橫向絕緣柵雙極型晶體管的制作方法
【專利摘要】一種橫向絕緣柵雙極型晶體管，對單個元胞中的源極結構部分加入多于一個的柵極溝槽結構，并從該柵極溝槽結構引出柵極引出端作為柵電極，因而當在柵電極加上一定電壓時，溝槽兩側的柵絕緣層與第一導電類型阱都形成反型層，即導電溝道；當漏極結構(第一導電類型漏極摻雜區)上有電壓時，導電溝道中有電流流過。如果柵極溝槽結構的個數為N個，則電流流過的導電溝道就有2N個，較之傳統的單溝道SOI-LIGBT的單個元胞結構中電流密度顯著增加，從而可以在多元胞結構下總體提高了單個器件的電流密度。因而，在同樣的工作電流下，上述橫向絕緣柵雙極型晶體管因為單個元胞結構更大的工作電流使得器件面積小、導通壓降小。
【專利說明】
橫向絕緣柵雙極型晶體管
技術領域
[0001]本發明涉及半導體器件技術領域，特別涉及一種橫向絕緣柵雙極型晶體管(LIGBT，Lateral Insulated Gate Bipolar Transistor)。
【背景技術】
[0002]橫向絕緣柵雙極型晶體管(LIGBT)，是一種將MOS管和雙極晶體管優點集于一身的晶體管，廣泛應用于功率輸出驅動電路的輸出級。而SOI (Silicon on Insulator，絕緣襯底上的硅)技術以其理想的介質隔離性能，廣泛應用于功率集成電路制造中。S01-LIGBT器件是一種基于SOI技術制造的LIGBT器件。
[0003]傳統的S01-LIGBT器件，器件的導電溝道都在橫向，電子空穴電流只能通過橫向漂移到另一端，載流子的注入均集中在表面，因此這樣的單個器件在導通時的工作電流就很小。為了達到更高的工作電流，需要加入多個元胞(cell)進行并聯，這樣導致器件面積很大，同時導致器件的飽和導通壓降變大，器件的開關特性也隨之減弱。
【發明內容】
[0004]基于傳統S01-LIGBT器件面積大、導通壓降大至少其中一種缺點，有必要提供一種橫向絕緣柵雙極型晶體管，該橫向絕緣柵雙極型晶體管具有工作電流大、器件面積小、導通壓降小的優點。
[0005]—種橫向絕緣柵雙極型晶體管，包括:
[0006]第一導電類型襯底；
[0007]絕緣層，形成于所述第一導電類型襯底上；
[0008]第二導電類型外延層，形成于所述絕緣層上；
[0009]場氧化層結構，形成于所述第二導電類型外延層上；
[0010]第一導電類型阱，形成于所述第二導電類型外延層上，且位于所述場氧化層結構的一側；
[0011]多于一個的柵極溝槽結構，所述多于一個的溝槽柵結構分開穿插設置在所述第一導電類型阱中，所述柵極溝槽結構的槽底延伸至所述第二導電類型外延層；所述柵極溝槽結構包括溝槽和填充于所述溝槽內的導電材料，所述溝槽內的表面還形成有柵絕緣層；
[0012]第二導電類型源極摻雜區，形成于各所述柵極溝槽結構兩側的所述第一導電類型阱的表層上；
[0013]第一導電類型源極摻雜區，形成于所述第二導電類型摻雜區遠離所述柵極溝槽結構一側的所述第一導電類型阱的表層上；
[0014]第二導電類型阱，形成于所述第二導電類型外延層上，且位于所述場氧化層結構異于所述第一導電類型阱一側的一側；
[0015]第一導電類型漏極摻雜區，形成于所述第二導電類型阱的表層上；
[0016]柵極引出端，所述柵極引出端與所述溝槽內的導電材料電連接；
[0017]源極引出端，所述源極引出端與第二導電類型源極摻雜區、第一導電類型源極摻雜區電連接；
[0018]及漏極引出端，所述漏極引出端與所述第一導電類型漏極摻雜區電連接。
[0019]在其中一個實施例中:
[0020]所述第一導電類型為P型，所述第二導電類型為N型。
[0021]在其中一個實施例中:
[0022]所述第一導電類型襯底為P+型襯底，所述第二導電類型外延層為N-型外延層；所述第一導電類型阱為P-型阱，所述第二導電類型源極摻雜區為N+源極摻雜區，所述第一導電類型源極摻雜區為P+源極摻雜區；所述第二導電類型阱為N型阱，所述第一導電類型漏極摻雜區為P+型漏極摻雜區。
[0023]在其中一個實施例中:
[0024]還包括第二導電類型漏極摻雜區，所述第二導電類型漏極摻雜區為N+漏極摻雜區；所述第二導電類型漏極摻雜區形成于所述第二導電類型阱的表層上，并夾于所述場氧化層結構和第一導電類型漏極摻雜區之間；所述漏極引出端還與所述第二導電類型漏極摻雜區電連接。
[0025]在其中一個實施例中:
[0026]還包括導電材料結構，所述導電材料結構形成于所述場氧化層結構上靠近所述第二導電類型阱的一端；所述漏極引出端還與所述導電材料結構電連接。
[0027]在其中一個實施例中:
[0028]還包括第一導電類型嵌入區，所述第一導電類型嵌入區形成于所述第一導電類型源極摻雜區與所述第一導電類型阱之間，使得所述第一導電類型源極摻雜區與所述第一導電類型阱之間隔絕；所述第一導電類型嵌入區為P型嵌入區。
[0029]在其中一個實施例中，所述第一導電類型襯底的材料和第二導電類型外延層的材料為硅、碳化硅、砷化鎵、磷化銦或鍺硅。
[0030]在其中一個實施例中，所述絕緣層、場氧化層和柵絕緣層的材料均為硅的氧化物。
[0031]在其中一個實施例中，所述導電材料為多晶娃。
[0032]上述橫向絕緣柵雙極型晶體管，對單個元胞中的源極結構部分加入多于一個的柵極溝槽結構，并從該柵極溝槽結構引出柵極引出端作為柵電極，因而當在柵電極加上一定電壓時，溝槽兩側的柵絕緣層與第一導電類型阱都形成反型層，即導電溝道；當漏極結構(第一導電類型漏極摻雜區)上有電壓時，導電溝道中有電流流過。如果柵極溝槽結構的個數為N個，則電流流過的導電溝道就有2N個，較之傳統的單溝道S01-LIGBT的單個元胞結構中電流密度顯著增加，從而可以在多元胞結構下總體提高了單個器件的電流密度。因而，在同樣的工作電流下，上述橫向絕緣柵雙極型晶體管因為單個元胞結構更大的工作電流使得器件面積小、導通壓降小。而在同樣的器件面積下，上述橫向絕緣柵雙極型晶體管則擁有更大的工作電流。
【附圖說明】
[0033]圖1是第一實施例橫向絕緣柵雙極型晶體管的結構示意圖；
[0034]圖2是柵極溝槽結構的結構示意圖；
[0035]圖3是第二實施例橫向絕緣柵雙極型晶體管的結構示意圖；
[0036]圖4是第三實施例橫向絕緣柵雙極型晶體管的結構示意圖；
[0037]圖5是第四實施例橫向絕緣柵雙極型晶體管的結構示意圖。
【具體實施方式】
[0038]為了便于理解本發明，下面將參照相關附圖對本發明進行更全面的描述。附圖中給出了本發明的較佳實施例。但是，本發明可以以許多不同的形式來實現，并不限于本文所描述的實施例。相反地，提供這些實施例的目的是使對本發明的公開內容的理解更加透徹全面。
[0039]除非另有定義，本文所使用的所有的技術和科學術語與屬于本發明的技術領域的技術人員通常理解的含義相同。本文中在本發明的說明書中所使用的術語只是為了描述具體的實施例的目的，不是旨在限制本發明。本文所使用的術語“和/或”包括一個或多個相關的所列項目的任意的和所有的組合。
[0040]本文所引用的半導體領域詞匯為本領域技術人員常用的技術詞匯，例如對于P型和N型雜質，為區分摻雜濃度，簡易的將P+型代表重摻雜濃度的P型，P型代表中摻雜濃度的P型，P-型代表輕摻雜濃度的P型，N+型代表重摻雜濃度的N型，N型代表中摻雜濃度的N型，N-型代表輕摻雜濃度的N型。
[0041 ] 下面結合附圖，對本發明的【具體實施方式】進行詳細描述。以下描述中，第一導電類型為P型，第二導電類型為N型。
[0042]圖1是第一實施例橫向絕緣柵雙極型晶體管的結構示意圖。
[0043]第一實施例:
[0044]一種橫向絕緣柵雙極型晶體管，包括:第一導電類型襯底100、絕緣層200、第二導電類型外延層300、場氧化層結構400、第一導電類型阱500、柵極溝槽結構600、第一導電類型源極摻雜區710、第二導電類型源極摻雜區720、第二導電類型阱800、第一導電類型漏極摻雜區910、柵極引出端10、源極引出端20和漏極引出端30。
[0045]第一導電類型襯底100的材料為硅、碳化硅、砷化鎵、磷化銦或鍺硅，第一導電類型襯底為P+型襯底(PSUb)。
[0046]絕緣層200形成于第一導電類型襯底100上，絕緣層的材料為硅的氧化物，可以是二氧化硅。絕緣層200從功能上而言為埋氧層。由于絕緣層200的阻隔作用，第一導電類型襯底100對器件影響不大，因而第一導電類型襯底100可以是重摻雜的(P+)。
[0047]第二導電類型外延層300形成于絕緣層200上，第二導電類型外延層300為N-型外延層。第二導電類型外延層300作為漂移區，具有的導電類型與第一導電類型襯底100相反。第二導電類型外延層300的材料為硅、碳化硅、砷化鎵、磷化銦或鍺硅。
[0048]場氧化層結構400形成于第二導電類型外延層300上，場氧化層結構400的材料為硅的氧化物，可以是二氧化硅。場氧化層結構400主要用于分隔源極結構和漏極結構。
[0049]第一導電類型阱500形成于第二導電類型外延層300上，且位于場氧化層結構400的一側。第一導電類型阱為P-型阱，作為源極結構緩沖區域，對器件導通空穴注入和耐壓起一定作用。
[0050]多于一個的溝槽柵結構600分開穿插設置在第一導電類型阱500中，柵極溝槽結構600的槽底延伸至第二導電類型外延層300。柵極溝槽結構600包括溝槽610和填充于溝槽內的導電材料620，溝槽610內的表面還形成有柵絕緣層630。導電材料620為多晶硅，柵絕緣層630的材料為硅的氧化物，可以是二氧化硅。柵極引出端10與溝槽610內的導電材料620電連接，柵極引出端10就是柵極接觸電極。
[0051]圖2是柵極溝槽結構的結構示意圖。
[0052]將柵極以溝槽的形式埋入第一導電類型阱500中，因而當在柵電極(柵極引出端10)加上一定電壓時，溝槽610內兩側的柵絕緣層630與第一導電類型阱500都形成反型層，即導電溝道；當漏極結構(第一導電類型漏極摻雜區910)上有電壓時，導電溝道中有電流流過。如果柵極溝槽結構600的個數為N個，則電流流過的導電溝道就有2N個，較之傳統的單溝道S01-LIGBT的單個元胞結構中電流密度顯著增加，從而可以在多元胞結構下總體提高了單個器件的電流密度。因而，在同樣的工作電流下，單個元胞結構更大的工作電流可以使得器件面積小、導通壓降小。而在同樣的器件面積下，可以使得上述橫向絕緣柵雙極型晶體管則擁有更大的工作電流。
[0053]第二導電類型源極摻雜區720形成于各柵極溝槽結構600兩側的第一導電類型阱500的表層上。第二導電類型源極摻雜區720為N+源極摻雜區，被第一導電類型阱500包住。
[0054]第一導電類型源極摻雜區710形成于第二導電類型摻雜區720遠離柵極溝槽結構600 一側的第一導電類型阱500的表層上。第一導電類型源極摻雜區為P+源極摻雜區，同樣被第一導電類型阱500包住。即從柵極溝槽結構600兩邊延伸，依次分別是第二導電類型源極摻雜區720、第一導電類型源極摻雜區710。
[0055]源極引出端20與第二導電類型源極摻雜區720、第一導電類型源極摻雜區710電連接，源極引出端20就是源極接觸電極。
[0056]第二導電類型阱800，形成于第二導電類型外延層300上，且位于場氧化層結構400異于第一導電類型阱500—側的一側。第二導電類型阱為N型阱，屬于中摻雜濃度。即場氧化層結構400的一側為第一導電類型阱500，另一側為第二導電類型阱800。
[0057]第一導電類型漏極摻雜區910形成于第二導電類型阱800的表層上。第一導電類型漏極摻雜區910為P+型漏極摻雜區，被第二導電類型阱800包住。
[0058]漏極引出端30與第一導電類型漏極摻雜區910電連接，漏極引出端30就是漏極接觸電極。
[0059]柵極引出端10、源極引出端20和漏極引出端30通常由導電材料形成，例如銅、鋁、鋁硅合金、鈦、氮化鈦、鎢、多晶硅、金屬硅化物等，可以通過物理/化學氣相沉積形成。
[0060]在實現的原材料使用是以埋氧層(絕緣層200)為中間層的三明治結構，即SOI結構，也可以是絕緣襯底(第一導電類型襯底100)加頂層單晶硅(第二導電類型外延層300)的雙層材料。因為橫向絕緣柵雙極型晶體管在漏端的下方存在有一個縱向的PNP三極管，它是由漏端高摻雜P區(第一導電類型漏極摻雜區910)、頂層硅的N嵌入區(第二導電類型阱800)和襯底P型嵌入區(第一導電類型襯底100)所形成。當器件在開態時，非常容易使得這個PNP三極管開啟而導致漏端電流經由這個三極管流向襯底而導致失效。因此在SOI結構制作器件時，僅使用頂層的硅層(第二導電類型外延層300)來作為器件制作層，SP形成源、漏、溝道區等結構，襯底(第一導電類型襯底100)僅起支撐作用，這種結構中的埋氧層與襯底在電學上實現了隔離開，從源頭上消除了這個縱向的PNP三極管，且在器件與器件之間再加以介質型隔離結構，就可以實現整個器件的完全隔離。
[0061]在原始材料中，頂層硅(第二導電類型外延層300)需要具有一定的厚度，要厚于溝槽柵結構600的深度，這樣可以使溝槽柵結構600到埋氧層(絕緣層200)之間有足夠大的距離，使得電子的流通路徑更為寬闊，而使得在導通狀態下的開態電阻更小，同時也使得在反向耐壓時電場的分布更加均勻。
[0062]圖3是第二實施例橫向絕緣柵雙極型晶體管的結構示意圖。
[0063]第二實施例:
[0064]與第一實施例不同之處在于，還包括第二導電類型漏極摻雜區920。第二導電類型漏極摻雜區920為N+漏極摻雜區，形成于第二導電類型阱800的表層上，并夾于場氧化層結構400和第一導電類型漏極摻雜區910之間。漏極引出端30還與第二導電類型漏極摻雜區920電連接。
[0065]將第二導電類型阱800與漏極結構短接再引出，優勢在于當器件進入關斷過程時，漂移區(第二導電類型外延層300)中在導通狀態產生電導調制效應所存儲的載流子可以很快地通過漏極結構的第二導電類型漏極摻雜區920直接從漏端流出。同時在復合作用下也進行著衰減過程，從而有效地抑制器件中寄生PNP晶體管的少子存儲效應所帶來的關斷尾電流較大，引起關斷時間長的問題，可以有效縮短了關斷時間。
[0066]圖4是第三實施例橫向絕緣柵雙極型晶體管的結構示意圖。
[0067]第三實施例:
[0068]與第一實施例不同之處在于，還包括導電材料結構40。導電材料結構40形成于場氧化層結構400上靠近第二導電類型阱800的一端。漏極引出端30還與導電材料結構40電連接。導電材料結構的材料可以是多晶硅。
[0069]當器件在反向耐壓時，導電材料結構40與漏極結構上有相同的電位，使得氧化層結構400的電位從漏極結構至源極結構有一個近似于線性的變化，漂移區(第二導電類型外延層300)內的電場分布也隨之近似一個線性的變化，這樣可以輔助漂移區進行耗盡，讓反向耗盡的速率能保持均勻，當漂移區的濃度略大時不會產生局部的電場線聚集而出現峰值電場。如此可以適當提高漂移區的濃度來降低導通壓降而不改變擊穿電壓和擊穿點。
[0070]圖5是第四實施例橫向絕緣柵雙極型晶體管的結構示意圖。
[0071]第四實施例:
[0072]與第一實施例不同之處在于，還包括第一導電類型嵌入區730。第一導電類型嵌入區730為P型摻雜區，屬于中摻雜濃度。第一導電類型嵌入區730形成于第一導電類型源極摻雜區710與第一導電類型阱500之間，也即第一導電類型嵌入區730將第一導電類型源極摻雜區710包住，使得第一導電類型源極摻雜區710與第一導電類型阱500之間隔絕。
[0073]當器件導通時，源端結構下方有一個寄生NPN三極管，當滿足三極管的基極少子可以渡越的條件后，可能會使得此三極管開啟，這樣會使得器件在開啟階段發生失效。在第一導電類型源極摻雜區710下方加一個P型摻雜區，可以提高NPN管的基區濃度，少子壽命減小而無法渡越到發射極，這樣就有效地避免了源端寄生三極管開啟的現象。
[0074]上述橫向絕緣柵雙極型晶體管，對單個元胞中的源極結構部分加入多于一個的柵極溝槽結構，并從該柵極溝槽結構引出柵極引出端作為柵電極，因而當在柵電極加上一定電壓時，溝槽兩側的柵絕緣層與第一導電類型阱都形成反型層，即導電溝道。當漏極結構(第一導電類型漏極摻雜區)上有電壓時，導電溝道中有電流流過。如果柵極溝槽結構的個數為N個，則電流流過的導電溝道就有2N個，較之傳統的單溝道SO1-LIGBT的單個元胞結構中電流密度顯著增加，從而可以在多元胞結構下總體提高了單個器件的電流密度。因而，在同樣的工作電流下，上述橫向絕緣柵雙極型晶體管因為單個元胞結構更大的工作電流使得器件面積小、導通壓降小。而在同樣的器件面積下，上述橫向絕緣柵雙極型晶體管則擁有更大的工作電流。
[0075]以上所述實施例僅表達了本發明的幾種實施方式，其描述較為具體和詳細，但并不能因此而理解為對本發明專利范圍的限制。應當指出的是，對于本領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干變形和改進，這些都屬于本發明的保護范圍。因此，本發明專利的保護范圍應以所附權利要求為準。
【主權項】
1.一種橫向絕緣柵雙極型晶體管，其特征在于，包括: 第一導電類型襯底； 絕緣層，形成于所述第一導電類型襯底上； 第二導電類型外延層，形成于所述絕緣層上； 場氧化層結構，形成于所述第二導電類型外延層上； 第一導電類型阱，形成于所述第二導電類型外延層上，且位于所述場氧化層結構的一側； 多于一個的柵極溝槽結構，所述多于一個的溝槽柵結構分開穿插設置在所述第一導電類型阱中，所述柵極溝槽結構的槽底延伸至所述第二導電類型外延層；所述柵極溝槽結構包括溝槽和填充于所述溝槽內的導電材料，所述溝槽內的表面還形成有柵絕緣層； 第二導電類型源極摻雜區，形成于各所述柵極溝槽結構兩側的所述第一導電類型阱的表層上； 第一導電類型源極摻雜區，形成于所述第二導電類型摻雜區遠離所述柵極溝槽結構一側的所述第一導電類型阱的表層上； 第二導電類型阱，形成于所述第二導電類型外延層上，且位于所述場氧化層結構異于所述第一導電類型阱一側的一側； 第一導電類型漏極摻雜區，形成于所述第二導電類型阱的表層上； 柵極引出端，所述柵極引出端與所述溝槽內的導電材料電連接； 源極引出端，所述源極引出端與第二導電類型源極摻雜區、第一導電類型源極摻雜區電連接； 及漏極引出端，所述漏極引出端與所述第一導電類型漏極摻雜區電連接。2.根據權利要求1所述的橫向絕緣柵雙極型晶體管，其特征在于: 所述第一導電類型為P型，所述第二導電類型為N型。3.根據權利要求2所述的橫向絕緣柵雙極型晶體管，其特征在于: 所述第一導電類型襯底為P+型襯底，所述第二導電類型外延層為N-型外延層；所述第一導電類型阱為P-型阱，所述第二導電類型源極摻雜區為N+源極摻雜區，所述第一導電類型源極摻雜區為P+源極摻雜區；所述第二導電類型阱為N型阱，所述第一導電類型漏極摻雜區為P+型漏極摻雜區。4.根據權利要求3所述的橫向絕緣柵雙極型晶體管，其特征在于: 還包括第二導電類型漏極摻雜區，所述第二導電類型漏極摻雜區為N+漏極摻雜區；所述第二導電類型漏極摻雜區形成于所述第二導電類型阱的表層上，并夾于所述場氧化層結構和第一導電類型漏極摻雜區之間；所述漏極引出端還與所述第二導電類型漏極摻雜區電連接。5.根據權利要求3所述的橫向絕緣柵雙極型晶體管，其特征在于: 還包括導電材料結構，所述導電材料結構形成于所述場氧化層結構上靠近所述第二導電類型阱的一端；所述漏極引出端還與所述導電材料結構電連接。6.根據權利要求3所述的橫向絕緣柵雙極型晶體管，其特征在于: 還包括第一導電類型嵌入區，所述第一導電類型嵌入區形成于所述第一導電類型源極摻雜區與所述第一導電類型阱之間，使得所述第一導電類型源極摻雜區與所述第一導電類型阱之間隔絕；所述第一導電類型嵌入區為P型嵌入區。7.根據權利要求1?6任一項所述的橫向絕緣柵雙極型晶體管，其特征在于，所述第一導電類型襯底的材料和第二導電類型外延層的材料為硅、碳化硅、砷化鎵、磷化銦或鍺硅。8.根據權利要求1?6任一項所述的橫向絕緣柵雙極型晶體管，其特征在于，所述絕緣層、場氧化層和柵絕緣層的材料均為硅的氧化物。9.根據權利要求1?6任一項所述的橫向絕緣柵雙極型晶體管，其特征在于，所述導電材料為多晶娃D
【文檔編號】H01L29/739GK105990408SQ201510054601
【公開日】2016年10月5日
【申請日】2015年2月2日
【發明人】顧炎, 蘇巍, 張森
【申請人】無錫華潤上華半導體有限公司