专利名称：槽形栅多晶硅结构的联栅晶体管及其制作方法
技术领域：
本发明涉及一种联栅晶体管及其制作方法，属于硅半导体器件技术领域。
背景技术：
1979 年 Hisao Kondo 提出了联栅晶体管 GAT (Gate Associated Transisto r),随后进行了详细的分析(见 IEEE Trans. Electron Device, vol. ED-27, PP. 373-379. 1980)。1994年，陈福元、金文新、吴忠龙对联栅晶体管GAT作了进一步的分析(《电力电子技术》1994年第4期1994. 11. pp52_55)，指出了联栅晶体管器件呈现出高耐压、快速开关和低饱和压降等优良特性。早期的联栅晶体管GAT都是采用平面结构。2000年，中国发明专利ZL00100761.0提出了一种槽形栅多晶硅结构的联栅晶体管，其结构的原理如图I所示在下层为第一导电类型低电阻率层42、上层为第一导电类型高电阻率层41的硅衬底片4的上表面，有多条第一导电类型的高掺杂浓度的发射区3，发射区3通过掺杂多晶硅层9与发射极金属层I连接，每条发射区3的周围有第二导电类型的基区2，基区2的侧面连着第二导电类型掺杂浓度比基区2高、深度比基区2深度深的栅区6，栅区6与栅极金属层相连，硅衬底片4的上层41在基区2以下和栅区6以下的部分为集电区，硅衬底片4的下层42是集电极，集电极42的下表面与集电极金属层8相连，其中栅区6是槽形的，该槽5的底部是第二导电类型高掺杂区；发射区3的上面连接着第一导电类型的掺杂多晶娃层9,该掺杂多晶娃层9与发射极金属层I连接；每条槽5的底面和侧面覆盖着绝缘层7，侧面的绝缘层7延伸到硅衬底片4的上表面。这种槽形栅多晶硅结构的联栅晶体管可以比平面结构的联栅晶体管获得更大的电流密度、更均匀的电流分布、更快的开关速度、更高的可靠性。但是已有技术的槽形栅多晶硅结构的联栅晶体管采用7次光刻，它们是刻槽，刻基区，刻发射区，刻多晶硅，刻接触孔，刻金属，刻压焊块。不仅加工周期长，而且加工成本闻。
发明内容
鉴于上述，本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种槽形栅多晶硅结构的联栅晶体管及其制造方法，它可以节约成本，缩短加工周期，提高竞争力。为完成本发明的目的，本发明采用5次光刻工艺技术，刻基区与刻发射区只用一块光刻版，刻多晶硅层与刻接触孔也只用一块光刻版，其结构的技术方案是—种槽形栅多晶硅结构的联栅晶体管，在下层为N型低电阻率层、上层为N型高电阻率层的硅衬底片的上表面有多条N型的高掺杂浓度的发射区，发射区的上面连接着N型的掺杂多晶硅层，该掺杂多晶硅层与发射极金属层连接，每条发射区的周围有P型的基区，基区的侧面连着掺杂浓度比基区高、深度比基区深度深的P型的槽形栅区和与P型槽形栅区正交的P型槽形栅区汇流条，每条P型槽形栅区的槽的底面和侧面覆盖着绝缘层，侧面绝缘层延伸到硅衬底片的上表面，栅区与栅极金属层相连，发射极金属层与栅极金属层被钝化层覆盖，硅衬底片的上层位于基区以下和栅区以下的部分为集电区，硅衬底片的下层是集电极，集电极的下表面与集电极金属层相连，其特征在于发射区与基区为同一个扩散窗口 ；覆盖发射极金属层的钝化层延伸到掺杂多晶硅层的上表面；覆盖栅极金属层的钝化层延伸到P型槽形栅区汇流条的槽的底面。此外，所述硅衬底片的N型的上层分为两层，靠上一层的电阻率高于靠下一层。为实现上述结构，本发明槽形栅多晶硅结构的联栅晶体管的制造方法包括下列工艺步骤 A.提供下层为N型低电阻率层、上层为N型高电阻率层的硅衬底片；B.在硅衬底片的上表面形成二氧化硅绝缘层；C.选择性的掩蔽和腐蚀二氧化硅层，形成二氧化硅硬掩膜；D.刻蚀二氧化硅硬掩膜下面的硅衬底深槽；E.离子注入硼，并通过推进氧化形成P型槽形栅区、P型槽形栅区汇流条、槽的底面氧化层和槽的侧面氧化层；F.选择性的掩蔽和腐蚀二氧化硅层，形成基区扩散窗口 ；G.离子注入硼，并通过推进氧化形成P型基区和薄氧化层，同时进一步推进P型槽形栅区和P型槽形栅区汇流条；H.腐蚀薄氧化层，形成发射区扩散窗口 ；I.淀积多晶硅层，多晶硅层与发射区扩散窗口中的硅衬底片的上表面接触；J.离子注入磷，形成N型掺杂多晶硅层，并通过扩散在硅衬底片上表面形成N型发射区；K.选择性的掩蔽和刻蚀掺杂多晶硅层，在P型基区、P型槽形栅区和N型发射区的上方留有掺杂多晶硅层，而在P型槽形栅区汇流条的槽的底面的上方不留掺杂多晶硅层；L.以掺杂多晶硅层为掩膜，腐蚀二氧化硅层，把P型槽形栅区汇流条的槽的底面的二氧化硅腐蚀干净，形成接触孔；M.溅射金属层；N.选择性的掩蔽和腐蚀金属层，形成互相分离的发射极金属层和栅极金属层；0.淀积钝化层；P.选择性的掩蔽和刻蚀钝化层，钝化层覆盖着发射极金属层和栅极金属层，将发射极压焊窗口和基极压焊窗口处的钝化层刻蚀干净。本发明的基区与发射区为自对准结构，其多晶硅层与接触孔也为自对准结构。本发明采用5次光刻工艺技术，刻基区与刻发射区只用一块光刻版，刻多晶硅层与刻接触孔也只用一块光刻版，节省了两次光刻，节约了 20-30 %的成本。本发明可以节约成本，缩短加工周期,提高竞争力。
图I是已有技术的结构示意图；图2是已有技术在槽形栅区汇流条附近的结构示意图；图3是本发明的结构示意图；图4是本发明的一个实施例在槽形栅区汇流条附近的结构示意图5是本发明采用N型的上层为两层的另一实施例在槽形栅区汇流条附近的结构示意图。图6-10是本发明的一个实施例在槽形栅区汇流条附近的与工艺流程相关的结构示意图。图中1.发射极金属层；2. P型基极；3. N型发射区；4. N型硅衬底片；41. N型硅衬底片上层；42. N型娃衬底片下层；411. N型娃衬底片上层的靠下一层；412. N型娃衬底片上层的靠上一层；5.硅槽；51.栅区汇流条硅槽；6. P型槽形栅区；61. P型槽形栅区汇流条；7. 二氧化娃绝缘层；8.集电极金属层；9.掺杂多晶娃层；10.栅极金属层；11.钝化层 ；12.熱分解二氧化硅层TEOS。
具体实施例方式本发明涉及槽形栅多晶硅结构的联栅晶体管及其制作方法。该联栅晶体管的结构是一种槽形栅多晶硅结构的联栅晶体管，在下层为N型低电阻率层、上层为N型高电阻率层的硅衬底片的上表面有多条N型的高掺杂浓度的发射区，发射区的上面连接着N型的掺杂多晶硅层，该掺杂多晶硅层与发射极金属层连接，每条发射区的周围有P型的基区，基区的侧面连着掺杂浓度比基区高、深度比基区深度深的P型的槽形栅区和与P型槽形栅区正交的P型槽形栅区汇流条，每条槽的底面和侧面覆盖着绝缘层，侧面绝缘层延伸到硅衬底片的上表面，栅区与栅极金属层相连，发射极金属层与栅极金属层被钝化层覆盖，硅衬底片的上层位于基区以下和栅区以下的部分为集电区，硅衬底片的下层是集电极，集电极的下表面与集电极金属层相连，其中发射区与基区为同一个扩散窗口 ；覆盖发射极金属层的钝化层延伸到掺杂多晶硅层的上表面；覆盖栅极金属层的钝化层延伸到P型槽形栅区汇流条的槽的底面。对上述槽形栅多晶硅结构的联栅晶体管的技术方案中的有关术语解释如下“发射区与基区为同一个扩散窗口 ”与“发射区与基区为自对准结构”的表述的含义相同。即基区扩散窗口是靠采用光刻掩膜掩蔽和腐蚀二氧化硅形成，而发射区扩散窗口不用光刻掩膜，仅用漂(即湿法轻腐蚀)薄氧的方法，把基区扩散窗口再次显露出来，作为发射区的扩散窗口。本发明的另外两个特征，即“覆盖发射极金属层的钝化层延伸到掺杂多晶硅层的上表面”和“覆盖栅极金属层的钝化层延伸到P型槽形栅区汇流条的槽的底面”，是掺杂多晶硅层作为接触孔的硬掩蔽层的结果。反映了本发明节省一次低温氧化工艺(热分解二氧化硅层TE0S，图2的数字12所示)和节省一次光刻工艺的明显效果。 为实现上述结构，本发明槽形栅多晶硅结构的联栅晶体管的制造方法包括下列工艺步骤A.提供下层为N型低电阻率层、上层为N型高电阻率层的硅衬底片；B.在硅衬底片的上表面形成二氧化硅绝缘层；C.选择性的掩蔽和腐蚀二氧化硅层，形成二氧化硅硬掩膜；D.刻蚀二氧化硅硬掩膜下面的硅衬底深槽；E.离子注入硼，并通过推进氧化形成P型槽形栅区、P型槽形栅区汇流条、槽的底面氧化层和槽的侧面氧化层；
F.选择性的掩蔽和腐蚀二氧化硅层，形成基区扩散窗口 ；G.离子注入硼，并通过推进氧化形成P型基区和薄氧化层，同时进一步推进P型槽形栅区和P型槽形栅区汇流条；H.腐蚀薄氧化层，形成发射区扩散窗口 ；I.淀积多晶硅层，多晶硅层与发射区扩散窗口中的硅衬底片的上表面接触；J.离子注入磷，形成N型掺杂多晶硅层，并通过扩散在硅衬底片上表面形成N型发射区；K.选择性的掩蔽和刻蚀掺杂多晶硅层，在P型基区、P型槽形栅区和N型发射区的 上方留有掺杂多晶硅层，而在P型槽形栅区汇流条的槽的底面的上方不留掺杂多晶硅层；L.以掺杂多晶硅层为掩膜，腐蚀二氧化硅层，把P型槽形栅区汇流条的槽的底面的二氧化硅腐蚀干净，形成接触孔；M.溅射金属层；N.选择性的掩蔽和腐蚀金属层，形成互相分离的发射极金属层和栅极金属层；0.淀积钝化层；P.选择性的掩蔽和刻蚀钝化层，钝化层覆盖着发射极金属层和栅极金属层，将发射极压焊窗口和基极压焊窗口处的钝化层刻蚀干净。对上述槽形栅多晶硅结构的联栅晶体管的制造方法中的有关内容解释如下槽形栅多晶硅结构的联栅晶体管的槽形栅区上面是二氧化硅绝缘层，所以，栅区电流并不直接向上流入栅极金属层(见图I和图3，在图I和图3中未画出栅极金属层)，而是从二氧化硅绝缘层的下面流入槽形栅区汇流条，槽形栅区汇流条的槽的底面的二氧化硅绝缘层被腐蚀干净后，槽形栅区汇流条的槽的底面直接接触栅极金属层。因此，槽形栅多晶硅结构的联栅晶体管的栅区电流是通过槽形栅区汇流条进出栅极金属层的。刻蚀即干法腐蚀，二氧化硅的腐蚀既包括湿法腐蚀也包括干法腐蚀。槽形栅多晶硅结构的联栅晶体管的栅区就是厚基区，栅极就是基极。按照常规表述，栅极金属层连接到“基极”，而不是连接到“栅极”。因此常规称“基极压焊窗口”，而不称“栅极压焊窗口”。图4表示槽形栅多晶硅结构的联栅晶体管的实施例在槽形栅区汇流条附近的结构示意图，结合表示在各个工艺流程阶段的结构变化的图6-10，加以说明。硅衬底片4的下层42为集电极，其为厚度420 iim电阻率0.01 Q cm的N型硅，上层41为厚度60 ii m电阻率35 Q -cm的N型硅。在硅衬底片的上表面形成二氧化硅层7，通过选择性的掩蔽和腐蚀二氧化硅层7，形成具有多条横向的(与X方向平行)和多条纵向的(与Y方向平行)长条形孔的二氧化硅硬掩膜。刻蚀二氧化硅硬掩膜下面的硅衬底深槽，形成多条横向的(与X方向平行)长条形硅槽5(见图3)和多条纵向的(与Y方向平行)长条形栅区汇流条硅槽51，槽5宽4 y m，槽51宽20 y m，离子注入硼，并通过推进氧化在槽5处形成P型槽形栅区6 (见图3)及在槽51处形成P型槽形栅区汇流条61，并形成槽的底面氧化层和槽的侧面氧化层。槽形栅区6和槽形栅区汇流条61的槽的底面的硼的浓度为IE19-2E20/cm3，结深3iim。。上述工艺相当于工艺步骤A_E，工艺结果如图6所示。通过选择性的掩蔽和腐蚀二氧化硅层7，形成基区扩散窗口。离子注入硼，并通过推进氧化形成P型基区2和薄氧化层，同时P型槽形栅区6和P型槽形栅区汇流条61也进一步推进。P型基区2中硼的表面浓度为lE17-3E18/cm3，结深4iim，P型栅区6和P型栅区汇流条61的结深增加到6 ym。腐蚀薄氧化层，形成发射区扩散窗口。上述工艺相当于工艺步骤F-H，工艺结果如图7所示。淀积0. 6-0. 7um厚的多晶硅层，多晶硅层与发射区扩散窗口中的硅衬底片的上表面接触，离子注入磷，形成N型掺杂多晶硅层9，并通过扩散在硅衬底片上表面形成N型发射区3，N型发射区3的磷的表面浓度高达2-9E20/cm3，N型发射区3的深度为I. 5 y m。通过选择性的掩蔽和刻蚀掺杂多晶硅层9，在P型基区2、P型槽形栅区6和N型发射区3的上方留有掺杂多晶硅层9 (见图3)，而在P型槽形栅区汇流条61的槽的底面的上方没有掺杂多晶硅层9。上述工艺相当于工艺步骤I-K，工艺结果如图8所示。以掺杂多晶硅层9为掩膜，腐蚀二氧化硅层7，把P型槽形栅区汇流条的槽的底面的二氧化硅腐蚀干净，形成接触孔。溅射金属层，金属层为4 的铝层。通过选择性的掩蔽和腐蚀金属层，形成互相分离的发射极金属层I和栅极金属层10。上述工艺相当于工艺步骤L—N，工艺结果如图9所示。 淀积钝化层11，钝化层11是I U m厚的PE氮化硅层。钝化层11覆盖着发射极金属层I和栅极金属层10，在发射极压焊窗口和基极压焊窗口处钝化层被刻蚀干净。上述工艺相当于工艺步骤0-P，工艺结果如图10所示。(发射极压焊窗口和基极压焊窗口在图10中未示。)最后，把芯片的背面减薄到280 u m，溅射厚度为I y m的钛镍银三层金属作为集电极金属层8。如图4所示。图5是本发明的另一个较好的实施例。它与图4的不同之处在于硅衬底片的上层N型高阻层41分为两层，靠上面一层412的电阻率高些，为60 Q cm,厚度为20 y m，靠下面一层411的电阻率低些，为20 Q cm，厚度为40iim。这种双层结构的高阻层，能够有效地抑制集电极与基极之间的PN结势垒在大电流的转移收缩效应，提高器件的抗雪崩击穿能力，从而提高了器件长期工作的可靠性。需要申明的是，上述实施例仅用于对本发明进行说明而非对本发明进行限制，因此，对于本领域的技术人员来说，在不背离本发明精神和范围的情况下对它进行各种显而易见的改变，都应在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种槽形栅多晶硅结构的联栅晶体管，在下层为N型低电阻率层、上层为N型高电阻率层的硅衬底片的上表面有多条N型的高掺杂浓度的发射区，发射区的上面连接着N型的掺杂多晶硅层，该掺杂多晶硅层与发射极金属层连接，每条发射区的周围有P型的基区，基区的侧面连着掺杂浓度比基区高、深度比基区深度深的P型的槽形栅区和与P型槽形栅区正交的P型槽形栅区汇流条，每条P型槽形栅区的槽的底面和侧面覆盖着绝缘层，侧面绝缘层延伸到硅衬底片的上表面，栅区与栅极金属层相连，发射极金属层与栅极金属层被钝化层覆盖，硅衬底片的上层位于基区以下和栅区以下的部分为集电区，硅衬底片的下层是集电极，集电极的下表面与集电极金属层相连，其特征在于 发射区与基区为同一个扩散窗口； 覆盖发射极金属层的钝化层延伸到掺杂多晶硅层的上表面； 覆盖栅极金属层的钝化层延伸到P型槽形栅区汇流条的槽的底面。
2.如权利要求I所述的槽形栅多晶硅结构的联栅晶体管，其特征在于 所述娃衬底片的N型的上层分为两层,靠上一层的电阻率高于靠下一层。
3.一种槽形栅多晶硅结构的联栅晶体管的制造方法，其特征在于包括下列工艺步骤 A.提供下层为N型低电阻率层、上层为N型高电阻率层的硅衬底片； B.在硅衬底片的上表面形成二氧化硅绝缘层； C.选择性的掩蔽和腐蚀二氧化硅层，形成二氧化硅硬掩膜； D.刻蚀二氧化硅硬掩膜下面的硅衬底深槽； E.离子注入硼，并通过推进氧化形成P型槽形栅区、P型槽形栅区汇流条、槽的底面氧化层和槽的侧面氧化层； F.选择性的掩蔽和腐蚀二氧化硅层，形成基区扩散窗口； G.离子注入硼，并通过推进氧化形成P型基区和薄氧化层，同时进一步推进P型槽形栅区和P型槽形栅区汇流条； H.腐蚀薄氧化层，形成发射区扩散窗口； I.淀积多晶硅层，多晶硅层与发射区扩散窗口中的硅衬底片的上表面接触； J.离子注入磷，形成N型掺杂多晶硅层，并通过扩散在硅衬底片上表面形成N型发射区； K.选择性的掩蔽和刻蚀掺杂多晶硅层，在P型基区、P型槽形栅区和N型发射区的上方留有掺杂多晶硅层，而在P型槽形栅区汇流条的槽的底面的上方不留掺杂多晶硅层； L.以掺杂多晶硅层为掩膜，腐蚀二氧化硅层，把P型槽形栅区汇流条的槽的底面的二氧化硅腐蚀干净，形成接触孔； M.溅射金属层； N.选择性的掩蔽和腐蚀金属层，形成互相分离的发射极金属层和栅极金属层；0.淀积钝化层； P.选择性的掩蔽和刻蚀钝化层，钝化层覆盖着发射极金属层和栅极金属层，将发射极压焊窗口和基极压焊窗口处的钝化层刻蚀干净。
全文摘要
本发明涉及槽形栅多晶硅结构的联栅晶体管及其制造方法，联栅晶体管的主要特征是发射区与基区为同一个扩散窗口；覆盖发射极金属层的钝化层延伸到掺杂多晶硅层的上表面；覆盖栅极金属层的钝化层延伸到P型槽形栅区汇流条的槽的底面。其基区与发射区为自对准结构，其多晶硅层与接触孔也为自对准结构。本发明采用5次光刻工艺技术，节省了两次光刻，节约了20-30％的成本。
文档编号H01L29/06GK102751322SQ201110214439
公开日2012年10月24日 申请日期2011年7月28日 优先权日2011年7月28日
发明者李思敏 申请人:李思敏