一种平面型多晶硅发射极晶体管及其制造方法技术

本发明专利技术提供一种平面型多晶硅发射极晶体管，在下层为N型低电阻率层、上层为N型高电阻率层的硅衬底片的上表面有多个N型的高掺杂浓度的发射区，该发射区的上面连接着N型的掺杂多晶硅层，其特点是：所述P型浓基区为平面型，所述P型浓基区通过P型浓基区汇流条与基极金属层相连接，所述晶体管的管芯面积大于0.25mm2。本发明专利技术还提供了该平面型多晶硅发射极晶体管的制造方法。本发明专利技术提供的平面型多晶硅发射极晶体管比现有的槽型多晶硅发射极晶体管工艺更加简单，产品性能一致性好，抗冲击能力更强。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种多晶硅发射极晶体管，属于硅半导体器件

技术介绍
1979年Hisao Kondo提出了联栅晶体管GAT(Gate Associated Transistor)，随后进行了详细的分析(见IEEE Trans.Electron Device，vol.ED-27,PP.373-379.1980)。1994年，陈福元、金文新、吴忠龙对联栅晶体管GAT作了进一步的分析(见《电力电子技术》1994年第4期1994.11.pp52-55)，指出了联栅晶体管器件呈现出高耐压、快速开关和低饱和压降等优良特性。上述联栅晶体管采用平面结构，其栅区与上面的栅极金属层相连接，发射区与上面的发射极金属层相连接。由于不仅栅极金属层和发射极金属层都需要一定的宽度，而且发射极金属层和栅极金属层之间需要一定的距离，所以，上述联栅晶体管的单元重复间距都很大，一般在80-100微米之间。发射区的横向尺寸也很大，达到30-40微米。发射区的横向尺寸越大电流集边效应越严重。所以，在上述联栅晶体管芯内电流分布是很不均匀的。2000年，中国专利技术专利ZL00100761.0提出了一种槽形栅多晶硅结构的联栅晶体管，其结构的原理如图1所示：在下层为N型低电阻率层42、上层为N型高电阻率层41的硅衬底片4的上表面，有多条高掺杂浓度的N型发射区3，发射区3通过掺杂多晶硅层9与发射极金属层1连接，每条发射区3的周围有P型基区2，P型基区2的侧面连着P型掺杂浓度比基区2高、深度比P型基区2深度深的栅区6’，栅区6’与栅极金属层相连，硅衬底片4的N型高电阻率层41在基区2以下和栅区6’以下的部分为集电区，硅衬底片4的N型低电阻率层42是集电极，N型低电阻率层42的下表面与集电极金属层8相连，其中：栅区6’是槽形的，该硅槽5的底部是P型高掺杂区；N型发射区3的上面连接着N型的掺杂多晶硅层9，该掺杂多晶硅层9与发射极金属层1连接；每条硅槽5的底面和侧面覆盖着氧化层7，侧面的氧化层7延伸到硅衬底片4的上表面。联栅晶体管的单元的重复间距即相邻栅区的距离很小，可以比此前的联栅晶体管获得更大的电流密度、更均匀的电流分布、更快的开关速度、更高的可靠性。从2000年之后，多种结构的槽型栅多晶硅发射极联栅晶体管相继面世，可从来没有平面栅结构的多晶硅发射极联栅晶体管的公开信息。本来，槽型栅多
晶硅发射极联栅晶体管是从槽型功率MOS管和槽型IGBT延伸过来的，是把新型电力电子器件槽型功率MOS管和槽型IGBT的沟槽型立体结构和多晶硅大面积覆盖结构以及双层布线技术转移到传统电力电子器件双极晶体管领域并融合了静电感应晶体管技术和多晶硅发射极自对准技术而得到的。业内普遍认为：槽型结构的功率MOS管优越于平面型的功率MOS管、槽型结构的IGBT优越于平面型的IGBT。所以，按照这个推理，槽型结构的多晶硅发射极联栅晶体管理所当然的优越于平面型结构的多晶硅发射极联栅晶体管。既然槽型结构的多晶硅发射极联栅晶体管已经直接开发出来，就没有必要再去研究平面型结构的多晶硅发射极联栅晶体管了。所以，至今没有研究平面型结构的多晶硅发射极栅晶体管的公开信息。后来的实验发现了问题。用高倍显微镜观察各类器件烧毁后的表面发现，槽型栅多晶硅发射极联栅晶体管的失效点在靠近发射极压焊块附近，而传统的平面型的双极晶体管的失效点与发射极压焊块之间的距离相当大，大约是发射极压焊块与基极压焊块之间的距离的1/4。应用晶体管原理和热力学理论进行分析，能够得到这样的结论：失效点越靠近发射极压焊块，表示发射极金属条的电阻越大，晶体管集电极-发射极电流密度Jce沿着发射极金属条方向的分布越是不均匀，越是靠近发射极压焊块的区域的电流密度Jce越大，越是容易在大电流冲击下失效。上述分析只适用于电流驱动型的晶体管如双极晶体管和联栅晶体管，不适用于电压驱动型的晶体管即场控晶体管如功率MOS管和IGBT。为了改善电流分布的均匀性，提高抗大电流冲击能力，就必须减小发射极金属条的电阻。于是，试验把发射极金属层的厚度增大一倍，结果发现槽型栅多晶硅发射极联栅晶体管的抗大电流冲击能力并没有多少改善，镜检结果失效点还是在靠近发射极压焊块的附近。接着用扫描电镜图像SEM作进一步研究，查看槽型栅附近的铝层的图像，示意图如图2-4所示。结果及分析如下：1，侧壁的铝层很薄：铝层厚度虽然达到4微米(D1)，但侧壁的铝层仅0.3微米(T1)，如图2所示；2，铝层加厚到8微米(D2)，侧壁的铝层仍然是0.3微米(T2)，如图3所示；3，在芯片周边区域，槽型栅靠内(即靠晶园园心)的侧壁的铝层更薄，仅0.2微米(T3)，而靠外(即靠晶园周边)的侧壁的铝层的厚度增大到0.35微米(T4)，如图4所示。芯片周边区域槽靠内的侧壁的铝层更薄的现象可以用溅射源位于正对着芯片中部的前方，被溅射出来的铝束对芯片周边部位呈一个斜角来解释，由于溅射角度的影响，芯片外围侧壁的铝层更薄，通过设置在芯片的检测图形测试结果外围的铝条的电阻值比中心高3倍。电子扫描
显微镜图像看到，外围的侧壁铝层有的薄到有的只有0.1微米。为了节省槽区面积，增大电流区域，增加电流能力，往往把槽型栅区做得较窄，使得侧壁的铝层更薄。分析3微米的槽，氧化层0.5微米*2，多晶硅0.6微米*2，缝隙只有0.8微米。铝层只有0.3微米。在槽型栅多晶硅发射极联栅晶体管中，发射极金属条要横跨越多条台阶，发射极金属条的电阻的阻值等于台面的电阻与侧壁的电阻的总和。台面的铝层很厚，阻值小，侧壁的铝层很薄，阻值大。所以整个发射极金属条的阻值主要由侧壁的阻值决定，侧壁的厚度不增加，整个发射极金属条的阻值就没有什么变化。所以，尽管发射极金属条的厚度增大了一倍，其阻值并没有明显减小，导致失效点还是在靠近发射极压焊块的附近。不论是双极管或是联栅晶体管，常规的管芯形状都是正方形。槽型栅多晶硅发射极联栅晶体管的管芯面积0.25mm2，其单边尺寸为0.5mm，管芯的有源区的单边尺寸达到300μm。若重复单元13μm，则发射极金属铝层需要跨上跨下由槽底与侧壁以及台面与侧壁形成的40多个台阶。40多个槽侧壁的薄铝层的阻值相加就很大，对管芯电流均匀性的不利影响就相当严重了。所以，管芯面积大于0.25mm2的双极管或是联栅晶体管需要采用其他结构来解决现有的问题。
技术实现思路
为了解决上述问题，本专利技术的目的是提供一种平面型多晶硅发射极晶体管，它可以提供更均匀的电流分布，提高晶体管的使用功率，简化加工工艺，降低加工成本。本专利技术的另一目的是提供上述多晶硅发射极晶体管的制造方法。为了实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：本专利技术提供一种平面型多晶硅发射极晶体管，在下层为N型低电阻率层、上层为N型高电阻率层的硅衬底片的上表面有多个高掺杂浓度的N型发射区，该N型发射区的上面连接着N型的掺杂多晶硅层，该掺杂多晶硅层与发射极金属层连接，每个N型发射区的下面有P型基区，P型基区的侧面连着掺杂浓度比P型基区高的P型浓基区，在P型基区的侧面还与P型浓基区正交的P型浓基区汇流条连接，硅衬底片的上方有基极金属层，硅衬底片的上层N型高电阻率层位于P型基区以下和P型浓基区以下的部分为集电区，硅衬底片的下层N型低电阻率层为集电极，集电极的下表本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种平面型多晶硅发射极晶体管，在下层为N型低电阻率层、上层为N型高电阻率层的硅衬底片的上表面有多个高掺杂浓度的N型发射区，该N型发射区的上面连接着N型的掺杂多晶硅层，该掺杂多晶硅层与发射极金属层连接，每个N型发射区的下面有P型基区，P型基区的侧面连着掺杂浓度比P型基区高的P型浓基区，在P型基区的侧面还与P型浓基区正交的P型浓基区汇流条连接，硅衬底片的上方有基极金属层，硅衬底片的上层N型高电阻率层位于P型基区以下和P型浓基区以下的部分为集电区，硅衬底片的下层N型低电阻率层为集电极，集电极的下表面与集电极金属层相连，其特征在于：所述P型浓基区为平面型；所述基极金属层与P型浓基区汇流条相连接；所述晶体管的管芯面积大于0.25mm2。

【技术特征摘要】
1.一种平面型多晶硅发射极晶体管，在下层为N型低电阻率层、上层为N型高电阻率层的硅衬底片的上表面有多个高掺杂浓度的N型发射区，该N型发射区的上面连接着N型的掺杂多晶硅层，该掺杂多晶硅层与发射极金属层连接，每个N型发射区的下面有P型基区，P型基区的侧面连着掺杂浓度比P型基区高的P型浓基区，在P型基区的侧面还与P型浓基区正交的P型浓基区汇流条连接，硅衬底片的上方有基极金属层，硅衬底片的上层N型高电阻率层位于P型基区以下和P型浓基区以下的部分为集电区，硅衬底片的下层N型低电阻率层为集电极，集电极的下表面与集电极金属层相连，其特征在于：所述P型浓基区为平面型；所述基极金属层与P型浓基区汇流条相连接；所述晶体管的管芯面积大于0.25mm2。2.如权利要求1所述的晶体管，其特征在于：所述P型浓基区的上面覆盖着氧化层，氧化层上面与掺杂多晶硅层相连接。3.如权利要求1所述的晶体管，其特征在于：所述P型浓基区的上面与N型副发射区相连接，该N型副发射区的上面与掺杂多晶硅层相连接，该N型副发射区的侧面与N型发射区相连接。4.如权利要求1所述的晶体管，其特征在于：所述两个相邻的P型浓基区交叠。5.如权利要求1所述的晶体管，其特征在于：所述晶体管的管芯面积大于0.5mm2。6.如权利要求1所述的晶体管，其特征在于：所述P型浓基区的深度比P型基...

【专利技术属性】
技术研发人员：李思敏，
申请(专利权)人：李思敏，
类型：发明
国别省市：北京;11