CN202434525U

CN202434525U - 一种n型绝缘体上硅横向绝缘栅双极型器件

Info

Publication number: CN202434525U
Application number: CN2011205061094U
Authority: CN
Inventors: 钱钦松; 刘斯扬; 万维俊; 孙伟锋; 陆生礼; 时龙兴
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2011-12-08
Filing date: 2011-12-08
Publication date: 2012-09-12
Anticipated expiration: 2021-12-08

Abstract

一种N型绝缘体上硅横向绝缘栅双极型器件，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型外延层的表面一定范围内设有栅氧化层和场氧化层，栅氧化层的上表面设有多晶硅栅，器件表面一定范围内还设有钝化层和金属层。其特征在于N型外延层上还设有P型阱区，P型阱区和P型体区构成阶梯状P型掺杂，P型阱区掺杂浓度低于P型体区，且P型阱区的一侧与场氧化层相切，另一侧与P型体区相抵。这种结构可以显著降低鸟嘴处的电场强度和碰撞电离率，从而有效地改善输出特性。

Description

一种N型绝缘体上硅横向绝缘栅双极型器件

技术领域

本实用新型主要涉及高压功率半导体器件领域，具体来说，是一种N型绝缘体上硅横向绝缘栅双极型器件，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

随着人们生活水平的不断提高，电子产品对于体积、性能、可靠性和成本等方面不断提出新的要求。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，减轻了衬底对器件的影响，消除了器件发生闩锁效应(latch-up)的风险，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。因此采用SOI工艺制作的电路具有速度高、功耗低、耐高温等特性。

绝缘栅双极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。而且，采用SOI工艺制作的绝缘栅双极晶体管的性能更加接近理想状况。随着绝缘体上硅的横向绝缘栅双极晶体管的出现，它以普通横向双扩散金属氧化物半导体晶体管以及普通绝缘栅双极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青睐。

众所周知，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，功率半导体器件在日常生活中也扮演着越来越重要的角色，而衡量一种功率半导体元件的好坏，主要包括器件的输出、转移特性曲线，以及其他各种参数的退化与否等方面。同时，高压器件的输出特性曲线相比于低压器件，更容易偏离理想条件的状况。因此，怎样在不改变器件其他参数的前提下，更好的优化输出特性曲线，使得高压器件的工作状态更为稳定，成为当前功率半导体器件研究的一个重要课题。

本实用新型就是针对上述问题，提出了一种N型绝缘体上硅横向绝缘栅双极型器件。该结构的器件可以显著降低器件鸟嘴处的电场强度和碰撞电离率，从而有效地改善输出特性曲线。

实用新型内容

本实用新型提供一种N型绝缘体上硅横向绝缘栅双极型器件。

本实用新型采用如下技术方案：一种N型绝缘体上硅横向绝缘栅双极型器件，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P型体接触区和N型阴区连接有第二金属层，其特征在于，在N型外延层内且在栅氧化层的下方设有P型阱区，P型阱区和P型体区构成阶梯状P型掺杂，所述P型阱区的P型掺杂浓度低于P型体区，且P型阱区的一侧与场氧化层相切，P型阱区的另一侧与P型体区相抵。与现有技术相比，本实用新型具有如下优点：

(1)、本实用新型器件在N型外延层3上还设有P型阱区15，且P型阱区15和P型体区14构成阶梯状P型掺杂(参加附图2)，这样就使得鸟嘴处的曲率半径明显变小，该处的电场强度也明显减小(参见附图3)。

(2)、本实用新型的好处在于减小场氧化层鸟嘴处的电场强度的同时，还能降低该处的碰撞电离率，从而降低了器件发生热载流子退化失效的风险，也提升了器件抗高温反偏应力(HTRB)的能力，进而提高了器件的可靠性，延长了器件的使用寿命。附图4显示采用本实用新型器件结构后的鸟嘴处碰撞电离率明显降低。

(3)、本实用新型器件的输出特性曲线相比于一般器件有了明显改善，饱和区漏极电流的曲线变得平坦，与理论情形更加接近。主要原因在于鸟嘴处的碰撞电离率下降，离子产生也更少，因碰撞产生的离子对漏极电流的影响降低。附图5显示采用了本实用新型器件结构后，器件的输出特性曲线得到明显改善。

(4)、本实用新型器件采用高压SOI工艺，该工艺里所用的高压P型MOS器件包含有类似P型阱区15的结构；因此，本实用新型的制作工艺可以与现有CMOS工艺兼容，不会增加额外的的光刻版和工艺步骤，也不会增加成本。

(5)、本实用新型器件不仅能有效地改善输出特性曲线，还不会对器件的其他性能参数产生影响。例如，虽然P型体区15与场氧化层10相切，但是由于氧化层表面吸硼排磷的效应，使得器件的阈值电压的变化很小，可以忽略不计。附图6显示采用本实用新型器件结构后的阈值电压变化很小。另外，器件的反向击穿电压也不会因采用本实用新型器件结构而改变，结果参照附图7。

附图说明

图1是剖面图，图示了一般的N型绝缘体上硅横向绝缘栅双极型器件的器件剖面结构。

图2是剖面图，图示了本实用新型改进后的N型绝缘体上硅横向绝缘栅双极型器件的器件剖面结构。

图3是本实用新型器件“鸟嘴”处纵向电场和一般结构器件“鸟嘴”处纵向电场的比较图。可以看出本实用新型器件在该处的纵向电场有明显的降低。

图4是本实用新型器件工作状态下碰撞电离率和一般结构器件工作状态下碰撞电离率的比较图。可以看出本实用新型器件在“鸟嘴”处的碰撞电离率有明显的降低。

图5是本实用新型器件输出特性曲线和一般器件输出特性曲线的比较图。可以看出本实用新型器件的输出特性曲线更优，饱和区的上翘趋势有明显的减弱。

图6是本实用新型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7是本实用新型器件的反向击穿电压和一般器件的反向击穿电压比较图。可以看出两者几乎没有差别。综合图6和图7，即本实用新型在改善了器件输出特性曲线的同时，对器件的其他性能参数几乎没有影响。

具体实施方式

下面结合附图2，对本实用新型作详细说明，一种N型绝缘体上硅横向绝缘栅双极型器件，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14，在N型缓冲阱4内设有P型阳区5，在P型体区14中设有N型阴区13和P型体接触区12，在N型外延层3的表面设有栅氧化层10和场氧化层8且栅氧化层10的一端和场氧化层8的一端相抵，所述栅氧化层10的另一端向N型阴区13延伸并止于N型阴区13，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，在栅氧化层10的表面设有多晶硅栅9且多晶硅栅9延伸至场氧化层8的表面，在场氧化层8、P型体接触区12、N型阴区13、多晶硅栅9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P型体接触区12和N型阴区13连接有第二金属层11，其特征在于，在N型外延层3内且在栅氧化层10的下方设有P型阱区15，P型阱区15和P型体区14构成阶梯状P型掺杂，所述P型阱区15的P型掺杂浓度低于P型体区14，且P型阱区15的一侧与场氧化层8相切，P型阱区15的另一侧与P型体区14相抵。所述结构可以在不影响器件其他参数的前提下，很好的改善场氧化层8的鸟嘴处纵向电场和碰撞电离率，使得输出特性曲线更优。

所述结构在P型体区14和场氧化层8之间制作一个浓度不高的P型阱区15，可以有效地减小场氧化层8鸟嘴处的电场强度。

所述结构在于能减小场氧化层8鸟嘴处的电场强度，相应处的碰撞电离率也会下降，离子产生率降低。

所述结构的输出特性曲线上翘明显减弱，因为碰撞电离对漏极电流产生的影响得到了很大的改善。

所述结构与一般的结构相比，器件的阈值电压以及反向击穿电压等参数变化很小，可以忽略不计。

本实用新型采用如下方法来制备：

第一步，常规的SOI层制作，其中外延层3采用N型掺杂。

第二步，接下来的是横向绝缘栅双极晶体管的制作，包括在N型外延3上通过注入磷离子形成重掺杂N型缓冲层4，注入硼离子形成P型体区14；然后是硼离子注入形成轻掺杂P型阱区15，其次是场氧化层8、栅氧化层10的生长，之后淀积多晶硅9，刻蚀形成栅，再制作重掺杂的阳区5和阴区13以及P型体接触区12。淀积二氧化硅，刻蚀电极接触区后淀积金属。刻蚀金属并引出电极，最后进行钝化处理。

Claims

1.一种N型绝缘体上硅横向绝缘栅双极型器件，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（14），在N型缓冲阱（4）内设有P型阳区（5），在P型体区（14）中设有N型阴区（13）和P型体接触区（12），在N型外延层（3）的表面设有栅氧化层（10）和场氧化层（8）且栅氧化层（10）的一端和场氧化层（8）的一端相抵，所述栅氧化层（10）的另一端向N型阴区（13）延伸并止于N型阴区（13），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），在栅氧化层（10）的表面设有多晶硅栅（9）且多晶硅栅（9）延伸至场氧化层（8）的表面，在场氧化层（8）、P型体接触区（12）、N型阴区（13）、多晶硅栅（9）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P型体接触区（12）和N型阴区（13）连接有第二金属层（11），其特征在于，在N型外延层（3）内且在栅氧化层（10）的下方设有P型阱区（15），P型阱区（15）和P型体区（14）构成阶梯状P型掺杂，所述P型阱区（15）的P型掺杂浓度低于P型体区（14），且P型阱区（15）的一侧与场氧化层（8）相切，P型阱区（15）的另一侧与P型体区（14）相抵。