專(zhuān)利名稱：金屬氧化物場(chǎng)效應(yīng)晶體管與雙極晶體管復(fù)合結(jié)構(gòu)器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于半導(dǎo)體器件，特別是一種功率半導(dǎo)體器件。
功率半導(dǎo)體器件主要應(yīng)用于導(dǎo)通電流很大和耐壓很高的領(lǐng)域?，F(xiàn)有的功率半導(dǎo)體器件，主要包括有功率雙極晶體管和功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管。功率雙極晶體管自1950年問(wèn)世以來(lái)，以其導(dǎo)通電流密度大和制作工藝簡(jiǎn)單之優(yōu)點(diǎn)，至今仍保持著非常廣泛的應(yīng)用。但在工作特性上存在有如下缺點(diǎn)(1)由于雙極晶體管是一個(gè)電流控制器件，因而需要很大的基極電流維持其工作狀態(tài)，和很大的反向基極驅(qū)動(dòng)電流以獲取高速關(guān)斷；(2)在大電流和高耐壓瞬時(shí)工作時(shí)，具有二次擊穿現(xiàn)象；(3)導(dǎo)通電流隨溫度的升高而增大，不易并聯(lián)使用，工作速度低。
功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管的出現(xiàn)改善了雙極功率晶體管的某些性能缺點(diǎn)。例如，輸入阻抗高，漏極電流具有負(fù)的電流溫度系數(shù)，多只器件可以并聯(lián)使用，避免了二次擊穿現(xiàn)象，安全工作區(qū)寬；同時(shí)由于功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管是多子器件，如圖4所示。排除了因少子復(fù)合而帶來(lái)的開(kāi)關(guān)損耗，故具有較高的開(kāi)關(guān)速度，消除了對(duì)壽命控制的嚴(yán)格要求。但是該器件由于存在一個(gè)厚的輕摻雜的n-漂移區(qū)支持高耐壓，所以導(dǎo)通電阻大，導(dǎo)通電流密度小，如果要提高導(dǎo)通電流密度就要降低漂移區(qū)長(zhǎng)度，提高漂移區(qū)摻雜濃度，造成耐壓降低，因而又存在著減小導(dǎo)通電阻與提高耐壓的矛盾。
本發(fā)明的目的在于避免上述已有技術(shù)的不足，提供一種電流密度大，耐壓高的功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管與雙極功率晶體管復(fù)合的功率半導(dǎo)體器件MBMT(MOS-Bipolar Mode Transistor)。
實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)方案是在MOS金屬氧化物功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管的結(jié)構(gòu)上，引進(jìn)寄生的雙極晶體管，并由MOS功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管控制雙極晶體管，使其兩者在功能上結(jié)合和結(jié)構(gòu)上集成，構(gòu)成復(fù)合型功率半導(dǎo)體器件MBMT，如

圖1所示。該器件主要包括一個(gè)n+襯底，一個(gè)n-外延層，兩個(gè)鋁連接點(diǎn)6與9，兩個(gè)柵極區(qū)1與2，外延層n-上分別設(shè)置一個(gè)p+結(jié)和一個(gè)p-結(jié)，兩個(gè)鋁連接點(diǎn)6與9之間設(shè)置有絕緣層7，兩個(gè)柵極區(qū)1與2各由多晶硅柵極G、柵氧化層4、p-區(qū)、n+區(qū)構(gòu)成。其特點(diǎn)是鋁接點(diǎn)6連接n+與p+區(qū)，鋁接點(diǎn)9連接p-與n+區(qū)，以在兩個(gè)n+區(qū)之間形成一個(gè)較大的電阻區(qū)，并從鋁接點(diǎn)9上引出陰極K；p+結(jié)的位置設(shè)在遠(yuǎn)離陰極區(qū)1的地方，以使陰極處的n+外圍只存在p-區(qū)；外延層n-與柵極區(qū)1的p-、n+區(qū)分別構(gòu)成MOS管M1的漏極、襯底和源極；外延層n-與陰極處的p-、n+區(qū)分別構(gòu)成雙極晶體管Q的集電極、基極和發(fā)射極；外延層n-與柵極區(qū)2的p-、n+分別構(gòu)成MOS管M2的漏極、襯底和源極。兩MOS管M1和M2的柵極相連構(gòu)成MBMT管的柵極，M1、M2管的漏極與雙極晶體管Q的發(fā)射極相連構(gòu)成MBMT管的陽(yáng)極，用MOS器件M1的源極與雙極晶體管Q的基極相連，以使MOS器件驅(qū)動(dòng)雙極器件，實(shí)現(xiàn)功能上的復(fù)合，同時(shí)M1的源極通過(guò)電阻R與雙極器件Q的發(fā)射極、M2管的源極相連構(gòu)成MBMT器件的陰極，如圖2所示。
本發(fā)明的工作原理如下當(dāng)加在功率MOS柵源極之間的電壓為零或?yàn)樨?fù)值時(shí)，雖然外加正的陽(yáng)陰極電壓，仍不能使器件打開(kāi)形成導(dǎo)通電流。當(dāng)在功率MOS上外加正的柵源電壓，此柵源電壓大于功率MOS器件的閾值電壓，同時(shí)在陽(yáng)陰極上加正的電壓，功率MOS器件導(dǎo)通，器件中有電流通過(guò)。電子由陽(yáng)極自下向上通過(guò)功率MOS器件溝道和功率MOS源一襯底結(jié)到達(dá)功率MOS器件襯底，即雙極晶體管的基極。當(dāng)功率MOS器件的漏極電流足夠大時(shí)，即電阻R兩端的壓降超過(guò)0.7V時(shí)，雙極晶體管Q的發(fā)射結(jié)正偏，雙極晶體管處于放大區(qū)，流經(jīng)器件陽(yáng)極的電流就有三路電流其一是功率MOS管M2的漏電流，其二是通過(guò)電阻R的電流，其三是通過(guò)雙極晶體管Q的電流。其中通過(guò)雙極晶體管Q的電流比較大，在整個(gè)電流容量中占較大分量，器件的導(dǎo)通電流密度決定于這一路的電流。
本發(fā)明由于是對(duì)功率MOS器件結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，因此具有與功率MOS器件同樣的高輸入阻抗和高耐壓，且導(dǎo)通電流密度比功率MOS器件大，開(kāi)關(guān)速度比功率MOS器件略低，同時(shí)由于本發(fā)明是將MOS器件與雙極晶體管兩者結(jié)合并集成在一起，故可實(shí)現(xiàn)雙極器件大的導(dǎo)通電流密度的優(yōu)勢(shì)；此外，由于本發(fā)明可采用MOS功率器件的工藝對(duì)器件實(shí)現(xiàn)集成，所以，無(wú)需增加任何工藝難度。
以下參照附圖詳細(xì)描述本發(fā)明的結(jié)構(gòu)及實(shí)現(xiàn)過(guò)程。
圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)剖面2是本發(fā)明的等效電路3是本發(fā)明設(shè)計(jì)的版4是已有的MOS功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管的結(jié)構(gòu)剖面圖參照?qǐng)D1，本發(fā)明的材料包括一個(gè)n+襯底a和一個(gè)n-外延層b，器件的柵極G和陰極K均做在公共表面3上，器件的陽(yáng)極A作在材料的襯底n+下。為了提高此功率器件的耐壓，一般選擇此材料的a區(qū)為高摻雜濃度區(qū)，即低電阻區(qū)，摻雜濃度一般為1×1018cm-3，厚度一般為400μm，而b區(qū)為低摻雜濃度區(qū)，即高電阻區(qū)，厚外延層，厚度一般比低壓器件的外延層大。如果要求器件的耐壓為600V時(shí)，外延層一般取摻雜濃度為1×1014cm-3，厚度為60μm。
參照?qǐng)D3，本發(fā)明器件的版圖與器件的結(jié)構(gòu)剖面圖有一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系。從圖中可以看出，多晶硅柵是互相連通的構(gòu)成半導(dǎo)體器件的柵極。p-區(qū)處于多晶硅柵極之間，與n+區(qū)構(gòu)成MOS功率器件的溝道，它們的橫向結(jié)深的差值即為功率MOS器件的溝道。p+區(qū)處于柵極區(qū)1側(cè)，以在柵極區(qū)1處實(shí)現(xiàn)n+p+連接。柵極區(qū)1處的鋁連線不引出，只是起連接n+p+的作用。柵極區(qū)2處的鋁連線引出器件的陰極。柵極區(qū)1構(gòu)成MOS功率器件M1，柵極區(qū)2構(gòu)成MOS功率器件M2。襯底n-與p-區(qū)和柵極區(qū)2中的n+區(qū)一起構(gòu)成雙極晶體管Q。
器件制作的步驟如下第一步場(chǎng)氧化，生成二氧化硅層，即主要生長(zhǎng)絕緣層保護(hù)表面，阻擋摻雜物進(jìn)入襯底，其工藝條件為爐溫1025℃，水溫95℃，時(shí)間220分鐘。
第二步光刻p+區(qū)10，一次注入硼離子，并且驅(qū)入氧化，形成結(jié)深為3.5μm～4.0μm的pn結(jié)。其工藝條件為一次p+注入能量為60kev，劑量為2×1015cm-3，驅(qū)入氧化爐溫1150℃，時(shí)間6小時(shí)。
第三步生長(zhǎng)柵氧化層4和生長(zhǎng)多晶硅5，柵氧化的工藝條件為溫度900～1000℃，氣體HCl與O2。多晶硅5的作用是作為MOS功率器件的柵極，其生長(zhǎng)的工藝條件為爐溫1000℃，時(shí)間9分5秒。并且在950℃干氧的條件下擴(kuò)磷1小時(shí)20分鐘，使多晶硅的方塊電阻小于25Ω/□。
第四步p-注入并推阱，形成MOS功率器件的溝道，該溝道由p-和n+8的橫向結(jié)深的差值所形成。p-阱形成的工藝條件為離子注入的離子源是硼，能量為60kev，劑量為2×1014cm-2，推阱的爐溫為1100℃，時(shí)間為6小時(shí)。
第五步n+注入形成MOS功率器件的源極區(qū)8。n+注入和推阱的工藝條件為能量為100kev，劑量為5×1015cm-2，驅(qū)入氧化的溫度為950℃。
第六步低溫氧化，刻歐姆孔，形成低溫氧化層7。該氧化層主要起隔離層作用，用于將半導(dǎo)體表面區(qū)域與導(dǎo)體連接線鋁隔離開(kāi)，歐姆孔是將半導(dǎo)體表面各區(qū)域與導(dǎo)體連線有選擇地連接在一起形成電連接。低溫氧化的工藝條件是在210℃的溫度下淀積180分鐘，形成1.0μm的氧化層，在經(jīng)過(guò)950℃溫度30分鐘致密形成低溫氧化層。
第七步蒸鋁、刻蝕鋁和合金后形成電連接。蒸鋁的工藝條件是在2×10-7乇的真空，溫度為100℃時(shí)蒸鋁14分鐘，形成鋁層。經(jīng)過(guò)光刻后進(jìn)行鋁合金，以消除鋁與半導(dǎo)體表面的電阻層使其二者緊密結(jié)合。
第八步減薄和背面金屬化。減薄之前進(jìn)行PeCVD(等離子體增強(qiáng)化學(xué)汽相淀積)氮化硅以形成鈍化層，使半導(dǎo)體表面與外界絕緣，器件結(jié)構(gòu)的總厚度大約為400μm。
經(jīng)過(guò)以上步驟后則可得到一個(gè)完整的功率半導(dǎo)體器件。
以上說(shuō)明只是為本發(fā)明舉出的一個(gè)具體實(shí)例，并不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的任何限制。對(duì)本專(zhuān)業(yè)的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，顯然在不脫離所述及權(quán)利要求書(shū)限定范圍的情況下實(shí)現(xiàn)多種表現(xiàn)形式。
權(quán)利要求
1.一種金屬氧化物場(chǎng)效應(yīng)晶體管與雙極晶體管復(fù)合結(jié)構(gòu)器件，包括一個(gè)n+襯底，一個(gè)n-外延層，兩個(gè)鋁接點(diǎn)(6)與(9)，兩個(gè)柵極區(qū)(1)與(2)、在外延層n-設(shè)置一個(gè)p+結(jié)和一個(gè)p-結(jié)，兩個(gè)鋁接點(diǎn)(6 )與(9)之間設(shè)置有絕緣層(7)，兩柵極區(qū)(1)與(2)各由多晶硅柵極G、柵氧化層4、p-區(qū)、n+區(qū)構(gòu)成，其特征在于①鋁接點(diǎn)(6)連接n+與p+區(qū)，鋁接點(diǎn)(9)連接p-與n+區(qū)，以在兩個(gè)n+區(qū)形成一個(gè)較大的電陽(yáng)R，并從鋁接點(diǎn)(9)上引出陰極K，p+結(jié)的位置設(shè)在遠(yuǎn)離陰極K處，使陰極處的n+外圍只存在p-區(qū)。②外延層n-與柵極區(qū)(1)的p-、n+區(qū)分別構(gòu)成MOS管M1的漏極、襯底和源極；外延層n與陰極處的p-、n+區(qū)分別構(gòu)成雙極晶體管的集電極、基極和發(fā)射極；外延層n+與柵極區(qū)(2)的p-、n+分別構(gòu)成MOS管M2的漏極、襯底和源極。③兩MOS管M1、M2的柵極相連構(gòu)成器件的陽(yáng)極，M1管的源極與雙極晶體管Q的基極相連，同時(shí)通過(guò)電阻R與雙極晶體管Q的發(fā)射極和M2管的源極相連構(gòu)成器件的陰極。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種功率半導(dǎo)體器件,該器件主要解決現(xiàn)有半導(dǎo)體器件導(dǎo)通電阻大,導(dǎo)通電流密度小的問(wèn)題。采用在金屬氧化物MOS功率場(chǎng)效應(yīng)管結(jié)構(gòu)中引進(jìn)寄生的雙極晶體管Q,并將兩者集成在一起的方案,實(shí)現(xiàn)復(fù)合型結(jié)構(gòu)的MBMT器件。該器件主要包括有一個(gè)n
文檔編號(hào)H01L29/94GK1181633SQ96118788
公開(kāi)日1998年5月13日 申請(qǐng)日期1996年11月5日 優(yōu)先權(quán)日1996年11月5日
發(fā)明者弓小武, 劉玉書(shū), 樊昌信 申請(qǐng)人:西安電子科技大學(xué)