一種高可靠性的橫向絕緣柵雙極器件及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明主要涉及功率集成電路技術(shù)領(lǐng)域，具體來說，特別適用于開關(guān)電源、馬達(dá)控制、汽車電子系統(tǒng)、家用電器等諸多功率控制處理領(lǐng)域，尤其涉及一種高可靠性的橫向絕緣柵雙極器件及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]高壓功率集成技術(shù)是VLSI與功率器件結(jié)合的產(chǎn)物。在同一芯片上集成有低壓控制電路和高壓功率元件的高壓集成電路使電子系統(tǒng)所要求的電子元件數(shù)目極大的降低，從而降低系統(tǒng)成本，減小了設(shè)備尺寸，提高了系統(tǒng)可靠性。
[0003]高壓集成電路的應(yīng)用廣泛，遍及開關(guān)電源、馬達(dá)控制、汽車電子系統(tǒng)、家用電器等諸多功率控制處理領(lǐng)域。研宄設(shè)計(jì)有著廣泛應(yīng)用領(lǐng)域的高壓功率集成電路對(duì)于發(fā)展我國的功率集成電路技術(shù)，促進(jìn)我國電子行業(yè)發(fā)展具有極高的現(xiàn)實(shí)意義。
[0004]對(duì)于高壓集成電路，高壓區(qū)與低壓區(qū)之間的隔離以及高壓互連線的隔離是研宄設(shè)計(jì)高壓集成電路必須解決的關(guān)鍵技術(shù)。本發(fā)明針對(duì)高壓互連線提出一種新型的高壓互連線結(jié)構(gòu)，極大地提高了高壓互連線下方的耐壓，提高整個(gè)高壓集成電路可靠性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明針對(duì)上述問題，提出了一種高可靠性的橫向絕緣柵雙極器件及其制備方法，本發(fā)明結(jié)構(gòu)可以極大地提高高壓互連線下方的耐壓，增強(qiáng)整個(gè)高壓集成電路的可靠性。
[0006]本發(fā)明提供如下技術(shù)方案:
一種高可靠性的橫向絕緣柵雙極器件，包括:P型襯底，在P型襯底上設(shè)有埋氧層，在埋氧層上設(shè)有N型漂移區(qū)，在N型漂移區(qū)上方設(shè)有二氧化硅層，在N型漂移區(qū)中設(shè)有P型體區(qū)和N型緩沖層，所述P型體區(qū)設(shè)在所述N型緩沖層的外圍，在P型體區(qū)內(nèi)設(shè)有P型發(fā)射極和N型發(fā)射極，在P型發(fā)射極和N型發(fā)射極上連接有發(fā)射極電極金屬連線，在N型緩沖層中設(shè)有P型集電極，在P型集電極上連接有集電極金屬，在二氧化硅層內(nèi)設(shè)有多晶硅柵和多晶硅場板，所述多晶硅柵和所述多晶硅場板位于N型緩沖層與P型體區(qū)之間區(qū)域的上方，并且，所述多晶硅柵與P型體區(qū)相鄰，所述多晶硅場板與N型緩沖層相鄰，在多晶硅柵上連接有柵極金屬，其特征在于，所述P型體區(qū)、P型發(fā)射極、N型發(fā)射極和多晶硅柵均呈U字形，所述N型緩沖層和P型集電極位于多晶硅場板內(nèi)部區(qū)域，所述集電極金屬(9)通過多晶硅柵的U字形開口延伸至多晶硅場板的U字形外部。
[0007]一種具有高可靠性的橫向絕緣柵雙極器件的制備方法，其特征在于，包括以下步驟:P型襯底、埋氧層的制備，在埋氧層上外延P型外延層，在P型外延層上用深槽工藝結(jié)合多次外延多次高濃度離子注入工藝形成N型漂移區(qū)，在N型漂移區(qū)中用深槽工藝結(jié)合多次外延多次高濃度離子注入工藝形成P型體區(qū)、P型發(fā)射極和N型發(fā)射極，用高濃度離子注入工藝形成N型緩沖層和P型集電極區(qū)，用槽柵工藝制造成多晶硅場板、多晶硅柵，在器件表面淀積氧化層，接著進(jìn)行打孔處理、淀積金屬鋁形成發(fā)射極金屬連線、柵極金屬連線和集電極金屬連線，最后在結(jié)構(gòu)外圍形成輸入\輸出、輸入\輸出、輸入\輸出。
[0008]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn):
高壓集成電路將低壓控制電路和高壓器件集成在同一片芯片時(shí)，需要實(shí)現(xiàn)高低壓器件之間的互聯(lián)。開關(guān)管LDMOS或者LIGBT與高低壓隔離區(qū)表面局部區(qū)域通常需要跨過高壓互連線，由于高壓互連線相對(duì)于半導(dǎo)體表面帶正電，且一般需要通過的電壓高達(dá)幾百伏，因此高壓器件表面易被高壓互連線中的高壓引入的電場提前擊穿。傳統(tǒng)方案中，高壓互連線從絕緣介質(zhì)層的表面跨過高壓器件以及高側(cè)驅(qū)動(dòng)電路，這種方法使得整體器件的耐壓被高壓互連線上的高壓引入的高電場以及介質(zhì)層的耐壓能力所限制。
[0009]本發(fā)明結(jié)構(gòu)巧妙的利用溝槽結(jié)構(gòu)，將P型體區(qū)包圍N型緩沖層的結(jié)構(gòu)改為U型結(jié)構(gòu)，留有一側(cè)開口，高壓互連線從開口一側(cè)延伸至結(jié)構(gòu)外，當(dāng)高壓互連線上通過高壓時(shí)，其下方的溝槽幫助耐壓，從而提高器件的耐壓，避免由于高壓互連線引入的電場將高壓互連線下方器件漂移區(qū)表面提前擊穿。如圖10所示，本發(fā)明結(jié)構(gòu)的擊穿電壓為550V，而傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的擊穿電壓僅為260V。本發(fā)明不僅工藝簡單，不增加制備成本，簡化工藝復(fù)雜度，而且可以降低器件相互之間的干擾。由于溝槽可以幫助耐壓，使得在不影響器件擊穿電壓的前提下，器件高壓互連線下方區(qū)域的面積可以縮小，從而縮小了芯片面積。并且本發(fā)明結(jié)構(gòu)可用于其他功率器件中，如與橫向擴(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體組合構(gòu)成高壓互聯(lián)結(jié)構(gòu)。
[0010]同時(shí)本發(fā)明結(jié)構(gòu)巧妙地利用溝槽結(jié)構(gòu)，將P型體區(qū)包圍N型緩沖層的結(jié)構(gòu)改為U型結(jié)構(gòu)，極大的降低了 P型體區(qū)與N型漂移區(qū)之間的結(jié)電容，因此極大的降低了器件的集電極與發(fā)射極之間的電容。器件在關(guān)斷狀態(tài)時(shí)，在其集電極與發(fā)射極之間加入一個(gè)突然的電壓信號(hào)，會(huì)產(chǎn)生位移電流，造成器件發(fā)生栓鎖現(xiàn)象，而本發(fā)明結(jié)構(gòu)中由于器件集電極與發(fā)射極之間的電容明顯降低，產(chǎn)生的位移電流較傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)明顯降低，器件抗dV/dt能力提高。如圖11所示，本發(fā)明結(jié)構(gòu)的集電極與發(fā)射極之間電容較傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)明顯降低，從而提高了器件抗dV/dt的能力。如圖12所示，本發(fā)明結(jié)構(gòu)的抗dV/dt的能力較傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)明顯提高了。同時(shí)由于dV/dt能力的提高，由dV/dt產(chǎn)生的位移電流明顯降低，能夠降低器件之間的相互串?dāng)_。
【附圖說明】
[0011]圖1所示為普通橫向絕緣柵雙極器件的頂層部分腐蝕結(jié)構(gòu)圖。
[0012]圖2所示為普通橫向絕緣柵雙極器件去除金屬鋁和氧化層后的頂層結(jié)構(gòu)圖。
[0013]圖3所示為普通橫向絕緣柵雙極器件的AA方向剖面圖。
[0014]圖4所示為普通橫向絕緣柵雙極器件的BB方向剖面圖。
[0015]圖5所示為本發(fā)明橫向絕緣柵雙極器件的頂層部分腐蝕結(jié)構(gòu)圖。
[0016]圖6所示為本發(fā)明橫向絕緣柵雙極器件去除金屬鋁和氧化層后的頂層結(jié)構(gòu)圖。
[0017]圖7所示為本發(fā)明橫向絕緣柵雙極器件的CC方向剖面圖。
[0018]圖8所示為本發(fā)明橫向絕緣柵雙極器件的DD方向剖面圖。
[0019]圖9所示為本發(fā)明橫向絕緣柵雙極器件與普通橫向絕緣柵雙極器件的耐壓對(duì)比圖。
[0020]圖10所示為本發(fā)明橫向絕緣柵雙極器件與普通橫向絕緣柵雙極器件集電極與發(fā)射極之間電容對(duì)比圖。
[0021]圖11所示為本發(fā)明橫向絕緣柵雙極器件與普通橫向絕緣柵雙極器件抗dV/dt能力對(duì)比圖。
[0022]圖12所示為本發(fā)明橫向絕緣柵雙極器件的制作工藝流程圖。
[0023]I為襯底，2為埋氧層，3為N型漂移區(qū)，4為P型體區(qū)，5為N型緩沖層，6為N型發(fā)射極，7為P型發(fā)射極，8為P型集電極，9為集電極金屬連線，10為溝槽陣列，11為溝槽中摻雜的多晶硅，12為溝槽，13為多晶硅柵，14為多晶硅場板，15為集電極輸入\輸出，16為柵極輸入\輸出，17為發(fā)射極輸入\輸出，18為柵極金屬連線，19為發(fā)射極金屬連線，20為二氧化硅化層。
【具體實(shí)施方式】
[0024]下面結(jié)合圖6，對(duì)本發(fā)明做詳細(xì)說明，一種高可靠性的橫向絕緣柵雙極器件，包括:P型襯底1，在P型襯底I上設(shè)有埋氧層2，在埋氧層2上設(shè)有N型漂移區(qū)3，在N型漂移區(qū)3上方設(shè)有二氧化硅層20，在N型漂移區(qū)3中設(shè)有P型體區(qū)4和N型緩沖層5，所述P型體區(qū)4設(shè)在所述N型緩沖層5的外圍，在P型體區(qū)4內(nèi)設(shè)有P型發(fā)射極7和N型發(fā)射極6，在P型發(fā)射極7和N型發(fā)射極6上連接有發(fā)射極電極金屬連線19，在N型緩沖層5中設(shè)有P型集電極8，在P型集電極8上連接有集電極金屬9，在二氧化硅層20內(nèi)設(shè)有多晶硅柵13和多晶硅場板14，所述多晶硅柵13和所述多晶硅場板14位于N型緩沖層5與P型體區(qū)4之間區(qū)域的上方，并且，所述多晶硅柵13與P型體區(qū)4相鄰，所述多晶硅場板14與N型緩沖層5相鄰，在多晶硅柵13上連接有柵極金屬18，其特征在于，所述P型體區(qū)4、P型發(fā)射極7、N型發(fā)射極6和多晶硅柵13均呈U字形，所述N型緩沖層5和P型集電極8位于多晶硅場板14的內(nèi)部區(qū)域，所述集電極金屬9通過多晶硅柵13的U字形開口延伸至多晶硅柵13的U字形外部。
[0025]本實(shí)施例還可以進(jìn)一步采取以下技術(shù)措施:
在N型漂移區(qū)3內(nèi)設(shè)一排溝槽，在每個(gè)溝槽的內(nèi)壁上設(shè)有一層二氧化硅，在二氧化硅內(nèi)填充多晶硅10，所述溝槽與P型體區(qū)4、P型發(fā)射極7、N型發(fā)射極6和多晶硅柵13的U字形開口相鄰，所述溝槽位于集電極金屬9的下方且與集電極金屬9垂直。
[0026]相鄰溝槽之間的距離介于0.1um到50u