CN101969062B - 一种提高电流密度的绝缘体上硅n型半导体组合器件 - Google Patents

Abstract

一种提高电流密度的绝缘体上硅N型半导体组合器件，包括：P型衬底，在P型衬底上设埋氧层，在埋氧层上设P型外延层且P型外延层被分割成区域I和II，其中I区为绝缘栅双极型器件区，包括：N型漂移区、P型深阱、N型缓冲阱、P型漏区、N型源区和P型体接触区，在硅表面相应设有场氧化层和栅氧化层，在栅氧化层上设有多晶硅栅；其中II区为高压三极管区，包括：N型三极管漂移区、N型三极管缓冲阱、P型发射区和N型基区，其特征在于II区中的N型基区包在N型缓冲区内部，且I区中P型漏区上的第一漏极金属与II区中N型基区上的第一基极金属通过第二金属连通。本发明在不增加器件面积基础上显著提升器件的电流密度且器件其他性能参数并不改变。

Description

一种提高电流密度的绝缘体上硅N型半导体组合器件

技术领域

本发明涉及高压功率半导体器件领域，是关于一种适用于高压应用的提高电流密度的绝缘体上硅N型半导体组合器件。

背景技术

随着人们对现代化生活需求的日益增强，功率半导体器件的性能越来越受到关注，其中功率半导体器件的可集成性、高耐压、大电流和与低压电路部分的良好的隔离能力是人们最大的技术要求。决定功率集成电路处理高电压、大电流能力大小的因素除了功率半导体器件的种类以外，功率半导体器件的结构和制造工艺也是重要的影响因素。

长久以来，人们采用的功率半导体器件为高压三级管和高压绝缘栅场效应晶体管。这两种器件在满足人们基本的高耐压和可集成性的需求的同时，也给功率集成电路带来了许多的负面影响。对于高压三级管，它的不足有输入阻抗很低，开关速度不高。尽管高压绝缘栅场效应晶体管的输入阻抗非常高，但是电流驱动能力有限，除此之外，它的高耐压和高的导通阻抗呈现出不可避免的矛盾。

随着科学技术的发展，绝缘栅双极型器件的出现解决了人们对功率半导体器件的大部分需求。绝缘栅双极型器件集合了高压三极管和绝缘栅场效应晶体管的优势，具有高的输入阻抗、高的开关速度、高耐压、大的电流驱动能力和低导通阻抗等性能。但是，绝缘栅双极型器件是纵向器件，可集成性能差。后来出现的横向绝缘栅双极型器件解决了这一问题。

功率半导体器件的可集成性、高耐压、大电流的需求解决后，它的隔离性成为主要的矛盾。主要是在体硅工艺中，高压电路和低压电路同时集成在一个芯片上，高压电路的漏电流会比较高，因此会通过衬底进入低压电路引发低压电路的闩锁，最终造成芯片烧毁。为了解决这一问题，人们提出了绝缘体上硅工艺。

绝缘体上硅工艺的出现有效地解决了功率半导体器件的隔离问题。目前绝缘体上横向绝缘栅双极型器件已成为功率半导体器件的主力军，广泛应用于直流电压为600V及以上的变流系统如交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域。

围绕着绝缘体上横向绝缘栅双极型器件的一个较大的问题是，与纵向器件相比电流密度不够高，因此常常以加大器件的面积来获得高的电流驱动能力，因而耗费大量的芯片面积，增加了成本。本文介绍了一种新型的提高电流密度的绝缘体上硅N型半导体组合器件，在不增加版图面积的前提下，与同尺寸的普通绝缘体上N型横向绝缘栅双极型器件相比，电流密度大幅度增加。

发明内容

本发明提供一种能够在不改变器件面积的基础上有效提高器件电流密度的绝缘体上硅N型半导体组合器件。

本发明采用如下技术方案：

一种提高电流密度的绝缘体上硅N型半导体组合器件，包括：P型衬底，在P型衬底上设有埋氧层，其特征在于，在埋氧层中央设有P型深阱，在P型深阱上设有P型体接触区和N型源区且在P型体接触区和N型源区上设有连通二者的源极金属，在埋氧层上还设有第一隔离区和第二隔离区，由所述的第一隔离区和第二隔离区向埋氧层中心延伸并由此分割形成绝缘栅双极型器件区和高压三极管区，在绝缘栅双极型器件区内设有绝缘栅双极型器件，所述的绝缘栅双极型器件中的源区采用所述的N型源区且所述的N型源区位于绝缘栅双极型器件区内，在高压三极管区内设有高压三极管，所述的高压三极管中的集电区采用所述的P型体接触区，所述的P型体接触区位于高压三极管区内，所述的绝缘栅双极型器件中的第一漏极金属通过第二金属与所述的高压三极管中的第一基极金属连接。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

(1)本发明的半导体组合半导体器件分为两个部分，其中一个部分用于制作绝缘栅双极型器件，另一部分用于制作高压三极管，并同过第二金属将绝缘栅双极型器件的漏极和高压三极管的基极连接在一起，可以在不改变器件总面积的基础上有效的将前者的漏极电流作为流过高压三极管的基极电流进一步放大，从而提高电流密度。该半导体组合器件的等效电路图参见附图4，图5显示了本发明的半导体组合器件与相同面积的绝缘栅双极型器件的电流密度的比较，可见，本发明的半导体组合器件的电流密度比一般绝缘栅双极型器件的电流密度大大提高了。

(2)本发明器件的好处在于可以通过调整第一隔离区101与第二隔离区102的夹角来优化绝缘栅双极型器件和高压三极管的版图面积的比例，以达到整个组合半导体器件的电流密度与其他性能(如散热情况等)折衷的最优效果。

(3)本发明器件的在提高电流密度的同时与传统器件相比，并不改变器件原来的版图面积。

(4)本发明器件的在提高电流密度的同时，并不影响器件的耐压水平，器件的基本性能要求仍能满足。图6所示为本发明的半导体组合器件与相同面积一般绝缘栅双极型器件的关态击穿电压的比较图，可见本发明的半导体组合器件的关态击穿电压可以保持与相同面积的一般绝缘栅双极型器件一致。

(5)本发明器件的制作并不需要额外工艺步骤，与现有的集成电路制造工艺完全兼容。

附图说明

图1(a)是本发明组合半导体器件去除钝化保护氧化层后的俯视图。

图1(b)是沿着图1(a)的AA’面的剖面图(含有钝化层)。

图1(c)是沿着图1(a)的BB’面的剖面图(含有钝化层)。

图2是本发明的组合半导体器件三维立体结构图。(去除钝化保护氧化层和所有金属)。

图3是本发明的半导体组合器件沿AA’面的三维立体剖面图(去除钝化保护氧化层和所有金属)。

图4是本发明的半导体组合器件的等效电路图。

图5是本发明的半导体组合器件和相同面积的一般绝缘栅双极型器件的漏极电流密度比较图。

图6是本发明的半导体组合器件和相同面积的一般绝缘栅双极型器件的关态击穿电压比较图。

图7(a)是形成本发明的半导体组合器件中的P型深阱14工艺示意图。

图7(b)是形成本发明的半导体组合器件中绝缘栅双极型器件区的N型漂移区4以及高压三极管区的N型三极管漂移区4’的工艺示意图。

图7(c)是形成本发明的半导体组合器件中N漂移区4上的N型缓冲阱5以及N型三极管漂移区4’上的N型三极管缓冲阱5’的工艺示意图。

图7(d)是形成本发明的半导体组合器件中绝缘栅双极型器件区的场氧化层8、栅氧化层9以及多晶硅栅10的工艺示意图。

图7(e)是形成本发明的半导体组合器件中P型漏区6、P型发射区15以及N型基区16的工艺示意图。

图7(f)是完全形成本发明的半导体组合器件后，沿着图1(a)的AA’面的剖面图。

具体实施方式

一种提高电流密度的绝缘体上硅N型半导体组合器件，包括：P型衬底1，在P型衬底1上设有埋氧层2，其特征在于，在埋氧层2中央设有P型深阱14，在P型深阱14上设有P型体接触区12和N型源区11且在P型体接触区12和N型源区11上设有连通二者的源极金属72，在埋氧层2上还设有第一隔离区101和第二隔离区102，由所述的第一隔离区101和第二隔离区102向埋氧层2中心延伸并由此分割形成绝缘栅双极型器件区I和高压三极管区II，在绝缘栅双极型器件区I内设有绝缘栅双极型器件，所述的绝缘栅双极型器件中的源区采用所述的N型源区11且所述的N型源区11位于绝缘栅双极型器件区I内，在高压三极管区II内设有高压三极管，所述的高压三极管中的集电区采用所述的P型体接触区12，所述的P型体接触区12位于高压三极管区II内，所述的绝缘栅双极型器件中的第一漏极金属74通过第二金属75与所述的高压三极管中的第一基极金属71连接。

所述的第一隔离区101和第二隔离区102所形成的夹角可以调整，但是由所述的第一隔离区101和第二隔离区102向埋氧层2中心延伸并由此分割形成的两个区域中，钝角所包围的区域必须为绝缘栅双极型器件区I，而锐角所包围的区域必须为高压三极管区II。

虽然附图说明中的本半导体组合器件结构是采用圆形版图实现形式，但是其实现方式并不仅限于圆形，也可以是跑道型、矩形等其他形状，只要用两个隔离槽101和102将绝缘栅双极型器件和高压三极管隔开并将绝缘栅双极型器件的漏极与高压三极管的基极用金属连接即可。

所述的绝缘体上硅N型半导体组合器件P型发射区15与N型基区16的间距为1μm～2μm；

本发明采用如下方法来制备：

第一步，取具有P型外延层的绝缘体上硅圆片，根据所设计的绝缘栅双极型器件和高压三极管的面积比例，刻蚀所需要的隔离槽101和102，从而形成绝缘栅双极型器件区I和高压三极管区II，且P型外延层被分割成在绝缘栅双极型器件区I内的第一P型外延层3和在高压三极管区内的第二P型外延层3’。

第二步，通过高能量硼离子注入，并高温退火形成P型深阱14。

第三步，以高能量的磷离子注入，高温退火后在绝缘栅双极型器件区形成N型漂移区4而在高压三极管区形成N型三极管漂移区4’；

第四步，以高能量的磷离子注入，高温退火后在N漂移区4上形成N型缓冲阱5而在N型三极管漂移区4’上形成N型三极管缓冲阱5’。

第五步，淀积并刻蚀氮化硅，在高温下生长场氧化层。再生长栅氧化层，并淀积多晶硅，刻蚀出多晶硅栅。

第六步，通过高剂量的硼离子和磷离子注入，制作各个电极接触区。

第七步，淀积二氧化硅，刻蚀电极接触孔后淀积金属引线层并刻蚀掉多余金属。

第八步，进行钝化层的制作。

Claims (5)

1.一种提高电流密度的绝缘体上硅N型半导体组合器件，包括：P型衬底(1)，在P型衬底(1)上设有埋氧层(2)，其特征在于，在埋氧层(2)中央设有P型深阱(14)，在P型深阱(14)上设有P型体接触区(12)和N型源区(11)且在P型体接触区(12)和N型源区(11)上设有连通二者的源极金属(72)，在埋氧层(2)上还设有第一隔离区(101)和第二隔离区(102)，由所述的第一隔离区(101)和第二隔离区(102)向埋氧层(2)中心延伸并由此分割形成绝缘栅双极型器件区(I)和高压三极管区(II)，在绝缘栅双极型器件区(I)内设有绝缘栅双极型器件，所述的绝缘栅双极型器件中的源区采用所述的N型源区(11)且所述的N型源区(11)位于绝缘栅双极型器件区(I)内，在高压三极管区(II)内设有高压三极管，所述的高压三极管中的集电区采用所述的P型体接触区(12)，所述的P型体接触区(12)位于高压三极管区(II)内，所述的绝缘栅双极型器件中的第一漏极金属(74)通过第二金属(75)与所述的高压三极管中的第一基极金属(71)连接。

2.根据权利要求1所述的提高电流密度的绝缘体上硅N型半导体组合器件，其特征在于，所述绝缘栅双极型器件包括：设在埋氧层(2)上的第一P型外延层(3)，在第一P型外延层(3)右上方设有N型漂移区(4)，在N型漂移区(4)的右上方设有N型缓冲阱(5)，在N型缓冲阱(5)的右上方设有P型漏区(6)且所述的第一漏极金属(74)设在P型漏区(6)上方，在N型漂移区(4)的硅表面设有场氧化层(8)且场氧化层(8)与P型漏区(6)相接，在N型源区(11)和场氧化层(8)之间的硅表面设有栅氧化层(9)，栅氧化层(9)上设有多晶硅栅(10)且多晶硅栅(10)延伸至场氧化层(8)的上表面，在多晶硅栅(10)上设有栅极金属(73)。

3.根据权利要求1或2所述的提高电流密度的绝缘体上硅N型半导体组合器件，其特征在于，所述的高压三极管包括：设在埋氧层(2)上的第二P型外延层(3’)，在第二P型外延层(3’)的左上方设有N型三极管漂移区(4’)，在N型三极管漂移区(4’)的左上方设有N型三极管缓冲阱(5’)，在N型三极管缓冲阱(5’)上设有P型发射区(15)和N型基区(16)，在P型发射区(15)上设有发射极金属(70)，在N型基区(16)上设有所述的第一基极金属(71)。

4.根据权利要求3所述的提高电流密度的绝缘体上硅N型半导体组合器件，其特征在于，P型发射区(15)与N型基区(16)的间距为1μm～2μm。

5.根据权利要求3所述的提高电流密度的绝缘体上硅N型半导体组合器件，其特征在于，所述的绝缘栅双极型器件区(I)和高压三极管区(II)上表面非金属区域设有钝化保护氧化层(13)。

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