專利名稱：集成二極管的槽形柵多晶硅結構的聯柵晶體管的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種聯柵晶體管，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、吳忠龍對聯柵晶體管GAT作了進一步的分析(《電力電子技術》1994年第4期1994. 11. pp52-55)，指出了聯柵晶體管器件呈現出高耐壓、快速開關和低飽和壓降等優良特性。早期的聯柵晶體管GAT都是采用平面結構。2000年，中國發明專利ZL00100761.0提出了一種槽形柵多晶硅結構的聯柵晶體管，其結構的原理如圖I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的硅襯底片4的上表面，有多條第一導電類型的高摻雜濃度的發射區3，發射區3通過摻雜多晶硅層9與發射極金屬層I連接，每條發射區3的周圍有第二導電類型的基區2，基區2的側面連著第二導電類型摻雜濃度比基區2高、深度比基區2深度深的柵區6，柵區6與柵極金屬層相連，硅襯底片4的上層41在基區2以下和柵區6以下的部分為集電區，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6是槽形的，該槽5的底部是第二導電類型高摻雜區；發射區3的上面連接著第一導電類型的摻雜多晶娃層9,該摻雜多晶娃層9與發射極金屬層I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柵晶體管可以比平面結構的聯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。槽形柵多晶硅結構的聯柵晶體管用于100KHZ以下的高速開關電路中，當聯柵晶體管由開轉關時，要求把存貯在基區和集電區的電荷迅速放掉。已有技術的辦法是通過聯柵晶體管的BE兩端和CE兩端分別外接反向并聯二極管來實現。這樣做，不但增加了成本，擠占了空間，而且，外接二極管與聯柵晶體管還不易匹配。圖2是已有技術在發射極壓焊窗口附近的結構示意圖。數字10代表鈍化層。在圖I和圖2中，第一導電類型即N型，第二導電類型即P型。
發明內容
鑒于上述，本發明的目的是在于針對現有技術的不足，提供一種帶有集成二極管的槽形柵多晶硅結構的聯柵晶體管，它可以降低整個開關電路的成本，縮小開關電路的體積，使開關電路更為緊湊和靈活。
為完成本發明的目的，本發明采取的技術方案是一種集成二極管的槽形柵多晶硅結構的聯柵晶體管，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射區，發射區的上面連接著N型的發射極摻雜多晶硅層，該發射極摻雜多晶硅層與發射極金屬層連接，每條發射區的周圍有P型的基區，基區的側面連著摻雜濃度比基區高、深度比基區深度深的P型的槽形柵區，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，柵區與柵極金屬層相連，硅襯底片的上層位于基區以下和柵區以下的部分為集電區，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，發射極金屬層與發射極金屬壓焊塊相連，發射極金屬層與柵極金屬層被鈍化層覆蓋，其特征在于在發射極壓焊塊區域集成有發射極一基極二極管和發射極一集電極二極管；集成發射極一基極二極管的P型區域和集成發射極一集電極二極管的P型區域為同一個P型區域；集成二極管的P型區域與發射極金屬層相連；集成二極管的P型區域包圍有高摻雜濃度的集成二極管的N型區域，集成二極管的N型區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型區域與柵極金屬層直接相連。所述集成二極管的P型區域的雜質濃度與基區的雜質濃度相同。所述集成二極管的P型區域分成兩個區域，一個是平面區域，該平面區域的雜質濃度與基區的雜質濃度相同，該平面區域包圍著集成二極管的N型區域；另一個是槽形區域，該槽形區域的雜質濃度與槽形柵區的雜質濃度相同。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。本發明同時集成了兩個二極管，一個是發射極與基極之間的BE反并二極管，另一個是發射極與集電極之間的CE反并二極管。與現有技術相比，本發明的有益效果是節約成本，節省空間，靈活適用。
圖I是已有技術的結構示意圖；圖2是已有技術在發射極壓焊窗口附近的結構示意圖；圖3是本發明的一個實施例在發射極壓焊窗口附近的結構示意圖；圖4是本發明的另一個實施例在發射極壓焊窗口附近的結構示意圖；圖5是本發明的再一個實施例在發射極壓焊窗口附近的結構示意圖；圖6是本發明采用硅襯底片的上層為兩層的另一個實施例在發射極壓焊窗口附近的結構示意圖。圖中1.發射極金屬層；2.P型基區；3.N型發射區；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；7.絕緣層；8.集電極金屬層；9.發射極摻雜(摻磷)多晶硅層；10.鈍化層；11.集成二極管的N型區域；12.集成二極管的P型區域；13.集成二極管的P型槽形區域；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明為集成二極管的槽形柵多晶硅結構的聯柵晶體管。首先對本發明中涉及的有關術語解釋如下“發射極金屬壓焊塊”是指把鈍化層刻蝕干凈暴露出發射極金屬的壓焊窗口。“發射極壓焊塊區域”指“發射極金屬壓焊塊”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域。聯柵晶體管的柵極就是基極，通常用“基極”稱呼。聯柵晶體管的三個極與雙極管的三個極的名稱相同，為發射極、基極、集電極，英文字母為E、B、C。下面結合附圖對本發明的結構作詳細說明。在圖3所示的槽形柵多晶硅結構的聯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6，硼的表面濃度為IE19-2E20/cm3,結深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2，同時也形成集成二極管的P型區域12，P型基區2和P型區域12中硼的表面濃度為lE17-3E18/cm3，結深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，經過選擇性掩蔽和刻蝕，摻磷多晶硅層被分割成發射極摻磷多晶硅層9和柵極摻磷多晶硅層15，發射極摻磷多晶硅層9與槽5的底部和側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型發射區3，發射區3中磷的表面濃度高達2-9E20/cm3，N型發射區3的深度為I. 5 y m。N型發射區3是通過對絕緣層7開孔，使發射極摻磷多晶硅層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型區域11周圍有集成二極管的P型區域12。集成二極管的P型區域12以及與P型區域12相連的發射極金屬層I和集成二極管的N型區域11以及與N型區域11相連的柵極金屬層14形成集成發射極一基極二極管(即BE反并二極管)，集成二極管的P型區域12以及與P型區域12相連的發射極金屬層I和N型硅襯底片4以及集電極金屬層8形成集成發射極一集電極二極管(即CE反并二極管)。發射極金屬層I與柵極金屬層14是厚度為4 u m的鋁層，發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構的聯柵晶體管與已有技術的槽形柵多晶硅結構的聯柵晶體管應用于3U-23W的節能燈電子鎮流器中，二者相比，本發明節省了兩只二極管，因此，管子的總成本節約1/2，其占用空間節約2/3，使用更為靈活方便。圖4是本發明的另一個實施例。與圖3的區別在于其集成二極管的P型區域分成兩個區域，一個是平面區域12，其雜質濃度與基區的雜質濃度相同，該平面區域12包圍著集成二極管的N型區域11，另一個是P型槽形區域13，其雜質濃度與槽形柵區的雜質濃度相同。P型槽形區域13是與P型槽形柵區6同時形成的。本實施例的好處是減小了發射極金屬層到集成二極管的PN結之間的串聯電阻，加快了聯柵晶體管的反向放電過程。圖5是本發明的再一個實施例。與圖4的區別在于發射極金屬層I直接與集成二極管的N型區域11連接，即發射極金屬層I與集成二極管的N型區域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。但工藝比較復雜，不易控制。圖6是本發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。需要申明的是，上述實施例僅用于對本發明進行說明而非對本發明進行限制，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，都應在本發明的保護范圍之內。
權利要求
1.一種集成二極管的槽形柵多晶硅結構的聯柵晶體管，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射區，發射區的上面連接著N型的發射極摻雜多晶硅層，該發射極摻雜多晶硅層與發射極金屬層連接，每條發射區的周圍有P型的基區，基區的側面連著摻雜濃度比基區高、深度比基區深度深的P型的槽形柵區，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，柵區與柵極金屬層相連，硅襯底片的上層位于基區以下和柵區以下的部分為集電區，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，發射極金屬層與發射極金屬壓焊塊相連，發射極金屬層與柵極金屬層被鈍化層覆蓋，其特征在于 在發射極壓焊塊區域集成有發射極一基極二極管和發射極一集電極二極管； 集成發射極一基極二極管的P型區域和集成發射極一集電極二極管的P型區域為同一個P型區域； 集成二極管的P型區域與發射極金屬層相連； 集成二極管的P型區域包圍有高摻雜濃度的集成二極管的N型區域，集成二極管的N型區域經柵極摻雜多晶硅層與柵極金屬層相連。
2.如權利要求I所述的集成二極管的槽形柵多晶硅結構的聯柵晶體管，其特征在于 所述的集成二極管的N型區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型區域與柵極金屬層直接相連。
3.如權利要求I或2所述的集成二極管的槽形柵多晶硅結構的聯柵晶體管，其特征在于 所述集成二極管的P型區域的雜質濃度與基區的雜質濃度相同。
4.如權利要求I或2所述的集成二極管的槽形柵多晶硅結構的聯柵晶體管，其特征在于 所述集成二極管的P型區域分成兩個區域，一個是平面區域，該平面區域的雜質濃度與基區的雜質濃度相同，該平面區域包圍著集成二極管的N型區域；另一個是槽形區域，該槽形區域的雜質濃度與槽形柵區的雜質濃度相同。
5.如權利要求I或2所述的集成二極管的槽形柵多晶硅結構的聯柵晶體管，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.如權利要求3所述的集成二極管的槽形柵多晶硅結構的聯柵晶體管，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.如權利要求4所述的集成二極管的槽形柵多晶硅結構的聯柵晶體管，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
本發明涉及集成二極管的槽形柵多晶硅結構的聯柵晶體管，在常規的槽形柵多晶硅結構的聯柵晶體管的發射極壓焊塊區域內部集成了發射極—基極之間和發射極—集電極之間的兩個反并二極管。具有節約成本、節省空間、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 優先權日2011年7月28日
發明者李思敏 申請人:李思敏