一种SOI横向绝缘栅双极晶体管

一种soi横向绝缘栅双极晶体管
技术领域
1.本发明属于功率半导体领域，主要提出了一种soi横向绝缘栅双极晶体管。


背景技术：

2.横向绝缘栅双极晶体管具有高输入阻抗，电压控制以及低导通电阻等优点，且具有纵向器件所不具有的易于集成的优势。因此，横向绝缘栅双极晶体管愈加受到重视与推崇，从而发展越发迅速，应用领域越发广泛。而功率器件的基本要求就是能承受高电压，击穿电压的设计是ligbt器件设计的一个极为重要的环节。传统的ligbt主要通过p-body对漂移区的耗尽，衬底对漂移区耗尽作用很小，横向电场由p-body到n-buffer呈下降趋势，如何优化电场，进一步提高器件耐压，成为soi-ligbt的一个重要的设计点。


技术实现要素：

3.针对上述问题，本发明提出一种具有电场钳位层的介质场增强的soi横向绝缘栅双极晶体管，优化器件的横向电场和纵向电场，提高器件的耐压能力。
4.为实现上述发明目的，本发明技术方案如下：
5.一种具有电场钳位层的介质场增强的soi横向绝缘栅双极晶体管，包括：
6.第一导电类型半导体衬底11、第一导电类型阱区12、第一导电类型重掺杂发射极区13，第一导电类型重掺杂集电极区14，第一导电类型top区15，第二导电类型漂移区21、第二导电类型阱区22、第二导电类型重掺杂发射极区23，第一介质氧化层31、第二介质氧化层32、第三介质氧化层33，埋氧层34，多晶硅电极41、控制栅多晶硅电极42，金属条51，发射极接触电极52，集电极接触电极53；
7.其中，埋氧层34位于第一导电类型半导体衬底11上方，第二导电类型漂移区21位于埋氧层34上方，第一导电类型top区15位于第二导电类型漂移区21表面，第一导电类型阱区12位于第二导电类型漂移区21的左侧，第二导电类型阱区22位于第二导电类型漂移区21的右侧，第一导电类型重掺杂发射极区13和第二导电类型重掺杂发射极区23位于第一导电类型阱区12中，发射极接触电极52位于第一导电类型重掺杂发射极区13和第二导电类型重掺杂发射极区23的上表面；第一导电类型重掺杂集电极区14位于第二导电类型阱区22中，集电极接触电极53位于第一导电类型重掺杂集电极区14上表面；第二介质氧化层32位于第一导电类型阱区12上方，并且左端与第二导电类型重掺杂发射极区23相接触，右端与第二导电类型漂移区21相接触；第三介质氧化层33位于第二介质氧化层32与第一导电类型重掺杂集电极区14之间的第二导电类型漂移区21的上表面；控制栅多晶硅电极42覆盖在第二介质氧化层32的上表面并部分延伸至第三介质氧化层33的上表面；
8.第一介质氧化层31和多晶硅电极41构成纵向浮空场板，且第一介质氧化层31包围浮空场板多晶硅电极41，多晶硅电极41下端深入埋氧层34中，所述纵向浮空场板分布在整个第二导电类型漂移区21中，形成纵向浮空场板阵列；纵向浮空场板，与集电极区域纵向场板的第一介质氧化层31和埋氧层34相连。
9.作为优选方式，距离源极和漏极等距离的纵向浮空场板通过通孔与金属条51连接，形成体内等势环。
10.作为优选方式，第一导电类型top区15位于第二导电类型漂移区21表面，且第一导电类型top区15的形状是：全覆盖、条形、圆形、或椭圆形。
11.作为优选方式，纵向浮空场板的截面形状是矩形、或圆形、或椭圆形、或六边形。
12.作为优选方式，多晶硅电极41插入埋氧层内部的深度可以调整，或者多晶硅电极41插入埋氧层34下方。
13.作为优选方式，第二导电类型阱区22中设置第二导电类型重掺杂集电极区24与第一导电类型重掺杂集电极区14相邻，第二导电类型重掺杂集电极区24与第一导电类型重掺杂集电极区14二者用集电极接触电极53连接，构成阳极短路结构。
14.作为优选方式，第一介质氧化层31和多晶硅电极41在集电极区域形成与集电极接触电极53相连的纵向场板，并且平行插入第二导电类型阱区22，形成阳极电阻结构。
15.作为优选方式，槽壁氧化过程中氧化层完全填充槽，集电极区域纵向场板变为介质槽。
16.作为优选方式，重掺杂的掺杂浓度大于1e19cm-3
。
17.本发明的有益效果为：本发明在器件开态时，纵向浮空场板表面能够形成积累层，提高了器件的饱和电流；器件关态时，表面top区可几乎由纵向浮空场板全耗尽，表面场将被top区钳位，因此第二导电类型漂移区的掺杂浓度在更大范围变化时器件表面场均不发生变化，一定程度上杜绝了器件的表面击穿。另外，插入埋氧层的多晶硅电极将电场线引入到埋氧层内，实现了介质场增强，提高了器件的纵向耐压。
附图说明
18.图1为实施例1的结构示意图；
19.图2为实施例1的结构俯视图；
20.图3为实施例1的仿真电场线示意图
21.图4为实施例2的结构俯视图；
22.图5为实施例2的结构俯视图；
23.图6为实施例3的结构示意图；
24.图7为实施例3的结构俯视图；
25.图8为实施例4的结构示意图；
26.图9为实施例4的结构俯视图；
27.11为第一导电类型半导体衬底、12为第一导电类型阱区、13为第一导电类型重掺杂发射极区，14为第一导电类型重掺杂集电极区、15为第一导电类型top区、21为第二导电类型漂移区、22为第二导电类型阱区、23为第二导电类型重掺杂发射极区，24为第二导电类型重掺杂集电极区，31为第一介质氧化层、32为第二介质氧化层、33为第三介质氧化层，34为埋氧层，41为多晶硅电极、42为控制栅多晶硅电极，51为金属条，52为发射极接触电极，53为集电极接触电极。
具体实施方式
28.以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
29.实施例1
30.实施例1所述的一种电场钳位层的介质场增强的soi横向绝缘栅双极晶体管，如图1，图2和图3所示，具体包括：
31.第一导电类型半导体衬底11、第一导电类型阱区12、第一导电类型重掺杂发射极区13，第一导电类型重掺杂集电极区14，第一导电类型top区15，第二导电类型漂移区21、第二导电类型阱区22、第二导电类型重掺杂发射极区23，第一介质氧化层31、第二介质氧化层32、第三介质氧化层33，埋氧层34，多晶硅电极41、控制栅多晶硅电极42，金属条51，发射极接触电极52，集电极接触电极53；
32.其中，埋氧层34位于第一导电类型半导体衬底11上方，第二导电类型漂移区21位于埋氧层34上方，第一导电类型top区15位于第二导电类型漂移区21表面，第一导电类型阱区12位于第二导电类型漂移区21的左侧，第二导电类型阱区22位于第二导电类型漂移区21的右侧，第一导电类型重掺杂发射极区13和第二导电类型重掺杂发射极区23位于第一导电类型阱区12中，发射极接触电极52位于第一导电类型重掺杂发射极区13和第二导电类型重掺杂发射极区23的上表面；第一导电类型重掺杂集电极区14位于第二导电类型阱区22中，集电极接触电极53位于第一导电类型重掺杂集电极区14上表面；第二介质氧化层32位于第一导电类型阱区12上方，并且左端与第二导电类型重掺杂发射极区23相接触，右端与第二导电类型漂移区21相接触；第三介质氧化层33位于第二介质氧化层32与第一导电类型重掺杂集电极区14之间的第二导电类型漂移区21的上表面；控制栅多晶硅电极42覆盖在第二介质氧化层32的上表面并部分延伸至第三介质氧化层33的上表面；
33.第一介质氧化层31和多晶硅电极41构成纵向浮空场板，且第一介质氧化层31包围浮空场板多晶硅电极41，多晶硅电极41下端深入埋氧层34中，所述纵向浮空场板分布在整个第二导电类型漂移区21中，形成纵向浮空场板阵列；纵向浮空场板，与集电极区域纵向场板的第一介质氧化层31和埋氧层34相连。
34.距离源极和漏极等距离的纵向浮空场板通过通孔与金属条51连接，形成体内等势环。
35.第一导电类型top区15位于第二导电类型漂移区21表面，且第一导电类型top区15的形状可以是：全覆盖、条形、圆形、或椭圆形。
36.纵向浮空场板的截面形状是矩形、或圆形、或椭圆形、或六边形。
37.多晶硅电极41插入埋氧层内部的深度可以调整，或者多晶硅电极41插入埋氧层34下方。
38.重掺杂的掺杂浓度大于1e19cm-3
。
39.本实施例中，所述纵向浮空场板的截面形状为正方形。相邻两列纵向浮空场板交错排布。top区为全覆盖，多晶硅插入埋氧层未到其下方。
40.其基本工作原理如下：以第一导电类型半导体材料为p型为例，当栅极偏置电压vg
大于阈值电压时，第一导电类型阱区12靠近第二介质氧化层32的表面出现反型层电子，在集电极偏置电压vd的作用下，电子沿所述纵向浮空场板的间隙从发射极向集电极移动。vd较小时，n-p+结未开启，电子被集电极收集形成电子电流，为单极导电。随着vd进一步增大，p+n-结开启，向漂移区注入大量空穴，器件进入双极导电模式，即同时存在电子电流与空穴电流。由于浮空场板多晶硅电极41的电位高于左侧第二导电类型漂移区21，低于右侧第二导电类型漂移区21，所以浮空场板左侧表面的n型漂移区将出现电子反型层右侧表面出现空穴反型层，饱和电流增大。第二导电类型漂移区21上方的第一导电类型top区15可几乎由纵向浮空场板全耗尽，表面场将被top区钳位，因此n型漂移区的掺杂浓度在更大范围变化时器件表面场均不发生变化，一定程度上杜绝了器件的表面击穿。另外，插入埋氧层的多晶硅电极将电场线引入到埋氧层内，实现了介质场增强，提高了器件的纵向耐压。
41.综上所述，本发明所提出的具有电场钳位层的介质场增强的soi横向绝缘栅双极晶体管较常规ligbt优化了表面电场和纵向电场，提高了耐压。
42.实施例2
43.如图4，图5所示，为实施例2的具有电场钳位层的介质场增强的soi横向绝缘栅双极晶体管结构示意图和俯视图，本例与实施例1的结构不同之处在于，第二导电类型阱区22中设置第二导电类型重掺杂集电极区24与第一导电类型重掺杂集电极区14相邻，第二导电类型重掺杂集电极区24与第一导电类型重掺杂集电极区14二者用集电极接触电极53连接，构成阳极短路结构；关断过程中加速了对非平衡载流子的抽取，降低了关断时间，其工作原理与实施例1基本相同。
44.实施例3
45.如图6，图7所示，为实施例3的具有电场钳位层的介质场增强的soi横向绝缘栅双极晶体管结构示意图和俯视图，本例与实施例2的结构不同之处在于，第一介质氧化层31和多晶硅电极41在集电极区域形成与集电极接触电极53相连的纵向场板，并且平行插入第二导电类型阱区22，形成阳极电阻结构，通过调整场板的尺寸可以精确控制阳极电阻的大小，使得器件单极模式下的正向压降减小，并且发生大注入时，器件能够平滑地从单极模式过渡到双极模式，消除了snapback现象对器件输出特性的影响，提高器件的稳定性。另一方面，该纵向场板有利于缓解漂移区21中靠近集电极区的最后一个场板底部的曲率效应，提高耐压。其工作原理与实施例1基本相同。
46.实施例4
47.如图8，图9所示，为实施例4的具有电场钳位层的介质场增强的soi横向绝缘栅双极晶体管结构示意图和俯视图，本例与实施例3的结构不同之处在于，通过减小刻蚀深槽的宽度，使得后期槽壁氧化过程中氧化层完全填充槽，所述集电极区域纵向场板变为介质槽。调整介质槽间隔，得到合适的阳极电阻大小，使snapback效应消除，其工作原理与实施例1基本相同。
48.上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。