁效应是由寄生的n-p-n-p结构产生，当寄生NPN晶体管和寄生PNP晶体管均导通且形成正反馈时，会引起电流增加，严重会导致电路失效，甚至烧毁芯片。

然而，由于SOI-LIGBT器件自身的特殊结构(内部存在寄生晶闸管结构)，器件内仍然可能发生闩锁效应。图1所示了一种传统的SOI-LIGBT器件，其中：101是P型衬底，102是埋氧层，103是N-外延层，104是场氧层，105是P-体区，106是P+接触区，107是N+发射极，108是栅氧层，109是多晶硅栅电极，110是LIGBT P+集电极，111是N-缓冲层。SOI-LIGBT器件体内，P+集电极109，N-缓冲层110，N-外延层103，P-体区105，N+发射极107共同构成了寄生晶闸管，如图1中NPN晶体管T1、PNP晶体管T2所示。大电流工作时，当晶体管T1、T2均开启，且形成正反馈，SOI-LIGBT器件内部即发生闩锁效应，导致其失去栅控能力，且长时间处于大电流工作状态，最终导致器件烧毁失效。

发明内容

针对现有技术所存在的上述技术缺陷，本发明提供了一种基于双沟道结构的SOI-LIGBT器件，通过改变器件导通时内部电流的走向，抑制了寄生晶闸管的开启，提高了器件的抗闩锁能力，从而提升了器件的可靠性。

一种基于双沟道结构的SOI-LIGBT器件，包括：P型衬底；

所述的P型衬底上铺设有埋氧层，所述的埋氧层上铺设有N-外延层，所述的N-外延层上嵌设有P+集电极区，所述的P+集电极区上设有金属电极；位于P+集电极区一侧的N-外延层上并排设有两个相互对称的体区结构；

所述的体区结构包括设于N-外延层上P阱、嵌设于P阱上的N+发射极区以及贯穿P阱的P+接触区；所述的P+接触区一端穿出P阱后伸入N-外延层内；

所述的体区结构上设有连接N+发射极区和P+接触区的金属电极，两个体区结构分别对应的两个金属电极相连通；

所述的P+集电极区与其相邻的体区结构之间的N-外延层上铺设有场氧层；两个体区结构之间的N-外延层上铺设有栅氧层，所述的栅氧层两侧分别延伸至与两个体区结构对应的两个N+发射极区相接触，所述的栅氧层上设有栅电极区。

位于栅氧层下方的两块P阱区域即为器件的两个沟道区。

优选地，所述的N-外延层上设有N阱，所述的P+集电极区嵌设于所述的N阱上；N阱可以弱化集电极区附近的高电场，有效提高器件的关态雪崩击穿电压。

所述的场氧层一侧延伸至与所述的N阱相接触。

优选地，所述的P+集电极区上的金属电极以及与P+集电极区相邻的体区结构上的金属电极延伸覆盖至场氧层上；可以弱化表面电场，有效提高器件的关态雪崩击穿电压。

所述的埋氧层、场氧层和栅氧层均采用二氧化硅。

所述的栅电极区采用多晶硅。

上述SOI-LIGBT器件的寄生等效电路由三个三极管T1～T3和三个电阻R1～R3组成；其中，电阻R3的一端与三极管T3的发射极相连，电阻R3的另一端与三极管T3的基极、三极管T1的集电极和三极管T2的集电极相连，三极管T3的集电极与三极管T1的基极、三极管T2的基极、电阻R1的一端和电阻R2的一端相连，三极管T1的发射极与三极管T2的发射极、电阻R1的另一端和电阻R2的另一端相连。

其中，三极管T1～T2为NPN型三极管，三极管T3为PNP型三极管。

三极管T3的发射极和基极分别等效对应P+集电极区和N-外延层，三极管T1～T2的发射极分别等效对应两个N+发射极区，三极管T1～T2的基极分别等效对应两个P阱，三极管T1～T3的基极均等效对应N-外延层；电阻R1～R2分别等效对应两个P阱内的阱电阻，电阻R3等效对应N阱内的阱电阻。

本发明通过在发射极处设置两个沟道区，使空穴电流从集电极流到发射极时，均分成两股电流，分别经两个由N+发射极区、P阱和P+接触区组成的寄生NPN三极管基极泄放，因此，流过寄生NPN三极管基极电流减小为总电流的一半；同时，P+接触区结深较深、掺杂浓度大，寄生NPN三极管基极电阻小。故基于上述两个改进技术特征，使得两个寄生NPN三极管开启的难度大大增加(三极管的基极电压-发射极电压＞0.7V时，三极管才会开启)，进而有效抑制了寄生晶闸管的触发难度。

故相比现有技术，本发明具有以下有益效果：

(1)本发明器件寄生晶闸管的触发难度大，器件抗闩锁能力强，可靠性好。

(2)本发明器件加强了电导调制效应，其电流密度提高了，但并不影响器件的关态雪崩击穿电压。

(3)本发明器件的制作并不需要额外工艺步骤，与现有的集成电路制造工艺完全兼容。

附图说明

图1为传统SOI-LIGBT器件的结构示意图。

图2为本发明SOI-LIGBT器件的结构示意图。

图3为本发明SOI-LIGBT器件的寄生等效电路示意图。

图4为寄生等效电路的原理示意图。

图5为本发明SOI-LIGBT器件的工艺制备流程图。

图6为传统SOI-LIGBT器件和本发明SOI-LIGBT器件的闩锁触发电压曲线图。

图7为传统SOI-LIGBT器件和本发明SOI-LIGBT器件的集电极电流密度曲线图。

图8为传统SOI-LIGBT器件和本发明SOI-LIGBT器件的关态雪崩击穿电压曲线图。

具体实施方式

为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案及其相关原理进行详细说明。

如图2所示，一种基于双沟道结构的SOI-LIGBT器件，包括：P型衬底10；

P型衬底10上铺设有埋氧层11，埋氧层11上铺设有N-外延层12，N-外延层12上设有N阱20，N阱20上嵌设有P+集电极区40，P+集电极区40上设有金属电极50；位于P+集电极区40一侧的N-外延层上并排设有两个相互对称的体区结构；其中第二体区结构与P+集电极区40相邻；

第一体区结构包括设于N-外延层12上P阱21、嵌设于P阱21上的N+发射极区41以及贯穿P阱21的P+接触区31；P+接触区31一端穿出P阱21后伸入N-外延层12内；第一体区结构上设有连接N+发射极区41和P+接触区31的金属电极51；

第二体区结构包括设于N-外延层12上P阱22、嵌设于P阱22上的N+发射极区42以及贯穿P阱22的P+接触区32；P+接触区32一端穿出P阱22后伸入N-外延层12内；第二体区结构上设有连接N+发射极区42和P+接触区32的金属电极52；

两个金属电极51～52相连通；P+集电极区40与第二体区结构之间的N-外延层12上铺设有场氧层13；场氧层13一侧延伸至与N阱20相接触；

两个体区结构之间的N-外延层12上铺设有栅氧层14，栅氧层14两侧分别延伸至与两个N+发射极区41～42相接触，栅氧层14上设有栅电极区15；

金属电极50以及金属电极52延伸覆盖至场氧层13上。

位于栅氧层14下方的两块P阱21～22区域即为器件的两个沟道区。

埋氧层11、场氧层13和栅氧层14均采用二氧化硅；栅电极区15采用多晶硅。

如图3所示，本实施方式器件的寄生等效电路由三个三极管T1～T3和三个电阻R1～R3组成；其中，电阻R3的一端与三极管T3的发射极相连，电阻R3的另一端与三极管T3的基极、三极管T1的集电极和三极管T2的集电极相连，三极管T3的集电极与三极管T1的基极、三极管T2的基极、电阻R1的一端和电阻R2的一端相连，三极管T1的发射极与三极管T2的发射极、电阻R1的另一端和电阻R2的另一端相连。

其中，三极管T1～T2为NPN型三极管，三极管T3为PNP型三极管。

三极管T3的发射极和基极分别等效对应P+集电极区40和N-外延层12，三极管T1～T2的发射极分别等效对应两个N+发射极区41～42，三极管T1～T2的基极分别等效对应两个P阱21～22，三极管T1～T3的基极均等效对应N-外延层12；电阻R1～R2分别等效对应两个P阱21～22内的阱电阻，电阻R3等效对应N阱20内的阱电阻。

当器件工作时，其内部电路工作原理如图4所示。T3处于导通状态，集电极电流IC3流向T1和T2的基极。由于本实施方式设置了两个沟道区，使得空穴电流IC3均分成两股电流，其中小部分电流IB1和IB2通过T1和T2的基极泄放，其余电流IR1和IR2分别通过寄生电阻R1和R2泄放。因此，T1和T2的基极-发射极之间的电压降约为0.5IC3R。

相比传统SOI-LIGBT器件中的寄生NPN三极管(其基极-发射极之间的电压降约为IC3R)，本实施方式中的寄生NPN三极管的开启难度提高了近一倍(基极-发射极之间的电压降＞0.7V时，三极管才开启)；同时，P+接触区结深较深、掺杂浓度大，T1和T2的基极电阻小。基于上述两个技术特征，本实施方式有效抑制了由T1、T2和T3组成的寄生晶闸管的触发难度，提高了器件的抗闩锁能力。

本实施方式器件的工艺制备过程如下：

(1)制备具有N型外延层的绝缘体上硅圆片，形成P型衬底，埋氧层和N-外延层，如图5(a)所示；

(2)通过高能磷离子注入，并高温退火形成N阱，如图5(b)所示；

(3)通过高温氧化、刻蚀，分别形成场氧层和栅氧层，如图5(c)所示；

(4)淀积多晶硅，并刻蚀出多晶硅栅电极区，如图5(d)所示；

(5)通过高能量硼离子注入，并高温退火形成两个P阱，如图5(e)所示；

(6)通过高剂量硼离子注入形成两个P+接触区和一个P+集电极区；接着通过高剂量磷离子注入以及低温退火，形成两个N+发射极区，如图5(f)所示；

(7)刻蚀电极接触孔，淀积金属引线层并刻蚀掉多余金属，形成最终SOI-LIGBT器件结构，如图5(g)所示。

以下我们通过工艺仿真软件Tsuprem4和器件仿真软件Medici对本实施方式进行了仿真验证。

图6比较了传统SOI-LIGBT器件和本实施方式器件的抗闩锁能力；从图中可以看出，施加栅压Vge为50V时，传统SOI-LIGBT器件的闩锁触发电压为3.4V(即图中集电极电压-集电极电流曲线回滞点)，而本实施方式器件的闩锁触发电压为6.4V。本实施方式器件的抗闩锁能力较传统SOI-LIGBT器件提高了近一倍，改进效果明显，器件可靠性明显提高。

图7为传统SOI-LIGBT器件和本实施方式器件集电极电流密度对比结果，可见本实施方式器件的集电极电流密度较传统SOI-LIGBT器件的电流密度大大提高了。

图8为传统SOI-LIGBT器件和本实施方式器件关态击穿电压比较图，可见本实施方式器件的关态击穿电压可以保持与传统SOI-LIGBT器件基本一致。

Claims (6)

1.一种基于双沟道结构的SOI-LIGBT器件，包括P型衬底；

所述的P型衬底上铺设有埋氧层，所述的埋氧层上铺设有N-外延层，所述的N-外延层上嵌设有P+集电极区，所述的P+集电极区上设有金属电极；其特征在于：位于P+集电极区一侧的N-外延层上并排设有两个相互对称的体区结构；

所述的体区结构包括设于N-外延层上P阱、嵌设于P阱上的N+发射极区以及贯穿P阱的P+接触区；所述的P+接触区一端穿出P阱后伸入N-外延层内；

所述的体区结构上设有连接N+发射极区和P+接触区的金属电极，两个体区结构分别对应的两个金属电极相连通；

所述的P+集电极区与其相邻的体区结构之间的N-外延层上铺设有场氧层；两个体区结构之间的N-外延层上铺设有栅氧层，所述的栅氧层两侧分别延伸至与两个体区结构对应的两个N+发射极区相接触，所述的栅氧层上设有栅电极区。

2.根据权利要求1所述的基于双沟道结构的SOI-LIGBT器件，其特征在于：所述的N-外延层上设有N阱，所述的P+集电极区嵌设于所述的N阱上。

3.根据权利要求2所述的基于双沟道结构的SOI-LIGBT器件，其特征在于：所述的场氧层一侧延伸至与所述的N阱相接触。

4.根据权利要求1所述的基于双沟道结构的SOI-LIGBT器件，其特征在于：所述的P+集电极区上的金属电极以及与P+集电极区相邻的体区结构上的金属电极延伸覆盖至场氧层上。

5.根据权利要求1所述的基于双沟道结构的SOI-LIGBT器件，其特征在于：所述的埋氧层、场氧层和栅氧层均采用二氧化硅。

6.根据权利要求1所述的基于双沟道结构的SOI-LIGBT器件，其特征在于：所述的栅电极区采用多晶硅。

Images