專利名稱：集成二極管的槽形柵多晶硅結(jié)構(gòu)的聯(lián)柵晶體管的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種聯(lián)柵晶體管，屬于硅半導(dǎo)體器件技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
1979年Hisao Kondo提出了聯(lián)棚晶體管GAT (Gate Associated Transistor),隨后進行了詳細的分析(IEEE Trans. Electron Device, vol. 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(《電力電子技術(shù)》1994年第4期1994. 11. pp52-55)，指出了聯(lián)柵晶體管器件呈現(xiàn)出高耐壓、快速開關(guān)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(jié)構(gòu)。2000年，中國發(fā)明專利ZL00100761.0提出了一種槽形柵多晶硅結(jié)構(gòu)的聯(lián)柵晶體管，其結(jié)構(gòu)的原理如圖I所示在下層為第一導(dǎo)電類型低電阻率層42、上層為第一導(dǎo)電類型高電阻率層41的硅襯底片4的上表面，有多條第一導(dǎo)電類型的高摻雜濃度的發(fā)射區(qū)3，發(fā)射區(qū)3通過摻雜多晶硅層9與發(fā)射極金屬層I連接，每條發(fā)射區(qū)3的周圍有第二導(dǎo)電類型的基區(qū)2，基區(qū)2的側(cè)面連著第二導(dǎo)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42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(dǎo)電類型高摻雜區(qū)；發(fā)射區(qū)3的上面連接著第一導(dǎo)電類型的摻雜多晶娃層9,該摻雜多晶娃層9與發(fā)射極金屬層I連接；每條槽5的底面和側(cè)面覆蓋著絕緣層7，側(cè)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(jié)構(gòu)的聯(lián)柵晶體管可以比平面結(jié)構(gòu)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(guān)速度、更高的可靠性。槽形柵多晶硅結(jié)構(gòu)的聯(lián)柵晶體管用于100KHZ以下的高速開關(guān)電路中，當(dāng)聯(lián)柵晶體管由開轉(zhuǎn)關(guān)時，要求把存貯在基區(qū)和集電區(qū)的電荷迅速放掉。已有技術(shù)的辦法是通過聯(lián)柵晶體管的BE兩端和CE兩端分別外接反向并聯(lián)二極管來實現(xiàn)。這樣做，不但增加了成本，擠占了空間，而且，外接二極管與聯(lián)柵晶體管還不易匹配。圖2是已有技術(shù)在發(fā)射極壓焊窗口附近的結(jié)構(gòu)示意圖。數(shù)字10代表鈍化層。在圖I和圖2中，第一導(dǎo)電類型即N型，第二導(dǎo)電類型即P型。

發(fā)明內(nèi)容
鑒于上述，本發(fā)明的目的是在于針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種帶有集成二極管的槽形柵多晶硅結(jié)構(gòu)的聯(lián)柵晶體管，它可以降低整個開關(guān)電路的成本，縮小開關(guān)電路的體積，使開關(guān)電路更為緊湊和靈活。
為完成本發(fā)明的目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案是一種集成二極管的槽形柵多晶硅結(jié)構(gòu)的聯(lián)柵晶體管，在下層為N型低電阻率層、上層為N型高電阻率層的硅襯底片的上表面有多條N型的高摻雜濃度的發(fā)射區(qū)，發(fā)射區(qū)的上面連接著N型的發(fā)射極摻雜多晶硅層，該發(fā)射極摻雜多晶硅層與發(fā)射極金屬層連接，每條發(fā)射區(qū)的周圍有P型的基區(qū)，基區(qū)的側(cè)面連著摻雜濃度比基區(qū)高、深度比基區(qū)深度深的P型的槽形柵區(qū)，每條槽的底面和側(cè)面覆蓋著絕緣層，側(cè)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，發(fā)射極金屬層與發(fā)射極金屬壓焊塊相連，發(fā)射極金屬層與柵極金屬層被鈍化層覆蓋，其特征在于在發(fā)射極壓焊塊區(qū)域集成有發(fā)射極一基極二極管和發(fā)射極一集電極二極管；集成發(fā)射極一基極二極管的P型區(qū)域和集成發(fā)射極一集電極二極管的P型區(qū)域為同一個P型區(qū)域；集成二極管的P型區(qū)域與發(fā)射極金屬層相連；集成二極管的P型區(qū)域包圍有高摻雜濃度的集成二極管的N型區(qū)域，集成二極管的N型區(qū)域與柵極摻雜多晶硅層相連，該柵極摻雜多晶硅層與柵極金屬層相連。
進一步地所述的集成二極管的N型區(qū)域與柵極金屬層之間的柵極摻雜多晶硅層的厚度為零，集成二極管的N型區(qū)域與柵極金屬層直接相連。所述集成二極管的P型區(qū)域的雜質(zhì)濃度與基區(qū)的雜質(zhì)濃度相同。所述集成二極管的P型區(qū)域分成兩個區(qū)域，一個是平面區(qū)域，該平面區(qū)域的雜質(zhì)濃度與基區(qū)的雜質(zhì)濃度相同，該平面區(qū)域包圍著集成二極管的N型區(qū)域；另一個是槽形區(qū)域，該槽形區(qū)域的雜質(zhì)濃度與槽形柵區(qū)的雜質(zhì)濃度相同。所述硅襯底片的N型的上層分為兩層，靠上一層的電阻率高于靠下一層。本發(fā)明同時集成了兩個二極管，一個是發(fā)射極與基極之間的BE反并二極管，另一個是發(fā)射極與集電極之間的CE反并二極管。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是節(jié)約成本，節(jié)省空間，靈活適用。


圖I是已有技術(shù)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是已有技術(shù)在發(fā)射極壓焊窗口附近的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是本發(fā)明的一個實施例在發(fā)射極壓焊窗口附近的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是本發(fā)明的另一個實施例在發(fā)射極壓焊窗口附近的結(jié)構(gòu)示意圖；圖5是本發(fā)明的再一個實施例在發(fā)射極壓焊窗口附近的結(jié)構(gòu)示意圖；圖6是本發(fā)明采用硅襯底片的上層為兩層的另一個實施例在發(fā)射極壓焊窗口附近的結(jié)構(gòu)示意圖。圖中1.發(fā)射極金屬層；2.P型基區(qū)；3.N型發(fā)射區(qū)；4. N型硅襯底片；41.N型硅襯底片上層；42. N型娃襯底片下層；411. N型娃襯底片上層的靠下一層；412. N型娃襯底片上層的靠上一層；5.娃槽；6. P型槽形柵區(qū)；7.絕緣層；8.集電極金屬層；9.發(fā)射極摻雜(摻磷)多晶硅層；10.鈍化層；11.集成二極管的N型區(qū)域；12.集成二極管的P型區(qū)域；13.集成二極管的P型槽形區(qū)域；14.柵極金屬層；15.柵極摻雜(摻磷)多晶硅層。
具體實施例方式本發(fā)明為集成二極管的槽形柵多晶硅結(jié)構(gòu)的聯(lián)柵晶體管。首先對本發(fā)明中涉及的有關(guān)術(shù)語解釋如下“發(fā)射極金屬壓焊塊”是指把鈍化層刻蝕干凈暴露出發(fā)射極金屬的壓焊窗口?！鞍l(fā)射極壓焊塊區(qū)域”指“發(fā)射極金屬壓焊塊”與“集成二極管”總共占有的縱向從表面鈍化層到底面集電極金屬層之間的區(qū)域。聯(lián)柵晶體管的柵極就是基極，通常用“基極”稱呼。聯(lián)柵晶體管的三個極與雙極管的三個極的名稱相同，為發(fā)射極、基極、集電極，英文字母為E、B、C。下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的結(jié)構(gòu)作詳細說明。在圖3所示的槽形柵多晶硅結(jié)構(gòu)的聯(lián)柵晶體管的實施例中，硅襯底片4的下層42為集電極，其為厚度420 iim電阻率0.01 Q cm的N型硅，上層41為厚度60 電阻率 35 Q cm的N型娃。集電極42的下表面與集電極金屬層8相連。在娃襯底片4的上表面開有多條平行的長條形槽5，兩個相鄰槽5之間的間距為14y m，槽5深3 y m，槽的寬度為3pm。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IE19-2E20/cm3,結(jié)深6 y m。硅襯底上層41的上表面通過選擇性掩蔽和硼離子注入和擴散，形成P型基區(qū)2，同時也形成集成二極管的P型區(qū)域12，P型基區(qū)2和P型區(qū)域12中硼的表面濃度為lE17-3E18/cm3，結(jié)深3. 5 y m。硅襯底上層41的上表面覆蓋著厚度為0. 6-0. 8um的摻磷多晶硅層，經(jīng)過選擇性掩蔽和刻蝕，摻磷多晶硅層被分割成發(fā)射極摻磷多晶硅層9和柵極摻磷多晶硅層15，發(fā)射極摻磷多晶硅層9與槽5的底部和側(cè)面之間隔著一層二氧化硅絕緣層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. 3-1 u m,在兩個相鄰槽5之間的硅襯底上層41的上表面有高磷濃度N型發(fā)射區(qū)3，發(fā)射區(qū)3中磷的表面濃度高達2-9E20/cm3，N型發(fā)射區(qū)3的深度為I. 5 y m。N型發(fā)射區(qū)3是通過對絕緣層7開孔，使發(fā)射極摻磷多晶硅層9與硅襯底上層41的上表面相連，并通過發(fā)射極摻磷多晶硅層9把磷擴散進入硅襯底上層41的上表面而形成的。同樣的，集成二極管的N型區(qū)域11也是通過對絕緣層7開孔，使柵極摻磷多晶硅層15與硅襯底上層41的上表面相連，并通過柵極摻磷多晶硅層15把磷擴散進入硅襯底上層41的上表面而形成的。集成二極管的N型區(qū)域11周圍有集成二極管的P型區(qū)域12。集成二極管的P型區(qū)域12以及與P型區(qū)域12相連的發(fā)射極金屬層I和集成二極管的N型區(qū)域11以及與N型區(qū)域11相連的柵極金屬層14形成集成發(fā)射極一基極二極管(即BE反并二極管)，集成二極管的P型區(qū)域12以及與P型區(qū)域12相連的發(fā)射極金屬層I和N型硅襯底片4以及集電極金屬層8形成集成發(fā)射極一集電極二極管(即CE反并二極管)。發(fā)射極金屬層I與柵極金屬層14是厚度為4 u m的鋁層，發(fā)射極金屬層與柵極金屬層被鈍化層10覆蓋，鈍化層10為I y m厚的PE氮化硅層。集電極金屬層8是厚度為I y m的鈦鎳銀三層金屬。將管芯面積同為0. 9*0. 9平方毫米的本實施例的集成二極管的槽形柵多晶硅結(jié)構(gòu)的聯(lián)柵晶體管與已有技術(shù)的槽形柵多晶硅結(jié)構(gòu)的聯(lián)柵晶體管應(yīng)用于3U-23W的節(jié)能燈電子鎮(zhèn)流器中，二者相比，本發(fā)明節(jié)省了兩只二極管，因此，管子的總成本節(jié)約1/2，其占用空間節(jié)約2/3，使用更為靈活方便。圖4是本發(fā)明的另一個實施例。與圖3的區(qū)別在于其集成二極管的P型區(qū)域分成兩個區(qū)域，一個是平面區(qū)域12，其雜質(zhì)濃度與基區(qū)的雜質(zhì)濃度相同，該平面區(qū)域12包圍著集成二極管的N型區(qū)域11，另一個是P型槽形區(qū)域13，其雜質(zhì)濃度與槽形柵區(qū)的雜質(zhì)濃度相同。P型槽形區(qū)域13是與P型槽形柵區(qū)6同時形成的。本實施例的好處是減小了發(fā)射極金屬層到集成二極管的PN結(jié)之間的串聯(lián)電阻，加快了聯(lián)柵晶體管的反向放電過程。圖5是本發(fā)明的再一個實施例。與圖4的區(qū)別在于發(fā)射極金屬層I直接與集成二極管的N型區(qū)域11連接，即發(fā)射極金屬層I與集成二極管的N型區(qū)域11之間的柵極摻磷多晶硅層15的厚度為零。這種連接的方式能夠提高BE之間的存儲電荷的反向抽取速度。但工藝比較復(fù)雜，不易控制。圖6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型高阻層41分為兩層，靠上面一層412的電阻率高些，為60 Q cm,厚度為20 y m，靠下面一層411的電阻率低些，為20 Q cm，厚度為40iim。這種雙層結(jié)構(gòu)的高阻層，能夠有效地抑制集電極與基極之間的PN結(jié)勢壘在大電流的轉(zhuǎn)移收縮效應(yīng)，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。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(lǐng)域的技術(shù)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(yīng)在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種集成二極管的槽形柵多晶硅結(jié)構(gòu)的聯(lián)柵晶體管，在下層為N型低電阻率層、上層為N型高電阻率層的硅襯底片的上表面有多條N型的高摻雜濃度的發(fā)射區(qū)，發(fā)射區(qū)的上面連接著N型的發(fā)射極摻雜多晶硅層，該發(fā)射極摻雜多晶硅層與發(fā)射極金屬層連接，每條發(fā)射區(qū)的周圍有P型的基區(qū)，基區(qū)的側(cè)面連著摻雜濃度比基區(qū)高、深度比基區(qū)深度深的P型的槽形柵區(qū)，每條槽的底面和側(cè)面覆蓋著絕緣層，側(cè)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，發(fā)射極金屬層與發(fā)射極金屬壓焊塊相連，發(fā)射極金屬層與柵極金屬層被鈍化層覆蓋，其特征在于 在發(fā)射極壓焊塊區(qū)域集成有發(fā)射極一基極二極管和發(fā)射極一集電極二極管； 集成發(fā)射極一基極二極管的P型區(qū)域和集成發(fā)射極一集電極二極管的P型區(qū)域為同一個P型區(qū)域； 集成二極管的P型區(qū)域與發(fā)射極金屬層相連； 集成二極管的P型區(qū)域包圍有高摻雜濃度的集成二極管的N型區(qū)域，集成二極管的N型區(qū)域經(jīng)柵極摻雜多晶硅層與柵極金屬層相連。
2.如權(quán)利要求I所述的集成二極管的槽形柵多晶硅結(jié)構(gòu)的聯(lián)柵晶體管，其特征在于 所述的集成二極管的N型區(qū)域與柵極金屬層之間的柵極摻雜多晶硅層的厚度為零，集成二極管的N型區(qū)域與柵極金屬層直接相連。
3.如權(quán)利要求I或2所述的集成二極管的槽形柵多晶硅結(jié)構(gòu)的聯(lián)柵晶體管，其特征在于 所述集成二極管的P型區(qū)域的雜質(zhì)濃度與基區(qū)的雜質(zhì)濃度相同。
4.如權(quán)利要求I或2所述的集成二極管的槽形柵多晶硅結(jié)構(gòu)的聯(lián)柵晶體管，其特征在于 所述集成二極管的P型區(qū)域分成兩個區(qū)域，一個是平面區(qū)域，該平面區(qū)域的雜質(zhì)濃度與基區(qū)的雜質(zhì)濃度相同，該平面區(qū)域包圍著集成二極管的N型區(qū)域；另一個是槽形區(qū)域，該槽形區(qū)域的雜質(zhì)濃度與槽形柵區(qū)的雜質(zhì)濃度相同。
5.如權(quán)利要求I或2所述的集成二極管的槽形柵多晶硅結(jié)構(gòu)的聯(lián)柵晶體管，其特征在于 所述娃襯底片的N型的上層分為兩層,靠上一層的電阻率高于靠下一層。
6.如權(quán)利要求3所述的集成二極管的槽形柵多晶硅結(jié)構(gòu)的聯(lián)柵晶體管，其特征在于 所述娃襯底片的N型的上層分為兩層,靠上一層的電阻率高于靠下一層。
7.如權(quán)利要求4所述的集成二極管的槽形柵多晶硅結(jié)構(gòu)的聯(lián)柵晶體管，其特征在于 所述娃襯底片的N型的上層分為兩層,靠上一層的電阻率高于靠下一層。
全文摘要
本發(fā)明涉及集成二極管的槽形柵多晶硅結(jié)構(gòu)的聯(lián)柵晶體管，在常規(guī)的槽形柵多晶硅結(jié)構(gòu)的聯(lián)柵晶體管的發(fā)射極壓焊塊區(qū)域內(nèi)部集成了發(fā)射極—基極之間和發(fā)射極—集電極之間的兩個反并二極管。具有節(jié)約成本、節(jié)省空間、靈活方便的顯著效果。
文檔編號H01L27/102GK102751284SQ20111021424
公開日2012年10月24日 申請日期2011年7月28日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月28日
發(fā)明者李思敏 申請人:李思敏