CN87101227A - 互补绝缘体外延硅横向绝缘栅整流管 - Google Patents

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Abstract

在基本上绝缘的基片的主表面上形成一单晶硅层、在该层中制造一种绝缘体外延硅(SOI)横向绝缘栅整流器(LIGR)。该单晶硅层包含若干相邻共面掺杂层区，这些相邻接触的层区形成两个具有公共源区的互补LIGR元件、由它们构成所述互补SOILIGR组件。组件的公共源区以及两个漏区由具有第一和第二类导电性的各区组成。这样就获得一种简单、易于制造、平衡、高性能的互补LIGR结构，其中基本上消除了各种不需要的基片电流。

Description

本发明属于各种绝缘体外延硅（SOI）器件领域、并且特别涉及互补横向绝缘栅整流管、该管用于诸如各种放电管的电子控制装置之类的各种电源电路应用场合。
已知的电源控制电路经常采用一种半桥式接法，其中有两个串联连接的相同的开关晶体管、一个晶体管的源极连接到另一个晶体管的漏极以构成共同输出端。这种线路接法一般用于各种集成电源电路、因为所需要的各晶体管额定电压最低。尽管如此，对于这种线路接法来说仍然存在某些缺点。例如，其中一个晶体管起源极跟随器的作用、具有固有的比共源极接法高的导通电阻以及较高的对基片的击穿电压（当采用各种标准结构时）。虽然，例如采用美国专利申请第766，665号中所示的源极跟随器结构可以克服这些缺点，但是得到的结构将更复杂和难于制造。
另一种解决办法（一般用于各种分立元件电路）使用了按共漏极接法的若干互补的金属-氧化物-半导体场效应管（MOSFET）器件。但是这种线路接法在集成电路中是不实际的，其原因在于制造方面的各种困难以及如果采用集成方法、这两个器件就会具有显著不同的导通电阻、从而产生不平衡的输出波形。
根据包含在本人的尚待批准的美国专利申请第945420号（题目是“各种互补横向绝缘栅整流管”）（此处引入作为参考）中的发明，可以克服这些缺点。该申请公开了一种适用于电源电路配置的互补的MOS横向绝缘栅整流管（LIGR）结构，该器件可被容易地和廉价地集成、并且有两个具有相差不大的导通电阻的互补开关器件。
尽管如此，仍然需要得到一种具有比较简单的结构形式的LIGR结构、并且其中基本上消除了可能影响集成电路电源组件中各种开关特性和各种控制功能的各种基片电流。
因此，本发明的目的是提供一种互补器件，它适用于例如那些需要用半桥式接法而不需要源极跟随器电路的电源电路应用场合。
本发明的另一些目的是要提供一种适用于各种电源电路应用场合的互补器件，它具有可以容易地和廉价地集成的简化结构，同时有两个具有相差不大的“导通”电阻的互补开关器件。
本发明的再一个目的是要提供一种互补器件、其中基本上消除了可能影响各种集成电路电源应用场合中各种开关特性或者连接在该电源中的控制装置的操作的各种基片电流。
本发明是通过一种独特的互补SOI横向绝缘栅整流管（LIGR）结构形式达到这些目的。LIGR是一种比较新的器件类型，实验已经证明它适用于各种大功率开关应用场合。例如，在欧洲专利申请第83112186·8号（相当于美国申请号449，321）中给出了若干特殊的LIGR器件的结构形式。正如在该参考文献中所能看到的，各个LIGR的结构形式与横向MOS晶体管的结构形式十分相似、并且关于将两个这种器件集成为一种互补集成电路结构的一些问题也与上述器件相似。
根据本人的上述申请中所描述的发明、通过采用一种独特的集成互补LIGR结构、已经基本上克服了这些问题。在该结构中，具有第一类导电性的半导体基片备有相邻的面接触型第一和第二半导体井、它们具有相反的第二类导电性;于是，该基片的一部分就将两个相邻的井隔开。然后在这两个相邻井中制造各种对基片具有结隔离的互补LIGB元件;对该基片的结隔离是由在各半导体井和具有与这些井相反类型的导电性的所述半导体基片之间所形成的各P-n结提供的。这样的一种器件给出一种比具有可比拟性能的各种先有技术的结构，既更简单又更易于制造的结构，但希望能进一步简化以及进一步改善器件与基片间的隔离以限制各种基片电流。
根据本发明的一种独特的集成互补SOI    LIGR结构实现了这些进一步的改进。在这种结构中，基本上绝缘的、具有一个主表面的基片在其主表面上备有单晶硅层。该单晶硅层包含若干相邻的掺杂共面层区。各相邻的、接触的层区构成两个具有公共源区的互补LIGR元件、由此获得一种互补SOI    LIGR结构。根据本发明，所述公共源区以及该器件的两个漏区都是由具有第一和第二类导电性的一些区构成的。这样就得到一种简单的、易于制造的、平衡的、高性能的互补LIGR结构。
图1是根据本发明的一种SOI    LIGR的横截面图;以及
图2、3和4是图1的器件的各部分的剖面图，这些剖面图是分别沿图1中的截面线2-2、3-3和4-4而取得的。
附图中，在具有相同类型导电性的各半导体层和区上均划有相同方向的阴影线。此外，应当指出，各图未按比例绘制，而更具体地说、为改善清晰度已经把垂直方向各尺寸放大。
附图1表示一种互补绝缘体外延硅（SOI）横向绝缘栅整流器（LIGR）组件、它适用于各种电源电路应用场合、特别适用于需要基本上消除各种基片电流的应用场合。图1中，SOI    LIGR组件1具有一个基本上绝缘的带有主表面11的基片10。正如对本专业普通技术人员来说是显而易见的那样，该基片的材料可以从若干种合适的绝缘材料、例如氧化硅、石英等类似材料中选择。在该绝缘基片的主表面11上形成单晶硅层12，接着在层12中形成若干相邻的、共面掺杂层区。正如下文将更详述的那样，这些相邻层区形成该LIGR组件的各有源区。可以用若干众所周知的制造技术中的任一种来产生硅层12，这些技术包括硅的激光或灯光再结晶以及键合或深腐蚀，从而在氧化环境中使两片氧化硅薄片键合、并且随后使两薄片中的一片变薄到合适的尺寸。
单晶硅层12在厚度方面可以在大范围内变化（根据具体的设计考虑所要求的各种参数、可以从小于约1000埃直至几个微米）并且在形成各掺杂层区之前、最初是由基本上未掺杂的材料构成的。该SOI工艺的一个特别的优点是可以在宽范围内选择诸如层厚度等各种参数、从而使基本结构适合于宽的应用范围。
单晶硅层12包括第一层区13、它含有第一类（P）导电性的和相反的第二类（n）导电性的各区、它们一起构成该LIGR组件的第一漏区。下面将结合对图2的描述而更详细地描述该第一漏区的结构。该第一层区的P型层和n型层两者的掺杂剂密度均为大约1018个原子/立方厘米。
形成与第一层区的各区接触的具有第一类导电性（此处是P型）的第二层区14，从而构成该LIGR组件的第一漂移区。层区14的P型材料的掺杂剂密度是大约1015个原子/立方厘米。形成与第二层区14接触的具有第二类（此处是n型）导电性的第三层区16，它具有大约1015个原子/立方厘米的掺杂剂密度。工作时，在层区16中形成第一沟道区。应当指出，至此所描述的所有各层区以及将要描述的那些层区（它们都是通过对单晶硅层12进行适当的掺杂而得到的）具有基本上相同的厚度。如上所述，这一层的厚度可以在从小于1000埃直至几个微米的宽范围内变化、这取决于所要制造的器件的特殊应用。
形成与第三层区接触的含有第一（P）类导电性的和第二（n）类导电性的各区的第四层区20、从而构成该互补LIGR组件的两半部分的公共源区。第四层区20的n型区和P型区两者都具有大约1018个原子/立方厘米的掺杂剂密度，下文结合对图3的描述将对它进行更详细地描述，图3表示第四层区20的剖面图。
图1中所示的该LIGR组件的第二半部（即，以由层区20构成的公共源区开始的该组件的那个部分）基本上是已经描述的该组件的第一部分的镜象、但是每个层区的导电类型却是相反的。因此，第一导电类型（P）的第五层区22保持与层区20接触，工作期间，在第五层区中构成第二沟道区。层区22的掺杂剂密度是大约1015个原子/立方厘米，并且重复上述情况：该层区以及该绝缘基片主表面上其余各层区具有与上述各层区相同的厚度。
形成与第五层区接触的、具有第二（P）类导电性并具有大约1015个原子/立方厘米的掺杂剂密度的第六层区，从而在工作期间构成该互补LIGR组件的第二漂移区。
在单晶硅层12中形成的组件结构部分到第七层区26结束，该层区含有第一（P）类导电性的和第二（n）类导电性的各区。层区26保持与第六层区24接触、从而构成该互补LIGR组件的第二漏区。下文将参照图4（该图是第二漏区的剖面图）更详细地描述第7层区26的结构。
通过在单晶硅层12的各层区上形成绝缘层28来完成该组件结构，其绝缘层区28a和28b分别至少复盖第三层区16和第五层区22。然后分别在层区16和22上方的绝缘层区28a和28b上形成第一和第二栅极G1和G2。连接到第四层区20的源极S以及分别连接到第一层区13和第七层区26的第一和第二漏极D1和D2完成了该组件的构造。
如上所述，构成该互补组件的各漏区的层区13和26以及构成公共源区的层区20都是由若干具有不同类型导电性的各区构成的。各层区13、20和26的剖面图分别示于图2、3和4中。图2中可以看出，层区13包括在区13c的两侧的具有第二（n）类导电性的一对薄区13a和13b，而区13c具有第一（P）类导电性、并且从区13a和13b处稍微向里收缩。应当指出，虽然图2中为简化而示出一种三区结构，但是实际上层区13可以包含更多个这种交替的区。同样，层区20至少包括一个具有第二（n）类导电性的区20a和一个具有第一（P）类导电性的区20b。再者，层区20（此处表干成仅具有两个区）可以方便地具有一些另外的区、这些区具有交替的各种导电类型。最后，示于图4中的层区26本质上是示于图2中的结构的镜象、它具有环绕着第三区26c的具有第一（P）类导电性的两区26a和26b，而区26c具有第二类导电性。和层区13的情况一样，层区26可以由重复图4中所示图案的具有交替的各种导电类型的更多的区构成。各层区13、20、26的所有各区都被高密度地掺杂、具有大约1018个原子/立方厘米的掺杂剂密度。应当指出，对于各层区13、20和26的具有交替的导电类型的各区来说、并不存在严重的制造复杂性、因为可以用普通掩模工艺方便地形成这些区，正如本专业普通技术人员所公认的那样。
从使用的观点来看，可以把示于图1中的组件看作具有公共源区20的两个互补（即，P沟道和n沟道）LIGR元件，其公共源区20将这两个组件元件连接在一起。这种组件的各种使用优点（就“平衡的导通电阻”及“易于制造”而论）与上述本人的尚待批准的美国专利申请中所叙述的是相同的。此外，通过在基本上绝缘的基片上形成组件的有源结构而基本上消除了各种基片电流，从而提高了各种开关特性并且提供了对同一基片上的控制电路的隔离作用。
应当指出，本发明的具有P型区和n型区的交叉指形漏极结构（见图2和图4）是类似于本人上述尚待批准的申请的图2中多漏极区20、20a及30、30a、并且起同样的作用的。因此，在源和漏之间各种低电流传导电平时，所有电流流到具有同类导电性的、作为源和漏之间剩余导电通路的漏极区。当该电流增加到足以使该漏极区两端的电压降超过0.7伏时，则漏极中具有相反类型导电性的、与其相关的漂移区构成一个P-n结的区域将变成正向偏置的、从而将开始注入少数载流子。
在本发明中，源区20也具有一种交叉指式结构、至少具有一个P型区和一个n型区（如图3所示）、并且具有如图1所示的、同时与P型区和n型区接触的源极S。工作期间，与沟道区16接触的源极的n型区允许形成P型沟道，而源极的P型区起一种空穴源的作用，这些空穴通过该组件流到漏极。来自漏极的n型区的各电子流过n型沟道区、并且通过源区20的n型区而集合。除了各极性相反之外，示于图1右边部分中的该组件的右边元件的工作情况是相似的。
概括地说，本发明提供一种能够容易地和廉价地集成的互补SOI    LIGR开关组件，该组件能提供两个具有相差不大的导通电阻的互补开关元件。此外，这些优点是在不需要源跟随器电路、而且基本上消除了基片电流的情况下获得的。
虽然参照本发明的若干实施例对本发明进行了描述和具体表示，但本专业技术人员很清楚：在不脱离本发明的实质和范围的情况下，是可以进行形式和细节方面的各种变化的。

Claims (2)

1、一种互补绝缘体外延硅(SOI)横向绝缘栅整流器(LIGR)，其特征在于：
-一个基本上绝缘的具有一个主表面的基片，
-一个在所述主表面上的单晶硅层、所述层包括多个相邻的共面掺杂层区，
-含有具有第一类和相反的第二类导电性的各区并且构成所述互补LIGR的第一漏区的第一层区，
-具有所述第一类导电性的、与所述第一层区接触并包括所述互补LIGR的第一漂移区的第二层区，
-具有所述第二类导电性的、与所述第二层区接触并包括所述互补LIGR的第一沟道区的第三层区，
-含有具有所述第一类和第二类导电性的各区的、与所述第三层区接触并构成所述互补LIGR的公共源区的第四层区，
-具有所述第一类导电性的、与所述第四层区接触并包括所述互补LIGR的第二沟道区的第五层区，
-具有所述第二类导电性的、与所述第五层区接触并包括所述互补LIGR的第二漂移区的第六层区，
-含有具有所述第一类和第二类导电性的各区的、与所述第六层区接触并构成所述互补LIGR的第二漏区的第七层区，
-在所述单晶硅层的各层区上面并至少复盖所述第三和第五层区的绝缘层，
-在所述绝缘层上面并且分别在所述第三和第五层区上方的第一和第二栅极，
-与所述第四层区连接的源极，以及
-分别与所述第一和第七层区连接的第一和第二漏极。
2、如权利要求1中的互补SOI  LIGR，其特征在于：
-所述第一层区正少包括一个具有所述第一类导电性的区，该区的两侧都有具有所述第二类导电性的各区，所述第一层区的各区中的每一区沿横向延伸以便与所述第二层区接触，
-所述第七层区至少包括一个具有所述第二类导电性的区，该区的两侧都有具有所述第一类导电性的区，所述第七层区的各区中的每一区沿横向延伸以便与第六层区接触，以及
-所述第四层区至少包括一个具有所述第一导电性的区和一个具有所述第二导电性的区，所述第四层区的各区中的每一区沿横向从所述第三层区延伸到所述第五层区。
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