一种横向沟槽绝缘栅双极型晶体管及其制备方法技术

一种横向沟槽绝缘栅双极型晶体管及其制备方法。该结构包括：P型衬底，埋氧层，漂移区，在漂移区一侧设有深沟槽栅，深P型体区，深P型体区内设有相连的向漂移区内延伸止于BOX层的深P型发射极区、深N型发射极区，在相连的深P型发射极区、深N型发射极区上方设有发射极金属，另一侧设有N型缓冲层和P型集电极区，在P型集电区上方设有集电极金属，该半导体制备方法包括：衬底，埋氧层，N型外延层的制备，用深槽工艺结合多次外延多次高浓度离子注入工艺形成N型发射极、P型体区和P型发射极，用高浓度离子注入工艺形成N型缓冲层和P型集电极区，用槽栅工艺制造成多晶硅栅，打孔、淀积铝形成电极。

【技术实现步骤摘要】
一种横向沟槽绝缘栅双极型晶体管及其制备方法
本专利技术主要涉及功率半导体结构
，具体来说，特别适用于大功率集成电路如变频调速、高压输电、电力牵引、变频家电、半桥驱动电路以及汽车生产等领域。
技术介绍
绝缘栅双极型晶体管是MOS栅结构结构与双极型晶体管结构相结合进化而成的复合型功率结构，它完美结合了MOS管开关速度快和双极型晶体管电流能力强的优点，已广泛运用于变频家电、感应加热、工业变频、光伏发电、风力发电、机车牵引等领域。其中，绝缘体上硅横向绝缘栅双极型晶体管(SOI-LateralInsulatedGateBipolarTransistor,SOI-LIGBT)是一种典型的基于SOI工艺的结构，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。随着IGBT应用的普及,对其性能的要求也日益苛刻,不同应用领域对其需求亦逐渐分化,这就促使我们在现有结构上对其进行更进一步的优化,使其更进一步的适应不同的领域。传统的横向SOI-LIGBT虽然具有易集成等优势，但是其为表面型结构，电子在结构表面的迁移率较低，所以电流密度较低，在保证结构耐压的条件下，难以获得较高的电流驱动能力，极大地限制了其在大功率集成电路中的应用。横向沟槽绝缘栅双极型晶体管(普通沟槽栅型LIGBT)的出现，使LIGBT的电流能力得到了较大的提升，但是由于其存储的载流子较多，且空穴在关断时需要绕过沟槽，所以其关断速度较慢，关断损耗较大，其在大功率集成电路中的应用也受到了限制。
技术实现思路
本专利技术针对上述问题，提出了一种横向沟槽绝缘栅双极型晶体管及其制备方法，本专利技术结构可以大大增加提高结构的电流能力，显著减小结构的正向导通压降，并且提高器件关断速度，实现器件正向导通压降和关断损耗之间的良好折中。本专利技术提供如下技术方案：一种横向沟槽绝缘栅双极型晶体管，包括：P型衬底，在P型衬底上设有埋氧层，在埋氧层上设有N型漂移区，在N型漂移区的上表面上方设有氧化层，在N型漂移区的上表面下方设有多晶硅栅、P型体区和N型缓冲层，在P型体区内设有发射极区，在发射极区上设有发射极铝电极，在N型缓冲层内设有P型集电极区，在P型集电极区上设有集电极铝电极，并且，所述N型缓冲层和P型集电极区位于N型漂移区的一侧，所述P型体区和发射极区位于N型漂移区的另一侧，其特征在于，所述多晶硅栅贯穿N型漂移区且始于N型漂移区的上表面并止于埋氧层，在多晶硅栅的外周面上设有一层栅氧化层且栅氧化层将多晶硅栅围合其内，所述P型体区始于N型漂移区的上表面并止于埋氧层，P型体区在N型漂移区的上表面上的形状呈现闭合，且P型体区贯穿N型漂移区并始于N型漂移区的上表面、止于埋氧层，位于P型体区内的发射极区由P型发射极及分别位于P型发射极两侧的第一N型发射极和第二N型发射极组成，所述所述第一N型发射极、第二N型发射极和P型发射极贯穿N型漂移区且始于N型漂移区的上表面并止于埋氧层，所述栅氧化层及其内的多晶硅栅横向切入第一N型发射极、第二N型发射极、P型发射极和P型体区内并将第一N型发射极、第二N型发射极、P型发射极和P型体区分隔成两部分,多晶硅栅底部到埋氧层上表面之间的距离介于0um到30um之间,P型体区的底部到埋氧层上表面之间的距离介于0um到30um之间,第一N型发射极和第二N型发射极的底部和P型发射极的底部到埋氧层上表面之间的距离介于0um到30um之间,P型体区的各外侧边界到与P型体区的外侧边界所对应的N型缓冲层的元胞边界的距离分别为3um到30um之间,所述横向沟槽绝缘栅双极型晶体管的制备方法，包括以下步骤：P型衬底、埋氧层的制备，在埋氧层上外延N型外延层，用深槽工艺结合多次外延多次高浓度离子注入工艺形成第一N型发射极、第二N型发射极、P型体区和P型发射极，用高浓度离子注入工艺形成N型缓冲层和P型集电极区，用槽栅工艺制造成多晶硅栅，在器件表面淀积氧化层，接着进行打孔处理、淀积金属铝形成发射极铝电极和集电极铝电极。与现有技术相比，本专利技术具有如下优点：本专利技术的横向沟槽绝缘栅双极型晶体管(本专利技术LIGBT)可以巧妙的解决上述问题，它可以通过控制沟槽栅、P型发射极、N型发射极深度，在不增加结构面积的前提下增加沟道个数和沟道面积来大大提升结构的电流密度。与此同时，结构在关断时，由于本专利技术结构的栅集电容较小，从而加快了结构的关断速度，实现了结构正向导通压降和关断损耗之间的良好折中。在本专利技术LIGBT的集电极和发射极之间加上正的电压，且当LIGBT栅极所加的电压超过LIGBT的阈值电压时，LIGBT导通，电子从LIGBT的发射极区注入到漂移区，大量空穴从LIGBT的集电极区注入到漂移区形成电导调制效应。本专利技术结构中，N型发射极向漂移区深度方向延伸并贯穿整个漂移区，即沟道的有效宽度大大增加，并且本专利技术结构有两条沟道贡献电流，且所述沟道为横向沟道，所以整个漂移区内都均匀充满了电子电流和空穴电流，不存在局部高阻区域。而普通沟槽栅型LIGBT的沟道宽度有限，且所述沟道为纵向沟道，所以电子电流和空穴电流在漂移区内部不均匀分布，使得其可能存在局部高阻区域。故本专利技术结构大大提高了电流驱动能力，显著降低了结构的正向导通压降。在本专利技术LIGBT栅极所加的电压低于阈值电压时，结构关断，P型体区与N型漂移区所构成的PN结反偏，漂移区内存储的空穴将迅速流向IGBT的发射极区，由于本专利技术结构的栅极与N型漂移区的接触面积只包括两个窄侧面，而普通沟槽栅型LIGBT的栅极与N型漂移区的接触面积包括两个宽侧面和底部面积，即本专利技术结构的栅集接触面积相比于普通沟槽栅型LIGBT的大大减小，即栅极集电极电容(栅集电容)大大减小，从而显著减小了本专利技术LIGBT的关断时间，实现正向导通压降与关断损耗之间的良好折中。本专利技术结构在大大提高电流驱动能力的同时，并不增加结构原有的版图面积。附图说明图1所示为普通横向沟槽绝缘栅双极型晶体管的三维结构电流图。图2所示为本专利技术横向沟槽绝缘栅双极型晶体管的三维结构图。图3所示为本专利技术横向沟槽绝缘栅双极型晶体管的三维结构侧视图(去掉氧化层、铝电极)。图4所示为本专利技术横向沟槽绝缘栅双极型晶体管的三维结构电流图(去沟槽栅、氧化层和发射极铝电极)。图5所示为本专利技术结构与普通横向沟槽绝缘栅双极型晶体管的电流能力对比图。图6所示为本专利技术结构与普通横向沟槽绝缘栅双极型晶体管的栅集电容对比图。图7所示为本专利技术结构与普通横向沟槽绝缘栅双极型晶体管的关断曲线对比图。图8所示为本专利技术结构制作工艺流程图。具体实施方式下面结合图2，对本专利技术做详细说明，一种横向沟槽绝缘栅双极型晶体管，包括：P型衬底1，在P型衬底1上设有埋氧层2，在埋氧层2上设有N型漂移区3，在N型漂移区3的上表面上方设有氧化层9，在N型漂移区3的上表面下方设有多晶硅栅4、P型体区8和N型缓冲层12，在P型体区8内设有发射极区，在发射极区上设有发射极铝电极7，在N型缓冲层12内设有P型集电极区11，在P型集电极区11上设有集电极铝电极10，并且，所述N型缓冲层12和P型集电极区11位于N型漂移区3的一侧，所述P型体区8和发射极区位于N型漂移区3的另一侧，其特征在于，所述多晶硅栅4贯穿N型漂移区3且始于N型漂移区3的上表面并止于埋氧层本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种横向沟槽绝缘栅双极型晶体管，包括：P型衬底（1），在P型衬底（1）上设有埋氧层（2），在埋氧层（2）上设有N型漂移区（3），在N型漂移区（3）的上表面上方设有氧化层（9），在N型漂移区（3）的上表面下方设有多晶硅栅（4）、P型体区（8）和N型缓冲层（12），在P型体区（8）内设有发射极区，在发射极区上设有发射极铝电极（7），在N型缓冲层（12）内设有P型集电极区（11），在P型集电极区（11）上设有集电极铝电极（10），并且，所述N型缓冲层（12）和P型集电极区（11）位于N型漂移区（3）的一侧，所述P型体区（8）和发射极区位于N型漂移区（3）的另一侧，其特征在于，所述多晶硅栅（4）贯穿N型漂移区（3）且始于N型漂移区（3）的上表面并止于埋氧层（2），在多晶硅栅（4）的外周面上设有一层栅氧化层（13）且栅氧化层（13）将多晶硅栅（4）围合其内，所述P型体区（8）始于N型漂移区（3）的上表面并止于埋氧层（2），P型体区（8）在N型漂移区（3）的上表面上的形状呈现闭合，且P型体区（8）贯穿N型漂移区（3）并始于N型漂移区（3）的上表面、止于埋氧层（2），位于P型体区（8）内的发射极区由P型发射极（6）及分别位于P型发射极（6）两侧的第一N型发射极（5）和第二N型发射极（14）组成，所述所述第一N型发射极（5）、第二N型发射极（14）和P型发射极（6）贯穿N型漂移区（3）且始于N型漂移区（3）的上表面并止于埋氧层（2），所述栅氧化层（13）及其内的多晶硅栅（4）横向切入第一N型发射极（5）、第二N型发射极（14）、P型发射极（6）和P型体区（8）内并将第一N型发射极（5）、第二N型发射极（14）、P型发射极（6）和P型体区（8）分隔成两部分。...

【技术特征摘要】
1.一种横向沟槽绝缘栅双极型晶体管，包括：P型衬底（1），在P型衬底（1）上设有埋氧层（2），在埋氧层（2）上设有N型漂移区（3），在N型漂移区（3）的上表面上方设有氧化层（9），在N型漂移区（3）的上表面下方设有多晶硅栅（4）、P型体区（8）和N型缓冲层（12），在P型体区（8）内设有发射极区，在发射极区上设有发射极铝电极（7），在N型缓冲层（12）内设有P型集电极区（11），在P型集电极区（11）上设有集电极铝电极（10），并且，所述N型缓冲层（12）和P型集电极区（11）位于N型漂移区（3）的一侧，所述P型体区（8）和发射极区位于N型漂移区（3）的另一侧，其特征在于，所述多晶硅栅（4）贯穿N型漂移区（3）且始于N型漂移区（3）的上表面并止于埋氧层（2），在多晶硅栅（4）的外周面上设有一层栅氧化层（13）且栅氧化层（13）将多晶硅栅（4）围合其内，所述P型体区（8）始于N型漂移区（3）的上表面并止于埋氧层（2），P型体区（8）在N型漂移区（3）的上表面上的形状呈现闭合，且P型体区（8）贯穿N型漂移区（3）并始于N型漂移区（3）的上表面、止于埋氧层（2），位于P型体区（8）内的发射极区由P型发射极（6）及分别位于P型发射极（6）两侧的第一N型发射极...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙伟锋，喻慧，张龙，祝靖，陆生礼，时龙兴，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32