CN117374108B - 一种soi ligbt器件及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种SOI LIGBT器件及其制备方法，其元胞结构包括P型衬底、埋氧层、N型漂移区，N型漂移区顶部的两端设置有发射区和N型缓冲层，发射区上形成有发射极，N型缓冲层上形成有集电极；N型漂移区顶部的还设有P‑top层、第一矩形沟槽和第二矩形沟槽；P‑top层位于发射区和N型缓冲层之间，第一矩形沟槽、第二矩形沟槽均位于发射区与P‑top层之间，设置于P‑top层靠近发射区的一侧的两端，第一矩形沟槽、第二矩形沟槽的上表面分别形成第一栅极、第二栅极，第一矩形沟槽和第二矩形沟槽之间形成空穴抽取通道；与现有技术相比，减小了器件的导通电阻，降低了关断损耗。
Description
技术领域
本发明涉及功率半导体结构技术领域，特别涉及一种SOI LIGBT器件及其制备方法。
背景技术
绝缘栅双极型晶体管（Insulated Gate Bipolar Transister，IGBT）是MOS栅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-LateralInsulated Gate Bipolar Transister，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的应用。
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，这就促使研究者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领域。其中SOI LIGBT器件的电流能力是衡量器件开启性能的重要标准，而开启时的电流峰值过高对器件的开启损耗、安全性能都有很大的影响。器件的di/dt能力反映了器件开启时电流上升的快慢。若电流上升过快，则显示器件的开启电流上升过快，甚至电流过大，造成器件开启不安全，开启损耗过大；若di/dt过小则表明器件电流上升速度过慢，造成器件开启速度过慢，器件开启损耗也会过大。所以为了提高器件开启时的di/dt的能力，有研究者提出了平面栅U型沟道的SOI LIGBT结构，通过采用这种结构，平面栅U型沟道的SOILIGBT器件的di/dt能力得到提高。在此结构中，增加了空穴注入和电导率调制效果，所以di/dt能力得到提高，即器件导通的速度变快；然而，在这些SOI LIGBT结构中，因为存在JFET区域，增加了导通电阻，使得导通压降并不能有效的降低。
发明内容
本发明提供了一种SOI LIGBT器件及其制备方法，其目的是为了减小器件的导通电阻，降低关断损耗。
为了达到上述目的，本发明提供了一种SOI LIGBT器件，其元胞结构包括自下而上依次层叠的P型衬底、埋氧层、N型漂移区，N型漂移区顶部的两端设置有发射区和N型缓冲层，发射区上形成有发射极，N型缓冲层上形成有集电极；
N型漂移区顶部的还设有P-top层、第一矩形沟槽和第二矩形沟槽；
P-top层位于发射区和N型缓冲层之间，P-top层靠近发射区的一侧的中部与发射区相接，第一矩形沟槽、第二矩形沟槽均位于发射区与P-top层之间，设置于P-top层靠近发射区的一侧的两端分别通过第一矩形沟槽和第二矩形沟槽与发射区相接，第一矩形沟槽的上表面形成第一栅极，第二矩形沟槽的上表面形成第二栅极，第一矩形沟槽和第二矩形沟槽之间形成空穴抽取通道。
进一步来说，发射区包括P型阱区、P+有源区、第一N+有源区和第二N+有源区组成；
P型阱区设置于发射区的下部；
P+有源区位于P型阱区上，P+有源区靠近P-top层的一侧中部与P-top层靠近发射区的一侧的中部相接；
第一N+有源区、第二N+有源区均位于P型阱区上；
第一N+有源区位于P+有源区与第一矩形沟槽之间；
第二N+有源区位于P+有源区与第二矩形沟槽之间；
P+有源区的上表面与第一N+有源区的上表面、第二N+有源区的上表面共同形成发射极。
进一步来说，P-top层内沉积有浓度为3×1015cm-3的P型掺杂离子。
进一步来说，第一矩形沟槽和第二矩形沟槽内均生长有500A的牺牲氧之后，进行干氧处理形成栅氧结构。
进一步来说，P+有源区内注入有磷离子。
进一步来说，第一N+有源区、第二N+有源区内均注入有砷离子。
进一步来说，第一矩形沟槽和第二矩形沟槽的深度均大于P-top层的深度，第一矩形沟槽和第二矩形沟槽的深度均小于N型漂移区的厚度。
本发明还提供了一种SOI LIGBT器件的制备方法，应用于上述的SOI LIGBT器件，制备方法包括：
步骤1，提供P型衬底；
步骤2，P型衬底向上生长形成埋氧层和N型漂移区，并在N型偏移区顶部的两端设置发射区和N型缓冲层；
步骤3，通过掩膜版在N型漂移区上刻蚀一个矩形沟槽，矩形沟槽位于发射区和N型缓冲层之间；
步骤4，利用低压化学气相沉积在矩形沟槽内淀积生长浓度为3×1015cm-3的P型掺杂离子形成P-top层，P-top层与发射区相接；
步骤5，调用栅氧层掩膜版在P-top层与发射区之间刻蚀得到第一矩形沟槽和第二矩形沟槽，并在第一矩形沟槽和第二矩形沟槽之间形成空穴抽取通道；
步骤6，在第一矩形沟槽和第二矩形沟槽内均预热氧化生长500A的牺牲氧之后，进行干氧处理形成栅氧结构，并在第一矩形沟槽中的栅氧结构上表面形成第一栅极，在第二矩形沟槽中的栅氧结构上表面形成第二栅极；
步骤7，在发射区内注入P型掺杂离子形成P型阱区，在N型缓冲层内注入N型掺杂离子，并在N型缓冲层的上表面形成集电极；
步骤8，在P型阱区上靠近第一矩形沟槽的一侧和靠近第二矩形沟槽的一侧分别注入磷离子形成第一N+有源区和第二N+有源区，并在P型阱区上远离第一矩形沟槽和第二矩形沟槽的的一侧注入砷离子形成P+有源区，P+有源区靠近第一N+有源区的一侧的中部与P-top层靠近发射区的一侧的中部相接，P+有源区的上表面与第一N+有源区的上表面、第二N+有源区的上表面共同形成发射极。
进一步来说，空穴抽取通道由第一栅极和第二栅极控制，空穴通过空穴抽取通道与发射极相连。
本发明的上述方案有如下的有益效果：
本发明所提供的SOI LIGBT器件，其元胞结构包括自下而上依次层叠的P型衬底、埋氧层、N型漂移区，N型漂移区顶部的两端设置有发射区和N型缓冲层，发射区上形成有发射极，N型缓冲层上形成有集电极；N型漂移区顶部的还设有P-top层、第一矩形沟槽和第二矩形沟槽；P-top层位于发射区和N型缓冲层之间，P-top层靠近发射区的一侧的中部与发射区相接，第一矩形沟槽、第二矩形沟槽均位于发射区与P-top层之间，设置于P-top层靠近发射区的一侧的两端分别通过第一矩形沟槽和第二矩形沟槽与发射区相接，第一矩形沟槽的上表面形成第一栅极，第二矩形沟槽的上表面形成第二栅极，第一矩形沟槽和第二矩形沟槽之间形成空穴抽取通道；与现有技术相比，空穴抽取通道由第一栅极和第二栅极控制，空穴通过空穴抽取通道与发射极相连，在器件栅极加压时，第一栅极和第二栅极之间形成空穴势垒，从而阻断了空穴抽取通道实现快速关断，降低器件的关断损耗，同时还会保持N型漂移区内载流子的浓度，增加器件的电导调制作用，从而减小器件的导通电阻，以减小器件导通时的损耗。
本发明的其它有益效果将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
图1为本发明实施例的三维结构示意图；
图2中（a）为本发明实施例沿A-A’截面的正向导通机理图；（b）为本发明实施例沿A-A’截面正向关断机理图；
图3中（a）为本发明实施例沿B-B’截面的正向导通机理图；（b）为本发明实施例沿B-B’截面的正向关断机理图；
图4为本发明实施例与常规结构器件在相同导通压降下的关断曲线仿真结果图；
图5为本发明实施例与常规结构器件的栅电荷特性曲线对比图。
【附图标记说明】
| 1-P型衬底 | 2-埋氧层 | 3-N型漂移区 | 4-P-top层 |
| 5-N型缓冲层 | 6-发射区 | 7-第一矩形沟槽 | 8-第二矩形沟槽 |
| 9-第一栅极 | 10-第二栅极 | 11-P型阱区 | 12-P+有源区 |
| 13-第一N+有源区 | 14-第二N+有源区 | 15-发射极 | 16-集电极 |
| 17-空穴抽取通道。 |
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是锁定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
本发明针对现有的问题，提供了一种SOI LIGBT器件及其制备方法。
如图1所示，本发明的实施例提供了一种SOI LIGBT器件，其元胞结构包括自下而上依次层叠的P型衬底1、埋氧层2、N型漂移区3，N型漂移区3顶部的两端设置有发射区6和N型缓冲层5，发射区6上形成有发射极15，N型缓冲层5上形成有集电极16，N型漂移区3顶部的还设有P-top层4、第一矩形沟槽7和第二矩形沟槽8；
P-top层4位于发射区6和N型缓冲层5之间，P-top层4靠近发射区6的一侧的中部与发射区6相接，第一矩形沟槽7、第二矩形沟槽8均位于发射区6与P-top层4之间，设置于P-top层4靠近发射区6的一侧的两端分别通过第一矩形沟槽7和第二矩形沟槽8与发射区6相接，第一矩形沟槽7的上表面形成第一栅极9，第二矩形沟槽8的上表面形成第二栅极10，第一矩形沟槽7和第二矩形沟槽8之间形成空穴抽取通道17；在本发明实施例中第一栅极9和第二栅极10共同组成SOI LIGBT器件的栅极。
本发明实施例所提供的SOI LIGBT器件为存在空穴抽取通道（Adaptive HoleChannel，AHC）路径的SOI LIGBT器件，在导通状态下，发射区6被第一栅极9和第二栅极10耗尽，空穴路径被掐断，以保持高注入效率，P-top层4高于N型漂移区3，这导致导通电压降低，在关断瞬态过程中，P型阱区只适应地返回到中性区域，然后打开空穴抽取通道17。
在本发明实施例中，第一矩形沟槽7和第二矩形沟槽8之间形成空穴抽取通道，可以使得空穴能够快速进行栅极、发射极和集电极端并注入到半导体层中，从而有效提高了器件效率和功率密度，同时也降低了漏电流。
最优选的是，发射区6包括P型阱区11、P+有源区12、第一N+有源区13和第二N+有源区14；
P型阱区11位于发射区6的下部；
P+有源区12位于P型阱区11上，P+有源区12靠近P-top层4的一侧中部与P-top层4靠近发射区6的一侧的中部相接；
第一N+有源区13、第二N+有源区14均位于P型阱区11上；
第一N+有源区13位于P+有源区12与第一矩形沟槽7之间；
第二N+有源区14位于P+有源区12与第二矩形沟槽8之间；
P+有源区12的上表面与第一N+有源区13的上表面、第二N+有源区14的上表面共同形成发射极15。
最优选的是，P-top层4内沉积有浓度为3×1015cm-3的P型掺杂离子。
最优选的是，第一矩形沟槽7和第二矩形沟槽8内均生长有500A的牺牲氧之后，进行干氧处理形成栅氧结构。
最优选的是，P+有源区12内注入有磷离子。
最优选的是，第一N+有源区13、第二N+有源区14内均注入有砷离子。
最优选的是，第一矩形沟槽7和第二矩形沟槽8的深度均大于P-top层4的深度，第一矩形沟槽7和第二矩形沟槽8的深度均小于N型漂移区3的厚度。
如图2、3所示，本发明实施例所提供的SOI LIGBT器件在导通状态下，第一栅极9和第二栅极10加压，在第一栅极9的内侧和第二栅极10的内侧会形成空穴势垒，从而阻断了空穴抽取通道（Adaptive Hole Channel，AHC）路径，同时会保持N型漂移区3内载流子浓度，增加器件的电导调制作用，从而极大的减小器件的导通电阻，以减小导通时的损耗。
本发明实施例通过TCAD仿真软件在相同的导通压降下进行结构仿真试验，获取本发明实施例所提供的SOI LIGBT器件、常规结构的CON.SOI LIGBT、CON.Ptop SOI LIGBT的关断曲线进行对比，其对比结果如图4所示，CON.SOI LIGBT、CON.Ptop SOI LIGBT的关断损耗分别为2.28mJ/cm2、1.372mJ/cm2，本发明实施例所提供的SOI LIGBT器件的关断损耗为0.818mJ/cm2，且关断损耗最高为0.869mJ/cm2，与CON.Ptop SOI LIGBT相比，在相同导通压降为0.94V的情况下，本发明实施例所提供的SOI LIGBT器件的关断损耗降低了40.1%。
本发明实施例通过TCAD仿真软件在相同的导通压降下进行电学特性仿真试验，获取本发明实施例所提供的SOI LIGBT器件、常规结构的CON.SOI LIGBT、CON.Ptop SOILIGBT的关断曲线进行对比，其对比结果如图5所示，CON.SOI LIGBT、CON.Ptop SOI LIGBT累积的栅电荷总量分别为255nC·cm-2、270nC·cm-2，本发明实施例所提供的SOI LIGBT器件累积的栅电荷总量为243；在栅电压上升到10V时，本发明实施例所提供的SOI LIGBT器件相较于CON.SOI LIGBT来说减小了5.1nC·cm-2，相较于CON.Ptop SOI LIGBT来说减小了11.1nC·cm-2。
本发明实施例还提供了一种SOI LIGBT器件的制备方法，应用于SOI LIGBT器件，制备方法包括：
步骤1，提供P型衬底；
步骤2，P型衬底向上生长形成埋氧层和N型漂移区，并在N型偏移区顶部的两端设置发射区和N型缓冲层；
步骤3，通过掩膜版在N型漂移区上刻蚀一个矩形沟槽，矩形沟槽位于发射区和N型缓冲层之间；
步骤4，利用低压化学气相沉积在矩形沟槽内淀积生长浓度为3×1015cm-3的P型掺杂离子形成P-top层，P-top层与发射区相接；
步骤5，调用栅氧层掩膜版在P-top层与发射区之间刻蚀得到第一矩形沟槽和第二矩形沟槽，并在第一矩形沟槽和第二矩形沟槽之间形成空穴抽取通道；
步骤6，在第一矩形沟槽和第二矩形沟槽内均预热氧化生长500A的牺牲氧之后，进行干氧处理形成栅氧结构，并在第一矩形沟槽中的栅氧结构上表面形成第一栅极，在第二矩形沟槽中的栅氧结构上表面形成第二栅极；
步骤7，在发射区内注入P型掺杂离子形成P型阱区，在N型缓冲层内注入N型掺杂离子，并在N型缓冲层的上表面形成集电极；
步骤8，在P型阱区上靠近第一矩形沟槽的一侧和靠近第二矩形沟槽的一侧分别注入磷离子形成第一N+有源区和第二N+有源区，并在P型阱区上远离第一矩形沟槽和第二矩形沟槽的的一侧注入砷离子形成P+有源区，P+有源区靠近第一N+有源区的一侧的中部与P-top层靠近发射区的一侧的中部相接，P+有源区的上表面与第一N+有源区的上表面、第二N+有源区的上表面共同形成发射极。
最优选的是，空穴抽取通道由第一栅极和第二栅极控制，空穴通过空穴抽取通道与发射极相连。
本发明实施例所提供的SOI LIGBT器件，其元胞结构包括自下而上依次层叠的P型衬底、埋氧层、N型漂移区，N型漂移区顶部的两端设置有发射区和N型缓冲层，发射区上形成有发射极，N型缓冲层上形成有集电极；N型漂移区顶部的还设有P-top层、第一矩形沟槽和第二矩形沟槽；P-top层位于发射区和N型缓冲层之间，P-top层靠近发射区的一侧的中部与发射区相接，第一矩形沟槽、第二矩形沟槽均位于发射区与P-top层之间，设置于P-top层靠近发射区的一侧的两端分别通过第一矩形沟槽和第二矩形沟槽与发射区相接，第一矩形沟槽的上表面形成第一栅极，第二矩形沟槽的上表面形成第二栅极，第一矩形沟槽和第二矩形沟槽之间形成空穴抽取通道；与现有技术相比，空穴抽取通道由第一栅极和第二栅极控制，空穴通过空穴抽取通道与发射极相连，在器件栅极加压时，第一栅极和第二栅极之间形成空穴势垒，从而阻断了空穴抽取通道实现快速关断，降低器件的关断损耗，同时还会保持N型漂移区内载流子的浓度，增加器件的电导调制作用，从而减小器件的导通电阻，以减小器件导通时的损耗。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种SOI LIGBT器件，其元胞结构包括自下而上依次层叠的P型衬底（1）、埋氧层（2）、N型漂移区（3），所述N型漂移区（3）顶部的两端设置有发射区（6）和N型缓冲层（5），所述发射区（6）上形成有发射极（15），所述N型缓冲层（5）上形成有集电极（16），其特征在于，
所述N型漂移区（3）顶部的还设有P顶层（4）、第一矩形沟槽（7）和第二矩形沟槽（8）；
所述P顶层（4）位于所述发射区（6）和所述N型缓冲层（5）之间，所述P顶层（4）靠近所述发射区（6）的一侧的中部与所述发射区（6）相接，所述第一矩形沟槽（7）、所述第二矩形沟槽（8）均位于所述发射区（6）与所述P顶层（4）之间，所述第一矩形沟槽（7）、所述第二矩形沟槽（8）靠近所述发射区（6）的一侧的两端，所述第一矩形沟槽（7）、所述第二矩形沟槽（8）均与所述发射区（6）相接，所述第一矩形沟槽（7）的上表面形成第一栅极，所述第二矩形沟槽（8）的上表面形成第二栅极，所述第一矩形沟槽（7）和所述第二矩形沟槽（8）之间形成空穴抽取通道（17）。
2.根据权利要求1所述的SOI LIGBT器件，其特征在于，
所述发射区（6）包括P型阱区（11）、P+有源区（12）、第一N+有源区（13）和第二N+有源区（14）；
所述P型阱区（11）位于所述发射区（6）的下部；
所述P+有源区（12）位于所述P型阱区（11）上，所述P+有源区（12）靠近所述P顶层（4）的一侧中部与所述P顶层（4）靠近所述发射区（6）的一侧的中部相接；
所述第一N+有源区（13）、所述第二N+有源区（14）均位于所述P型阱区（11）上；
所述第一N+有源区（13）位于所述P+有源区（12）与所述第二矩形沟槽（8）之间；
所述第二N+有源区（14）位于所述P+有源区（12）与所述第一矩形沟槽（7）之间；
所述P+有源区（12）的上表面与所述第一N+有源区（13）的上表面、所述第二N+有源区（14）的上表面共同形成发射极（15）。
3.根据权利要求2所述的SOI LIGBT器件，其特征在于，所述P顶层（4）内沉积有浓度为3×1015cm-3的P型掺杂离子。
4.根据权利要求3所述的SOI LIGBT器件，其特征在于，所述第一矩形沟槽（7）和所述第二矩形沟槽（8）内均生长有500埃的牺牲氧之后，进行干氧处理形成栅氧结构。
5.根据权利要求4所述的SOI LIGBT器件，其特征在于，所述P+有源区（12）内注入有磷离子。
6.根据权利要求5所述的SOI LIGBT器件，其特征在于，所述第一N+有源区（13）、所述第二N+有源区（14）内均注入有砷离子。
7.根据权利要求6所述的SOI LIGBT器件，其特征在于，所述第一矩形沟槽（7）和所述第二矩形沟槽（8）的深度均大于所述P顶层（4）的深度，所述第一矩形沟槽（7）和所述第二矩形沟槽（8）的深度均小于所述N型漂移区（3）的厚度。
8.一种SOI LIGBT器件的制备方法，其特征在于，应用于如权利要求1-7任意一项所述的SOI LIGBT器件，所述制备方法包括：
步骤1，提供P型衬底；
步骤2，所述P型衬底向上生长形成埋氧层和N型漂移区，并在所述N型漂移区顶部的两端设置发射区和N型缓冲层；
步骤3，通过掩膜版在所述N型漂移区上刻蚀一个矩形沟槽，所述矩形沟槽位于所述发射区和所述N型缓冲层之间；
步骤4，利用低压化学气相沉积在所述矩形沟槽内淀积生长浓度为3×1015cm-3的P型掺杂离子形成P顶层，所述P顶层与所述发射区相接；
步骤5，调用栅氧层掩膜版在所述P顶层与所述发射区之间刻蚀得到第一矩形沟槽和第二矩形沟槽，并在所述第一矩形沟槽和所述第二矩形沟槽之间形成空穴抽取通道；
步骤6，在所述第一矩形沟槽和所述第二矩形沟槽内均预热氧化生长500埃的牺牲氧之后，进行干氧处理形成栅氧结构，并在所述第一矩形沟槽中的栅氧结构上表面形成第一栅极，在所述第二矩形沟槽中的栅氧结构上表面形成第二栅极；
步骤7，在所述发射区内注入P型掺杂离子形成P型阱区，在所述N型缓冲层内注入N型掺杂离子，并在所述N型缓冲层的上表面形成集电极；
步骤8，在所述P型阱区上靠近所述第一矩形沟槽的一侧和靠近所述第二矩形沟槽的一侧分别注入磷离子形成第一N+有源区和第二N+有源区，并在所述P型阱区上远离所述第一矩形沟槽和所述第二矩形沟槽的的一侧形成P+有源区，所述P+有源区靠近所述第一N+有源区的一侧的中部与所述P顶层靠近所述发射区的一侧的中部相接，所述P+有源区的上表面与所述第一N+有源区的上表面、所述第二N+有源区的上表面共同形成发射极。
9.根据权利要求8所述的SOI LIGBT器件的制备方法，其特征在于，
所述空穴抽取通道由所述第一栅极和所述第二栅极控制，空穴通过所述空穴抽取通道与所述发射极相连。
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