專利名稱：高速功率開關(guān)晶體管的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種高速功率開關(guān)晶體管的結(jié)構(gòu)改進(jìn)，屬于半導(dǎo)體器件技術(shù)領(lǐng)域。
制造n+-p-v-n+結(jié)構(gòu)晶體管時(shí)，為滿足耐壓要求，就要增大基區(qū)寬度(以防止在高壓時(shí)的基區(qū)穿通)，但這對管子的電流增益、頻率特性和開關(guān)速度等有不良影響。日本的H.Kondo等人提出的一種柵輔助晶體管(gate associated transistor，縮寫為GAT)結(jié)構(gòu)較好地解決了這一問題。從其縱向結(jié)構(gòu)(圖1)看，這種晶體管在常規(guī)結(jié)構(gòu)的p型基區(qū)1兩側(cè)增加了p型柵區(qū)2，其結(jié)深比p基區(qū)大得多，它的屏蔽作用，可以減弱反偏時(shí)集電結(jié)3處的電場；尤其是在一定值的反壓下，柵結(jié)4在集電區(qū)一側(cè)的耗盡層可以夾斷相鄰p型柵區(qū)間的n-區(qū)5，之后當(dāng)電壓再升高時(shí)，基區(qū)中的耗盡層就幾乎不再擴(kuò)展，因而基區(qū)就不易發(fā)生穿通。所以，對于耐高壓的晶體管，基區(qū)就可以做窄，從而可以提高高壓晶體管的電流增益，改善其頻率特性；由于具有較好的頻率特性，而且柵區(qū)提供了較低的基區(qū)串聯(lián)電阻，晶體管還可以獲得很好的開關(guān)特性。因此，利用這種結(jié)構(gòu)，可以做成高速功率開關(guān)晶體管。但是，Kondo等人提出的晶體管橫向結(jié)構(gòu)(圖2)設(shè)計(jì)并不合理，其中之一就是呈條狀的柵區(qū)7在芯片上占用了較多的面積，走向與條狀柵區(qū)垂直的條狀發(fā)射區(qū)8與之有較大重疊，而在二者重疊處電流增益會顯著減小，這將導(dǎo)致整個(gè)發(fā)射區(qū)的利用率降低，或者說，發(fā)射區(qū)有效面積減小。這就降低了單位管芯面積的平均電流容量，影響了GAT的實(shí)用性。
本實(shí)用新型旨在克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出新的GAT橫向結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以提高GAT單位面積平均電流容量。
本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如下(參見圖3)在芯片平面內(nèi)，將原來呈條狀的柵區(qū)分解成許多較小的分立的島狀區(qū)域12，而且，從芯片平面上看，這些島狀柵區(qū)(柵島)按照一定的規(guī)律排成陣列。另一方面，相鄰兩列柵島中心線之間的距離可根據(jù)需要及制造工藝水平進(jìn)行調(diào)整，其變化范圍是5～500μm；每列柵島中相鄰兩個(gè)柵島的邊界之間的間隔距離也可根據(jù)需要及制造工藝水平進(jìn)行調(diào)整，其變化范圍也是5～500μm。
本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，與現(xiàn)有結(jié)構(gòu)(圖2)相比，可以消除或減小柵區(qū)與發(fā)射區(qū)之間的重疊，增大了發(fā)射區(qū)有效面積，從而顯著提高了GAT單位面積平均電流容量，降低了GAT管芯的制造成本，具有實(shí)用價(jià)值。


圖1是GAT縱向結(jié)構(gòu)剖面示意圖。其中，1基區(qū)，2柵區(qū)，3集電結(jié)，4柵結(jié)，5集電區(qū)，6發(fā)射區(qū)。
圖2是GAT原結(jié)構(gòu)的立體示意圖。其中，7條狀p型柵區(qū)，8條狀n型發(fā)射區(qū)，9p型基區(qū)，10基區(qū)電極，11發(fā)射區(qū)電極。
圖3是本實(shí)用新型一個(gè)實(shí)施例的立體結(jié)構(gòu)示意圖。為簡明起見，圖中省略了管芯表面的氧化層。其中，12島狀p型柵區(qū)，13網(wǎng)狀n型發(fā)射區(qū)，14p型基區(qū)，15基區(qū)電極引出區(qū)，16基區(qū)電極，17發(fā)射區(qū)電極引出區(qū)，18發(fā)射區(qū)電極。
圖3是本實(shí)用新型的一個(gè)很好的實(shí)施例方形的島狀柵區(qū)12在芯片上排成陣列，呈網(wǎng)狀的發(fā)射區(qū)13有間隔地包圍在這些柵島周圍，使得發(fā)射區(qū)與柵區(qū)無任何重疊，其有效面積大大增加；在方形的柵島范圍內(nèi)刻出基區(qū)電極引出區(qū)15以引出基區(qū)電極16，基區(qū)電極引出區(qū)與柵區(qū)有完全的重疊，減小了基區(qū)電阻；在兩列柵島之間刻發(fā)射區(qū)電極引出區(qū)17，并引出發(fā)射區(qū)電極18。該結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)，采用常規(guī)的硅平面工藝進(jìn)行在n+-n-背擴(kuò)散片或外延片襯底上，進(jìn)行深結(jié)和淺結(jié)p型雜質(zhì)擴(kuò)散可分別形成柵區(qū)和基區(qū)，n型雜質(zhì)擴(kuò)散形成發(fā)射區(qū)。樣管管芯除去結(jié)終端之外的有效區(qū)面積5.4mm2，最大電流9.5A，集電極-發(fā)射極擊穿電壓500V，存儲時(shí)間0.6μs，下降時(shí)間80ns。按同樣的設(shè)計(jì)規(guī)律，以圖2所示的原結(jié)構(gòu)在同一硅片上制造樣管，在相同的芯片面積上得到的最大電流僅為4.5A。
由此可見，本實(shí)用新型的GAT結(jié)構(gòu)的平均電流容量可以比原結(jié)構(gòu)大1倍以上，其單位面積平均電流容量可與常規(guī)高壓雙極晶體管的電流容量相當(dāng)，具有實(shí)用價(jià)值，可以更好地實(shí)現(xiàn)GAT的產(chǎn)品化和商品化。
權(quán)利要求1．一種具有柵輔助晶體管GAT結(jié)構(gòu)的高速功率開關(guān)晶體管，包含有發(fā)射區(qū)(6)、基區(qū)(1)、柵區(qū)(2)和集電區(qū)(5)，柵區(qū)由基區(qū)延伸進(jìn)入集電區(qū)中并具有與基區(qū)相同的半導(dǎo)體型號，其特征在于在芯片平面上看，柵區(qū)由呈島狀分布的許多分立的區(qū)域(12)構(gòu)成，這些分立的島狀柵區(qū)在芯片平面上排成陣列。
2．根據(jù)權(quán)利要求1所述的高速功率開關(guān)晶體管，其特征在于相鄰兩列島狀柵區(qū)中心線之間的距離為5～500μm。
3．根據(jù)權(quán)利要求1所述的高速功率開關(guān)晶體管，其特征在于每列島狀柵區(qū)中相鄰兩個(gè)柵區(qū)的邊界之間的間隔距離為5～500μm。
專利摘要一種高速功率開關(guān)晶體管,是具有新型橫向結(jié)構(gòu)的柵輔助晶體管GAT。在芯片平面上看,該結(jié)構(gòu)中的柵區(qū)由呈島狀分布的許多分立的區(qū)域構(gòu)成,這些分立的島狀柵區(qū)在芯片平面上根據(jù)需要和制造工藝水平按一定間距排成陣列。該結(jié)構(gòu)消除或減小了柵區(qū)與發(fā)射區(qū)之間的重疊,從而增加了發(fā)射區(qū)有效面積,可以顯著地提高GAT單位面積平均電流容量,降低GAT管芯的制造成本,更好地實(shí)現(xiàn)GAT的產(chǎn)品化和商品化。
文檔編號H01L29/66GK2333092SQ9820066
公開日1999年8月11日 申請日期1998年1月22日 優(yōu)先權(quán)日1998年1月22日
發(fā)明者亢寶位, 吳郁 申請人:北京工業(yè)大學(xué)