P沟道注入效率增强型绝缘栅双极型晶体管的制作方法
【专利摘要】P沟道注入效率增强型绝缘栅双极型晶体管，属于功率半导体器件【技术领域】，本发明是在传统SOI-LIGBT器件结构基础上，在多晶硅栅下方分别引入第一N型体区和P型体区。在正向导通时，高的N型体区掺杂浓度或厚度，抬高了电子的势垒，增强了发射极附近载流子的浓度，从而获得更好的载流子分布，降低了器件的正向导通压降并获得了更好的正向导通压降和关断损耗的折中关系，同时提高了器件的饱和电流能力。在正向阻断时，多晶硅栅相当于一个场板，导致器件耐压由第一N型体区与P型外延层耗尽决定，因此P型体区浓度可以大幅提高，且不会影响器件的耐压。
【专利说明】P沟道注入效率增强型绝缘栅双极型晶体管
【技术领域】
[0001]本发明主要涉及功率半导体器件【技术领域】，具体来说，是P沟道注入效率增强型绝缘栅双极型晶体管，特别适用于功率集成电路如变频调速、电力牵引、变频家电、半桥驱动电路以及汽车生产领域等驱动芯片。
【背景技术】
[0002]当前，随着现代化和信息化时代的发展，高压集成电路的发展越来越迅速，工艺技术也在不断提高,在这种形势下绝缘体上娃(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，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。绝缘体上硅横向绝缘栅双极型晶体管(SO1-LateralInsulated Gate Bipolar Transistor, S01-LIGBT)是一种典型的基于 SOI 工艺的器件，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。由于S01-LIGBT用作功率集成电路中的功率开关管，其功率损耗决定了整个系统的损耗,并且其面积也占据了整个功率集成电路芯片很大一部分,面积大会使功率集成电路制造成本偏高。因此，降低S01-LIGBT功率损耗、减小S01-LIGBT面积是其主要发展方向，对功率集成电路的设计具有十分重要的意义。
【发明内容】
[0003]本发明针对上述问题，提出了一种P沟道注入效率增强型绝缘栅双极型晶体管。该结构可以显著降低器件的正向导通压降、提高器件的电流能力、减小芯片面积，并且不会影响器件的耐压。
[0004]本发明提供如下技术方案:
[0005]一种P沟道注入效率增强型绝缘栅双极型晶体管，包括:N型衬底，在N型衬底上设有埋氧，在埋氧上设有P型外延层，在P型外延层的内部设有P型缓冲阱和第二 N型体区，在P型缓冲阱内设有N型集电极区，在第二 N型体区中设有重掺杂N型发射极区和P型发射极区，在P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P型发射极区延伸并止于P型缓冲阱，所述场氧化层的另一端向N型集电极区延伸并止于N型集电极区，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上表面，在场氧化层、P型发射极区、第二N型体区、多晶硅栅、N型集电极区和P型缓冲阱表面设有钝化层，在N型集电极区表面连接有第一金属层，在多晶硅栅表面连接有第二金属层，在重掺杂N型发射极区和P型发射极区表面连接有第三金属层，其特征在于，在P型外延层的内部设有第一 N型体区和P型体区，并且，所述第二 N型体区位于P型体区上方且所述第二 N型体区被P型体区包围，所述第一 N型体区位于多晶硅栅的下方，所述第一 N型体区的一个边界与P型体区的一个边界相抵触。进一步地，第一 N型体区与埋氧的边界可以相连或不相连；第一N型体区与栅氧化层的边界可以相连或不相连；第一N型体区4不与第二 N型体区5相连，第一 N型体区4不与场氧化层12相连；当第一 N型体区4与栅氧化层9的下边界相连时，第一 N型体区4的浓度低于第二 N型体区5的浓度。
[0006]与现有技术相比，本发明具有如下优点:
[0007]本发明提供了一种P沟道注入效率增强型绝缘栅双极型晶体管。该器件结构是在传统S01-LIGBT器件结构的基础上，在器件栅极下方引入第一 N型体区。在器件正向导通时，高的P型体区掺杂浓度或厚度，抬高了电子的势垒，增强了发射极附近载流子的浓度，从而获得更好的载流子分布，以降低器件的正向饱和压降并获得更好的正向导通压降和关断损耗的折中。在正向阻断时，多晶硅栅接低电位，相当于一个场板，使栅下方的P型外延层表面耗尽，当耗尽层展宽、与第一 N型体区接触时，第一 N型体区的电子可以通过耗尽层流向发射极，第一 N型体区与P型外延层耗尽耐压，而第一 N型体区与第二 N型体区之间的P型体区并不参与耗尽耐压，因此P型体区浓度可以大幅提高，并且不会影响器件的耐压。
[0008]本发明器件不仅降低了线性区的正向导通压降，而且还提高了饱和区的电流能力，饱和区电流能力约为一般结构的2倍，这就可以有效减小芯片面积，降低芯片制造成本。
【专利附图】
【附图说明】
[0009]图1所示为传统P沟道绝缘体上硅横向绝缘栅双极型晶体管的器件剖面结构图。
[0010]图2所示为本发明改进后的P沟道注入效率增强型绝缘栅双极型晶体管的器件剖面结构图。
[0011]图3是本发明器件与传统器件的正向1-V曲线对比图，从图中可以明显看出，改进后的器件具有较低的正向导通压降和较高的饱和电流能力。
[0012]图4是本发明器件和传统器件的击穿电压比较图，可以看出改进后的结构并没有影响器件的耐压。
[0013]图5是本发明器件和传统器件的关断损耗与饱和压降的折中关系对比图，可以看出改进后的结构明显改善了关断损耗与饱和压降的折中关系。
[0014]图6是本发明器件和传统器件的导通过程中电子浓度分布对比图，可以看出改进后的结构导通状态下内部电子浓度明显高于传统器件，因此其具有较低的正向导通压降和较高的饱和电流能力。
【具体实施方式】
[0015]下面结合图2，对本发明做详细说明，一种P沟道注入效率增强型绝缘栅双极型晶体管，包括:N型衬底1，在N型衬底I上设有埋氧2，在埋氧2上设有P型外延层3，在P型外延层3的内部设有P型缓冲阱14和第二 N型体区5，在P型缓冲阱14内设有N型集电极区13，在第二 N型体区5中设有重掺杂N型发射极区18和P型发射极区6，在P型外延层3的表面设有栅氧化层9和场氧化层12且栅氧化层9的一端和场氧化层12的一端相抵，所述栅氧化层9的另一端向P型发射极区6延伸并止于P型发射极区6，所述场氧化层12的另一端向N型集电极区13延伸并止于P型缓冲阱14，在栅氧化层9的表面设有多晶硅栅10且多晶硅栅10延伸至场氧化层12的上表面，在场氧化层12、P型发射极区6、第二 N型体区5、多晶硅栅10、N型集电极区13和P型缓冲阱14表面设有钝化层8，在N型集电极区13表面连接有第一金属层15,在多晶娃栅10表面连接有第二金属层11，在重掺杂N型发射极区18和P型发射极区6表面连接有第三金属层7，其特征在于，在P型外延层3的内部设有第一 N型体区4和P型体区16，并且，所述第二 N型体区5位于P型体区16上方且所述第二 N型体区5被P型体区16包围，所述第一 N型体区4位于多晶硅栅10的下方，所述第一 N型体区10的一个边界与P型体区16的一个边界相接触。
[0016]所述的第一 N型体区4与埋氧2的边界可以相连或不相连；第一 N型体区4与栅氧化层9的边界可以相连或不相连?’第一 N型体区4不与第二 N型体区5相连，第一 N型体区4不与场氧化层12相连；当第一 N型体区4与栅氧化层9相连时，第一 N型体区4的浓度低于第二 N型体区5的浓度。
[0017]下面结合附图对本发明进行进一步说明。
[0018]本发明的工作原理:
[0019]S01-LIGBT的正向导通压降Vf = VdmeJUVpn，其中Vehannel为沟道压降，VdHft为漂移区压降，Vpn为结导通压降。VdHft为影响正向导通压降的主要因素，可以用PiN 二极管
模型近似为
【权利要求】
1.一种P沟道注入效率增强型绝缘栅双极型晶体管，包括:N型衬底(I)，在N型衬底(I)上设有埋氧(2)，在埋氧(2)上设有P型外延层(3)，在P型外延层(3)的内部设有P型缓冲阱(14)和第二 N型体区(5)，在P型缓冲阱(14)内设有N型集电极区(13)，在第二 N型体区(5)中设有重掺杂N型发射极区(18)和P型发射极区(6)，在P型外延层(3)的表面设有栅氧化层(9)和场氧化层(12)且栅氧化层(9)的一端和场氧化层(12)的一端相抵，所述栅氧化层(9)的另一端向P型发射极区(6)延伸并止于P型发射极区(6)，所述场氧化层(12)的另一端向N型集电极区(13)延伸并止于P型缓冲阱(14)，在栅氧化层(9)的表面设有多晶硅栅(10)且多晶硅栅(10)延伸至场氧化层(12)的上表面，在场氧化层(12)、P型发射极区(6)、第二 N型体区(5)、多晶硅栅(10)、N型集电极区(13)和P型缓冲阱(14)表面设有钝化层(8)，在N型集电极区(13)表面连接有第一金属层(15)，在多晶硅栅(10)表面连接有第二金属层(11)，在重掺杂N型发射极区(18)和P型发射极区(6)表面连接有第三金属层(7)，其特征在于，在P型外延层(3)的内部设有第一 N型体区(4)和P型体区(16)，并且，所述第二 N型体区(5)位于P型体区(16)上方且所述第二 N型体区(5)被P型体区(16)包围，所述第一 N型体区(4)位于多晶硅栅(10)的下方，所述第一 N型体区(10)的一个边界与P型体区(16)的一个边界相接触。
2.根据权利要求1所述的P沟道注入效率增强型绝缘栅双极型晶体管，其特征在于，第一 N型体区(4)与埋氧(2)的边界可以相连或不相连；第一 N型体区(4)与栅氧化层(9)的边界可以相连或不相连。
3.根据权利要求1所述的P沟道注入效率增强型绝缘栅双极型晶体管，其特征在于第一 N型体区(4)不与第二 N型体区(5)相连，第一 N型体区(4)不与场氧化层(12)相连。
4.根据权利要求2所述的P沟道注入效率增强型绝缘栅双极型晶体管，当第一N型体区(4)与栅氧化层(9)的下`边界相连时，第一 N型体区(4)的浓度低于第二 N型体区(5)的浓度。
【文档编号】H01L29/739GK103779404SQ201410035881
【公开日】2014年5月7日 申请日期:2014年1月24日 优先权日:2014年1月24日
【发明者】孙伟锋, 杨卓, 陈健, 郭超, 祝靖, 陆生礼, 时龙兴 申请人:东南大学