專利名稱：絕緣柵晶體管的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及絕緣柵晶體管，特別是涉及在避免晶體管的閂鎖現(xiàn)象或電流聚集方面有優(yōu)勢(shì)的絕緣柵晶體管。
目前，具有快速操作和低導(dǎo)通電阻的絕緣柵雙極晶體管(在下文簡稱為IGBT)被用作功率開關(guān)器件。IGBT具有一種結(jié)構(gòu)，在結(jié)構(gòu)中在n型半導(dǎo)體襯底主表面的起漂移作用的一側(cè)上形成從主表面延伸到其內(nèi)部的P型基區(qū)和從基區(qū)延伸到其內(nèi)部的n型發(fā)射區(qū)；在半導(dǎo)體襯底主表面的另一側(cè)上形成與基區(qū)分開的P型集電區(qū)；發(fā)射極裝在發(fā)射區(qū)和基區(qū)上；以及集電極裝在集電區(qū)上。IGBT具有下列特點(diǎn)。在把使集電極具有比發(fā)射極正的電位的電壓施加于集電極，并且把正電壓施加于柵極時(shí)，在發(fā)射區(qū)中的電子通過溝道和漂移區(qū)到達(dá)集電區(qū)。到達(dá)集電區(qū)的電子從集電區(qū)增加正空穴的注入。因此，具有高電阻的漂移區(qū)被電導(dǎo)調(diào)制成低電阻區(qū)，并且在結(jié)構(gòu)大致與MOSFET一樣的情況下獲得比使集電區(qū)變成不具有注入正空穴功能的n型漏區(qū)的MOSFET低的導(dǎo)通電阻。
在通過把IGBT和其他電路元件聚集獲得IC時(shí)，為了便于電極之間連接，最理想的是在半導(dǎo)體襯底的同一表面上設(shè)置發(fā)射極、集電極和柵極的橫向結(jié)構(gòu)。例如在JP-A-5-29614(1933)中公開這種結(jié)構(gòu)。
另一方面，根據(jù)IGBT，能夠通過由一對(duì)集電極-發(fā)射極組成的元件的電流受到限制。所以，通過使大量的元件IGBT在半導(dǎo)體襯底內(nèi)集成化獲得最理想的電流量。
在JP-A-5-29614(1993)中公開的IGBT具有發(fā)射區(qū)、基區(qū)和集電區(qū)分別為梳狀的結(jié)構(gòu)而且發(fā)射區(qū)和基區(qū)的相應(yīng)的齒狀部分與集成區(qū)互相嚙合。在基區(qū)、基區(qū)附近的漂移區(qū)和發(fā)射區(qū)上經(jīng)由絕緣薄膜設(shè)置柵極。在相應(yīng)的發(fā)射區(qū)和基區(qū)上分別設(shè)置發(fā)射極和集電極。發(fā)射極和集電極分別為梳狀，并且發(fā)射極和集電極的齒狀部分互相嚙合。
按常規(guī)，用多晶硅作柵極材料。然而，根據(jù)具有通常結(jié)構(gòu)的橫向IGBT，由于柵極的縱向電阻造成柵電阻的不均勻性并且在關(guān)斷操作中在具有大的柵電阻的部分上使關(guān)斷動(dòng)作延遲。
變換器件的大部分負(fù)載通常是電感負(fù)載。因此，在那個(gè)時(shí)候，除了維持大電流流動(dòng)的操作外在電感延遲關(guān)斷動(dòng)作的部分上產(chǎn)生電流聚集。結(jié)果，在那部分上發(fā)生閂鎖現(xiàn)象。因此，就有IGBT能控制的電流被限制在低于預(yù)定值的強(qiáng)度的問題。
為了在元件中減少操作時(shí)間的延遲，在JP-A-10-173176(1998)等等中公開了減小柵極電阻的技術(shù)。然而，該技術(shù)涉及縱向IGBT的結(jié)構(gòu)，并且沒有考慮為構(gòu)成集成電路而使IGBT和驅(qū)動(dòng)電路集成化的主意。
本發(fā)明的目的是通過減小柵極電阻而提供具有改進(jìn)閂鎖防止性能的絕緣柵晶體管。
為了達(dá)到上述的目的，本發(fā)明的絕緣柵晶體管的特點(diǎn)在于在發(fā)射極上經(jīng)由絕緣層形成金屬布線層；在第一主電極中形成與第一主電極絕緣的多個(gè)區(qū)域；以及金屬布線層通過與第一主電極絕緣的多個(gè)區(qū)域與柵極電連接。


圖1是本發(fā)明實(shí)施例中的橫向絕緣柵雙極晶體管的示意部分平面圖，圖2是沿圖1中的A-A′線切取的橫截面圖，圖3是沿圖1中的B-B′線切取的橫截面圖，圖4是本發(fā)明另一實(shí)施例中的橫向絕緣柵雙極晶體管的示意部分平面圖，和圖5是本發(fā)明另一實(shí)施例中的縱向絕緣柵雙極晶體管的示意橫截面圖。
最佳實(shí)施例的詳細(xì)描述在下文，參考圖1、圖2和圖3說明本發(fā)明實(shí)施例的詳細(xì)情況。
圖1是本發(fā)明實(shí)施例中的橫向絕緣柵雙極晶體管的示意部分平面圖，而圖2是沿圖1中的A-A′線切取的橫截面面圖。根據(jù)圖2，標(biāo)號(hào)1表示包括靠近主表面平面2的n導(dǎo)電類型漂移區(qū)3(第一半導(dǎo)體區(qū))的半導(dǎo)體襯底；從主表面平面2延伸到漂移區(qū)3并且互相分離地形成含有比漂移區(qū)3高的雜質(zhì)濃度的P導(dǎo)電類型基區(qū)4(第二半導(dǎo)體區(qū))和P導(dǎo)電類型集電區(qū)5(第三半導(dǎo)體區(qū))；以及從主表面平面2延伸到基區(qū)4含有比基區(qū)4高的雜質(zhì)濃度的n導(dǎo)電類型發(fā)射區(qū)6(第四半導(dǎo)體區(qū))。
如圖1所示，相應(yīng)的基區(qū)4和集電區(qū)5具有條狀結(jié)構(gòu)，而這些區(qū)域在長度方向上對(duì)直并且在與長度方向垂直的方向上交替地設(shè)置。發(fā)射區(qū)6具有條狀形狀，并且二個(gè)發(fā)射區(qū)在基區(qū)4中以其長度方向沿基區(qū)4的長度方向延伸的方向排列。由圖1中的實(shí)線表示的發(fā)射極(第一主電極)具有梳狀形狀；在主表面平面2上沿基區(qū)4設(shè)置其齒狀部分7a，并且與發(fā)射區(qū)6和基區(qū)4電連接。集電極8(第二主電極)具有梳狀形狀(由圖1中的實(shí)線表示)；在主表面平面2上沿集電區(qū)5設(shè)置其齒部狀部分8a，并且與集電區(qū)5電連接。在基區(qū)4以及在基區(qū)4相近的兩側(cè)上相應(yīng)的漂移區(qū)3和發(fā)射區(qū)6之上分別在主表面平面2上經(jīng)由柵絕緣薄膜10以其長度方向沿基區(qū)4的長度方向排列的方向配置具有條狀結(jié)構(gòu)的多晶硅柵極9、9a(控制電極)。柵極9與相鄰的柵極9a在三個(gè)部位上，即其長度方向中的二個(gè)末端和中部上，用多晶硅電連接。標(biāo)號(hào)11表示在部分基區(qū)、柵極和漂移區(qū)上形成的第一絕緣薄膜，如圖2所示。相應(yīng)的發(fā)射極7中的齒狀部分7a和集電極8中的齒狀部分8a在第一絕緣薄膜11上延伸抵達(dá)漂移區(qū)3。標(biāo)號(hào)12表示在集電極8、發(fā)射極7和第一絕緣薄膜11上面形成的第二絕緣薄膜。在第二絕緣薄膜12上沿發(fā)射極7用例如鋁-硅形成具有梳狀形狀的柵線13。柵線13與在三個(gè)部位(長度方向中的二個(gè)末端和中部)上形成的柵極9、9a中的連接部位9b處的多晶硅電連接。圖3表示沿圖1中的B-B′線切取的，也就是柵線13的齒狀部分13a與柵極9、9a中的連接部分9b的接觸部分的橫截面圖。柵極9、9a中的連接部分9b通過切開部分的發(fā)射電極7、第一絕緣薄膜11和第二絕緣薄膜12經(jīng)由鋁-硅層14與柵線13接觸。
根據(jù)本發(fā)明的結(jié)構(gòu)，通過沿柵極9的長度方向設(shè)置柵極9、9a中的朝柵線13的多個(gè)連接部分9b，能夠減小在長度方向上的柵極電阻，以便在關(guān)斷狀態(tài)時(shí)使電流經(jīng)由最近的連接點(diǎn)通到鋁-硅線。在平行地連接元件IGBT中的多個(gè)零件時(shí)，柵線13能夠容易地連接相鄰的多個(gè)元件IGBT。使全部IGBT的柵電阻能夠均勻。結(jié)果，在關(guān)斷操作時(shí)使元件IGBT的操作時(shí)間和全部IGBT的操作時(shí)間能夠一致。所以，能夠避免電流聚集，從而改進(jìn)閂鎖防止性能。
根據(jù)本實(shí)施例，在晶體管的主表面平面上能夠?qū)崿F(xiàn)減小柵電阻。因此，因?yàn)镮GBT和用于驅(qū)動(dòng)IGBT的驅(qū)動(dòng)電路在同一表面平面上能夠與各絕緣襯底、SOI襯底或各由PN結(jié)隔離的元件連接，所以能夠容易地構(gòu)成IC。
圖4是本發(fā)明另一實(shí)施例的橫向絕緣柵雙極晶體管的示意平面圖。根據(jù)圖4，為了減小柵極9和9a在長度方向上的電阻在三點(diǎn)位置，即各柵極9和9a的二個(gè)末端和中部位置上設(shè)置與柵線的連接點(diǎn)。在長度方向上減小柵電阻的重點(diǎn)是在多晶硅柵極上在長度方向上設(shè)置多個(gè)連接點(diǎn)，并且是使相應(yīng)的連接點(diǎn)與低電阻線例如鋁-硅線電連接。
圖5是本發(fā)明實(shí)施例的縱向絕緣柵雙極晶體管的示意平面圖。集電區(qū)5從主表面2延伸到部分漂移區(qū)3，正好在基區(qū)4和發(fā)射區(qū)6下面。相應(yīng)的區(qū)域和電極的操作與圖2所示的橫向絕緣柵雙極晶管一樣。就縱向絕緣柵雙極晶體管來說，能夠獲得與橫向絕緣柵雙極晶體管同樣的優(yōu)點(diǎn)。
根據(jù)本發(fā)明，不僅能夠減小橫向絕緣柵雙極晶體管的柵電阻而且也能夠減小縱向絕緣柵雙極晶體管的柵電阻。因此，能夠在元件中在關(guān)斷操作時(shí)使操作時(shí)間一致，并且能夠改進(jìn)閂鎖防止性能。
對(duì)于像MOSFET(金屬-氧化物-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管)之類的橫向絕緣柵晶體管和縱向絕緣柵晶體管都可以應(yīng)用本發(fā)明。在絕緣柵晶體管中，圖2和圖5中的集電區(qū)5具有與絕緣柵雙極晶體管中的導(dǎo)電類型相反的n導(dǎo)電類型。根據(jù)本發(fā)明，減小柵電阻并且使元件中關(guān)斷操作一致。所以，防止電流聚集或者電流堵塞。另外，本發(fā)明應(yīng)用于實(shí)施例中的P導(dǎo)電類型和n導(dǎo)電類型變換到n和P導(dǎo)電類型，也就是分別為相反的導(dǎo)電類型的絕緣柵晶體管。在這種情況中同樣減小柵電阻。
權(quán)利要求
1.一種絕緣柵晶體管，包括包括主表面平面的第一導(dǎo)電類型第一半導(dǎo)體區(qū)；包括通過從上述的主表面平面延伸到上述的第一半導(dǎo)體區(qū)內(nèi)形成的多個(gè)部分的第二導(dǎo)電類型第二半導(dǎo)體區(qū)；上述的多個(gè)部分分別包括條狀形狀、在長度方向上對(duì)直并平行設(shè)置；第三半導(dǎo)體區(qū)；沿上述的第二半導(dǎo)體區(qū)的長度方向，從上述的主表面平面延伸到在上述的第二半導(dǎo)體區(qū)中相應(yīng)的多個(gè)部分內(nèi)形成的第一導(dǎo)電類型第四半導(dǎo)體區(qū)；在橫貫上述的第一、第二和第四半導(dǎo)體區(qū)的上述的主表面平面上形成的第一絕緣層；通過上述的第一絕緣層橫貫上述的第一、第二和第四半導(dǎo)體區(qū)形成由多晶硅半導(dǎo)體構(gòu)成的控制電極；與上述的第二和第四半導(dǎo)體區(qū)電連接的第一主電極；和在上述的主表面上與上述的第三半導(dǎo)體區(qū)電連接的第二主電極；其中，在上述的第一主表面平面上經(jīng)由絕緣層設(shè)置金屬布線層，通過上述的第一主電極形成與上述的第一主電極絕緣的多個(gè)區(qū)域，和上述的金屬布線層通過上述的絕緣層經(jīng)由與上述的主電極絕緣的上述的區(qū)域與上述的控制電極電連接。
2.如權(quán)利要求1所述的絕緣柵晶體管，其中上述的多個(gè)區(qū)域按長度方向配置在主電極的整個(gè)表面區(qū)域上。
3.如權(quán)利要求1所述的絕緣柵晶體管，其中上述的絕緣柵晶體管是橫向型絕緣柵雙極晶體管。
4.如權(quán)利要求1所述的絕緣柵晶體管，其中上述的絕緣柵晶體管是縱向型絕緣柵雙極晶體管。
5.一種集成電路，包括如權(quán)利要求1到4中的任一權(quán)利要求所述的絕緣柵晶體管。
全文摘要
絕緣門控晶體管包括第一半導(dǎo)體區(qū)、包括多個(gè)部分的第二半導(dǎo)體區(qū)、第三半導(dǎo)體區(qū)、第四半導(dǎo)體區(qū)、第一主電極和第二主電極,其中在第一主表面平面上經(jīng)由絕緣層設(shè)置金屬布線層,通過上述的主電極設(shè)置與第一主電極絕緣的多個(gè)區(qū)域,以及金屬布線層通過絕緣層經(jīng)由與主電極絕緣的區(qū)域與控制電極電連接。
文檔編號(hào)H01L29/423GK1263360SQ00101998
公開日2000年8月16日 申請(qǐng)日期2000年2月4日 優(yōu)先權(quán)日1999年2月4日
發(fā)明者內(nèi)海智之, 大關(guān)正一, 須田晃一 申請(qǐng)人:株式會(huì)社日立制作所, 日立原町電子工業(yè)株式會(huì)社