專利名稱：橫向絕緣柵雙極晶體管的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種橫向絕緣柵雙極晶體管(下文稱作IGBT)，并且具體涉及一種形成在SOI (即絕緣體上硅)襯底上的橫向IGBT。
背景技術(shù)：
研發(fā)并且利用了單片逆變器IC芯片，其中在SOI (絕緣體上硅)襯底上構(gòu)造諸如橫向IGBT、橫向二極管、模擬電路以及數(shù)字電路等集成部件。逆變器IC的性能主要由集成的橫向IGBT和橫向二極管決定。橫向IGBT的重要的性能指標(biāo)是低導(dǎo)通態(tài)電壓以及高開關(guān)速度，并且橫向二極管的重要性能指標(biāo)也是低導(dǎo)通態(tài)電壓以及高開關(guān)速度。具體而言，有必要使橫向IGBT保持低導(dǎo)通態(tài)電壓和高開關(guān)速度而不控制壽命，這是通過照射電子束來執(zhí)行的。另外，通過降低空穴注入到集電極的效率來減少導(dǎo)通態(tài)的載流子濃度是非常重要的。常規(guī)地，雙層集電極區(qū)域包括具有低雜質(zhì)濃度的大P阱區(qū)域，以及具有高雜質(zhì)濃度的小P+型區(qū)域。P阱區(qū)域和P+型區(qū)域都與集電極電極歐姆接觸以便抑制集電極區(qū)域中受主雜質(zhì)的總量。此外，圍繞低雜質(zhì)濃度P阱區(qū)域和高雜質(zhì)濃度P+型區(qū)域的N型緩沖層提供了施主型雜質(zhì)效應(yīng)，使得空穴注入受到限制。因此，如JP 3415441(對應(yīng)于USP 6133607) 所示的，空穴注入的效率被降低了。然而，根據(jù)本發(fā)明發(fā)明人的研究，發(fā)現(xiàn)在將下降時間tf設(shè)置為0. 3 μ sec或更低的情況下集電極區(qū)域的雙層結(jié)構(gòu)使得導(dǎo)通態(tài)電壓的變化增加。低導(dǎo)通態(tài)電壓和高開關(guān)速度處于折中的關(guān)系。因此，基本上下降時間隨著導(dǎo)通態(tài)電壓的增加而降低。然而，如JP 3415441(對應(yīng)于USP 6133607)所示，在其中雙層集電極區(qū)域與集電極電極歐姆接觸的結(jié)構(gòu)中，低導(dǎo)通態(tài)電壓和高開關(guān)速度之間的折中關(guān)系不復(fù)存在。此外，通過犧牲導(dǎo)通態(tài)電壓不能降低下降時間，并且導(dǎo)通態(tài)電壓的變化增加了。在其中集電極電極與集電極區(qū)域歐姆接觸的常規(guī)IGBT中，在下降時間降低到某一水平之后下降時間不會隨著導(dǎo)通態(tài)電壓的增加而穩(wěn)定地降低。因此，不可能將開關(guān)速度提高到高于某一水平。根據(jù)本發(fā)明發(fā)明人的分析，在將P阱溝道層的表面雜質(zhì)濃度設(shè)置為例如IXlO17cnT3 并且集電極電極由包含的硅的鋁制成的情況下，具有低雜質(zhì)濃度的P阱溝道層的表面與集電極電極不穩(wěn)定地接觸。P阱溝道層的表面與集電極電極之間不穩(wěn)定的接觸引起了導(dǎo)通態(tài)電壓的變化。

發(fā)明內(nèi)容
考慮到上述困難，本發(fā)明的目的是提供一種可以實現(xiàn)高開關(guān)速度的橫向IGBT。根據(jù)本發(fā)明公開的一個方面，一種N溝道橫向絕緣柵雙極晶體管包括半導(dǎo)體襯底；具有N導(dǎo)電類型并且設(shè)置在襯底上的漂移層；為P導(dǎo)電類型并且設(shè)置在漂移層的第一表面部分中的集電極區(qū)域；為P導(dǎo)電類型并且設(shè)置在漂移層的遠(yuǎn)離集電極區(qū)域的第二表面部分中的溝道層；為N導(dǎo)電類型并且具有比漂移層更高的雜質(zhì)濃度的發(fā)射極區(qū)域，并且該發(fā)射極區(qū)域設(shè)置在溝道層的第一表面部分中且具有在溝道層的終止部分(terminatedportion)內(nèi)部終止的端部；設(shè)置在溝道區(qū)域上的柵極絕緣膜，該溝道區(qū)域由溝道層的位于發(fā)射極區(qū)域和漂移層之間的第二表面部分提供；設(shè)置在柵極絕緣膜上的柵電極；與集電極區(qū)域電耦合的集電極電極；以及與發(fā)射極區(qū)域和溝道層電耦合的發(fā)射極電極。集電極區(qū)域包括具有高雜質(zhì)濃度的高雜質(zhì)濃度區(qū)域和雜質(zhì)濃度比高雜質(zhì)濃度區(qū)域低的低雜質(zhì)濃度區(qū)域。集電極電極與高雜質(zhì)濃度區(qū)域歐姆接觸并且與低雜質(zhì)濃度區(qū)域肖特基接觸。在上述器件中，由于集電極電極與高雜質(zhì)濃度區(qū)域歐姆接觸并且與低雜質(zhì)濃度區(qū)域肖特基接觸，通過限制空穴注入減小了空穴注入的效率。因此，可以獲得被構(gòu)造成實現(xiàn)高開關(guān)速度而不控制壽命的橫向IGBT。


根據(jù)以下結(jié)合附圖進(jìn)行的詳細(xì)說明，本發(fā)明的上述以及其他目的、特征和優(yōu)點將變得更加顯見。在附圖中圖1是示出根據(jù)本發(fā)明第一實施例的N溝道橫向IGBT的截面圖的示圖；圖2是示出圖1所示的橫向IGBT的布局的頂視平面圖的示圖；圖3是示出根據(jù)第一實施例的橫向IGBT的下降時間tf和導(dǎo)通態(tài)電壓V。n之間的關(guān)系以及其中集電極電極與集電極區(qū)域歐姆接觸的常規(guī)橫向IGBT的下降時間tf和導(dǎo)通態(tài)電壓V。n之間的關(guān)系的圖表；圖4是示出阻擋金屬12a的功函數(shù)Φω[Θν]和空穴注入效率(空穴電流Ih/集電極電流I。)之間的關(guān)系的圖表；圖5Α和5Β是示出功函數(shù)Φω分別為4. 5eV和4. 9eV兩種情況下的能帶結(jié)構(gòu)的示圖；圖6是示出當(dāng)橫向IGBT導(dǎo)通時橫向IGBT的截面圖的示圖；圖7是示出歐姆接觸面積Si和肖特基接觸面積&之間的關(guān)系的截面圖的示圖；圖8是示出肖特基接觸面積與歐姆接觸面積的比值(S^Si)與關(guān)斷時間t。ff之間的關(guān)系的圖表；圖9是示出P型區(qū)域4b的P型雜質(zhì)表面濃度Csp和導(dǎo)通態(tài)電壓V。n之間的關(guān)系以及P型區(qū)域4b的P型雜質(zhì)表面濃度Csp和關(guān)斷時間t。ff之間的關(guān)系的圖表；圖10是示出關(guān)斷時間t。ff和電流驅(qū)動能力之間的關(guān)系的圖表；圖IlA和IlB是分別示出橫向IGBT中的導(dǎo)通態(tài)電壓的溫度特性和關(guān)斷時間t。ff的溫度特性的圖表；圖12是其中例如設(shè)置了 IGBT和二極管的開關(guān)電路的例子的電路圖；圖13是示出圖12中所示的開關(guān)電路的操作過程的時序圖；圖14是示出根據(jù)第一實施例的橫向IGBT的截面圖的示圖；圖15是示出其中組合了歐姆接觸和肖特基接觸的橫向二極管的截面圖的示圖；圖16是示出根據(jù)本發(fā)明第二實施例的N溝道橫向IGBT的截面圖的示圖；圖17是示出根據(jù)本發(fā)明第三實施例的N溝道橫向IGBT的截面圖的示圖；圖18是示出根據(jù)本發(fā)明第四實施例的N溝道橫向IGBT的截面圖的示圖；圖19是示出根據(jù)本發(fā)明第五實施例的N溝道橫向IGBT的截面圖的示圖；圖20是示出根據(jù)其他實施例的橫向IGBT的布局的頂視平面圖的示圖21是示出根據(jù)其他實施例的橫向IGBT的截面圖的示圖；圖22是示出根據(jù)其他實施例的垂直IGBT的截面圖的示圖。
具體實施例方式(第一實施例)將要介紹本發(fā)明的第一實施例。圖2示出了橫向IGBT的單個單元。圖1是沿著圖 2的線IA-IA截取的截面圖。將要參照上述附圖介紹根據(jù)本實施例的橫向IGBT的結(jié)構(gòu)。如圖1所示，在本實施例中將SOI襯底1用作N溝道橫向IGBT的半導(dǎo)體襯底。以這樣的方式形成SOI襯底1，即在支撐襯底Ia上形成有源層Ic并且在它們之間插置掩埋氧化物(BOX) lb。支撐襯底Ia由諸如硅的材料制成，并且有源層Ic由硅制成。在本實施例中，有源層Ic起到N_型漂移層2的作用，并且橫向IGBT的每個元件部分都形成在N_型漂移層2的表面部分中。在橫向IGBT可以具有預(yù)定擊穿電壓的情況下，SOI襯底的掩埋氧化物Ib和有源層 lc(N_型漂移層幻可以具有任意厚度和任意雜質(zhì)濃度。例如，可以將掩埋氧化物Ib形成為 4 μ m厚或者更厚的厚度以獲得高擊穿電壓。具體而言，也可以將掩埋氧化物Ib形成為5 μ m 厚以獲得600V的穩(wěn)定擊穿電壓。另外，有源層Ic可以具有處于IX IO14CnT3和1. 2 X 1015cm_3 之間的范圍內(nèi)的N型雜質(zhì)濃度，以便在有源層Ic厚度為15 μ m或更低的情況下獲得600V 的穩(wěn)定擊穿電壓，并且有源層Ic還可以具有處于1 X IO14CnT3和8 X IO14CnT3之間的范圍內(nèi)的N型雜質(zhì)濃度，以便在有源層厚度為20m或更低的情況下獲得600V的穩(wěn)定擊穿電壓。在N_型漂移層2的表面上形成LOCOS氧化物膜3以使橫向IGBT的每個元件部分隔離。如圖2所示，在N—型漂移層2的第一表面部分中形成集電極區(qū)域4并使其一個方向作為縱向方向。在不形成LOCOS氧化物膜3的地方形成集電極區(qū)域4。其中形成不同雜質(zhì)濃度區(qū)域的集電極區(qū)域4包括P+型區(qū)域如和P型區(qū)域4b，其中P+型區(qū)域如是高雜質(zhì)濃度區(qū)域，而P型區(qū)域4b是低雜質(zhì)濃度區(qū)域。高雜質(zhì)濃度區(qū)域如具有相對較高的雜質(zhì)濃度， 并且低雜質(zhì)濃度區(qū)域4b具有比高雜質(zhì)濃度區(qū)域如的雜質(zhì)濃度低的雜質(zhì)濃度。P+型區(qū)域乜具有例如1 X IO19CnT3和1 X 102°cnT3之間的范圍內(nèi)的表面濃度，并且P 型區(qū)域4b具有例如IXlO16Cnr3和IX IO19CnT3之間的范圍內(nèi)或者IXlO15Cnr3和IX IO18CnT3 之間的范圍內(nèi)的表面濃度。在本實施例中，如圖1和圖2所示，以條狀形狀形成P+型區(qū)域 4a和P型區(qū)域4b并使其一個方向作為縱向方向，并且P+型區(qū)域如被P型區(qū)域4b包圍。另外，在N—型漂移層2的第三表面部分中形成雜質(zhì)濃度比N—型漂移層2的雜質(zhì)濃度高的N型緩沖層5以包圍集電極區(qū)域4。N型緩沖層5用作FS (場停止)層并且由N型層形成，其具有比N—型漂移層2的雜質(zhì)濃度更高的雜質(zhì)濃度。因此，N型緩沖層5可以限制耗盡區(qū)擴(kuò)展，從而可以改善擊穿電壓的性能和靜態(tài)損耗(stationary loss)的性能。例如， N型緩沖層5具有4 X IO16CnT3和1 X 1018cm_3之間的范圍內(nèi)的雜質(zhì)濃度。另外，在N_型漂移層2的第二表面部分中的其上不形成LOCOS氧化物膜3的地方圍繞集電極區(qū)域4的中心形成P阱溝道層6、礦型發(fā)射極區(qū)域7、P+型接觸層8和P型體層 9。P阱溝道層6在P阱溝道層6的第二表面部分中提供溝道區(qū)域。例如，將P阱溝道層6形成為具有2 μ m或更低的厚度并且具有6 μ m或更低的寬度。如圖2所示，將P阱溝道層6形成為共心地(concentrically)圍繞集電極區(qū)域4的中心(以及下述的集電極 12)，以包圍集電極區(qū)域4的外圍一圈。以這樣的方式將N+型發(fā)射極區(qū)域7設(shè)置在P阱溝道層6的第一表面部分中，即， 使得N+型發(fā)射極區(qū)域7的端部在P阱溝道層6的終止部分內(nèi)部終止。將N+型發(fā)射極區(qū)域 7形成為具有與集電極區(qū)域4的縱向方向相等的縱向方向。如圖2所示，在集電極區(qū)域4的角落部分中不形成N+型發(fā)射極區(qū)域7。也就是說，在作為縱向方向的一個方向上在集電極區(qū)域4的兩端不形成N+型發(fā)射極區(qū)域7，而是與集電極區(qū)域4平行且線性地形成N+型發(fā)射極區(qū)域7。在本實施例中，在兩個相鄰的N+型發(fā)射極區(qū)域7之間夾置P+型接觸層8和P型體層9。P+型接觸層8將P阱溝道層6固定為發(fā)射極電勢。P+型接觸層8具有比P阱溝道層6的雜質(zhì)濃度更高的雜質(zhì)濃度。如圖2所示，P+型接觸層8同樣形成為共心地圍繞集電極區(qū)域4的中心(以及下述的集電極12)以包圍集電極區(qū)域4的外圍一圈。P型體層9用于減小電壓降，所述電壓降是由從集電極經(jīng)由橫向IGBT的表面部分流到發(fā)射極的空穴電流引起的。P型體層9同樣形成為共心地圍繞集電極區(qū)域4的中心(以及下述的集電極12)以包圍集電極區(qū)域4的外圍一圈。P型體層9可以限制由N+型發(fā)射極區(qū)域7、P阱溝道層6和N_型漂移層2形成的寄生NPN晶體管工作。因此，可以進(jìn)一步改善關(guān)斷時間。如圖2所示，在每個單元中，集電極區(qū)域4(以及下述的集電極1 在兩側(cè)都夾置在P阱溝道層6、N+型發(fā)射極區(qū)域7、P+型接觸層8和P型體層9之間。經(jīng)由插置在柵電極11和P阱溝道層6之間的柵極絕緣膜10將柵電極11形成在 P阱溝道層6上。柵電極11由諸如摻雜多晶硅等材料制成。當(dāng)將柵電壓施加到柵電極11 時，在P阱溝道層6的第二表面部分中形成溝道區(qū)域。另外，在集電極區(qū)域4的表面上形成集電極電極12以與集電極區(qū)域4電耦合。此外，在N+型發(fā)射極區(qū)域7和P+型接觸層8的表面上形成發(fā)射極電極13以與N+型發(fā)射極區(qū)域7和P+型接觸層8電耦合。集電極電極12與P+型區(qū)域如歐姆接觸，并且與P型區(qū)域4b肖特基接觸。在本實施例中，集電極電極12具有包括阻擋金屬1 和電極材料12b的雙層結(jié)構(gòu)。P型區(qū)域4b 的表面被阻擋金屬1 覆蓋，并且P+型區(qū)域如的表面和阻擋金屬12a的表面被電極材料 12b覆蓋。阻擋金屬1 具有與P型區(qū)域4b的暴露表面相同的平面圖案，并且P型區(qū)域4b 的整個暴露表面被阻擋金屬1 覆蓋。P型區(qū)域4b的暴露表面從LOCOS氧化物膜3暴露出來。作為阻擋金屬12a的材料，可以使用能夠與具有低雜質(zhì)濃度的P型區(qū)域4b形成可靠的肖特基接觸的金屬。阻擋金屬12a的材料可以具有4. 9eV或者更低的功函數(shù)。例如， 可以使用Ti、TiN或者Ni作為阻擋金屬12a的材料。作為電極材料12b的材料，可以使用能夠與P+型區(qū)域如形成可靠的歐姆接觸的金屬。例如，可以使用Al或者Cu作為電極材料12b的材料。在形成在集電極和柵極之間的LOCOS氧化物膜3的表面部分中形成電阻器層14。 電阻器層14由縱向延伸的摻雜多晶硅層形成。設(shè)置電阻器層14以防止在集電極和柵極之間生成偏置的電勢梯度。具體而言，如圖2所示，圍繞集電極電極12以螺旋狀形成電阻器層14。電阻器層14的端部與集電極電極12電耦合，并且電阻器層14的另一端部與柵電極 11電耦合。因此，電阻器層14的與集電極電極12電耦合的端部具有與集電極電極12相同的電勢，并且在從集電極側(cè)到發(fā)射極側(cè)的方向上由于電阻器層14的內(nèi)部電阻，電勢逐漸降低。因此，電阻器層14具有與從集電極電極12到電阻器層14的距離成比例的電勢梯度。 經(jīng)由插置在電阻器層14和N_型漂移層2之間的LOCOS氧化物膜13而形成在電阻器層14 下方的N—型漂移層2的一部分也具有恒定的電勢梯度。因此，可以限制可能由偏置的電勢梯度引起的電場集中，并且因此，可以提高器件的擊穿電壓。此外，可以限制碰撞電離，并且因此在切換器件時(在關(guān)斷狀態(tài))可以限制開關(guān)時間的增加。本實施例中的橫向IGBT由上述結(jié)構(gòu)形成。在具有上述結(jié)構(gòu)的橫向IGBT中，在將預(yù)定電壓施加到柵電極11時在P阱溝道層6的第二表面部分中形成溝道區(qū)域。P阱溝道層 6的第二表面部分是夾置在N+型發(fā)射極區(qū)域7和N—型漂移層2之間并且設(shè)置在柵電極11 下方的部分。電子從發(fā)射極電極13和N+型發(fā)射極區(qū)域7通過溝道區(qū)域流入N—型漂移層2 中。同時，空穴通過集電極電極12和集電極區(qū)域4流入N—型漂移層2中。電子和空穴到 N—型漂移層2中的流動引起N—型漂移層2中的電導(dǎo)率調(diào)制。因此，IGBT可以在發(fā)射極和集電極之間的高電流上工作。在上述根據(jù)本實施例的橫向IGBT中，集電極電極12與P+型區(qū)域如歐姆接觸，并且與P型區(qū)域4b肖特基接觸。因此，可以限制來自集電極的空穴注入并且可以降低空穴注入的效率。具體而言，由于可以通過集電極區(qū)域4和集電極電極12之間的接觸類型限制空穴注入，可以將緩沖層5僅僅用作FS(場停止)層而不限制空穴注入。由此，緩沖層5可以具有低雜質(zhì)濃度，所述雜質(zhì)濃度足夠低而不會改變集電極側(cè)空穴注入的效率。下面將要介紹通過上述結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)的效果。圖3是示出根據(jù)本實施例的橫向IGBT的下降時間tf和導(dǎo)通態(tài)電壓V。n之間的關(guān)系(由3a所示)以及其中集電極電極與集電極區(qū)域歐姆接觸的常規(guī)橫向IGBT的下降時間 tf和導(dǎo)通態(tài)電壓V。n之間的關(guān)系(由北所示)的圖表。如圖3所示，在常規(guī)IGBT中，在將下降時間tf降低到0. 3 μ sec之后通過犧牲導(dǎo)通態(tài)電壓不能降低下降時間tf。也就是說，當(dāng)下降時間tf為0. 3 μ sec或更低時，高開關(guān)速度和導(dǎo)通態(tài)電壓V。n之間的折中關(guān)系不復(fù)存在。然而，在根據(jù)本實施例的橫向IGBT中，下降時間tf可以被減小到0. 3μ sec或更低。另外，即使當(dāng)下降時間被減小到0. 3 μ sec或更低時，也可以保持高開關(guān)速度和導(dǎo)通態(tài)電壓V。n之間的折中關(guān)系。在本實施例中，集電極電極12與P型區(qū)域4b肖特基接觸以限制空穴注入并且降低空穴注入的效率。因此，可以獲得構(gòu)造為實現(xiàn)高開關(guān)速度而不控制壽命的橫向IGBT。如上所述，在集電極電極12中，與P型區(qū)域4b肖特基接觸的部分被限定為阻擋金屬12a?？梢允褂镁哂?. 9eV或者更低的功函數(shù)的金屬作為阻擋金屬12a的材料，其原因?qū)⒄請D4、圖5A和圖5B來介紹。在圖5A和圖5B中，Evacc代表真空能級，Ef代表費米能級，Ec代表導(dǎo)帶能級，Ev代表價帶能級。如圖4所示，當(dāng)功函數(shù)大于4. 9eV時，空穴注入的效率增加并且可能不會保持在低的水平。在這種情況下，不能獲得高開關(guān)速度。相反，當(dāng)功函數(shù)為4. 9eV或者更低時，可以將空穴注入的效率降低到0. 3。在這種情況下，可以獲得高開關(guān)速度。如圖5A所示，在功函數(shù)Φω為4. 5eV的情況下，對于空穴而言的勢壘高度足夠大， 使得空穴不能流過肖特基接觸界面。如圖5B所示，在功函數(shù)9eV的情況下，對于空穴而言的勢壘略微存在，使得空穴不能流過肖特基接觸界面。在功函數(shù)Φω大于4. 9eV的情況下，對于空穴而言的勢壘消失，使得空穴可以從阻擋金屬1 注入到P型區(qū)域4b中。如上所述，空穴注入取決于阻擋金屬12a的功函數(shù)Φω的水平。因此，將阻擋金屬12a的功函數(shù)Φω設(shè)置為4. 9eV或者更低，使得可以更多地降低空穴注入的效率并且可以進(jìn)一步更多地加快開關(guān)操作。如上所述，在根據(jù)本實施例的橫向IGBT中，集電極電極12與P+型區(qū)域如歐姆接觸，并且與P型區(qū)域4b肖特基接觸。因此，可以限制來自集電極的空穴注入并且可以降低空穴注入的效率。此外，可以獲得構(gòu)造為實現(xiàn)高開關(guān)速度而不控制壽命的橫向IGBT。將阻擋金屬12a設(shè)置在P型區(qū)域4b上，使得集電極電極12可靠地與P型區(qū)域4b 肖特基接觸。通過這種方式，可以限定肖特基接觸區(qū)域并且預(yù)定區(qū)域可以穩(wěn)定地與集電極電極12肖特基接觸。由此，可以容易地制造具有肖特基接觸的橫向IGBT。在根據(jù)本實施例的橫向IGBT的制造方法中，增加了形成阻擋金屬12a的工藝并且其他步驟與橫向IGBT的常規(guī)制造方法類似。在形成電極材料12b之前進(jìn)行阻擋金屬12a的形成。例如，形成由諸如Ti、Ni和TiN的金屬制成的膜，并且之后對其進(jìn)行構(gòu)圖以僅僅在P型區(qū)域4b的表面上保留一部分。通過這種方式，可以形成阻擋金屬12a。另外，將阻擋金屬1 的功函數(shù)設(shè)置為4. 9eV或者更低，使得可以降低空穴注入的效率并且可以獲得高開關(guān)速度。如JP 3415441(對應(yīng)于USP 6133607)所公開的，常規(guī)地，集電極電極與集電極區(qū)域歐姆接觸以限制導(dǎo)通態(tài)電壓的增加。因此，沒有想到集電極電極可以部分地與集電極區(qū)域成肖特基接觸。具體而言，沒有想到預(yù)定區(qū)域可以穩(wěn)定地與集電極區(qū)域肖特基接觸。在根據(jù)本實施例的橫向IGBT中，將參照圖6介紹在橫向IGBT從導(dǎo)通態(tài)到關(guān)斷狀態(tài)切換的期間關(guān)斷過程的工作機(jī)制。圖6是示出當(dāng)橫向IGBT導(dǎo)通時橫向IGBT的截面圖的示圖。如圖6所示，將橫向 IGBT用作開關(guān)元件。例如，假設(shè)電路切換以將電流從電源20供應(yīng)到負(fù)載21，橫向IGBT的集電極連接到負(fù)載21的低側(cè)，并且橫向IGBT的發(fā)射極連接到地。在該電路中，根據(jù)本實施例的橫向IGBT將根據(jù)以下過程⑴到(IV)來工作。(I)作為起始狀態(tài)，將大于閾值電壓的電壓施加到柵電極11，使得柵電極11下方的溝道被關(guān)斷。因此，電子從N+型發(fā)射極區(qū)域7通過N—型漂移層2流到集電極區(qū)域4，并且跨過P+/P/N結(jié)注入到P+型區(qū)域如中，使得P+/P/N結(jié)被正向偏置(在圖6中，電子在由點狀箭頭VIA所示的路徑中流動)。當(dāng)電子注入到P+型區(qū)域如中時，如圖6中的箭頭VIB所示，空穴反向地從P+型區(qū)域如注入到N型緩沖層5中。因此，在N_型漂移層2中，由點劃線包圍的區(qū)域VIC可以具有由電導(dǎo)率調(diào)制引起的高載流子濃度狀態(tài)。因此，高電流從集電極流到發(fā)射極。(II)當(dāng)以階梯方式降低柵極電壓時，形成溝道并且由點狀箭頭VIA所示的電子的流動停止。而且電子停止跨過P+/P/N結(jié)注入集電極區(qū)域4，并且由箭頭VIB所示的空穴的反向流動停止。
(III)在N—型漂移層2中積累大量的載流子(電子和空穴)。積累的載流子中的電子被具有正電勢的集電極區(qū)域4吸引，并且跨過不具有勢壘的肖特基接觸被注入(charge) 到集電極(由箭頭VID所示)。由于肖特基接觸，因此電子可以容易地被集電極抽取。(IV)由于N—型漂移層2中的電子被集電極抽取，因此載流子中的電荷平衡被打破。因此，型漂移層2中的空穴被具有負(fù)電勢的發(fā)射極區(qū)域吸引，并且通過P+型接觸層 8被排放(discharge)到發(fā)射極(由箭頭VIE所示)。根據(jù)上述機(jī)制，由于如過程(III)所述在導(dǎo)通態(tài)中積累的電子可以通過肖特基接觸而被集電極有效地吸引，因此可以通過其中如本實施例中所述的那樣設(shè)置歐姆接觸和肖特基接觸的集電極結(jié)構(gòu)來減少關(guān)斷時間。另外，在根據(jù)本實施例的橫向IGBT中，電子的吸引取決于肖特基接觸面積。因此， 可以通過增加肖特基接觸面積與歐姆接觸面積的比值來減小關(guān)斷時間。具體而言，當(dāng)集電極電極12和高雜質(zhì)濃度區(qū)域如之間的歐姆接觸的面積被設(shè)定為Si,并且集電極電極12和低雜質(zhì)濃度區(qū)域4b之間的肖特基接觸的面積被設(shè)定為&時，肖特基接觸面積與歐姆接觸面積的比值(^/Si)被設(shè)置為處在3到50之間的范圍內(nèi)。如圖7所示，在截面圖中示出了歐姆接觸的寬度和肖特基接觸的寬度。歐姆接觸和肖特基接觸在垂直于圖7的紙面的方向上延伸同樣的長度。因此，肖特基接觸寬度與歐姆接觸寬度的比值與肖特基接觸面積與歐姆接觸面積的比值(SySi)相同。圖7僅僅示出了發(fā)射極中面對集電極的一個發(fā)射極。然而，在實際的橫向IGBT中，另外的發(fā)射極在圖7的紙面中被設(shè)置在集電極的左側(cè)。因此，設(shè)置在歐姆接觸兩側(cè)的肖特基接觸的面積視為&/2。 在圖8中示出了肖特基接觸面積與歐姆接觸面積的比值(SySi)與關(guān)斷時間t。ff之間的關(guān)系的實驗結(jié)果。如圖8所示，關(guān)斷時間t。ff隨著肖特基接觸面積&與歐姆接觸面積Si的比值(Se/ Si)的增加而減小。在^/Si比值被設(shè)置為3或更大的情況下，可以將關(guān)斷時間t。ff減小到 150nsec(0. 15ysec)或更小，其等于或者小于目標(biāo)時間0. 3 μ sec的一半。根據(jù)實驗結(jié)果， 當(dāng)將Se/Si比值設(shè)置為處在3到50之間的范圍內(nèi)時，關(guān)斷時間t。ff* 150nSec或更小。因此，通過將^/Si比值設(shè)置為處在3到50之間的范圍內(nèi)可以減小橫向IGBT的關(guān)斷時間t。ff。另外，在根據(jù)本實施例所構(gòu)造的橫向IGBT中，導(dǎo)通態(tài)電壓V。n和關(guān)斷時間t。ff取決于作為肖特基接觸界面的P型區(qū)域4b的P型雜質(zhì)表面濃度。因此，可以如下設(shè)置P型區(qū)域 4b的P型雜質(zhì)表面濃度。如圖9所示，當(dāng)P型區(qū)域4b的P型雜質(zhì)表面濃度Csp大于3 X IO18CnT3時關(guān)斷時間 t。ff急劇增加。這是因為當(dāng)P型區(qū)域4b的P型雜質(zhì)表面濃度Csp大于3X IO18CnT3時肖特基接觸可能轉(zhuǎn)變?yōu)闅W姆接觸。相反，當(dāng)P型區(qū)域4b的P型雜質(zhì)表面濃度Csp小于IXlO17cnT3 時，導(dǎo)通態(tài)電壓V。n隨著P型雜質(zhì)表面濃度Csp的降低而急劇增加。這是因為，在本實驗中， 將N型緩沖層5的N型雜質(zhì)濃度設(shè)置為大約1 X 1017cm_3。因此，P型區(qū)域4b可能被N型緩沖層5中包括的N型雜質(zhì)所補償，并且在P型區(qū)域4b的P型雜質(zhì)表面濃度Csp等于或小于 N型緩沖層5的N型雜質(zhì)濃度時可能轉(zhuǎn)變成N型。因此，通過以比N型緩沖層5的N型雜質(zhì)濃度更高的P型雜質(zhì)表面濃度Csp對P型區(qū)域4b的表面部分進(jìn)行摻雜可以降低導(dǎo)通態(tài)電壓V。n。此外，通過以3X IO18CnT3或者更低的P型雜質(zhì)表面濃度Csp對P型區(qū)域4b的表面部分進(jìn)行摻雜可以降低關(guān)斷時間t。ff。
降低關(guān)斷時間t。ff和保持電流驅(qū)動能力是一種折中的關(guān)系。然而，在根據(jù)本實施例的橫向IGBT中，可以在保持電流驅(qū)動能力的同時降低關(guān)斷時間t。ff。如圖10所示，在將柵極電壓Ve設(shè)置為5V并將集電極和發(fā)射極之間的電壓Nce設(shè)置為3V的條件下測量電流驅(qū)動能力，作為電流密度。更高的電流密度意味著更大的電流驅(qū)動能力，并且更大的電流驅(qū)動能力意味著更低的導(dǎo)通態(tài)電壓。在圖10中還示出了常規(guī)橫向IGBT的特性。常規(guī)橫向IGBT的特性請參考H. Funaki等人在1998年ISPSD' 98學(xué)報 (Proceeding of ISPSD' 98)第 33-36 頁所公布的特性。在圖10中由箭頭XA所示的左斜上方向上，可以在將電流驅(qū)動能力保持在高水平的同時降低關(guān)斷時間t。ff，并且可以改善橫向IGBT的特性。如圖10所示，在所有的IGBT都具有相同的電流驅(qū)動能力的情況下，根據(jù)本實施例的橫向IGBT可以具有比常規(guī)橫向IGBT 更短的關(guān)斷時間t。ff。此夕卜，圖IlA和IlB分別示出了橫向IGBT中的導(dǎo)通態(tài)電壓的溫度特性和關(guān)斷時間 t。ff的溫度特性的實驗結(jié)果。為了將根據(jù)本實施例的橫向IGBT與LDMOS進(jìn)行比較，制作了表面面積比根據(jù)本實施例的橫向IGBT的表面面積大7. 9倍的LDMOS的樣品。圖IlA和IlB 分別示出了該LDMOS樣品的溫度特性。如圖IlA所示，與LDMOS樣品相比，在根據(jù)本實施例的橫向IGBT中導(dǎo)通態(tài)電壓V。n 隨著溫度的增加而稍微改變。因此，在根據(jù)本實施例的橫向IGBT中可以降低導(dǎo)通態(tài)電壓V。n 的溫度特性。如圖IlB所示，在根據(jù)本實施例的橫向IGBT中關(guān)斷時間t。ff隨著溫度的增加幾乎保持不變。此外，根據(jù)本實施例的橫向IGBT的關(guān)斷時間t。ff比LDMOS樣品的關(guān)斷時間 t。ff短。如上所述，可以限制根據(jù)本實施例的橫向IGBT中導(dǎo)通態(tài)電壓的溫度特性和關(guān)斷時間t。ff的溫度特性，并且可以降低根據(jù)本實施例的橫向IGBT的關(guān)斷時間t。ff。在常規(guī)橫向二極管中，與橫向IGBT類似，在如JP 4157184(對應(yīng)于USP 5982015) 中所示在陽極部分處空穴注入受到限制。橫向二極管具有雙層結(jié)構(gòu)，該雙層結(jié)構(gòu)包括具有低雜質(zhì)濃度的大P阱溝道層區(qū)域和具有高雜質(zhì)濃度的小P+型區(qū)域。此外，陽極與具有低雜質(zhì)濃度的P阱區(qū)域肖特基接觸，并且與具有高雜質(zhì)濃度的P+型區(qū)域歐姆接觸。如上所述， 橫向二極管可以具有部分形成的肖特基接觸。然而，在橫向IGBT中，沒有想到在導(dǎo)通態(tài)電壓控制方面可以部分地形成肖特基接觸。此外，在JP 4157184(對應(yīng)于USP 5982015)中， 并沒有闡明具有肖特基接觸的橫向IGBT和用于在橫向IGBT中構(gòu)造肖特基接觸的方法。將要參照圖12到圖15介紹根據(jù)本實施例的橫向IGBT和上述橫向二極管之間的差異。圖12示出了其中使用IGBT和二極管的開關(guān)電路的例子。在開關(guān)電路中，將上側(cè)臂和下側(cè)臂連接在一起，并且這兩個臂都包括IGBT和用作二極管的續(xù)流二極管(下文稱作 FffD)。在該電路中，控制IGBTh的柵極電壓Vgh和IGBT1的柵極電壓Vgl，以連續(xù)地進(jìn)行推挽操作，從而將電流供應(yīng)到電感負(fù)載L。IGBTh設(shè)置在上側(cè)臂中并且形成高的一側(cè)，而IGBT1設(shè)置在下側(cè)臂中并且形成低的一側(cè)。圖13是示出開關(guān)電路的操作過程的時序圖。如圖12和圖13所示，在時間段1\期間，IGBTh導(dǎo)通并且集電極電流I。h通過箭頭 XIIA所示的電流路徑流到負(fù)載L。IGBTh設(shè)置在上側(cè)臂中并且形成高側(cè)開關(guān)。另外，在時間段1~2期間，IGBTh關(guān)斷并且陽極電流Ial通過箭頭XIIB所示的電流路徑流到負(fù)載L。陽極電流Ial是由低側(cè)的FWD1形成的續(xù)流電流。結(jié)果，負(fù)載電流込連續(xù)地流過負(fù)載L。
在時間段T1期間，IGBTh的集電極和發(fā)射極之間的電壓V。eh大約為+2V，并且FWD1 的陽極和陰極之間的電壓Vakl大約為-200V。在時間段T2期間，IGBTh的集電極和發(fā)射極之間的電壓Vceh大約為+200V，并且FWD1的陽極和陰極之間的電壓大約為+2V。如上所述，當(dāng) IGBT和FWD關(guān)斷時，IGBT和FWD的偏置狀態(tài)是將+200V的電壓施加到IGBT的集電極，并且將-200V的電壓施加到FWD的陽極。根據(jù)圖12和圖13的上述說明，在開關(guān)電路或逆變器電路中使用橫向IGBT和橫向二極管的情況下，當(dāng)橫向IGBT關(guān)斷時，在橫向IGBT的集電極和發(fā)射極之間施加高的正電壓作為偏置條件，并且在橫向二極管關(guān)斷時，在橫向二極管的陽極和陰極之間施加高的負(fù)電壓作為偏置條件。將要參照圖14和圖15介紹器件的偏置條件和內(nèi)部操作之間的關(guān)系。圖14是示出根據(jù)本實施例的橫向IGBT的截面圖的示圖。圖15是根據(jù)JP 4157184(對應(yīng)于USP 5982015)中公開的橫向二極管的橫向二極管的截面圖的示圖。在圖 15的橫向二極管中，類似于本實施例，在橫向IGBT中結(jié)合歐姆接觸結(jié)構(gòu)和肖特基接觸結(jié)構(gòu)。如圖14所示，當(dāng)橫向IGBT關(guān)斷時，將+200V的電壓施加到橫向IGBT的集電極。此時，N—型漂移層2中少量的電子被具有正電勢的集電極吸引，并且通過N型緩沖層5、P型區(qū)域4b和肖特基接觸被排放到集電極電極12 (如箭頭XIVA所示)。而N—型漂移層2中少量的空穴被具有負(fù)電勢的發(fā)射極吸引，并且通過P型體層9和P+型接觸層8被排放到發(fā)射極電極13 (如箭頭XIVB所示)。如上所述，電子穿過集電極中的肖特基接觸。如圖15所示，當(dāng)橫向二極管關(guān)斷時，將-200V的電壓施加到橫向二極管的陽極。此時，型漂移層101中少量的空穴被具有負(fù)電勢的陽極吸引，并且通過P阱溝道層102和肖特基接觸被排放到陽極電極103(如箭頭XVA所示)。而少量的電子被具有正電勢的陰極吸引，并且通過N阱溝道層104和N+型接觸層105被排放到陰極電極106 (如箭頭XVB所示)。如上所述，空穴穿過陽極中的肖特基接觸。似乎橫向IGBT和橫向二極管中形成的肖特基接觸結(jié)構(gòu)和歐姆接觸結(jié)構(gòu)具有相同的工作機(jī)制，然而，根據(jù)上述詳細(xì)的分析，橫向IGBT和橫向二極管中形成的肖特基接觸結(jié)構(gòu)和歐姆接觸結(jié)構(gòu)具有不同的工作機(jī)制。因此，在根據(jù)本實施例的橫向IGBT中通過形成肖特基接觸結(jié)構(gòu)和歐姆接觸結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)上述效果。通過這種方式，在根據(jù)本實施例的橫向IGBT中預(yù)定區(qū)域可以穩(wěn)定地處于肖特基接觸。因此，與常規(guī)橫向IGBT相比可以實現(xiàn)高開關(guān)速度。(第二實施例)將要介紹本發(fā)明的第二實施例。由于在本實施例中集電極電極12的構(gòu)造是從第一實施例變化而來并且其余部分與第一實施例類似，因此將僅僅介紹不同的部分。如圖16所示，在本實施例中，作為集電極電極12的一部分的阻擋金屬1 不僅形成在P型區(qū)域4b的表面上，而且還形成在P+型區(qū)域如的表面上。阻擋金屬1 和半導(dǎo)體之間的接觸類型由阻擋金屬12a的材料和半導(dǎo)體的雜質(zhì)濃度之間的關(guān)系限定。在阻擋金屬 12a形成在P+型區(qū)域如和P型區(qū)域4b兩者的表面上的情況下，可以通過P+型區(qū)域如中的雜質(zhì)濃度和P型區(qū)域4b中的雜質(zhì)濃度來改變接觸類型。另外，在本實施例中，P型區(qū)域4b 的雜質(zhì)濃度比P+型區(qū)域如的雜質(zhì)濃度低，使得P型區(qū)域4b與阻擋金屬12a肖特基接觸。 因此，阻擋金屬12a與P+型區(qū)域如歐姆接觸，并且與P型區(qū)域4b肖特基接觸。
如上所述，在阻擋金屬1 不僅形成在P型區(qū)域4b的表面上而且還形成在P+型區(qū)域如的表面上的情況下，可以實現(xiàn)與第一實施例的效果同樣的效果。此外，可以容易地執(zhí)行阻擋金屬12a的圖案化并且在阻擋金屬1 不僅形成在P型區(qū)域4b的表面上而且還形成在P+型區(qū)域如的表面上的情況下可以限制掩膜的位置偏移。(第三實施例)將要介紹本發(fā)明的第三實施例。由于在本實施例中集電極區(qū)域4的構(gòu)造是從第一實施例變化而來并且其余部分與第一實施例類似，因此將僅僅介紹不同的部分。如圖17所示，在本實施例中，僅僅在P+型區(qū)域如的旁邊設(shè)置P型區(qū)域4b，由此形成集電極區(qū)域4。然而，在P+型區(qū)域如的下方不形成P型區(qū)域4b并且P+型區(qū)域如不被P 型區(qū)域4b包圍。如上所述，P+型區(qū)域如可以不被P型區(qū)域4b包圍。在這一結(jié)構(gòu)中，可以實現(xiàn)與第一實施例的效果同樣的效果。(第四實施例)將要介紹本發(fā)明的第四實施例。由于在本實施例中與第一實施例相比使用半導(dǎo)體襯底而非SOI襯底并且其余部分與第一實施例類似，因此將僅僅介紹不同的部分。如圖18所示，使用其中在P_型硅襯底31上形成N_型硅層32的襯底作為半導(dǎo)體襯底。型硅層32用作型漂移層2。在型漂移層2的表面上形成P+型隔離區(qū)域33 以穿透N_型漂移層2并且到達(dá)P_型硅襯底31。將P+型隔離區(qū)域33形成為包圍橫向IGBT 的外圍。P+型隔離區(qū)域33和N—型漂移層2形成P-N結(jié)隔離結(jié)構(gòu)。另外，在半導(dǎo)體襯底30 的背側(cè)上形成GND圖案34。通過將GND圖案34連接到地來將P_型硅襯底31連接到地。如上所述，橫向IGBT也可以是其中諸如P_型硅襯底31的硅襯底用作半導(dǎo)體襯底 30的結(jié)隔離型橫向IGBT。(第五實施例)將要介紹本發(fā)明的第五實施例。由于同樣在本實施例中與第一實施例相比使用半導(dǎo)體襯底而非SOI襯底并且其余部分與第一實施例類似，因此將僅僅介紹不同的部分。如圖19所示，使用由多晶硅制成的襯底作為半導(dǎo)體襯底40。在半導(dǎo)體襯底40中形成氧化硅膜41，以包圍其中形成橫向IGBT的區(qū)域。氧化硅膜41的內(nèi)部部分形成型硅層42。N_型硅層42用作型漂移層2，并且通過這種方式形成電介質(zhì)隔離型(電介質(zhì)隔離型)橫向IGBT。另外，在半導(dǎo)體襯底40的背側(cè)上形成GND圖案43。通過將GND圖案43 連接到地來將半導(dǎo)體襯底40接地。如上所述，橫向IGBT也可以是其中由多晶硅制成的襯底用作半導(dǎo)體襯底40的電介質(zhì)隔離型橫向IGBT，并且N_型漂移層2被諸如氧化硅膜41的隔離膜包圍。(其他實施例)在每一個上述實施例當(dāng)中，以條狀形狀形成P+型區(qū)域如。條狀形狀僅僅是一個例子并且P+型區(qū)域如可以具有除了條狀形狀之外的任何形狀。如圖20所示，P+型區(qū)域如的布局可以被成形為P型區(qū)域4b中的多個分割的點。 待注入的空穴的量取決于P+型區(qū)域如的總面積(體積)。因此，在P+型區(qū)域如被分割為點的情況下，與其中不對P+型區(qū)域如進(jìn)行分割的情況相比可以增加P+型區(qū)域如的每個分割的點的寬度。相應(yīng)地，可以增加掩膜的開口部分的寬度并且可以容易地制造掩膜。結(jié)果，可以容易地制造P+型區(qū)域如。P+型區(qū)域如的布局可以具有除點狀之外的任何形狀，諸如梳狀形狀。在每一個上述實施例當(dāng)中，如圖21所示，可以在有源層Ic的與掩埋的氧化物Ib 接觸的背側(cè)處設(shè)置N型雜質(zhì)區(qū)域20。以比有源層Ic的濃度更高的雜質(zhì)濃度對N型雜質(zhì)區(qū)域20進(jìn)行摻雜。通過這種方式可以獲得高擊穿電壓。當(dāng)形成N型雜質(zhì)區(qū)域20時，可以對第一實施例中設(shè)置的每個部分的濃度進(jìn)行調(diào)節(jié)。例如，在N型雜質(zhì)區(qū)域20為4 μ m厚并且以1. 25 X IO1W3的濃度摻雜有N型雜質(zhì)的情況下，可以以大約1. OX IO14CnT3的濃度對有源層Ic的除N型雜質(zhì)區(qū)域20之外的一部分進(jìn)行N型雜質(zhì)摻雜。另外，在每一個上述實施例當(dāng)中，在橫向IGBT中應(yīng)用本發(fā)明?？蛇x擇地，也可以在垂直IGBT中應(yīng)用本發(fā)明。圖22是示出根據(jù)本實施例的N溝道垂直IGBT的截面圖的示圖。 如圖22所示，經(jīng)由N型緩沖層5在N—型漂移層2的背側(cè)上形成P型集電極區(qū)域4，所述N 型緩沖層5用作插置在N—型漂移層2和P型集電極區(qū)域4之間的FS層。在N—型漂移層2 的表面上形成P阱溝道層6。在P阱溝道層6的表面部分中形成N+型發(fā)射極區(qū)域7和P型接觸層8。形成溝槽15以穿透N+型發(fā)射極區(qū)域7和P阱溝道層6并且到達(dá)N_型漂移層2。 經(jīng)由插置在柵電極11和溝槽15之間的柵極絕緣膜10將由諸如摻雜多晶硅等材料制成的柵電極11設(shè)置在溝槽15中。此外，經(jīng)由插置在發(fā)射極電極13和P阱溝道層6之間的層間絕緣體16將發(fā)射極電極13和柵極布線形成在P阱溝道層6上。在圖中未示出柵極布線。 發(fā)射極電極13經(jīng)由接觸孔與N+型發(fā)射極區(qū)域7和P型接觸層8電耦合。柵極布線經(jīng)由接觸孔與柵電極11電耦合。在襯底的背側(cè)，集電極電極12耦合到集電極區(qū)域4。通過這種方式形成了垂直IGBT。在具有上述結(jié)構(gòu)的垂直IGBT中，集電極區(qū)域4包括P+型區(qū)域如和P型區(qū)域4b。 P+型區(qū)域如與集電極電極12歐姆接觸，并且P型區(qū)域4b與集電極電極12肖特基接觸。通過這種方式可以實現(xiàn)與橫向IGBT相同的效果。上述公開內(nèi)容具有以下方面。根據(jù)本公開內(nèi)容的一方面，N溝道橫向絕緣柵雙極晶體管包括半導(dǎo)體襯底；具有 N導(dǎo)電類型并且設(shè)置在襯底上的漂移層；P導(dǎo)電類型并且設(shè)置在漂移層的第一表面部分中的集電極區(qū)域；P導(dǎo)電類型并且設(shè)置在漂移層的遠(yuǎn)離集電極區(qū)域的第二表面部分中的溝道層；N導(dǎo)電類型并且具有比漂移層更高的雜質(zhì)濃度的發(fā)射極區(qū)域，并且該發(fā)射極區(qū)域設(shè)置在溝道層的第一表面部分中且具有在溝道層的終止部分內(nèi)部終止的端部；設(shè)置在溝道區(qū)域上的柵極絕緣膜，該溝道區(qū)域由溝道層的位于發(fā)射極區(qū)域和漂移層之間的第二表面部分提供；設(shè)置在柵極絕緣膜上的柵電極；與集電極區(qū)域電耦合的集電極電極；以及與發(fā)射極區(qū)域和溝道層電耦合的發(fā)射極電極。集電極區(qū)域包括具有高雜質(zhì)濃度的高雜質(zhì)濃度區(qū)域和雜質(zhì)濃度比高雜質(zhì)濃度區(qū)域低的低雜質(zhì)濃度區(qū)域。集電極電極與高雜質(zhì)濃度區(qū)域歐姆接觸并且與低雜質(zhì)濃度區(qū)域肖特基接觸。在上述器件中，由于集電極電極與高雜質(zhì)濃度區(qū)域歐姆接觸并且與低雜質(zhì)濃度區(qū)域肖特基接觸，通過限制空穴注入減小了空穴注入的效率。因此，可以獲得被構(gòu)造成實現(xiàn)高開關(guān)速度而不控制壽命的橫向IGBT?；蛘?，集電極電極可以包括阻擋金屬。將阻擋金屬夾置在集電極電極和低雜質(zhì)濃度區(qū)域之間并且使其與低雜質(zhì)濃度區(qū)域肖特基接觸。在這種情況下，將阻擋金屬設(shè)置在低
1電極電極與低雜質(zhì)濃度區(qū)域可靠地肖特基接觸。由此可以限定肖特基接觸區(qū)域并且預(yù)定區(qū)域可以穩(wěn)定地與集電極電極肖特基接觸，并且可以容易地制造具有肖特基接觸的橫向IGBT。或者，阻擋金屬可以具有4. 9eV或者更低的功函數(shù)。通過這種方式可以更多地降低空穴注入的效率。由此，可以進(jìn)一步加快開關(guān)操作?；蛘撸梢詫⒌碗s質(zhì)濃度區(qū)域的較低雜質(zhì)濃度設(shè)置為3X IO18CnT3或者更低。由此， 限制肖特基接觸轉(zhuǎn)變?yōu)闅W姆接觸并且可以可靠地降低關(guān)斷時間。此外，可以將N導(dǎo)電型緩沖層設(shè)置在漂移層的第三表面部分中以包圍集電極區(qū)域。N導(dǎo)電型緩沖層可以具有在IXlO15cnT3和IXlO18cnT3之間的范圍內(nèi)的雜質(zhì)濃度。此夕卜，N導(dǎo)電型緩沖層也可以具有在4X IO16CnT3和IX IO18CnT3之間的范圍內(nèi)的雜質(zhì)濃度。在這種情況下，由于可以通過集電極區(qū)域和集電極電極之間的接觸類型限制空穴注入，緩沖層可以僅用作FS(場停止)層而不限制空穴注入。由此，緩沖層可以具有低雜質(zhì)濃度，所述雜質(zhì)濃度足夠低而不會改變集電極側(cè)的空穴注入效率。或者，低雜質(zhì)濃度區(qū)域的較低雜質(zhì)濃度可以高于緩沖層的N導(dǎo)電型雜質(zhì)濃度。在這種情況下，由于低雜質(zhì)濃度區(qū)域的較低雜質(zhì)濃度高于緩沖層的N導(dǎo)電型雜質(zhì)濃度，因此限制了低雜質(zhì)濃度區(qū)域被N導(dǎo)電型緩沖層中包括的N導(dǎo)電型雜質(zhì)補償并且轉(zhuǎn)變成N導(dǎo)電型。由此，可以可靠地降低導(dǎo)通態(tài)電壓V。n?；蛘撸O(shè)置在集電極電極和高雜質(zhì)濃度區(qū)域之間的歐姆接觸的面積被定義為Si, 并且設(shè)置在集電極電極和低雜質(zhì)濃度區(qū)域之間的肖特基接觸的面積被定義為Se，肖特基接觸面積與歐姆接觸面積的比值(SySi)可以被設(shè)置為處在3到50之間的范圍內(nèi)。關(guān)斷時間 t。ff隨著肖特基接觸面積Se與歐姆接觸面積Si的比值(SySi)的增加而減小。在Se/Si比值被設(shè)置為3或更大時，可以將關(guān)斷時間t。ff減小到150nSec(0. 15 μ sec)或更小，其等于或者小于目標(biāo)時間0. 3 μ sec的一半。根據(jù)實驗結(jié)果，當(dāng)將比值設(shè)置為處在3到50之間的范圍內(nèi)時，關(guān)斷時間t。ff* 150nSec或更小。因此，通過將SySi比值設(shè)置為處在3至IJ 50之間的范圍內(nèi)可以減小橫向IGBT的關(guān)斷時間t。ff。盡管已經(jīng)參照本發(fā)明的優(yōu)選實施例對本發(fā)明進(jìn)行了介紹，但是應(yīng)當(dāng)理解本發(fā)明不限于優(yōu)選實施例和構(gòu)造。本發(fā)明意在覆蓋各種變形和等同設(shè)置。此外，盡管介紹了優(yōu)選的各種組合和配置，但是包括更多、更少或僅僅單個元件的其他組合和配置也落入本發(fā)明的精神和保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種N溝道橫向絕緣柵雙極晶體管，包括 半導(dǎo)體襯底(1、30、40)；漂移層0)，該漂移層( 具有N導(dǎo)電類型并且設(shè)置在所述半導(dǎo)體襯底(1、30、40)上； 集電極區(qū)域G)，該集電極區(qū)域(4)為P導(dǎo)電類型并且設(shè)置在所述漂移層( 的第一表面部分中；溝道層(6)，該溝道層(6)為P導(dǎo)電類型并且設(shè)置在所述漂移層( 的遠(yuǎn)離所述集電極區(qū)域的第二表面部分中；發(fā)射極區(qū)域(7)，該發(fā)射極區(qū)域(7)為N導(dǎo)電類型并且具有比所述漂移層( 高的雜質(zhì)濃度，并且該發(fā)射極區(qū)域(7)設(shè)置在所述溝道層(6)的第一表面部分中且具有在所述溝道層(6)的終止部分內(nèi)部終止的端部；柵極絕緣膜(10)，該柵極絕緣膜(10)設(shè)置在溝道區(qū)域上，所述溝道區(qū)域由所述溝道層 (6)的位于所述發(fā)射極區(qū)域(7)和所述漂移層( 之間的第二表面部分提供； 柵電極(11)，該柵電極(11)設(shè)置在所述柵極絕緣膜(10)上； 集電極電極(12)，該集電極電極(1 與所述集電極區(qū)域電耦合；以及發(fā)射極電極(13)，該發(fā)射極電極(1 與所述發(fā)射極區(qū)域(7)和所述溝道層(6)電耦合，其中所述集電極區(qū)域(4)包括具有高雜質(zhì)濃度的高雜質(zhì)濃度區(qū)域Ga)和雜質(zhì)濃度比所述高雜質(zhì)濃度區(qū)域Ga)低的低雜質(zhì)濃度區(qū)域(4b)，并且其中所述集電極電極(1 與所述高雜質(zhì)濃度區(qū)域Ga)歐姆接觸并且與所述低雜質(zhì)濃度區(qū)域Gb)肖特基接觸。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的橫向絕緣柵雙極晶體管，其中所述集電極電極(1 包括阻擋金屬(1 )，該阻擋金屬(12a)夾置在所述集電極電極(1 和所述低雜質(zhì)濃度區(qū)域Gb)之間，并且其中所述阻擋金屬(12a)與所述低雜質(zhì)濃度區(qū)域Gb)肖特基接觸。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的橫向絕緣柵雙極晶體管，其中所述阻擋金屬(12a)具有4. 9eV或者更低的功函數(shù)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的橫向絕緣柵雙極晶體管，其中所述低雜質(zhì)濃度區(qū)域Gb)的較低雜質(zhì)濃度被設(shè)置為3 X IO18CnT3或更低。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的橫向絕緣柵雙極晶體管，進(jìn)一步包括N導(dǎo)電類型緩沖層(5)，該N導(dǎo)電類型緩沖層( 設(shè)置在所述漂移層O)的第三表面部分中以包圍所述集電極區(qū)域G)，并且該N導(dǎo)電類型緩沖層(5)具有在IX IO15CnT3和 IX IO18CnT3之間的范圍內(nèi)的雜質(zhì)濃度。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的橫向絕緣柵雙極晶體管，其中所述N導(dǎo)電類型緩沖層(5)具有在4 X IO16CnT3和IXlO18cnT3之間的范圍內(nèi)的雜質(zhì)濃度。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的橫向絕緣柵雙極晶體管，其中所述低雜質(zhì)濃度區(qū)域Gb)的較低雜質(zhì)濃度高于所述緩沖層(5)的N導(dǎo)電類型雜質(zhì)濃度。
8.根據(jù)權(quán)利要求1到7中的任意一項所述的橫向絕緣柵雙極晶體管，其中將設(shè)置在所述集電極電極(1 和所述高雜質(zhì)濃度區(qū)域Ga)之間的歐姆接觸的面積定義為Si;將設(shè)置在所述集電極電極(1 和所述低雜質(zhì)濃度區(qū)域Gb)之間的肖特基接觸的面積定義為Se;并且將肖特基接觸面積與歐姆接觸面積的比值SeZSi設(shè)置為處在3到50之間的范圍內(nèi)。
全文摘要
一種N溝道橫向絕緣柵雙極晶體管，包括半導(dǎo)體襯底(1、30、40)、漂移層(2)、集電極區(qū)域(4)、溝道層(6)、發(fā)射極區(qū)域(7)、柵極絕緣膜(10)、柵電極(11)、集電極電極(12)、發(fā)射極電極(13)。集電極區(qū)域(4)包括具有高雜質(zhì)濃度的高雜質(zhì)濃度區(qū)域(4a)和雜質(zhì)濃度比高雜質(zhì)濃度區(qū)域(4a)低的低雜質(zhì)濃度區(qū)域(4b)。集電極電極(12)與高雜質(zhì)濃度區(qū)域(4a)歐姆接觸并且與低雜質(zhì)濃度區(qū)域(4b)肖特基接觸。
文檔編號H01L29/739GK102403341SQ201110274680
公開日2012年4月4日 申請日期2011年9月9日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月9日
發(fā)明者中川明夫, 戶倉規(guī)仁, 蘆田洋一, 高橋茂樹 申請人:株式會社電裝