专利名称：绝缘栅晶体管的制作方法
技术领域：
本发明涉及绝缘栅晶体管，特别是涉及在避免晶体管的闩锁现象或电流聚集方面有优势的绝缘栅晶体管。
目前，具有快速操作和低导通电阻的绝缘栅双极晶体管(在下文简称为IGBT)被用作功率开关器件。IGBT具有一种结构，在结构中在n型半导体衬底主表面的起漂移作用的一侧上形成从主表面延伸到其内部的P型基区和从基区延伸到其内部的n型发射区；在半导体衬底主表面的另一侧上形成与基区分开的P型集电区；发射极装在发射区和基区上；以及集电极装在集电区上。IGBT具有下列特点。在把使集电极具有比发射极正的电位的电压施加于集电极，并且把正电压施加于栅极时，在发射区中的电子通过沟道和漂移区到达集电区。到达集电区的电子从集电区增加正空穴的注入。因此，具有高电阻的漂移区被电导调制成低电阻区，并且在结构大致与MOSFET一样的情况下获得比使集电区变成不具有注入正空穴功能的n型漏区的MOSFET低的导通电阻。
在通过把IGBT和其他电路元件聚集获得IC时，为了便于电极之间连接，最理想的是在半导体衬底的同一表面上设置发射极、集电极和栅极的横向结构。例如在JP-A-5-29614(1933)中公开这种结构。
另一方面，根据IGBT，能够通过由一对集电极-发射极组成的元件的电流受到限制。所以，通过使大量的元件IGBT在半导体衬底内集成化获得最理想的电流量。
在JP-A-5-29614(1993)中公开的IGBT具有发射区、基区和集电区分别为梳状的结构而且发射区和基区的相应的齿状部分与集成区互相啮合。在基区、基区附近的漂移区和发射区上经由绝缘薄膜设置栅极。在相应的发射区和基区上分别设置发射极和集电极。发射极和集电极分别为梳状，并且发射极和集电极的齿状部分互相啮合。
按常规，用多晶硅作栅极材料。然而，根据具有通常结构的横向IGBT，由于栅极的纵向电阻造成栅电阻的不均匀性并且在关断操作中在具有大的栅电阻的部分上使关断动作延迟。
变换器件的大部分负载通常是电感负载。因此，在那个时候，除了维持大电流流动的操作外在电感延迟关断动作的部分上产生电流聚集。结果，在那部分上发生闩锁现象。因此，就有IGBT能控制的电流被限制在低于预定值的强度的问题。
为了在元件中减少操作时间的延迟，在JP-A-10-173176(1998)等等中公开了减小栅极电阻的技术。然而，该技术涉及纵向IGBT的结构，并且没有考虑为构成集成电路而使IGBT和驱动电路集成化的主意。
本发明的目的是通过减小栅极电阻而提供具有改进闩锁防止性能的绝缘栅晶体管。
为了达到上述的目的，本发明的绝缘栅晶体管的特点在于在发射极上经由绝缘层形成金属布线层；在第一主电极中形成与第一主电极绝缘的多个区域；以及金属布线层通过与第一主电极绝缘的多个区域与栅极电连接。
图1是本发明实施例中的横向绝缘栅双极晶体管的示意部分平面图，图2是沿图1中的A-A′线切取的横截面图，图3是沿图1中的B-B′线切取的横截面图，图4是本发明另一实施例中的横向绝缘栅双极晶体管的示意部分平面图，和图5是本发明另一实施例中的纵向绝缘栅双极晶体管的示意横截面图。
最佳实施例的详细描述在下文，参考图1、图2和图3说明本发明实施例的详细情况。
图1是本发明实施例中的横向绝缘栅双极晶体管的示意部分平面图，而图2是沿图1中的A-A′线切取的横截面面图。根据图2，标号1表示包括靠近主表面平面2的n导电类型漂移区3(第一半导体区)的半导体衬底；从主表面平面2延伸到漂移区3并且互相分离地形成含有比漂移区3高的杂质浓度的P导电类型基区4(第二半导体区)和P导电类型集电区5(第三半导体区)；以及从主表面平面2延伸到基区4含有比基区4高的杂质浓度的n导电类型发射区6(第四半导体区)。
如图1所示，相应的基区4和集电区5具有条状结构，而这些区域在长度方向上对直并且在与长度方向垂直的方向上交替地设置。发射区6具有条状形状，并且二个发射区在基区4中以其长度方向沿基区4的长度方向延伸的方向排列。由图1中的实线表示的发射极(第一主电极)具有梳状形状；在主表面平面2上沿基区4设置其齿状部分7a，并且与发射区6和基区4电连接。集电极8(第二主电极)具有梳状形状(由图1中的实线表示)；在主表面平面2上沿集电区5设置其齿部状部分8a，并且与集电区5电连接。在基区4以及在基区4相近的两侧上相应的漂移区3和发射区6之上分别在主表面平面2上经由栅绝缘薄膜10以其长度方向沿基区4的长度方向排列的方向配置具有条状结构的多晶硅栅极9、9a(控制电极)。栅极9与相邻的栅极9a在三个部位上，即其长度方向中的二个末端和中部上，用多晶硅电连接。标号11表示在部分基区、栅极和漂移区上形成的第一绝缘薄膜，如图2所示。相应的发射极7中的齿状部分7a和集电极8中的齿状部分8a在第一绝缘薄膜11上延伸抵达漂移区3。标号12表示在集电极8、发射极7和第一绝缘薄膜11上面形成的第二绝缘薄膜。在第二绝缘薄膜12上沿发射极7用例如铝-硅形成具有梳状形状的栅线13。栅线13与在三个部位(长度方向中的二个末端和中部)上形成的栅极9、9a中的连接部位9b处的多晶硅电连接。图3表示沿图1中的B-B′线切取的，也就是栅线13的齿状部分13a与栅极9、9a中的连接部分9b的接触部分的横截面图。栅极9、9a中的连接部分9b通过切开部分的发射电极7、第一绝缘薄膜11和第二绝缘薄膜12经由铝-硅层14与栅线13接触。
根据本发明的结构，通过沿栅极9的长度方向设置栅极9、9a中的朝栅线13的多个连接部分9b，能够减小在长度方向上的栅极电阻，以便在关断状态时使电流经由最近的连接点通到铝-硅线。在平行地连接元件IGBT中的多个零件时，栅线13能够容易地连接相邻的多个元件IGBT。使全部IGBT的栅电阻能够均匀。结果，在关断操作时使元件IGBT的操作时间和全部IGBT的操作时间能够一致。所以，能够避免电流聚集，从而改进闩锁防止性能。
根据本实施例，在晶体管的主表面平面上能够实现减小栅电阻。因此，因为IGBT和用于驱动IGBT的驱动电路在同一表面平面上能够与各绝缘衬底、SOI衬底或各由PN结隔离的元件连接，所以能够容易地构成IC。
图4是本发明另一实施例的横向绝缘栅双极晶体管的示意平面图。根据图4，为了减小栅极9和9a在长度方向上的电阻在三点位置，即各栅极9和9a的二个末端和中部位置上设置与栅线的连接点。在长度方向上减小栅电阻的重点是在多晶硅栅极上在长度方向上设置多个连接点，并且是使相应的连接点与低电阻线例如铝-硅线电连接。
图5是本发明实施例的纵向绝缘栅双极晶体管的示意平面图。集电区5从主表面2延伸到部分漂移区3，正好在基区4和发射区6下面。相应的区域和电极的操作与图2所示的横向绝缘栅双极晶管一样。就纵向绝缘栅双极晶体管来说，能够获得与横向绝缘栅双极晶体管同样的优点。
根据本发明，不仅能够减小横向绝缘栅双极晶体管的栅电阻而且也能够减小纵向绝缘栅双极晶体管的栅电阻。因此，能够在元件中在关断操作时使操作时间一致，并且能够改进闩锁防止性能。
对于像MOSFET(金属-氧化物-半导体场效应晶体管)之类的横向绝缘栅晶体管和纵向绝缘栅晶体管都可以应用本发明。在绝缘栅晶体管中，图2和图5中的集电区5具有与绝缘栅双极晶体管中的导电类型相反的n导电类型。根据本发明，减小栅电阻并且使元件中关断操作一致。所以，防止电流聚集或者电流堵塞。另外，本发明应用于实施例中的P导电类型和n导电类型变换到n和P导电类型，也就是分别为相反的导电类型的绝缘栅晶体管。在这种情况中同样减小栅电阻。
权利要求
1.一种绝缘栅晶体管，包括包括主表面平面的第一导电类型第一半导体区；包括通过从上述的主表面平面延伸到上述的第一半导体区内形成的多个部分的第二导电类型第二半导体区；上述的多个部分分别包括条状形状、在长度方向上对直并平行设置；第三半导体区；沿上述的第二半导体区的长度方向，从上述的主表面平面延伸到在上述的第二半导体区中相应的多个部分内形成的第一导电类型第四半导体区；在横贯上述的第一、第二和第四半导体区的上述的主表面平面上形成的第一绝缘层；通过上述的第一绝缘层横贯上述的第一、第二和第四半导体区形成由多晶硅半导体构成的控制电极；与上述的第二和第四半导体区电连接的第一主电极；和在上述的主表面上与上述的第三半导体区电连接的第二主电极；其中，在上述的第一主表面平面上经由绝缘层设置金属布线层，通过上述的第一主电极形成与上述的第一主电极绝缘的多个区域，和上述的金属布线层通过上述的绝缘层经由与上述的主电极绝缘的上述的区域与上述的控制电极电连接。
2.如权利要求1所述的绝缘栅晶体管，其中上述的多个区域按长度方向配置在主电极的整个表面区域上。
3.如权利要求1所述的绝缘栅晶体管，其中上述的绝缘栅晶体管是横向型绝缘栅双极晶体管。
4.如权利要求1所述的绝缘栅晶体管，其中上述的绝缘栅晶体管是纵向型绝缘栅双极晶体管。
5.一种集成电路，包括如权利要求1到4中的任一权利要求所述的绝缘栅晶体管。
全文摘要
绝缘门控晶体管包括第一半导体区、包括多个部分的第二半导体区、第三半导体区、第四半导体区、第一主电极和第二主电极,其中在第一主表面平面上经由绝缘层设置金属布线层,通过上述的主电极设置与第一主电极绝缘的多个区域,以及金属布线层通过绝缘层经由与主电极绝缘的区域与控制电极电连接。
文档编号H01L29/423GK1263360SQ00101998
公开日2000年8月16日 申请日期2000年2月4日 优先权日1999年2月4日
发明者内海智之, 大关正一, 须田晃一 申请人:株式会社日立制作所, 日立原町电子工业株式会社