[發(fā)明專利]雙高阻層槽形柵多晶硅結(jié)構(gòu)的聯(lián)柵晶體管

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201410152021.5
• 申請日: 2014-04-16
• 公開（公告）號: CN103956377A
• 公開（公告）日: 2014-07-30
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 李思敏
• 申請（專利權(quán)）人: 李思敏
• 主分類號: H01L29/10
• 分類號: H01L29/10;H01L29/73;H01L29/06
• 代理公司: 北京北新智誠知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11100
• 代理人: 張衛(wèi)華

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種雙高阻層槽形柵多晶硅結(jié)構(gòu)的聯(lián)柵晶體管，屬于硅半導(dǎo)體器件技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

有關(guān)槽形柵多晶硅結(jié)構(gòu)的聯(lián)柵晶體管，在中國發(fā)明專利申請公布說明書公開號為CN101527317A名稱為《槽型柵多晶硅結(jié)構(gòu)的聯(lián)柵晶體管》中所表述的基本結(jié)構(gòu)如下：在其下層為第一導(dǎo)電類型低電阻率層、上層為第一導(dǎo)電類型高電阻率層的硅襯底片的上表面有多條第一導(dǎo)電類型的高摻雜濃度的發(fā)射區(qū)，發(fā)射區(qū)的上面連接著第一導(dǎo)電類型的摻雜多晶硅層，該摻雜多晶硅層與發(fā)射極金屬層連接，每條發(fā)射區(qū)的周圍有第二導(dǎo)電類型的基區(qū)，基區(qū)的側(cè)面連著摻雜濃度比基區(qū)高、深度比基區(qū)深度深的第二導(dǎo)電類型的槽形柵區(qū)，每條槽的底面和側(cè)面覆蓋著絕緣層，側(cè)面絕緣層延伸到硅襯底片的上表面，柵區(qū)與柵極金屬層相連，硅襯底片的上層位于基區(qū)以下和柵區(qū)以下的部分為集電區(qū)，硅襯底片的下層是集電極，集電極的下表面與集電極金屬層相連。

該發(fā)明專利說明書的圖4是硅襯底片的第一導(dǎo)電類型高電阻率層上層為雙層的實(shí)施例的結(jié)構(gòu)圖。該實(shí)施例取第一導(dǎo)電類型為N型，第二導(dǎo)電類型為P型。該實(shí)施例的硅襯底片的上層N型高阻層41分為兩層，靠上面一層411的電阻率高些，為60Ω·cm，厚度為20μm，靠下面一層412的電阻率低些，為20Ω·cm，厚度為40μm。該發(fā)明專利的說明書說明，這種雙層結(jié)構(gòu)的高阻層，能夠有效地抑制集電極與基極之間的PN結(jié)勢壘在大電流的轉(zhuǎn)移收縮效應(yīng)，提高器件的抗雪崩擊穿能力，從而提高器件長期工作的可靠性。

但是，這種雙層結(jié)構(gòu)的高阻層(高阻層即是高電阻率層)的規(guī)格參數(shù)不夠好，其抑制基極與集電極之間的PN結(jié)勢壘在大電流下的轉(zhuǎn)移收縮效應(yīng)以提高器件的抗雪崩擊穿能力不夠強(qiáng)。

槽型柵多晶硅結(jié)構(gòu)的聯(lián)柵晶體管普遍采用第一導(dǎo)電類型為N型，第二導(dǎo)電類型為P型。槽型柵多晶硅結(jié)構(gòu)的聯(lián)柵晶體管的主要失效機(jī)理是二次擊穿，二次擊穿是熱電擊穿，既有熱擊穿機(jī)制，也有電擊穿機(jī)制。槽型柵多晶硅結(jié)構(gòu)的聯(lián)柵晶體管在開關(guān)應(yīng)用中實(shí)際發(fā)生的二次擊穿往往是熱擊穿和電擊穿兩種機(jī)制共同作用相互加強(qiáng)的結(jié)果。其中，熱擊穿機(jī)制是指在管芯中，由于電流分布的不均勻造成局部“熱點(diǎn)”，熱點(diǎn)處電流增大，致使局部溫度更高，進(jìn)而電流更大，如此循環(huán)往復(fù)。當(dāng)散熱趕不上發(fā)熱時(shí)，局部溫度越來越高，最后燒毀。電擊穿機(jī)制是指基極與集電極之間的PN結(jié)勢壘即集電結(jié)勢壘在大電流作用下向硅襯底片的上層與下層的交界處發(fā)生轉(zhuǎn)移收縮。隨著電流的增加，集電結(jié)勢壘的收縮增強(qiáng)，集電結(jié)勢壘寬度減小，集電結(jié)勢壘區(qū)域中的最高電場不斷增高，當(dāng)最高電場達(dá)到極限電場時(shí)發(fā)生雪崩擊穿。雪崩擊穿導(dǎo)致電流進(jìn)一步增大，而電流增大又導(dǎo)致勢壘進(jìn)一步收縮，循環(huán)往復(fù)，呈現(xiàn)出負(fù)阻特性。所以，這種雪崩擊穿稱為負(fù)阻二次擊穿，也稱為雪崩二次擊穿。發(fā)生雪崩二次擊穿時(shí)的集電結(jié)勢壘寬度就是剛發(fā)生雪崩二次擊穿時(shí)的集電結(jié)勢壘的上界面與下界面之間的距離。集電極與發(fā)射極之間的電流主要從基區(qū)與集電區(qū)的交界處通過，而從柵區(qū)與集電區(qū)的交界處通過的電流比較少，集電結(jié)勢壘的轉(zhuǎn)移收縮主要表現(xiàn)為從基區(qū)與集電區(qū)的交界處往硅襯底片的上層與下層的交界處轉(zhuǎn)移收縮。硅襯底片的下層是N⁺型低電阻率層，集電結(jié)勢壘不能夠往硅襯底片的下層延伸，集電結(jié)勢壘的下界面止于硅襯底片的上層與下層的交界處。因此，發(fā)生雪崩二次擊穿時(shí)的集電區(qū)壓縮寬度就是從基區(qū)與集電區(qū)的交界處到發(fā)生雪崩二次擊穿時(shí)的集電結(jié)勢壘的上界面的距離。依據(jù)雪崩二次擊穿的機(jī)理，槽型柵多晶硅結(jié)構(gòu)的聯(lián)柵晶體管的抗雪崩二次擊穿的能力取決于發(fā)生雪崩二次擊穿時(shí)在集電區(qū)壓縮寬度區(qū)域內(nèi)的單位面積的施主雜質(zhì)總量M。硅襯底片的上層為雙層高阻層的槽型柵多晶硅結(jié)構(gòu)的聯(lián)柵晶體管發(fā)生雪崩二次擊穿時(shí)集電區(qū)壓縮寬度區(qū)域內(nèi)的單位面積的施主雜質(zhì)總量M由式(1)確定。

M=(W1-Xb)×Nd1+(W2-D)×Nd2??(1)

其中，W1是高阻層的上層的厚度，Xb是基區(qū)與集電區(qū)交界處到硅襯底的上表面的距離即是基區(qū)結(jié)深，Nd1是高阻層的上層的施主雜質(zhì)濃度，W2是高阻層的下層的厚度，D是發(fā)生雪崩二次擊穿時(shí)的集電結(jié)勢壘寬度，Nd2是高阻層的下層的施主雜質(zhì)濃度。

設(shè)定基區(qū)結(jié)深為4μm。

發(fā)生雪崩二次擊穿時(shí)的集電結(jié)勢壘寬度D由式(2)確定：

BV=D×EmB／2??(2)

其中，EmB是集電結(jié)勢壘區(qū)域發(fā)生雪崩擊穿的極限電場，一股取～4E5V／cm，BV是發(fā)生雪崩二次擊穿時(shí)在集電極與發(fā)射極之間的電壓。