專利名稱：槽形柵摻砷多晶硅結(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)柵晶體管GAT(Gate Associated Transistor),隨后 進(jìn)行了詳細(xì)的分析(見 IEEE Trans . Electron Device ， vol ED-27, PP. 373-379. 1980)。 1994年，陳福元、金文新、吳忠龍對(duì)聯(lián)柵晶體管GAT作了進(jìn) 一步的分析(見《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(以下簡(jiǎn)稱已有技術(shù)l)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1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1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)電類型的摻雜多晶硅層9，該摻雜多晶 硅層9與發(fā)射極金屬層1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。
圖2表示已有技術(shù)2的槽形柵多晶硅結(jié)構(gòu)的聯(lián)柵晶體管的實(shí)際結(jié)構(gòu)示意圖。在 此例子中，兩個(gè)槽之間的距離為20pm，槽深2.5pm，發(fā)射區(qū)的結(jié)深0.5pm，基區(qū)結(jié) 深2.8^m，柵區(qū)結(jié)深4pm。摻雜多晶硅的雜質(zhì)源是磷，摻雜多晶硅的厚度為0.4—0.50 ti m。
槽形柵多晶硅結(jié)構(gòu)的聯(lián)柵晶體管通常是先通過反應(yīng)離子刻蝕，刻出槽形，然后 通過注入大劑量的硼離子及高溫?cái)U(kuò)散形成P型的高摻雜濃度柵區(qū)。接著，通過注入 硼離子及高溫推進(jìn)形成P型基區(qū)。在基區(qū)上面，生長(zhǎng)一層絕緣層，把絕緣層開孔， 沉淀一層多晶硅，使多晶硅層與硅襯底上層的上表面相連，用直接擴(kuò)散的方法，或 者先用離子注入接著擴(kuò)散的方法，把N型雜質(zhì)磷通過多晶硅層擴(kuò)散到硅襯底上表面 開孔處而形成高摻雜濃度的N型發(fā)射區(qū)。由于磷的原子半徑為0.110nm，而硅的原子半徑為0.117nm，兩者相差較大，高濃度磷原子擴(kuò)散進(jìn)入硅中會(huì)產(chǎn)生較大的應(yīng)力。 另_方面，在發(fā)射區(qū)上表面，硅與多晶硅連接，硅的膨脹系數(shù)與多晶硅的膨脹系數(shù) 相差較大，在高溫?cái)U(kuò)散及冷卻過程中，會(huì)在發(fā)射區(qū)產(chǎn)生較大的應(yīng)力。槽形柵多晶硅 結(jié)構(gòu)的聯(lián)柵晶體管的柵呈槽形，使得硅襯底片的上表面凹凸不平。這種凹凸不平的 表面上，大面積覆蓋著二氧化硅之類的絕緣層，絕緣層上面再大面積覆蓋著多晶硅 層。由于硅、二氧化硅、多晶硅的熱膨脹系數(shù)不同，加上刻蝕槽時(shí)產(chǎn)生的等離子損 傷，槽內(nèi)大劑量濃硼注入產(chǎn)生的損傷以及槽內(nèi)的沾污不易清洗干凈等等因素，使得 在多次高溫推進(jìn)以及升降溫的過程中，硅襯底的某些區(qū)域的應(yīng)力變得更大。上述各 種應(yīng)力疊加，在槽形柵多晶硅結(jié)構(gòu)的聯(lián)柵晶體管的發(fā)射區(qū)產(chǎn)生大量的位錯(cuò)缺陷，有 的區(qū)域位錯(cuò)密度高達(dá)lE5-lE6/平方厘米。位錯(cuò)增強(qiáng)了發(fā)射區(qū)的磷的局部擴(kuò)散，形成 磷的尖峰。在磷的尖峰處，基區(qū)的寬度變窄，電流放大系數(shù)變大，C-E擊穿變低。 槽形柵多晶硅結(jié)構(gòu)的聯(lián)柵晶體管通常應(yīng)用在開關(guān)工作中，當(dāng)聯(lián)柵晶體管處在由丌轉(zhuǎn) 關(guān)的工作階段時(shí)，在發(fā)射區(qū)的磷的尖峰附近發(fā)生電流集中，造成雪崩擊穿而使該器 件失效。采用砷作為N型雜質(zhì)源并采用較薄的多晶硅層能有效地降低位錯(cuò)密度。砷 的原子半徑為0.118nm,硅的原子半徑為0.117nm，兩者相差O.OOlnm,僅為硅的原子半 徑與磷的原子半徑之差的1/7。所以，采用摻砷多晶硅在擴(kuò)散后高濃度的砷原子進(jìn)入 發(fā)射區(qū)比采用摻磷多品硅在擴(kuò)散后高濃度的磷原子進(jìn)入發(fā)射區(qū)產(chǎn)生的應(yīng)力小得多。 多晶硅的熱膨脹系數(shù)與硅襯底不同，采用較薄的多晶硅，在高溫推進(jìn)及升降溫的過 程中，對(duì)硅襯底造成的應(yīng)力較小， 一般多晶硅的厚度宜小于0.30pm。雖然，多晶硅 越薄，給硅襯底造成的應(yīng)力越小，但多晶硅太薄不容易加工，宜大于0.01pm。采用 O.lpm的摻砷多晶硅結(jié)構(gòu)的槽形柵聯(lián)柵晶體管，發(fā)射區(qū)的位錯(cuò)密度僅為1E1—1E2/ 平方厘米，發(fā)射區(qū)的位錯(cuò)密度比圖2所示的已有技術(shù)采用0.4-0.5nm的摻磷多晶硅結(jié) 構(gòu)的槽形柵聯(lián)柵晶體管的發(fā)射區(qū)的位錯(cuò)密度小4個(gè)數(shù)量級(jí)。因而大大地提高了聯(lián)柵 晶體管的抗雪崩擊穿的能力。
槽形柵聯(lián)柵晶體管的柵區(qū)呈槽形，在槽的底面和側(cè)面的交界處附近形成的PN結(jié) 呈柱面狀或球面狀。在球面結(jié)區(qū)域和柱面結(jié)區(qū)域會(huì)發(fā)生電場(chǎng)集中，雪崩擊穿也容易 在這些區(qū)域中發(fā)生。這種效應(yīng)在擴(kuò)散結(jié)深較小時(shí)，影響特別顯著。
在已有技術(shù)l的實(shí)施例中，P型高濃度槽形柵區(qū)的結(jié)深3-6pm，屬于結(jié)深偏淺， 導(dǎo)致其抗雪崩擊穿的能力比較差。研究表明，柵區(qū)的結(jié)深要大于6.5pm，這樣其抗雪 崩擊穿的能力就會(huì)大為增加。但柵區(qū)的結(jié)深也不宜太深，否則，柵區(qū)的橫向擴(kuò)展太 大，會(huì)使晶體管3通時(shí)的最大電流變小，以小于12pm為宜。

發(fā)明內(nèi)容
鑒于上述，本發(fā)明的目的是在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種新的槽形柵多晶硅結(jié) 構(gòu)的聯(lián)柵晶體管，它可以增強(qiáng)抗雪崩擊穿能力，提高器件的可靠性。 為完成本發(fā)明的目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案是
一種槽形柵摻砷多晶硅結(jié)構(gòu)的聯(lián)柵晶體管，在其下層為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型的摻雜多晶硅層，該摻雜多晶硅層與發(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)以卜的部分為集電區(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，其特征在于
所述摻雜多晶硅層的雜質(zhì)源是砷；
所述摻雜多晶硅層的厚度為0.01—0.30pm;
此外
所述槽形柵區(qū)的結(jié)深為6.5-12pm;
所述硅襯底片的高電阻率的N型上層分為兩層，靠上一層的電阻率高于卜-一層。 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是抗擊雪崩擊穿的能力增強(qiáng)，在應(yīng)用中的失效
率可降低2個(gè)數(shù)量級(jí)；具有顯著的低成本、高性價(jià)比的功效。


圖l和圖2是已有技術(shù)的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖3是本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖4是本發(fā)明另一實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式
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(shí)施例中，硅襯底4的下層42 為集電極，其為厚度420pm電阻率0.01。*cm的N型硅，上層41為厚度60pm電阻 率35^cm的N型硅。在硅襯底片4的上表面開有多條平行的長(zhǎng)條形槽5，兩個(gè)相鄰 槽5的間距為20pm，槽5深3pm。槽底通過注入硼離子并加以推進(jìn)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10pm。硅襯底上層41的上表 面通過硼離子注入和擴(kuò)散，形成P型基區(qū)2，P型基區(qū)2中硼的表面濃度為1E17-3E18 /cm3，結(jié)深6nm。硅襯底上層41的上表面覆蓋著厚度為O.lnm的摻砷多晶硅層9， 摻砷多晶硅層9與槽5的底部和側(cè)面之間隔著一層由二氧化硅、磷硅玻璃、氮化硅 或它們的復(fù)合物構(gòu)成的絕緣層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-l(im，在兩個(gè)相鄰槽5之間的硅襯底上層41的上表面有高砷濃度N型 發(fā)射區(qū)3，砷的表面濃度高達(dá)l-7E20/cm3， N型發(fā)射區(qū)3的深度為1 .Opm。 N型發(fā) 射區(qū)3是通過把絕緣層7開孔，使摻砷多晶硅層9與硅襯底上層41的上表面相連， 并通過摻砷多晶硅層9把砷擴(kuò)散進(jìn)入硅襯底上層41的上表面而形成的。發(fā)射極金屬 層1是厚度為4pm的鋁層，集電極金屬層8是厚度為lpm的鈦鎳銀三層金屬。本實(shí) 施例與圖2所示的聯(lián)柵晶體管相比，抗擊雪崩擊穿的能量增加1倍，在應(yīng)用中的失 效率降低2個(gè)數(shù)量級(jí)。
以下是將圖2所示的聯(lián)柵品體管(簡(jiǎn)稱A管)和本發(fā)明的聯(lián)柵晶體管(簡(jiǎn)稱B管) 用于節(jié)能燈電子鎮(zhèn)流器中的失效情況的對(duì)比結(jié)果一高壓開關(guān)沖擊試驗(yàn)
用于3U型節(jié)能燈的電子鎮(zhèn)流器，節(jié)能燈的燈管長(zhǎng)110mm，管徑(Dllmm，功率 為24w。試驗(yàn)條件為輸入電壓300V，每分鐘開關(guān)6次，A管和B管各做100只。 結(jié)果，A管平均抗沖99次，B管平均抗沖1.1X104次。B管的失效率比A管低2個(gè) 數(shù)量級(jí)，所以，本發(fā)明與已有技術(shù)相比，可獲得更高的可靠性。
二熱沖試驗(yàn)
用于3U型節(jié)能燈的電子鎮(zhèn)流器，節(jié)能燈的燈管長(zhǎng)UOmm,管徑Ollmm。分別 采用A管和B管并相應(yīng)調(diào)整線路，檢測(cè)能夠通過85'C的環(huán)境溫度下抗擊270V沖擊 20次的最大功率。結(jié)果采用A管只能達(dá)到20-21W，采用B管可達(dá)到23.5-24.5W, 采用B管結(jié)構(gòu)的功率相當(dāng)于采用A管結(jié)構(gòu)但管芯面積必須增加6 0 %才能達(dá)到的功率。 由此可見，本發(fā)明與已有技術(shù)相比，降低成本、提高性價(jià)比的功效十分顯著。
圖4是本發(fā)明的另一個(gè)較好的實(shí)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60Q.cm，厚度為 20pm，靠下面一層411的電阻率低些，為20i>cm，厚度為40nm。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(shì)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(zhǎng)期工作的可靠性。
需要申明的是，上述實(shí)施例僅用于對(duì)本發(fā)明進(jìn)行說明而非對(duì)本發(fā)明進(jìn)行限制， 因此，對(duì)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(duì)它進(jìn)行 各種顯而易見的改變，都應(yīng)在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種槽形柵摻砷多晶硅結(jié)構(gòu)的聯(lián)柵晶體管，在其下層為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型的摻雜多晶硅層，該摻雜多晶硅層與發(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，其特征在于所述摻雜多晶硅層的雜質(zhì)源是砷；所述摻雜多晶硅層的厚度為0.01-0.30μm；
2. 如權(quán)利要求1所述的槽形柵多晶硅結(jié)構(gòu)的聯(lián)柵晶體管，其特征在于所述槽形柵區(qū)的結(jié)深為6.5-12|am;
3. 如權(quán)利要求1或2所述的槽形柵多晶硅結(jié)構(gòu)的聯(lián)柵晶體管，其特征在于 所述硅襯底片的高電阻率的N型上層分為兩層，靠上一層的電阻率高于下一層。
全文摘要
本發(fā)明涉及槽形柵摻砷多晶硅結(jié)構(gòu)的聯(lián)柵晶體管，在其下層為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)的上面連接著摻雜多晶硅層，其特點(diǎn)是摻雜多晶硅的雜質(zhì)源是砷，摻雜多晶硅的厚度為0.01-0.30μm。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是抗擊雪崩擊穿的能力增強(qiáng)，在應(yīng)用中的失效率降低2個(gè)數(shù)量級(jí)；具有顯著的低成本、高性價(jià)比的功效。
文檔編號(hào)H01L29/423GK101552285SQ200810119290
公開日2009年10月7日 申請(qǐng)日期2008年9月2日 優(yōu)先權(quán)日2008年9月2日
發(fā)明者李思敏 申請(qǐng)人:李思敏