專利名稱：場(chǎng)效應(yīng)半導(dǎo)體裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種場(chǎng)效應(yīng)半導(dǎo)體裝置。更為特別地，它涉及不犧牲導(dǎo)通阻抗而減少短路電流的場(chǎng)效應(yīng)半導(dǎo)體裝置。
背景技術(shù)：
通常利用場(chǎng)效應(yīng)半導(dǎo)體裝置作為電源(例如，在日本特許文獻(xiàn)2002-100770號(hào)公報(bào)中公布的一個(gè)絕緣柵式雙極晶體管)。這種類型的一些傳統(tǒng)場(chǎng)效應(yīng)半導(dǎo)體裝置應(yīng)用了針對(duì)減少導(dǎo)通阻抗的梯型發(fā)射極構(gòu)造。圖30和圖31顯示其中的一個(gè)范例。圖31是圖30中B-B部分的截面圖。圖30是圖31中A-A部分的截面圖。圖30中C-C部分的截面圖與圖3基本相同，只是編號(hào)從“1**”變換為“9**”。這種場(chǎng)效應(yīng)半導(dǎo)體裝置是所謂的溝道-柵式。此場(chǎng)效應(yīng)半導(dǎo)體裝置的一般構(gòu)造是在其半導(dǎo)體襯底(圖31中的上部)的表面一側(cè)設(shè)置發(fā)射極區(qū)和柵極而在相反一側(cè)(圖31和圖3中的下部)設(shè)置集電極區(qū)。
更確切地說(shuō)，在半導(dǎo)體襯底的表面一側(cè)設(shè)置溝道結(jié)構(gòu)的柵極906、P+發(fā)射極區(qū)900和N+發(fā)射極區(qū)904。柵極906與半導(dǎo)體襯底通過(guò)柵絕緣體905和隔層絕緣體907加以絕緣。發(fā)射極909設(shè)置在隔層絕緣體907上。發(fā)射極909與P+發(fā)射極區(qū)900和N+發(fā)射極區(qū)904都相互接觸。P溝道區(qū)903位于這些發(fā)射極區(qū)下面。P溝道區(qū)903的底部要淺于柵極906的底部。
N漂移區(qū)902位于P溝道區(qū)903的下面。N漂移區(qū)902的大部分要深于柵極906的底部并且延伸到半導(dǎo)體襯底的幾乎整個(gè)平面。P+集電極區(qū)901還設(shè)置在N漂移區(qū)902下面。集電極910與P+集電極區(qū)901的底部接觸而成型。在此場(chǎng)效應(yīng)半導(dǎo)體裝置中，箭頭Y所指示的區(qū)域是圖30中沿垂直方向重復(fù)的部分。
在此場(chǎng)效應(yīng)半導(dǎo)體裝置中，如圖30所示，柵極906和N+發(fā)射極區(qū)904交替設(shè)置于垂直條型圖案內(nèi)。P+發(fā)射極區(qū)900絕緣地設(shè)置同時(shí)被N+發(fā)射極區(qū)904所包圍。因此，在圖30中N+發(fā)射極區(qū)904設(shè)置成像一個(gè)梯型圖案。此外，在圖30中P+發(fā)射極區(qū)900的寬度要窄于發(fā)射極909與P+發(fā)射極區(qū)900和N+發(fā)射極區(qū)904接觸部分的寬度908。在下文中將把寬度908稱作“接觸孔徑908”。
在此場(chǎng)效應(yīng)半導(dǎo)體裝置中，通過(guò)施加電壓給柵極906來(lái)對(duì)發(fā)射極909和集電極910之間的電流進(jìn)行控制。即通過(guò)柵極906的電壓使在朝向柵極906側(cè)壁的P溝道區(qū)903表面附近的導(dǎo)電型式反向而形成一個(gè)電流通路。N+發(fā)射極區(qū)904是組成梯型圖案的區(qū)域。因此，當(dāng)電流反向時(shí)，P溝道區(qū)903的表面與任一包含P+發(fā)射極區(qū)900(圖30中B-B部分，即圖31中所示的一部分橫截面)或不包含P+發(fā)射極區(qū)900(圖30中C-C部分，即圖3中所示的一部分橫截面)的部分成為一個(gè)有效溝道。也就是說(shuō)，沿垂直方向重復(fù)的整個(gè)部分Y(參照?qǐng)D30)是一個(gè)溝道寬度。因而獲得了一個(gè)盡可能大的溝道寬度以至于減少導(dǎo)通阻抗。
但是，上述傳統(tǒng)的場(chǎng)效應(yīng)半導(dǎo)體裝置存在以下問(wèn)題。
第一個(gè)問(wèn)題是短路電流過(guò)大。這種過(guò)大的短路電流是由以下途徑所引起的當(dāng)在ON狀態(tài)下發(fā)生短路時(shí)，從N+發(fā)射極區(qū)904穿過(guò)并沿著P溝道區(qū)903的N溝道向N漂移區(qū)902供給大量電子，從P+集電極區(qū)901向N漂移區(qū)902供給大量空穴。在這種情況下的短路電流要比正常運(yùn)行狀態(tài)下的導(dǎo)通電流大10倍。因此，半導(dǎo)體裝置被加熱并由于驟生過(guò)熱而損壞。另一方面，從正常運(yùn)行狀態(tài)的觀點(diǎn)來(lái)看，導(dǎo)通電流小于短路電流的1/10。這意味著在正常運(yùn)行狀態(tài)下實(shí)際上利用的只有1/10或更少量的能夠從溝道供給的電子。其次，加寬的溝道寬度并沒(méi)有達(dá)到有效的效果。因此，導(dǎo)通阻抗實(shí)際上并不很低。
第二個(gè)問(wèn)題是在OFF狀態(tài)下很可能發(fā)生閉鎖現(xiàn)象。也就是說(shuō)，由于N+發(fā)射極區(qū)904為梯型結(jié)構(gòu)，P型區(qū)和發(fā)射極909的接觸區(qū)域(即圖30中P+發(fā)射極區(qū)900區(qū)域)很小。因此，用來(lái)使P溝道區(qū)903內(nèi)的空穴逃逸到發(fā)射極909的逃逸通路較窄。所以，在切換到OFF狀態(tài)后，特別地在關(guān)閉例如短路電流的大電流后，空穴很可能停留在P溝道區(qū)903中。這種現(xiàn)象與基極電流流入由N+發(fā)射極區(qū)904、P溝道區(qū)903和漂移區(qū)902組成的寄生雙極晶體管的情形相同。因此，由N+發(fā)射極區(qū)904、P溝道區(qū)903、漂移區(qū)902和N+集電極區(qū)901組成的寄生NPNP閘流晶體管開始運(yùn)作。結(jié)果發(fā)生閉鎖現(xiàn)象。在發(fā)生閉鎖現(xiàn)象的情況下不可能再對(duì)電流進(jìn)行控制，由此裝置受到破壞。
構(gòu)建僅具有一個(gè)雜質(zhì)濃度較高的P+發(fā)射極區(qū)的發(fā)射極以避免閉鎖現(xiàn)象是可能的。但是，就這種發(fā)射極機(jī)構(gòu)而言，P+發(fā)射極區(qū)的導(dǎo)電型式不能反向。因此會(huì)產(chǎn)生以下問(wèn)題。首先，由于供給到N漂移區(qū)902的電子變得沒(méi)有規(guī)則，所以裝置中流動(dòng)的電流很不穩(wěn)定。這會(huì)導(dǎo)致在高電流區(qū)發(fā)生閉鎖現(xiàn)象。此外，由于P+發(fā)射極區(qū)的雜質(zhì)濃度較高，所以它的阻抗較低。另外，P+發(fā)射極區(qū)和發(fā)射極909的接觸區(qū)域非常大。因此，N漂移區(qū)902內(nèi)的空穴穿過(guò)P+發(fā)射極區(qū)逃逸到發(fā)射極909。這就使N漂移區(qū)902內(nèi)的空穴缺乏而導(dǎo)致高導(dǎo)通阻抗。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是為解決上述問(wèn)題而設(shè)計(jì)的。本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種場(chǎng)效應(yīng)半導(dǎo)體裝置，通過(guò)有效地利用其溝道寬度來(lái)同時(shí)獲得低導(dǎo)通阻抗與不過(guò)大的短路電流以防止裝置受到損壞。
為了解決傳統(tǒng)上的問(wèn)題，在此提供的場(chǎng)效應(yīng)半導(dǎo)體裝置包括第一導(dǎo)電型半導(dǎo)體的溝道區(qū)；與溝道區(qū)接觸并且是具有比溝道區(qū)更高的濃度的第一傳導(dǎo)電型半導(dǎo)體的第一導(dǎo)電型發(fā)射極區(qū)；穿過(guò)溝道區(qū)并與溝道區(qū)及第一導(dǎo)電型發(fā)射極區(qū)絕緣的柵極；以及與溝道區(qū)和第一導(dǎo)電型發(fā)射極區(qū)接觸的發(fā)射極。
在此場(chǎng)效應(yīng)半導(dǎo)體裝置中，溝道區(qū)和第一導(dǎo)電型發(fā)射極區(qū)都與發(fā)射極相接觸。也就是說(shuō)，發(fā)射極的部分接觸區(qū)域被溝道區(qū)所占據(jù)。因此，第一導(dǎo)電型發(fā)射極區(qū)和發(fā)射極的接觸區(qū)域比其中發(fā)射極的全部接觸區(qū)域被第一導(dǎo)電型發(fā)射極區(qū)所占據(jù)的場(chǎng)效應(yīng)半導(dǎo)體裝置更加受到限制。這種接觸區(qū)域的設(shè)計(jì)阻止溝道區(qū)內(nèi)的第一導(dǎo)電型電子在ON狀態(tài)下穿過(guò)第一導(dǎo)電型發(fā)射極區(qū)(低阻抗)與發(fā)射極的接觸部分逃逸到發(fā)射極。因此，在ON狀態(tài)下溝道區(qū)內(nèi)的第一導(dǎo)電型電子的濃度保持得很高。所以導(dǎo)通阻抗較低。另一方面，整個(gè)第一導(dǎo)電區(qū)即第一導(dǎo)電型式發(fā)射極區(qū)和溝道區(qū)的部分接觸區(qū)域受到保護(hù)。因此在切斷后，特別地在例如短路電流的大電流切斷后，第一導(dǎo)電型電子能夠毫無(wú)問(wèn)題地逃逸到發(fā)射極。
本發(fā)明的場(chǎng)效應(yīng)半導(dǎo)體裝置優(yōu)選地還包括一個(gè)與柵極絕緣的第二導(dǎo)電型發(fā)射極區(qū)，第二導(dǎo)電型發(fā)射極區(qū)是一個(gè)第二導(dǎo)電型半導(dǎo)體，其中第二導(dǎo)電型發(fā)射極區(qū)與溝道區(qū)和發(fā)射極相接觸，并且柵極朝向第二導(dǎo)電型發(fā)射極區(qū)、溝道區(qū)以及這些區(qū)域的一個(gè)接觸部分。
在上述場(chǎng)效應(yīng)半導(dǎo)體裝置中，第二導(dǎo)電型發(fā)射極區(qū)和朝向柵極的溝道區(qū)的接觸部分的寬度在ON狀態(tài)下作為一個(gè)溝道部分而起作用。通過(guò)調(diào)節(jié)溝道部分的寬度，可以適當(dāng)?shù)卣{(diào)整短路電流值而使導(dǎo)通阻抗保持得較低。另外，第二導(dǎo)電型電子的傳導(dǎo)線路由于溝道部分而得到保護(hù)。結(jié)果，在裝置中不會(huì)出現(xiàn)第二導(dǎo)電型式電子的無(wú)規(guī)則變化。這也有助于減低導(dǎo)通阻抗并防止閉鎖現(xiàn)象。
本發(fā)明的上述及其它目的和不同的特征從閱讀以下結(jié)合附圖的詳述中可以更充分地顯現(xiàn)。但是，要特別明白，附圖僅是為了說(shuō)明的目的而并不意謂對(duì)本發(fā)明的界限的確定。


圖1是顯示針對(duì)第一實(shí)施例的場(chǎng)效應(yīng)半導(dǎo)體裝置的構(gòu)造的平面截面圖(A-A部分)；圖2是顯示針對(duì)第一實(shí)施例的場(chǎng)效應(yīng)半導(dǎo)體裝置的構(gòu)造的正視截面圖(B-B部分)；圖3是顯示針對(duì)第一實(shí)施例的場(chǎng)效應(yīng)半導(dǎo)體裝置的構(gòu)造的正視截面圖(C-C部分)；圖4是顯示針對(duì)第一實(shí)施例與傳統(tǒng)相比較的場(chǎng)效應(yīng)半導(dǎo)體裝置的短路電流的曲線圖；圖5是顯示針對(duì)第一實(shí)施例與傳統(tǒng)相比較的場(chǎng)效應(yīng)半導(dǎo)體裝置中的集電極-發(fā)射極電壓關(guān)系的曲線圖；圖6是顯示關(guān)于第一實(shí)施例的場(chǎng)效應(yīng)半導(dǎo)體裝置的圖1中X/W與導(dǎo)通阻抗的關(guān)系的曲線圖；圖7是顯示針對(duì)第一實(shí)施例的場(chǎng)效應(yīng)半導(dǎo)體裝置的制造過(guò)程的正視截面圖(1)；圖8是顯示針對(duì)第一實(shí)施例的場(chǎng)效應(yīng)半導(dǎo)體裝置的制造過(guò)程的正視截面圖(2)；圖9是顯示針對(duì)第一實(shí)施例的場(chǎng)效應(yīng)半導(dǎo)體裝置的制造過(guò)程的正視截面圖((3)，B-B部分)；圖10是顯示針對(duì)第一實(shí)施例的場(chǎng)效應(yīng)半導(dǎo)體裝置的制造過(guò)程的正視截面圖((3)，C-C部分)；圖11是顯示針對(duì)第二實(shí)施例的場(chǎng)效應(yīng)半導(dǎo)體裝置的構(gòu)造的平面截面圖(A-A部分)；圖12是顯示針對(duì)第二實(shí)施例的場(chǎng)效應(yīng)半導(dǎo)體裝置的構(gòu)造的正視截面圖(B-B部分)；圖13是顯示針對(duì)第二實(shí)施例的場(chǎng)效應(yīng)半導(dǎo)體裝置的構(gòu)造的正視截面圖(D-D部分)；圖14是顯示針對(duì)第三實(shí)施例的場(chǎng)效應(yīng)半導(dǎo)體裝置的構(gòu)造的平面截面圖(A-A部分)；
圖15是顯示針對(duì)第三實(shí)施例的場(chǎng)效應(yīng)半導(dǎo)體裝置的構(gòu)造的正視截面圖(C-C部分)；圖16是顯示針對(duì)第三實(shí)施例的場(chǎng)效應(yīng)半導(dǎo)體裝置的構(gòu)造的正視截面圖(B-B部分)；圖17是顯示針對(duì)第三實(shí)施例的場(chǎng)效應(yīng)半導(dǎo)體裝置的構(gòu)造的正視截面圖(E-E部分)；圖18是顯示針對(duì)第三實(shí)施例的場(chǎng)效應(yīng)半導(dǎo)體裝置的構(gòu)造的正視截面圖(F-F部分)；圖19是顯示針對(duì)第四實(shí)施例的場(chǎng)效應(yīng)半導(dǎo)體裝置的構(gòu)造的平面截面圖(A-A部分)；圖20是顯示針對(duì)第四實(shí)施例的場(chǎng)效應(yīng)半導(dǎo)體裝置的構(gòu)造的正視截面圖(B-B部分)；圖21是顯示針對(duì)第四實(shí)施例的場(chǎng)效應(yīng)半導(dǎo)體裝置的構(gòu)造的正視截面圖(C-C部分)；圖22是顯示針對(duì)第四實(shí)施例的場(chǎng)效應(yīng)半導(dǎo)體裝置的構(gòu)造的正視截面圖(G-G部分)；圖23是顯示針對(duì)第五實(shí)施例的場(chǎng)效應(yīng)半導(dǎo)體裝置的構(gòu)造的平面截面圖(A-A部分)；圖24是顯示針對(duì)第五實(shí)施例的場(chǎng)效應(yīng)半導(dǎo)體裝置的構(gòu)造的正視截面圖(B-B部分)；圖25是顯示針對(duì)第五實(shí)施例的場(chǎng)效應(yīng)半導(dǎo)體裝置的構(gòu)造的正視截面圖(E-E部分)；圖26是顯示針對(duì)第五實(shí)施例的場(chǎng)效應(yīng)半導(dǎo)體裝置的構(gòu)造的正視截面圖(G-G部分)；圖27是顯示針對(duì)第一變體的場(chǎng)效應(yīng)半導(dǎo)體裝置的構(gòu)造的正視截面圖(B-B部分)；圖28是顯示針對(duì)第二變體的場(chǎng)效應(yīng)半導(dǎo)體裝置的構(gòu)造的正視截面圖(B-B部分)；圖29是顯示針對(duì)第三變體的場(chǎng)效應(yīng)半導(dǎo)體裝置的構(gòu)造的正視截面圖(B-B部分)；
圖30是顯示傳統(tǒng)場(chǎng)效應(yīng)半導(dǎo)體裝置的構(gòu)造的平面截面圖(A-A部分)；以及圖31是顯示傳統(tǒng)場(chǎng)效應(yīng)半導(dǎo)體裝置的構(gòu)造的平面截面圖(B-B部分)。
具體實(shí)施例方式
以下將參照附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例進(jìn)行描述。
第一實(shí)施例圖1到圖3顯示針對(duì)第一實(shí)施例的場(chǎng)效應(yīng)半導(dǎo)體裝置的構(gòu)造。圖2顯示圖1中B-B部分的截面圖。圖3顯示圖1中C-C部分的截面圖。圖1顯示圖2和圖3中A-A部分(在此說(shuō)明中把這種水平線稱為“表面”)的截面圖。這種場(chǎng)效應(yīng)半導(dǎo)體裝置是所謂的絕緣柵式雙極晶體管(IGBT)并且具有溝道式柵結(jié)構(gòu)。這種場(chǎng)效應(yīng)半導(dǎo)體裝置一般構(gòu)建為發(fā)射極區(qū)和柵極設(shè)置于半導(dǎo)體襯底的表面(圖2和圖3中的表面一側(cè))上并且集電極區(qū)等設(shè)置于襯底的其它表面(圖2和圖3中的底側(cè))上。在此說(shuō)明中，半導(dǎo)體襯底被闡釋為包括通過(guò)在作為起始襯底層的硅片上外延生長(zhǎng)而形成的分層的全部單晶體硅層。
更確切地說(shuō)，溝道結(jié)構(gòu)的柵極106與P+發(fā)射極區(qū)100和N+發(fā)射極區(qū)104都設(shè)置于半導(dǎo)體襯底的水平表面上。柵極106通過(guò)柵絕緣體105和隔層絕緣體107與襯底絕緣。在P+發(fā)射極區(qū)100和N+發(fā)射極區(qū)104下設(shè)置有經(jīng)由柵絕緣體105朝向柵極106的P溝道區(qū)103。P溝道區(qū)103的底部淺于柵極106的底部。在P+發(fā)射極區(qū)100和N+發(fā)射極區(qū)104以及柵極106上設(shè)置有發(fā)射極109。在圖2(B-B部分)中發(fā)射極109與P+發(fā)射極區(qū)100和P溝道區(qū)103相接觸。在圖3(C-C部分)中，發(fā)射極109與N+發(fā)射極區(qū)104相接觸。
N漂移區(qū)102成型于P溝道區(qū)103之下。大部分N漂移區(qū)102深于柵極106的底部并且擴(kuò)展到幾乎全部半導(dǎo)體襯底。另外在N漂移區(qū)102之下設(shè)置有P+集電極區(qū)101。集電極110與P+集電極區(qū)101的底部接觸而成型。在針對(duì)第一實(shí)施例的場(chǎng)效應(yīng)半導(dǎo)體裝置中，圖1中箭頭Y所指示的區(qū)域是圖1中沿垂直方向重復(fù)的部分。
如圖1中所示，在本實(shí)施例的場(chǎng)效應(yīng)半導(dǎo)體裝置中，柵極106設(shè)置于垂直條型圖案內(nèi)。N+發(fā)射極區(qū)104、P+發(fā)射極區(qū)100和P溝道區(qū)103設(shè)置于柵極106之間的一個(gè)寬帶區(qū)中。在圖1中沿垂直方向間斷性地布置有N+發(fā)射極區(qū)104。在圖1中每個(gè)N+發(fā)射極區(qū)104在左右兩端都經(jīng)由柵絕緣體105朝向柵極106。也就是說(shuō)，每個(gè)N+發(fā)射極區(qū)104都成型于鄰接的柵極106之間。
P+發(fā)射極區(qū)100設(shè)置在鄰接的兩個(gè)N+發(fā)射極區(qū)104之間。在圖1中每個(gè)P+發(fā)射極區(qū)100的上下兩端都與N+發(fā)射極區(qū)104接觸。但是，在圖1中P+發(fā)射極區(qū)100并沒(méi)有占據(jù)沿水平方向的兩個(gè)鄰接?xùn)艠O106之間的全部區(qū)域。在圖1中P+發(fā)射極區(qū)100的寬度要小于發(fā)射極109接觸襯底之處的寬度108(下文中稱為“接觸孔徑108”)。P溝道區(qū)103占據(jù)了其余的襯底表面。也就是說(shuō)，P+發(fā)射極區(qū)100和P溝道區(qū)103組成了P發(fā)射極區(qū)。因此，在本實(shí)施例的場(chǎng)效應(yīng)半導(dǎo)體裝置中，N+發(fā)射極區(qū)104和P型區(qū)(P+發(fā)射極區(qū)100和P溝道區(qū)103)交替并分開設(shè)置于兩個(gè)鄰接?xùn)艠O106之間的區(qū)域內(nèi)，在其上形成了一個(gè)垂直條型圖案。
在本實(shí)施例的場(chǎng)效應(yīng)半導(dǎo)體裝置中，P溝道區(qū)103的受主濃度可低到可以通過(guò)給柵極106施加電壓使導(dǎo)電型式反轉(zhuǎn)為N型式的程度，同時(shí)可高到可以在OFF狀態(tài)下避免發(fā)射極109和集電極110之間的電流通過(guò)的程度。P+發(fā)射極區(qū)100的受主濃度要高于P溝道區(qū)103兩位數(shù)，所以導(dǎo)電型式不會(huì)通過(guò)給柵極106施加電壓而反轉(zhuǎn)。更優(yōu)選地圖3中沿水平方向的溝道區(qū)103的寬度d是2μm或更小。因此，從N+發(fā)射極區(qū)104所供給的電子能夠更穩(wěn)定地?cái)U(kuò)散到朝向柵極106的表面上。此外，寬度W，即圖1中P發(fā)射極區(qū)的垂直方向的寬度(例如一個(gè)溝道寬度)，寬于寬度X，即N+發(fā)射極區(qū)104的垂直方向的寬度(例如一個(gè)鄰接溝道之間的間隔)。為了更加精確，優(yōu)選地X/W的比率在1/10和1/2之間。也就是說(shuō)，倘若X/W的比率低于1/10，即倘若N+發(fā)射極區(qū)104太小，導(dǎo)通阻抗就會(huì)變高。正相反，倘若X/W超過(guò)1/2，短路電流就會(huì)變大，這是不可取的。X/W的最佳值是1/5左右。另外，更優(yōu)選地N+發(fā)射極區(qū)104的寬度X是20μm或更小。也就是說(shuō)，如果它太寬，就很可能發(fā)生閉鎖現(xiàn)象。
在本實(shí)施例的場(chǎng)效應(yīng)半導(dǎo)體裝置中，通過(guò)施加電壓給柵極106對(duì)發(fā)射極109和集電極110之間的電流進(jìn)行控制。更確切地說(shuō)，在P溝道區(qū)103的表面(朝向柵極106的各個(gè)側(cè)壁的表面)周圍的導(dǎo)電型式通過(guò)柵極106的電壓而反向，由此形成電流通路。由于N+發(fā)射極區(qū)104設(shè)置在圖1中的一個(gè)水平條型圖案內(nèi)，因此在本實(shí)施例的場(chǎng)效應(yīng)半導(dǎo)體裝置中并存有包含N+發(fā)射極區(qū)104的部分(圖1中的C-C部分，即圖3中所示的橫截面圖的區(qū)域)和不包含N+發(fā)射極區(qū)104的部分(圖1中的B-B部分，即圖2中所示的橫截面圖的區(qū)域)。在包含N+發(fā)射極區(qū)104的區(qū)域(圖3中)中，P溝道區(qū)103存在于N+發(fā)射極區(qū)104下面。也就是說(shuō)，N+發(fā)射極區(qū)104和P溝道區(qū)103在朝向柵極106的表面上相接觸。因此，當(dāng)P溝道區(qū)103表面的周圍區(qū)域的導(dǎo)電型式反向時(shí)，這部分會(huì)是一個(gè)有效溝道。但是，在不包含N+發(fā)射極區(qū)104的部分(在圖1中的B-B部分，即圖2中所示的橫截面圖的區(qū)域)內(nèi)，其溝道段的阻抗要高于包含N+發(fā)射極區(qū)104的部分的溝道段的阻抗。因此，有效溝道部分的寬度限定于圖1中箭頭X所指示的區(qū)域。此寬度小于整個(gè)沿垂直方向重復(fù)的部分Y。因此此實(shí)施例的溝道寬度比上述在先技術(shù)的溝道更加受到限制。
因此產(chǎn)生了以下效果。首先，短路電流不是非常大而導(dǎo)通阻抗較低。由于溝道寬度如上所述受到限制，短路電流不會(huì)變大。因此，即使一個(gè)負(fù)載發(fā)生短路，也不會(huì)產(chǎn)生大得足以破壞裝置的電流流動(dòng)。另一方面，以下是導(dǎo)通阻抗之所以低的原因。首先，要求有一個(gè)與圖1中X區(qū)域的寬度相同的寬度來(lái)作為溝道寬度，以保障正常運(yùn)行狀態(tài)下的導(dǎo)通電流。換言之，傳統(tǒng)的場(chǎng)效應(yīng)半導(dǎo)體裝置具有與沿垂直方向重復(fù)的整個(gè)Y部分一致的過(guò)寬的溝道寬度。因此，短路電流是正常導(dǎo)通電流的10倍大或者比此更大。正相反，在本實(shí)施例的場(chǎng)效應(yīng)半導(dǎo)體裝置中，溝道寬度縮小到一個(gè)本質(zhì)最小值，由此避免了導(dǎo)通阻抗的升高并有意于抑制短路電流。
此外，在OFF狀態(tài)下不太可能發(fā)生閉鎖現(xiàn)象。更確切地說(shuō)，由于N+發(fā)射極區(qū)104成型于條型圖案而不是梯型圖案內(nèi)，所以P型區(qū)與發(fā)射極109的接觸區(qū)域(即圖1中P+發(fā)射區(qū)100和設(shè)置于P+發(fā)射區(qū)100左右兩側(cè)的P溝道區(qū)103的合并區(qū)域)較大。由于集電極110和發(fā)射極109之間的電壓在OFF狀態(tài)下變高，所以空穴可以從與發(fā)射極109接觸的P溝道區(qū)103中逃逸到發(fā)射極109。因此，逃逸通道較寬。從而在切換到OFF狀態(tài)后P溝道區(qū)103內(nèi)過(guò)多的空穴立即逃逸到發(fā)射極109。也就是說(shuō)，不會(huì)陷入像基極電流流入包括N+發(fā)射極區(qū)104、P溝道區(qū)103和N漂移區(qū)102的寄生雙極晶體管內(nèi)的情形。因此不太可能發(fā)生由包括N+發(fā)射極區(qū)104、P溝道區(qū)103、N漂移區(qū)102和P+集電極區(qū)101的寄生NPNP閘流晶體管開啟而引起的閉鎖現(xiàn)象。
此外，在本實(shí)施例的場(chǎng)效應(yīng)半導(dǎo)體裝置中，發(fā)射極不僅由P+發(fā)射區(qū)100而且由P+發(fā)射區(qū)100和N+發(fā)射極區(qū)104組成。因此，在ON狀態(tài)下，N+發(fā)射極區(qū)104和N漂移區(qū)102穿過(guò)圖3中在P溝道區(qū)103內(nèi)成型的N溝道而相互接觸。由于電子通路受到如此保護(hù)，所以在裝置內(nèi)不會(huì)出現(xiàn)電子的不規(guī)則變化。這也有助于減低導(dǎo)通阻抗并防止閉鎖現(xiàn)象。另外，P+發(fā)射區(qū)100和發(fā)射極109的接觸區(qū)域比發(fā)射極僅由P+發(fā)射區(qū)組成的情況要小。在ON狀態(tài)下這種小的接觸面阻止過(guò)量的空穴逃逸到發(fā)射極109中。這方面也有助于減低導(dǎo)通阻抗。
另一方面，像P+發(fā)射區(qū)100和P溝道區(qū)103的整個(gè)P型區(qū)，與發(fā)射極109的接觸區(qū)域的一部分得到保護(hù)。因此，在切斷后，特別地在切斷大電流例如短路電流后，空穴能夠毫無(wú)問(wèn)題地逃逸到發(fā)射極109。因此，絕對(duì)不會(huì)陷入像基極電流流入包括N+發(fā)射極區(qū)104、P溝道區(qū)103和N漂移區(qū)102的寄生NPNP閘流晶體管的情形。因而也絕對(duì)不會(huì)出現(xiàn)包括N+發(fā)射極區(qū)104、P溝道區(qū)103、N漂移區(qū)102和P+集電極區(qū)101的寄生NPNP閘流晶體管開啟的情形。這方面也有助于減低導(dǎo)通阻抗并防止閉鎖現(xiàn)象。
圖4到圖6顯示經(jīng)發(fā)明者觀測(cè)和度量得到的本實(shí)施例的場(chǎng)效應(yīng)半導(dǎo)體裝置的各種特性。圖4顯示此實(shí)施例與在先技術(shù)相比較的短路電流的測(cè)量結(jié)果。從圖4中可以明顯看出此實(shí)施例的短路電流僅是在先技術(shù)的大約一半。圖5顯示此實(shí)施例與在先技術(shù)相比較的集電極-發(fā)射極電流和集電極-發(fā)射極電壓的測(cè)量結(jié)果。從圖5中可以明顯看出在它們之間沒(méi)有大的區(qū)別。從此測(cè)量結(jié)果也顯然可見(jiàn)此實(shí)施例的導(dǎo)通阻抗總體上與在先技術(shù)一樣低。圖6顯示通過(guò)不同地改變本實(shí)施例的場(chǎng)效應(yīng)半導(dǎo)體裝置的X/W值而得到的導(dǎo)通阻抗與X/W值的關(guān)系。從圖6中可以明顯看出如果X/W值為1/10或更高，則導(dǎo)通阻抗的程度沒(méi)有大的區(qū)別。
在此參照?qǐng)D7到圖10來(lái)描述針對(duì)本實(shí)施例的場(chǎng)效應(yīng)半導(dǎo)體裝置的制造過(guò)程。為了制造針對(duì)本實(shí)施例的場(chǎng)效應(yīng)半導(dǎo)體裝置，假定一個(gè)P+硅片作為起始襯底。P+硅片相當(dāng)于P+集電極區(qū)101。N型硅層通過(guò)外延生長(zhǎng)形成于硅片表面上。此N型硅層相當(dāng)于N漂移區(qū)102?；蛘咦鳛檫x擇，N型硅層可以是一個(gè)起始襯底。如果是那樣的話，N型硅片就相當(dāng)于N漂移區(qū)102。P+集電極區(qū)101可以通過(guò)從N型硅片的底部一側(cè)增加P型雜質(zhì)或通過(guò)在N型硅片的底部一側(cè)的表面上形成P型硅層來(lái)形成。
其次，通過(guò)高熱氧化在N型硅片上形成厚度大約為700nm的熱氧化膜。熱氧化膜的圖案結(jié)構(gòu)通過(guò)影印石版術(shù)和刻蝕法而形成。因此，熱氧化膜存留在硅片的框架部分。結(jié)果，N型硅層產(chǎn)生之處有一個(gè)孔徑形成在所構(gòu)建裝置上的一個(gè)部分的整體上。接著，再在N型硅層上形成熱氧化膜107b。加熱溫度是900℃而膜的厚度是400nm。
通過(guò)影印石版術(shù)在熱氧化膜107b上形成一個(gè)抗蝕圖形。其上所形成的抗蝕圖形是選取一部分來(lái)作為P溝道區(qū)103的開口的圖形。這種抗蝕圖形起一個(gè)掩模的作用，通過(guò)加速電壓為60kV的離子注入來(lái)把硼注射到其上。注入量是4.7×1013cm-2。之后，在氮保護(hù)氣氛下，用1150℃的熱處理使硼完成擴(kuò)散。從而形成一個(gè)深度為5μm的P孔。P孔恰好相當(dāng)于P溝道區(qū)103。通過(guò)CVD方式在熱氧化膜107b上另外形成一個(gè)熱氧化膜107C。
接著，通過(guò)影印石版術(shù)在熱氧化膜上形成一個(gè)抗蝕圖形。其上所形成的抗蝕圖形是選取其中的部分來(lái)作為柵極106的開口的圖形。使用此抗蝕圖形作為掩模來(lái)通過(guò)RIE方式清除熱氧化膜107c和107b。由此，殘存的熱氧化膜107c和107b作為掩模用于硅刻蝕。通過(guò)RIE方式對(duì)此氧化膜掩模加以硅刻蝕。從而形成一個(gè)深度為61μm的溝道。再在所形成的溝道側(cè)壁上以CDE方式加以刻蝕。之后，用1100℃的熱處理在溝道表面上形成熱氧化膜，然后清除該氧化膜。因此，溝道側(cè)壁上的缺陷被清除。在此之后，用1100℃的熱處理在溝道表面上形成100nm厚的熱氧化膜。此熱氧化膜相當(dāng)于柵絕緣體105。圖7顯示到目前為止的制造的橫截面圖。
其次，通過(guò)CVD方式形成800nm厚的多晶硅膜。接著，在磷酰氯氣氛下加以950℃的熱處理。由此，磷擴(kuò)散混合到多晶硅膜中。然后，通過(guò)影印石版術(shù)和刻蝕法除去過(guò)多的多晶硅及殘余氧化膜掩模。再把高于溝道口水平面的部分的多晶硅清除掉。但是，要把作為柵極106的配線(參見(jiàn)圖17等中的“311”，在下文中把此配線稱為“柵配線”)的多晶硅部分留下。從而形成溝道結(jié)構(gòu)的柵極106及其配線。其次，在950C的熱處理之下熱氧化膜107d形成于P溝道區(qū)103和柵極106的表面上。熱氧化膜107d的厚度是30nm。圖8顯示到目前為止的制造的橫截面圖(一直到此階段，B-B部分的橫截面圖與C-C部分是同樣的)。
接下來(lái)，通過(guò)影印石版術(shù)在熱氧化膜107d上形成一個(gè)抗蝕圖形。在其所形成的抗蝕圖形是選取一部分來(lái)作為P+發(fā)射極區(qū)100的開口的圖形。此抗蝕圖形作為一個(gè)掩模通過(guò)70kV加速電壓的離子注入來(lái)把硼注射到其上。注入量為4×1015cm-2。在除掉上一個(gè)抗蝕圖形后，通過(guò)影印石版術(shù)在熱氧化膜上形成一個(gè)新的抗蝕圖形。在其上所形成的新抗蝕圖形是選取一部分來(lái)作為N+發(fā)射極區(qū)104的開口的圖形。此抗蝕圖形作為一個(gè)掩模通過(guò)120kV加速電壓的離子注入將磷注射到其上。之后，在最后的熱氧化膜上形成一個(gè)厚度為1.5μm的BPSG膜。此BPSG膜相當(dāng)于隔層絕緣體107。之后，在氮?dú)夥障逻M(jìn)行950℃的熱處理。由此，使隔層絕緣體107變平并且由于離子注入化學(xué)元素的導(dǎo)熱而形成P+發(fā)射極區(qū)100和N+發(fā)射極區(qū)104。圖9和圖10分別顯示到目前為止的制造的B-B部分和C-C部分的橫截面圖。
其次，通過(guò)影印石版術(shù)和刻蝕法完成隔層絕緣體107的圖案結(jié)構(gòu)。因此除去相當(dāng)于接觸開口108的部分以及柵極106與柵配線接觸的部分的隔層絕緣體107。從而P+發(fā)射極區(qū)100、P溝道區(qū)103和接觸開口108處的N+發(fā)射極區(qū)104顯現(xiàn)出來(lái)。此外，柵極106的接觸部分也顯現(xiàn)了出來(lái)。接下來(lái)，在從開口和剩余隔層絕緣體107中顯現(xiàn)出來(lái)的部分上形成一個(gè)主要由鈦構(gòu)成的金屬阻擋層，并且通過(guò)噴鍍方式在金屬阻擋層上堆積一個(gè)鋁層。之后，通過(guò)影印石版術(shù)和刻蝕法(濕刻蝕法和RIE)完成金屬阻擋層與鋁層的圖案結(jié)構(gòu)。從而形成發(fā)射極109。另外，同樣形成柵配線的上層配線。接著，通過(guò)噴鍍方式在P+集電極區(qū)101的底面上形成集電極110。從而最終完成本實(shí)施例的場(chǎng)效應(yīng)半導(dǎo)體裝置。
如果把N型硅片作為起始襯底，那么可以首先形成發(fā)射極側(cè)面的構(gòu)造(柵極106、P+發(fā)射極區(qū)100、發(fā)射極109等)，然后再形成P+集電極區(qū)101。
第二實(shí)施例圖11到圖13顯示針對(duì)第二實(shí)施例的場(chǎng)效應(yīng)半導(dǎo)體裝置的構(gòu)造。圖12顯示圖11中B-B部分的截面圖。圖13顯示圖11中D-D部分的截面圖。圖11顯示圖12與圖13中A-A部分的截面圖。此外，圖11中C-C部分的截面圖與圖3大致相同，只是編號(hào)從“1**”變化到了“2**”。在下文中，當(dāng)在此實(shí)施例中提到圖3時(shí)應(yīng)將編號(hào)理解為是一樣的。本實(shí)施例的場(chǎng)效應(yīng)半導(dǎo)體裝置與第一實(shí)施例同屬于溝道-柵式。此外，除了發(fā)射極部分的構(gòu)造，它的其它構(gòu)造與第一實(shí)施例都相同。另外，其發(fā)射極部分內(nèi)的N+發(fā)射極區(qū)204也與第一實(shí)施例相同。在其發(fā)射極部分只有P發(fā)射極區(qū)的構(gòu)造與第一實(shí)施例不同。
以下將描述本實(shí)施例的場(chǎng)效應(yīng)半導(dǎo)體裝置內(nèi)的P發(fā)射極區(qū)的構(gòu)造。如圖11中所示，P+發(fā)射極區(qū)200設(shè)置成平行于N+發(fā)射極區(qū)204。因此，P+發(fā)射極區(qū)200不與N+發(fā)射極區(qū)204接觸。與圖11中N+發(fā)射極區(qū)204的左右兩端相似，圖11中P+發(fā)射極區(qū)200的左右兩端經(jīng)由柵絕緣體205朝向柵極206。也就是說(shuō)，P+發(fā)射極區(qū)200向鄰接?xùn)艠O206延伸而成型。但是，P+發(fā)射極區(qū)200并沒(méi)有占據(jù)圖11中沿垂直方向的兩個(gè)鄰接N+發(fā)射極區(qū)204之間的全部區(qū)域。P溝道區(qū)203占據(jù)了剩余區(qū)域內(nèi)的半導(dǎo)體襯底的表面。也就是說(shuō)，P發(fā)射極區(qū)由P+發(fā)射極區(qū)200和P溝道區(qū)203組成。同樣在本實(shí)施例的場(chǎng)效應(yīng)半導(dǎo)體裝置中，N+發(fā)射極區(qū)204和P型區(qū)(P+發(fā)射極區(qū)200和P溝道區(qū)203)交替并分開設(shè)置于兩個(gè)鄰接?xùn)艠O206之間的區(qū)域而在其上形成一個(gè)垂直條型圖案。此外，P溝道區(qū)203、P+發(fā)射極區(qū)200和N+發(fā)射極區(qū)204都與發(fā)射極209接觸。
在本實(shí)施例的場(chǎng)效應(yīng)半導(dǎo)體裝置中，以下三個(gè)內(nèi)容都與第一實(shí)施例類似P溝道區(qū)203和P+發(fā)射極區(qū)200的受主濃度；X/W的比率(在圖11中W和X是P發(fā)射極區(qū)和N+發(fā)射極區(qū)204的垂直方向?qū)挾?；以及N+發(fā)射極區(qū)204的寬度X。
除了形成P+發(fā)射極區(qū)200的掩模圖案不同之外，本實(shí)施例的場(chǎng)效應(yīng)半導(dǎo)體裝置的制造過(guò)程與第一實(shí)施例相似。
同樣在本實(shí)施例的場(chǎng)效應(yīng)半導(dǎo)體裝置中，發(fā)射極209與集電極210之間的電流是通過(guò)給柵極206施加電壓來(lái)進(jìn)行控制的。類似于第一實(shí)施例，與沿垂直方向重復(fù)的整個(gè)Y部分相比，溝道寬度受到限制。因此，顯示出了例如降低導(dǎo)通阻抗、抑制短路電流、防止閉鎖現(xiàn)象等效果。
此外還獲得了以下特殊優(yōu)點(diǎn)。首先，從設(shè)計(jì)觀點(diǎn)上可以分別來(lái)調(diào)整導(dǎo)通阻抗和短路電流。也就是說(shuō)，可以通過(guò)調(diào)節(jié)圖11中的X/W比率來(lái)控制短路電流，而通過(guò)調(diào)節(jié)圖11中的Z/W (在圖11中Z是P+發(fā)射極區(qū)200內(nèi)的垂直方向?qū)挾?比率來(lái)控制導(dǎo)通阻抗。也就是說(shuō)，在ON狀態(tài)下P+發(fā)射極區(qū)200形成了一個(gè)空穴到發(fā)射極109的逃逸通路。因此，如果把寬度Z調(diào)到一個(gè)比較大的值，在ON狀態(tài)下空穴濃度就會(huì)變低而導(dǎo)通阻抗變得比較高。正相反，如果把寬度Z調(diào)到一個(gè)比較小的值，在ON狀態(tài)下空穴濃度就會(huì)變高而導(dǎo)通阻抗變得比較低。作為第二個(gè)優(yōu)點(diǎn)，這種設(shè)計(jì)能夠促進(jìn)圖11中半導(dǎo)體裝置的水平尺寸減小。也就是說(shuō)，由于P+發(fā)射極區(qū)200與N+發(fā)射極區(qū)204相互平行，所以沿水平方向的構(gòu)造是簡(jiǎn)單的。也就是說(shuō)，從柵極206到鄰接?xùn)艠O206方向的構(gòu)造沒(méi)有特別的變化。這種簡(jiǎn)單構(gòu)造有助于更高的綜合設(shè)計(jì)及降低成本。
第三實(shí)施例圖14到圖18顯示針對(duì)第三實(shí)施例的場(chǎng)效應(yīng)半導(dǎo)體裝置的構(gòu)造。圖15顯示圖14中C-C部分的截面圖。圖16顯示圖14中B-B部分的截面圖。圖17顯示圖14中E-E部分的截面圖。圖18顯示圖14中F-F部分的截面圖。圖14顯示圖15到圖18中A-A部分的截面圖。此實(shí)施例的場(chǎng)效應(yīng)半導(dǎo)體裝置與第一實(shí)施例及第二實(shí)施例同屬于溝道-柵式。此外，除了發(fā)射極部分和接觸開口308之外，它的其它構(gòu)造與第一和第二實(shí)施例相同。
以下將描述本實(shí)施例的場(chǎng)效應(yīng)半導(dǎo)體裝置內(nèi)的P發(fā)射極區(qū)的構(gòu)造。如圖14所示，N+發(fā)射極區(qū)304設(shè)置成如同一個(gè)正交于柵極306的水平條型圖案。在這點(diǎn)上，第三實(shí)施例與第一和第二實(shí)施例相似。在圖14中，由P+發(fā)射極區(qū)300和P溝道區(qū)303組成的P發(fā)射極區(qū)設(shè)置為鄰接于每個(gè)N+發(fā)射極區(qū)304的頂部和底部。在每個(gè)P發(fā)射極區(qū)內(nèi)，P+發(fā)射極區(qū)300被P溝道區(qū)303所包圍。在圖14中設(shè)置于每個(gè)N+發(fā)射極區(qū)304上下的P+發(fā)射極區(qū)300和P溝道區(qū)303相互連接在每個(gè)N+發(fā)射極區(qū)304下面，如圖15和圖18所示。此外，在圖14中N漂移區(qū)302設(shè)置于兩個(gè)鄰接P發(fā)射極區(qū)之間。如圖17中所示，在這個(gè)間隔區(qū)內(nèi)沒(méi)有設(shè)置N+發(fā)射極區(qū)304、P+發(fā)射極區(qū)300和P溝道區(qū)303中的任何一個(gè)。因此，N漂移區(qū)302到達(dá)A-A部分，即表面處。由此會(huì)明了，在本實(shí)施例的場(chǎng)效應(yīng)半導(dǎo)體裝置中，每個(gè)包括P發(fā)射極區(qū)和N+發(fā)射極區(qū)的發(fā)射極區(qū)都是間斷形成的。
在本實(shí)施例的場(chǎng)效應(yīng)半導(dǎo)體裝置中，僅在N+發(fā)射極區(qū)304和P發(fā)射極區(qū)存在的部分上絕緣地設(shè)置接觸開口308。也就是說(shuō)，接觸開口308分散設(shè)置于鄰接?xùn)艠O306之間而避開N漂移區(qū)302。在這點(diǎn)上，第三實(shí)施例不同于第一和第二實(shí)施例，它們中的接觸開口108和208較長(zhǎng)并設(shè)置成分別平行于柵極106和206。圖14中的接觸開口308大于P+發(fā)射極區(qū)300而小于P溝道區(qū)303。因此，發(fā)射極309與N+發(fā)射極區(qū)304、P+發(fā)射極區(qū)300和P溝道區(qū)303相接觸。另外，在本實(shí)施的場(chǎng)效應(yīng)半導(dǎo)體裝置中，用來(lái)連接兩個(gè)柵極306的柵配線311設(shè)置于圖14中的E-E部分(圖17和圖18)。因此，可以對(duì)每個(gè)柵極306施用相等的電壓操作。應(yīng)該注意，在第一和第二實(shí)施例的場(chǎng)效應(yīng)半導(dǎo)體裝置中，柵配線處于附圖所示的區(qū)域之外。
除了用來(lái)形成P溝道區(qū)303、P+發(fā)射極區(qū)300和接觸開口308的掩模圖案不同之外，本實(shí)施例的場(chǎng)效應(yīng)半導(dǎo)體裝置的制造過(guò)程與第一實(shí)施例相似。
同樣在本實(shí)施例的場(chǎng)效應(yīng)半導(dǎo)體裝置中，發(fā)射極309和集電極310之間的電流是通過(guò)給柵極306施加電壓來(lái)進(jìn)行控制的。類似于第一和第二實(shí)施例，與沿垂直方向重復(fù)的整個(gè)Y部分相比，溝道寬度受到限制。因此，顯示出例如降低導(dǎo)通阻抗、抑制短路電流、防止閉鎖現(xiàn)象等效果。此外，由于發(fā)射極區(qū)是間斷性地設(shè)置，所以P發(fā)射極區(qū)與發(fā)射極309的接觸區(qū)域受到限制。因此，在ON狀態(tài)下空穴到發(fā)射極309的逃逸通路減小。減小的逃逸通路有助于在ON狀態(tài)下保持空穴濃度以及進(jìn)一步降低導(dǎo)通阻抗。因此，溝道寬度X可以在不使導(dǎo)通阻抗升高的范圍內(nèi)加以縮小。這有助于進(jìn)一步減弱短路電流、使裝置中的電流一致以及防止裝置損壞。
第四實(shí)施例圖19到圖22顯示針對(duì)第四實(shí)施例的場(chǎng)效應(yīng)半導(dǎo)體裝置的構(gòu)造。圖20顯示圖19中B-B部分的截面圖。圖21顯示圖19中C-C部分的截面圖。圖22顯示圖19至圖21中G-G部分的截面圖。圖19顯示圖20到圖22中A-A部分的截面圖。此實(shí)施的場(chǎng)效應(yīng)半導(dǎo)體裝置與第一到第三實(shí)施例同屬于溝道-柵式。此外，接觸開口408內(nèi)的發(fā)射極部分的構(gòu)造與第一實(shí)施例相同并且其集電極部分的構(gòu)造與第一至第三實(shí)施例都相同。
在本實(shí)施例的場(chǎng)效應(yīng)半導(dǎo)體裝置中，柵極406是絕緣地設(shè)置，在這點(diǎn)上本實(shí)施例不同于第一到第三實(shí)施例，前三個(gè)實(shí)施例中的柵極都是成直線設(shè)置。在本實(shí)施例的場(chǎng)效應(yīng)半導(dǎo)體裝置中，柵極通常以絕緣設(shè)置的柵極406來(lái)代替第一實(shí)施例中直線設(shè)置的柵極106，而且在第一到第三實(shí)施例中假定為柵極部分提供的全部剩余部分都用于P溝道區(qū)403。應(yīng)該注意，如圖20和圖22所示，用來(lái)連接每個(gè)柵極406的柵配線411設(shè)置于圖19中G-G部分上的隔層絕緣體407內(nèi)。
在此實(shí)施例的場(chǎng)效應(yīng)半導(dǎo)體裝置中，X/W比率寬度W，即圖19中P發(fā)射極區(qū)的垂直方向?qū)挾?也就是一個(gè)溝道寬度)；以及寬度X，即N+發(fā)射極區(qū)404的垂直方向?qū)挾?也就是鄰接溝道之間的間隔)；優(yōu)選地在1/10和1/2之間。更確切地說(shuō)，倘若X/W比率低于1/10，即倘若N+發(fā)射極區(qū)404太小，導(dǎo)通抗阻就會(huì)變高。正相反，倘若X/W比率超過(guò)1/2，短路電流就會(huì)變大，這是不可取的。X/W的最佳值是1/5左右。此外，優(yōu)選地N+發(fā)射極區(qū)404的寬度X是20μm或更小。換言之，如果它太寬，就很可能發(fā)生閉鎖現(xiàn)象。
除了用來(lái)形成柵極406的溝道-柵結(jié)構(gòu)的掩模圖案不同之外，本實(shí)施例的半導(dǎo)體裝置與第一實(shí)施例相似。同樣在此實(shí)施例中，發(fā)射極409與集電極410之間的電流是通過(guò)施加電壓給柵極406來(lái)進(jìn)行控制的。
在圖19中每個(gè)柵極406通常都具有正方形的橫截面。在圖19中每個(gè)柵極406的邊長(zhǎng)幾乎與N+發(fā)射極區(qū)404的寬度X相同。包圍著柵極406的柵絕緣體405的外圍被N+發(fā)射極區(qū)404和P溝道區(qū)403所占據(jù)。
同樣在本實(shí)施例的場(chǎng)效應(yīng)半導(dǎo)體裝置中，發(fā)射極409與集電極410之間的電流是通過(guò)施加電壓給柵極406來(lái)進(jìn)行控制的。除了獲得與第一實(shí)施例同樣的效果之外，當(dāng)其柵極406絕緣地設(shè)置時(shí)，本實(shí)施例的場(chǎng)效應(yīng)半導(dǎo)體裝置還獲得了以下特殊效果。即，與第一實(shí)施例的方面比較，可以把柵區(qū)(圖1、圖19等中的柵極區(qū))做得較小而不改變其溝道寬度X。因此能夠獲得一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，即柵電容小而切換速度高。此外，柵區(qū)較小這一點(diǎn)在制造的效率百分比及低成本產(chǎn)率方面是一個(gè)有利因素。在柵極的制造過(guò)程中，由于混合了雜質(zhì)粒子等因而效率百分比與其它生產(chǎn)過(guò)程比較很可能降低。因此，柵區(qū)的收縮能夠抑止效率百分比的降低。此外，由于除了朝向N+發(fā)射極區(qū)404的部分之外的其它部分無(wú)助于溝道的形成，所以不必要在這些部分上設(shè)置柵極406。
第五實(shí)施例圖23到圖26顯示針對(duì)第五實(shí)施例的場(chǎng)效應(yīng)半導(dǎo)體裝置的構(gòu)造。圖24顯示圖23中B-B部分的截面圖。圖25顯示圖23中E-E部分的截面圖。圖26顯示圖23到圖25中G-G部分的截面圖。圖23顯示圖24到圖26中A-A部分的截面圖。另外，圖23中的C-C部分的截面圖與針對(duì)第四實(shí)施例的圖21大致相同，只是其編號(hào)從“4**”變化到了“5**”。更進(jìn)一步，圖23中F-F部分的截面圖與針對(duì)第三實(shí)施例的圖18大致相同，只是其編號(hào)從“3**”變化到了“5**”。在下文中，當(dāng)在此實(shí)施例中提到圖18及圖21時(shí)這些編號(hào)應(yīng)理解為是同樣的。
此實(shí)施例的場(chǎng)效應(yīng)半導(dǎo)體裝置與第一到第四實(shí)施例同屬于溝道-柵式。此外，其在接觸開口508處的發(fā)射極部分的構(gòu)造與第三實(shí)施例相同。另外，其集電極部分的結(jié)構(gòu)與第一到第四實(shí)施例相同。本實(shí)施例的場(chǎng)效應(yīng)半導(dǎo)體裝置與第三實(shí)施例的場(chǎng)效應(yīng)半導(dǎo)體裝置相等地應(yīng)用以下構(gòu)造與第四實(shí)施例同樣絕緣地設(shè)置的柵極506；供P溝道區(qū)503或N漂移區(qū)502利用的剩余部分。
因此，除了獲得與第一實(shí)施例同樣的效果外，本實(shí)施例的場(chǎng)效應(yīng)半導(dǎo)體裝置還獲得以下效果通過(guò)間斷性地設(shè)置發(fā)射極區(qū)使導(dǎo)通阻抗降低(與第三實(shí)施例所獲得的效果相同)；以及通過(guò)絕緣地設(shè)置柵極506使切換速度加強(qiáng)(與第四實(shí)施例所獲得的效果相同)。
變體至目前為止所述的第一到第五實(shí)施例都是本發(fā)明的場(chǎng)效應(yīng)半導(dǎo)體裝置的發(fā)射極一方(柵極、P+發(fā)射極區(qū)、發(fā)射極等)構(gòu)造的不同變化。同樣也存在如圖27到圖29所示的集電極一方構(gòu)造的變化。
圖27顯示針對(duì)變化為穿通型的第一實(shí)施例的場(chǎng)效應(yīng)半導(dǎo)體裝置的一個(gè)變體。圖27是相應(yīng)于第一實(shí)施例的圖2的橫截面圖。此場(chǎng)效應(yīng)半導(dǎo)體裝置具有在P+集電極區(qū)601和N漂移區(qū)602之間的N緩沖區(qū)612。N緩沖區(qū)612的施主濃度高于N漂移區(qū)602。為了制造這種場(chǎng)效應(yīng)半導(dǎo)體裝置，使用P+硅片作為起始襯底。高濃度的N型硅層和低濃度的N型硅層通過(guò)外延生長(zhǎng)依次形成于起始襯底的表面上。確切地說(shuō)，晶片上的P+硅形成為P+集電極區(qū)601，高濃度N型硅層形成為N緩沖區(qū)612以及低濃度N型硅層形成為N漂移區(qū)602。其后的制造過(guò)程與第一實(shí)施例相同。作為選擇，低濃度N型硅片(N漂移區(qū)602)可以是起始襯底而N緩沖區(qū)612和P+集電極區(qū)601可以通過(guò)從襯底底面注入并擴(kuò)散施主及受主來(lái)形成。
圖28顯示針對(duì)變化為集電極收縮型的第一實(shí)施例的場(chǎng)效應(yīng)半導(dǎo)體裝置的變體。圖28是相應(yīng)于第一實(shí)施例的圖2的橫截面圖。在此場(chǎng)效應(yīng)半導(dǎo)體裝置中，P+集電極區(qū)701不是形成于全部集電極710上而是形成于一部分集電極710上。在沒(méi)有設(shè)置P+集電極區(qū)701處，N漂移區(qū)702和集電極710直接接觸。為制造這種場(chǎng)效應(yīng)半導(dǎo)體裝置，使用N硅片作為起始襯底，并且受主從襯底的底面穿過(guò)掩模圖案注入并擴(kuò)散。更確切地說(shuō)，使用N型硅片來(lái)作為N漂移區(qū)702，而使用注入受主的部分作為P+集電極區(qū)701。其后的制造過(guò)程與第一實(shí)施例相同。
圖29顯示集電極收縮型的另一變體。圖29是相應(yīng)于第一實(shí)施例的圖2的橫截面圖。在此場(chǎng)效應(yīng)半導(dǎo)體裝置中，P+集電極區(qū)801不是形成于全部集電極810上而是形成于一部分集電極810上。N緩沖區(qū)812設(shè)置于P+集電極區(qū)801與N漂移區(qū)802之間。N緩沖區(qū)812的施主濃度高于N漂移區(qū)802。N緩沖區(qū)812與集電極810直接接觸于沒(méi)有P+集電極區(qū)801的部分。確切地說(shuō)，此場(chǎng)效應(yīng)半導(dǎo)體裝置具有圖27中穿通型和圖28中集電極收縮型兩種特征。為制造此場(chǎng)效應(yīng)半導(dǎo)體裝置，使用N型硅片作為起始襯底，并施主從襯底底面注入并擴(kuò)散，由此形成高濃度的N型硅層。之后，受主從底面穿過(guò)掩模圖案注入并擴(kuò)散，由此部分地形成P型硅層。就是說(shuō)，使用N型硅片作為N緩沖區(qū)812，高濃度N型硅層作為N緩沖區(qū)812，而P型硅層作為P+集電極區(qū)801。其后的制造過(guò)程與第一實(shí)施例相同。
不必說(shuō)，如圖27到圖29所示的變化也可以應(yīng)用于第二到第五實(shí)施例的場(chǎng)效應(yīng)半導(dǎo)體裝置中。
如上所述，這些場(chǎng)效應(yīng)半導(dǎo)體裝置的實(shí)施例和變體具有這樣的構(gòu)造，即柵極(106等)通過(guò)P溝道區(qū)(103等)。在這種構(gòu)造中，發(fā)射極區(qū)由P發(fā)射極區(qū)和N+發(fā)射極區(qū)(104等)組成而其P發(fā)射極區(qū)由P+發(fā)射區(qū)(100等)和P溝道區(qū)(103等)組成。溝道寬度W，即朝向柵極(106等)的P溝道區(qū)(103等)的寬度，與鄰接溝道之間的間隔X的比值，設(shè)置為1/10和1/2之間的范圍。因此，在正常運(yùn)行狀態(tài)下導(dǎo)通阻抗是充分地低而短路電流不是非常的大。因此，即使短路電流流動(dòng)也不會(huì)發(fā)生裝置損壞。
此外，接觸開口(108等)形成從而N+發(fā)射極區(qū)(104等)、P+發(fā)射區(qū)(100等)和P溝道區(qū)(103等)連接于發(fā)射極(109等)。因此，P+發(fā)射極區(qū)(100等)和發(fā)射極(109等)的接觸區(qū)域受到限制而在ON狀態(tài)下逃逸到發(fā)射極(109等)的空穴的數(shù)量也受到限制。此外，由于形成了一個(gè)溝道，所以不會(huì)在裝置中出現(xiàn)電子的不規(guī)則變化。這些方面也有助于降低導(dǎo)通阻抗并防止閉鎖現(xiàn)象。
另外，在第二實(shí)施例中，柵極206是直線地成型而N+發(fā)射極區(qū)204和P+發(fā)射極區(qū)200設(shè)置為正交于柵極206。由此，可以分別對(duì)導(dǎo)通阻抗和短路電流加以調(diào)整。第二實(shí)施例還具有另外一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，即能夠容易地完成在附圖中水平方向尺寸的縮小化。此外，在第三實(shí)施例中，N漂移區(qū)可以設(shè)置在沒(méi)有間斷性設(shè)置的P發(fā)射極區(qū)的部分上，由此P發(fā)射極區(qū)和發(fā)射極309的接觸區(qū)域可以被限制而導(dǎo)通阻抗可以進(jìn)一步降低。另外，在第四和第五實(shí)施例中，柵極406和506是絕緣地設(shè)置，從而可以縮小柵區(qū)而使溝道寬度X的特定長(zhǎng)度受到保障。因此，可以實(shí)現(xiàn)高速運(yùn)行以及生產(chǎn)率的增加。
上述實(shí)施例僅僅是為說(shuō)明的目的而提供，本發(fā)明并不僅限于此。當(dāng)然，在不背離本發(fā)明的主旨的前題下可以加以各種修改和變動(dòng)。
例如，在N漂移區(qū)(102等)內(nèi)的施主濃度可以不一致。分別在圖27和圖29示出的N緩沖區(qū)612和812就是其范例。更確切地說(shuō)，在這些變化的N漂移區(qū)602和802中，接近P+集電極區(qū)601和801的區(qū)域內(nèi)的施主濃度變得較高。這些就是N緩沖區(qū)612和812。此外，本發(fā)明不僅適用于IGBT而且也適用于其它類型的場(chǎng)效應(yīng)半導(dǎo)體裝置例如MOS控制閘流管等。半導(dǎo)體本身的材料不僅限于硅而可以使用其它材料像SiC、III-V化合物等。此外，絕緣體的材料不僅限于氧化膜而可以使用氮化膜或者復(fù)合膜。柵極(106等)的材料可以是P型半導(dǎo)體或金屬。柵極的結(jié)構(gòu)不僅限于溝道結(jié)構(gòu)也可應(yīng)用刨式和凹式。另外，P型和N型是可相互替換的。此外，對(duì)于第四和第五實(shí)施例，柵極(406、506)的平面形狀不僅限于四邊形而也有可能是圓形、橢圓形和其它多邊形。
從以上描述可以明了，根據(jù)本發(fā)明，在此提供了一種場(chǎng)效應(yīng)半導(dǎo)體裝置，該裝置能夠通過(guò)有效利用其溝道寬度來(lái)同時(shí)獲得低導(dǎo)通阻抗與不過(guò)大的短路電流以防止元件受到損壞。
權(quán)利要求
1.一種場(chǎng)效應(yīng)半導(dǎo)體裝置，包括第一導(dǎo)電型半導(dǎo)體的溝道區(qū)；第一導(dǎo)電型發(fā)射極區(qū)，它與溝道區(qū)接觸并且是具有比溝道區(qū)更高濃度的第一傳導(dǎo)電型半導(dǎo)體；穿過(guò)溝道區(qū)并與溝道區(qū)及第一導(dǎo)電型發(fā)射極區(qū)絕緣的柵極；以及與溝道區(qū)和第一導(dǎo)電型發(fā)射極區(qū)接觸的發(fā)射極。
2.如權(quán)利要求1所述的場(chǎng)效應(yīng)半導(dǎo)體裝置，還包括一個(gè)與柵極絕緣的第二導(dǎo)電型發(fā)射極區(qū)，該第二導(dǎo)電型發(fā)射極區(qū)是一個(gè)第二導(dǎo)電型半導(dǎo)體，其中第二導(dǎo)電型發(fā)射極區(qū)與溝道區(qū)和發(fā)射極相接觸，并且柵極朝向第二導(dǎo)電型發(fā)射極區(qū)、溝道區(qū)以及這些區(qū)域的一個(gè)接觸部分。
3.如權(quán)利要求1所述的場(chǎng)效應(yīng)半導(dǎo)體裝置，其特征在于，柵極成直線地成型，并且溝道區(qū)分散形成于鄰接?xùn)艠O之間的水平表面上。
4.如權(quán)利要求2所述的場(chǎng)效應(yīng)半導(dǎo)體裝置，其特征在于，柵極成直線地成型，并且溝道區(qū)分散形成于鄰接?xùn)艠O之間的水平表面上。
5.如權(quán)利要求3所述的場(chǎng)效應(yīng)半導(dǎo)體裝置，其特征在于，第二導(dǎo)電型發(fā)射極區(qū)和溝道區(qū)在朝向柵極的一面相互接觸之處的溝道部分的寬度小于鄰接溝道部分之間的間隔。
6.如權(quán)利要求4所述的場(chǎng)效應(yīng)半導(dǎo)體裝置，其特征在于，第二導(dǎo)電型發(fā)射極區(qū)和溝道區(qū)在朝向柵極的一面相互接觸之處的溝道部分的寬度小于鄰接溝道部分之間的間隔。
7.如權(quán)利要求2所述的場(chǎng)效應(yīng)半導(dǎo)體裝置，其特征在于，柵極成直線地成型，第二導(dǎo)電型發(fā)射極區(qū)分散形成于鄰接?xùn)艠O之間，并且每個(gè)第二導(dǎo)電型發(fā)射極區(qū)朝向鄰接的兩個(gè)柵極。
8.如權(quán)利要求7所述的場(chǎng)效應(yīng)半導(dǎo)體裝置，其特征在于，第一導(dǎo)電型發(fā)射極區(qū)形成于鄰接的兩個(gè)第二導(dǎo)電型發(fā)射極區(qū)之間并且其寬度小于發(fā)射極的寬度。
9.如權(quán)利要求8所述的場(chǎng)效應(yīng)半導(dǎo)體裝置，其特征在于，在兩個(gè)鄰接第二導(dǎo)電型發(fā)射區(qū)之間的水平表面區(qū)域內(nèi)，除了第一導(dǎo)電型發(fā)射極區(qū)之外的部分被溝道區(qū)所占據(jù)。
10.如權(quán)利要求7所述的場(chǎng)效應(yīng)半導(dǎo)體裝置，其特征在于，第一導(dǎo)電型發(fā)射極區(qū)分散形成于鄰接?xùn)艠O之間，并且每個(gè)第一導(dǎo)電型發(fā)射區(qū)朝向鄰接的兩個(gè)柵極。
11.如權(quán)利要求10所述的場(chǎng)效應(yīng)半導(dǎo)體裝置，其特征在于，相互鄰接的第二導(dǎo)電型發(fā)射極區(qū)和第一導(dǎo)電型發(fā)射極區(qū)之間的水平表面區(qū)域被溝道區(qū)所占據(jù)。
12.如權(quán)利要求7所述的場(chǎng)效應(yīng)半導(dǎo)體裝置，還包括設(shè)置于溝道區(qū)下面的漂移區(qū)，該漂移區(qū)是第二導(dǎo)電型半導(dǎo)體，由鄰接的第二導(dǎo)電型發(fā)射極區(qū)與鄰接的柵極所包圍的水平表面區(qū)域的一部分被漂移區(qū)所占據(jù)。
13.如權(quán)利要求8所述的場(chǎng)效應(yīng)半導(dǎo)體裝置，還包括設(shè)置于溝道區(qū)下面的漂移區(qū)，該漂移區(qū)是第二導(dǎo)電型半導(dǎo)體，由鄰接的第二導(dǎo)電型發(fā)射極區(qū)與鄰接的柵極所包圍的水平表面區(qū)域的一部分被漂移區(qū)所占據(jù)。
14.如權(quán)利要求12所述的場(chǎng)效應(yīng)半導(dǎo)體裝置，其特征在于，發(fā)射極與溝道區(qū)、第一導(dǎo)電型發(fā)射極區(qū)和第二導(dǎo)電型發(fā)射極區(qū)相接觸之處的多個(gè)接觸開口避開漂移區(qū)而分散設(shè)置。
15.如權(quán)利要求13所述的場(chǎng)效應(yīng)半導(dǎo)體裝置，其特征在于，發(fā)射極與溝道區(qū)、第一導(dǎo)電型發(fā)射極區(qū)和第二導(dǎo)電型發(fā)射極區(qū)相接觸之處的多個(gè)接觸開口避開漂移區(qū)而分散設(shè)置。
16.如權(quán)利要求2所述的場(chǎng)效應(yīng)半導(dǎo)體裝置，其特征在于，柵極是絕緣隔開地成型，第二導(dǎo)電型發(fā)射極區(qū)設(shè)置于鄰接的柵極之間，并且圍繞柵極的水平表面區(qū)域除了第二導(dǎo)電型發(fā)射極區(qū)所占據(jù)的部分外都被溝道區(qū)所占據(jù)。
17.如權(quán)利要求5所述的場(chǎng)效應(yīng)半導(dǎo)體裝置，其特征在于，柵極是絕緣隔開地成型，第二導(dǎo)電型發(fā)射極區(qū)設(shè)置于鄰接的柵極之間，并且圍繞柵極的水平表面區(qū)域除了第二導(dǎo)電型發(fā)射極區(qū)所占據(jù)的部分外都被溝道區(qū)所占據(jù)。
18.如權(quán)利要求16所述的場(chǎng)效應(yīng)半導(dǎo)體裝置，其特征在于，第一導(dǎo)電型發(fā)射極區(qū)形成于鄰接的兩個(gè)第二導(dǎo)電型發(fā)射極區(qū)之間并且其寬度小于發(fā)射極的寬度。
19.如權(quán)利要求17所述的場(chǎng)效應(yīng)半導(dǎo)體裝置，其特征在于，第一導(dǎo)電型發(fā)射極區(qū)形成于鄰接的兩個(gè)第二導(dǎo)電型發(fā)射極區(qū)之間并且其寬度小于發(fā)射極的寬度。
20.如權(quán)利要求16所述的場(chǎng)效應(yīng)半導(dǎo)體裝置，還包括設(shè)置于溝道區(qū)下面的漂移區(qū)，該漂移區(qū)是第二導(dǎo)電型半導(dǎo)體，由鄰接的第二導(dǎo)電型發(fā)射極區(qū)與鄰接的柵極所包圍的水平表面區(qū)域的一部分被漂移區(qū)所占據(jù)，并且發(fā)射極與溝道區(qū)、第一導(dǎo)電型發(fā)射極區(qū)和第二導(dǎo)電型發(fā)射極區(qū)相接觸之處的多個(gè)接觸開口避開漂移區(qū)而分散設(shè)置。
全文摘要
本發(fā)明提供一種場(chǎng)效應(yīng)半導(dǎo)體裝置，該裝置能夠通過(guò)有效利用其溝道寬度來(lái)同時(shí)獲得低導(dǎo)通阻抗與不過(guò)大的短路電流以防止裝置受到損壞。在場(chǎng)效應(yīng)半導(dǎo)體裝置中，設(shè)置于柵極(106)之間的半導(dǎo)體區(qū)具有包含N
文檔編號(hào)H01L29/06GK1499645SQ200310104538
公開日2004年5月26日 申請(qǐng)日期2003年10月30日 優(yōu)先權(quán)日2002年11月1日
發(fā)明者西肋克彥, 櫛田知義, 義 申請(qǐng)人:豐田自動(dòng)車株式會(huì)社