一种具有额外电极的折叠硅LIGBT及其制作方法

技术领域

本发明涉及一种晶体管器件，具体涉及一种具有额外电极的折叠硅LIGBT及其制作方法。

背景技术

功率半导体器件(Power Semiconductor Device)又称为电力电子器件，它在电力电子系统中承担着能量控制与功率转换的重要作用，是电力电子变换的核心所在。功率半导体器件性能的不断发展进步，在一定程度上推动了信息化社会的高速发展和人民生活质量的提高。

横向绝缘栅双极型晶体管(LIGBT，Lateral insulated Gate BipolarTransistor)，既具有MOSFET的高输入阻抗、栅控能力强的优点，同时又具有BJT的高电流密度、低导通压降以及强电流处理能力的优点，在高压大电流应用领域发挥着重要作用，此外，横向器件具有兼容性好，易集成的优势，但是由于LIGBT器件导通时，器件漂移区内部存储了大量的载流子，关断时这些过剩的载流子需要通过复合消失的过程形成了LIGBT的电流拖尾现象，使得LIGBT的关断时间变长，关断损耗变大。通过将栅电极延伸至漂移区表面，引起多数载流子积累，可以大幅度减小器件的正向导通压降，然而延伸的栅电极末端容易产生强电场峰，限制了器件击穿电压的提升。

发明内容

本发明的目的是解决现有横向绝缘栅双极型晶体管中延伸的栅电极末端容易产生强电场峰，限制了器件击穿电压的提升的技术问题，而提供一种具有额外电极的折叠硅LIGBT及其制作方法。本发明的折叠硅LIGBT，在导通时，因为额外电极上加有一定的正电压，以及金属栅电极部分延伸在N型漂移区表面，使得在N型漂移区表面形成多数载流子积累层，并结合折叠硅结构带来的器件有效漂移区面积和有效栅极宽度的增加，极大的改善了器件的导通特性，此外，额外电极上所加的电压优化了漂移区中电场分布，使得器件的整体性能得以提升。

本发明的技术解决方案为：

一种具有额外电极的折叠硅LIGBT，其特殊之处在于，包括：P型衬底；

通过刻蚀工艺形成在P型衬底上部且沿左右方向延伸的沟道以及位于沟道前后两侧的沟槽；

自左至右相邻设置在沟道前后侧壁和上表面以及沟槽底面的栅氧化层和场氧化层；

设置在P型衬底的上部左侧的P型阱区，以及自左至右依次设置在P型阱区上部左侧的P型发射极区和N型发射极区；

设置在P型衬底的上部右侧的N型漂移区；所述N型漂移区包括第一漂移区和第二漂移区；其中，第一漂移区位于沟道内；所述第二漂移区位于第一漂移区下方；

设置在N型漂移区上部右侧且掺杂形成N型缓冲层区；

设置在N型缓冲层区上部右侧且掺杂形成P型集电极区；

其中，栅氧化层位于P型阱区上方且左侧与N型发射极区接触，场氧化层左侧与栅氧化层接触，右侧与N型缓冲层区接触，且栅氧化层的厚度小于场氧化层；

设置在N型发射极区和P型发射极区交界处上方的发射极电极；

设置在P型集电极区上方的集电极；

设置在栅氧化层和场氧化层交界处上方的金属栅电极；

设置在场氧化层上方的额外电极；所述额外电极与金属栅电极之间设置有第一间隙；所述额外电极与集电极之间设置有第二间隙；所述额外电极用于施加正向偏置电压，正向偏置电压取值范围为10V-100V。

进一步地，所述P型衬底的掺杂浓度取值范围为1.0×10

所述N型缓冲区的掺杂浓度取值范围为1.0×10

所述P型阱区的掺杂浓度取值范围为1.0×10

所述P型集电极区的掺杂浓度取值不低于1.0×10

进一步地，所述P型阱区和所述第二漂移区之间设置有第三间隙。

进一步地，所述第一漂移区的高度范围为1～6μm。

进一步地，所述正向偏置电压范围为10-60V。

进一步地，所述正向偏置电压为30V。

一种前面所述具有额外电极的折叠硅LIGBT的制作方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：

步骤1：准备P型硅材料作为P型衬底；

步骤2：在P型衬底上掺杂一定浓度的磷离子，形成N型漂移区；

步骤3：通过刻蚀工艺形成在P型衬底上部且沿左右方向延伸的沟道以及位于沟道前后两侧的沟槽，以沟槽底面为界将N型漂移区划分为第一漂移区和第二漂移区；

步骤4：在第一漂移区表面进行磷离子注入，注入完成后进行快速退火处理，使得第一漂移区的掺杂浓度高于第二漂移区；

步骤5：通过离子注入工艺，在P型衬底的上部左侧区域形成轻掺杂P型阱区，在N型漂移区上部右侧区域形成轻掺杂的N型缓冲层区；

步骤6：在沟道前后侧壁和上表面以及沟槽底面通过热氧化生成二氧化硅材料的场氧化层；

步骤7：在沟道前后侧壁和上表面以及沟槽底面，紧挨着场氧化层的左侧边界，形成同材质且厚度小于场氧化层的栅氧化层；

步骤8：在P型阱区内通过磷离子注入形成重掺杂的N型发射极区，注入完成后进行快速退火处理；

步骤9：通过注入硼离子，在P型阱区内形成重掺杂的P型发射极区，以及在N型缓冲层区内形成重掺杂的P型集电极区，注入完成后进行快速退火处理；

步骤10：在重掺杂的N型发射极区和P型发射极区的交界位置处刻蚀形成第一电极接触孔，金属材料淀积于第一电极接触孔内形成发射极电极；

步骤11：在重掺杂的P型集电极区的位置处刻蚀形成第二电极接触孔，金属材料淀积于第二电极接触孔内形成集电极；

步骤12：在栅氧化层和场氧化层上表面淀积金属材料形成金属栅电极，使其部分覆盖于N型漂移区表面左侧；

步骤13：在金属栅电极的右侧的场氧化层上表面淀积金属材料形成额外电极，额外电极与金属栅电极和集电极间均留有间隙。

本发明的有益效果：

1、本发明的LIGBT结构，其额外电极上加有一定的正电压且金属栅电极部分延伸在N型漂移区表面，在导通时，可以在N型漂移区表面形成多数载流子积累层，并结合折叠硅结构带来的器件有效漂移区面积和有效栅极宽度的增加，极大的改善了器件的导通特性。

2、本发明的LIGBT结构，利用额外电极上所加的电压优化了漂移区中电场分布，使得器件的整体性能得以提升。

3、本发明的LIGBT结构，在LIGBT处于阻断状态时，金属栅电极末端和部分覆盖于漂移区表面右端的额外电极末端均在漂移区表面引入了新的电场峰，优化了漂移区表面电场分布。

4、本发明的LIGBT结构的P型阱区和第二漂移区之间设置有间隙，击穿时在P型衬底与第二漂移区相接处引入新的电场峰，优化漂移区表面电场分布。

5、本发明的LIGBT结构通过沟槽刻蚀工艺，使横向绝缘栅双极型晶体管具有两个漂移区，形成的第一漂移区的高度范围为1～6μm，形成凹凸状的折叠漂移区结构，折叠漂移区结构增加了器件导通时漂移区的有效面积以及栅极有效面积，有利于降低器件的正向导通压降。此外，折叠漂移区结构使得栅电极下方的沟道反型层电子以及漂移区中多数载流子可以沿着沟槽侧壁积累，进一步降低正向导通压降。

6、仿真实验表明，在相同耐压水平下，本发明器件的正向导通压降相比于一般LIGBT器件的正向导通压降减小35.4％。

7、本发明的LIGBT器件制作方法，操作简单，快速且高效。

附图说明

图1是本发明LIGBT器件的立体结构示意图；

图2是本发明LIGBT器件的结构示意图；

图3是本发明LIGBT器件中场氧化层与P型衬底上的N型漂移区的结构示意图；

图4是本发明LIGBT器件与一般LIGBT器件在相同耐压水平下的导通特性曲线对比图。

附图标记：1-第一漂移区，2-第二漂移区，3-P型阱区，4-N型发射极区，5-P型发射极区，6-N型缓冲层区，7-P型集电极区，8-栅氧化层，9-场氧化层，10-发射极电极，11-金属栅电极，12-额外电极，13-集电极，801-P型衬底。

具体实施方式

以N沟道LIGBT为例，如图1至图3所示，本发明提供的一种具有额外电极的折叠硅LIGBT具体包括：

硅材料的P型衬底801，其中P型衬底801的掺杂浓度取值范围为1.0×10

自左至右相邻设置在沟道前后侧壁和上表面以及沟槽底面的栅氧化层8和场氧化层9，栅氧化层8和场氧化层9均为二氧化硅材料。

设置在P型衬底801的上部左侧轻掺杂的P型阱区3，以及自左至右依次设置在P型阱区3上部左侧的重掺杂的P型发射极区5和重掺杂的N型发射极区4，其中P型阱区3的掺杂浓度取值范围为1.0×10

设置在N型漂移区上部右侧且掺杂形成N型缓冲层区6，其中，N型缓冲层区6的掺杂浓度取值范围为1.0×10

设置在N型缓冲层区6上部右侧且重掺杂形成P型集电极区7，P型集电极区7的掺杂浓度取值不低于1.0×10

其中，栅氧化层8位于P型阱区3上方且左侧与N型发射极区4接触，场氧化层9左侧与栅氧化层8接触，右侧与N型缓冲层区6接触，且栅氧化层8的厚度小于场氧化层9。

设置在N型发射极区4和P型发射极区5交界处上方的发射极电极10。

设置在P型集电极区7上方的集电极13。

设置在栅氧化层8和场氧化层9交界处上方的金属栅电极11。

设置在场氧化层9上方的额外电极12；所述额外电极12与金属栅电极11之间设置有第一间隙；所述额外电极12与集电极13之间设置有第二间隙；额外电极12用于施加正向偏置电压，正向偏置电压取值范围为10V-100V。

本发明还提供了上述具有额外电极的折叠硅LIGBT的制作方法，以N沟道LIGBT为例，具体可以通过以下步骤进行制备：

步骤1：准备P型硅材料作为P型衬底801；

步骤2：在P型衬底801上掺杂一定浓度的磷离子，形成N型漂移区；

步骤3：通过干法刻蚀中的等离子体刻蚀形成在P型衬底801上部且沿左右方向延伸的凹凸折叠状的沟道和位于沟道前后两侧的沟槽，以沟槽底面为界将N型漂移区划分为第一漂移区1和第二漂移区2；第一漂移区1为接近器件表面的区域，第二漂移区2为接近衬底的区域，第二漂移区2即为N型漂移区经过刻蚀工艺后的除去第一漂移区1部分之外的区域；

步骤4：在第一漂移区1表面进行磷离子注入，注入完成后进行快速退火处理，使得第一漂移区1的掺杂浓度高于第二漂移区2；

步骤5：通过离子注入工艺，在P型衬底801的上部左侧区域形成轻掺杂P型阱区3，在N型漂移区上部右侧区域形成轻掺杂的N型缓冲层区6；

步骤6：在沟道前后侧壁和上表面以及沟槽底面通过热氧化生成二氧化硅材料的场氧化层9；

步骤7：在沟道前后侧壁和上表面以及沟槽底面，紧挨着场氧化层9的左侧边界，形成同材质且厚度小于场氧化层9的栅氧化层8；

步骤8：在P型阱区3内通过磷离子注入形成重掺杂的N型发射极区4，注入完成后进行快速退火处理；

步骤9：通过注入硼离子，在P型阱区3内形成重掺杂的P型发射极区5，以及在N型缓冲层区6内形成重掺杂的P型集电极区7，注入完成后进行快速退火处理；

步骤10：在重掺杂的N型发射极区4和P型发射极区5的交界位置处刻蚀形成第一电极接触孔，金属材料淀积于第一电极接触孔内形成发射极电极10；

步骤11：在重掺杂的P型集电极区7的位置处刻蚀形成第二电极接触孔，金属材料淀积于第二电极接触孔内形成集电极13；

步骤12：在栅氧化层8和场氧化层9上表面淀积金属材料形成金属栅电极11，使其部分覆盖于N型漂移区表面左侧；

步骤13：在金属栅电极11的右侧的场氧化层9上表面淀积金属材料形成额外电极12，额外电极12与金属栅电极11和集电极13间均留有间隙。

如图4所示，经仿真实验，给额外电极12施加正电压30V，在相同耐压水平下，本发明LIGBT器件的正向导通压降为0.93V，一般LIGBT器件的正向导通压降为1.44V，本发明器件的正向导通压降相比于一般LIGBT器件的正向导通压降减小35.4％。

本发明中的LIGBT器件也可以为P型沟道，其结构与N沟道LIGBT器件等同，此外也可使用SOI基衬底，也将其视为属于本申请权利要求的保护范围，在此不再赘述。

本发明中所使用材料主要为硅半导体材料，应作广义理解，即锗等元素半导体材料或碳化硅、氮化镓等宽带隙半导体材料形成的LIGBT器件与本发明阐述的LIGBT器件等同，也应当视为属于本申请权利要求的保护范围，在此不再赘述。