具有横向绝缘栅极双极性晶体管的功率元件及其制造方法技术

一种具有横向绝缘栅极双极性晶体管的功率元件及其制造方法。该功率元件形成于一半导体基板上，用以驱动一马达，包含：横向绝缘栅极双极性晶体管；PN二极管，与该横向绝缘栅极双极性晶体管并联；以及钳位二极管，具有钳位顺向端与钳位反向端，分别电连接于横向绝缘栅极双极性晶体管的漏极与栅极，以限制施加于栅极的栅极电压不高于预设电压阈值。的栅极电压不高于预设电压阈值。的栅极电压不高于预设电压阈值。

【技术实现步骤摘要】
具有横向绝缘栅极双极性晶体管的功率元件及其制造方法


[0001]本专利技术涉及一种功率元件，特别是指一种具有横向绝缘栅极双极 性晶体管(lateral insulated gate bipolar transistor,LIGBT)的功率元件。 本专利技术还涉及功率元件的制造方法。

技术介绍

[0002]图1A与图1B显示一种现有技术的具有横向绝缘栅极双极性晶体 管(lateral insulated gate bipolar transistor,LIGBT)的功率元件(功率 元件100)的俯视示意图与剖视示意图。功率元件100用以控制飞轮马 达中的飞轮电流；其中飞轮电流流经功率元件100后，以驱动飞轮马达。 其中，飞轮马达用以控制飞轮(flywheel)，以于飞轮的旋转运动中储 存旋转动能，其为本领域技术人员所熟知，在此不予赘述。一般而言， 功率元件100包含彼此并联的多个LIGBT(图1A与图1B以一个横向绝缘 栅极双极性晶体管LIGBT1代表)，以及一PN二极管。
[0003]如图1A与图1B所示，功率元件100形成于半导体基板11上，其包 含横向绝缘栅极双极性晶体管LIGBT1以及PN二极管PN1。图1B显示 图1A中，剖线AA
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的剖视示意图。PN二极管PN1包括第一场氧化区121、 第一N型区131、第一N型延伸区141、第一P型区151、栅极161、反向 端171以及顺向端181；其中，第一N型区131、第一N型延伸区141、第 一P型区151、反向端171以及顺向端181都形成于第一绝缘底层12上的 一外延层中。第一绝缘结构ISO1包括第一绝缘底层12以及第一绝缘侧 壁123，其中第一绝缘底层12形成于半导体基板11上并连接于半导体基 板11。第一绝缘结构ISO1在外延层的上表面下，封闭式地包围PN二极 管PN1，使PN二极管PN1在外延层的上表面下，电性隔绝其他元件。
[0004]横向绝缘栅极双极性晶体管LIGBT1形成于半导体基板11上，如图 1A与图1B所示，横向绝缘栅极双极性晶体管LIGBT1包括第二场氧化区 122、第二N型区132、第二N型延伸区142、第二P型区152、栅极162、 漏极172、发射极182以及P型接触极184；其中，第二N型区132、第二 N型延伸区142、第二P型区152、漏极172、发射极182以及P型接触极184 形成于第二绝缘底层12
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上的该外延层中。第二绝缘结构ISO2包括第二 绝缘底层12
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以及第二绝缘侧壁124，其中第二绝缘结构ISO2在外延层 的上表面下，封闭式地包围横向绝缘栅极双极性晶体管LIGBT1，使横 向绝缘栅极双极性晶体管LIGBT1在外延层的上表面下，电性隔绝其他 元件。如图1A所示，第三绝缘侧壁125形成环状封闭侧壁，将第一绝缘 侧壁123与第二绝缘侧壁124包围于其中，也就是将功率元件100包围于 第三绝缘侧壁125所形成的环状封闭侧壁中。
[0005]图1C与图1D分别显示功率元件100的电路符号与电性特征曲线示 意图。横向绝缘栅极双极性晶体管LIGBT1操作机制，如图1B中粗黑实 线的电路符号所示意，并参阅图1C与图1D，是利用栅极162(栅极G) 控制由发射极182(发射极E)、第二N型延伸区142与第二P型区152所 形成的PNP双极结型晶体管(bipolar junction transistor,BJT)中的基极 电流，导通横向绝缘栅极双极性晶体管LIGBT1，通过设计基极宽度和 浓度，可以决定导通电
流IC的放大率，以得到最佳的导通电压，降低 功率损耗。横向绝缘栅极双极性晶体管LIGBT1的基极电流是受到栅极 电压，也就是施加于栅极162的电压所控制。随着栅极电压增加，基极 电流与发射极电流等比增加。
[0006]当横向绝缘栅极双极性晶体管LIGBT1应用于马达驱动时，需要通 过短路保护测试(short circuits test)，测试方法是将横向绝缘栅极双 极性晶体管LIGBT1中，施加于栅极162(栅极G)的电压增加到最大供 应电压(通常是15～20V)，而施加于发射极182(发射极E)的电压， 则加压到基底(bulk)电压，例如但不限于400V。此时因为流经漏极 172(漏极C)导通电流IC达到最大电流。当最大的导通电流IC通过电 阻Re，容易触发横向绝缘栅极双极性晶体管LIGBT1中，由第二N型区 132、第二P型区152与漏极172所组成的寄生NPNBJT导通，触发寄生于 横向绝缘栅极双极性晶体管LIGBT1中的PNPN栓锁(latch-up)效应， 而造成高压元件100损坏。过高的导通电流IC将使高压元件100损坏的 风险越高，所以适当限制导通电流IC的最大电流，才能降低触发栓锁 效应的发生机率。
[0007]传统控制基极电流以限制导通电流IC的方法，都是通过控制施加 于栅极162的电压，避免过大的施加于栅极162的电压变化。方法通常 是利用另外的栅极驱动电路中的稳压电路，抑制异常升高的电压源， 此方法可以有效控制来自电压源不稳定的问题，但是对于外部短路造 成的栅极-发射极电容Cge感应电压过大，则效果有限。如图1C所示， 因为由外部进行短路测试时，其他相的高压接触待测相时会将施加于 发射极182的电压拉高造成突波(如图1C中，发射极E旁的信号波形所 示意)并通过栅极-发射极电容Cge感应，进而如图1D所示，造成施加 于栅极G的电压(如图1C中，栅极G旁的信号波形所示意)升高，进而 造成基极电流与导通电流IC大增，而大幅提高横向绝缘栅极双极性晶 体管LIGBT1中的PNPN栓锁(latch-up)效应被触发的机率。
[0008]有鉴于此，本专利技术即针对上述现有技术的不足，提出一种具有横 向绝缘栅极双极性晶体管的功率元件及其制造方法，可降低功率元件 100的栓锁效应发生机率，以提高功率元件100的应用范围。

技术实现思路

[0009]就其中一个观点言，本专利技术提供了一种功率元件，形成于一半导 体基板上，用以驱动一马达，包含：一横向绝缘栅极双极性晶体管 (lateral insulated gate bipolar transistor,LIGBT)；一PN二极管，与 该横向绝缘栅极双极性晶体管并联；以及一钳位二极管，具有一钳位 顺向端与一钳位反向端，分别电连接于该横向绝缘栅极双极性晶体管 的一漏极与一栅极，以限制施加于该栅极的一栅极电压不高于一预设 电压阈值。
[0010]就另一观点言，本专利技术提供了一种功率元件制造方法，其中该功 率元件形成于一半导体基板上，用以驱动一马达，该功率元件制造方 法包含：形成一横向绝缘栅极双极性晶体管(lateral insulated gatebipolar transistor,LIGBT)；形成一PN二极管，与该横向绝缘栅极双 极性晶体管并联；以及形成一钳位二极管，具有一钳位顺向端与一钳 位反向端，分别电连接于该横向绝缘栅极双极性晶体管的一漏极与一 栅极，以限制施加于该栅极的一栅极电压本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种功率元件，形成于一半导体基板上，用以驱动一马达，包含：一横向绝缘栅极双极性晶体管；一PN二极管，与该横向绝缘栅极双极性晶体管并联；以及一钳位二极管，具有一钳位顺向端与一钳位反向端，分别电连接于该横向绝缘栅极双极性晶体管的一漏极与一栅极，以限制施加于该栅极的一栅极电压不高于一预设电压阈值。2.如权利要求1所述的功率元件，其中该PN二极管包括：一第一N型区，形成于该半导体基板上的一外延层中；一第一P型区，形成于该第一N型区中；一第一N型延伸区，形成于该第一N型区中，且该第一N型延伸区与该第一P型区由该第一N型区隔开；一第一反向端，具有N型导电型，形成于该第一N型延伸区中，用以作为该第一N型延伸区的电性接点；以及一第一顺向端，具有P型导电型，形成于该第一P型区中，用以作为该第一P型区的电性接点。3.如权利要求2所述的功率元件，其中该横向绝缘栅极双极性晶体管包括：一第二N型区，形成于该半导体基板上的该外延层中；一第二P型区，形成于该第二N型区中；该漏极，具有N型导电型，形成于该第二P型区中；一P型接触极，形成于该第二P型区中，以作为该第二P型区的电性接点；该栅极，形成于该外延层上，其中部分该栅极连接于该第二P型区之上；一第二N型延伸区，形成于该第二N型区中，且该第二N型延伸区与该第二P型区由该第二N型区隔开；以及一发射极，具有P型导电型，形成于该第二N型延伸区中。4.如权利要求3所述的功率元件，其中该钳位二极管为一齐纳二极管，其包括：一第三P型区，形成于该半导体基板上的该外延层中；一第二顺向端，具有P型导电型，形成于该第三P型区中，用以作为该钳位顺向端，及该第三P型区的电性接点；一第三N型延伸区，形成于该第三P型区中；以及一第二反向端，具有N型导电型，形成于该第三N型延伸区中，用以作为该钳位反向端，及该第三N型延伸区的电性接点。5.如权利要求4所述的功率元件，其中该齐纳二极管还包括一N型调整区，形成于该外延层中的上表面下并连接上表面，且该N型调整区于该上表面上介于该第三P型区与该第三N型延伸区之间，用以调整该第三P型区与该第三N型延伸区所形成的PN结的顺向电压。6.如权利要求4所述的功率元件，其中该齐纳二极管还包括一P型调整区，形成于该外延层中的上表面下并连接上表面，且该P型调整区于该上表面上介于该第三P型区与该第三N型延伸区之间，用以调整该第三P型区与该第三N型延伸区所形成的PN结的顺向电压。7.如权利要求5或6中任一项所述的功率元件，其中该齐纳二极管还包括一静电防护区，具有N型导电型，形成于该外延层中的上表面下并连接上表面，且该静电防护区于该上
表面上介于该第三N型延伸区与该第二顺向端之间，该静电防护区用以与该第三P型区及该第三N型延伸区形成NPN晶体管，其中该静电防护区与该第二顺向端电连接。8.如权利要求4所述的功率元件，其中该第一N型延伸区、该第二N型延伸区与该第三N型延伸区由相同的微影工艺步骤与离子注入工艺步骤同时形成；其中该第一P型区与该第二P型区由相同的微影工艺步骤与离子注入工艺步骤同时形成；其中该第一反向端、该漏极与该第二反向端由相同的微影工艺步骤与离子注入工艺步骤同时形成；其中该第一顺向端、该发射极、该P型接触极与该第二顺向端，由相同的微影工艺步骤与离子注入工艺步骤同时形成。9.一种功率元件制造方法，其中该功率元件形成于一半导体基板上，用以驱动一马达，该功率元件制造方法包含：形成一横向绝缘栅极双极性晶体管；形成一PN...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄志丰，林容生，
申请(专利权)人：立锜科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：