專利名稱：功率半導(dǎo)體器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及功率半導(dǎo)體電子學(xué)領(lǐng)域。本發(fā)明為一權(quán)利要求1的前序部分所述的功率半導(dǎo)體器件。
一種類似的功率半導(dǎo)體器件已在EP-A1-0 528 349中公開過。這是一種含有絕緣柵控電極的雙極晶體管(IGBT)。IGBT以及其他功率半導(dǎo)體器件例如高功率二極管或者絕緣柵晶閘管(IGTh或者BRT)基本上都是作在半導(dǎo)體襯底上的，在襯底陰極邊制作有許多個盆形區(qū)域，這些盆形區(qū)域的導(dǎo)電類型與襯底相反并根據(jù)器件的工作狀態(tài)起收集載流子的作用。若這些盆形區(qū)域是p型摻雜，它們就會吸收空穴。
與晶閘管對比，IGBT具有絕緣柵控電極的優(yōu)點。因此，有可能利用電壓控制來代替電流控制。這在功率控制方面特別具有優(yōu)勢。
與晶閘管相比，IGBT具有高的正向壓降，在降低高壓降方面IGBT至今未能有所突破。較高的壓降是由于半導(dǎo)體襯底中的等離子體濃度比晶閘管中的低。換而言之，IGBT襯底中的載流子較少，所以歐姆電阻更高。
利用特殊的摻雜濃度和限制載流子壽命來解決上述問題，以獲得低的正向壓降和短的開啟時間。但即使這樣，IGBT的正向電阻指標(biāo)仍遠次于晶閘管。
利用其他技術(shù)，例如溝道IGBT可以克服這個問題。但溝道IGBT的工藝技術(shù)太難，目前從經(jīng)濟角度而言，沒有選擇價值。
因此，本發(fā)明的目的是制作一種功率半導(dǎo)體器件，這種器件具有低的正向電阻，并且制作簡單，成本具有競爭力。此問題通過獨立權(quán)利要求1特征部分的功率半導(dǎo)體器件解決。
本發(fā)明的核心是提出一種方法，該方法用于阻擋半導(dǎo)體襯底結(jié)區(qū)中的載流子，尤其是空穴，由襯底向盆形區(qū)域的縱向流動。載流子將不再沿縱向向盆形區(qū)域流動，而是被迫橫向繞行，由此增加半導(dǎo)體襯底中的載流子濃度，降低正向壓降。人們可以通過簡單的方法來達到這一目的，即在盆形區(qū)域到半導(dǎo)體襯底之間的結(jié)區(qū)安插一非導(dǎo)電的埋層結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明具有IGBT、絕緣柵晶閘管以及二極管的優(yōu)點。在縱向，非導(dǎo)電層與盆形區(qū)域的厚度相比很薄并被有利地安插在盆形區(qū)域邊緣，平行襯底。在橫向，非導(dǎo)電層被周期性地隔斷開并稍微突出于盆形區(qū)域的橫向邊界。為使器件對閉鎖不敏感，也可以在盆形區(qū)域中間隔斷非導(dǎo)電層。
本發(fā)明的特殊優(yōu)點是發(fā)明結(jié)構(gòu)例如IGBT具有晶閘管范圍內(nèi)的正向電阻，并且，制作本發(fā)明結(jié)構(gòu)在經(jīng)濟上仍然是十分合算的。
附圖簡述下面依據(jù)實施圖例對本發(fā)明作進一步的解釋
圖1按本發(fā)明構(gòu)成的一二極管部分剖面圖；圖2按本發(fā)明構(gòu)成的一IGTh或者BRT部分剖面圖；圖3按本發(fā)明構(gòu)成的一IGBT部分剖面圖；圖4按本發(fā)明含條形發(fā)射區(qū)的一新型IGBT部分俯視圖；圖5按本發(fā)明含島狀發(fā)射區(qū)的一新型IGBT部分俯視圖；圖6按本發(fā)明含棒狀發(fā)射區(qū)的一新型IGBT部分俯視圖；以及圖7按實現(xiàn)非傳導(dǎo)層的一種變例。
附圖中所用的參考數(shù)字及其意義歸納在參數(shù)表中。各圖相同部位用的是相同參考數(shù)字。
下面先以IGBT為例對本發(fā)明作以說明圖3為一IGBT部分剖面圖。圖中參考數(shù)字1表示一般的n型摻雜半導(dǎo)體襯底，該襯底位于圖中頂層第一主平面和底層第二主平面之間。襯底1中的盆形區(qū)域2—此處為多個p+摻雜區(qū)域—是通過第一主平面植入的，在區(qū)域2中有n+摻雜的發(fā)射區(qū)4。緊鄰第二主平面為p型摻雜層6，該層被金屬化層—為簡明起見圖中沒有畫出—所覆蓋而形成一個主電極。另一個主電極—同樣的理由也沒在圖中畫出—是與發(fā)射區(qū)4和盆形區(qū)域2接觸的金屬化層?？刂齐姌O由安插在絕緣層內(nèi)的導(dǎo)電層5構(gòu)成，它覆蓋于兩個盆形區(qū)域2的半導(dǎo)體襯底之間并與發(fā)射區(qū)4搭接。以上描述了一個常規(guī)的IGBT結(jié)構(gòu)，它可以用簡單的DMOS工藝制作。最終的IGBT包含多個平行聯(lián)接的標(biāo)準(zhǔn)元件，每個元件包括一個盆形區(qū)域。
試驗和模擬工作表明，處于導(dǎo)通狀態(tài)下的IGBT受盆形區(qū)域2下面半導(dǎo)體襯底1中相對較低的空穴濃度所支配。這是因為盆形區(qū)域2可以有效吸收掉自集流層6進入半導(dǎo)體襯底的空穴。本發(fā)明的目的正是要減少器件中具有空穴吸收能力的那部分體積。這一目的的實現(xiàn)從器件制作方法上可以預(yù)見，即盡可能地阻止空穴沿縱向—在圖3中由下而上的方向—經(jīng)半導(dǎo)體襯底1流入盆形區(qū)域2，而在橫向，卻允許它們基本上沿直角繞行至縱向。
這一目的可由非導(dǎo)電層3來完成。非導(dǎo)電層3被有利地安插在盆形區(qū)域2，稍微位于半導(dǎo)體襯底1的結(jié)區(qū)之前。從縱向來看，非導(dǎo)電層3相對較薄，僅僅零點幾微米到約1微米。在橫向，非導(dǎo)電層3被周期性地隔斷開來。非導(dǎo)電層3也能夠突出于盆形區(qū)域2的邊界幾個微米。成功的試驗數(shù)據(jù)為，埋于盆形區(qū)域2中的非導(dǎo)電層3離第一主平面3微米深，離半導(dǎo)體襯底結(jié)1微米厚，橫向突出于盆形區(qū)域2的邊界約5微米。
SiO2可作為制作非導(dǎo)電層3的優(yōu)選材料，其他的非導(dǎo)電材料也可考慮。非導(dǎo)電層3阻止盆形區(qū)域2吸收渡越耗盡層進入半導(dǎo)體襯底的空穴?？昭ㄖ淮嬖谟谟傻谝恢麟姌O(圖中沒有標(biāo)出)或陰極接觸層與非導(dǎo)電層3形成的窄窗口之間。利用這一措施可以大大提高半導(dǎo)體襯底中的空穴濃度。試驗和模擬結(jié)果表明，這種IGBT在整個厚度中具有與GTO相同的空穴濃度剖面。只有爭取實現(xiàn)這一目標(biāo)，才能降低IGBT的正向電阻。含本發(fā)明層的一個平面型3.3KV IGBT與相應(yīng)的一個常規(guī)器件相比，在溫度為400k，電流為50A/cm2的情況下，正向壓降從5.329V減少到3.339V，當(dāng)電流為100A/cm2時，正向壓降甚至從6.221V降至3.918V。
本發(fā)明涉及的非導(dǎo)電層3可以借助于不同的其他可靠半導(dǎo)體工藝技術(shù)來制作，其中首推以高能氧離子注入加隨后的溫度退火步驟來形成SiO2的制作方法，但這種工藝相對造價較高。
較容易的方法是在經(jīng)事先處理過的基片上作外延生長，該基片含有周期性隔斷的SiO2層。由于SiO2層很薄，外延層照樣可以橫向跨越SiO2層。此后就可在外延層中根據(jù)要求制作p+摻雜的盆形區(qū)域。
利用功率-ASIC-技術(shù)中公開的工藝能夠生長掩埋SiO2層。在ASIC中需用掩埋SiO2層作為介質(zhì)來隔離功能群。
具有本發(fā)明特點的IGBT，如果由于盆形區(qū)域2吸收空穴效率的降低而必須大大增加其閉鎖靈敏度，建議在盆形區(qū)域2的中間將非導(dǎo)電層3隔斷，這可使得一部分空穴總能夠在盆形區(qū)域2的中間被吸收掉。例如圖7所示就是一個實施形式。
確定IGBT尺寸的另一自由度是發(fā)射區(qū)4的構(gòu)造。從俯視圖看，這些構(gòu)造變形包含已知的條形發(fā)射區(qū)(圖4)、島形發(fā)射區(qū)(圖5)以及棒形發(fā)射區(qū)(圖6)。每種變形均有其各自的優(yōu)點。本發(fā)明優(yōu)先地列入了這些變形。在圖4-6的俯視圖中，非導(dǎo)電層3應(yīng)是沿例如條形發(fā)射區(qū)4的方向被隔斷開(圖4)。這同樣也適合于島形發(fā)射區(qū)4的情況(圖5)，每兩個島形區(qū)嵌在一塊非導(dǎo)電層3內(nèi)。棒形發(fā)射區(qū)4的情況(圖6)也一樣，每根棒區(qū)由一塊層3所包含。
自然，與圖4-6所描述的例子不同，層3也可以制作成連貫的整塊。但是，那樣就有可能出現(xiàn)象在圖7中所解釋過的那種閉鎖問題。
至此，本發(fā)明的描述只列舉了IGBT的例子。其實本發(fā)明并不僅僅局限于此，還可以應(yīng)用于二極管，尤其是SPEED二極管，以及IGTh或者BRT圖2為BRT或者IGTh的一部分剖面圖。不同于IGBT的是，圖2中有兩種類型的標(biāo)準(zhǔn)單元。一個具有三層結(jié)構(gòu)特征的晶體管單元9和另一個具有四層結(jié)構(gòu)的晶閘管單元10。IGTh或者BRT的工作原理公開在JP 63-310171A和DE 40 24 526 A1。在這種公開刊物中肯定包含此節(jié)的內(nèi)容。因而，此處已無需復(fù)述這種元件的功能。
在IGTh或BRT中，晶體管標(biāo)準(zhǔn)單元9內(nèi)的p+盆形區(qū)域2或許對空穴有很強的吸收作用而會防礙晶閘管單元10的閉鎖工作。為了要降低晶體管單元9的空穴吸收效率，可以象IGBT那樣，在晶體管單元9的p+盆形區(qū)域2內(nèi)預(yù)先設(shè)計一非導(dǎo)電層。
本發(fā)明在制作所謂的SPEED二極管上也同樣具備優(yōu)勢。例如圖1所示。這樣的二極管，在p摻雜的陽極發(fā)射層7中存在p+摻雜的盆形區(qū)域2。如這些盆形區(qū)域2配置有本發(fā)明特點的非導(dǎo)電層3，則由于空穴吸收效率的減少，人們就可以獲得具有更高的電阻來抑制動態(tài)雪崩擊穿的二極管。
總而言之，按本發(fā)明方法制成的功率半導(dǎo)體器件，其等離子濃度在器件的整個厚度內(nèi)比普通結(jié)構(gòu)的更高，因此可以獲得相當(dāng)?shù)偷恼螂娮琛?br>
參數(shù)表1 半導(dǎo)體襯底2 盆形區(qū)域3 非導(dǎo)電層4 發(fā)射區(qū)5 柵電極6 集流層7 陽極發(fā)射層8 陰極發(fā)射層9 晶體管單元10 晶閘管單元
權(quán)利要求
1.一功率半導(dǎo)體器件，包括(a)第一種導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體襯底(1)，半導(dǎo)體襯底(1)的范圍由第一和第二主平面所限定；(b)許多由第二種導(dǎo)電類型形成的盆形區(qū)域(2)，盆形區(qū)域(2)的導(dǎo)電類型與第一種導(dǎo)電類型不同，盆形區(qū)域(2)是從第一主平面植入半導(dǎo)體襯底(1)的；其特征在于(c)在半導(dǎo)體襯底(1)的第一主平面至第二主平面之間，沿縱向在盆形區(qū)域(2)內(nèi)安插非導(dǎo)電層(3)，以盡量阻止第二種導(dǎo)電類型的載流子沿縱向經(jīng)半導(dǎo)體襯底(1)流入盆形區(qū)域(2)，在橫向，允許載流子基本上以直角繞行至縱向。
2.按權(quán)利要求1所述的功率半導(dǎo)體器件，其特征在于其結(jié)構(gòu)措施中包含一非導(dǎo)電層(3)。
3.按權(quán)利要求2所述的功率半導(dǎo)體器件，其特征在于非導(dǎo)電層(3)在橫向被周期性地隔斷開，與盆形區(qū)域(2)相比，非導(dǎo)電層(3)在縱向很薄并且制作在盆形區(qū)域(2)內(nèi)，在橫向，非導(dǎo)電層(3)突出于盆形區(qū)域(2)零點幾微米至幾微米。
4.按權(quán)利要求1至3之一所述的功率半導(dǎo)體器件，其特征在于(a)這種功率半導(dǎo)體器件具有含絕緣柵電極的雙極晶體管的功能；(b)在盆形區(qū)域(2)中安置有屬于第一種導(dǎo)電類型的發(fā)射區(qū)(4)，這些發(fā)射區(qū)(4)與第一主電極聯(lián)接；(c)柵電極(5)覆蓋了兩個盆形區(qū)域(2)之間的第一主平面并且與發(fā)射區(qū)(4)搭接；(d)緊鄰第二主平面的是具有第二種導(dǎo)電類型的集流層(6)，集流層(6)接第二個主電極。
5.按權(quán)利要求4所述的功率半導(dǎo)體器件，其特征在于發(fā)射區(qū)(4)以條形方式制作，非導(dǎo)電層(3)沿條形方向被隔斷開。
6.按權(quán)利要求4所述的功率半導(dǎo)體器件，其特征在于發(fā)射區(qū)(4)以島形方式制作，非導(dǎo)電層(3)被隔斷開，各個非導(dǎo)電層(3)限定了每兩個相對而立的島的邊界。
7.按權(quán)利要求4所述的功率半導(dǎo)體器件，其特征在于發(fā)射區(qū)(4)以棒形方式制作，棒形的長度基本上等于盆形區(qū)域(2)的寬度，非導(dǎo)電層(3)被隔斷開，非導(dǎo)電層(3)限定了每棒的尺寸邊界。
8.按權(quán)利要求4所述的功率半導(dǎo)體器件，其特征在于非導(dǎo)電層(3)在盆形區(qū)域(2)的中心段被隔斷開。
9.按權(quán)利要求1至3之一所述的功率半導(dǎo)體器件，其特征在于(a)這種功率半導(dǎo)體器件具有二極管的功能；(b)盆形區(qū)域2由具有第二種導(dǎo)電類型并與第一主平面交界的第一層，即陽極發(fā)射層(7)所包圍，陽極發(fā)射層(7)比盆形區(qū)域(2)摻雜輕；(c)與第二主平面交界的第二層，即陰極發(fā)射層(8)具有與半導(dǎo)體襯底(1)相同的導(dǎo)電類型，陰極發(fā)射層(8)比半導(dǎo)體襯底(1)摻雜重。
10.按權(quán)利要求1至3之一所述的功率半導(dǎo)體器件，其特征在于(a)這種功率半導(dǎo)體器件具有IGTh或BRT的功能，并具有晶體管單元(9)和晶閘管單元(10)；(b)晶體管單元(9)的盆形區(qū)域(2)內(nèi)安插有非導(dǎo)電層(3)。
全文摘要
一種功率半導(dǎo)體器件，把一個非導(dǎo)電的埋層結(jié)構(gòu)嵌入半導(dǎo)體襯底內(nèi)，可降低p
文檔編號H01L29/02GK1157488SQ9612283
公開日1997年8月20日 申請日期1996年10月11日 優(yōu)先權(quán)日1995年10月13日
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