一種橫向溝槽絕緣柵雙極型晶體管及其制備方法
【專利摘要】一種橫向溝槽絕緣柵雙極型晶體管及其制備方法。該結(jié)構(gòu)包括：P型襯底，埋氧層，漂移區(qū)，在漂移區(qū)一側(cè)設(shè)有深溝槽柵，深P型體區(qū)，深P型體區(qū)內(nèi)設(shè)有相連的向漂移區(qū)內(nèi)延伸止于BOX層的深P型發(fā)射極區(qū)、深N型發(fā)射極區(qū)，在相連的深P型發(fā)射極區(qū)、深N型發(fā)射極區(qū)上方設(shè)有發(fā)射極金屬，另一側(cè)設(shè)有N型緩沖層和P型集電極區(qū)，在P型集電區(qū)上方設(shè)有集電極金屬，該半導(dǎo)體制備方法包括：襯底，埋氧層，N型外延層的制備，用深槽工藝結(jié)合多次外延多次高濃度離子注入工藝形成N型發(fā)射極、P型體區(qū)和P型發(fā)射極，用高濃度離子注入工藝形成N型緩沖層和P型集電極區(qū)，用槽柵工藝制造成多晶硅柵，打孔、淀積鋁形成電極。
【專利說明】一種橫向溝槽絕緣柵雙極型晶體管及其制備方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明主要涉及功率半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)【技術(shù)領(lǐng)域】，具體來說，特別適用于大功率集成電 路如變頻調(diào)速、高壓輸電、電力牽引、變頻家電、半橋驅(qū)動電路以及汽車生產(chǎn)等領(lǐng)域。

【背景技術(shù)】
[0002] 絕緣柵雙極型晶體管是M0S柵結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)與雙極型晶體管結(jié)構(gòu)相結(jié)合進化而成 的復(fù)合型功率結(jié)構(gòu)，它完美結(jié)合了 M0S管開關(guān)速度快和雙極型晶體管電流能力強的優(yōu) 點，已廣泛運用于變頻家電、感應(yīng)加熱、工業(yè)變頻、光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、機車牽引等領(lǐng)域。 其中，絕緣體上娃橫向絕緣柵雙極型晶體管（SOI-Lateral Insulated Gate Bipolar Transistor，SOI-LIGBT)是一種典型的基于SOI工藝的結(jié)構(gòu)，具有易于集成、耐壓高、驅(qū)動 電流能力強、開關(guān)速度快等優(yōu)點，在功率集成電路中得到了廣泛應(yīng)用。
[0003] 隨著IGBT應(yīng)用的普及，對其性能的要求也日益苛刻，不同應(yīng)用領(lǐng)域?qū)ζ湫枨笠?逐漸分化，這就促使我們在現(xiàn)有結(jié)構(gòu)上對其進行更進一步的優(yōu)化，使其更進一步的適應(yīng)不 同的領(lǐng)域。傳統(tǒng)的橫向S0I-LIGBT雖然具有易集成等優(yōu)勢，但是其為表面型結(jié)構(gòu)，電子在結(jié) 構(gòu)表面的遷移率較低，所以電流密度較低，在保證結(jié)構(gòu)耐壓的條件下，難以獲得較高的電流 驅(qū)動能力，極大地限制了其在大功率集成電路中的應(yīng)用。
[0004] 橫向溝槽絕緣柵雙極型晶體管（普通溝槽柵型LIGBT)的出現(xiàn)，使LIGBT的電流能 力得到了較大的提升，但是由于其存儲的載流子較多，且空穴在關(guān)斷時需要繞過溝槽，所以 其關(guān)斷速度較慢，關(guān)斷損耗較大，其在大功率集成電路中的應(yīng)用也受到了限制。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明針對上述問題，提出了一種橫向溝槽絕緣柵雙極型晶體管及其制備方法， 本發(fā)明結(jié)構(gòu)可以大大增加提高結(jié)構(gòu)的電流能力，顯著減小結(jié)構(gòu)的正向?qū)▔航担⑶姨岣?器件關(guān)斷速度，實現(xiàn)器件正向?qū)▔航岛完P(guān)斷損耗之間的良好折中。
[0006] 本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：
[0007] -種橫向溝槽絕緣柵雙極型晶體管，包括：P型襯底，在P型襯底上設(shè)有埋氧層，在 埋氧層上設(shè)有N型漂移區(qū)，在N型漂移區(qū)的上表面上方設(shè)有氧化層，在N型漂移區(qū)的上表面 下方設(shè)有多晶硅柵、P型體區(qū)和N型緩沖層，在P型體區(qū)內(nèi)設(shè)有發(fā)射極區(qū)，在發(fā)射極區(qū)上設(shè)有 發(fā)射極鋁電極，在N型緩沖層內(nèi)設(shè)有P型集電極區(qū)，在P型集電極區(qū)上設(shè)有集電極鋁電極， 并且，所述N型緩沖層和P型集電極區(qū)位于N型漂移區(qū)的一側(cè)，所述P型體區(qū)和發(fā)射極區(qū)位 于N型漂移區(qū)的另一側(cè)，其特征在于，所述多晶硅柵貫穿N型漂移區(qū)且始于N型漂移區(qū)的上 表面并止于埋氧層，在多晶硅柵的外周面上設(shè)有一層?xùn)叛趸瘜忧覗叛趸瘜訉⒍嗑Ч钖艊?其內(nèi)，所述P型體區(qū)始于N型漂移區(qū)的上表面并止于埋氧層，P型體區(qū)在N型漂移區(qū)的上表 面上的形狀呈現(xiàn)閉合，且P型體區(qū)貫穿N型漂移區(qū)并始于N型漂移區(qū)的上表面、止于埋氧 層，位于P型體區(qū)內(nèi)的發(fā)射極區(qū)由P型發(fā)射極及分別位于P型發(fā)射極兩側(cè)的第一 N型發(fā)射 極和第二N型發(fā)射極組成，所述所述第一 N型發(fā)射極、第二N型發(fā)射極和P型發(fā)射極貫穿N 型漂移區(qū)且始于N型漂移區(qū)的上表面并止于埋氧層，所述柵氧化層及其內(nèi)的多晶硅柵橫向 切入第一 N型發(fā)射極、第二N型發(fā)射極、P型發(fā)射極和P型體區(qū)內(nèi)并將第一 N型發(fā)射極、第 二N型發(fā)射極、P型發(fā)射極和P型體區(qū)分隔成兩部分，多晶硅柵底部到埋氧層上表面之間 的距離介于Oum到30um之間，P型體區(qū)的底部到埋氧層上表面之間的距離介于Oum到30um 之間，第一N型發(fā)射極和第二N型發(fā)射極的底部和P型發(fā)射極的底部到埋氧層上表面之間 的距離介于Oum到30um之間，P型體區(qū)的各外側(cè)邊界到與P型體區(qū)的外側(cè)邊界所對應(yīng)的N 型緩沖層的元胞邊界的距離分別為3um到30um之間，所述橫向溝槽絕緣柵雙極型晶體管 的制備方法，包括以下步驟：P型襯底、埋氧層的制備，在埋氧層上外延N型外延層，用深槽 工藝結(jié)合多次外延多次高濃度離子注入工藝形成第一 N型發(fā)射極、第二N型發(fā)射極、P型體 區(qū)和P型發(fā)射極，用高濃度離子注入工藝形成N型緩沖層和P型集電極區(qū)，用槽柵工藝制造 成多晶硅柵，在器件表面淀積氧化層，接著進行打孔處理、淀積金屬鋁形成發(fā)射極鋁電極和 集電極鋁電極。
[0008] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點：
[0009] 本發(fā)明的橫向溝槽絕緣柵雙極型晶體管（本發(fā)明LIGBT)可以巧妙的解決上述問 題，它可以通過控制溝槽柵、P型發(fā)射極、N型發(fā)射極深度，在不增加結(jié)構(gòu)面積的前提下增加 溝道個數(shù)和溝道面積來大大提升結(jié)構(gòu)的電流密度。與此同時，結(jié)構(gòu)在關(guān)斷時，由于本發(fā)明結(jié) 構(gòu)的柵集電容較小，從而加快了結(jié)構(gòu)的關(guān)斷速度，實現(xiàn)了結(jié)構(gòu)正向?qū)▔航岛完P(guān)斷損耗之 間的良好折中。
[0010] 在本發(fā)明LIGBT的集電極和發(fā)射極之間加上正的電壓，且當(dāng)LIGBT柵極所加的電 壓超過LIGBT的閾值電壓時，LIGBT導(dǎo)通，電子從LIGBT的發(fā)射極區(qū)注入到漂移區(qū)，大量空 穴從LIGBT的集電極區(qū)注入到漂移區(qū)形成電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)。本發(fā)明結(jié)構(gòu)中，N型發(fā)射極向漂 移區(qū)深度方向延伸并貫穿整個漂移區(qū)，即溝道的有效寬度大大增加，并且本發(fā)明結(jié)構(gòu)有兩 條溝道貢獻電流，且所述溝道為橫向溝道，所以整個漂移區(qū)內(nèi)都均勻充滿了電子電流和空 穴電流，不存在局部高阻區(qū)域。而普通溝槽柵型LIGBT的溝道寬度有限，且所述溝道為縱向 溝道，所以電子電流和空穴電流在漂移區(qū)內(nèi)部不均勻分布，使得其可能存在局部高阻區(qū)域。 故本發(fā)明結(jié)構(gòu)大大提高了電流驅(qū)動能力，顯著降低了結(jié)構(gòu)的正向?qū)▔航怠?br> [0011] 在本發(fā)明LIGBT柵極所加的電壓低于閾值電壓時，結(jié)構(gòu)關(guān)斷，P型體區(qū)與N型漂移 區(qū)所構(gòu)成的PN結(jié)反偏，漂移區(qū)內(nèi)存儲的空穴將迅速流向IGBT的發(fā)射極區(qū)，由于本發(fā)明結(jié)構(gòu) 的柵極與N型漂移區(qū)的接觸面積只包括兩個窄側(cè)面，而普通溝槽柵型LIGBT的柵極與N型 漂移區(qū)的接觸面積包括兩個寬側(cè)面和底部面積，即本發(fā)明結(jié)構(gòu)的柵集接觸面積相比于普通 溝槽柵型LIGBT的大大減小，即柵極集電極電容（柵集電容）大大減小，從而顯著減小了本 發(fā)明LIGBT的關(guān)斷時間，實現(xiàn)正向?qū)▔航蹬c關(guān)斷損耗之間的良好折中。
[0012] 本發(fā)明結(jié)構(gòu)在大大提高電流驅(qū)動能力的同時，并不增加結(jié)構(gòu)原有的版圖面積。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0013] 圖1所示為普通橫向溝槽絕緣柵雙極型晶體管的三維結(jié)構(gòu)電流圖。
[0014] 圖2所示為本發(fā)明橫向溝槽絕緣柵雙極型晶體管的三維結(jié)構(gòu)圖。
[0015] 圖3所示為本發(fā)明橫向溝槽絕緣柵雙極型晶體管的三維結(jié)構(gòu)側(cè)視圖（去掉氧化 層、鋁電極）。
[0016] 圖4所示為本發(fā)明橫向溝槽絕緣柵雙極型晶體管的三維結(jié)構(gòu)電流圖（去溝槽柵、 氧化層和發(fā)射極鋁電極）。
[0017] 圖5所示為本發(fā)明結(jié)構(gòu)與普通橫向溝槽絕緣柵雙極型晶體管的電流能力對比圖。
[0018] 圖6所示為本發(fā)明結(jié)構(gòu)與普通橫向溝槽絕緣柵雙極型晶體管的柵集電容對比圖。 [0019] 圖7所示為本發(fā)明結(jié)構(gòu)與普通橫向溝槽絕緣柵雙極型晶體管的關(guān)斷曲線對比圖。
[0020] 圖8所示為本發(fā)明結(jié)構(gòu)制作工藝流程圖。

【具體實施方式】
[0021] 下面結(jié)合圖2,對本發(fā)明做詳細說明，一種橫向溝槽絕緣柵雙極型晶體管，包括：P 型襯底1，在P型襯底1上設(shè)有埋氧層2,在埋氧層2上設(shè)有N型漂移區(qū)3,在N型漂移區(qū)3 的上表面上方設(shè)有氧化層9,在N型漂移區(qū)3的上表面下方設(shè)有多晶硅柵4、P型體區(qū)8和N 型緩沖層12,在P型體區(qū)8內(nèi)設(shè)有發(fā)射極區(qū)，在發(fā)射極區(qū)上設(shè)有發(fā)射極鋁電極7,在N型緩 沖層12內(nèi)設(shè)有P型集電極區(qū)11，在P型集電極區(qū)11上設(shè)有集電極鋁電極10,并且，所述N 型緩沖層12和P型集電極區(qū)11位于N型漂移區(qū)3的一側(cè)，所述P型體區(qū)8和發(fā)射極區(qū)位 于N型漂移區(qū)3的另一側(cè)，其特征在于，所述多晶硅柵4貫穿N型漂移區(qū)3且始于N型漂移 區(qū)3的上表面并止于埋氧層2,在多晶硅柵4的外周面上設(shè)有一層?xùn)叛趸瘜?3且柵氧化層 13將多晶硅柵4圍合其內(nèi)，所述P型體區(qū)8始于N型漂移區(qū)3的上表面并止于埋氧層2, P 型體區(qū)8在N型漂移區(qū)3的上表面上的形狀呈現(xiàn)閉合，且P型體區(qū)8貫穿N型漂移區(qū)3并 始于N型漂移區(qū)3的上表面、止于埋氧層2,位于P型體區(qū)8內(nèi)的發(fā)射極區(qū)由P型發(fā)射極6 及分別位于P型發(fā)射極6兩側(cè)的第一 N型發(fā)射極5和第二N型發(fā)射極14組成，所述所述第 一 N型發(fā)射極5、第二N型發(fā)射極14和P型發(fā)射極6貫穿N型漂移區(qū)3且始于N型漂移區(qū) 3的上表面并止于埋氧層2,所述柵氧化層13及其內(nèi)的多晶硅柵4橫向切入第一 N型發(fā)射 極5、第二N型發(fā)射極14、P型發(fā)射極6和P型體區(qū)8內(nèi)并將第一 N型發(fā)射極5、第二N型發(fā) 射極14、P型發(fā)射極6和P型體區(qū)8分隔成兩部分。
[0022] 所述的一種橫向溝槽絕緣柵雙極型晶體管，其特征在于多晶硅柵4底部到埋氧層 2上表面之間的距離介于Oum到30um之間。
[0023] 所述的一種橫向溝槽絕緣柵雙極型晶體管，其特征在于P型體區(qū)8的底部到埋氧 層2上表面之間的距離介于Oum到30um之間。
[0024] 所述的一種橫向溝槽絕緣柵雙極型晶體管，其特征在于第一 N型發(fā)射極5和第二N 型發(fā)射極14的底部和P型發(fā)射極6的底部到埋氧層2上表面之間的距離介于Oum到30um 之間。
[0025] 所述的一種橫向溝槽絕緣柵雙極型晶體管，其特征在于P型體區(qū)8的各外側(cè)邊界 到與P型體區(qū)8的外側(cè)邊界所對應(yīng)的N型緩沖層12的元胞邊界的距離分別為3um到30um 之間。
[0026] 所述的一種橫向溝槽絕緣柵雙極型晶體管的制備方法，其特征在于，包括以下步 驟：P型襯底1、埋氧層2的制備，在埋氧層2上外延N型外延層3,用深槽工藝結(jié)合多次外延 多次高濃度離子注入工藝形成第一 N型發(fā)射極5、第二N型發(fā)射極14、P型體區(qū)8和P型發(fā) 射極6,用高濃度離子注入工藝形成N型緩沖層12和P型集電極區(qū)11，用槽柵工藝制造成 多晶硅柵4,在器件表面淀積氧化層9,接著進行打孔處理、淀積金屬鋁形成發(fā)射極鋁電極7 和集電極鋁電極10。
[0027] 下面具體描述本發(fā)明器件的實際制造過程：襯底、埋氧層以及N型外延層的制備， 然后用深槽工藝刻蝕出本發(fā)明結(jié)構(gòu)中的發(fā)射極有源區(qū)，在槽中進行第一次N型外延和P型 外延，并在此基礎(chǔ)上進行硼離子注入形成P型體區(qū)，然后進行高濃度的硼離子注入形成P型 發(fā)射極區(qū)、進行高濃度的磷離子注入形成N型發(fā)射極區(qū)，接著在槽中進行第二次外延，重復(fù) 上述離子注入步驟，在進行多次外延多次高濃度離子注入后最終形成第一 N型發(fā)射極、第 二N型發(fā)射極、P型體區(qū)和P型發(fā)射極，然后制作犧牲氧化層，在此基礎(chǔ)上進行高濃度的磷 離子注入形成N型緩沖層，高濃度的硼離子注入形成P型集電極區(qū)，然后采用槽柵工藝制作 多晶硅柵，在此之后在器件表面淀積一層氧化層，接著進行打孔處理、淀積金屬鋁發(fā)射極鋁 電極和集電極鋁電極，如圖8所示.
[0028] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明進行進一步說明。
[0029] 本發(fā)明的工作原理：
[0030] 在本發(fā)明LIGBT的集電極和發(fā)射極之間加上正的電壓，當(dāng)本發(fā)明LIGBT所加的 電壓超過閾值電壓時，IGBT導(dǎo)通，電子從LIGBT的第一 N型發(fā)射極5與P型體區(qū)8構(gòu)成 的第一溝道和第二N型發(fā)射極發(fā)射極14與P型體區(qū)8構(gòu)成的第二溝道分別注入漂移區(qū) (如圖4所示），第二N型發(fā)射極發(fā)射極14與P型體區(qū)8構(gòu)成的第二溝道電子電流直接 流向集電極區(qū)，而第一 N型發(fā)射極5與P型體區(qū)8構(gòu)成的第一溝道電子電流需經(jīng)過頸區(qū) 到達集電極區(qū)，所以對于器件的電子電流貢獻能力小于第二N型發(fā)射極發(fā)射極14與P型 體區(qū)8構(gòu)成的第二溝道的，設(shè)上述兩側(cè)溝道總電子電流為1_，根據(jù)M0S管知識可知，電流 大小為

【權(quán)利要求】
1. 一種橫向溝槽絕緣柵雙極型晶體管，包括：p型襯底（1 )，在P型襯底（1)上設(shè)有埋 氧層（2 )，在埋氧層（2 )上設(shè)有N型漂移區(qū)（3 )，在N型漂移區(qū)（3 )的上表面上方設(shè)有氧化層 (9)，在N型漂移區(qū)（3)的上表面下方設(shè)有多晶硅柵（4)、P型體區(qū)（8)和N型緩沖層（12)， 在P型體區(qū)（8)內(nèi)設(shè)有發(fā)射極區(qū)，在發(fā)射極區(qū)上設(shè)有發(fā)射極鋁電極（7)，在N型緩沖層（12) 內(nèi)設(shè)有P型集電極區(qū)（11)，在P型集電極區(qū)（11)上設(shè)有集電極鋁電極（10)，并且，所述N型 緩沖層（12)和P型集電極區(qū)（11)位于N型漂移區(qū)（3)的一側(cè)，所述P型體區(qū)（8)和發(fā)射極 區(qū)位于N型漂移區(qū)（3)的另一側(cè)，其特征在于，所述多晶硅柵（4)貫穿N型漂移區(qū)（3)且始 于N型漂移區(qū)（3)的上表面并止于埋氧層（2)，在多晶硅柵（4)的外周面上設(shè)有一層?xùn)叛趸?層（13)且柵氧化層（13)將多晶硅柵（4)圍合其內(nèi)，所述P型體區(qū)（8)始于N型漂移區(qū)（3) 的上表面并止于埋氧層（2)，P型體區(qū)（8)在N型漂移區(qū)（3)的上表面上的形狀呈現(xiàn)閉合，且 P型體區(qū)（8)貫穿N型漂移區(qū)（3)并始于N型漂移區(qū)（3)的上表面、止于埋氧層（2)，位于P 型體區(qū)（8)內(nèi)的發(fā)射極區(qū)由P型發(fā)射極（6)及分別位于P型發(fā)射極（6)兩側(cè)的第一 N型發(fā) 射極（5)和第二N型發(fā)射極（14)組成，所述所述第一 N型發(fā)射極（5)、第二N型發(fā)射極（14) 和P型發(fā)射極（6)貫穿N型漂移區(qū)（3)且始于N型漂移區(qū)（3)的上表面并止于埋氧層（2)， 所述柵氧化層（13)及其內(nèi)的多晶硅柵（4)橫向切入第一 N型發(fā)射極（5)、第二N型發(fā)射極 (14)、P型發(fā)射極（6)和P型體區(qū)（8)內(nèi)并將第一 N型發(fā)射極（5)、第二N型發(fā)射極（14)、P 型發(fā)射極（6)和P型體區(qū)（8)分隔成兩部分。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種橫向溝槽絕緣柵雙極型晶體管，其特征在于多晶硅柵 (4)底部到埋氧層（2)上表面之間的距離介于Oum到30um之間。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種橫向溝槽絕緣柵雙極型晶體管，其特征在于P型體區(qū) (8)的底部到埋氧層（2)上表面之間的距離介于Oum到30um之間。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種橫向溝槽絕緣柵雙極型晶體管，其特征在于第一 N型發(fā) 射極（5)和第二N型發(fā)射極（14)的底部和P型發(fā)射極（6)的底部到埋氧層（2)上表面之間 的距離介于Oum到30um之間。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種橫向溝槽絕緣柵雙極型晶體管，其特征在于P型體區(qū) (8)的各外側(cè)邊界到與P型體區(qū)（8)的外側(cè)邊界所對應(yīng)的N型緩沖層（12)的元胞邊界的距 離分別為3um到30um之間。
6. -種橫向溝槽絕緣柵雙極型晶體管的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：P型 襯底（1)、埋氧層（2)的制備，在埋氧層（2)上外延N型外延層（3)，用深槽工藝結(jié)合多次外 延多次高濃度離子注入工藝形成第一 N型發(fā)射極（5)、第二N型發(fā)射極（14)、P型體區(qū)（8) 和P型發(fā)射極（6)，用高濃度離子注入工藝形成N型緩沖層（12)和P型集電極區(qū)（11 )，用槽 柵工藝制造成多晶硅柵（4)，在器件表面淀積氧化層（9)，接著進行打孔處理、淀積金屬鋁 形成發(fā)射極鋁電極（7 )和集電極鋁電極（10 )。
【文檔編號】H01L29/739GK104299992SQ201410571052
【公開日】2015年1月21日 申請日期:2014年10月23日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月23日
【發(fā)明者】孫偉鋒, 喻慧, 張龍, 祝靖, 陸生禮, 時龍興 申請人:東南大學(xué)