專(zhuān)利名稱(chēng)：絕緣體上硅的橫向絕緣柵雙極晶體管及工藝制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于集成電路技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種橫向高壓功率器件的工藝制作方法，更
具體的說(shuō)，是關(guān)于一種具有絕緣體上硅的橫向絕緣柵雙極晶體管及工藝制作方法。
背景技術(shù)：
絕緣柵雙極晶體管(IGBT)是一種具有金屬氧化物半導(dǎo)體(MOS)晶體管的絕緣柵結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)以及具有雙極晶體管的高電流密度優(yōu)點(diǎn)的器件，它是一種能用于有效地降低傳統(tǒng)的功率MOSFET(金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管)的導(dǎo)電損耗的功率半導(dǎo)體器件。
為了能夠和其它半導(dǎo)體器件集成，橫向絕緣柵雙極晶體管(LateralI固latedGate Bipolar Transistor,簡(jiǎn)稱(chēng)LIGBT)得到了廣泛的關(guān)注和迅速的發(fā)展，同樣，這種器件具有輸入阻抗高、高耐壓、開(kāi)態(tài)電流能力強(qiáng)、開(kāi)關(guān)頻率高等優(yōu)點(diǎn)。絕緣體上硅(Silicon On Insulator,簡(jiǎn)稱(chēng)SOI)技術(shù)以其理想的全介質(zhì)隔離性能、相對(duì)簡(jiǎn)單的隔離工藝、顯著減弱的縱向寄生效應(yīng)，使其速度高、功耗低、耐高溫運(yùn)行，便于多器件、高密度、小型化和三維智能功率集成，而且與互補(bǔ)金屬-氧化物-半導(dǎo)體(CMOS)超大規(guī)模集成電路(VLSI)制造工藝相兼容而倍受矚目。因此將SOI技術(shù)用于制造LIGBT，所形成的絕緣體上硅橫向絕緣雙極型晶體管(簡(jiǎn)稱(chēng)SOI-LIGBT)具有隔離性能好、漏電流小和擊穿電壓高等優(yōu)點(diǎn)，發(fā)展?jié)摿薮?。如今S0I-LIGBT的制作技術(shù)水平越來(lái)越成熟，應(yīng)用范圍也越來(lái)越廣。
為了進(jìn)一步提高SOI-LIGBT的擊穿電壓，改進(jìn)的結(jié)構(gòu)會(huì)采用延長(zhǎng)多晶硅柵的長(zhǎng)度，使其覆蓋二階場(chǎng)氧化層從而形成二階場(chǎng)板結(jié)構(gòu)的方法，這種方法起到了一定的效果，在相關(guān)技術(shù)中，二階場(chǎng)氧化層的形成是直接通過(guò)熱氧化生長(zhǎng)，然后經(jīng)過(guò)刻蝕工藝形成的，但是這種工藝制作過(guò)程的"吃硅"現(xiàn)象很?chē)?yán)重，影響漂移區(qū)的表面的形貌和濃度分布。同時(shí)，為了防止SOI-LIGBT在陽(yáng)極發(fā)生穿通現(xiàn)象，改進(jìn)的結(jié)構(gòu)會(huì)在N型摻雜漂移區(qū)6中左側(cè)設(shè)有N型摻雜緩沖區(qū)8 (如圖1所示)，在相關(guān)技術(shù)中，N型摻雜緩沖區(qū)的形成是在形成P型摻雜陽(yáng)極接觸區(qū)域9之前通過(guò)離子注入，然后退火完成的，但是這種工藝制作方法無(wú)法準(zhǔn)確的控制N型摻雜緩沖區(qū)的深度和濃度分布情況。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種在不增加工藝難度和成本的前提下，完成SOI-LIGBT中二階場(chǎng)氧化層和N型摻雜緩沖區(qū)的制備的工藝制造方法。
本發(fā)明采用如下技術(shù)方案 —種絕緣體上硅的橫向絕緣柵雙極晶體管，包括P型摻雜半導(dǎo)體襯底，在P型摻雜半導(dǎo)體襯底上面設(shè)有埋氧層，在埋氧層上設(shè)有P型摻雜外延層，在P型摻雜外延層的左側(cè)設(shè)有N型摻雜深阱區(qū)，在P型摻雜外延層的右側(cè)設(shè)有P型摻雜深阱區(qū)，在N型摻雜深阱區(qū)和部分P型摻雜外延層的上方設(shè)有N型摻雜漂移區(qū)，在P型摻雜深阱區(qū)和部分P型摻雜外延層的上方設(shè)有P型摻雜半導(dǎo)體區(qū)。在N型摻雜漂移區(qū)中左側(cè)設(shè)有N型摻雜緩沖區(qū)，在N型摻雜緩沖區(qū)中設(shè)有P型摻雜陽(yáng)極接觸區(qū)域，在P型摻雜半導(dǎo)體區(qū)中設(shè)有N型摻雜陰極接觸區(qū)域和P型摻雜體接觸區(qū)，在部分N型摻雜漂移區(qū)和部分P型摻雜半導(dǎo)體區(qū)的上方設(shè)有柵
氧化層，在部分N型摻雜漂移區(qū)的上方設(shè)有二階場(chǎng)氧化層，在P型摻雜陽(yáng)極接觸區(qū)域的上方
設(shè)有金屬層，構(gòu)成了絕緣體上硅的橫向絕緣柵雙極晶體管的陽(yáng)極金屬電極，在P型摻雜體
接觸區(qū)和部分N型摻雜陰極接觸區(qū)域的上方設(shè)有金屬層，構(gòu)成了絕緣體上硅的橫向絕緣柵
雙極晶體管的陰極金屬電極，在柵氧化層的上方設(shè)有多晶硅，并且多晶硅的左端延伸到二
階場(chǎng)氧化層的上方構(gòu)成二階多晶硅場(chǎng)板結(jié)構(gòu)。 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn) (1)該絕緣體上硅的橫向絕緣柵雙極晶體管結(jié)構(gòu)的二階場(chǎng)氧化層是通過(guò)先淀積氧化層，在刻蝕工藝之后采用熱生長(zhǎng)工藝生成的。由于在熱生長(zhǎng)過(guò)程之前，在絕緣體上硅的橫向絕緣柵雙極晶體管漂移區(qū)的表面有一層淀積的氧化層，因此在熱生長(zhǎng)過(guò)程中漂移區(qū)上方的"吃硅"現(xiàn)象和"吸硼排磷"現(xiàn)象得到了抑制，從而二階場(chǎng)氧化層的生長(zhǎng)幾乎不影響漂移區(qū)表面的濃度。 (2)本發(fā)明結(jié)構(gòu)采用的N型摻雜緩沖區(qū)是通過(guò)場(chǎng)氧化層自對(duì)準(zhǔn)，用高能離子注入形成的。從而使得N型摻雜緩沖區(qū)的深度和濃度分布的調(diào)節(jié)通過(guò)改變高能離子注入能量和注入劑量來(lái)控制。 (3)本發(fā)明生成的是二階場(chǎng)氧結(jié)構(gòu)和二階的場(chǎng)板結(jié)構(gòu)，從而增大了絕緣體上硅的橫向絕緣柵雙極晶體管的橫向擊穿電壓。


圖1是本發(fā)明的絕緣體上硅的橫向絕緣柵雙極晶體管的一實(shí)施例的剖面圖。
圖2-圖4是本發(fā)明的絕緣體上硅的橫向絕緣柵雙極晶體管的二階場(chǎng)氧的工藝制造流程示意圖 圖5是本發(fā)明的絕緣體上硅的橫向絕緣柵雙極晶體管的N型緩沖區(qū)的工藝制造流程示意圖
具體實(shí)施例方式
參照?qǐng)Dl，絕緣體上硅的橫向絕緣柵雙極晶體管，包括P型摻雜半導(dǎo)體襯底l，在P型摻雜半導(dǎo)體襯底1上面設(shè)有埋氧層2，在埋氧層2上設(shè)有P型摻雜外延層3，在P型摻雜外延層3的左側(cè)設(shè)有N型摻雜深阱區(qū)4，在P型摻雜外延層3的右側(cè)設(shè)有P型摻雜深阱區(qū)5，在N型摻雜深阱區(qū)4和部分P型摻雜外延層3的上方設(shè)有N型摻雜漂移區(qū)6，在P型摻雜深阱區(qū)5和部分P型摻雜外延層3的上方設(shè)有P型摻雜半導(dǎo)體區(qū)7。在N型摻雜漂移區(qū)6中左側(cè)設(shè)有N型摻雜緩沖區(qū)8，在N型摻雜緩沖區(qū)8中設(shè)有P型摻雜陽(yáng)極接觸區(qū)域9，在P型摻雜半導(dǎo)體區(qū)7中設(shè)有N型摻雜陰極接觸區(qū)域10和P型摻雜體接觸區(qū)ll，在部分N型摻雜漂移區(qū)6和部分P型摻雜半導(dǎo)體區(qū)7的上方設(shè)有柵氧化層12，在部分N型摻雜漂移區(qū)6的上方設(shè)有二階場(chǎng)氧化層13，在P型摻雜陽(yáng)極接觸區(qū)域9的上方設(shè)有金屬層15，構(gòu)成了絕緣體上硅的橫向絕緣柵雙極晶體管的陽(yáng)極金屬電極，在P型摻雜體接觸區(qū)11和部分N型摻雜陰極接觸區(qū)域10的上方設(shè)有金屬層14，構(gòu)成了絕緣體上硅的橫向絕緣柵雙極晶體管的陰極金屬電極，在柵氧化層12的上方設(shè)有多晶硅16，并且多晶硅16的左端延伸到二階場(chǎng)氧化層13的上方構(gòu)成二階多晶硅場(chǎng)板結(jié)構(gòu)。
4
在本實(shí)施例中 所述的二階場(chǎng)氧化層13是用先淀積氧化層、刻蝕氧化層，然后用熱生長(zhǎng)氧化層工 藝制造的； 所述的N型摻雜緩沖區(qū)8是通過(guò)二階場(chǎng)氧化層13的自對(duì)準(zhǔn)，用高能離子注入形成 的； 所述的N型摻雜緩沖區(qū)8的深度和濃度分布分別是由高能離子注入的能量和離子 注入劑量決定的； 所述的二階場(chǎng)氧化層13的階梯的厚度主要是有氧化層淀積工藝參數(shù)決定的。
所述的二階場(chǎng)氧化層13的坡度主要是由場(chǎng)氧化層的刻蝕工藝參數(shù)決定的。
本發(fā)明采用如下方法來(lái)制備 1 、取一塊P型絕緣體上硅片，外延生長(zhǎng)P型外延層，形成P型摻雜外延層3，然后采 用離子注入和后續(xù)的退火工藝形成N型摻雜深阱區(qū)4和P型摻雜深阱區(qū)5 ;
2、采用離子注入工藝形成低濃度N型摻雜漂移區(qū)6， P型摻雜半導(dǎo)體區(qū)7，然后生長(zhǎng) 柵氧化層12和二階場(chǎng)氧化層13，接著淀積多晶硅，并進(jìn)行刻蝕形成多晶硅柵和二階場(chǎng)板， 然后離子注入形成P型摻雜陽(yáng)極接觸區(qū)域9， N型摻雜陰極接觸區(qū)域10和P型摻雜體接觸 區(qū)11。 3、采用高能離子注入和短時(shí)間退火形成N型摻雜緩沖區(qū)8。 4、經(jīng)過(guò)淀積鋁和刻蝕鋁工藝，形成金屬層14和金屬層15，其中金屬層15作為絕緣 體上硅的橫向絕緣柵雙極晶體管的陽(yáng)極，金屬層14作為絕緣體上硅的橫向絕緣柵雙極晶 體管的陰極。最后進(jìn)行后續(xù)鈍化處理。 參照?qǐng)D2-圖4，這是本發(fā)明的二階場(chǎng)板工藝制造流程示意圖，首先在硅的表面淀 積一層氧化層101，然后經(jīng)過(guò)刻蝕形成氧化層102，并且在不需要生長(zhǎng)場(chǎng)氧化層的位置淀積 氮化硅103，然后經(jīng)過(guò)熱生長(zhǎng)工藝生長(zhǎng)出完整的二階場(chǎng)氧化層結(jié)構(gòu)13，最后將氮化硅刻蝕掉。 參照?qǐng)D5，這是本發(fā)明的N型緩沖區(qū)的工藝制造流程示意圖，運(yùn)用二階場(chǎng)氧化層最 為掩膜版，進(jìn)行磷離子高能注入，在II區(qū)由于有氧化層的阻擋，注入深度較淺，在I區(qū)沒(méi)有 氧化層的阻擋，注入深度較深。
背景技術(shù)：
集成結(jié)構(gòu)工藝的不斷發(fā)展，集成結(jié)構(gòu)的特征尺寸逐漸減小，諸如短?hào)砰L(zhǎng)、薄柵氧化 層、淺結(jié)深、漏區(qū)輕摻雜以硅化物摻雜等先進(jìn)工藝，在提高集成結(jié)構(gòu)性能和集成度的同時(shí)卻 造成內(nèi)部結(jié)構(gòu)在靜電泄放ESD沖擊來(lái)臨時(shí)更容易被損壞。據(jù)統(tǒng)計(jì)，每年半導(dǎo)體工業(yè)因?yàn)镋SD 造成的經(jīng)濟(jì)損失以數(shù)十億美元計(jì)。因此，在每一個(gè)輸出入端口處設(shè)置ESD防護(hù)結(jié)構(gòu)便成為 預(yù)防ESD應(yīng)力對(duì)柵氧化層造成損害的有效辦法之一。 ESD保護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)目的就是要避免工作結(jié)構(gòu)成為ESD的放電通路而遭到損害， 保證在任意兩芯片引腳之間發(fā)生的ESD，都有適合的低阻旁路將ESD電流引入電源線。這個(gè) 低阻旁路不但要能吸收ESD電流，還要能鉗位工作結(jié)構(gòu)的電壓，防止工作結(jié)構(gòu)由于電壓過(guò) 載而受損。這條結(jié)構(gòu)通路還需要有很好的工作穩(wěn)定性，能在ESD發(fā)生時(shí)快速響應(yīng)，而且還不 能對(duì)芯片正常工作結(jié)構(gòu)有影響。。為了在各個(gè)階段都能有效保護(hù)芯片，人們采用多種片上防靜電保護(hù)器件。常用的保護(hù)器件結(jié)構(gòu)有二極管、雙極型三極管、柵接地NMOS管(GGNMOS)和 可控硅整流器件(SCR)等。利用SCR對(duì)于防止ESD是一種理想的解決方案。
SCR對(duì)于ESD靜電保護(hù)是非常有吸引力的器件，在一個(gè)相對(duì)小的維持電壓下，它本 身的再生反饋機(jī)制導(dǎo)致回滯特性，這減小了 ESD事件發(fā)生時(shí)SCR的功耗，另外SCR的魯棒性 比其他的二極管和GGNMOS好。 當(dāng)SCR應(yīng)用于ESD保護(hù)時(shí)，小的維持電壓會(huì)帶來(lái)許多問(wèn)題，特別是電源鉗位結(jié)構(gòu)。 這是因?yàn)楫?dāng)結(jié)構(gòu)正常工作時(shí)，小的維持電壓會(huì)允許SCR保持觸發(fā)狀態(tài)之后的在低阻抗?fàn)?態(tài)，這種現(xiàn)象為ESD事件引起的閂鎖(ESD-induced latch up)。因?yàn)榫S持電壓小于電源電 壓，它需要增加維持電壓大于電源電壓來(lái)避免這種風(fēng)險(xiǎn)。 在相關(guān)的技術(shù)中，有人提出通過(guò)增加陽(yáng)極和陰極的距離來(lái)增大維持電壓以防止閂 鎖的發(fā)生，但這樣會(huì)增大器件的尺寸。還有人提出了在版圖中減小P+摻雜區(qū)的面積，來(lái)減 小發(fā)射效率從而增加維持電壓，但這減小了二次熱擊穿失效電流。
權(quán)利要求
一種絕緣體上硅的橫向絕緣柵雙極晶體管，包括P型摻雜半導(dǎo)體襯底(1)，在所述P型摻雜半導(dǎo)體襯底(1)上面設(shè)有埋氧層(2)，在所述埋氧層(2)上設(shè)有P型摻雜外延層(3)，在所述P型摻雜外延層(3)的左側(cè)設(shè)有N型摻雜深阱區(qū)(4)，在所述P型摻雜外延層(3)的右側(cè)設(shè)有P型摻雜深阱區(qū)(5)，在所述N型摻雜深阱區(qū)(4)和部分所述P型摻雜外延層(3)的上方設(shè)有N型摻雜漂移區(qū)(6)，在所述P型摻雜深阱區(qū)(5)和部分所述P型摻雜外延層(3)的上方設(shè)有P型摻雜半導(dǎo)體區(qū)(7)，在所述N型摻雜漂移區(qū)(6)中左側(cè)設(shè)有N型摻雜緩沖區(qū)(8)，在所述N型摻雜緩沖區(qū)(8)中設(shè)有P型摻雜陽(yáng)極接觸區(qū)域(9)，在所述P型摻雜半導(dǎo)體區(qū)(7)中設(shè)有N型摻雜陰極接觸區(qū)域(10)和P型摻雜體接觸區(qū)(11)，在部分所述N型摻雜漂移區(qū)(6)和部分所述P型摻雜半導(dǎo)體區(qū)(7)的上方設(shè)有柵氧化層(12)，在部分所述N型摻雜漂移區(qū)(6)的上方設(shè)有二階場(chǎng)氧化層(13)，其特征在于，在所述P型摻雜陽(yáng)極接觸區(qū)域(9)的上方設(shè)有金屬層(15)，構(gòu)成了所述絕緣體上硅的橫向絕緣柵雙極晶體管的陽(yáng)極金屬電極，在所述P型摻雜體接觸區(qū)(11)和部分所述N型摻雜陰極接觸區(qū)域(10)的上方設(shè)有金屬層(14)，構(gòu)成了絕緣體上硅的橫向絕緣柵雙極晶體管的陰極金屬電極，在柵氧化層(12)的上方設(shè)有多晶硅(16)，并且多晶硅(16)的左端延伸到二階場(chǎng)氧化層(13)的上方構(gòu)成二階多晶硅場(chǎng)板結(jié)構(gòu)。
2. —種用于如權(quán)利要求1所述的一種絕緣體上硅的橫向絕緣柵雙極晶體管的制造方法，包括如下步驟1) 取一塊P型絕緣體上硅片，外延生長(zhǎng)P型外延層，形成所述P型摻雜外延層(3)，然后采用離子注入和后續(xù)的退火工藝形成所述N型摻雜深阱區(qū)(4)和所述P型摻雜深阱區(qū)(5);2) 采用離子注入工藝形成所述低濃度N型摻雜漂移區(qū)(6)，所述P型摻雜半導(dǎo)體區(qū)(7)，然后生長(zhǎng)所述柵氧化層(12)和所述二階場(chǎng)氧化層(13)，接著淀積多晶硅，并進(jìn)行刻蝕形成多晶硅柵和二階場(chǎng)板，然后離子注入形成所述P型摻雜陽(yáng)極接觸區(qū)域(9)，所述N型摻雜陰極接觸區(qū)域(10)和所述P型摻雜體接觸區(qū)(11)。3) 采用高能離子注入和短時(shí)間退火形成所述N型摻雜緩沖區(qū)(8)。4) 經(jīng)過(guò)淀積鋁和刻蝕鋁工藝，形成所述金屬層(14)和所述金屬層(15)，最后進(jìn)行后續(xù)鈍化處理。其特征在于，所述二階場(chǎng)氧化層(13)是經(jīng)過(guò)淀積氧化層、刻蝕氧化層，最后用熱生長(zhǎng)氧化層工藝制造的，并且所述N型摻雜緩沖區(qū)(8)是利用二階場(chǎng)氧化層(13)的自對(duì)準(zhǔn)方法，采用高能離子注入工藝形成的。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的絕緣體上硅的橫向絕緣柵雙極晶體管的制造方法，其特征在于，所述二階場(chǎng)氧化層(13)的階梯的厚度是由氧化層淀積工藝控制的。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的絕緣體上硅的橫向絕緣柵雙極晶體管的制造方法，其特征在于，所述二階場(chǎng)氧化層(13)的階梯的坡度是由氧化層的刻蝕工藝控制的。
5. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的絕緣體上硅的橫向絕緣柵雙極晶體管的制造方法，其特征在于，所述N型摻雜緩沖區(qū)(8)的深度是由高能離子注入的能量決定的。
6. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的絕緣體上硅的橫向絕緣柵雙極晶體管的制造方法，其特征在于，所述N型摻雜緩沖區(qū)(8)中的濃度分布是由高能離子注入的劑量和后序的退火工藝共同決定的。
全文摘要
一種高壓絕緣體上硅的橫向絕緣柵雙極晶體管的工藝制造方法，包括P型摻雜半導(dǎo)體襯底，在P型摻雜半導(dǎo)體襯底上面設(shè)有埋氧層，在氧化層上設(shè)有N型漂移區(qū)，該絕緣體上硅的橫向絕緣柵雙極晶體管的場(chǎng)氧化層屬于二階場(chǎng)氧化層，柵極延伸至場(chǎng)氧化層上方形成的場(chǎng)板是二階場(chǎng)板。二階場(chǎng)氧化層的形成是用先淀積氧化層，經(jīng)過(guò)刻蝕和熱生長(zhǎng)形成的。N型摻雜緩沖區(qū)是通過(guò)二階場(chǎng)氧化層自對(duì)準(zhǔn)用高能離子注入形成的。
文檔編號(hào)H01L21/02GK101764150SQ20091021276
公開(kāi)日2010年6月30日 申請(qǐng)日期2009年11月9日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月9日
發(fā)明者劉俠, 易揚(yáng)波, 李海松, 王欽, 陳文高, 陶平 申請(qǐng)人:蘇州博創(chuàng)集成電路設(shè)計(jì)有限公司