CN104701362A - 一种沟槽隔离横向绝缘栅双极型晶体管 - Google Patents

Abstract

一种沟槽隔离横向绝缘栅双极型晶体管，包括：P型衬底，其上设有埋氧层，埋氧层上设有N型漂移区，在N型漂移区内的上表面下方设有P型体区和N型缓冲层，N型缓冲层内设有P型集电极区，其特征在于，在N型漂移区内设有沟槽隔离层，在N型漂移区的上表面与沟槽隔离层形成的两个拐角处分别设有第一P型发射极区和第二P型发射极区，在第一P型发射极区和第二P型发射极区上连接有金属电极，在N型漂移区的上表面下方还设有第三P型发射极区，在第三P型发射极区上连接有第二发射极铝电极，在第二P型发射极区与第三P型发射极区之间的N型漂移区上表面上设有第二栅氧化层，在第二栅氧化层上设有氮化硅层，在氮化硅层上方设有第二多晶硅栅。

Description

一种沟槽隔离横向绝缘栅双极型晶体管

技术领域

本发明主要涉及功率半导体器件技术领域，具体来说，是一种沟槽隔离横向绝缘栅双极型晶体管，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IGBT是MOS栅器件结构与双极型晶体管结构相结合进化而成的复合型功率器件，同时具备MOS管与双极型晶体管的特点，具有良好的开关速度快、导通压降小、易于驱动等特点，广泛应用于电力电子电路。但是IGBT在关断的时候会有拖尾电流出现，极大的增大了器件的关断损耗。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IGBT，同样也存在拖尾电流的问题，如何提高SOI-LIGBT芯片的电流能力、改善导通压降与关断损耗之间的折中关系成为目前国际上的研究热点

目前，针对如何降低SOI-LIGBT的损耗、提高器件电流能力、减小芯片面积，国内外提出了许多器件结构上的改进方法。比如日立公司提出的载流子存储层横向绝缘栅双极型晶体管，通过在发射极区的P型体区外围引入了一层N型层作为空穴的势垒，达到阻挡空穴以提高漂移区载流子整体浓度，降低器件的正向导通压降的目的。但是该结构所引入的N型载流子存储层会增大P型体区外围N型漂移区的浓度，在改善正向饱和压降的同时，会造成器件的击穿电压急剧下降，关断损耗增强等严重影响器件的工作性能的问题。

综上所述，需要不断研究探索能够在不降低器件耐压能力，且不增加器件关断损耗的前提下，增强器件内部电导调制效应，降低器件的正向导通压降，并能够使器件的正向压降、耐压能力和关断损耗三者实现较好地折中关系的新结构。

发明内容

本发明针对上述问题，提出了一种沟槽隔离横向绝缘栅双极型晶体管，本发明可以增大器件导通电流密度，减小器件关断损耗，增强器件的耐压并改善器件导通压降和关断损耗的折中关系。

本发明提供如下技术方案：

一种沟槽隔离横向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型漂移区内的上表面下方设有P型体区和N型缓冲层，在N型缓冲层内设有P型集电极区，在P型集电极区上连接有集电极铝电极，在N型漂移区的上表面上设有钝化层和第一栅氧化层且所述第一栅氧化层与P型体区部分重叠，在所述第一栅氧化层上有第一多晶硅栅，在第一多晶硅栅上连接有第一栅电极，在P型体区内设有N型发射极区，在N型发射极区上连接有第一发射极铝电极，其特征在于，在N型漂移区内设有沟槽隔离层，沟槽隔离层自N型漂移区的上表面延伸至埋氧层的上表面，所述P型体区和N型缓冲层位于沟槽隔离层的一侧且P型体区位于N型漂移区的上表面与沟槽隔离层形成的拐角处，在N型漂移区的上表面与沟槽隔离层形成的两个拐角处分别设有第一P型发射极区和第二P型发射极区，所述第一P型发射极区位于所述P型体区内且第一P型发射极区与所述N型发射极区相分离，在第一P型发射极区和第二P型发射极区上连接有金属电极，在N型漂移区的上表面下方还设有第三P型发射极区且第三P型发射极区位于沟槽隔离层的另一侧，在第三P型发射极区上连接有第二发射极铝电极，在第二P型发射极区与第三P型发射极区之间的N型漂移区上表面上设有第二栅氧化层，并且，所述第二栅氧化层的一端延伸进入所述第二P型发射极区的上方，所述第二栅氧化层的另一端延伸进入所述第三P型发射极区的上方，在第二栅氧化层上设有氮化硅层，在氮化硅层上方设有第二多晶硅栅，在第二多晶硅栅上方设有第二栅电极，进一步地，第三P型发射极区和第二P型发射极区间的距离可调，范围为0.001um~10um，并且距离越小，关断特性越好；氮化硅层要带有负电荷，其所带负电荷量为10^-25 ~10²⁵nC/cm³。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

1、本发明器件正向导通时，由于P型体区和第一P型发射极区在器件导通时处于浮空状态，使得空穴在N型发射极区附近的N型漂移区内形成积累，增强了电子注入效应，实现了比普通LIGBT更低的正向导通压降和更强的电流能力。

2、本发明器件关断时，由于氮化硅层内带有负电荷，会在第二栅氧化层下方感应出P型沟道，器件发射极附近积累的大量空穴可以沿P型体区、第一P型发射极区、金属电极、第二P型发射极区、第二栅氧化层下方感应出的P型沟道、第三P型发射极区、第二发射极铝电极这条路径迅速扫出，因此具有比普通LIGBT更快的开关速度，更小的拖尾电流，并实现了更低的横向绝缘栅双极型晶体管关断损耗。

3、本发明改善了横向绝缘栅双极型晶体管的导通压降与关断损耗的折中关系。经仿真和芯片实测验证，本发明明显改善了IGBT正向导通压降和关断损耗的折中关系。

4、本发明工艺简单，在传统横向绝缘栅双极型晶体管的基础上进行改进，无额外光刻版，成本低。

5、本发明在实现相同电流能力芯片时，所采用的芯片面积小，成本低。

附图说明

图1 所示为普通横向绝缘栅双极型晶体管的器件剖面结构图，图中，24为P型发射极区，25为发射极金属电极。

图2 所示为本发明沟槽隔离横向绝缘栅双极型晶体管的剖面结构图。

图3 所示为本发明结构正向导通时，氮化硅层感应电荷示意图。

图4 所示为本发明结构关断时，氮化硅层感应电荷示意图。

图5 所示为本发明结构与普通LIGBT的正向导通时，内部载流子分布对比图。

图6 所示为本发明结构关断时，空穴抽取路径的仿真图。

图7 所示为本发明结构关断时，空穴抽取路径仿真图的发射极局部放大图。

图8 所示为本发明结构与普通LIGBT的I-V曲线对比图。

图9 所示为本发明结构与普通LIGBT的关断特性对比图。

图10所示为本发明结构与普通LIGBT的导通压降与关断损耗折中关系对比图。

具体实施方式

下面结合图2，对本发明做详细说明，一种沟槽隔离横向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内的上表面下方设有P型体区5和N型缓冲层6，在N型缓冲层6内设有P型集电极区10，在P型集电极区10上连接有集电极铝电极19，在N型漂移区3的上表面上设有钝化层23和第一栅氧化层13且所述第一栅氧化层13与P型体区5部分重叠，在所述第一栅氧化层13上有第一多晶硅栅16，在第一多晶硅栅16上连接有第一栅电极22，在P型体区5内设有N型发射极区11，在N型发射极区11上连接有第一发射极铝电极18，其特征在于，在N型漂移区3内设有沟槽隔离层4，沟槽隔离层4自N型漂移区3的上表面延伸至埋氧层2的上表面，所述P型体区5和N型缓冲层6位于沟槽隔离层4的一侧且P型体区5位于N型漂移区3的上表面与沟槽隔离层4形成的拐角处，在N型漂移区3的上表面与沟槽隔离层4形成的两个拐角处分别设有第一P型发射极区9和第二P型发射极区8，所述第一P型发射极区9位于所述P型体区5内且第一P型发射极区9与所述N型发射极区11相分离，在第一P型发射极区9和第二P型发射极区8上连接有金属电极20，在N型漂移区3的上表面下方还设有第三P型发射极区7且第三P型发射极区7位于沟槽隔离层4的另一侧，在第三P型发射极区7上连接有第二发射极铝电极17，在第二P型发射极区8与第三P型发射极区7之间的N型漂移区3上表面上设有第二栅氧化层12，并且，所述第二栅氧化层12的一端延伸进入所述第二P型发射极区8的上方，所述第二栅氧化层12的另一端延伸进入所述第三P型发射极区7的上方，在第二栅氧化层12上设有氮化硅层14，在氮化硅层14上方设有第二多晶硅栅15，在第二多晶硅栅15上方设有第二栅电极21；第三P型发射极区7和第二P型发射极区8间的距离可调，范围为0.001um~10um，并且距离越小，关断特性越好；氮化硅层14要带有负电荷，其所带负电荷量为10^-25 ~10²⁵nC/cm³。

本发明具体工艺制造方案：衬底、埋氧层以及N型外延层的制备，然后用深槽氧化层隔离工艺制作本发明中的沟槽隔离层，接着制作氧化层，并在此基础上进行硼离子注入形成P型体区，以及磷离子注入形成N型缓冲层，然后进行高浓度的硼离子注入形成第一P型发射极区、第二P型发射极区、第三P型发射极区和P型集电极区，再进行高浓度的磷离子注入形成N型发射极区，之后制作第一栅氧化层和第二栅氧化层，接着在第二栅氧化层上淀积一层氮化硅，然后制作第一多晶硅栅和第二多晶硅栅，在此之后在器件表面淀积一层钝化层，最后进行打孔处理、淀积金属铝形成第一发射极铝电极、第二发射极铝电极、集电极铝电极以及第一栅电极、第二栅电极和金属电极，并且最后要给第二栅电极加一个正电压脉冲，利用氮化硅材料捕捉电子的能力，使氮化硅层中带上固定负电荷。

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：

正向导通原理：在图2中，器件的集电极铝电极加正电压，第一发射极铝电极和第二发射极铝电极加零电位，第一栅电极和第二栅电极接高电位时，第一栅氧化层下方形成沟道，此时器件正向导通，并且如图3所示，此时氮化硅层内原本带的负电荷正好与第二栅电极的正电位相抵消，因此在第二栅氧化层下不会形成沟道。且由于P型体区和第一P型发射极区在器件导通时处于浮空状态，因此空穴电流不会由此流出，进而使得空穴在器件发射极附近形成积累，如图5所示，为了保持N型漂移区的电中性，迫使N型发射极区向N型漂移区注入大量的电子，即产生电子注入增强效应，使漂移区的电导调制效应增强，改善了器件的正向导通特性。

关断原理：器件关断时，其集电极铝电极加零电压，第一发射极铝电极和第二发射极铝电极加零电位，第一栅电极和第二栅电极接零电位，此时第一栅氧化层下方沟道消失，并且如图4所示，此时氮化硅层内原本带的负电荷会在第二栅氧化层下方感应出P型沟道，由图6和图7的仿真结果显示，关断时刻器件发射极附近积累的大量空穴可以沿P型体区、第一P型发射极区、金属电极、第二P型发射极区、第二栅氧化层下方感应出的P型沟道、第三P型发射极区、第二发射极铝电极这条路径迅速扫出。因而本发明可以大大提升器件的关断速率，得到理想的正向导通和关断损耗的折中关系。此外，如图5所示，要达到和普通LIGBT相同的内部载流子浓度，本发明所需的P型集电极发射效率更低，从而能够实现更高的耐压，因而本发明还增强了横向绝缘栅双极型晶体管的耐压能力和导通压降的折中关系。

综上所述，本发明显著增强了器件的电流能力，提高了器件关断速率，耐压能力，改善了器件正向导通和关断损耗的折中关系以及正向导通和耐压能力的折中关系。

Claims (3)

1.一种沟槽隔离横向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）内的上表面下方设有P型体区（5）和N型缓冲层（6），在N型缓冲层（6）内设有P型集电极区（10），在P型集电极区（10）上连接有集电极铝电极（19），在N型漂移区（3）的上表面上设有钝化层（23）和第一栅氧化层（13）且所述第一栅氧化层（13）与P型体区（5）部分重叠，在所述第一栅氧化层（13）上有第一多晶硅栅（16），在第一多晶硅栅（16）上连接有第一栅电极（22），在P型体区（5）内设有N型发射极区（11），在N型发射极区（11）上连接有第一发射极铝电极（18），其特征在于，在N型漂移区（3）内设有沟槽隔离层（4），沟槽隔离层（4）自N型漂移区（3）的上表面延伸至埋氧层（2）的上表面，所述P型体区（5）和N型缓冲层（6）位于沟槽隔离层（4）的一侧且P型体区（5）位于N型漂移区（3）的上表面与沟槽隔离层（4）形成的拐角处，在N型漂移区（3）的上表面与沟槽隔离层（4）形成的两个拐角处分别设有第一P型发射极区（9）和第二P型发射极区（8），所述第一P型发射极区（9）位于所述P型体区（5）内且第一P型发射极区（9）与所述N型发射极区（11）相分离，在第一P型发射极区（9）和第二P型发射极区（8）上连接有金属电极（20），在在N型漂移区（3）的上表面下方还设有第三P型发射极区（7）且第三P型发射极区（7）位于沟槽隔离层（4）的另一侧，在第三P型发射极区（7）上连接有第二发射极铝电极（17），在第二P型发射极区（8）与第三P型发射极区（7）之间的N型漂移区（3）上表面上设有第二栅氧化层（12），并且，所述第二栅氧化层（12）的一端延伸进入所述第二P型发射极区（8）的上方，所述第二栅氧化层（12）的另一端延伸进入所述第三P型发射极区（7）的上方，在第二栅氧化层（12）上设有氮化硅层（14），在氮化硅层（14）上方设有第二多晶硅栅（15），在第二多晶硅栅（15）上方设有第二栅电极（21）。

2.根据权利要求1所述的一种沟槽隔离横向绝缘栅双极型晶体管，其特征在于第三P型发射极区（7）和第二P型发射极区（8）间的距离为0.001um~10um，且距离越小，关断特性越好。

3.根据权利要求1所述的一种沟槽隔离横向绝缘栅双极型晶体管，其特征在于氮化硅层（14）要带有负电荷，其所带负电荷量为10^-25 ~10²⁵nC/cm³。