專利名稱：具有延伸肖特基結的高速高壓功率集成器件的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種含高壓功率雙極晶體管和與其反并聯的續(xù)流二極管的高速高壓功率集成器件。
背景技術：
在目前迅速發(fā)展的電力電子領域，為了達到降低制造成本、提高可靠性和減小體積，人們盡可能的將那些在電路中具有固定搭配關系的分立器件制造成功率集成器件，本發(fā)明所述含有高壓功率雙極晶體管和與其反并聯的二極管的功率集成器件即屬此類。這類器件在制造時需考慮以下問題如圖1所示，高壓功率器件的芯片上，在有效面積(指通導電流的面積)的四周都由一個不流電流的封閉形的“結終端處理區(qū)”包圍起來，藉以得到高的耐壓。其中，結終端處理技術有場限環(huán)、場板、臺面等各種技術。作為例子，圖1示出了一個采用場限環(huán)技術的高壓二極管的管芯剖面圖。如果圖中的金屬化布線(通常為蒸發(fā)上去的鋁膜)緊貼結終端處理區(qū)的SiO2表面走過，則會引起該區(qū)表面電位變化而導致擊穿電壓降低。因此，在分立器件中，壓焊的內引線遠離SiO2膜騰空而過，不影響擊穿電壓。但在集成器件中兩個器件必須用金屬化布線來聯接，它不可避免地要經過結終端區(qū)的SiO2表面，必然引起擊穿電壓下降。所以高壓功率器件的集成根本不能采用低壓器件集成中所用的將各元器件簡單地用鋁金屬膜布線聯接起來的方法，而必須采用完全不同于分立器件的器件結構，使其避開金屬化布線跨越結終端的問題。美國Motorola公司和歐洲SGS-Thomson公司在1995年左右?guī)缀跬瑫r推出第一代的高壓功率雙極晶體管和與其反并聯的二極管的集成器件(MOTOROLA Bipolar PowerTransistor Data，1995年版[MOTOROLA雙極功率晶體管數據手冊]；SGS-THOMSON MICROELECTRONIC[SGS-THOMSON微電子]資料，1994年12月印發(fā))。兩公司所用的技術方案相同，其結構見圖2。圖2的結構是封閉形的，所以剖面上看到的左右兩側對稱的各區(qū)域實際上是同一個區(qū)域。由圖2看到，這個集成器件中的二極管區(qū)2位于三極管區(qū)1的中心，兩者共用一個結終端處理區(qū)，巧妙地避免了聯接兩個器件的金屬化布線跨越結終端區(qū)的弊病，圖3專門示出了這種現有技術所采用的二極管2、三極管1之間的結構，即圖2中點劃線aa和bb之間的結構。
但是，上述現有技術只解決了耐高壓問題以及基本上保持了低通態(tài)壓降，它對解決除擊穿電壓以外的其它問題未能提供有效辦法。目前，國際上這類器件所達到的典型開關速度是二極管的恢復時間trr＝2000ns，三極管關斷時間toff＝2000ns。由于二極管恢復速度慢，同時三極管開關時間也偏長，所以在高頻應用中器件功率損耗太大，溫升過高，不適合幾十千赫以上的普遍用途，因此，這種產品推出后使用者不多。另外，也曾有人試圖用在芯片上二極管區(qū)域局部摻入強復合中心鉑的辦法來解決集成二極管恢復速度慢的問題(S.Coffa et al.，″Power Bipolar Transistors with a Fast Recovery Diode″，IEEE Transactions on Electron Devices，Vol.43，NO.5，PP.836-839(1996)[S.Coffa等，“帶有一個快恢復二極管的功率雙極晶體管”，IEEETransactions on Electron Devices，Vol.43，NO.5，PP.836-839(1996)])，但這種方法在生產中至今無人采用。這一方面是由于在使用了貴金屬鉑的同時，還在普通平面工藝過程之外增加了鉑離子注入、長時間鉑驅入、鉑刻蝕等附加工序，這都使制造成本提高，抵消了集成器件可以降低成本的主要優(yōu)點，違背了集成化的初衷；另一方面是由于強復合中心鉑的使用污染了制造系統(tǒng)，對同一生產線上制造的其他產品的質量有重大影響。
發(fā)明內容
本發(fā)明的目的就在于克服上述現有技術的缺陷，提供一種制造成本低、制作工藝簡單，可顯著提高集成二極管開關速度的功率集成器件的新結構。
本發(fā)明設計者發(fā)現，除了現有結構中所用的二極管結構和三極管結構本身開關速度慢以外，將兩者集成于同一芯片上后，兩者之中的載流子在芯片中的相互流動問題其實更為重要，這一因素才是造成開關速度慢的首要原因，因此必須首先設法解決這個問題。通過我們的研究已經明確通過Si片內部的載流子的擴散造成的二極管和三極管彼此間的影響使開關速度減慢，尤其是面積很大的三極管的存在使二極管的速度顯著變慢(通常面積很小的二極管對三極管開關速度的影響很小)。這個問題的物理解釋是在二極管導通期間注入的空穴將擴散到三極管區(qū)。在二極管關斷時，三極管區(qū)積累的大量空穴將通過三極管或二極管流出集成器件的E極。值得注意的是，三極管區(qū)的空穴通過三極管發(fā)射區(qū)流到E極和橫向通過三極管與二極管之間的高阻N型區(qū)流向二極管都是以少數載流子擴散流的形式來實現的，而重摻雜的三極管發(fā)射區(qū)少子擴散流不可能大，同時橫向尺寸很大的三極管N型集電區(qū)少子橫向擴散流也不可能很大(濃度梯度小)，因此，二極管關斷時存儲在三極管區(qū)的空穴難以流出，這使二極管反向恢復時間大大延長。
本發(fā)明的一種具有延伸肖特基結的高速高壓功率集成器件，它包括有三極管1及位于同一塊半導體芯片上的二極管2，其中二極管2可以位于三極管1的中間，也可以位于三極管1的外邊，其特征在于在二極管2與三極管1之間設計有用來提高二極管開關速度的延伸肖特基結3。
本發(fā)明中，所述延伸肖特基結3的結構是把二極管2的鋁電極延伸到二極管2外側一定寬度，使延伸出的部分與高阻n-襯底間形成延伸肖特基結3，見附圖4所示。所述鋁電極的材料可以是純鋁，也可以是含有少量其它元素雜質的鋁，例如含有少量硅或銅，本發(fā)明中的延伸肖特基結3可減少導通期間從二極管流入三極管區(qū)的空穴量，因而減少三極管區(qū)積累的空穴總量，在關斷時，用較短時間就可以被抽取出來，所以，關斷時間短，開關速度快。
本發(fā)明由于采用改變集成器件結構的方法，不僅解決了二極管恢復速度和三極管開關速度慢的問題，而且不需引入普通平面工藝以外的附加加工工藝，諸如各種復雜的載流子壽命控制技術，因而制作工藝簡單、成本低。
下面結合附圖及實施例對本發(fā)明做進一步詳細說明。
附圖1高壓二極管結終端處理區(qū)示意圖；附圖2現有高速高壓功率集成器件的剖面結構；
附圖3現有結構中二極管、三極管之間結構示意圖；附圖4本發(fā)明結構中二極管與三極管之間的延伸肖特基結的結構示意圖(與附圖3所示的現有結構中的位置相對應)；附圖5(a)應用本發(fā)明的延伸肖特基結的功率集成器件的版圖結構示意圖；附圖5(b)附圖5(a)的局部放大圖；附圖5(c)沿附圖5(b)中CC’的剖面圖；附圖中編號說明1、三極管區(qū)；2、二極管區(qū)；3、延伸肖特基結區(qū)；4、結終端區(qū)；5、鋁(也可以是含有少量雜質的鋁，例如含有硅或銅)電極；6、內引線；7、二氧化硅；8、三極管基區(qū)引線接觸孔；9、三極管發(fā)射區(qū)引線接觸孔；10、二極管引線接觸孔。
具體實施例方式
實施方案及說明把二極管2的鋁電極延伸到pin二極管外側一定寬度，見圖4和圖5(c)，延伸出的部分與高阻n-襯底間形成肖特基結3。由于肖特基結注入空穴少，二極管與三極管之間和三極管區(qū)的空穴濃度將會減少，二極管關斷時空穴被抽出時間也會減短。
具體實施例以上技術方案可以配合不同的三極管和二極管結構使用，例如，可從下述三組結構中各任選一種組合在一起
三極管結構 本發(fā)明之新結構 二極管結構 其中GAT(H.Kondo et.al.，″A New Bipolar Transistor-GAT″，IEEE Trans.Electron Devices，Vol.ED-27，No.2，pp.373-379，1980.)[H.Kondo等，″一種新的雙極晶體管-柵輔助晶體管GAT″，IEEE Trans.Electron Devices，Vol.ED-27，No.2，pp.373-379，1980.]和MPS(B.Jayant Baliga，″Analysisof a High-Voltage Merged P-i-n/Schottky(MPS)Rectifier″，IEEEElectron Device Letters，Vol.EDL-8，No.9，pp.407-409，1987.)[B.Jayant Baliga，″高壓肖特基/PIN合并二極管分析″，IEEE Electron DeviceLetters，Vol.EDL-8，No.9，pp.407-409，1987.]分別是具有改進結構的雙極功率晶體管和二極管，他們都與制造BJT和PIN的常規(guī)工藝兼容。
下面選取三極管結構為普通雙極功率晶體管(BJT)，二極管結構為普通PIN二極管，在此基礎上給出應用延伸肖特基結結構的例子。
圖5(a)是應用延伸肖特基結結構時的平面版圖示意圖。圖5(b)是圖(a)中點劃線所圍區(qū)域的詳細結構示意圖，圖5(c)是沿圖5(b)中CC’線的剖面圖。在三極管1的內部空出一塊，做上一個二極管2。8是三極管基區(qū)引線接觸孔，9是三極管發(fā)射區(qū)引線接觸孔，10是二極管的引線接觸孔。圖中，二極管的引線接觸孔大于二極管的P型區(qū)，在覆蓋完鋁金屬電極后，多出的區(qū)域將形成鋁與n-硅間的肖特基結。
表1是應用本發(fā)明的上述具體方案得到的高速高壓功率集成器件與現有同類器件水平的比較。
表1、本發(fā)明達到的集成器件水平及其與現有同類器件水平的比較 本發(fā)明創(chuàng)造經上述方案的實施完成了本發(fā)明的目的。
權利要求
1.一種具有延伸肖特基結的高速高壓功率集成器件，包括有三極管(1)及位于同一塊半導體芯片上的二極管(2)，其中二極管(2)可以位于三極管(1)的中間，也可以位于三極管(1)的外邊，其特征在于在二極管(2)與三極管(1)之間設計有用來提高二極管開關速度的延伸肖特基結(3)。
2.根據權利要求1所述的具有延伸肖特基結的高速高壓功率集成器件，其特征在于上述延伸肖特基結(3)是把二極管(2)的鋁電極延伸到二極管外側一定寬度，延伸出的部分與高阻n-襯底間形成延伸肖特基結(3)。
3.根據權利要求1或2所述的具有延伸肖特基結的高速高壓功率集成器件，其特征在于上述鋁電極的材料可以是純鋁或含有少量其它元素雜質的鋁，例如含有硅或銅。
全文摘要
一種用于電力電子領域的具有延伸肖特基結的高速高壓功率集成器件，它在同一芯片上集成有半導體三極管和與其反并聯的半導體二極管，其特征在于在二極管與三極管之間設有用來提高二極管開關速度的延伸肖特基結結構，采用二極管鋁電極延伸到二極管外側部分與高阻n－襯底間形成延伸肖特基結，可以減少注入少數載流子的濃度，因而提高開關速度。本發(fā)明顯著提高了功率集成器件集成二極管的開關速度，并且制作工藝簡單、成本低。
文檔編號H01L27/02GK1492509SQ02124128
公開日2004年4月28日 申請日期1999年7月27日 優(yōu)先權日1999年7月27日
發(fā)明者亢寶位, 程序, 吳郁 申請人:北京工業(yè)大學