專利名稱：具有低飽和電壓的雙極晶體管的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種具有低飽和電壓的雙極晶體管。
背景技術(shù)：
對于雙極晶體管來說，集射飽和電壓是確定晶體管功率損耗及其效率的關(guān)鍵參數(shù)。在雙極晶體管作為飽和開關(guān)操作的電路中，小基極電流用來導(dǎo)通非常大的集電極到發(fā)射極的電流，該電流的大小由電源電壓和連接集電極或發(fā)射極的負(fù)載電阻決定。當(dāng)雙極晶體管飽和工作時，集電極至發(fā)射極的電壓降減至稱之為飽和電壓VCE(sat)的最小值。人們希望把該飽和電壓減至盡可能低的值，以便使晶體管內(nèi)的功率損耗最小。
目前有多種減少雙極晶體管的飽和電壓的已知技術(shù)，或者通過確保發(fā)射極/基極結(jié)在整個結(jié)區(qū)域盡可能均勻偏置，或者通過減少從集電極觸點到發(fā)射極觸點的寄生串聯(lián)電阻，來減少飽和電壓。
為了導(dǎo)通晶體管，必需把某個最小電壓偏置施加到結(jié)上。如果該結(jié)被不均勻偏置，則晶體管的結(jié)的某些區(qū)域?qū)⒉粚?dǎo)通，導(dǎo)致硅面積的無效使用。這增加了晶體管導(dǎo)通狀態(tài)下的集電極與發(fā)射極間的晶體管電阻，導(dǎo)致飽和電壓上升。
解決該問題的一個已知方案是提供經(jīng)由發(fā)射極區(qū)域到基極區(qū)域的頻繁接觸，以減少這兩個點之間的沿發(fā)射極層下面擴(kuò)散的基極層的橫向電阻。為了使發(fā)射極/基極偏置電壓不在遠(yuǎn)離基極觸點的發(fā)射極區(qū)域的中心降低，需要低橫向電阻。然而，人們希望實現(xiàn)這種效果，而又不明顯影響原來的發(fā)射極/基極結(jié)面積的百分比，因為這導(dǎo)致或者減少發(fā)射極/基極結(jié)面積，或者增大晶體管以保持相同的結(jié)面積。
人們已經(jīng)知道減少基極區(qū)域的橫向電阻的各種方案，比如創(chuàng)建經(jīng)由發(fā)射極區(qū)域?qū)鶚O區(qū)域的剝離接觸。然而，這明顯減小了發(fā)射極/基極結(jié)的面積，具有上述的缺點。一個更好的方案是提供經(jīng)由發(fā)射極區(qū)域的孔接觸基極區(qū)域的觸點陣列。這些孔通常按小于75μm的間隔設(shè)置，提供了減少基極區(qū)域的橫向電阻與保持發(fā)射極/基極結(jié)的尺寸之間的良好折衷。
晶體管的集電極觸點與發(fā)射極觸點之間的寄生串聯(lián)電阻的減少可以以多種方式實現(xiàn)。在基片中使用低電阻率半導(dǎo)體(例如，小于5mOhm.cm)，可以減少基片的電阻。此外，還可以減少基片和外延層的厚度。當(dāng)確定外延集電極層的厚度時，要做出一種折衷，因為在晶體管截止?fàn)顟B(tài)，該層支持基極/集電極結(jié)周圍的加寬耗盡層。層越薄，晶體管擊穿電壓就越低。在導(dǎo)通狀態(tài)，耗盡區(qū)域崩潰，外延層正好代表寄生串聯(lián)電阻，與其厚度成比例，增加了飽和電壓。最佳外延層摻雜分布和厚度必需獲得，以便實現(xiàn)擊穿電壓性能與飽和電壓之間的最佳折衷。通過使用粗的和/或多根焊接線，可以減少連接發(fā)射極、基極和集電極觸點印制線(track)的引線的電阻。
通過改變印制線的布局，可以更均勻地分布電流，和減少印制線上的電壓降。減少連接發(fā)射極節(jié)點的印制線中的電壓降是重要的，因為這些直接貢獻(xiàn)到接通電阻上，減少了飽和電壓。
含有減少飽和電壓的某些或所有的上述技術(shù)的晶體管是眾所周知的。可以根據(jù)晶體管的特定區(qū)域電阻測量晶體管的飽和電壓。晶體管的特定區(qū)域電阻是功率半導(dǎo)體業(yè)界內(nèi)眾所周知的一個術(shù)語，涉及晶體管(在雙極晶體管情況下，集電極至發(fā)射極電阻)的電阻乘以晶體管的面積之積。它是不同晶體管在電阻和面積方面進(jìn)行比較的一個質(zhì)量因數(shù)。飽和電壓等于集電極至發(fā)射極電流乘晶體管的接通電阻。
具有低于500mOhm.mm2的特定面積電阻的低VCE(sat)晶體管現(xiàn)在廣泛使用。不過，人們?nèi)匀幌Ｍl(fā)現(xiàn)減少雙極晶體管的VCE(sat)的新方法。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目的是提供一種減少雙極晶體管的特定面積電阻VCE(sat)的新方案。
根據(jù)本發(fā)明，這里提供了一種雙極晶體管，包括定義集電極區(qū)域的第一導(dǎo)電型的第一半導(dǎo)體區(qū)域；定義基極區(qū)域的第二導(dǎo)電型的第二半導(dǎo)體區(qū)域；
定義發(fā)射極區(qū)域的所述第一導(dǎo)電型的第三半導(dǎo)體區(qū)域；和提供接觸所述基極和發(fā)射極區(qū)域的觸點的金屬層；其中，晶體管具有小于500mOhms.mm2的特定面積電阻其中所述金屬層具有大于約3um的厚度。
本發(fā)明人已經(jīng)認(rèn)識到，為了減少連接發(fā)射極觸點的金屬印制線的電壓降，減少沿連接基極觸點的金屬印制線的電壓降同樣是重要的，因為這些用來減少施加到發(fā)射極/基極結(jié)的偏壓，潛在地導(dǎo)致結(jié)被不均勻偏置。本發(fā)明已經(jīng)顯示，根據(jù)本發(fā)明增加低飽和電壓晶體管的金屬觸點的厚度，可以提供飽和電壓的進(jìn)一步顯著減少。也就是，利用本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)雙極晶體管飽和電壓的進(jìn)一步減小，高于并超過了經(jīng)由上述現(xiàn)有技術(shù)的應(yīng)用實現(xiàn)的那些減小。這可以通過對現(xiàn)有晶體管的設(shè)計做最小改變來實現(xiàn)，從而通過對制造過程的最小改變，使該方案應(yīng)用于現(xiàn)有的雙極晶體管設(shè)計，因而使成本最小。
本發(fā)明提供了雙極晶體管的飽和電壓的明顯減少，該雙極晶體管具有小于500mOhms.mm2的特定面積電阻，具有小于3um厚的傳統(tǒng)金屬層。飽和電壓的改善是以晶體管具有小于300mOhms.mm2的特定面積電阻來表明的。對于具有小于3um厚的金屬層的小于200mOhms.mm2的特定面積電阻的晶體管，已經(jīng)測出約為30％的飽和電壓的額外減少。
最好是，金屬層具有大于3μm的基本均勻的厚度，或者如果不均勻，則金屬層具有大于3μm的最小厚度。通常，金屬層將小于10μm厚。
在一個優(yōu)選實施例中，發(fā)射極區(qū)域定義第一表面，擴(kuò)展到各位置上的所述表面的基極區(qū)域由穿過發(fā)射極區(qū)域的小孔定義，所述金屬層覆蓋所述第一表面。這些小孔最好彼此相隔100μm以下。
本發(fā)明的其它目的和優(yōu)點將會通過以下說明而變得清楚。
下面將參考附圖
，通過舉例描述本發(fā)明的特定實施例。
所示的雙極晶體管包括基片1、外延集電極層2、基極區(qū)域3、發(fā)射極區(qū)域4、氧化層5、基極金屬觸點6和發(fā)射極金屬觸點7。
晶體管建立于第一導(dǎo)電型的基片1。由第一導(dǎo)電型的集電極區(qū)域構(gòu)成的外延層2被顯示在基片1上。第二和相反導(dǎo)電型的基極區(qū)域3形成于外延層2，并且在基極區(qū)域3內(nèi)，形成第一導(dǎo)電型的發(fā)射極區(qū)域4。在所示的本發(fā)明的最佳實施例中，除了在未發(fā)生發(fā)射極摻雜的層中的孔陣列之外，發(fā)射極區(qū)域4在一個基本連續(xù)層中形成于基極區(qū)域3的中心部分。其效果是，在基極區(qū)域3擴(kuò)展到發(fā)射極區(qū)域4的表面的發(fā)射極區(qū)域4中存在圓孔的規(guī)則陣列。這些孔通常在矩形格柵中相隔近似75μm安置。確保對基極區(qū)域的規(guī)則接觸，而又不明顯減小發(fā)射極區(qū)域4/基極區(qū)域3結(jié)的其它圖案也是可能的。
附圖顯示了雙極晶體管的橫斷面視圖，其中橫斷了該孔陣列的一行。
虛線8指示在遠(yuǎn)離基極區(qū)域3擴(kuò)展到發(fā)射極區(qū)域4頂部的這些孔處，發(fā)射極區(qū)域4的覆蓋在基極區(qū)域3上連續(xù)。在半導(dǎo)體層的頂部上，沉積硅氧化層5的圖案，形成橋接發(fā)射極區(qū)域4與基極區(qū)域3之間的邊界上邊緣的圖形。氧化層5之間散布的是基極金屬觸點6和發(fā)射極金屬觸點7，它們彼此由形成圖案的氧化層5分離，并且分別與基極區(qū)域6和發(fā)射極區(qū)域7電接觸。從遠(yuǎn)離發(fā)射極區(qū)域的基片的側(cè)面得到集電極連接(連線)。
正如迄今所述的那樣，雙極晶體管完全是傳統(tǒng)的，并且可以采用完全傳統(tǒng)的方式制造。然而，根據(jù)本發(fā)明，接觸基極和發(fā)射極區(qū)域的金屬層觸點比傳統(tǒng)的厚，例如大于3μ厚。同樣，發(fā)射極區(qū)域金屬層觸點可以是增加厚度的觸點。
選擇定義基極觸點6和發(fā)射極觸點7的金屬層的厚度，以便確保發(fā)射極區(qū)域4/基極區(qū)域3結(jié)的更均勻偏置，以減小發(fā)射極金屬觸點7上的寄生電壓降。減小通向不同基極區(qū)域觸點的印制線中的電壓降確保了施加到發(fā)射極/基極結(jié)上的偏壓更均勻分布，這保證了晶體管上更均勻的電流密度，減小了飽和電阻。
本發(fā)明的發(fā)明人已經(jīng)證明，這看起來是簡單有利的，當(dāng)應(yīng)用于已經(jīng)設(shè)計具有低VCE(sat)的雙極晶體管(即，特定面積電阻小于約500mOhms.mm2)時，可以提供達(dá)到約30％的VCE(sat)的進(jìn)一步減小。
本發(fā)明的雙極晶體管通常將與上述的現(xiàn)有技術(shù)結(jié)合，以最小化飽和電壓。在特定實施例中，接觸基極區(qū)域的觸點陣列被設(shè)計成，確保發(fā)射極/基極結(jié)保持均勻偏置。低電阻率的薄基片被利用，以及選擇外延層厚度和摻雜分布以減小導(dǎo)通狀態(tài)的晶體管的電阻。此外，設(shè)計金屬印制線的布局，使其有助于減小其長度上的電壓降，并且使用厚的和/或多根線構(gòu)造連接印制線的焊接線。其效果是，雙極晶體管的飽和電壓被減小到現(xiàn)有技術(shù)獨自可到達(dá)的水平之下。
對于沒有為低飽和電壓而最佳化的雙極晶體管(即，特定區(qū)域電阻大于約500mOhms.mm2)，即使根據(jù)本發(fā)明加厚金屬觸點，也顯示出對飽和電壓沒有明顯改善，因為與金屬觸點厚度相比，上述的其它參數(shù)對飽和電壓影響更大。對于已經(jīng)為低飽和電壓而最佳化的雙極晶體管，，增加金屬觸點的厚度就進(jìn)一步減小了飽和電壓。這種飽和電壓的減小是漸進(jìn)的并與金屬觸點和印制線的厚度成比例。對于4μm與6μm之間的金屬厚度，已經(jīng)觀測到飽和電壓得到明顯改善，6μm是優(yōu)選厚度，它把為低飽和性能而最佳化的雙極晶體管的飽和電壓降至更多的30％。
應(yīng)當(dāng)明白，本發(fā)明是結(jié)合特定的垂直雙極晶體管進(jìn)行描述的，該雙極晶體管是通過現(xiàn)有已知技術(shù)為低飽和電壓而最佳化的?？梢园迅竦慕饘賹討?yīng)用于任何雙極晶體管設(shè)計，其中期望減小金屬觸點的電壓降，以便確保發(fā)射極/基極結(jié)的更均勻偏置。
本發(fā)明為電路效率依賴于飽和電壓的任何功率開關(guān)應(yīng)用提供了改進(jìn)的性能。這有效地擴(kuò)展到晶體管用于飽和而不是用作線性開關(guān)的所有應(yīng)用。
本發(fā)明的進(jìn)一步可能的修改和應(yīng)用對于適當(dāng)?shù)氖炀毤夹g(shù)人員是顯而易見的。
權(quán)利要求
1.一種雙極晶體管，包括定義集電極區(qū)域的第一導(dǎo)電型的第一半導(dǎo)體區(qū)域；定義基極區(qū)域的第二導(dǎo)電型的第二半導(dǎo)體區(qū)域；定義發(fā)射極區(qū)域的所述第一導(dǎo)電型的第三半導(dǎo)體區(qū)域；和提供接觸所述基極和發(fā)射極區(qū)域的觸點的金屬層；其中，晶體管具有小于500mOhms.mm2的特定面積電阻；其中，所述金屬層具有大于約3μm的厚度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙極晶體管，其中金屬層具有不小于4μm的厚度。
3.根據(jù)上述權(quán)利要求任一項所述的雙極晶體管，其中金屬層具有不小于6μm的厚度。
4.根據(jù)上述權(quán)利要求任一項所述的雙極晶體管，其中發(fā)射極區(qū)域定義第一表面，基極區(qū)域擴(kuò)展到位于由通過發(fā)射極區(qū)域的小孔所定義的位置中的所述表面。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的雙極晶體管，其中鄰近的小孔彼此相隔的距離小于100μm。
6.一種基本上如以上權(quán)利要求定義的雙極晶體管，如附圖所示。
全文摘要
一種具有小于約500mOhms.mm
文檔編號H01L29/417GK1864267SQ200480028769
公開日2006年11月15日 申請日期2004年7月12日 優(yōu)先權(quán)日2003年8月2日
發(fā)明者戴維·凱西 申請人:賽特克斯公共有限公司