CN104299992B - 一种横向沟槽绝缘栅双极型晶体管及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种横向沟槽绝缘栅双极型晶体管及其制备方法。该结构包括：P型衬底，埋氧层，漂移区，在漂移区一侧设有深沟槽栅，深P型体区，深P型体区内设有相连的向漂移区内延伸止于BOX层的深P型发射极区、深N型发射极区，在相连的深P型发射极区、深N型发射极区上方设有发射极金属，另一侧设有N型缓冲层和P型集电极区，在P型集电区上方设有集电极金属，该半导体制备方法包括：衬底，埋氧层，N型外延层的制备，用深槽工艺结合多次外延多次高浓度离子注入工艺形成N型发射极、P型体区和P型发射极，用高浓度离子注入工艺形成N型缓冲层和P型集电极区，用槽栅工艺制造成多晶硅栅，打孔、淀积铝形成电极。
Description
技术领域
本发明主要涉及功率半导体结构技术领域，具体来说，特别适用于大功率集成电路如变频调速、高压输电、电力牵引、变频家电、半桥驱动电路以及汽车生产等领域。
背景技术
绝缘栅双极型晶体管是MOS栅结构结构与双极型晶体管结构相结合进化而成的复合型功率结构，它完美结合了MOS管开关速度快和双极型晶体管电流能力强的优点，已广泛运用于变频家电、感应加热、工业变频、光伏发电、风力发电、机车牵引等领域。其中，绝缘体上硅横向绝缘栅双极型晶体管(SOI-Lateral Insulated Gate Bipolar Transistor,SOI-LIGBT)是一种典型的基于SOI工艺的结构，具有易于集成、耐压高、驱动电流能力强、开关速度快等优点，在功率集成电路中得到了广泛应用。
随着IGBT应用的普及,对其性能的要求也日益苛刻,不同应用领域对其需求亦逐渐分化,这就促使我们在现有结构上对其进行更进一步的优化,使其更进一步的适应不同的领域。传统的横向SOI-LIGBT虽然具有易集成等优势，但是其为表面型结构，电子在结构表面的迁移率较低，所以电流密度较低，在保证结构耐压的条件下，难以获得较高的电流驱动能力，极大地限制了其在大功率集成电路中的应用。
横向沟槽绝缘栅双极型晶体管(普通沟槽栅型LIGBT)的出现，使LIGBT的电流能力得到了较大的提升，但是由于其存储的载流子较多，且空穴在关断时需要绕过沟槽，所以其关断速度较慢，关断损耗较大，其在大功率集成电路中的应用也受到了限制。
发明内容
本发明针对上述问题，提出了一种横向沟槽绝缘栅双极型晶体管及其制备方法，本发明结构可以大大增加提高结构的电流能力，显著减小结构的正向导通压降，并且提高器件关断速度，实现器件正向导通压降和关断损耗之间的良好折中。
本发明提供如下技术方案：
一种横向沟槽绝缘栅双极型晶体管，包括：P型衬底，在P型衬底上设有埋氧层，在埋氧层上设有N型漂移区，在N型漂移区的上表面上方设有氧化层，在N型漂移区的上表面下方设有多晶硅栅、P型体区和N型缓冲层，在P型体区内设有发射极区，在发射极区上设有发射极铝电极，在N型缓冲层内设有P型集电极区，在P型集电极区上设有集电极铝电极，并且，所述N型缓冲层和P型集电极区位于N型漂移区的一侧，所述P型体区和发射极区位于N型漂移区的另一侧，其特征在于，所述多晶硅栅贯穿N型漂移区且始于N型漂移区的上表面并止于埋氧层，在多晶硅栅的外周面上设有一层栅氧化层且栅氧化层将多晶硅栅围合其内，所述P型体区始于N型漂移区的上表面并止于埋氧层，P型体区在N型漂移区的上表面上的形状呈现闭合，且P型体区贯穿N型漂移区并始于N型漂移区的上表面、止于埋氧层，位于P型体区内的发射极区由P型发射极及分别位于P型发射极两侧的第一N型发射极和第二N型发射极组成，所述所述第一N型发射极、第二N型发射极和P型发射极贯穿N型漂移区且始于N型漂移区的上表面并止于埋氧层，所述栅氧化层及其内的多晶硅栅横向切入第一N型发射极、第二N型发射极、P型发射极和P型体区内并将第一N型发射极、第二N型发射极、P型发射极和P型体区分隔成两部分,多晶硅栅底部到埋氧层上表面之间的距离介于0um到30um之间,P型体区的底部到埋氧层上表面之间的距离介于0um到30um之间,第一N型发射极和第二N型发射极的底部和P型发射极的底部到埋氧层上表面之间的距离介于0um到30um之间,P型体区的各外侧边界到与P型体区的外侧边界所对应的N型缓冲层的元胞边界的距离分别为3um到30um之间,所述横向沟槽绝缘栅双极型晶体管的制备方法，包括以下步骤：P型衬底、埋氧层的制备，在埋氧层上外延N型外延层，用深槽工艺结合多次外延多次高浓度离子注入工艺形成第一N型发射极、第二N型发射极、P型体区和P型发射极，用高浓度离子注入工艺形成N型缓冲层和P型集电极区，用槽栅工艺制造成多晶硅栅，在器件表面淀积氧化层，接着进行打孔处理、淀积金属铝形成发射极铝电极和集电极铝电极。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
本发明的横向沟槽绝缘栅双极型晶体管(本发明LIGBT)可以巧妙的解决上述问题，它可以通过控制沟槽栅、P型发射极、N型发射极深度，在不增加结构面积的前提下增加沟道个数和沟道面积来大大提升结构的电流密度。与此同时，结构在关断时，由于本发明结构的栅集电容较小，从而加快了结构的关断速度，实现了结构正向导通压降和关断损耗之间的良好折中。
在本发明LIGBT的集电极和发射极之间加上正的电压，且当LIGBT栅极所加的电压超过LIGBT的阈值电压时，LIGBT导通，电子从LIGBT的发射极区注入到漂移区，大量空穴从LIGBT的集电极区注入到漂移区形成电导调制效应。本发明结构中，N型发射极向漂移区深度方向延伸并贯穿整个漂移区，即沟道的有效宽度大大增加，并且本发明结构有两条沟道贡献电流，且所述沟道为横向沟道，所以整个漂移区内都均匀充满了电子电流和空穴电流，不存在局部高阻区域。而普通沟槽栅型LIGBT的沟道宽度有限，且所述沟道为纵向沟道，所以电子电流和空穴电流在漂移区内部不均匀分布，使得其可能存在局部高阻区域。故本发明结构大大提高了电流驱动能力，显著降低了结构的正向导通压降。
在本发明LIGBT栅极所加的电压低于阈值电压时，结构关断，P型体区与N型漂移区所构成的PN结反偏，漂移区内存储的空穴将迅速流向IGBT的发射极区，由于本发明结构的栅极与N型漂移区的接触面积只包括两个窄侧面，而普通沟槽栅型LIGBT的栅极与N型漂移区的接触面积包括两个宽侧面和底部面积，即本发明结构的栅集接触面积相比于普通沟槽栅型LIGBT的大大减小，即栅极集电极电容(栅集电容)大大减小，从而显著减小了本发明LIGBT的关断时间，实现正向导通压降与关断损耗之间的良好折中。
本发明结构在大大提高电流驱动能力的同时，并不增加结构原有的版图面积。
附图说明
图1所示为普通横向沟槽绝缘栅双极型晶体管的三维结构电流图。
图2所示为本发明横向沟槽绝缘栅双极型晶体管的三维结构图。
图3所示为本发明横向沟槽绝缘栅双极型晶体管的三维结构侧视图(去掉氧化层、铝电极)。
图4所示为本发明横向沟槽绝缘栅双极型晶体管的三维结构电流图(去沟槽栅、氧化层和发射极铝电极)。
图5所示为本发明结构与普通横向沟槽绝缘栅双极型晶体管的电流能力对比图。
图6所示为本发明结构与普通横向沟槽绝缘栅双极型晶体管的栅集电容对比图。
图7所示为本发明结构与普通横向沟槽绝缘栅双极型晶体管的关断曲线对比图。
图8所示为本发明结构制作工艺流程图。
具体实施方式
下面结合图2，对本发明做详细说明，一种横向沟槽绝缘栅双极型晶体管，包括：P型衬底1，在P型衬底1上设有埋氧层2，在埋氧层2上设有N型漂移区3，在N型漂移区3的上表面上方设有氧化层9，在N型漂移区3的上表面下方设有多晶硅栅4、P型体区8和N型缓冲层12，在P型体区8内设有发射极区，在发射极区上设有发射极铝电极7，在N型缓冲层12内设有P型集电极区11，在P型集电极区11上设有集电极铝电极10，并且，所述N型缓冲层12和P型集电极区11位于N型漂移区3的一侧，所述P型体区8和发射极区位于N型漂移区3的另一侧，其特征在于，所述多晶硅栅4贯穿N型漂移区3且始于N型漂移区3的上表面并止于埋氧层2，在多晶硅栅4的外周面上设有一层栅氧化层13且栅氧化层13将多晶硅栅4围合其内，所述P型体区8始于N型漂移区3的上表面并止于埋氧层2，P型体区8在N型漂移区3的上表面上的形状呈现闭合，且P型体区8贯穿N型漂移区3并始于N型漂移区3的上表面、止于埋氧层2，位于P型体区8内的发射极区由P型发射极6及分别位于P型发射极6两侧的第一N型发射极5和第二N型发射极14组成，所述所述第一N型发射极5、第二N型发射极14和P型发射极6贯穿N型漂移区3且始于N型漂移区3的上表面并止于埋氧层2，所述栅氧化层13及其内的多晶硅栅4横向切入第一N型发射极5、第二N型发射极14、P型发射极6和P型体区8内并将第一N型发射极5、第二N型发射极14、P型发射极6和P型体区8分隔成两部分。
所述的一种横向沟槽绝缘栅双极型晶体管，其特征在于多晶硅栅4底部到埋氧层2上表面之间的距离介于0um到30um之间。
所述的一种横向沟槽绝缘栅双极型晶体管，其特征在于P型体区8的底部到埋氧层2上表面之间的距离介于0um到30um之间。
所述的一种横向沟槽绝缘栅双极型晶体管，其特征在于第一N型发射极5和第二N型发射极14的底部和P型发射极6的底部到埋氧层2上表面之间的距离介于0um到30um之间。
所述的一种横向沟槽绝缘栅双极型晶体管，其特征在于P型体区8的各外侧边界到与P型体区8的外侧边界所对应的N型缓冲层12的元胞边界的距离分别为3um到30um之间。
所述的一种横向沟槽绝缘栅双极型晶体管的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：P型衬底1、埋氧层2的制备，在埋氧层2上外延N型外延层3，用深槽工艺结合多次外延多次高浓度离子注入工艺形成第一N型发射极5、第二N型发射极14、P型体区8和P型发射极6，用高浓度离子注入工艺形成N型缓冲层12和P型集电极区11，用槽栅工艺制造成多晶硅栅4，在器件表面淀积氧化层9，接着进行打孔处理、淀积金属铝形成发射极铝电极7和集电极铝电极10。
下面具体描述本发明器件的实际制造过程：衬底、埋氧层以及N型外延层的制备，然后用深槽工艺刻蚀出本发明结构中的发射极有源区，在槽中进行第一次N型外延和P型外延，并在此基础上进行硼离子注入形成P型体区，然后进行高浓度的硼离子注入形成P型发射极区、进行高浓度的磷离子注入形成N型发射极区，接着在槽中进行第二次外延，重复上述离子注入步骤，在进行多次外延多次高浓度离子注入后最终形成第一N型发射极、第二N型发射极、P型体区和P型发射极，然后制作牺牲氧化层，在此基础上进行高浓度的磷离子注入形成N型缓冲层，高浓度的硼离子注入形成P型集电极区，然后采用槽栅工艺制作多晶硅栅，在此之后在器件表面淀积一层氧化层，接着进行打孔处理、淀积金属铝发射极铝电极和集电极铝电极，如图8所示.
下面结合附图对本发明进行进一步说明。
本发明的工作原理：
在本发明LIGBT的集电极和发射极之间加上正的电压，当本发明LIGBT所加的电压超过阈值电压时，IGBT导通，电子从LIGBT的第一N型发射极5与P型体区8构成的第一沟道和第二N型发射极发射极14与P型体区8构成的第二沟道分别注入漂移区(如图4所示)，第二N型发射极发射极14与P型体区8构成的第二沟道电子电流直接流向集电极区，而第一N型发射极5与P型体区8构成的第一沟道电子电流需经过颈区到达集电极区，所以对于器件的电子电流贡献能力小于第二N型发射极发射极14与P型体区8构成的第二沟道的，设上述两侧沟道总电子电流为Imos，根据MOS管知识可知，电流大小为：其中a为调节系数且1＜a＜2,υn为电子迁移率，Cox为栅氧化层电容，Wnowel为本发明LIGBT的沟道宽度，L为沟道长度，Vds为沟道末端和源端产生的压降，当电子电流到达集电极区，并且当P型集电极与N型缓冲层的势垒高度高于PN结开启电压时，大量空穴注入漂移区，形成电导调制效应，根据IGBT知识和三极管知识可知此空穴电流为电子电流的β倍，所以设本发明结构的电流为Inovel，则此电流大小为而设普通沟槽栅型LIGBT的总电流为Icon，此电流大小为其中Wcon为普通沟槽栅型LIGBT的沟道宽度，由于本发明结构发射电子的N型发射极向漂移区深度方向延伸并贯穿整个漂移区，故Wnowel＞＞Wcon，加上1＜a＜2，所以可以得到Inovel＞＞Icon。此外，普通沟槽栅型LIGBT的沟道为纵向沟道(如图1所示)，根据沟槽栅型LIGBT的知识可知，电流只会集中流经N型漂移区的部分区域，使得漂移区电流分布不均匀，可能存在局部高阻区，所以正向导通压降较大。而本发明结构的N型发射极向漂移区深度方向延伸并贯穿整个漂移区，且本发明结构的沟道为横向沟道，由此可得，电流均匀充满在整个漂移区，不存在局部高阻区域，从而使得结构的正向导通压降较普通沟槽栅型LIGBT大大减小，可靠性高。综上，本发明结构大大提高了电流驱动能力。
当本发明LIGBT的沟槽栅上所加的电压低于阈值电压时，器件关断。此时，P型体区与N漂移区所构成的PN结反偏，漂移区存储内的空穴载流子将快速地流向发射极区，由于本发明结构的栅极与N型漂移区的接触面积只包括两个窄侧面，而普通沟槽栅型LIGBT的栅极与N型漂移区的接触面积包括两个宽侧面和底部面积，即本发明结构的栅极与集电极的总接触面积较普通沟槽栅型LIGBT大大减小，由电容定义可知，本发明结构的栅集电容大大减小，于是加快了空穴的抽取排空，从而大大减小了IGBT的关断时间，实现正向导通压降与关断损耗之间的良好折中。
为了验证本发明的好处，本发明结构通过半导体结构仿真软件Sentaurus Tcad对结构进行了对比仿真，如图1～图7所示。图1所示为普通横向沟槽绝缘栅双极型晶体管的三维结构电流图，由图可见，电流只集中流经N型漂移区的部分区域，使得漂移区电流分布不均匀，可能存在局部高阻区。图4所示为本发明横向沟槽绝缘栅双极型晶体管的三维结构电流图，由图可见，电流均匀充满在整个漂移区，不存在局部高阻区域。对比图1和图4可得，本发明结构的正向导通压降大大减小。图5为本发明结构与普通沟槽绝缘栅双极型晶体管的电流能力对比图，由图可见，本发明结构比普通沟槽栅型LIGBT的电流增加了2.5倍。图6所示为本发明结构与普通横向沟槽绝缘栅双极型晶体管的栅集电容对比图，由图可见，本发明结构的栅集电容远小于普通沟槽栅型LIGBT。图7所示为本发明结构与普通横向沟槽绝缘栅双极型晶体管的关断曲线对比图，由图可见，本发明结构的关断速度比普通沟槽栅型LIGBT大大加快。
综上所述，本发明结构在不增加结构总面积的前提下，可以大大提高结构的电流驱动能力，显著减小结构的正向导通压降，并且本发明结构的栅集电容相比普通沟槽栅型LIGBT的大大减小，关断速度有较大提升，实现了结构正向导通压降和关断损耗之间的良好折中，性能优良。
Claims (5)
1.一种横向沟槽绝缘栅双极型晶体管，包括：P型衬底（1），在P型衬底（1）上设有埋氧层（2），在埋氧层（2）上设有N型漂移区（3），在N型漂移区（3）的上表面上方设有氧化层（9），在N型漂移区（3）的上表面下方设有多晶硅栅（4）、P型体区（8）和N型缓冲层（12），在P型体区（8）内设有发射极区，在发射极区上设有发射极铝电极（7），在N型缓冲层（12）内设有P型集电极区（11），在P型集电极区（11）上设有集电极铝电极（10），并且，所述N型缓冲层（12）和P型集电极区（11）位于N型漂移区（3）的一侧，所述P型体区（8）和发射极区位于N型漂移区（3）的另一侧，其特征在于，所述多晶硅栅（4）贯穿N型漂移区（3）且始于N型漂移区（3）的上表面并止于埋氧层（2），在多晶硅栅（4）的外周面上设有一层栅氧化层（13）且栅氧化层（13）将多晶硅栅（4）围合其内，所述P型体区（8）始于N型漂移区（3）的上表面并止于埋氧层（2），P型体区（8）在N型漂移区（3）的上表面上的形状呈现闭合，且P型体区（8）贯穿N型漂移区（3）并始于N型漂移区（3）的上表面、止于埋氧层（2），位于P型体区（8）内的发射极区由P型发射极（6）及分别位于P型发射极（6）两侧的第一N型发射极（5）和第二N型发射极（14）组成，所述第一N型发射极（5）、第二N型发射极（14）和P型发射极（6）贯穿N型漂移区（3）且始于N型漂移区（3）的上表面并止于埋氧层（2），所述栅氧化层（13）及其内的多晶硅栅（4）横向切入第一N型发射极（5）、第二N型发射极（14）、P型发射极（6）和P型体区（8）内并将第一N型发射极（5）、第二N型发射极（14）、P型发射极（6）和P型体区（8）分隔成两部分。
2.根据权利要求1所述的一种横向沟槽绝缘栅双极型晶体管，其特征在于多晶硅栅（4）底部到埋氧层（2）上表面之间的距离介于0um到30um之间。
3.根据权利要求1所述的一种横向沟槽绝缘栅双极型晶体管，其特征在于P型体区（8）的底部到埋氧层（2）上表面之间的距离介于0um到30um之间。
4.根据权利要求1所述的一种横向沟槽绝缘栅双极型晶体管，其特征在于第一N型发射极（5）和第二N型发射极（14）的底部和P型发射极（6）的底部到埋氧层（2）上表面之间的距离介于0um到30um之间。
5.根据权利要求1所述的一种横向沟槽绝缘栅双极型晶体管，其特征在于P型体区（8）的各外侧边界到与P型体区（8）的外侧边界所对应的N型缓冲层（12）的元胞边界的距离分别为3um到30um之间。
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