專利名稱：寬槽形多晶硅聯(lián)柵晶體管的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種聯(lián)柵晶體管，屬于硅半導體器件技術領域。
背景技術：
1979年Hisao Kondo提出了聯(lián)柵晶體管GAT(Gate Associated Transistor),隨后 進行了詳細的分析(見IEEETrans. ElectronDevice， v01. ED-27，PP. 373-379. 1980)。 1994年，陳福元、金文新、吳忠龍對聯(lián)柵晶體管GAT作了進一步的分析(見《電力電 子技術》1994年第4期1994.11'pp52-55),指出了聯(lián)柵晶體管G器件呈現(xiàn)出高耐壓、 快速開關和低飽和壓降等優(yōu)良特性。
早期的聯(lián)柵晶體管GAT都是采用平面結構。2000年，中國發(fā)明專利 ZL00100761.0(以下簡稱專甲」761)提出了一種槽形柵多晶硅結構的聯(lián)柵晶體管，其結 構的原理如圖l所示，在下層為第一導電類型低電阻率層42、上層為第一導電類型 高電阻率層41，在硅襯底片4的上表面，有多條第一導電類型的高摻雜濃度的發(fā)射 區(qū)3,發(fā)射區(qū)3與發(fā)射極金屬層1連接，每條發(fā)射區(qū)3的周圍有第二導電類型的基區(qū) 2，基區(qū)2的側面連著第二導電類型摻雜濃度比基區(qū)2高、深度比基區(qū)2深度深的柵 區(qū)6，柵區(qū)6與柵極金屬層相連，硅襯底片4的上層41在基區(qū)2以下和柵區(qū)6以下 的部分為集電區(qū)，硅襯底片4的下層42是集電極，集電極的下表面與集電極金屬層 8相連，其中柵區(qū)6是槽形的，該槽5的底部是第二導電類型高摻雜區(qū)；發(fā)射區(qū)3 的上面連接著第一導電類型的摻雜多晶硅層9，該摻雜多晶硅層9與發(fā)射極金屬層連 接每條槽5的底面和側面覆蓋著絕緣層7，側面的絕緣層7延伸到硅襯底片4的上 表面。這種槽形柵多晶硅結構的聯(lián)柵晶體管可以比平面結構的聯(lián)柵晶體管獲得更大 的電流密度、更均勻的電流分布、更快的開關速度、更高的可靠性。
圖2表示已有技術的槽形柵多晶硅結構的聯(lián)柵晶體管的實際結構示意圖。在此 例子中，槽的寬度3^im，槽深2.5^un，兩個槽之間的距離為20^im，發(fā)射區(qū)的結深0.5pm， 基區(qū)結深2.8pm，柵區(qū)結深4pm，相鄰兩槽形柵區(qū)與基區(qū)的交界處之間的距離 14-15pm，槽形柵區(qū)的底部到硅襯底片的上表面的距離為6.5pm，槽形柵區(qū)的底部到 硅襯底片的上表面的距離與基區(qū)的結深之差為4tim。
由此可見，已有技術的槽形柵多晶硅結構的聯(lián)柵晶體管的PN結都做得比較淺， 導致抗高壓大電流雪崩擊穿的能力偏弱。
例如在專利761的幾個實施例中，N+型發(fā)射區(qū)的結深小于lpm， P型基區(qū)的結 深l-3^rn， P+型高濃度槽形柵區(qū)的結深3-6pm。這3種結深都比較淺，導致抗雪崩 擊穿的能力偏弱。
槽形柵多晶硅結構的聯(lián)柵晶體管(以N型為第一導電類型)的發(fā)射區(qū)通常是這樣形成的在基區(qū)上面，首先生長一層絕緣層，再把絕緣層開孔，然后沉淀一層多晶 硅，使多晶硅層與硅襯底上層的上表面相連，用直接擴散的方法，或者先用離子注 入接著擴散的方法，把N型雜質磷通過多晶硅層擴散到硅襯底上表面開孔處而形成 N+型發(fā)射區(qū)。由于高濃度磷原子擴散進入硅中會產生較大的應力，同時，在發(fā)射區(qū) 上表面，硅與多晶硅連接，硅的膨脹系數(shù)與多晶硅的膨脹系數(shù)相差較大，在高溫擴 散及冷卻過程中，會在發(fā)射區(qū)產生較大的應力。以上兩種應力疊加，在槽形柵多晶 硅結構的聯(lián)柵晶體管的發(fā)射區(qū)產生大量的位錯缺陷，位錯增強了發(fā)射區(qū)的磷的局部 擴散，形成磷的尖峰。在磷的尖峰處，基區(qū)的寬度變窄，電流放大系數(shù)變大，C-E
擊穿變低。槽形柵多晶硅結構的聯(lián)柵晶體管通常應用在開關工作中，當聯(lián)柵晶體管 處在由開轉關的工作階段時，在發(fā)射區(qū)的磷的尖峰附近極易發(fā)生電流集中，造成雪 崩擊穿而使該器件失效。發(fā)射區(qū)越淺，磷雜質的濃度越陡，越容易出現(xiàn)磷的尖峰。 基區(qū)越窄，磷的尖峰穿刺的影響程度相對越大，造成器件損壞越嚴重。
在專利761的實施例中，發(fā)射區(qū)的結深小于lpm，基區(qū)的結深l-3jum。由于基 區(qū)寬度是基區(qū)結深與發(fā)射區(qū)結深之差，所以基區(qū)寬度必然小于3pm。取這樣淺的發(fā) 射區(qū)和這樣窄的基區(qū)，不但使磷的尖峰容易產生，而且使磷的尖峰造成的影響越顯 嚴重。
槽形柵多晶硅結構的聯(lián)柵晶體管通常是先通過反應離子刻蝕，刻出槽形，然后 通過摻雜擴散形成第二導電類型的高摻雜濃度柵區(qū)。在槽的底面和側面的交界處附 近形成的PN結呈柱面狀或球面狀。在球面結區(qū)域或柱面結區(qū)域會發(fā)生電場集中，雪 崩擊穿首先在這些區(qū)域中發(fā)生。這種效應在擴散結深較小時，影響特別顯著。
在專利761的實施例中，P+型高濃度槽形柵區(qū)的結深3-6pm，屬于結深偏淺， 導致其抗雪崩擊穿的能力比較差。數(shù)年來，對槽形柵多晶硅結構的聯(lián)柵晶體管生產 實踐和終端用戶使用情況A分析研究發(fā)現(xiàn)，槽形柵多晶硅結構的聯(lián)柵晶體管的發(fā)射 區(qū)的結深要大于lpm，基區(qū)的結深要大于4.5pm，柵區(qū)的結深要大于6.5pm，這樣其 抗雪崩擊穿的能力就會大為增加。但基區(qū)的結深也不宜太深，否則，晶體管的關斷 速度會顯著變慢，以小于8pm為宜。柵區(qū)的結深也不宜太深，否則，柵區(qū)的橫向擴 展太大，會使晶體管導通時的最大電流變小，以小于12pm為宜。
槽形柵多晶硅結構的聯(lián)柵晶體管主要應用在30-50KHZ的開關線路中，其失效主 要發(fā)生在關斷的過程中。關斷時，隨著集電極電壓不斷升高，聯(lián)柵晶體管的深柵區(qū) 和集電區(qū)之間的空間電荷區(qū)發(fā)生橫向擴展，把兩個柵區(qū)之間的溝道夾斷，對基區(qū)起 到靜電屏蔽作用。數(shù)年來，對槽形柵多晶硅結構的聯(lián)柵晶體管生產實踐和終端用戶 使用情況的分析研究表明，兩個相鄰槽的第二導電類型高摻雜柵區(qū)與第二導電類型 的基區(qū)的交界處的距離小f第二導電類型摻雜柵區(qū)的底部到硅襯底片的上表面的距 離與第二導電類型的基區(qū)^J結深之差的2.5倍，能在關斷過程的早期，把兩個柵區(qū)之 間的溝道夾斷，對基區(qū)的靜電屏蔽作用較好，使槽形柵多晶硅結構的聯(lián)柵晶體管的
4抗雪崩能力更強。
槽形柵多晶硅結構的聯(lián)柵晶體管的P+型高摻雜濃度槽形柵區(qū)呈現(xiàn)出高導電性， 降低了槽形柵多晶硅結構的聯(lián)柵晶體管的基區(qū)橫向電阻，因而減弱了槽形柵多晶硅 結構的聯(lián)柵晶體管的發(fā)射結位于正向偏置時的電流集邊效應。但是P+型高摻雜濃度 槽形柵區(qū)本身也有電阻，當基極電流流經P+型柵區(qū)時會產生柵區(qū)壓降。柵區(qū)壓降顯 著影響集電極電流的均勻性，所以柵區(qū)本身的電阻值越小越好。P+型高摻雜柵區(qū)是 靠注入硼離子然后擴散推進形成的，注硼的劑量盡可能用得大些， 一般取5E15/cm2。 但注硼的劑量也不宜更大，因為劑量更大不僅會花費更多的成本，而且離子注入時 的高能量高劑量轟擊，會造成硅表面的嚴重損傷，使以后的退火工藝難以完全消除 嚴重注入損傷帶來的不良影響。要進一步降低柵區(qū)的電阻，可以加寬槽的寬度。我 們早期生產的槽形柵多晶硅結構的聯(lián)柵晶體管的槽的寬度一般為1.6-3.(Hun，這是不 夠寬的。槽形柵多晶硅結構的聯(lián)柵晶體管經常應用于電感性負載的線路如節(jié)能燈的 電子鎮(zhèn)流器中，在節(jié)能燈開啟觸發(fā)的瞬間，通過槽形柵多晶硅結構的聯(lián)柵晶體管的 電流是正常工作電流的5-7倍，如果槽寬較窄，就會造成較為嚴重的電流聚集現(xiàn)象， 從而導致電流聚集區(qū)域的雪崩擊穿。數(shù)年來，對槽形柵多晶硅結構的聯(lián)柵晶體管生 產實踐和終端用戶使用情況的分析研究表明，槽的寬度在3.5-8pm之間為宜，它可 以明顯改善觸發(fā)瞬間的嚴重電流聚集現(xiàn)象，提高器件的抗雪崩擊穿能力。但槽加寬 后會降低槽形柵多晶硅結構的聯(lián)柵晶體管導通時的電流能力，因為P+型高摻雜濃度 槽形柵區(qū)對導通電流的貢獻是較小的，所以，槽形柵多晶硅結構的聯(lián)柵晶體管的槽 寬以不大于8pm為宜。
發(fā)明內容
'
鑒于上述，本發(fā)明的目的是在于針對現(xiàn)有技術的不足，提出一種新的寬槽形多晶硅聯(lián) 柵晶體管，它可以增強抗雪崩擊穿能力，提高器件的可靠性。
為完成本發(fā)明的目的，本發(fā)明采取的技術方案是
一種寬槽形多晶硅聯(lián)柵晶體管，在其上層為第一導電類型高電阻率層，在其下層為第 一導電類型低電阻率層、在硅襯底片的上表面有多條第一導電類型的高摻雜濃度的發(fā)射 區(qū)，每條發(fā)射區(qū)的上面連接著摻雜多晶硅層，摻雜多晶硅層與發(fā)射極金屬層連接，每條發(fā) 射區(qū)的周圍有第二導電類型的基區(qū)，基區(qū)的側面連著摻雜濃度比基區(qū)高、深度比基區(qū)深度 深的第二導電類型的槽形柵區(qū)，每條槽的底面和側面覆蓋著絕緣層，側面絕緣層延伸到硅 襯底片的上表面，柵區(qū)與柵極金屬層相連，硅襯底片的上層位于基區(qū)以下和柵區(qū)以下的部 分為集電區(qū)，硅襯底片的下層是集電極，集電極的下表面與集電極金屬層相連，其特征在
于 '
所述發(fā)射區(qū)的結深大于lpm; 所述基區(qū)的結深為4.5-8^im; 所述槽形柵區(qū)的結深為6.5-12pm;
兩個相鄰的槽形柵區(qū)與基區(qū)的交界處之間的距離小于槽形柵區(qū)的底部到硅襯底片的上表面的距離與基區(qū)的結深之差的2.5倍； 所述槽形柵區(qū)的槽的寬度大于3.5pm。 此外
所述硅襯底片的第一導電類型的上層分為兩層，靠上一層的電阻率高于下一層。 所述第一導電類型是N型，第二導電類型是P型，或所述第一導電類型是P型， 第二導電類型是N型。
與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的有益效果是
提高聯(lián)柵晶體管的電流密度，改善電流分布的均勻性，抗擊高壓大電流雪崩擊穿的能
力增強，在應用中的失效率可降低l-2個數(shù)量級；
同時降低生產工藝難度； 具有顯著的低成本、高性價比的功效。
圖1和圖2是已有技術的結構示意圖3是本發(fā)明的一個實施例的結構示意圖4是本發(fā)明采用第一導電類型的上層為兩層的另一實施例的結構圖。
具體實施例方式
在圖3所示的寬槽形多晶硅聯(lián)柵晶體管的實施例中，硅襯底4的下層42為集電 極，其為厚度42(Hun電阻率0.01Q'cm的N+型硅，上層41為集電區(qū)，其為厚度60prn 電阻率35^cm的N一型硅。在硅襯底片4的上表面開有多條平行的長條形槽5，槽5 寬4pm,槽5深3pm，兩個相鄰槽5的間距為20pm。槽底通過注入硼離子并加以推 進而形成P+型高濃度槽形柵區(qū)6，硼的表面濃度為1E19-2E20/cm3，結深l(Hun。硅 襯底上層41的上表面通過硼離子注入和擴散，形成P型基區(qū)2， P型基區(qū)2中硼的 表面濃度為1E17-3E18 / cm3，結深6um。 P+型槽形柵區(qū)6的底部到硅襯底片4的上 表面的距離為13um。 P+型槽形柵區(qū)6的底部到硅襯底片4的上表面的距離與P型基 區(qū)2的結深之差為7um。兩個P+型槽形柵區(qū)6與P型基區(qū)2的交界處之間的距離為 5-6um。硅襯底上層41的上表面覆蓋著厚度為0.5-0.6um的摻磷多晶硅層9，摻磷多 晶硅層9與槽5的底部和側面之間隔著一層由二氧化硅、磷硅玻璃、氮化硅或它們 的復合物構成的絕緣層7，絕緣層7延伸到硅襯底片4的上表面，絕緣層7的厚度為 0.3-lum，在兩個相鄰槽5之間的硅襯底上層41的上表面為高磷濃度N+型發(fā)射區(qū)3， 磷的表面濃度高達2-9E20 / cm3， N+型發(fā)射區(qū)3的深度為2.5um。 N+型發(fā)射區(qū)3是 通過把絕緣層7開孔，使摻磷多晶硅層9與硅襯底上層41的上表面相連，并通過摻 磷多晶硅層9把磷擴散進入硅襯底上層41的上表面而形成的。發(fā)射極金屬層1是厚 度為4um的鋁層，集電極金屬層8是厚度為lum的鈦鎳銀三層金屬。本實施例與圖 2所示的聯(lián)柵晶體管相比，抗擊雪崩擊穿的能量增加1倍，在應用中的失效率降低 l-2個數(shù)量級。以下是把圖2所示的槽形柵多晶硅結構的聯(lián)柵晶體管(簡稱A管)和本發(fā)明的寬 槽形多晶硅聯(lián)柵晶體管(簡稱B管)用于節(jié)能燈電子鎮(zhèn)流器中的失效情況的對比結果 和生產情況改進及終端用戶使用情況的對比
一高壓開關沖擊試驗
用于3U型節(jié)能燈的電子鎮(zhèn)流器，節(jié)能燈的燈管長110mm，管徑012mm，功率 為26w。試驗條件為輸入電壓300V，每分鐘開關l次，A管和B管各做100只。 結果，A管平均抗沖卯次，B管平均抗沖5000次以上。B管的失效率比A管低1.5 個數(shù)量級，所以，本發(fā)明與已有技術相比，可獲得更高的可靠性。
二熱沖試驗
用于3U型節(jié)能燈的電子鎮(zhèn)流器，節(jié)能燈的燈管長110mm，管徑①12mm。分別 采用A管和B管并相應調整線路，檢測能夠通過85。C的環(huán)境溫度下抗擊270V沖擊 20次的最大功率。結果采用A管只能達到20-21W，采用B管可達到23-24W，采 用B管結構的功率相當于采用A管結構但管芯面積必須增加50%才能達到的功率。 由此可見，本發(fā)明與已有技術相比，降低成本、提高性價比的功效十分顯著。
三生產情況改進對比
槽形柵多晶硅結構的聯(lián)湖晶體管是槽型結構，槽內的膠是平面的膠的2倍厚。由
于該槽設計較窄，槽內的膠難除凈。若在蒸鋁前膠除不凈，會造成e極不均勻；若
在蒸鋁后膠除不凈，會造成擊穿電壓蠕變，導致產品合格率平均只有70%左右。而本 發(fā)明的寬槽形多晶硅聯(lián)柵晶體管，槽加寬，槽內的膠容易除凈，使得目前產品合格 率平均能達到95%以上。這說明本專利提出的寬槽形多晶硅聯(lián)柵晶體管，大大地解決 了生產加工難度，便于規(guī)模化生產。 四終端用戶使用情況對比
使用A管生產，終端客戶一般生產線上控制的損壞率為3%左右；使用B管生產， 終端客戶一般生產線上控制的損壞率可以降低到0. 5%左右。這說明B管的可靠性在 終端客戶生產使用中遠遠大于A管。
圖4是本發(fā)明的另一個較好的實施例。它與圖3的不同之處在于硅襯底片的 上層N一型高阻層41分為兩層，靠上面一層411的電阻率高些，為601^cm，厚度為 20um，靠下面一層412的電阻率低些，為20Q'cm，厚度為40um。這種雙層結構的 高阻層，能夠有效地抑制集電極與基極之間的PN結勢壘在大電流的轉移收縮效應， 提高器件的抗雪崩擊穿能力，從而提高了器件長期工作的可靠性。
本發(fā)明可以取第一導電類型為N型、第二導電類型為P型，形成NPN晶體管； 也可以取第一導電類型為P型、第二導電類型為N型，形成PNP晶體管。
需要申明的是，上述實施例僅用于對本發(fā)明進行說明而非對本發(fā)明進行限制， 因此，對于本領域的技術人員來說，在不背離本發(fā)明精神和范圍的情況下對它進行 各種顯而易見的改變，都應在本發(fā)明的保護范圍之內。
權利要求
1. 一種寬槽形多晶硅聯(lián)柵晶體管，在其上層為第一導電類型高電阻率層，在其下層為第一導電類型低電阻率層、在硅襯底片的上表面有多條第一導電類型的高摻雜濃度的發(fā)射區(qū)，每條發(fā)射區(qū)的上面連接著摻雜多晶硅層，摻雜多晶硅層與發(fā)射極金屬層連接，每條發(fā)射區(qū)的周圍有第二導電類型的基區(qū)，基區(qū)的側面連著摻雜濃度比基區(qū)高、深度比基區(qū)深度深的第二導電類型的槽形柵區(qū)，每條槽的底面和側面覆蓋著絕緣層，側面絕緣層延伸到硅襯底片的上表面，柵區(qū)與柵極金屬層相連，硅襯底片的上層位于基區(qū)以下和柵區(qū)以下的部分為集電區(qū)，硅襯底片的下層是集電極，集電極的下表面與集電極金屬層相連，其特征在于所述發(fā)射區(qū)的結深大于1μm；所述基區(qū)的結深為4.5-8μm；所述槽形柵區(qū)的結深為6.5-12μm；兩個相鄰的槽形柵區(qū)與基區(qū)的交界處之間的距離小于槽形柵區(qū)的底部到硅襯底片的上表面的距離與基區(qū)的結深之差的2.5倍；所述槽形柵區(qū)的槽的寬度大于3.5μm。
2. 如權利要求1所述的寬槽形多晶硅聯(lián)柵晶體管，其特征在于 所述硅襯底片的第一導電類型的上層分為兩層，靠上一層的電阻率高于下一層。
3. 如權利要求1或2所述的寬槽形多晶硅聯(lián)柵晶體管，其特征在于 所述第一導電類型是N型，第二導電類型是P型。
4. 如權利要求1或2^述的寬槽形多晶硅聯(lián)柵晶體管，其特征在于 所述第一導電類型是P型，第二導電類型是N型。
全文摘要
本發(fā)明公開一種寬槽形多晶硅聯(lián)柵晶體管，在其上層為第一導電類型高電阻率層，在其下層為第一導電類型低電阻率層、在硅襯底片的上表面有多條第一導電類型的高摻雜濃度的發(fā)射區(qū)，每條發(fā)射區(qū)的上面連接著摻雜多晶硅層，摻雜多晶硅層與發(fā)射極金屬層連接。其特點是發(fā)射區(qū)的結深大于1μm，基區(qū)的結深為4.5-8μm；槽形柵區(qū)的結深為6.5-12μm；兩個相鄰的高摻雜濃度的槽形柵區(qū)與基區(qū)的交界處之間的距離小于槽形柵區(qū)的底部到硅襯底片的上表面的距離與基區(qū)的結深之差的2.5倍；槽形柵區(qū)的槽的寬度大于3.5μm。本發(fā)明的優(yōu)點是提高聯(lián)柵晶體管的電流密度，改善電流分布的均勻性，增強抗擊雪崩擊穿的能力，在應用中的失效率降低1-2個數(shù)量級；同時降低生產工藝難度；具有顯著的低成本、高性價比的功效。
文檔編號H01L29/66GK101499487SQ20081000675
公開日2009年8月5日 申請日期2008年1月31日 優(yōu)先權日2008年1月31日
發(fā)明者(請求不公開姓名) 申請人:北京山貝電子技術有限公司