一種快關(guān)斷絕緣體上硅橫向絕緣柵雙極型晶體管器件的制作方法
【專利摘要】一種快關(guān)斷絕緣體上硅橫向絕緣柵雙極型晶體管器件，該半導(dǎo)體具備：在P型襯底上設(shè)有埋氧，埋層上設(shè)有N型漂移區(qū)，其上有P型阱區(qū)和N型緩沖區(qū)，在N型緩沖區(qū)內(nèi)有重?fù)诫s的P型集電極區(qū)，在P型阱區(qū)內(nèi)有重?fù)诫s的P型發(fā)射極區(qū)與N型發(fā)射極區(qū)，在P型阱區(qū)表面設(shè)有柵氧化層，其上有多晶硅層，在重?fù)诫s的P型發(fā)射極區(qū)內(nèi)設(shè)有第一縱向溝槽且其深及埋氧，上述溝槽局部向內(nèi)側(cè)擴(kuò)展形成間距相等的第一橫向溝槽且其延伸至漂移區(qū)，在重?fù)诫s的P型集電極區(qū)設(shè)有第二縱向溝槽且其深及埋氧，上述溝槽局部向內(nèi)側(cè)擴(kuò)展形成間距相等的第二橫向溝槽且其延伸至漂移區(qū)，上述所有溝槽內(nèi)有填充物，所述填充物為外部包裹耐壓介質(zhì)的多晶硅且位于漂移區(qū)內(nèi)的填充物為耐壓介質(zhì)。
【專利說(shuō)明】
一種快關(guān)斷絕緣體上硅橫向絕緣柵雙極型晶體管器件
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明主要涉及功率半導(dǎo)體器件技術(shù)領(lǐng)域，是一種新型快關(guān)斷絕緣體上硅橫向絕緣柵雙極型晶體管，特別適用于單片集成功率芯片中，用來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)各種電路系統(tǒng)的準(zhǔn)確控制。
【背景技術(shù)】
[0002]絕緣體上硅橫向絕緣柵雙極性晶體管(S01-LIGBT)是集功率SOI橫向雙擴(kuò)散金屬-氧化物-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(LDM0SFET)的高速度、功率雙極型晶體管(BJT)的大電流密度和SOI全介質(zhì)隔離等優(yōu)點(diǎn)于一身的功率器件，因而它具有驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)單、保護(hù)容易、開(kāi)關(guān)頻率高等優(yōu)點(diǎn)，因此基于以上優(yōu)點(diǎn)，S01-LIGBT現(xiàn)廣泛應(yīng)用于各種高功率的電力電子設(shè)備中。
[0003]由于S01-LIGBT通常在集成電路中用作功率開(kāi)關(guān)器件，當(dāng)S01-LIGBT工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)時(shí)，隨著開(kāi)關(guān)頻率的增加，開(kāi)關(guān)損耗會(huì)隨之增大，進(jìn)而制約器件工作效率的提高，而且功率器件S01-LIGBT的開(kāi)關(guān)損耗可能會(huì)產(chǎn)生很高的熱量，引起過(guò)大的溫升，對(duì)器件的可靠性影響很大。其次，當(dāng)功率器件處于導(dǎo)通狀態(tài)下，為了獲得整個(gè)電路系統(tǒng)最低的損耗，應(yīng)把功率器件的導(dǎo)通損耗降低到最低。因此，作為功率開(kāi)關(guān)器件的S01-LIGBT器件，要求其既具有較低的開(kāi)關(guān)損耗又要有較低的導(dǎo)通損耗。為了獲得較低的開(kāi)關(guān)功耗，應(yīng)要求S01-LIGBT器件具有較短的關(guān)斷時(shí)間；為了獲得較低的導(dǎo)通損耗，應(yīng)要求S01-LIGBT器件具有較低的導(dǎo)通壓降。為了降低器件的關(guān)斷時(shí)間，目前提出一些結(jié)構(gòu)，例如Dual LIGBT，DPT LIGBT與SSALIGBT等，在降低關(guān)斷時(shí)間的同時(shí)又會(huì)帶來(lái)一些別的問(wèn)題。對(duì)于Dual LIGBT來(lái)說(shuō)，在器件關(guān)斷時(shí)，會(huì)將第二柵開(kāi)啟，為電子提供通路，此結(jié)構(gòu)需要額外的控制電路，且其增加了器件面積與復(fù)雜度。其他降低關(guān)斷時(shí)間的結(jié)構(gòu)也會(huì)帶來(lái)降低器件導(dǎo)通電流密度或耐壓不足等問(wèn)題。
[0004]因此，在保持器件耐壓的基礎(chǔ)上降低器件的關(guān)斷時(shí)間和降低器件導(dǎo)通壓降是SO1-LIGBT的主要發(fā)展方向，對(duì)功率集成電路的發(fā)展與設(shè)計(jì)具有重要的意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明針對(duì)上述問(wèn)題，提出了一種快關(guān)斷橫向絕緣柵雙極型晶體管。該結(jié)構(gòu)在保持器件耐壓不降低的前提下，顯著降低了器件的關(guān)斷時(shí)間，同時(shí)也降低了器件的導(dǎo)通壓降。
[0006]—種快關(guān)斷絕緣體上硅橫向絕緣柵雙極型晶體管器件，包括:P型襯底，在P型襯底上設(shè)有埋氧，在埋氧上設(shè)有N型漂移區(qū)，在N型漂移區(qū)的兩側(cè)分別設(shè)有N型緩沖區(qū)和P型阱區(qū)，在N型緩沖區(qū)內(nèi)有重?fù)诫s的P型集電極區(qū)，重?fù)诫s的P型集電極區(qū)上連接有陽(yáng)極金屬，P型阱區(qū)內(nèi)設(shè)有重?fù)诫s的P型發(fā)射極區(qū)與重?fù)诫s的N型發(fā)射極區(qū)，其中，重?fù)诫s的N型發(fā)射極區(qū)在重?fù)诫s的P型發(fā)射極區(qū)的內(nèi)側(cè)，重?fù)诫s的N型發(fā)射極區(qū)與重?fù)诫s的P型發(fā)射極區(qū)上連接有陰極金屬，在P型阱區(qū)表面設(shè)有柵氧化層，在柵氧化層表面設(shè)有多晶硅層，在多晶硅層上連接有柵金屬，其特征在于，在重?fù)诫s的P型發(fā)射極區(qū)內(nèi)設(shè)有第一縱向溝槽且所述第一縱向溝槽深及埋氧，所述縱向溝槽的局部向P型阱區(qū)的內(nèi)側(cè)擴(kuò)展形成間距相等的第一橫向溝槽且所述第一橫向溝槽延伸至N型漂移區(qū)內(nèi)；在重?fù)诫s的P型集電極區(qū)內(nèi)設(shè)有第二縱向溝槽且所述第二縱向溝槽深及埋氧，所述第二縱向溝槽的局部向重?fù)诫s的N型緩沖區(qū)的內(nèi)側(cè)擴(kuò)展形成間距相等的第二橫向溝槽且所述第二橫向溝槽延伸至N型漂移區(qū)內(nèi)；在第一縱向溝槽、第一橫向溝槽、第二縱向溝槽及第二橫向溝槽內(nèi)填充有填充物，所述填充物為外部包裹耐壓介質(zhì)的多晶硅且位于N型漂移區(qū)區(qū)域內(nèi)的填充物為耐壓介質(zhì)，所述陽(yáng)極金屬與第二縱向溝槽及第二橫向溝槽內(nèi)多晶硅連接，所述陰極金屬與第一縱向溝槽及第一橫向溝槽內(nèi)多晶硅連接。
[0007]根據(jù)權(quán)利要求1所述的快關(guān)斷絕緣體上硅橫向絕緣柵雙極型晶體管器件，其特征在于，所述間距為I?100微米。
[0008]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明有如下優(yōu)點(diǎn):
[0009]本發(fā)明提供了一種快關(guān)斷絕緣體上硅橫向絕緣柵雙極型晶體管器件，本發(fā)明相比傳統(tǒng)器件，具有更短的電流下降時(shí)間及電壓上升時(shí)間，因而其關(guān)斷時(shí)間更短。對(duì)于電流下降時(shí)間，本發(fā)明從兩個(gè)方面入手降低了電流下降時(shí)間。一方面本發(fā)明由于集電極區(qū)縱向溝槽的存在使得導(dǎo)通狀態(tài)下注入的少子數(shù)量較少，關(guān)斷時(shí)需要復(fù)合消失的少子數(shù)量也更少，因此電流下降時(shí)間更短;另一方面，在關(guān)斷狀態(tài)下第二橫向溝槽提供了一條電子排空通道，在關(guān)斷時(shí)能把電子迅速排空，降低了電流下降時(shí)間。對(duì)于電壓上升速度，本發(fā)明相比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)而言在器件的發(fā)射極與集電極分別設(shè)有第一、第二橫向溝槽，在器件關(guān)斷時(shí)由于溝槽的存在會(huì)形成如圖6所示的一種特殊的耗盡區(qū)結(jié)構(gòu)，對(duì)比傳統(tǒng)耗盡模式原理圖7與本發(fā)明的耗盡模式原理圖6可以知道，本發(fā)明結(jié)構(gòu)能夠更快的向漂移區(qū)中心耗盡，而漂移區(qū)只有耗盡之后才能耐壓，因而本結(jié)構(gòu)能有更快的電壓上升速度。綜上所述，本發(fā)明提供了更短的關(guān)斷時(shí)間，因而其開(kāi)關(guān)損耗也更小。
[0010]本發(fā)明在器件導(dǎo)通時(shí)提供了更低的導(dǎo)通壓降。本發(fā)明在發(fā)射極設(shè)有橫向溝槽，在器件導(dǎo)通狀態(tài)下，上述橫向溝槽接地，因此在漂移區(qū)靠近橫向溝槽的附近區(qū)域內(nèi)會(huì)積累更多的少子空穴，更多的空穴促進(jìn)了更強(qiáng)的電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，漂移區(qū)的電阻進(jìn)一步降低，因而其導(dǎo)通壓降也得到降低，進(jìn)而降低了器件的導(dǎo)通損耗。
[0011]故本發(fā)明器件在顯著降低器件關(guān)斷時(shí)間的基礎(chǔ)上，又降低了器件的導(dǎo)通壓降，使得本器件在工作時(shí)能保持較低的開(kāi)關(guān)損耗與導(dǎo)通損耗，使得其更適合工作在各種控制系統(tǒng)中。
【附圖說(shuō)明】
[0012]圖1所示為本發(fā)明結(jié)構(gòu)去掉氧化層與金屬電極的三維圖。
[0013]圖2所示為本發(fā)明結(jié)構(gòu)的三維圖
[0014]圖3所示為本發(fā)明結(jié)構(gòu)去掉金屬電極和場(chǎng)氧層后的俯視圖。
[0015]圖4所示為本發(fā)明結(jié)構(gòu)沿AA’方向的剖面圖。
[0016]圖5所示為本發(fā)明結(jié)構(gòu)關(guān)斷狀態(tài)下部分區(qū)域載流子分布示意圖。
[0017]圖6所示為本發(fā)明結(jié)構(gòu)導(dǎo)通狀態(tài)下部分區(qū)域載流子分布示意圖。
[0018]圖7所示為本發(fā)明結(jié)構(gòu)關(guān)斷狀態(tài)下的耗盡區(qū)示意圖。
[0019]圖8所示為傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)關(guān)斷狀態(tài)下的耗盡區(qū)示意圖。
[0020]圖9所示為本發(fā)明結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的關(guān)斷時(shí)間對(duì)比圖。
[0021]圖10所示為本發(fā)明結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的1-V曲線對(duì)比圖。
[0022]圖11所示為本發(fā)明結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的耐壓比較圖。
【具體實(shí)施方式】
[0023]下面結(jié)合圖1、圖2、圖3，圖4，對(duì)本發(fā)明做詳細(xì)說(shuō)明:
[0024]—種快關(guān)斷絕緣體上硅橫向絕緣柵雙極型晶體管器件，包括:P型襯底I，在P型襯底I上設(shè)有埋氧2，在埋氧2上設(shè)有N型漂移區(qū)3，在N型漂移區(qū)3的兩側(cè)分別設(shè)有N型緩沖區(qū)12和P型阱區(qū)4，在N型緩沖區(qū)12內(nèi)有重?fù)诫s的P型集電極區(qū)9，重?fù)诫s的P型集電極區(qū)9上連接有陽(yáng)極金屬17，P型阱區(qū)4內(nèi)設(shè)有重?fù)诫s的P型發(fā)射極區(qū)5與重?fù)诫s的N型發(fā)射極區(qū)8，其中，重?fù)诫s的N型發(fā)射極區(qū)8在重?fù)诫s的P型發(fā)射極區(qū)5的內(nèi)側(cè)，重?fù)诫s的N型發(fā)射極區(qū)8與重?fù)诫s的P型發(fā)射極區(qū)5上連接有陰極金屬13，在P型阱區(qū)4表面設(shè)有柵氧化層14，在柵氧化層14表面設(shè)有多晶硅層16，在多晶硅層16上連接有柵金屬15，其特征在于，在重?fù)诫s的P型發(fā)射極區(qū)5內(nèi)設(shè)有第一縱向溝槽6且所述第一縱向溝槽6深及埋氧2，所述縱向溝槽6的局部向P型阱區(qū)4的內(nèi)側(cè)擴(kuò)展形成間距相等的第一橫向溝槽18且所述第一橫向溝槽延伸至N型漂移區(qū)3內(nèi)；在重?fù)诫s的P型集電極區(qū)9內(nèi)設(shè)有第二縱向溝槽11且所述第二縱向溝槽11深及埋氧2，所述第二縱向溝槽11的局部向重?fù)诫s的N型緩沖區(qū)12的內(nèi)側(cè)擴(kuò)展形成間距相等的第二橫向溝槽19且所述第二橫向溝槽19延伸至N型漂移區(qū)3內(nèi)；在第一縱向溝槽6、第一橫向溝槽18、第二縱向溝槽11及第二橫向溝槽19內(nèi)填充有填充物，所述填充物為外部包裹耐壓介質(zhì)的多晶硅7且位于N型漂移區(qū)3區(qū)域內(nèi)的填充物為耐壓介質(zhì)，所述陽(yáng)極金屬17與第二縱向溝槽11及第二橫向溝槽19內(nèi)多晶硅連接，所述陰極金屬13與第一縱向溝槽6及第一橫向溝槽18內(nèi)多晶硅連接。
[0025]在本實(shí)例中，所述間距為I?100微米。
[0026]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步說(shuō)明。
[0027]本發(fā)明的工作原理:
[0028]在感性負(fù)載情況下，當(dāng)器件由導(dǎo)通狀態(tài)向關(guān)斷狀態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)，柵極電壓被突然切斷，因此柵極下方的溝道消失，由于感性負(fù)載，集電極電流繼續(xù)保持在它的通態(tài)值。由于溝道電流已經(jīng)消失，這個(gè)電流一定是雙極電流在維持。漂移區(qū)中載流子會(huì)逐漸消失以形成耗盡層來(lái)支撐逐漸升高的集電極耐壓，因而在忽略柵極電流消失時(shí)間的情況下電流下降時(shí)間應(yīng)包含電子消失的時(shí)間與空穴復(fù)合的時(shí)間。本發(fā)明分別在以上兩方面對(duì)關(guān)斷時(shí)間做了優(yōu)化，一方面，如圖5，當(dāng)集電極的電壓逐漸升高至溝槽兩側(cè)出現(xiàn)電子的反型層后，從漂移區(qū)到集電極形成電子的快速排空通道，加快電子的排空，另一方面，如圖6，由于在通態(tài)時(shí)集電極溝槽減少了 P型集電區(qū)的面積，使得其減少了空穴的注入數(shù)量，且集電極溝槽上的正壓作用會(huì)使得溝槽兩側(cè)形成電子的反型層，從而阻擋空穴的注入，降低空穴的注入效率，因此在通態(tài)時(shí)由于溝槽的作用其少子注入量較少，關(guān)斷時(shí)空穴消失的時(shí)間也會(huì)減少。以上兩方面的優(yōu)化會(huì)對(duì)電流下降時(shí)間的減少產(chǎn)生重要影響。
[0029]對(duì)于關(guān)斷時(shí)間，應(yīng)包含電流下降時(shí)間與電壓上升時(shí)間兩部分時(shí)間的總和，本發(fā)明不僅通過(guò)結(jié)構(gòu)的改進(jìn)創(chuàng)新降低了器件的關(guān)斷時(shí)間，同時(shí)也降低了器件的電壓上升時(shí)間，從而使得關(guān)斷時(shí)間有顯著的降低。如圖7，考慮第一、第二橫向溝槽對(duì)器件耐壓的影響，這些區(qū)域會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生如圖所示的特殊耗盡區(qū)分布，隨著時(shí)間的推進(jìn)，耗盡區(qū)會(huì)沿著漂移區(qū)向器件中央部分?jǐn)U展，由于耗盡區(qū)的凸起，會(huì)使得耗盡區(qū)的擴(kuò)展更快，電壓上升更快，從而降低了器件的關(guān)斷時(shí)間。
[0030]在器件導(dǎo)通狀態(tài)下，如圖6，即器件的柵極加正壓時(shí)，在柵極下面會(huì)形成一個(gè)連接重?fù)诫s的N型發(fā)射區(qū)以及N型漂移區(qū)的溝道，電子從發(fā)射極通過(guò)溝道注入到漂移區(qū)中，電子電流作為PNP晶體管的基極驅(qū)動(dòng)電流，促使空穴從重?fù)诫s的P型集電區(qū)注入N型漂移區(qū)，從而在N型漂移區(qū)形成電導(dǎo)調(diào)制作用，降低漂移區(qū)的導(dǎo)通電阻。本發(fā)明器件在導(dǎo)通時(shí)集電極接正壓發(fā)射極接地，則在集電極溝槽內(nèi)側(cè)形成電子的反形層，降低空穴的注入效率，且縱向溝槽降低了 P集電極的面積，進(jìn)而降低空穴的注入數(shù)量。然而漂移區(qū)的導(dǎo)通壓降取決于漂移區(qū)內(nèi)空穴的分布，由于發(fā)射極縱向溝槽接地，因此漂移區(qū)靠近溝槽的區(qū)域會(huì)形成較多的空穴積累，從而提高該區(qū)域的空穴濃度，進(jìn)而增強(qiáng)其電導(dǎo)調(diào)制作用，使得器件的正向?qū)▔航禃?huì)降低。
[0031 ]為了驗(yàn)證本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)，本專利通過(guò)半導(dǎo)體器件仿真軟件Sentaurus Tcad對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了對(duì)比仿真，如圖9?圖11所示。圖9為本發(fā)明結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的關(guān)斷時(shí)間比較圖，由圖可見(jiàn)本發(fā)明結(jié)構(gòu)的關(guān)斷時(shí)間更短，器件的關(guān)斷損耗更低。圖10為本發(fā)明結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的1-V曲線對(duì)比圖，由圖可見(jiàn)本發(fā)明結(jié)構(gòu)的導(dǎo)通壓降比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)低。圖11為本發(fā)明結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的耐壓比較圖，由圖可見(jiàn)本發(fā)明結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的耐壓相同，因而本器件在降低器件關(guān)斷時(shí)間，減少器件的導(dǎo)通壓降的情況下，器件的耐壓并沒(méi)有損失。
[0032]故本發(fā)明器件在顯著降低器件關(guān)斷時(shí)間的基礎(chǔ)上，又降低了器件的導(dǎo)通壓降，使得本器件在工作時(shí)能保持較低的開(kāi)關(guān)損耗與導(dǎo)通損耗，使得其更適合工作在各種控制系統(tǒng)中。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種快關(guān)斷絕緣體上硅橫向絕緣柵雙極型晶體管器件，包括:P型襯底(I)，在P型襯底(I)上設(shè)有埋氧(2)，在埋氧(2)上設(shè)有N型漂移區(qū)(3)，在N型漂移區(qū)(3)的兩側(cè)分別設(shè)有N型緩沖區(qū)(12)和P型阱區(qū)(4)，在N型緩沖區(qū)(12)內(nèi)有重?fù)诫s的P型集電極區(qū)(9)，重?fù)诫s的P型集電極區(qū)(9)上連接有陽(yáng)極金屬(17)，P型阱區(qū)(4)內(nèi)設(shè)有重?fù)诫s的P型發(fā)射極區(qū)(5)與重?fù)诫s的N型發(fā)射極區(qū)(8)，其中，重?fù)诫s的N型發(fā)射極區(qū)(8)在重?fù)诫s的P型發(fā)射極區(qū)(5)的內(nèi)偵U，重?fù)诫s的N型發(fā)射極區(qū)(8)與重?fù)诫s的P型發(fā)射極區(qū)(5)上連接有陰極金屬(13)，在P型阱區(qū)(4)表面設(shè)有柵氧化層(14)，在柵氧化層(14)表面設(shè)有多晶硅層(16)，在多晶硅層(16)上連接有柵金屬(15)，其特征在于，在重?fù)诫s的P型發(fā)射極區(qū)(5)內(nèi)設(shè)有第一縱向溝槽(6)且所述第一縱向溝槽(6)深及埋氧(2)，所述縱向溝槽(6)的局部向P型阱區(qū)(4)的內(nèi)側(cè)擴(kuò)展形成間距相等的第一橫向溝槽(18)且所述第一橫向溝槽延伸至N型漂移區(qū)(3)內(nèi)；在重?fù)诫s的P型集電極區(qū)(9)內(nèi)設(shè)有第二縱向溝槽(11)且所述第二縱向溝槽(11)深及埋氧(2)，所述第二縱向溝槽(I I)的局部向重?fù)诫s的N型緩沖區(qū)(I 2)的內(nèi)側(cè)擴(kuò)展形成間距相等的第二橫向溝槽(19)且所述第二橫向溝槽(19)延伸至N型漂移區(qū)(3)內(nèi)；在第一縱向溝槽(6)、第一橫向溝槽(18)、第二縱向溝槽(11)及第二橫向溝槽(19)內(nèi)填充有填充物，所述填充物為外部包裹耐壓介質(zhì)的多晶硅(7)且位于N型漂移區(qū)(3)區(qū)域內(nèi)的填充物為耐壓介質(zhì)，所述陽(yáng)極金屬(17)與第二縱向溝槽(II)及第二橫向溝槽(19)內(nèi)多晶硅連接，所述陰極金屬(13)與第一縱向溝槽(6)及第一橫向溝槽(18)內(nèi)多晶硅連接。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的快關(guān)斷絕緣體上硅橫向絕緣柵雙極型晶體管器件，其特征在于，所述間距為I?100微米。
【文檔編號(hào)】H01L29/08GK106024875SQ201610570715
【公開(kāi)日】2016年10月12日
【申請(qǐng)日】2016年7月19日
【發(fā)明人】孫偉鋒, 黃薛佺, 張龍, 祝靖, 陸生禮, 時(shí)龍興
【申請(qǐng)人】東南大學(xué)