專利名稱：具有改善的安全工作區(qū)域性能的igbt陰極設(shè)計(jì)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體器件領(lǐng)域。其具體地涉及如在權(quán)利要求1的前序中所描述的絕緣柵雙極晶體管。
背景技術(shù)：
為實(shí)現(xiàn)絕緣柵雙極晶體管(IGBT)中改善的安全工作區(qū)域(SOA)性能，針對(duì)器件關(guān)斷期間增大的閂鎖電流，通常引入深的、高摻雜的p+基區(qū)。在此環(huán)境中“深”指的是這個(gè)事實(shí)，即高摻雜p+基區(qū)的第一深度大于IGBT的溝道區(qū)的第二深度。在IGBT關(guān)斷期間深p+基區(qū)執(zhí)行下列主要任務(wù)第一，其在關(guān)斷期間有效地收集空穴。結(jié)果，最小化了經(jīng)由IGBT溝道進(jìn)入IGBT漂移區(qū)的空穴的數(shù)目。由此防止早期的寄生晶閘管閂鎖。
第二，通過側(cè)向延伸p+基區(qū)，其通過最小化IGBT的n+源區(qū)下的電阻并通過減小來自n+源的電子注入來保護(hù)IGBT的n+源區(qū)。這還將減小任何寄生晶閘管閂鎖效應(yīng)。
為了添加深p+阱，使用另外的工藝掩模。為了實(shí)現(xiàn)上述的方面，深p+阱相對(duì)于n+源區(qū)的精確對(duì)準(zhǔn)以及由此另外的工藝掩模的精確對(duì)準(zhǔn)是關(guān)鍵的。
為了克服此問題，已引入了淺p+區(qū)。雖然淺p+區(qū)可通過與n+源區(qū)相同的掩模來擴(kuò)散，由此消除了對(duì)準(zhǔn)問題，但在高電壓降低了所得到的IGBT的SOA性能。
在US 5023191中，一種用于制造具有兩個(gè)部分重疊的p+基區(qū)的IGBT結(jié)構(gòu)的方法，這兩個(gè)p+基區(qū)都在n+源區(qū)之下延伸，即被使得靠近所述n+源區(qū)的溝道側(cè)邊緣。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種最初提及的類型的絕緣柵半導(dǎo)體器件，其克服了上述的缺點(diǎn)。
通過根據(jù)權(quán)利要求1的絕緣柵半導(dǎo)體器件實(shí)現(xiàn)了該目的。
在根據(jù)本發(fā)明的絕緣柵半導(dǎo)體器件中，第一導(dǎo)電性類型的第一基區(qū)設(shè)置在形成在半導(dǎo)體襯底中的第一導(dǎo)電性類型的溝道區(qū)中，使得所述第一基區(qū)圍繞IGBT源區(qū)，但不鄰接?xùn)沤^緣膜之下的頂表面。另外，第一導(dǎo)電性類型的第二基區(qū)設(shè)置在基接觸區(qū)域之下的半導(dǎo)體襯底中，所述基接觸區(qū)域由一個(gè)或多個(gè)源區(qū)界定，使得第二基區(qū)部分地與溝道區(qū)和第一基區(qū)重疊。
通過將第二基區(qū)側(cè)向限定為基接觸區(qū)域之下的區(qū)，關(guān)斷期間最高電場的位置離開溝道區(qū)的周邊而移動(dòng)到基接觸區(qū)域下的區(qū)。因此減少了經(jīng)由溝道進(jìn)入單元的一小部分雪崩生成的空穴，并由此防止了早期的閂鎖。
可在獨(dú)立權(quán)利要求中發(fā)現(xiàn)進(jìn)一步的有利的實(shí)現(xiàn)。


將在下文中結(jié)合附圖并參考示范性實(shí)現(xiàn)而更為具體地解釋本發(fā)明，其中圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的IGBT的橫截面，圖2a以第一構(gòu)形示出沿著通過來自圖1的IGBT的線A-B的橫截面，圖2b以第二構(gòu)形示出沿著通過來自圖1的IGBT的線A-B的橫截面，圖3示出根據(jù)本發(fā)明的IGBT的另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例的橫截面，圖4示出來自圖1和圖3的IGBT的保護(hù)機(jī)制的示意圖，圖5示出根據(jù)本發(fā)明的IGBT的另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例的橫截面，圖6示出來自圖5的IGBT的保護(hù)機(jī)制的示意圖。
在附圖中使用的參考標(biāo)記在參考標(biāo)記的列表中解釋。原則上，相同的參考符號(hào)用來表示相同的部分。
具體實(shí)施例方式
圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的IGBT的橫截面。底金屬化層1設(shè)置在硅半導(dǎo)體襯底2的底表面上。p摻雜發(fā)射極層21設(shè)置在半導(dǎo)體襯底2中，并鄰接底表面。鄰接發(fā)射極層21的是n摻雜漂移區(qū)22。具有接觸開口的柵氧化物膜41設(shè)置在半導(dǎo)體襯底2的頂表面上。多晶硅柵電極5形成在柵氧化物膜41的頂上并由硅氧化物絕緣層42覆蓋。p摻雜溝道區(qū)7設(shè)置在漂移區(qū)22中，并鄰接接觸開口之下和柵氧化物膜41的一部分之下的頂表面。設(shè)置在溝道區(qū)7中的是一個(gè)或多個(gè)n+摻雜源區(qū)6，其界定了基接觸區(qū)域821。頂金屬化層9覆蓋氧化物絕緣層42和接觸開口。在IGBT的通態(tài)中，導(dǎo)電溝道在一個(gè)或多個(gè)源區(qū)6與漂移區(qū)22之間形成在柵氧化物膜41之下。
第一p+摻雜基區(qū)81設(shè)置在溝道區(qū)7中，使得其圍住一個(gè)或多個(gè)源區(qū)6，但不鄰接?xùn)叛趸锬?1之下的頂表面。換言之，一個(gè)或多個(gè)源區(qū)6、第一基區(qū)81和溝道區(qū)7在半導(dǎo)體襯底2的頂表面上形成至少一個(gè)公共邊界線。
第二p+摻雜基區(qū)82設(shè)置在基接觸區(qū)之下的半導(dǎo)體襯底中。此第二基區(qū)82比第一基區(qū)81更窄且更深，使得第一和第二基區(qū)部分地彼此重疊。
將第二基區(qū)82側(cè)向地限定為基接觸區(qū)域821之下的區(qū)域確保了溝道區(qū)7和漂移區(qū)22之間的第一p-n結(jié)上的雪崩點(diǎn)即關(guān)斷期間最高電場位置遠(yuǎn)離溝道區(qū)7周邊地更加集中，導(dǎo)致大部分雪崩生成的空穴不經(jīng)由溝道進(jìn)入單元，所述空穴經(jīng)由溝道進(jìn)入單元將引起早期的閂鎖。如圖1中所示，基區(qū)82不側(cè)向延伸或不與兩個(gè)源區(qū)6重疊。
在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，第二基區(qū)82的深度dB2超過溝道區(qū)7的深度dC至少1.5倍，即dB2＞1.5dC。結(jié)果，第二基區(qū)82和漂移區(qū)22之間的第二p-n結(jié)的曲率半徑rB2小于溝道區(qū)7和漂移區(qū)22之間的第一p-n結(jié)的曲率半徑rC。結(jié)果，雪崩點(diǎn)甚至進(jìn)一步遠(yuǎn)離溝道區(qū)7周邊地移動(dòng)。
在根據(jù)本發(fā)明的IGBT的另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，第一基區(qū)81的摻雜濃度pB1和第二基區(qū)82的摻雜濃度pB2至少5倍地高于溝道區(qū)7的摻雜濃度pC，即pB1＞5.0pC，pB2＞5.0pC。第一基區(qū)81較大的摻雜濃度pB1將在基接觸區(qū)域821之下并且遠(yuǎn)離接觸開口邊緣附近的一個(gè)或多個(gè)源區(qū)6的臨界暴露點(diǎn)的IGBT的中心處提供高得多的空穴收集率。一個(gè)或多個(gè)源區(qū)6的余下部分通過第一基區(qū)81來保護(hù)。此外，由于第一基區(qū)81的較高的摻雜濃度pB1，IGBT中心處較高的空穴消耗(drain)和較小的曲率半徑rB2將引起大得多的峰場(peak field)。因此，主動(dòng)態(tài)雪崩點(diǎn)出現(xiàn)在基接觸區(qū)域821之下并且遠(yuǎn)離溝道區(qū)7和漂移區(qū)22之間的第一p-n結(jié)的臨界曲率的第一基區(qū)81的周邊附近。
圖2a以第一構(gòu)形示出沿著通過來自圖1的IGBT的線A-B的橫截面，第一構(gòu)形具有p摻雜溝道區(qū)7、第一p+摻雜基區(qū)81、第二p+摻雜基區(qū)82和環(huán)形源區(qū)6的基本上圓形的布局。
圖2b以第二構(gòu)形示出沿著通過來自圖1的IGBT的線A-B的橫截面，在第二構(gòu)形中，p摻雜溝道區(qū)7、第一p+摻雜基區(qū)和第二p+摻雜基區(qū)82以及兩個(gè)源區(qū)6為條形。
圖3示出根據(jù)本發(fā)明的IGBT的另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例的橫截面。場氧化物層43以離接觸開口的邊緣的距離d設(shè)置在柵氧化物層41的頂上。這導(dǎo)致場氧化物層43的邊緣附近的第二雪崩區(qū)，其又減少了在溝道區(qū)7附近雪崩生成的載流子的量。從場氧化物層43的邊緣到接觸開口的距離d越小，場氧化物層43邊緣的雪崩水平越高，由此提供了增大的閂鎖電流。但是，如果距離d變得太小，將影響通態(tài)損耗和擊穿電壓。優(yōu)選地，從場氧化物邊緣到接觸開口的距離的值范圍在8-10μm。在此范圍內(nèi)的值對(duì)其它器件參數(shù)沒有主要影響。
如圖4中所示，以上描述的IGBT實(shí)施例具有針對(duì)寄生晶閘管的增大的閂鎖電流的一個(gè)保護(hù)機(jī)制。就下列方面而言，利用添加的兩個(gè)p+區(qū)81、82增強(qiáng)了防止單元閂鎖的保護(hù)a)雪崩峰單元中心定位，b)單元處增強(qiáng)的空穴收集，以及c)n+源保護(hù)。
所有三個(gè)都合并在一個(gè)設(shè)計(jì)中，而沒有臨界掩模對(duì)準(zhǔn)問題。
圖5示出根據(jù)本發(fā)明的IGBT的另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例的橫截面。n摻雜保護(hù)區(qū)221設(shè)置在柵氧化物層41之下的漂移區(qū)中的溝道區(qū)7的邊緣附近，使得其鄰接溝道區(qū)7和半導(dǎo)體襯底2的頂表面。如圖6中所示，此IGBT具有針對(duì)寄生晶閘管的增大的閂鎖電流的兩個(gè)保護(hù)機(jī)制。利用圖6中所示的實(shí)施例，使用p+區(qū)81、82加上單元邊緣的n-摻雜區(qū)221改善了單元閂鎖。這個(gè)添加的n-區(qū)221起到空穴壘的作用，并將進(jìn)一步減少在閂鎖更易于發(fā)生的溝道邊緣處進(jìn)入單元的空穴數(shù)目。因此，迫使空穴從單元中心位置進(jìn)入。

1 底金屬化層2 半導(dǎo)體襯底21發(fā)射極層22漂移區(qū)221 保護(hù)區(qū)41柵氧化物膜、柵絕緣膜42絕緣層43場氧化物層、柵絕緣膜5 多晶硅柵、柵電極6 源區(qū)7 溝道區(qū)81第一基區(qū)82第二基區(qū)821 基接觸區(qū)域9 頂金屬化層
權(quán)利要求
1.一種絕緣柵雙極晶體管，包括-具有頂和底表面的半導(dǎo)體襯底(2)、形成在所述頂表面上的柵絕緣膜(41)，所述柵絕緣膜(41)包括至少一個(gè)接觸開口，-所述半導(dǎo)體襯底(2)包括·鄰接所述底表面的第一導(dǎo)電性類型的發(fā)射極層(21)，·鄰接所述發(fā)射極層(21)的第二導(dǎo)電性類型的漂移區(qū)(22)，·形成在所述接觸開口之下和所述柵絕緣膜(41)的一部分之下的所述漂移區(qū)(22)中的第一導(dǎo)電性類型的溝道區(qū)(7)，·設(shè)置在所述溝道區(qū)(7)中并界定基接觸區(qū)域(821)的第二導(dǎo)電性類型的一個(gè)或多個(gè)源區(qū)(6)；-形成在所述柵絕緣膜(41)上的柵電極(5)，-形成在所述底表面上的底金屬化層(1)，-覆蓋所述接觸開口的頂金屬化層(9)，其特征在于，-第一導(dǎo)電性類型的第一基區(qū)(81)設(shè)置在所述溝道區(qū)(7)中，使得其圍繞所述一個(gè)或多個(gè)源區(qū)(6)，但是不鄰接所述柵氧化物層(41)之下的第二主表面，以及-第一導(dǎo)電性類型的第二基區(qū)(82)設(shè)置在所述基接觸區(qū)域(821)之下的所述半導(dǎo)體襯底(2)中，使得其部分地與所述溝道區(qū)(7)以及所述第一基區(qū)(81)重疊。
2.如權(quán)利要求1的絕緣柵雙極晶體管，其中所述第二基區(qū)(82)的深度dB2超過所述溝道區(qū)(7)的深度dC的至少1.5倍，即dB2＞1.5dC。
3.如權(quán)利要求1或2的絕緣柵雙極晶體管，其特征在于所述第一基區(qū)(81)的摻雜pB1濃度和所述第二基區(qū)(82)的摻雜濃度pB2至少5倍地高于所述溝道區(qū)(7)的摻雜濃度pC，即pB1＞5.0pC，pB2＞5.0pC。
4.如前面權(quán)利要求之一的絕緣柵雙極晶體管，其特征在于第二摻雜型的至少一個(gè)保護(hù)區(qū)(221)設(shè)置在所述柵氧化物層(41)之下的漂移區(qū)中，所述保護(hù)區(qū)(3)鄰接所述溝道區(qū)(7)和所述半導(dǎo)體襯底(2)的底表面。
5.如前面權(quán)利要求之一的絕緣柵雙極晶體管，其特征在于所述柵絕緣膜(41，43)的厚度在離所述接觸開口距離1處增大。
全文摘要
在一種絕緣柵雙極晶體管中，根據(jù)本發(fā)明通過二折基區(qū)實(shí)現(xiàn)了改善的安全工作區(qū)域性能，二折基區(qū)包括第一基區(qū)(81)和第二基區(qū)(82)，所述第一基區(qū)(81)設(shè)置在溝道區(qū)(7)中，使得其圍繞一個(gè)或多個(gè)源區(qū)(6)，但是不鄰接?xùn)叛趸飳?41)之下的第二主表面，所述第二基區(qū)(82)設(shè)置在基接觸區(qū)域(821)之下的半導(dǎo)體襯底(2)中，使得其部分地與溝道區(qū)(7)以及第一基區(qū)(81)重疊。
文檔編號(hào)B67D1/14GK1883051SQ200480033652
公開日2006年12月20日 申請(qǐng)日期2004年11月16日 優(yōu)先權(quán)日2003年11月17日
發(fā)明者穆納?！だＤ? 斯特凡·林德 申請(qǐng)人:Abb技術(shù)有限公司