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經濟部中央標準局員工消費合作社印製 A7 --------- B7 _ 五、發明説明（1 ) " s 發明與—半導體裝置有關，此裝置有一半導體主體， 在表面上有一橫向絕緣閉雙極電晶體（UGBT )之電路元件 同時包括一第一導電型之表面層，與表面鄰接並在與表 面相對之一邊經pn接面併入第二導電型（與第一導電型相 反）之區域（以下簡稱爲基板此電路元件於表面層中置 有第二導電型之基極區、由基極區中所提供第一導電型表 面區形式之源極、由鄰接基極區第一導電型表面區之—部 分所形成之漂移區、藉漂移區與基極區隔開且包含第二導 電型表面區之排流及由漂移區與源極區間基極區之一部分 所形成波道區上方之絕緣閘電極。此種裝置曾揭露於由 Robinson及其同仁所發表之「具有經改進閂鎖特色之橫向 絕緣問電晶體」一文中，該文發表於IEDm Tech. Dig.雜誌 之第744-747頁，於1985年出版。 此種電路元件在文獻中有多種不同之縮寫名稱，例如 LIGBT(橫向絕緣閘雙極電晶體）、LIGT(橫向絕緣閘電晶體） 以及LIGR(橫向絕緣閘整流器）等。此種元件通常是由 -T.DMOST-(橫向DMOST)所形成，其中之排流形成一整流 器接頭（例如一個pn接面）而和DMOST之漂移區相接。在 「接通電源J (on)之狀態下，此一整流器接頭即變成前向 偏壓，同時也會將少數載子注入漂移區，從而漂移區之 導電性即會增高。此外，更可藉著二極體作用（如此即可 經由MOS波道供應電子）及雙極電晶體作用（使排流如同一 射極，而DMOST之基極區域則如被注入之充電載子之集 極）以增進此種故應。由於打開電源時的低電阻和橫向結 -4- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） I——I——I叫裝！ (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁〕 -訂 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 298665 Α7 Β7 五、發明説明（2 ) 構，這些元件特別適於切換積體電路中之強勁電流，在 這些電路元件中可能會發生一個問題，即寄生pnpn故應（ 在一個η波道電晶體中），通常被稱爲閂鎖，因而會損傷 甚至摧毀電晶體。 在上述Robinson之論文中提出有數點建議來抑制此種 pnpn(或在互補時則爲npnp)效應。該論文圖2b中所提出之 建議係在p型基極區域不朝向排流之側面提供一相當深之p 型表面區’自該表面延伸至p型基板中。如該文所指出， 此一方法較爲無效，因爲寄生npn電晶體之基極電阻rbb仍 然相當高。根據該文所提出之另一項建議（示於圖2〇中）， 在整個基極區域下方，介於p型基板和η型表面層間之介面 處提供一ρ型埋入層，此層自基板伸入ρ型基極區域中。此 方法對抑制閂鎖情形相當有效，但它仍有很大的缺點，因 爲隱藏層能增加DMOST之臨界電歷·，從而降低特定閘電 極之波道電流。此外，埋入層之存在可能爲形成表面層之 晶膜層之厚度有所限制。舉例來説，在高電壓用途中，可 能需要使用非常厚的晶膜層。 本發明之目的在提供一項本文首段所述之半導體裝置， 該裝置中之閂鎖情形可有效加以抑制，而上述已知裝置之 結構和運作方面之缺點則可予以避免。 根據此一目的之本發明半導體裝置之特徵在於其源極包 含數個在表面處看彼此相鄰且相隔一段距離之次區域，同 時其基極區域包含第一和第二次區域，其中之第一次區域 自表面向下伸入表面層一較小深度，並將上述源極之次區 -5- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Λ4規格（210Χ 297公釐) ' (請先聞讀背面之·;i意事項再填寫本頁) •裝. 線 A7 B7 五、發明説明（3 ) 域與表面層分開，而基極區域之第二次區域自表面向下伸 入表面層一相當大之深度，同時在表面處看，該第二次區 域是以橫向自源極之各個次區域間較第一次區域之毗都部 佾更加深入漂移區。由於較深之第二次區域（其電阻係數 相當低）和波道--樣置於基極區域之同—侧，因此可保持 較低之寄生npn電晶體基極電阻，因而可有效避免寄生 ρηρη作用。由於此一降低電阻區域位於實際波道區域旁， 所以電晶菝之臨界電壓不會或幾乎不會受到第二次區域之 影響。此外，第二次區域可由一適當深度和攙雜濃度之表 面區域所形成’而對其他參數（如表面層之厚度）之選擇可 保有相當大之自由度》 在此提供一項具有特別優點之具體實例，即ligbt可輕 易地併入積體電路，而第二個次區域可與島絕緣同時形成 。此項具體實例之特徵在於基極區域之第二個次區域是與 第二導電型之基板導電相連。 經濟部中央標準局員工消費合作社印11 -II Ίΐ (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 線 拫據本發明裝置之一重要具體實例其特徵在於其第—導 電型之源極之各個次區域被第二導電型基極區域之插入部 份所分隔。伸入不同次區域之源極之次區域會降低基板區 域中之電阻’因而更抑制了寄生pnpn(或npnp)效應。 另外，在實際情況中亦發現，閂鎖情形可能在較大之電 晶體中，例如具有較高W/1比率之電晶體中，於較.低之電 流密度時發生，而較不會在較小的電晶體中發生。根據本 發明半導體裝置之另一具體實例其特徵在於上述源極之每 馏次區域皆提供有一鎮流電阻。本發明係根據一項認識， -6- 本纸浪尺度適用中國國家標準（CNS ) Λ4規格（210X297公釐） 鲤濟部中夬襟準局員工^費合作，社印製 A7 ------B7 _ 五、發明説明（4 ) 即大電晶體和小電晶體間之閂鎖作用之差異可能是由熱效 應所引起：即大電晶體中心之溫度可能較邊緣處之溫度稍 高，因此局部基極電阻也變得較高，而中心部位之ρηρη效 應也較早開始》鎮流電阻提供了一個負回饋，因而局部降 低了源極區和基極區域間ρη接面上之電壓。 在此將參考數項具體實例及附圖來詳細説明本發明，其 中： 囷1爲拫據本發明之半導體裝置之設計圖； 罔2 a取自線ΤΜΙ部份本裝置之橫截面圖； 圖3爲取自線ΙΙΙ-ΠΙ部份本裝置之橫截面圖； 囝4爲本裝置之寄生pnpn之一個同等電路圖； 圖5爲根據本發明半導體装置之第二項具體實例之設計 圖； 囷6爲恨據本發明半導體裝置之另—具體實例之設計圖 〇 上述各圖僅爲圖示説明，並未按實際比例續·製。尤其是 垂直方向之尺寸已予特別放大。此外，圖中僅顯示出本裝 置包含有LIGBT之部份。從下列説明中，熟於此項技術者 即可看出，LIGBT可舆其他電路元件形成積體電路之一部 份。由於這些元件，例如雙極電晶體、二極體、電阻器等 ’均可以已知的方法製造，此處不再深入討論這些元件。 图1至囷3爲本發明裝置之第一個具體實例。此裝置包含 —個半導體主體1，此主體在本例中是由矽製成，但亦可 由任何其他適當的已知丰導體物質製成。半導體主體包含 -7- 1--- - - 國國家標準（CNS ) Μ現格（2丨〇；)<297公着） (請先閏讀背面之注意事項再填寫本頁) -裝. 、1Τ 經濟部中央標隼局員工消費合作社印製 298665 at _____B7 五、發明説明（5 ) —個第一導電型之表面層3(在此例中爲η型），連接表面2 並位於面離該表面之侧，透過一個ρη接面4而併入第二導 電型（在此例中爲ρ型）之區域5(以下稱爲基板）中。LIGBT 责際上是由一在η型表面層3中所提供且包含p型基極區域 6 I橫向DMOST (LDMOST )架構所形成β 一個η型表面區7 置於基極區域6中，藉ρ型區域6而與η型表面層隔開，並 形成電晶雖之源接區。LDMOST架構更包含一個由郝接基 極區域6心表面層3之部份8所形成之漂移區。而在另一側 ，漂移區與電晶體之排流相鄰，在LIGBT中常稱爲陽極， 同時包含一ρ型表面區9，形成與漂移區8之ρη接面1 〇。 源極區7和基極區6與使介於區域6和7間之ρ η接面短路 之源極接點11導電相連。漂移區8和已大量攙雜過的η型 接觸區13與排流接點12相連接，同時與使ρη接面短路 之區域9連接。電晶體更包含有一個在波道區15之上所置 之閘電極14，波道區15是由位於源極7和漂移區8間之基 極區域6之一部份所形成。閘電椏14以閘介質16而與波道 區15隔開，該閘介質16通常是由氧化矽所形成。 源極區包含數個次區域，這些次區域在圖1中以7a，7b ，7c等符號表示，同時，自表面處看，這些次區域彼此相 舭，並互相隔開一段距離。基極區域6是由第一個次區域 6a和第二個次區域6b所組成，此二區域在圖1以虛線顯示 ，以便清楚識別。形成電晶體波道區1 5之第一個次區域 6a自半導體主體之表面2向下延伸較淺深度而進入表面層 3 ’’第二個次區域6 b則自表面2以較深深度伸入表面層3。 -8 - 本紙張尺度通用中國國家標準（CNS ) Λ4規格（210X297公釐) --------^I辦冬-- (請先閲讀背面之注意事項再填寫本育)

、1T Τ 線 A7 B7 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 五、發明説明（6 如岡1所清楚顯示，次區域6b自7a，7b等次區域間，較之 基極區域中較淺的第一次區域6a之鄰接部份更深遠地橫向 伸入漂移區8中。 爲清楚説明此處所述LIGBT之效應，圖4顯示了寄生 ρηρη之同等電路圏。pnp電晶體丁丨是由p型區9，η型漂移 區8和ρ型基極6所形成，分別成爲ρηρ電晶體之射極、基極 和集極ύ ηρη電晶體Τ2則包含η型區域7、ρ型區6和η型漂 移區8，分別形成ηρη電晶體之射極、基極和集極。被陽極 區9注入漂移區8、並被ρ型基極區域收集之電洞在源極區 7之下通過，而流向接點11。在圖4中以R代表相對應之電 阻。此電阻愈大’ ρηρη電晶體將按比例以較低電流導電。 低電阻次區域6b之出現顯著降低了基極區域中之電阻R。 LIGBT之臨界電壓則同時由次區域6a之濃度來決定，而可 保持在所需之低値》 另外’也可在基板5和表面層3之間使用p型埋入區is而 更加降低上述電阻。上述埋入區如圓2所示可延伸在整個 基極區6之下方。 本LIGBT之實例適於在高電壓之運作，因此，在開始製 造時就使用一相當高電阻（電阻率約爲公分9〇歐姆）之p型 基板5。p型埋入區（如埋入區18)是以眾所熟知之方式形 成，在半導體主體置有其他電路元件（如雙極電晶體）之他 處則爲η型《—個n型表面層3 (例如2 3微来厚）以約每公分 60歐姆之電阻率’如晶膜般地沉澱在基板5之上。因此， 汁度和挽雜濃度應爲對高電壓元件可利用文獻中熟知之更 --------—裝------訂-----叫線 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 9- 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明説明（7 ) 換表面原則在崩潰現象發生前，至少自基板局部耗盡整個 晶膜層之厚度。在下一步驟中，透過擴散硼原子，提供了 較深的ρ型次區域6b ^此時，可在此擴散過程的同時，形 成烏絕緣區，將晶膜層細分成•互相絕緣之島。凸出的指狀 物6b和指狀區間之空間隙寬度太約爲3〇微米。然後以熱 氣化之方法長出厚度〇. 1微米之閘氧化物1 6，從而一層多 晶冷（以下簡稱爲P〇ly)會被沉澱、挽雜並定樣，以獲得 LIGBT之閘電極14，若有必要也可獲得更多電路元件之部 份。然後在η型區7和13形成之後、提供P型區“和9。在 表面上即會覆蓋一氧化物和（或）氮化物之介質層，並於其 中以一般方法提供接觸窗。接下來就沉澱並定樣一攙有矽 之金屬層Α1以取得接點。請注意，LIGBT之源極和排流 接點1 1和1 2延伸至漂移區.之上方，因此形成一電場平板 ’而得到較佳之電場分佈和較高之崩溃電壓。 在此處所述之實例中，源極區7形成一連續區，在此區 中電晶鳢在指狀區6b處之臨界電壓較在指狀區6b間區域 中之電冬有所増加。在圖5則更進一步地降低圖4中之電阻 R，藉此可更爲増加通過LIGBT之電流，而避免閂鎖現象 。囷中僅示出源極區7和基極區域6 »其餘元件則與圖1中 相對應之元件完全相同，並未在圖5中示出以求清晰基 極區域6仍包含一界定LDMOST臨界電壓之較淺ρ型區6a 及較深區6b，其中有凸起且深入漂移區8且爲陽極（未示出） 注入漂移區之電洞形成一集極之指狀物。源極區並不像前 例會形成一連續區，但它在此處包含一些獨立且被p型基 -10- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） --------^—裝------訂------^線 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 五、發明説明（8 A7 B7 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 搔區域6亙相分離之區域7a、7b和7c。雖然在此建構中 LDMOST之波道長度比前例中之波道長度小，但由於在區 6b中义高臨界電壓’其對通過電晶體之電流影響相當小。 相較之下，在p型指狀物6b區内若無η型區即會顯著降低 基極電阻R。 在實務中更進一步發現，使閂鎖發生之通過LIGBT之電 流階度在大型電晶體中通常較在小型電晶逋中爲低。可能 的解釋是’由於LIGBT之中心部份與四周相比，其散熱較 差’因此在中心部位之溫度較四周要高，而局部電阻R (見 囷4 )亦是如此。此種效應可藉由ηρη次電晶體射拯路徑中 又電阻而抵消，此等次電晶體之射極均由每個次區域7 a、 7b等所形成。此電阻也可由區域7a、7b、7c本身之内部 電阻取得》此一做法在具體實例之計劃圖（圖6 )中示出。 在此圈中已繪出基極區域之較深次區域之指狀區以及次 區域7a和7b。這些次區域中有窄化的部份19，使得電阻 可達一逍當値。本圖亦示出接觸窗2〇，在其中基極區域6 和源極7與源極接點U(未示於圈中）相連。由於接觸窗2〇 杜乍化邱份19之區域處提供一種壓_縮狀況，所以源極接點 11僅會在21之區域處與次區域7a和7b等接觸。若提供一 層約10歐姆之電阻，就可能達成在每30微米之區中僅有 數卜歐姆之射極串聯電阻，這在大多數情況下即已足夠。 須知本發明並不僅限此處所提出之具體實例，對熟於此 項技術者而言’在本發明範疇内亦可有許多變化。因此， 上述具體實例中之導電類型可以相反。此外，在此所述具 11 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210'〆297公釐） (請先閱讀背面之注意事項存填寫本其) Τ .装· •tr Α7 Β7 五、發明説明（s ) 體實例中之p型陽極區9，可能以數個彼此相鄰且被插入其 間之η型表面層3所隔離之次區域形成。如1990年4月4日之 欧洲專利申請中（申請號ΕΡ-Α10 361 589)所述，此種將陽 極再加分割可對LIGBT之速度有相當改進，特別是在電晶 體關掉後。 |丨丨丨丨ί Ίτ (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁吣 訂 Γ 線 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 本紙法尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（2丨0X297公瘦）

Claims (1)

1. 經濟部中央梯準局工消費合作社印製 A8 B8 C8 D8 六、申請專利範圍 1 一種半導體裝置，具有一半導體主體，在其表面具有一 LIGBT類型（橫向絕緣閘雙極電晶體）之電路元件，同時 包含一個第一導電類型之表面層，鄰接表面並在相對於 此表面之一側透過一個pn接面而併入第二且屬相對導電 類型之區域（以下稱爲基板），此電路元件包含在表面層 中提供之第二導電型基極區域和在基極區域中提供之表 面區域形式之第一導電型源極，以及一個由鄰接基極區 域；第一導電型之一部份表層所形成之漂移區和一個藉 著漂移區而與基極區域隔開且包含第二導電型表面區之 排流，還包含一個在一波道區上方之絕緣閘電極，該波 道區是由位於漂移區和源極區之間之基極區域之一部份 所形成’其特徵在於源極包含數個次區域，這些次區域 自表面處看是彼此相鄰且相隔一段距離，同時其基極區 域包含第一和第二次區域，第一個次區域自表面向下以 不大之深度伸入表面層’並將上述源極之次區域與表面 層分開，而基極區域之第二個次區域自表面向下以相當 大之深度伸入表面層，同時從表面看，第二個次區域在 源極之次區域間，以較第一個次區域之鄰接部份更大之 深度橫向伸入漂_區。 2. 根據申請專利範固第丨項之半導體裝置，其特徵爲基極 區域之第二個次區域與第二導電型之基板導電相連。 3. 恨據申請專利範固第1或2項之半導體裝置，其特徵爲第 一導電型之源接之次區域被基極區中插入之第二導電型 部份隔開。 -13- +紙浓尺度通用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公羡） --------「裝— (請先閲T*背面之注意事項再填寫本頁) 訂 -14 A8 B8 C8

   4·申4㈣範(^第…項之半導體裝置，其特徵爲名 衣面區和基板區之間提供一第二導電型之埋入區，此區 又撞雜浪度較基板爲高，且自基板伸入表面層之一部箱 ’並更進-步伸至至少整個基極區下方之大部份。 根據中請專利範固第142項之半導體裝置，其特徵爲源 極t每個次區域均提供有一個鎮流電阻。 根據申請專…項之半導时置，其特徵爲該 電路，件形成積體電路之一部份，爲此目的表面層被再 分爲若干島，藉著從表面向下延伸通過整個表面層之厚 度而達基板之第二導電型絕緣區來提供更多電路元件。 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) -裝. 訂 經濟部中央標準局貝工消費合作社印製 •14· 本紙張尺度適用中國國家梂準（CNS) A4規格（ 210X297公釐）