專利名稱：高速高壓雙極晶體管的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種高速高壓雙極晶體管的結(jié)構(gòu)改進(jìn)，屬于半導(dǎo)體器件技術(shù)領(lǐng)域。
制造n+-p-v-n結(jié)構(gòu)晶體管時(shí)，為滿足耐壓要求，就要增大基區(qū)寬度(防止在高壓時(shí)的基區(qū)穿通)，但這對管子的電流增益、頻率特性和開關(guān)速度等有不良影響。日本的H.Kondo等人提出的一種柵輔助晶體管(Gate associated transistor，縮寫為GAT)結(jié)構(gòu)較好地解決了這一問題。從其縱向結(jié)構(gòu)(

圖1)看，這種晶體管在常規(guī)結(jié)構(gòu)的p型基區(qū)(1)兩側(cè)增加了p型柵區(qū)(2)，其結(jié)深比p基區(qū)大得多，它的屏蔽作用，可以減弱反偏時(shí)集電結(jié)(3)處的電場；尤其是在一定值的反壓下，柵結(jié)(4)在集電區(qū)一側(cè)的耗盡層可以夾斷相鄰p型柵區(qū)間的n-區(qū)(5)，之后當(dāng)電壓再升高時(shí)，基區(qū)中的耗盡層就幾乎不再擴(kuò)展，基區(qū)就不易發(fā)生穿通。所以，對于耐高壓的晶體管，基區(qū)就可以做窄，從而可以提高高壓晶體管的電流增益，改善其頻率特性；由于具有較好的頻率特性，而且柵區(qū)提供了較低的基區(qū)串聯(lián)電阻，晶體管還可以獲得很好的開關(guān)特性。因此，利用這種結(jié)構(gòu)，可以做成高速高壓晶體管。但是，Kondo等人提出的晶體管橫向結(jié)構(gòu)(圖2)設(shè)計(jì)并不合理，其基區(qū)電極引出區(qū)(7)在芯片上占用了較多的面積，走向與柵區(qū)(8)垂直的發(fā)射區(qū)(9)的有效面積和周長相對較小，這就降低了單位管芯面積的平均電流容量，嚴(yán)重影響了GAT的實(shí)用性。因此，GAT發(fā)明至今十余年，仍未實(shí)現(xiàn)商品化。
本實(shí)用新型旨在克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出新的GAT橫向結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以提高GAT單位面積平均電流容量。
本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)(圖3)思想是在芯片平面內(nèi)，將基區(qū)電極引出區(qū)分解成許多孤立的小區(qū)域(10)，而將發(fā)射區(qū)(11)做成網(wǎng)狀包圍在這些小區(qū)域的周圍。其具體設(shè)計(jì)原則如下從芯片平面上看，(a)基區(qū)電極引出區(qū)按一定間距排成若干列，由每一列引出區(qū)引出基區(qū)金屬電極(12)的一條，同時(shí)在相鄰的兩列基區(qū)電極引出區(qū)之間分布發(fā)射區(qū)電極引出區(qū)(13)并引出發(fā)射區(qū)金屬電極(14)的一條，兩種電極相互平行，呈叉指狀，具有合理的間距和各自合理的寬度；(b)基區(qū)電極和發(fā)射區(qū)電極之間的距離及各自的條寬可根據(jù)需要及制造工藝水平通過改變基區(qū)電極引出區(qū)的列距進(jìn)行調(diào)整，引出區(qū)列距的調(diào)整范圍為40～500μm；(c)每列基區(qū)電極引出區(qū)不像現(xiàn)有結(jié)構(gòu)(圖2)那樣是一個(gè)長條，而是包含若干個(gè)孤立的引出區(qū)，它們相隔一定的距離，以增大發(fā)射區(qū)有效面積和周長；(d)每列基區(qū)電極引出區(qū)中各個(gè)引出區(qū)的大小、形狀及相鄰引出區(qū)的間隔距離決定了發(fā)射區(qū)有效面積及周長和基極接觸電阻等，這些可根據(jù)需要及制造工藝水平進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，間隔距離可在5～500μm之間變化；(e)基區(qū)電極引出區(qū)與p型柵區(qū)(15)有重疊或部分重疊，以減小基區(qū)電阻和增大發(fā)射區(qū)有效面積；(f)發(fā)射區(qū)包圍在各個(gè)基區(qū)電極引出區(qū)的周圍，呈網(wǎng)狀分布，其內(nèi)邊界(“網(wǎng)眼”處的邊沿)(16)到基區(qū)電極引出區(qū)之間保持一定距離(以避免發(fā)射區(qū)和基區(qū)之間的短路)，這個(gè)間距可以根據(jù)制造工藝水平進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，確定在1～100μm之間。
本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，與現(xiàn)有結(jié)構(gòu)(圖2)相比，減小了GAT基區(qū)電極引出區(qū)的面積，增大了發(fā)射區(qū)有效面積和周長，從而顯著提高了GAT單位面積平均電流容量，使之與常規(guī)高壓雙極晶體管的電流容量相當(dāng)，明顯降低了GAT管芯的制造成本，具有實(shí)用意義，可使GAT實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品化和商品化。
圖1是GAT縱向結(jié)構(gòu)剖面示意圖。其中，1基區(qū)，2柵區(qū)，3集電結(jié)，4柵結(jié)，5集電區(qū)，6發(fā)射區(qū)。
圖2是GAT原結(jié)構(gòu)的立體示意圖。其中，7基區(qū)電極引出區(qū)，8p型柵區(qū)，9n型發(fā)射區(qū)。
圖3是本實(shí)用新型一個(gè)實(shí)施例的立體結(jié)構(gòu)示意圖。為簡明起見，圖中省略了管芯表面的氧化層。其中，10基區(qū)電極引出區(qū)，11n型發(fā)射區(qū)，12基區(qū)金屬電極，13發(fā)射區(qū)電極引出區(qū)，14發(fā)射區(qū)金屬電極，15條狀p型柵區(qū)，16發(fā)射區(qū)內(nèi)邊界，17與基區(qū)電極引出區(qū)有重疊的方形p型柵區(qū)。
本實(shí)用新型的實(shí)現(xiàn)，可以按圖3所示的結(jié)構(gòu)，采用常規(guī)的硅平面工藝進(jìn)行在n+-n-背擴(kuò)散片或外延片襯底上，進(jìn)行深結(jié)和淺結(jié)p型雜質(zhì)擴(kuò)散可分別形成柵區(qū)和基區(qū)，n型雜質(zhì)擴(kuò)散形成發(fā)射區(qū)，電極則用常規(guī)的蒸發(fā)和反刻工藝在相應(yīng)的引出區(qū)位置上獲得。
圖3一例中，方形的基區(qū)電極引出區(qū)(10)排成陣列，而發(fā)射區(qū)有間隔地包圍在這些引出區(qū)周圍；條狀p型柵區(qū)(15)保持適當(dāng)間距，以一定角度與金屬電極(11，13)斜交；同時(shí)，在基區(qū)電極引出區(qū)處，柵區(qū)設(shè)計(jì)為與柵條(15)相連且面積大于引出區(qū)的方形區(qū)域(17)，從而使得基區(qū)電極引出區(qū)與柵區(qū)有完全的重疊，減小了基區(qū)電阻。樣管管芯面積5.4mm2，最大電流8A，集電極-發(fā)射極擊穿電壓500V，存儲時(shí)間下降時(shí)間80ns。按同樣的設(shè)計(jì)規(guī)律，以圖2所示的原結(jié)構(gòu)在同一硅片上制造樣管，在相同的芯片面積上得到的最大電流僅為4.5A。由此可見，本實(shí)用新型的GAT結(jié)構(gòu)的平均電流容量比原結(jié)構(gòu)大近1倍。
權(quán)利要求1.一種高速高壓柵輔助晶體管，包含發(fā)射區(qū)(6)、基區(qū)(1)、柵區(qū)(2)和集電區(qū)(5)，柵區(qū)由基區(qū)延伸入集電區(qū)中并具有與基區(qū)相同的半導(dǎo)體型號，其特征在于在芯片平面上，基區(qū)電極引出區(qū)(10)是與柵區(qū)( 5，17)有重疊的許多孤立區(qū)域，這些孤立區(qū)域分布成列，每列中的各個(gè)引出區(qū)又相互隔開；同時(shí)，發(fā)射區(qū)(11)包圍在各個(gè)基區(qū)電極引出區(qū)的周圍，呈網(wǎng)狀分布，且其內(nèi)邊界(16)與基區(qū)電極引出區(qū)之間具有間隔。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的晶體管結(jié)構(gòu)，其特征是相鄰兩列基區(qū)電極引出區(qū)中心線之間的距離為40～500mm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的晶體管結(jié)構(gòu)，其特征是每列基區(qū)電極引出區(qū)中相鄰兩個(gè)引出區(qū)的邊界之間的最小間隔距離為5-500μm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的晶體管結(jié)構(gòu)，其特征是發(fā)射區(qū)內(nèi)邊界與基區(qū)電極引出區(qū)之間的最小距離為1～100μm。
專利摘要一種高速高壓雙極晶體管，是具有新型橫向結(jié)構(gòu)的柵輔助晶體管(GAT)。在芯片平面上看，其基區(qū)的電極引出區(qū)是與柵區(qū)有重疊或部分重疊的許多孤立區(qū)域，這些孤立區(qū)域分布成列，每列中的各個(gè)引出區(qū)又相互隔開；同時(shí)，發(fā)射區(qū)包圍在各個(gè)基區(qū)電極引出區(qū)的周圍，呈網(wǎng)狀分布。該結(jié)構(gòu)減少了原有GAT基區(qū)電極引出區(qū)的面積，增大了發(fā)射區(qū)有效面積和周長，從而顯著地提高了GAT單位面積平均電流容量，降低了GAT管芯的制造成本，可使GAT實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品化和商品化。
文檔編號H01L29/70GK2247872SQ96208688
公開日1997年2月19日 申請日期1996年5月22日 優(yōu)先權(quán)日1996年5月22日
發(fā)明者亢寶位, 吳郁 申請人:北京工業(yè)大學(xué)