CN1421933A - 一种功率型多晶硅发射极晶体管 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种功率型多晶硅发射极晶体管。在上层为N^－型高电阻率层，下层为N⁺型低电阻率层的硅衬底片的上表面有多个高掺杂浓度发射区，发射区的上面连接掺杂多晶硅层，掺杂多晶硅层与发射极金属层连接，每个发射区的周围有基区，基区中间有掺杂浓度比基区高的浓基区，浓基区与基极金属层相连，硅衬底片的下层为集电极，集电极的下表面与集电极金属层相连，浓基区的深度大于基区。本功率型多晶硅发射极晶体管具有抗雪崩能力强，可靠性高的突出特点，特别适合中等开关速度而瞬间功率很高的应用场合。

Description

一种功率型多晶硅发射极晶体管

技术领域

本发明涉及一种晶体管，特别涉及一种功率型多晶硅发射极晶体管，属于硅半导体器件技术领域。

背景技术

功率型多晶硅发射极晶体管具有速度快、电流均匀，稳定可靠的优点。图1所示的中国发明专利00100761.0就是这样的一种晶体管。在该发明中，功率型多晶硅发射极晶体管被称为联栅晶体管。它的基本结构是这样的：下层为N⁺型低电阻率层42，上层为N^-型高电阻率层41，在硅衬底片4的上表面上有数个N⁺型发射区3，在每个发射区3的周围有P型基区11，基区11的侧面连着比其深度更大的P⁺型浓基区6，N⁺型掺杂多晶硅层9作为发射极，与发射区上表面上的发射极金属层1相连接。硅衬底片位于基区以下的部分为集电区，其下层为集电极，集电极的下表面与集电极金属层8相连。

上述联栅晶体管中P⁺型浓基区6的深度比P型基区11深，这虽然给该种晶体管带来开关速度快的优点，同时也会造成抗雪崩击穿能力弱的严重问题。中等开关速度瞬态高功率的应用场合对晶体管抗电热雪崩击穿的要求很高。已有技术抗雪崩能力差的弱点严重限制了功率型多晶硅发射极晶体管的应用。

另外，功率型多晶硅发射极晶体管在导通时，发射极电流是纵向流动的。发射极电流从发射区流经基区到达集电区，基本上不经过浓基区，所以P⁺型浓基区应该尽量设计得窄些，一般只有3～5微米。P⁺型浓基区向N^-型衬底处凸伸，其曲率半径很小，因此会造成P⁺N^-结棱角处的电场集中。另一方面，当晶体管由导通向关断状态切换时，基极电流由P型基区横向流经P⁺型浓基区的部分侧面，汇集抽出到基极金属层。除了传导电流外，在切换时，PN结的空间电荷区扩展产生的位移电流也会横向流动，经P⁺型浓基区的部分侧面汇集抽出到基板金属层，而且P⁺N^-结的空间电荷区也同时扩展，产生位移电流。P⁺N^-结凸伸到N^-型衬底的半径很小，所以P⁺N^-结的位移电流也发生棱角集中。在P⁺N^-结与PN^-结的冶金学意义上的交界处，以及在P⁺N^-结曲率半径很小的圆角处，传导电流与位移电流的总和的电流密度最大，于是该处的电场强度也很大。这种情况很容易导致雪崩击穿。

总而言之，较深的浓基区和较浅的基区的交界处，以及在浓基区的圆角处既是静电造成的棱角电场集中区，又是切换时由于电流密度最大造成的电场集中区。由于这一区域的存在，使得现有的功率型多晶硅发射极晶体管的抗雪崩能力不强。

发明内容

本发明的目的在于提供一种新型的功率型多晶硅发射极晶体管。该种晶体管对现有的功率型多晶硅发射极晶体管的结构进行了改进，使之抗雪崩的能力增强，可靠性提高。

为实现上述的发明目的，本发明采用下述的技术方案：

一种功率型多晶硅发射极晶体管，在上层为N^-型高电阻率层，下层为N⁺型低电阻率层的硅衬底片的上表面有多个高掺杂浓度发射区，所述发射区的上面连接掺杂多晶硅层，所述掺杂多晶硅层与发射极金属层连接，每个发射区的周围有P型基区，所述P型基区中间中间有掺杂浓度比所述P型基区高的P⁺型浓基区，所述P⁺型浓基区与基极金属层相连，硅衬底片的下层为集电极，所述集电极的下表面与集电极金属层相连，其特征在于：

所述P⁺型浓基区的深度小于所述P型基区；

所述P⁺型浓基区的底部和侧面与所述P型基区相接触。

本发明所述的功率型多晶硅发射极晶体管具有抗雪崩能力强，可靠性高的突出特点，，特别适合中等开关速度而瞬间功率很高的应用场合。

附图说明

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

图1为中国发明专利00100761.0所述的联栅晶体管的结构图。

图2为本发明所述的功率型多晶硅发射极晶体管的一个实施例的具体结构图。

图3为本发明所述的功率型多晶硅发射极晶体管的另一个实施例的具体结构图。

图4为本发明所述的功率型多晶硅发射极晶体管的又一个实施例的具体结构图。

具体实施方式

在图1所示的功率型多晶硅发射极晶体管的这个实施例中，硅衬底片4的下层42为集电极，它的厚度为420微米，电阻率为0.01欧姆·厘米的N⁺型硅。上层41为厚度是70微米，电阻率是30欧姆·厘米的N^-型硅。在硅衬底片4的上表面开有多条互相平行，并且等间距的长条形槽5，槽宽为3微米、深2.5微米，两个相邻的槽的间距为10微米。硅衬底片上层41的上表面通过硼离子的注入和扩散形成P型基区11。硼的表面浓度为5E17/厘米³，结深为6微米。硅衬底片41在P型基区的下面部分为集电区。通过选择性的离子注入，在槽底注入硼离子并加以推进形成P⁺型高掺杂浓基区6。这一浓基区只在底部形成，硼的表面浓度为5E19/厘米³，结深为2微米。P⁺型浓基区与基极铝层相连。在硅衬底片的上表面覆盖着一层厚度为0.5微米的掺磷多晶硅以作为晶体管的发射极。掺磷多晶硅层9与槽的底部和侧面之间隔有一层二氧化硅绝缘层10，绝缘层延伸到硅衬底片4的上表面，其厚度为0.6微米。在两个相邻槽5之间的硅衬底片4的上表面上有高磷浓度的N⁺型发射区3。发射区的周围是基区。发射区表面的磷浓度为1E21/厘米³。N⁺型发射区的深度为1.3微米，它是通过把绝缘层10开孔，使掺磷多晶硅与硅衬底片上层41的表面相连，并通过掺磷多晶硅把磷扩散进入硅衬底片上层41的上表面而形成的。掺磷多晶硅作为晶体管的发射极，与发射极金属层1相连。发射极金属层1为厚度为2.5毫米的铝层。集电极金属层8是厚度为1.5微米的铬、镍、金三层金属。

图2所示的是本功率型多晶硅发射极晶体管的另一个实施例。本实施例与图1所示的实施例的不同之处在于：P⁺型浓基区是平面的，相邻两个P⁺型浓基区的间距较宽，为16微米，它通过扩硼工艺形成。这种平面的P⁺型浓基区是指硅衬底片的上表面没有经过刻槽，浓基区的上表面与发射区的上表面为同一平面。它省去了复杂的刻槽、填槽等加工工艺，使生产较为简单，制造成本更低。

图3所示的是本功率型多晶硅发射极晶体管的又一个实施例。与图1所示的实施例不同的地方在于：相邻两个槽形P⁺型浓基区的间距为16微米。这一P⁺型浓基区是在挖槽后通过扩硼工艺形成的。由于扩硼工艺具有各向同性，槽的底部和槽的侧面都同时扩进硼，因此，扩硼区的面积较图1所示的实施例大了许多，而且扩硼工艺比硼离子注入的浓度容易做得更高，使P⁺型浓基区的电阻比图1所示的实施例中的相应部位的电阻要小得多，仅为其的1/3～1/4，从而有效改善了电流ICE的均匀性，进一步提高了晶体管抗电热雪崩的能力。

本发明所述的功率型多晶硅发射极晶体管具有较强的抗雪崩性能的原因如下：

在本功率型多晶硅发射极晶体管中，P型基区中间的P⁺型浓基区比P型基区浅。P⁺型浓基区的底部和侧面完全被基区所包围。在有源区内只形成PN^-结而不会形成突出到N^-硅衬底的P⁺N^-结。PN^-结的结面在管芯的有源区内是平坦的。在管芯周边采用终端技术把PN^-结的曲率半径拉得很大，使周边的电场强度变弱，从而解决了棱角电场集中的问题。由于P⁺型浓基区比P型基区浅，浓基区的底部和侧面完全被基区所包围，因此，在晶体管转开或转关时，传导电流和位移电流不仅可以横向从P型基区流入P⁺型浓基区，还可以从侧向和底部流入浓基区。这样，P⁺型浓基区与P型基区的交界面比现有的晶体管大了许多，这就有效分散了从基区流入浓基区的电流，有效消除了已有技术的电流集中导致的电场集中的问题，从而使本发明所述的功率型多晶硅发射极晶体管的抗雪崩能力比现有的晶体管提高了很多。

在本功率型多晶硅发射极晶体管中，P型基区比P⁺型浓基区深，这样就会增加基区的厚度，从而降低该晶体管的开关速度。但对于大多数只需要中等开关速度的应用场合，如电子镇流器，由于其启动阶段的瞬间功率比正常工作时高10倍以上，极易造成晶体管因雪崩而失效，在这种情况下，使用本发明所述的功率型多晶硅发射极晶体管就十分合适。

在本发明所述的功率型多晶硅发射极晶体管中，其P⁺型浓基区既可以是槽形的，也可以是平面的。它可以位于槽的底部，也可以位于槽的底部和侧面。当P⁺型浓基区只位于槽底部时，这种结构有效拉开了P⁺型浓基区与N⁺型发射区的距离，从而避免晶体管的B、E极之间出现击穿。N⁺型发射区之间的距离可以做得较小，在导通时，E、C之间的工作电流I_CE的流通面积较大，晶体管的导通压降较小。当P⁺型浓基区位于槽的底面和侧面时，这种结构可以给基极电流提供电阻更低的通道，使基极电位沿P⁺型浓基区的变化较小，从而I_CE在整个芯片内分布更加均匀，有利于消除晶体管中的局部热点，增加其抗雪崩的能力。同时，在晶体管开断的瞬间，基极电流的灌入和抽出可以更加快捷，因而使晶体管的开关速度更快。

为了有效阻止钠离子的污染，在本功率型多晶硅发射极晶体管中，掺杂多晶硅层不仅要覆盖发射区，而且还要覆盖相邻两个发射区之间的基区和浓基区。

另外，为了使本晶体管的开关速度较快，P型基区不宜做得太厚，-般不要超过20微米，但也不宜太薄，否则会使C、E间容易被击穿，因此，P型基区的厚度一般要超过2微米。

需要声明的是，本发明的特定实施方案已经对本发明进行了详细描述，对于本领域的技术人员来说，在不背离本发明的精神和范围的情况下对它进行的各种显而易见的改变都在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种功率型多晶硅发射极晶体管，在上层为N^-型高电阻率层，下层为N⁺型低电阻率层的硅衬底片的上表面有多个高掺杂浓度发射区，所述发射区的上面连接掺杂多晶硅层，所述掺杂多晶硅层与发射极金属层连接，每个发射区的周围有P型基区，所述P型基区中间有掺杂浓度比所述P型基区高的P⁺型浓基区，所述P⁺型浓基区与基极金属层相连，硅衬底片的下层为集电极，所述集电极的下表面与集电极金属层相连，其特征在于：

所述P⁺型浓基区的深度小于所述P型基区；

所述P⁺型浓基区的底部和侧面与所述P型基区相接触。

2.如权利要求1所述的功率型多晶硅发射极晶体管，其特征在于：

所述P⁺型浓基区为槽形，槽的底部为P⁺型高掺杂浓基区。

3.如权利要求1或2所述的功率型多晶硅发射极晶体管，其特征在于：

所述P⁺型浓基区为槽形，槽的侧面为P⁺型高掺杂浓基区。

4.如权利要求1所述的功率型多晶硅发射极晶体管，其特征在于：

所述P⁺型浓基区为平而的。

5.如权利要求1所述的功率型多晶硅发射极晶体管，其特征在于：

所述掺杂多晶硅层覆盖所述发射区、所述P型基区和所述P⁺型浓基区。

6.如权利要求1所述的功率型多晶硅发射极晶体管，其特征在于：

所述P型基区的厚度在2～20微米之间。

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