專利名稱：雙極金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及了結(jié)合了雙極和金屬氧化物半導(dǎo)體技術(shù)的功率半導(dǎo)體器件系列。
這種器件具有廣泛的范圍。在該系列外的一個(gè)極端是功率MOSFET(金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管)器件。它們包括由垂直的DMOS(雙擴(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體)工藝制作的DMOS功率MOSFET(DMOS是一種雙擴(kuò)散的MOS(金屬氧化物半導(dǎo)體)工藝)。在該工藝中，器件是在單晶硅本體上制作的，使用了在本體的一個(gè)表面上形成的大量的源極/柵極單元，而在其反面上用一個(gè)共漏極區(qū)來(lái)覆蓋。源極/柵極單元相互并聯(lián)，并形成了大量的并行絲極以便電流流往該器件的主內(nèi)部區(qū)(公知為漂移區(qū))。
雙極和MOSFET技術(shù)的結(jié)合形成了一個(gè)雙極晶體管結(jié)構(gòu)以提供通過(guò)器件的主要負(fù)荷載流路徑和控制雙極晶體管的一個(gè)MOS結(jié)構(gòu)。該MOS結(jié)構(gòu)提供了一個(gè)耗用很少輸入功率的高阻抗輸入。因此可以作成與基于MOS技術(shù)的外部控制電路相適應(yīng)的結(jié)構(gòu)。
該雙極晶體管因器件的不同而不同，從一個(gè)基本的三層結(jié)構(gòu)(例如NPN晶體管，在這種三層結(jié)構(gòu)中發(fā)射極與器件的MOS部分的源極緊密關(guān)聯(lián))如具有一個(gè)閘流晶體管的四或五層結(jié)構(gòu)(例如，MOS控制的閘流晶體管，在這種四層或五層結(jié)構(gòu)中陰極與MOS結(jié)構(gòu)的源極緊密關(guān)聯(lián))。眾所周知，在單晶硅本體的垂直結(jié)構(gòu)內(nèi)實(shí)現(xiàn)這些不同的雙極晶體管/MOS器件，其中在該本體的一個(gè)表面上提供發(fā)射極/源極或陰極/源極/柵極作為大量的單元，同時(shí)在該本體的反面上形成的公用區(qū)上提供了集電極或陽(yáng)極。為了簡(jiǎn)化術(shù)語(yǔ)，該發(fā)射極/源極和陰極/源極結(jié)構(gòu)兩者一般地稱作“陰極/源極”或陰極結(jié)構(gòu)，而該集電極和陽(yáng)極一般地稱作“陽(yáng)極”。然而，應(yīng)該注意的是這里所描述的本發(fā)明的概念可以應(yīng)用于N型材料被P型材料所取代的器件，反之亦然。
在操作中，器件中的陰極/源極/柵極單元組是并聯(lián)的，可以通過(guò)內(nèi)部器件的金屬噴鍍來(lái)實(shí)現(xiàn)。該器件系列的一個(gè)共同特性是從陰極結(jié)構(gòu)流向陽(yáng)極的電流通路位于并通過(guò)一個(gè)漂移區(qū)。在設(shè)計(jì)此類器件時(shí)，在低電阻正向傳導(dǎo)通路和高的正向擊穿電壓容量之間要達(dá)到平衡。
一種得到廣泛應(yīng)用的功率雙極/MOSFET半導(dǎo)體系列的器件，是絕緣柵極雙極晶體管(IGBT)，它是由N溝道增強(qiáng)型MOFSET控制的PNP晶體管。該IGBT是一種三端的器件。第二種器件是切換發(fā)射極的閘流晶體管(EST)，它有兩個(gè)集成的MOSFET，它們的柵極連接至一個(gè)共同的柵極端子上。它也是一種三端的器件。第三種器件是閘流晶體管類型的四端的器件，除了具有通常用于接通器件的控制柵極外還具有獨(dú)立的柵極斷開(kāi)結(jié)構(gòu)。
MOSFET和雙極/MOS器件的陰極單元結(jié)構(gòu)可以在半導(dǎo)體表面的一個(gè)平面柵極結(jié)構(gòu)內(nèi)或利用首先開(kāi)發(fā)的溝柵與功率MOSFET相結(jié)合來(lái)制造。該陰極結(jié)構(gòu)也可以以平面的或溝槽的形式實(shí)現(xiàn)。
用于IGBT的陰極結(jié)構(gòu)在“Analysis of Device Structures for NextGeneration IGBT”，Y.Onishi等，Proceedings of 1998 International Symposiumon Power Semiconductor Devices and Ics，p.85中予以了討論。該論文討論了在平面柵和溝柵中使用的結(jié)構(gòu)和兩者相關(guān)的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。在該器件中，每對(duì)相鄰的單元的溝道都形成于一個(gè)共同的P阱中。
一種絕緣柵控制的閘流晶體管公開(kāi)發(fā)表在“A Filamentation-freeInsulated-Gate Controlled Thyristor and Comparisons to the IGBT”，K.Lilja andW.Fichtner，Proc.ISPSD，p.275，1996.上。該文提出了這樣的一種器件(IGCT)，該器件改善了在成絲作用失效方面的可靠性，同時(shí)保持了閘流晶體管樣的開(kāi)通狀態(tài)性質(zhì)。
具有柵極斷開(kāi)結(jié)構(gòu)的四端的MOS柵控的閘流晶體管開(kāi)關(guān)的另一種形式，稱作“FiBS”，在“The FiBS，A New High Voltage BiMOSSwitch”，K.Lilja，Proc.ISPSD，1992，p.261和Lilja等人的美國(guó)專利USP 5,286,981中公開(kāi)。一種大型的FiBS將包括大量集成的并行單元。這種器件可采用平面或溝柵技術(shù)實(shí)現(xiàn)。
由M.S.Shekar，J.Korec和B.J.Baliga在“Trench Gate Emitter SwitchedThyristors”，Proc.6thInternational Symposium of Power SemiconductorDevices and Ics，1994，Paper 5.1，189一文中描述了一種MOS柵的發(fā)射極切換的閘流晶體管。這種器件是一種三端的器件，它是在一個(gè)溝柵單元結(jié)構(gòu)中實(shí)現(xiàn)的。
在前面的方案中，相鄰的單元可以具有形成在一個(gè)共同的摻雜區(qū)或阱內(nèi)的相應(yīng)結(jié)構(gòu)的元件。
本發(fā)明提供了一種包括陰級(jí)/柵極元件簇的新型陰極結(jié)構(gòu)。這種簇陰極結(jié)構(gòu)的新類型反過(guò)來(lái)又可以在陰極的蜂窩狀結(jié)構(gòu)形式中用作一個(gè)單元。
本發(fā)明可以在下面描述的多種形式中實(shí)現(xiàn)。將要描述的器件包括一種MOS-閘流晶體管結(jié)構(gòu)，并且在保持電流均勻分布的理想特性、良好的電流飽和性能、小的器件尺寸(包括緊密組合的單元)和良好的安全操作面積(SOA)的同時(shí)得到增強(qiáng)的性能。
依據(jù)本發(fā)明，提供的一種半導(dǎo)體器件，該半導(dǎo)體器件包括至少一個(gè)單元，該單元包括一個(gè)第一導(dǎo)電型的基區(qū)，在其中至少安置了一個(gè)第二導(dǎo)電型的發(fā)射區(qū)；一個(gè)第二導(dǎo)電型的第一個(gè)阱區(qū)；一個(gè)第一導(dǎo)電型的第二個(gè)阱區(qū)；一個(gè)第二導(dǎo)電型的漂移區(qū)；一個(gè)第一導(dǎo)電型的集電區(qū)；一個(gè)集電極接點(diǎn)；其中，每個(gè)單元安置在第一個(gè)阱區(qū)內(nèi)，而第一個(gè)阱區(qū)安置在第二個(gè)阱區(qū)內(nèi)；該器件還包括第一個(gè)柵極，安置在一基區(qū)上，以使在一個(gè)發(fā)射區(qū)和第一個(gè)阱區(qū)之間可以形成一個(gè)MOSFET溝道；第二個(gè)柵極，安置在第二個(gè)阱區(qū)上，以使在第一個(gè)阱區(qū)和漂移區(qū)之間可以形成一個(gè)MOSFET溝道；其中這樣構(gòu)造該器件，在器件操作過(guò)程中，在基區(qū)和第一個(gè)阱區(qū)之間結(jié)的耗盡區(qū)(depletion region)可以延伸至第一個(gè)阱區(qū)和第二個(gè)阱區(qū)之間的結(jié)，因此，基本將第一個(gè)阱區(qū)的電勢(shì)與集電極接點(diǎn)處的任何增加的電勢(shì)隔離，因此可以切斷該器件，而不必在基區(qū)和第二阱區(qū)之間形成一MOSFET溝道。
保護(hù)第一個(gè)阱區(qū)免受由于基區(qū)和第一個(gè)阱區(qū)之間的結(jié)的耗盡區(qū)延伸至第一個(gè)阱區(qū)和第二個(gè)阱區(qū)之間的結(jié)而產(chǎn)生的超量電勢(shì)的能力在下文中稱之為“自箝位”。自箝位在器件的接通狀態(tài)和關(guān)閉狀態(tài)下都導(dǎo)致了許多有利的特性，下面就這些優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行更詳細(xì)地描述。本發(fā)明的器件的關(guān)鍵特性包括低的正向電壓降、良好的SOA、高的擊穿電壓、可與IGBT相比的切換能力、N-溝道MOS柵極控制、三端器件的提供、與CMOS過(guò)程全兼容性，實(shí)現(xiàn)集成低電壓和高電壓器件的單片集成、容易將柵極氧化物厚度縮放至400或更低以達(dá)到低驅(qū)動(dòng)功率的要求、和由于降低了漂移區(qū)上的柵極的尺寸引起柵極電容降低。
應(yīng)該指出的是，F(xiàn)iBS器件是四端的器件，它要求一個(gè)獨(dú)立的P MOSFET來(lái)控制器件的關(guān)閉。本發(fā)明中器件的關(guān)閉不需要這樣一種MOSFET結(jié)構(gòu)。
第一種導(dǎo)電型通常是P、第二種類型是N。但是，也可能生產(chǎn)這樣的器件，它的第一種導(dǎo)電型是N，第二種導(dǎo)電型是P。依據(jù)本發(fā)明的器件可以是垂直的或橫向的。
大多數(shù)元件被安置在第一個(gè)阱區(qū)之內(nèi)，每個(gè)基區(qū)至少具有一個(gè)安置在其中的發(fā)射極。在這種方式下，可以產(chǎn)生緊密組合的單元簇，它導(dǎo)致了高的、均勻的電流密度。
這(些)單元可以關(guān)于延伸通過(guò)第一個(gè)阱區(qū)的垂直軸基本地對(duì)稱。相反，F(xiàn)iBS器件由于需要集成一個(gè)PMOS溝道來(lái)控制關(guān)閉而先天性地不對(duì)稱。對(duì)稱的器件是理想的，因?yàn)閕)更多的陰極區(qū)域可用于電傳導(dǎo)(在第一種導(dǎo)電型是P的情況下)，和ii)電流均勻性得到了改善。
該器件可以是一個(gè)絕緣柵極雙極晶體管(IGBT)類型的器件，其中接通狀態(tài)的電傳導(dǎo)主要通過(guò)一個(gè)包括第一個(gè)阱區(qū)、第二個(gè)阱區(qū)、漂移區(qū)和集電區(qū)的閘流晶體管進(jìn)行。
IGBT類型的器件可以是平面型的、溝柵極類型的、溝陰極類型的、或同時(shí)具有溝柵極和溝陰極類型的。該器件可以在PTIGBT(擊穿)配置中實(shí)現(xiàn)，其中漂移區(qū)包括一個(gè)重?fù)诫s緩沖層和一個(gè)輕摻雜區(qū)的外延層?？商鎿Q的是，可以采用NPT(非擊穿)配置，使用一種均勻輕摻雜的晶片作為漂移區(qū)。
在另一個(gè)實(shí)施例中，該器件是一個(gè)發(fā)射極切換的閘流晶體管(EST)類型的器件，它還包括一個(gè)第一種導(dǎo)電型的重?fù)诫s隔離區(qū)，它與第二個(gè)阱區(qū)相接觸，并直接與基區(qū)和發(fā)射區(qū)電接觸。
仍是在另一個(gè)實(shí)施例中，該器件是一個(gè)隔離基發(fā)射極閘流晶體管類型的器件，它還包括與第二個(gè)阱區(qū)相接觸的一個(gè)第一種導(dǎo)電型的重?fù)诫s隔離區(qū)，該隔離區(qū)具有一個(gè)在其上形成的流動(dòng)電阻觸點(diǎn)，以提供與第一個(gè)阱區(qū)的直接電接觸。
本發(fā)明和它的應(yīng)用將會(huì)參照在附圖中展示的多個(gè)實(shí)施例進(jìn)行描述，附圖中

圖1是一個(gè)顯示本發(fā)明的使用平面柵技術(shù)的IGBT/閘流晶體管器件的簡(jiǎn)化的橫剖面；圖1a是圖1器件的等效電路；
圖2顯示了圖1結(jié)構(gòu)的一種改型以提供EST器件；圖3顯示了圖1結(jié)構(gòu)的另一種改型以提供絕緣基的EST器件；圖4顯示了一個(gè)用溝柵技術(shù)實(shí)現(xiàn)并進(jìn)一步改型的IGBT/閘流晶體管器件；圖5顯示了一個(gè)雙柵溝IGBT/閘流晶體管器件；圖6顯示了圖4器件的橫向和/或類垂直的視圖，圖6a-6c顯示了圖6結(jié)構(gòu)的可選的改進(jìn)。
圖7顯示了圖6器件結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步改型；圖8仍然顯示了圖6、6a-6c和顯示了用一個(gè)流動(dòng)電阻觸點(diǎn)替代Gate2的圖7的結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步改型；圖9顯示了包含一個(gè)P隔離區(qū)的圖6器件的一個(gè)橫向視圖；圖10顯示了用一個(gè)流動(dòng)電阻觸點(diǎn)與Gate2相關(guān)聯(lián)的圖9結(jié)構(gòu)的改型；和圖11顯示了有一個(gè)溝柵的Gate2的圖6器件的橫向視圖。
圖1顯示了簡(jiǎn)化的器件結(jié)構(gòu)的橫剖面，它可以認(rèn)為是一個(gè)IGBT和一個(gè)閘流晶體管的組合。該器件具有一個(gè)等效電路，如圖1a所示。該等效電路顯示為具有二個(gè)互連的部分，IGBT和閘流晶體管，將在后面進(jìn)行描述。顯示在圖1中的器件的柵極是平面柵極形式。IGBT的陰極單元是以簇來(lái)提供的，將在下面的描述中出現(xiàn)。
圖1顯示了半導(dǎo)體材料(通常是單晶硅)主體的一部分10，該部分的下表面12包含一個(gè)P+集電區(qū)14，在其上制成集電極接點(diǎn)16(本例中的陽(yáng)極)。該器件是一種NPT器件，這種NPT器件由N類型硅制成，通過(guò)N型硅形成擴(kuò)散以在上表面形成陰極單元圖形，PT器件也在本發(fā)明的范圍內(nèi)。
該器件結(jié)構(gòu)包括一個(gè)P阱20，其中N阱22在橫向和豎向上擴(kuò)散至并位于P阱內(nèi)，因此，在主電流通路中留下P區(qū)20a，在表面18上形成區(qū)20b。用N類型硅的區(qū)24將P阱與陽(yáng)極分開(kāi)，而N類型硅提供了通常在IGBT和其它該系列器件中含有的N漂移區(qū)。也將會(huì)看到，N漂移區(qū)在26處向上延伸至P阱20側(cè)面外部的表面18。區(qū)20b提供了一個(gè)MOSFET溝道，將在其后進(jìn)行描述。
在N阱22之內(nèi)，形成了陰極單元簇30。
單元30具有相同的結(jié)構(gòu)，因此只對(duì)其中的一個(gè)進(jìn)行詳細(xì)描述。參照所顯示的三個(gè)單元中的中心單元，它包括一個(gè)擴(kuò)散進(jìn)入N阱22的淺的P基極32。在阱22中央，P+區(qū)34擴(kuò)散滲透到基極32的下面，并進(jìn)入?yún)^(qū)22中。對(duì)于區(qū)34的每個(gè)側(cè)面，相應(yīng)的N+發(fā)射區(qū)36a、36b擴(kuò)散進(jìn)入P基極32，每個(gè)區(qū)與P+區(qū)34形成了一個(gè)非整流結(jié)。對(duì)于發(fā)射區(qū)36a和36b的每側(cè)，分別出現(xiàn)了P阱32的一個(gè)部分32a、32b，以為陰極MOS晶體管提供一個(gè)溝道，它將出現(xiàn)在下面的描述中。所有的擴(kuò)散都是通過(guò)表面18進(jìn)行的。也將看到，單元30被隔開(kāi)，以使N阱22的一部分22a形成在表面18上。在覆蓋了柵極氧化物38的表面18上，形成了許多第一種類型的柵極G1。每個(gè)柵極G1形成在柵極氧化物上，并延伸至一個(gè)單元的突現(xiàn)(emergemt)部分32a和它的相鄰單元的32b之上，因此，形成了兩個(gè)控制MOSFET。每個(gè)MOSFET具有一個(gè)N+區(qū)36a或36b作為一個(gè)源極，而N阱22的浮現(xiàn)部分22a作為一個(gè)漏極。因此，每個(gè)單元形成了兩個(gè)控制MOSFET，單獨(dú)的G1柵極被提供給其，并且每個(gè)G1柵極控制不同單元中的兩個(gè)MOSFET。作為替換，也可能將MOSFET連接在一起，形成一個(gè)單一的端子。
將會(huì)看到，單元30的結(jié)構(gòu)可以按照在一個(gè)給定的P阱20N阱30的組合體中所要求的頻度重復(fù)。這種結(jié)構(gòu)，不僅可以在所舉例的圖的平面上被重復(fù)，而且也可以在平面的法向上被重復(fù)，因此，該簇是一個(gè)三維的單元陣列。為了完成單元簇，金屬噴鍍40被應(yīng)用到每個(gè)單元上，以將所有P+N+結(jié)跨接，并將所有的單元并聯(lián)。金屬噴鍍40為該器件提供了陰極觸點(diǎn)。
為了完成該器件結(jié)構(gòu)，將會(huì)看到在圖1的左側(cè)，簇30外部末端的單元并沒(méi)有被完全利用。第二種類型的柵極G2應(yīng)用于覆蓋在P阱20的區(qū)20b上的柵極氧化物42的上方。區(qū)20b在由N阱22的突現(xiàn)部分22a提供的源極和相鄰的N漂移區(qū)24的突現(xiàn)部分26a之間形成了一個(gè)溝道。將會(huì)看到G1柵極控制陰極單元30和P阱20之間的電傳導(dǎo)，而柵極G2控制作為簇單元的單元30和陽(yáng)極區(qū)16之間的電傳導(dǎo)。該器件的操作功能還將參照?qǐng)D1a進(jìn)行進(jìn)一步的描述。但是，將會(huì)注意到，所描述的迄今包括簇陰極單元單元結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體單元本身可以被重復(fù)，以提供一組全部用一個(gè)共同的陽(yáng)極區(qū)覆蓋的這樣的單元。所描述和說(shuō)明的單元結(jié)構(gòu)的一個(gè)重要特性是它的對(duì)稱性設(shè)計(jì)。這一點(diǎn)還會(huì)在下面提到。
現(xiàn)在參照?qǐng)D1a將會(huì)看到，并聯(lián)的陰極單元被代表為一個(gè)單一的雙極晶體管和一單個(gè)MOSFET。柵極G1和G2全部被連接在一起，盡管分開(kāi)操作也是可能的。同樣，也可能將柵極G2延伸至與一個(gè)N+發(fā)射區(qū)重疊。在操作中，陽(yáng)極被施加了一個(gè)相對(duì)于陰極的正電壓，而該器件通過(guò)提高相對(duì)于陰極的正向的柵極電壓來(lái)接通。為了方便識(shí)別圖2中的電路元件結(jié)構(gòu)，圖1中相關(guān)的區(qū)在圖2中進(jìn)行了標(biāo)注。
根據(jù)圖1a中的電路元件，看一下圖1中的器件結(jié)構(gòu)，每個(gè)陰極單元提供了一個(gè)復(fù)集電極PNP垂直晶體管的集電極(P+區(qū)34)，晶體管的基極是N阱22，而它的發(fā)射極是P阱20?；鶚O的導(dǎo)電性調(diào)制是由在區(qū)32a和34a和區(qū)32b和34a之間的增強(qiáng)型N-溝道MOSFET提供的。在圖1a中的復(fù)集電極晶體管表示為Tpnp2，而復(fù)MOSFET表示為MOSFETTpnp2。接通Tmos2觸發(fā)Tpnp2進(jìn)入電傳導(dǎo)狀態(tài)。由60表示的等效電路的這部分作為一個(gè)IGBT。
第二個(gè)PNP晶體管在P阱20(集電極)、N漂移區(qū)24(基極)和陽(yáng)極區(qū)(發(fā)射極)12之間形成。在圖2中這個(gè)晶體管表示為Tpnp1。Tpnp1和Tpnp2因此是串聯(lián)的，區(qū)20為兩者所共有，在兩個(gè)晶體管之間串聯(lián)中具有電阻Rpwell。
與Tpnp1相連的是由N漂移區(qū)24集電極；作為它的基極的P阱20，和作為它的發(fā)射極的N阱22提供的另一個(gè)NPN型晶體管。Tpnp1是在一個(gè)閉鎖閘流晶體管配置70中與Tnpn連接。漂移區(qū)24的電阻Rdrift出現(xiàn)在Tpnp1的基極通路上。該N阱在Tnpn的發(fā)射極和Tpnp2的基極之間提供了電阻Remitter。
閘流晶體管部分70還包括一個(gè)控制MOSFET的Tmos，它的源極-漏極通路并聯(lián)至晶體管Tnpn的基極-發(fā)射極通路上。該MOS控制晶體管形成于區(qū)24a和22b之間，并由柵極G2控制。接通與Tmos2串聯(lián)的Tmos1使得發(fā)射極電流流過(guò)Tpnp1，然后轉(zhuǎn)換足夠的集電極電流進(jìn)入Tnpn，在兩者之間用反饋的閉鎖動(dòng)作將后者接通。同時(shí)，接通IGBT 60，而主電流通路Ipnp通過(guò)Tpnp2被完成。將會(huì)注意到，在G2/G1處的啟動(dòng)兩個(gè)MOSFET導(dǎo)通所需的電壓大于Tpnp2單獨(dú)所需要的電壓。一旦閘流晶體管部分70被閉鎖，G2失去控制，但是如果在G1/G2上的電壓下降至陰極電勢(shì)，將關(guān)閉IGBT，斷開(kāi)主電流通路并使閘流晶體管開(kāi)鎖。
圖12說(shuō)明了在圖1中橫剖面上所顯示的該類型器件如何在三維空間實(shí)現(xiàn)。圖12a顯示了一個(gè)普通的多邊形N阱22如何能放在普通的多邊形P阱20中。為簡(jiǎn)化表示，在圖12a中忽略了其它的器件特性。可替換的是P阱和N阱兩者的表面部分都可以為圓形的。
在N阱22中，單獨(dú)的小凹處(dell)(沒(méi)有顯示)可以是圓形的、多邊形的、條帶狀的或是這些形式的組合。
圖12b顯示了一個(gè)器件，包括多個(gè)P阱20/N阱22結(jié)構(gòu)，每個(gè)結(jié)構(gòu)含有一個(gè)單元簇30。
已經(jīng)解釋了圖1器件的基本操作，下面對(duì)它的操作參數(shù)的一些特性進(jìn)行更詳細(xì)地討論。接通狀態(tài)性能當(dāng)一個(gè)大于閾值電壓的正偏壓施加至柵極G1和G2上時(shí)，陰極MOSFET被接通，并供給電子通過(guò)Tmos1進(jìn)入N-漂移區(qū)24。當(dāng)陽(yáng)極電壓大于雙極接通設(shè)定電壓時(shí)，從陽(yáng)極注入空穴。但是，在IGBT或EST的情況下，沒(méi)有通路讓空穴直接流進(jìn)陰極區(qū)。結(jié)果，P阱區(qū)20的電勢(shì)增加。
用作為Tnpn發(fā)射極的N區(qū)22的濃度，在器件的接通中扮演一個(gè)重要的角色，并大于產(chǎn)生空穴勢(shì)壘所需要的臨界極限，如同在電荷存儲(chǔ)IGBT(CS-IGBT)的情況下。當(dāng)控制柵極G1/G2接通時(shí)，N阱22是通過(guò)形成在N阱區(qū)的累積區(qū)和在P基區(qū)32中的反向溝道32a，32b與陰極電勢(shì)連接在一起的。隨著P阱20電勢(shì)的增加，晶體管Tnpn1被接通。這導(dǎo)致了閘流晶體管的啟動(dòng)。電流飽和特性通常，閘流晶體管70的接通發(fā)生在控制MOSFET的飽和狀態(tài)出現(xiàn)之前。一旦MOSFET飽和，N阱/P阱(22+20)的電勢(shì)增加。這種電勢(shì)的增加導(dǎo)致了P基極32/N阱22耗盡區(qū)的增強(qiáng)。由于N阱22的濃度低于P基極32，所以耗盡主要移進(jìn)N阱區(qū)。在某一設(shè)計(jì)電壓下(由摻雜濃度、N阱深度、P基極的深度和MOS溝道飽和特性決定的)，耗盡接觸P阱/N阱結(jié)23，而在此處，器件變成箝位。自箝位特性確保陽(yáng)極電勢(shì)的任何進(jìn)一步的增加只會(huì)通過(guò)P阱/N漂移區(qū)(20+24)下降。正向阻塞對(duì)于給定的技術(shù)，器件的正向阻塞電壓容量明顯高于平面IGBT中的，因?yàn)槌嗽谄骷倪吘壨?，P阱/N漂移區(qū)結(jié)21是平面-并行的。另外，在傳統(tǒng)的IGBT中，因?yàn)檩^深的P+區(qū)，耗盡區(qū)實(shí)質(zhì)上移進(jìn)了N漂移區(qū)。但是在簇IGBT中，對(duì)于一個(gè)給定的阻塞電壓，由P阱20分享電勢(shì)導(dǎo)致了一個(gè)低峰值電場(chǎng)。因此，對(duì)于一個(gè)給定的阻塞能力，圖1中用于簇閘流晶體管器件的晶片比傳統(tǒng)的IGBT的晶片更薄。這對(duì)于正向電壓降、切換性能、熱特性和穩(wěn)定性都具有一個(gè)直接的和有益的意義。
對(duì)于一個(gè)給定的擊穿電壓(BV)，該器件可以按兩種方式設(shè)計(jì)(a)當(dāng)P阱20濃度高時(shí)，通在P阱/N漂移區(qū)(20+24)上整個(gè)阻塞電壓下降。
(b)當(dāng)P阱20濃度低時(shí)，隨著陽(yáng)極偏壓的增加，P阱層得到耗盡。然后，，在N阱(22)/P基極(32/34)結(jié)上任何進(jìn)一步的電壓增加都下降。由于器件用“自鉗位”特性設(shè)計(jì)，所以N阱/P基極耗盡區(qū)延伸進(jìn)入P阱，由此，阻止了N阱(22)內(nèi)電勢(shì)的任何進(jìn)一步的增加。切斷該器件的切斷性能類似于IGBT的切斷性能。當(dāng)控制柵極G2切斷時(shí)，通過(guò)P基極/N阱(32+34/22)的電勢(shì)增加，直至出現(xiàn)自鉗位。一旦出現(xiàn)鉗位，P阱(20)廣泛的特性使空穴有效地被收集在P基區(qū)(32+34)中。單元的對(duì)稱特性和緊密堆積確保了器件的電流流動(dòng)在所有情況下都是均勻的，這與MCT不同。不同于EST，自鉗位確保了通過(guò)控制MOSFET的電壓在自鉗位電壓之外不增加。
簇IGBT/閘流晶體管與其它結(jié)構(gòu)有何不同呢？簇IGBT/閘流晶體管器件完全不同于傳統(tǒng)的IGBT。在IGBT的情況下，需要一個(gè)較深的P+區(qū)以抑制寄生的阻塞(latch-up)，并達(dá)到所需要的阻塞電壓能力。但是，需要較深的P+區(qū)使得陰極單元與簇IGBT/閘流晶體管相比更大。例如，基于3微米的設(shè)計(jì)規(guī)則，一個(gè)DMOS IGBT的最小的陰極單元尺寸大約是36微米，而對(duì)于一個(gè)基于CMOS工藝的簇IGBT/閘流晶體管的陰極單元是15微米。通過(guò)選擇次微米細(xì)線[F-L]光刻技術(shù)，也有可能減小IGBT的陰極單元。在FL-IGBT和FL-EST的情況下，薄膜氧化物延伸至JFET區(qū)之上。這些器件的優(yōu)良的正向阻塞安全操作區(qū)域FBSOA特性，在靜態(tài)條件下已經(jīng)得到了證實(shí)。但是，在感應(yīng)負(fù)載切換條件下，同時(shí)存在高電流和高電壓同時(shí)存在的地方，即使短路性能很差，該器件的這些特性仍然有待全部證實(shí)。可以認(rèn)為，在這些條件下，F(xiàn)L-IGBT或FL-EST將會(huì)失效了。
另外，模擬表明，相鄰單元之間6微米的距離對(duì)簇-IGBT/閘流晶體管的良好性能是適合的。在一個(gè)IGBT的情況下，最佳的尺寸取決于單元幾何形態(tài)和阻塞能力，對(duì)于大于2kV額定值的器件通常大于25微米。
簇IGBT/閘流晶體管的性能優(yōu)于DMOS-IGBT。
另外，實(shí)施本發(fā)明的這種器件結(jié)構(gòu)在兩個(gè)方面明顯不同于EST，例如公開(kāi)在美國(guó)專利USP5,293,054中的EST。首先，一個(gè)電荷控制的其導(dǎo)電性調(diào)制發(fā)生在接通狀態(tài)下的N發(fā)射區(qū)，將P基極和P阱區(qū)分離。在這種方式下，這種器件也不同于上面提到的由Shekar等人報(bào)道的溝EST，這種溝EST使用一個(gè)重?fù)诫s的N+漂移發(fā)射區(qū)。在上面提到的所有EST中，達(dá)到電流飽和只是控制MOSFET飽和的結(jié)果。但是，控制MOSFET通常是低電壓的MOSFET，結(jié)果，當(dāng)N+漂移發(fā)射區(qū)的電勢(shì)增加至超過(guò)控制MOSFET的擊穿電壓時(shí)，器件將會(huì)失效。在簇IGBT/閘流晶體管中，除了串聯(lián)的MOS溝道飽和之外，還存在自鉗位特性。結(jié)果，即使在切換條件下，陰極區(qū)的電勢(shì)沒(méi)有超過(guò)設(shè)計(jì)的自鉗位電壓。這個(gè)鉗位電壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于MOSFET擊穿電壓。
簇IGBT與FiBS有何不同呢？(a)與上面描述的簇IGBT/閘流晶體管器件不同，F(xiàn)iBS中的器件單元是不對(duì)稱的。
(b)對(duì)于一個(gè)給定區(qū)域和數(shù)量的陰極單元，在簇IGBT/閘流晶體管中的N+陰極和控制溝道的數(shù)量是FiBS中的兩倍。結(jié)果，與FiBS相比，該器件應(yīng)該在正向電壓降的性能上顯示出明顯的改進(jìn)。
(c)FiBS是一個(gè)三柵極控結(jié)構(gòu)。一個(gè)NMOS柵極用于控制接通，這與EST的方式相似；一個(gè)PMOS柵極用于控制關(guān)閉。第三個(gè)柵極用于接通器件，這與簇IGBT一樣。在PMOS柵極上的電壓在切換過(guò)程中確定擊穿。
(d)如美國(guó)專利USP 5,286,981所述的FiBS的處理，與簇IGBT有很大不同。
(e)“DMOS FiBS”使用了重?fù)诫s的N++發(fā)射極。這在簇IGBT/閘流晶體管中沒(méi)有。
(f)飽和機(jī)理與簇IGBT/閘流晶體管的飽和機(jī)理十分不同。也就是說(shuō)，在FiBS的情況下，通過(guò)接通PMOS器件來(lái)達(dá)到飽和。在所描述的簇IGBT/閘流晶體管的情況下，通過(guò)自鉗位達(dá)到電流飽和。
也就是說(shuō)，由于P基極/N阱結(jié)是反向偏壓的，耗盡區(qū)已提高到P基區(qū)之下，并與P阱接觸。當(dāng)?shù)竭_(dá)時(shí)，在該單元上的電勢(shì)被鉗位，并且P阱/N漂移結(jié)維持電壓的任何進(jìn)一步增加。
(g)制造IGCT/FiBS需要外延層。簇IGBT可以使用P阱、N阱和P基極的三種擴(kuò)散來(lái)形成。
(h)簇IGBT/閘流晶體管可以使用CMOS工藝來(lái)制作，在CMOS程序開(kāi)始之前，增加使用一些擴(kuò)散。制作FiBS的工藝不是這樣。
結(jié)果，基于CMOS或類似物，可以在該器件的柵極襯墊(pad)區(qū)集成柵極控制電路。電流傳感和柵極保護(hù)電路也可以在簇級(jí)或器件級(jí)上集成。另外，隨著載流子壽命的下降，N阱濃度可被增加以減少正向電壓降。
上面描述的簇陰極單元配置也可以應(yīng)用到雙極/MOS系列的其它器件上。這種器件的例子將在下面給出。簇EST通過(guò)向圖1中基本的簇IGBT/閘流晶體管結(jié)構(gòu)中加入較深的P+隔離，器件的操作可能會(huì)產(chǎn)生很大的不同。在此情況下，器件的操作與簇EST相似。圖2的橫剖面中所示的一個(gè)例子，與圖1中的相同，但增加了一個(gè)特征。因此，下面的描述將限制在增加的特征和它的操作效果上。
正如從圖2中可以看出的，一個(gè)單獨(dú)的P+隔離區(qū)50被加到了圖1中的簇IGBT/閘流晶體管中。它從表面18上擴(kuò)散，并通過(guò)N阱22延伸至P阱20。區(qū)50是與一個(gè)共同的陰極單元金屬噴鍍40相連。結(jié)果，除了陰極的電勢(shì)外，P阱20不再浮動(dòng)。與圖1和圖1a的器件比較，圖2中器件的正向特性有很大不同。這是因?yàn)?，?dāng)陽(yáng)極/N漂移區(qū)(14/24)是正向偏壓，而且G1、G2是接通時(shí)，空穴被注入器件?，F(xiàn)在這些空穴流向P+隔離區(qū)50。取決于P阱20的電阻，該空穴電流的流動(dòng)將導(dǎo)致P阱20和N阱22之間的結(jié)23被接通。當(dāng)這種現(xiàn)象發(fā)生時(shí)，包括N阱22/P阱20/N-漂移區(qū)24的NPN晶體管被接通，導(dǎo)致一個(gè)MOS控制的發(fā)射極切換的閘流晶體管的形成。
這種改進(jìn)的結(jié)果是，可能增加了在區(qū)22a處這些單元之間的N阱22的濃度。另外，與其它的EST結(jié)構(gòu)相比，由于前面描述的自鉗位特性，簇EST不會(huì)遭受控制MOSFET的擊穿。簇絕緣基EST(IBEST)簇EST的正向特性取決于P阱20的電阻。如果P阱的電阻低，則閘流晶體管的接通電壓就很高。為了克服這個(gè)局限性，可能按照?qǐng)D3所示的配置制做器件。該器件除了一個(gè)增加的特征外，其它結(jié)構(gòu)與圖1的結(jié)構(gòu)相同。下面的描述將限制在增加的特征和它的操作效果上。
在圖3的器件中，與圖2類似地提供的P+隔離區(qū)50。它隔離了P阱20中的簇陰極單元30。然而，對(duì)隔離區(qū)50的處理與圖2中的有所不同。與到達(dá)P阱20的區(qū)50的擴(kuò)散相聯(lián)系，N+區(qū)52擴(kuò)散到相鄰的表面18上，與相鄰的N阱22的表面部分22a和區(qū)50本身相交。如此形成的P+/N+結(jié)是不整流的，并由與金屬噴鍍40隔開(kāi)的金屬噴鍍54覆蓋，因此形成了浮動(dòng)的電阻觸點(diǎn)(FOC)。該FOC通過(guò)N+區(qū)52c將P+區(qū)50與N阱22相連。這個(gè)可浮動(dòng)的電阻觸點(diǎn)不與任何器件的電極端子相連，因此，該器件仍然是三端的器件。
圖3中的器件操作如下。當(dāng)柵極G1，G2接通時(shí)，電子流入N漂移區(qū)24。該FOC的作用就像電子—空穴轉(zhuǎn)換器。由于P阱20目前是浮動(dòng)的，P阱的電勢(shì)增加，而由于N阱22受P阱的電勢(shì)牽制，通過(guò)控制MOSFET的電壓降增加。結(jié)果，電子電流流動(dòng)增加。隨著N阱/P阱電勢(shì)的增加，通過(guò)P基極/N阱(32/22)的電壓降增加，直到出現(xiàn)自箝位。
在溝柵極MOS中使用陰極單元簇的IGBT/閘流晶體管的實(shí)施如圖4所示。所示的是一個(gè)NPT結(jié)構(gòu)。該圖也說(shuō)明了隔離區(qū)的形成。
圖4中的具有與在圖1中的同樣或類似功能的層和區(qū)域用同樣的參考數(shù)字加上“100”來(lái)表示。
圖4中的器件110包括一個(gè)使用P+基底112的半導(dǎo)體主體，基底112提供了一個(gè)共同的陽(yáng)極區(qū)，在此形成一個(gè)陽(yáng)極觸點(diǎn)116。N漂移區(qū)124位于陽(yáng)極區(qū)的上方，并延伸至在126的反面118上。該器件還包括P阱120，N阱122被安置在其內(nèi)并與區(qū)124垂直隔開(kāi)并與其延伸至126處的表面橫向隔開(kāi)。P阱120的表面相鄰部分120b在其相鄰的部分126和122a之間提供了一個(gè)溝道，該溝道被Gate2覆蓋。圖4中的柵極氧化物用黑色表示。
如果瞬間忽略標(biāo)注為Pwell2的區(qū)的存在，將會(huì)看出N阱包括一個(gè)陰極單元簇130，其中顯示了三個(gè)單元。每個(gè)單元都具有同樣的對(duì)稱結(jié)構(gòu)。單元是形成在一個(gè)單一的P基區(qū)132內(nèi)，該P(yáng)基區(qū)132與每個(gè)單元的柵極結(jié)構(gòu)相交。以左邊的單元為例，柵極結(jié)構(gòu)包括從表面126延伸到N阱區(qū)122的溝槽。
多晶硅柵極Gate1被安置在該溝中，并通過(guò)柵極氧化物138與相鄰的硅材料隔離。相鄰該表面N+區(qū)136a和136b在P-基極材料132中形成。區(qū)132a和132b分別提供了MOSFET溝道，每個(gè)MOSFET都具有一個(gè)源極136a或136b和一個(gè)在柵極旁邊的N阱122的部分122a上的漏極。同圖1中一樣，Gate1控制著從陰極/源極觸點(diǎn)金屬噴鍍140到N阱的導(dǎo)通。在圖4中，陰極觸點(diǎn)是由延伸到各個(gè)源極區(qū)136a、136b中的金屬噴鍍提供的，將注意到，在表面118上，該觸點(diǎn)跨接N+區(qū)136a、136b和P基極134之間的PN結(jié)。
在工作的器件中，觸點(diǎn)金屬噴鍍被互連的以形成共同的陰極端子，并且所有Gate1多晶硅是通過(guò)金屬噴鍍相互連接的(沒(méi)有顯示)。因此，陰極單元相對(duì)于陽(yáng)極是并行的。到此為止，所描述的結(jié)構(gòu)操作基本上同圖1和圖1a中描述的一樣。
現(xiàn)在轉(zhuǎn)向包括Pwell2的提供，這是一個(gè)P+摻雜區(qū)156，通過(guò)P基區(qū)134延伸至N阱122。它通過(guò)陰極金屬噴鍍140被接觸，并導(dǎo)致了一個(gè)分離區(qū)域在該區(qū)域取得了自箝位。設(shè)置在P阱任一側(cè)面的柵極不需要相互連接，而是可以分別地被電連接。
另一種改型如虛線所示，其中Pwell2被形成為一個(gè)較深的區(qū)158，穿透進(jìn)入P阱區(qū)120并與其相連。這里區(qū)158的作用就像圖2中的區(qū)50一樣是一個(gè)隔離區(qū)，并且該器件成為一個(gè)EST。
圖5顯示了一個(gè)陽(yáng)極柵極控器件，其中，當(dāng)柵極1接通時(shí)，柵極2關(guān)閉，反之亦然。
本發(fā)明也可以應(yīng)用于其它的雙極/MOS結(jié)構(gòu)。這些結(jié)構(gòu)包括那些可以被稱作“類垂直”的器件和橫向的器件。這種器件的例子現(xiàn)在將參考圖6-11給出。在此將不再重復(fù)與前面描述的器件基本相同的那些器件結(jié)構(gòu)特征。
現(xiàn)在所描述的所有器件可以以任意技術(shù)制作，例如結(jié)隔離(JI)，電介質(zhì)隔離法(DI)，雙外延層電介質(zhì)隔離法(DELDI)。所有的器件優(yōu)選使用RESURF(表面電場(chǎng)降低)技術(shù)以獲得橫向的擊穿電壓。如同已經(jīng)描述的器件，使用一個(gè)簇陰極單元結(jié)構(gòu)。簇的主要作用原理是提供一個(gè)層，例如主要的N阱，其作用就像空穴的阻擋層。該技術(shù)用于所要描述的所有器件中。
圖6顯示了一個(gè)在N阱222中具有陰極單元簇230的器件。該結(jié)構(gòu)是溝槽柵結(jié)構(gòu)，其主要特征與圖4中的相仿，但不包括Pwell2區(qū)。在圖6中提供了一個(gè)橫向的陽(yáng)極結(jié)構(gòu)，位于N漂移區(qū)224的延伸面221至表面218的上表面218處。這個(gè)陽(yáng)極結(jié)構(gòu)包括一個(gè)擴(kuò)散至區(qū)226的N緩沖區(qū)262以防止擊穿現(xiàn)象發(fā)生。一個(gè)橫向的陽(yáng)極P+區(qū)214′被擴(kuò)散進(jìn)入緩沖區(qū)262中，并在那里形成了一個(gè)陽(yáng)極觸點(diǎn)216′。該器件在底面保留了陽(yáng)極結(jié)構(gòu)214、216。陽(yáng)極216和216′可以被連接在一起或分開(kāi)。底面的陽(yáng)極也可以被省略，因此只提供一個(gè)橫向的陽(yáng)極。在這種情況下，P+基底也可以被省略。
所示的作為溝槽的Gate1可用平面型代替。所示的作為平面的Gate2可用溝槽代替。陰極(C)可以是240中的平面金屬噴鍍或溝槽。
陰極結(jié)構(gòu)中可選的添加項(xiàng)是在成對(duì)的相鄰N+源極區(qū)236a和236b之間提供一個(gè)P+區(qū)264，相關(guān)的陰極觸點(diǎn)C延伸超出了P+區(qū)和N+區(qū)之間的界限，并在那里突現(xiàn)在表面上。
圖6也用于說(shuō)明了三個(gè)其它的可選特征，這些特征可以在N阱222內(nèi)的橫向區(qū)域280中被提供。這些在圖6-6C中說(shuō)明。
圖6a顯示了將P阱256加入至N阱222中，但是太淺以至于不能接觸到主結(jié)構(gòu)中的P阱220。在該附加的阱上優(yōu)選通過(guò)一個(gè)P+擴(kuò)散257制作一個(gè)陰極觸點(diǎn)C。這就提供了一個(gè)單獨(dú)的區(qū)域以實(shí)現(xiàn)自箝位。圖6b和6c的可選特征分別導(dǎo)致形成了ETS和IBEST器件。
圖6b顯示了一個(gè)深的P+阱258，其向下延伸接觸到主結(jié)構(gòu)中的P阱220，以提供一個(gè)如圖4所示的158這樣的隔離區(qū)。圖6c顯示了一個(gè)類似的深的P+阱258′，其延伸穿透并接觸到P-阱220，但還適合作為浮現(xiàn)電阻觸點(diǎn)(FOC)，如涉及圖3的實(shí)施例中所描述的。相鄰N+區(qū)252的淺表面與區(qū)258′形成了一個(gè)非整流流結(jié)，并且這些區(qū)和這些結(jié)被金屬噴鍍254覆蓋。
圖7顯示了對(duì)圖6的陰極單元結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步修改。這里的P+區(qū)264是在266處垂直向下延伸進(jìn)入N-阱區(qū)220的，以提供一個(gè)單獨(dú)的自箝位區(qū)域。該結(jié)構(gòu)與圖6中的不同。陽(yáng)極1和陽(yáng)極2可以連接在一起或分開(kāi)，柵極1和陰極都可以是平面的或溝槽的。
圖8顯示了對(duì)圖6器件的進(jìn)一步修改，在這個(gè)修改中，在圖6中控制P阱220中溝道區(qū)220b的Gate2被浮動(dòng)電阻觸點(diǎn)所取代，以提供一個(gè)從N漂移區(qū)224到N阱區(qū)222的一個(gè)電子通路。在表面226上突現(xiàn)的P-阱220的部分220B被制成P+，而相鄰的N阱222的部分222a被制成N+，并用金屬噴鍍觸點(diǎn)25A將二者進(jìn)行跨接。N+區(qū)222a與簇單元結(jié)構(gòu)被橫向隔開(kāi)。參照?qǐng)D6描述的其它可選更改同樣也適用于圖8。圖8中的器件可以在P+基底上，但不是必須的。
圖9顯示了圖1器件的橫向圖。將會(huì)看出，圖9中基本確定了與半導(dǎo)體主體310的上表面318相鄰的結(jié)構(gòu)。該主體具有最下部的P區(qū)320，在P區(qū)320的上面，最初形成了一個(gè)N區(qū)，進(jìn)入該區(qū)后，從上表面318執(zhí)行了后續(xù)的過(guò)程操作。按橫向順序，該器件具有擴(kuò)散的P+陽(yáng)極區(qū)314，在其上制成了陽(yáng)極觸點(diǎn)316。P+區(qū)自身擴(kuò)散進(jìn)入一個(gè)更大范圍的N緩沖區(qū)320之中，然后被擴(kuò)散進(jìn)入被橫向分成兩個(gè)相隔部分的最初的N區(qū)。首先是一個(gè)N漂移區(qū)322，其次是一個(gè)N漂移區(qū)324。但是，漂移區(qū)324具有在其中形成的陽(yáng)極結(jié)構(gòu)，區(qū)322具有在其中形成的陰極結(jié)構(gòu)330。這兩個(gè)區(qū)是隔離的，但是通過(guò)一個(gè)MOSFET可控制地連接在一起。
在區(qū)322和324之間，一個(gè)P+隔離區(qū)358被擴(kuò)散，延伸并穿透下面的P區(qū)320。區(qū)358分離了兩個(gè)漂移區(qū)。在它們之間的電子流動(dòng)被一個(gè)MOSFET控制。該MOSFET具有一個(gè)形成于柵極氧化物342之上的柵極Gate2。Gate2延伸越過(guò)322和324兩個(gè)區(qū)以及在表面318上的區(qū)358。在Gate2下面提供一個(gè)N注入物(implement)359以通過(guò)P+區(qū)延伸進(jìn)入N漂移區(qū)的相鄰部分。該N注入物減少了Gate2下溝道中的多數(shù)載流子濃度，因此，降低了接通MOSFET晶體管所需的閾值電壓。
形成在N漂移區(qū)322中的簇陰極單元結(jié)構(gòu)330將在此進(jìn)行描述。它同參考圖4所描述的類似，其中具有一個(gè)P基區(qū)332，在P基區(qū)332中形成有陰極單元以控制地與N漂移區(qū)322連接。簇330中的每個(gè)單元包括一個(gè)溝槽柵極Gate1，該Gate1控制在N+源極區(qū)336a、336b和N漂移區(qū)322之間的電傳導(dǎo)。溝槽柵極通過(guò)存在334a、334b溝道的基區(qū)332延伸進(jìn)入N漂移區(qū)322，該N漂移區(qū)322形成了每個(gè)MOSFET溝道的漏極322a。在區(qū)336a、336b上制成了源極(陰極)觸點(diǎn)C，(每個(gè)觸點(diǎn)的金屬噴鍍跨接N+區(qū)和P基區(qū)332之間的結(jié)，P基區(qū)332突現(xiàn)在表面314上)。
實(shí)際上，陰極觸點(diǎn)C是互連的，如同多晶硅溝槽柵極Gate1，因此，這些陰極單相對(duì)于陽(yáng)極是并行的。Gate2可以與Gate1相連或單獨(dú)連接。Gate1可以以平面的形式，也可以按溝槽形式實(shí)現(xiàn)。陰極C可以是溝槽式的，也可選擇為平面式的。N漂移區(qū)324可以具有不同的厚度或在N漂移區(qū)322中具有不同的摻雜。區(qū)324被使用以使用RESURF來(lái)維持擊穿電壓。圖9中的器件顯示出優(yōu)異的接通狀態(tài)下的特性和高的面積效率。
圖10顯示了圖9中的橫向器件的改進(jìn)。陽(yáng)極漂移區(qū)324在其并入了Gate2的表面上具有一個(gè)浮動(dòng)電阻觸點(diǎn)。該FOC的P+、N+區(qū)343、345在一個(gè)淺P阱341內(nèi)形成，并通常被浮動(dòng)觸點(diǎn)金屬噴鍍354短接。將注意到，N+區(qū)345被安置在朝著N注入359的方向，而且Gate2延伸越過(guò)區(qū)345。這促進(jìn)了電子注入MOSFET溝道，導(dǎo)致了降低的接通狀態(tài)下的電阻。
圖10也顯示了進(jìn)一步可選擇的改進(jìn)，對(duì)應(yīng)于圖6所顯示的264。相鄰陰極單元的相鄰的N+源極區(qū)通過(guò)一P+區(qū)364被連接，并通過(guò)一共同的陰極觸點(diǎn)被接觸。這導(dǎo)致了更多的電傳導(dǎo)溝道，因此較高的電流通過(guò)該器件。
圖11顯示了圖8器件的另一項(xiàng)改進(jìn)。它顯示了對(duì)前面段落中提及的陰極結(jié)構(gòu)的可選擇的更改，但是更重要地是顯示了如前面描述的以溝槽形式實(shí)現(xiàn)的Gate2。該柵極延伸進(jìn)入P區(qū)320和在柵極附近的區(qū)320c中形成增強(qiáng)型模式的溝道，同時(shí)N漂移區(qū)324、322分別形成了與提供源極和漏極。
權(quán)利要求
1.一種半導(dǎo)體器件，包括至少一個(gè)單元，包括一個(gè)第一導(dǎo)電型的基區(qū)，在其中至少配置了一個(gè)第二導(dǎo)電型的發(fā)射區(qū)；一個(gè)第二導(dǎo)電型的第一個(gè)阱區(qū)；一個(gè)第一導(dǎo)電型的第二個(gè)阱區(qū)；一個(gè)第二導(dǎo)電型的漂移區(qū)；一個(gè)第一導(dǎo)電型的集電區(qū)；一個(gè)集電極接點(diǎn)；其中，每個(gè)單元安置在第一個(gè)阱區(qū)內(nèi)，而第一個(gè)阱區(qū)安置在第二個(gè)阱區(qū)內(nèi)；該器件還包括第一柵極，該第一柵極安置在一個(gè)基區(qū)的上方，以使在發(fā)射區(qū)和第一個(gè)阱區(qū)之間形成一個(gè)MOSFET溝道；該器件還包括第二柵極，該第二柵極安置在第二個(gè)阱區(qū)之上，以使在第一個(gè)阱區(qū)和漂移區(qū)之間形成一個(gè)MOSFET溝道；其中這樣構(gòu)造該器件以使在器件工作過(guò)程中，在基區(qū)和第一個(gè)阱區(qū)之間的結(jié)處的一耗盡區(qū)可以延伸至第一個(gè)阱區(qū)和第二個(gè)阱區(qū)之間的一結(jié)處，因此，基本將第一個(gè)阱區(qū)的電勢(shì)與集電極觸點(diǎn)處任何電勢(shì)的增加相隔離，以使該器件可被關(guān)閉而不必在基區(qū)和第二個(gè)阱區(qū)之間形成一個(gè)MOSFET溝道。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的一種器件，其中許多基區(qū)安置在第一個(gè)阱區(qū)內(nèi)，每個(gè)基區(qū)至少有一個(gè)發(fā)射極安置在其中。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或權(quán)利要求2的一種器件，其中該單元或該些單元關(guān)于一個(gè)延伸通過(guò)第一個(gè)阱區(qū)的垂直軸是基本對(duì)稱的。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3任一項(xiàng)的絕緣柵極雙極晶體管類型的器件，其中接通狀態(tài)的電傳導(dǎo)主要通過(guò)一個(gè)包括第一個(gè)阱區(qū)、第二個(gè)阱區(qū)、漂移區(qū)和集電區(qū)的閘流晶體管進(jìn)行。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至3任一項(xiàng)的發(fā)射極切換的閘流晶體管類型的器件，還包括一個(gè)第一種導(dǎo)電型的重?fù)诫s的隔離區(qū)，它與第二個(gè)阱區(qū)相接觸，并直接和基區(qū)和發(fā)射區(qū)電接觸。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至3任一項(xiàng)的絕緣基發(fā)射極切換的閘流晶體管類型的器件，還包括一個(gè)第一種導(dǎo)電型的重?fù)诫s隔離區(qū)，它與第二個(gè)阱區(qū)相接觸，該隔離區(qū)具有一個(gè)形成于其上的浮動(dòng)電阻觸點(diǎn)，以形成與第一個(gè)阱區(qū)直接的電接觸。
全文摘要
公開(kāi)了一種半導(dǎo)體器件包括:至少一個(gè)單元,該單元包括一個(gè)第一種導(dǎo)電型的基區(qū)(32),在其中至少配置了一個(gè)第二種導(dǎo)電型的發(fā)射區(qū)(36a、36b);一個(gè)第二種導(dǎo)電型的第一個(gè)阱區(qū)(22);一個(gè)第一種導(dǎo)電型的第二個(gè)阱區(qū)(2a);一個(gè)第二種導(dǎo)電型的漂移區(qū)(24);一個(gè)第一種導(dǎo)電型的集電區(qū)(14);一個(gè)集電極接點(diǎn)(16),其中每一個(gè)單元放置在第一個(gè)阱區(qū)(22)中,而第一個(gè)阱區(qū)(22)放置在第二個(gè)阱區(qū)(20)中;該器件還包括:第一個(gè)柵極(61),安置在基區(qū)(32)上,以使一個(gè)MOSFET溝道可以在發(fā)射區(qū)(36a、36b)和第一個(gè)阱區(qū)(22)之間形成;該器件還包括:第二個(gè)柵極,安置在第二個(gè)阱區(qū)(20)之上,以使一個(gè)MOSFET溝道可以在第一個(gè)阱區(qū)(22)和漂移區(qū)(24)之間形成。
文檔編號(hào)H01L29/78GK1373905SQ0081267
公開(kāi)日2002年10月9日 申請(qǐng)日期2000年9月7日 優(yōu)先權(quán)日1999年9月8日
發(fā)明者?？ɡつ抢瓉喣小ぐ？退埂溸_(dá)塞爾 申請(qǐng)人:德蒙特福特大學(xué)