一种低导通功耗绝缘体上硅横向绝缘栅双极型晶体管的制作方法

本发明属于功率半导体技术领域，具体涉及一种低导通功耗绝缘体上硅横向绝缘栅双极型晶体管。

背景技术

绝缘栅双极晶体管，简称igbt，是一种由功率mos场效应晶体管与双极型晶体管的混合型电力电子器件,它具有mos输入、双极输出功能的mos、双极相结合的特性,mosfet结构用来向双极结型晶体管提供基极驱动电流，同时双极结型晶体管调制mosfet机构漂移区的电导率，因此igbt既有mosfet的输入阻抗高、控制功率小、驱动电路简单、开关速度高、开关损耗小的优点,又具有双极功率晶体管的电流密度大、饱和压降低、电流处理能力强的优点,是电力电子领域理想的开关器件。对于开关器件，降低导通时的功耗尤为重要。

技术实现要素：

本发明的目的，就是针对目前常规横向绝缘栅双极型晶体管导通功耗高的问题，提出一种低导通功耗绝缘体上硅横向绝缘栅双极型晶体管结构。本发明器件利用闩锁效应显著降低了器件导通时的导通电阻，从而减小了器件的导通功耗。

本发明的技术方案：一种低导通功耗横向绝缘栅双极型晶体管，其元胞结构包括p型衬底1、在p型衬底上的埋氧2和在埋氧2上的n型外延层，其特征在于，在n型外延层沿器件横向方向设有隔离氧化层5，隔离氧化层5沿器件垂直方向贯穿n型外延层，将n型外延层沿器件横向方向分隔成第一n型外延层3和第二n型外延层4；

在第一n型外延层3上部设有第一p型阱区6，在所述第一p型阱区6上部设有两个n型mos管，两个n型mos管共用一个p+源极短路区13，第一n型mos区和第二nmos区分别位于p+源极短路区13左右两侧，即p+源极短路区13位于第一p型阱区6上层中部；第一n型mos区包括第一n+漏区8、第一n+源区9、第一栅氧化层110，其中第一n+源区9与p+源极短路区13接触，第一n+漏区8位于第一p型阱区6上层一侧；所述第一栅氧化层110的一端延伸到第一n+漏区8上表面，另一端延伸到第一n+源区9上表面，第一栅氧化层110上表面设有第一多晶硅栅极120；所述第一n+源区9上方设有第一阴极金属131；所述第一n+漏区8上方设有第一阳极金属130；第二n型mos区包括第二n+源区10、第二n+漏区11和第二栅氧化层111，其中第二n+源区10与p+源极短路区13接触，第二n+漏区11位于第一p型阱区6上层另一侧并与隔离氧化层5接触；所述第二n+源区10上方设有第二阴极金属131，所述第二栅氧化层111的一端延伸到第二n+漏区11上表面，另一端延伸到第二n+源区10上表面，第二栅氧化层111上表面设有第二多晶硅栅极121；所述第二n+漏极上方设有第二阳极金属133；

在第二外延层4上层两侧设有第二p型阱区7和n型缓冲层14，其中第二p型阱区7与隔离氧化层5接触，在所述n型缓冲层14上层远离第二p型阱区7的一侧设有第三p+漏区15，在所述第三p+漏区15上方设有第三阳极金属136；在所述第三p型阱区7上部设有第三p+源区16和第三n+源区12，且第三p+源区16与隔离氧化层5接触；在所述第三p+源区16上方设有第三阴极金属134，在所述第三n+源区12上方设有第四阴极金属135；在所述第三p型阱区10上方设有第三栅氧化层112，第三栅氧化层112的一个边界延伸到第三n+源区12上方，另一个边界延伸到第三n型外延层4上方；在所述第三栅氧化层112上设有第三多晶硅栅极122；

所述第一阴极金属131为器件阴极；所述第一多晶硅栅极120与第三多晶硅栅极122通过金属互联作为器件栅极；所述第一阳极金属130通过金属互联与第四阴极金属135相连；所述第二多晶硅栅121通过金属互联与第二阳极金属133及第三阴极金属134相连；所述第三阳极金属136为器件阳极。

本发明的有益效果为，本发明器件导通时，阳极电压较小时，第二nmos管尚未开启，传统ligbt结构区中的p型阱区电势抬高，寄生npn晶体管开启，使器件进入闩锁状态，在传统ligbt结构区中形成强烈的电导调制，因此极大地降低了导通电阻。随着阳极电压逐渐增加，第二nmos管导通，使传统ligbt结构区中的p型阱区电压被钳位，从而关断了寄生的npn晶体管，器件退出闩锁状态，逐渐进入饱和状态。

附图说明

图1是传统绝缘体上硅横向绝缘栅双极型晶体管的器件剖面结构图；

图2是本发明提出的低导通功耗绝缘体上硅横向绝缘栅双极型晶体管的器件剖面结构图(未标序)；

图3是本发明提出的低导通功耗绝缘体上硅横向绝缘栅双极型晶体管的器件剖面结构图(标序)；

图4是本发明提出的低导通功耗绝缘体上硅横向绝缘栅双极型晶体管较小阳极电压工作情况下电流路径图；

图5本发明提出的低导通功耗绝缘体上硅横向绝缘栅双极型晶体管的在大阳极电压情况下进入饱和后的电流路径图；

图6是传统绝缘体上硅横向双极型晶体管的等效简化电路图及导通时的电流流向图；

图7是本发明提出的低导通功耗绝缘体上硅横向绝缘栅双极型晶体管的等效简化电路图及其工作在线性区下电流流向图；

图8是本发明提出的低导通功耗绝缘体上硅横向绝缘栅双极型晶体管的等效简化电路图及其工作在饱和区下电流流向图；

图9是本发明ligbt器件与传统结构ligbt器件正向耐压对比图；

图10是本发明ligbt器件与传统结构ligbt器件的正向导通i-v特性曲线对比图；

图11是本发明ligbt器件与传统结构ligbt器件在相同正向导通电流下空穴浓度分布的对比图；

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细的描述。

图3为本发明提出的一种低导通功耗横向绝缘栅双极型晶体管器件结构，如图所示，其元胞结构包括p型衬底1、在p型衬底上的埋氧2和在埋氧2上的n型外延层，其特征在于，在n型外延层沿器件横向方向设有隔离氧化层5，隔离氧化层5沿器件垂直方向贯穿n型外延层，将n型外延层沿器件横向方向分隔成第一n型外延层3和第二n型外延层4；在第一n型外延层3上部设有第一p型阱区6，在所述第一p型阱区6上部设有两个n型mos管，两个n型mos管共用一个p+源极短路区13，第一n型mos区和第二nmos区分别位于p+源极短路区13左右两侧，即p+源极短路区13位于第一p型阱区6上层中部；第一n型mos区包括第一n+漏区8、第一n+源区9、第一栅氧化层110，其中第一n+源区9与p+源极短路区13接触，第一n+漏区8位于第一p型阱区6上层一侧；所述第一栅氧化层110的一端延伸到第一n+漏区8上表面，另一端延伸到第一n+源区9上表面，第一栅氧化层110上表面设有第一多晶硅栅极120；所述第一n+源区9上方设有第一阴极金属131；所述第一n+漏区8上方设有第一阳极金属130；第二n型mos区包括第二n+源区10、第二n+漏区11和第二栅氧化层111，其中第二n+源区10与p+源极短路区13接触，第二n+漏区11位于第一p型阱区6上层另一侧并与隔离氧化层5接触；所述第二n+源区10上方设有第二阴极金属131，所述第二栅氧化层111的一端延伸到第二n+漏区11上表面，另一端延伸到第二n+源区10上表面，第二栅氧化层111上表面设有第二多晶硅栅极121；所述第二n+漏极上方设有第二阳极金属133；在第二外延层4上层两侧设有第二p型阱区7和n型缓冲层14，其中第二p型阱区7与隔离氧化层5接触，在所述n型缓冲层14上层远离第二p型阱区7的一侧设有第三p+漏区15，在所述第三p+漏区15上方设有第三阳极金属136；在所述第三p型阱区7上部设有第三p+源区16和第三n+源区12，且第三p+源区16与隔离氧化层5接触；在所述第三p+源区16上方设有第三阴极金属134，在所述第三n+源区12上方设有第四阴极金属135；在所述第三p型阱区10上方设有第三栅氧化层112，第三栅氧化层112的一个边界延伸到第三n+源区12上方，另一个边界延伸到第三n型外延层4上方；在所述第三栅氧化层112上设有第三多晶硅栅极122；所述第一阴极金属131为器件阴极；所述第一多晶硅栅极120与第三多晶硅栅极122通过金属互联作为器件栅极；所述第一阳极金属130通过金属互联与第四阴极金属135相连；所述第二多晶硅栅121通过金属互联与第二阳极金属133及第三阴极金属134相连；所述第三阳极金属136为器件阳极。

如图1所示，为传统绝缘体上硅横向双极型晶体管。如图2所示，本发明提出的一种低导通功耗绝缘体上硅横向绝缘栅双极型晶体管。本发明与传统ligbt结构不同的地方在于，本发明对器件阴极区进行了改造。传统ligbt结构其阴极金属同时与p+源区、n+源区短接，而本发明通过将传统ligbt结构区中的p+源区、n+源区上金属分隔开，在传统ligbt的n+源区上的外接一个n型mos管(传统ligbt的栅极连接n型mos管的栅极，传统ligbt的n+源区连接n型mos管的n+漏区，n型mos管的源极作为本发明阴极)，在传统ligbtp+源区上的外接另一个n型mos管(传统ligbt的p+源区同时连接n型mos管的n+漏区和栅极，n型mos管的源极作为本发明阴极)。同时通过隔离氧化层隔离mos区和传统ligbt区。

本发明提出的一种低导通功耗绝缘体上硅横向绝缘栅双极型晶体管，如图3所示，其工作原理如下：

通态线性区原理：器件栅极上施加大于阈值电压的电压，当器件的阳极电压小于pn结内建电势时，电子由器件的阴极依次流过第一noms区和ligbt的n沟道，最后流入ligbt的漂移区(第三n型外延层5)，为寄生pnp管提供基极电流，如图4所示；当器件的阳极电压较小但大于pn结内建电势时，空穴从器件的阳极注入到ligbt的漂移区(第三n型外延层5)，同时第二nmos管由于栅上电压未达到阈值电压，因此第二nmos管不会开启，阻止了空穴从第三p+源区流向器件的阴极，使得空穴在ligbt的p阱区(第三p阱区10)积累，从而使得p阱区(第三p阱区10)电势抬高。当第三p阱区10/第三n+源区15之间的电势大于pn结内建电势时，由第三n+源区15、第三p阱区10、第三n型外延层5构成的npn寄生三极管触发，大量的电子通过p阱区注入到漂移层，从而器件漂移层的载流子密度明显提高，电流能力抬升，实现低的导通电阻。

通态饱和区原理：当通态下阳极电压进一步增加时，传统ligbt区强烈的电导调制效应导致传统ligbt区的导通压降较低，从而使得第三p阱区和第三n+源区的电势随之抬升。由于第三p阱区(第三p阱区10)与第二nmos的栅极和漏极相连接，第二nmos的栅极和漏极电势随之提高，当p阱区的电势大于第二nmos的阈值电压后，第二nmos导通，空穴可以通过第二nmos从第三p阱区10流向器件阴极，第三p阱区的电势被第二nmos箝位，而第三n+源区10的电势可以继续抬升。当p阱区/第三n+源区之间的电势小于pn结内建电势时，由第三n+源区15、第三p阱区10、第三n型外延层5构成的npn寄生三极管关断，器件电子电流通过ligbt的mos沟道流走，而空穴电流通过第三p阱区由第二nmos流向器件阴极，器件进入饱和状态。

为了验证本发明结构的优点，本发明采用了半导体器件仿真软件medici对器件的结构进行了对比仿真，结果如图4～图11所示，图4为本发明结构在较低的阳极电压时，传统ligbt结构区进入闩锁状态时的电流流向图。从图中可以看出，此时器件发生了闩锁效应，并且此时第二nmos未开启。图5为本发明随着阳极电压继续增大后器件进入饱和状态时的电流流向图，由于第二nmos的开启，器件退出闩锁状态，逐渐进入饱和工作区。图6为传统ligbt结构的等效简化电路图和其正向导通状态下的电流流向图，图7和图8分别为本发明器件工作在线性区和饱和区状态下的电流流向图。对比图6、图7、图8可以看出，本发明器件在线性区与饱和区工作状态下的电流流向不一致，图7显示本发明器件在线性工作区工作时，由pnp管与寄生npn管组成的寄生晶闸管发生闩锁效应，从而在漂移区内形成强烈的电导调制使得器件导通电阻降低。图8显示本发明器件在饱和工作区工作时电流流向与传统结构器件工作时电流流向一致。图9为本发明器件与传统ligbt结构的耐压对比图，可以从图中看出，本发明结构和传统结构的耐压能力没有明显区别。图10为本发明器件与传统结构器件的正向导通特性对比图，可以明显看出本发明具有更低的导通电阻，因此具有更低的导通功耗。图11所示为本发明与传统结构在在相同正向导通电流下空穴浓度分布的对比图，本发明器件漂移区中载流子分布更均匀，并且浓度较传统结构ligbt高了一个数量级，有利于降低器件导通电阻。