CN107887432B - 一种带有电荷可调型场板的横向绝缘栅双极型晶体管 - Google Patents

一种带有电荷可调型场板的横向绝缘栅双极型晶体管 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种带有电荷可调型场板的横向绝缘栅双极型晶体管，包括P型衬底，P型衬底上设有N型漂移区和P型阱，P型阱上设有阴极接触区和第一场氧化层，N型漂移区上设有P型阳极接触区和第二场氧化层，第一场氧化层和第二场氧化层上方设有介质层，其特征在于，所述第一场氧化层表面设有多个感应电容电极板，所述第二场氧化层表面设有多个电荷可调型场板，所述介质层表面设有多个上层电荷可调型场板，且每一个感应电容电极板和一个与之一一对应的电荷可调型场板或上层电荷可调型场板通过重掺杂的多晶硅或金属互连线相连接。该结构器件的漂移区电场分布均匀，耐压所需漂移区长度小，电流能力强，导通损耗和开关损耗小。

Description

一种带有电荷可调型场板的横向绝缘栅双极型晶体管
技术领域
本发明涉及功率半导体器件领域，更具体的说，是关于一种适用于高压应用的横向绝缘栅双极型晶体管(LIGBT)，适用于打印机、电动机、平板显示器等高电压、大电流领域的驱动芯片。
背景技术
横向绝缘栅双极型晶体管(LIGBT)是一种可集成的双极型半导体器件，具有耐压高、电流能力大，易驱动，并且容易与CMOS工艺兼容的优点，在智能功率集成电路中得到广泛的应用。目前横向绝缘栅双极型晶体管(LIGBT)设计的重点是如何合理缓和击穿电压与器件损耗之间的矛盾，器件损耗包括导通损耗和开关损耗两部分，导通损耗和开关损耗都与器件的漂移区长度密切相关，因此，横向绝缘栅双极型晶体管(LIGBT)的设计目标就是以尽量小的漂移区长度来实现达到器件的击穿电压。为了实现设计目标，当前人们的设计方法主要集中在对横向绝缘栅双极型晶体管(LIGBT)的漂移区浓度设计上，并通过埋层、电阻场极板、Super Junction、漂移区渐变掺杂等技术来减小器件表面电场强度(ReducdSfurace Field,简称RESURF)，以实现击穿电压与器件损耗的折中。
为使横向绝缘栅双极型晶体管(LIGBT)器件有更好的作用，提高器件的横向耐压能力以减小器件的漂移区长度是个重要的研究课题。场板技术是优化横向绝缘栅双极型晶体管(LIGBT)器件表面电场、提高器件横向耐压能力的一种重要技术，而传统场板上不均匀的电荷分布使得器件并不能获得理想的表面电场分布，因此传统场板技术需要进一步的研究和改进。
发明内容
本发明提供一种带有电荷可调型场板的横向绝缘栅双极型晶体管，该器件中场板上的电荷可通过参数设计进行调节，使器件具有更高的横向耐压能力，更小的导通损耗和开关损耗。
本发明的技术方案如下：
1、一种带有电荷可调型场板的横向绝缘栅双极型晶体管，包括：P型半导体衬底，在P型半导体衬底上设置有N型漂移区和P型阱，在P型阱上设有N型阴极接触区、P型阴极接触区和第一场氧化层，在N型漂移区上设有P型阳极接触区和第二场氧化层，在P型阳极接触区上连接有阳极金属，在N型阴极接触区和P型阴极接触区上连接有阴极金属，在部分N型漂移区和部分P型阱上方设有栅氧化层，且栅氧化层的一端和N型阴极接触区的边界相抵，所述栅氧化层的另一端与第二场氧化层的边界相抵，在栅氧化层表面设有多晶硅栅，且多晶硅栅延伸至第二场氧化层的上方，在第一场氧化层、P型阴极接触区、N型阴极接触区、多晶硅栅、第二场氧化层和P型阳极接触区的上方设有介质层，其特征在于，所述第一场氧化层表面设有若干感应电容电极板，所述第二场氧化层表面设有若干电荷可调型场板，所述介质层表面设有若干上层电荷可调型场板，每一个电荷可调型场板和一个与之一一对应的感应电容电极板通过重掺杂的多晶硅或金属互连线相连接，每一个上层电荷可调型场板和一个与之一一对应的感应电容电极板通过重掺杂的多晶硅或金属互连线相连接。
进一步地，所述电荷可调型场板、上层电荷可调型场板和感应电容电极板的长度各不相同，可以根据设计需要分别进行调节。
进一步地，所述感应电容电极板即可以位于第一场板氧层表面，也可以位于介质层的表面。
本发明进一步公开了一种应用于打印机、电动机或者平板显示器上的驱动芯片，采用上述带有电荷可调型场板的横向绝缘栅双极型晶体管。
本发明进一步公开了一种打印机，采用上述的驱动芯片。
本发明进一步公开了一种电动机，采用上述的驱动芯片。
本发明有益效果：
(1)本发明结构中电荷可调型场板和上层电荷可调型场板在器件耐压状态下的电位和感应电荷量可以通过感应电容电极板的尺寸设计进行调节。使得场板上的感应电荷与漂移区中的电荷达到较好的平衡，从而使器件漂移区内获得均匀分布的表面横向电场，提高器件的横向耐压能力。
(2)本发明结构的器件漂移区横向电场分布均匀，横向耐压能力强，因此，器件实现目标击穿电压所需要的N型漂移区2的长度小，所以，本发明结构的器件具有较小的漂移区电阻，较大的开态电流能力。同时，器件N型漂移区2的长度减小会降低器件在开启状态下注入N型漂移区2的过量载流子，使得本发明结构器件在关断过程中所需要抽取的载流子数量少，器件的开关损耗降低。
(3)本发明结构中的电荷可调型场板、上层电荷可调型场板和感应电容电极板均可以利用传统CMOS工艺中的多晶硅栅或互连金属实现，不需要额外的工艺步骤，因此，本发明结构与传统CMOS工艺完全兼容，不会增加工艺成本。
附图说明
图1是本发明提供的带有电荷可调型场板的横向绝缘栅双极型晶体管结构示意图。
其中，1.P型半导体衬底，2.N型漂移区，3.P型阱，4.N型阴极接触区，5.P型阴极接触区，6.P型阳极接触区，71.第一场氧化层，72.第二场氧化层，8.栅氧化层，9.多晶硅栅，10.介质层，11.阳极金属，121.第一电荷可调型场板，122.第二电荷可调型场板，131.第一上层电荷可调型场板，132.第二上层电荷可调型场板，141.第一感应电容电极板，142.第二感应电容电极板，143.第三感应电容电极板，144.第四感应电容电极板，15.阴极金属。
具体实施方式：
参照图1，一种带有电荷可调型场板的横向绝缘栅双极型晶体管，包括：P型半导体衬底1，在P型半导体衬底1上设置有N型漂移区2和P型阱3，在P型阱3上设有N型阴极接触区4、P型阴极接触区5和第一场氧化层71，在N型漂移区2上设有P型阳极接触区6和第二场氧化层72，在P型阳极接触区6上连接有阳极金属11，在N型阴极接触区4和P型阴极接触区5上连接有阴极金属15，在部分N型漂移区2和部分P型阱3上方设有栅氧化层8，且栅氧化层8的一端和N型阴极接触区4的边界相抵，所述栅氧化层8的另一端与第二场氧化层72的边界相抵，在栅氧化层8表面设有多晶硅栅9，且多晶硅栅9延伸至第二场氧化层72的上方，在第一场氧化层71、P型阴极接触区5、N型阴极接触区4、多晶硅栅9、第二场氧化层72和P型阳极接触区6的上方设有介质层10，其特征在于，所述第一场氧化层71表面设有若干感应电容电极板，所述第二场氧化层72表面设有若干电荷可调型场板，所述介质层10表面设有若干上层电荷可调型场板；
需要说明的是，电荷可调型场板和上层电荷可调型场板的数量可以根据实际需要进行设置，感应电容电极板的数量等于电荷可调型场板和上层电荷可调型场板的数量之和。
本实施例中，电荷可调型场板的数量设为两个，如图1所示，分别为第一电荷可调型场板121和第二电荷可调型场板122；上层电荷可调型场板的数量设为两个，分别为第一上层电荷可调型场板131和第二上层电荷可调型场板132；感应电容电极板的数量为四个，分别为第一感应电容电极板141、第二感应电容电极板142、第三感应电容电极板143和第四感应电容电极板144；
第一电荷可调型场板121与第一感应电容电极板141通过重掺杂的多晶硅或金属互连线相连接；第二电荷可调型场板122与第二感应电容电极板142通过重掺杂的多晶硅或金属互连线相连接；第一上层电荷可调型场板131与第三感应电容电极板143通过重掺杂的多晶硅或金属互连线相连接；第二上层电荷可调型场板132与第四感应电容电极板144通过重掺杂的多晶硅或金属互连线相连接；
需要说明的是，本发明中，第一电荷可调型场板121、第二电荷可调型场板122、第一上层电荷可调型场板131和第二上层电荷可调型场板132的尺寸各不相同，可以根据设计需要进行调节；第一感应电容电极板141、第二感应电容电极板142、第三感应电容电极板143和第四感应电容电极板144即可以位于场氧化层71的表面，也可以位于介质层10的表面，根据实际设计需要进行选择。
本发明结构中，第一电荷可调型场板121与N型漂移区2之间存在寄生电容，命名为C121；第一感应电容电极板141与P型阱3之间存在寄生电容命名为C141；由于第一电荷可调型场板121和第一感应电容电极板141相连，寄生电容C121和C141之间形成串联关系，在器件关断耐压条件下，N型漂移区2处于高电位，P型阱3处于低电位，根据串联电容的分压关系，第一可调型场板121的电位介于N型漂移区2和P型阱3的电位之间，且第一可调型场板121的电位受寄生电容C121和C141的大小影响。
因此，通过调节第一可调型场板121和第一感应电容电极板141的尺寸即可调节寄生电容C121和C141的大小，进而调节第一可调型场板121的感应电位和感应电荷，使得第一可调型场板121上的感应电荷与N型漂移区2中的正空间电荷达到平衡，从而使第一可调型场板121下方的漂移区内获得均匀的表面横向电场分布。
同理，通过调节第二可调型场板122和第二感应电容电极板142的尺寸可以调节第二可调型场板122的感应电位和感应电荷，使第二可调型场板122下方的漂移区内获得均匀的表面横向电场分布；通过调节第一上层可调型场板131和第三感应电容电极板143的尺寸可以调节第一上层可调型场板131的感应电位和感应电荷，使第一上层可调型场板131下方的漂移区内获得均匀的表面横向电场分布；通过调节第二上层可调型场板132和第四感应电容电极板144的尺寸可以调节第二上层可调型场板132的感应电位和感应电荷，使第二上层可调型场板132下方的漂移区内获得均匀的表面横向电场分布。
所以，本发明结构的器件可以通过器件参数设计使不同的场板在关断耐压状态下具有不同的电位，从而使在整个漂移区内获得均匀的表面横向电场分布，提高器件的横向耐压能力。
本发明进一步公开了一种应用于打印机、电动机或者平板显示器上的驱动芯片，该芯片采用了本发明结构的带有电荷可调型场板的横向绝缘栅双极型晶体管。
本发明进一步公开了一种打印机、电动机或者平板显示器，上述装置均采用包括了本发明公开的带有电荷可调型场板的横向绝缘栅双极型晶体管的驱动芯片。
应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种带有电荷可调型场板的横向绝缘栅双极型晶体管，包括：P型半导体衬底，在P型半导体衬底上设置有N型漂移区和P型阱，在P型阱上设有N型阴极接触区、P型阴极接触区和第一场氧化层，在N型漂移区上设有P型阳极接触区和第二场氧化层，在P型阳极接触区上连接有阳极金属，在N型阴极接触区和P型阴极接触区上连接有阴极金属，在部分N型漂移区和部分P型阱上方设有栅氧化层，且栅氧化层的一端和N型阴极接触区的边界相抵，所述栅氧化层的另一端与第二场氧化层的边界相抵，在栅氧化层表面设有多晶硅栅，且多晶硅栅延伸至第二场氧化层的上方，在第一场氧化层、P型阴极接触区、N型阴极接触区、多晶硅栅、第二场氧化层和P型阳极接触区的上方设有介质层，其特征在于，所述第一场氧化层表面设有若干感应电容电极板，所述第二场氧化层表面设有若干电荷可调型场板，所述介质层表面设有若干上层电荷可调型场板；
每一个电荷可调型场板和一个与之一一对应的感应电容电极板通过重掺杂的多晶硅或金属互连线相连接，每一个上层电荷可调型场板和一个与之一一对应的感应电容电极板通过重掺杂的多晶硅或金属互连线相连接；
通过调节电荷可调型场板和/或感应电容电极板的尺寸可以调节电荷可调型场板的感应电位和感应电荷，通过调节上层电荷可调型场板和/或感应电容电极板的尺寸可以调节上层电荷可调型场板的感应电位和感应电荷，最终使器件整个漂移区内获得均匀的横向表面电场分布和很高的横向耐压能力。
2.根据权利要求1所述的带有电荷可调型场板的横向绝缘栅双极型晶体管，其特征在于，所述电荷可调型场板、上层电荷可调型场板和感应电容电极板的长度各不相同，可以根据设计需要分别进行调节。
3.一种应用于打印机、电动机或者平板显示器上的驱动芯片，其特征在于，采用权利要求1-2所述的任一种带有电荷可调型场板的横向绝缘栅双极型晶体管。
4.一种打印机，其特征在于，采用权利要求3所述的驱动芯片。
5.一种电动机，其特征在于，采用权利要求3所述的驱动芯片。
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