具有雙p基區(qū)門(mén)陰極結(jié)構(gòu)的門(mén)極換流晶閘管及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于半導(dǎo)體集成電路技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種半導(dǎo)體器件結(jié)構(gòu)，尤其涉及一種應(yīng)用于自然換流型混合式直流斷路器中的集成門(mén)極換流晶閘管的門(mén)極結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
【背景技術(shù)】
[0002]集成門(mén)極換流晶閘管(IGCT:1ntegrated Gate Commutated Thyristor)是一種用于大容量電力電子裝置中的新型電力半導(dǎo)體器件，它最先是由瑞士 ABB公司開(kāi)發(fā)并成功投入市。IGCT是將GCT(Gate Commutated Thyristor門(mén)極換流晶閘管)芯片與反并聯(lián)的二極管和門(mén)極驅(qū)動(dòng)MOSFET集成在一起，再與門(mén)極驅(qū)動(dòng)在外圍以低電感方式連接，結(jié)合了晶體管的關(guān)斷能力和晶閘管低導(dǎo)通損耗等優(yōu)點(diǎn)，適用于自然換流型混合式直流斷路器。
[0003]GCT芯片集成了多個(gè)門(mén)極換流晶閘管元胞單元，每個(gè)元胞的基本結(jié)構(gòu)同GTO(門(mén)極可關(guān)斷晶閘管)類(lèi)似，為PNPN結(jié)構(gòu)，GCT(Gate Commutated Thyristor)元胞單元如圖1所示，按照摻雜的濃度細(xì)化區(qū)分，則陰極極至陽(yáng)極依次分別是:η+發(fā)射極、P基區(qū)、η基區(qū)、η+緩沖層、P+發(fā)射極，共有J1、J2、J3三個(gè)PN結(jié)(即半導(dǎo)體中P型摻雜區(qū)和N型摻雜區(qū)的邊界線)。其導(dǎo)通和關(guān)斷過(guò)程如圖2所示，正常導(dǎo)通時(shí)，門(mén)陰極正偏，電流自陽(yáng)極流入，陰極流出，如圖2(a)所示。關(guān)斷時(shí)，門(mén)陰極反偏，電流自陰極流入，門(mén)極流出，如圖2(b);
[0004]已有的典型的直徑4英寸GCT芯片的陰極面和縱向剖面結(jié)構(gòu)如圖3所示:由多個(gè)同心的陰極環(huán)31、一個(gè)同心的門(mén)極接觸環(huán)32和多個(gè)陰極梳條33構(gòu)成;一個(gè)個(gè)梳條33沿徑向排列在每個(gè)陰極環(huán)31的部分區(qū)域中，形成一個(gè)扇形區(qū)域。陰極環(huán)31的數(shù)量和深度根據(jù)實(shí)際芯片尺寸確定，數(shù)值上不是嚴(yán)格的。圖3以10個(gè)陰極環(huán)為例進(jìn)行說(shuō)明，圖3中在第5陰極環(huán)與第6陰極環(huán)之間有一個(gè)門(mén)極接觸環(huán)32;所述GCT芯片的剖面如圖3下方所示(圖中只顯示了陰極面的左半徑的剖面)XCT的縱向元胞結(jié)構(gòu)與圖2的說(shuō)明一致，即每個(gè)元胞縱向結(jié)構(gòu)從陰極至陽(yáng)極分別是:n+發(fā)射極、P基區(qū)、η基區(qū)、η+緩沖層、P+發(fā)射極，共有J1、J2、J3三個(gè)PN結(jié)；陰極面的每個(gè)梳條33上表面為陰極發(fā)射極電極34，陰極面的門(mén)極表面部分被門(mén)極電極35覆蓋，并與陰極電極相隔離。
[0005]門(mén)極電極35是經(jīng)過(guò)濺射得到的金屬電極，門(mén)極電極35覆蓋了除梳條以外所有的陰極面表面區(qū)域，因此是各陰極環(huán)彼此相通的，并與陰極面梳條33表面的陰極發(fā)射極電極34絕緣。門(mén)極電極35直接同門(mén)極接觸環(huán)32表面36相連。且已有的GCT芯片的陰極面各陰極環(huán)和門(mén)極接觸環(huán)縱向的元胞結(jié)構(gòu)的P基區(qū)深度相同(深度具體取值可根據(jù)器件的電壓、電流等級(jí)優(yōu)化得到)。導(dǎo)通時(shí)電流Ia.0n由陽(yáng)極流入，陰極流出；進(jìn)行關(guān)斷操作時(shí)，電流從陰極梳條處轉(zhuǎn)移至門(mén)極接觸環(huán)。由于門(mén)極接觸環(huán)位于第5到第6陰極環(huán)之間，因此所有陰極梳條的電流都要通過(guò)金屬層匯聚到門(mén)極接觸環(huán)。
[0006]GCT關(guān)斷操作時(shí)，在門(mén)陰極外接反向電源的作用下，電流從陰極換到門(mén)極。電流在正常導(dǎo)通情況下的分布如圖4所示，關(guān)斷指令發(fā)出后換流到門(mén)極電流重新分布如圖5所示。關(guān)斷過(guò)程中，通過(guò)晶閘管的電流從陰極換流到門(mén)極。從陰極到陽(yáng)極，摻雜濃度的縱向分布如圖6所示:η+發(fā)射極的邊界濃度在lel9至le20cm—3，發(fā)射極擴(kuò)散深度在15?25um;p+短基區(qū)的邊界濃度在5el6?5el7cm—3，擴(kuò)散深度30至70um;p基區(qū)邊界濃度范圍在lel5?5el6cm—3，擴(kuò)散深度80?140um;n-襯底根據(jù)器件耐受電壓等級(jí)的不同選擇摻雜濃度和寬度，一般摻雜濃度在Ie 13左右，寬度在200?700um;n’緩沖區(qū)由陽(yáng)極表面進(jìn)行離子注入和擴(kuò)散，摻雜濃度表面值在lel5?5el6，擴(kuò)散深度20?40um;p+發(fā)射極表面濃度在lel8?le20，擴(kuò)散深度在I?1um0
[0007 ]在傳統(tǒng)制備GCT芯片的工藝流程包括:
[0008]SO1:n_襯底上陰極面進(jìn)行p+短基區(qū)和P基區(qū)的擴(kuò)散，最成熟的工藝是采用硼鋁同時(shí)預(yù)沉積擴(kuò)散的方法。
[0009]S02:陽(yáng)極面η ’緩沖區(qū)注入和擴(kuò)散。
[0010]S03:陰極面選擇性磷預(yù)沉積。
[0011]S04:陰極面門(mén)極部分刻蝕挖槽，使得門(mén)極位置低于陰極發(fā)射極η+部分約13?ISum
[0012]S05:陰極面高磷擴(kuò)散，制作η+發(fā)射極。
[0013]S06:陽(yáng)極面制作ρ+透明陽(yáng)極。
[0014]S07:金屬電極沉積和刻蝕。
[0015]S08:后續(xù)保護(hù)等工藝。
[0016]η+發(fā)射極采用高磷預(yù)沉積和擴(kuò)散制作，ρ+短基區(qū)采用硼或鎵的離子注入或者預(yù)沉積擴(kuò)散，P區(qū)采用鋁的預(yù)沉積擴(kuò)散，η’緩沖層采用磷的離子注入和擴(kuò)散，ρ+透明陽(yáng)極采用硼的離子注入和擴(kuò)散。其中，P+短基區(qū)由于雜質(zhì)濃度較高，因此電阻率較低，如圖5所示，ρ+短基區(qū)為電流轉(zhuǎn)移到門(mén)極的橫向電流主要通道。
[0017]現(xiàn)有的GCT關(guān)斷時(shí)電流從陰極換流到門(mén)極的示意如圖7所示，ρ+短基區(qū)位于硅片陰極面表面，與η+交界處構(gòu)成J3結(jié)。在關(guān)斷的換流過(guò)程中，門(mén)極、陰極外接反向電源VCK，因此J3結(jié)會(huì)承受反向電壓，因此外接的反向電源Vck不能超過(guò)J3結(jié)的反向擊穿電壓，如圖7所示。因此GCT的設(shè)計(jì)需要考慮兩個(gè)要素:
[0018]l)p+短基區(qū)需要有足夠高的摻雜濃度，以便形成如圖7所示的橫向電流通道，利于電流從陰極轉(zhuǎn)移到門(mén)極。
[0019]2)p+短基區(qū)摻雜濃度不能過(guò)高，因?yàn)榕cη+構(gòu)成的J3結(jié)，過(guò)高的濃度會(huì)導(dǎo)致較低的擊穿電壓，一旦J3結(jié)反向擊穿，則換流失敗，GCT芯片會(huì)損壞。因此J3結(jié)的反向擊穿電壓大大限制了 GCT的關(guān)斷能力。
[0020]傳統(tǒng)的GCT芯片設(shè)計(jì)中，采用在硅片上挖槽的方式降低J3結(jié)處ρ+短基區(qū)的濃度，并保證P+短基區(qū)濃度足夠高以便形成電流通道。所述“挖槽”工藝是采用濕法或干法在硅片上選擇性腐蝕成溝槽，形成如圖3所示的陰極面梳條結(jié)構(gòu)，S卩η+發(fā)射極為梳條頂，門(mén)極位于梳條間的槽底?！巴诓邸惫に囉捎谑沟霉杵砻娼Y(jié)構(gòu)出現(xiàn)高低錯(cuò)落，大大增大了 GCT芯片后續(xù)工藝難度，如蒸鋁電極、刻鋁等步驟，導(dǎo)致工藝的一致性受到影響，從而降低GCT芯片的關(guān)斷能力。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0021]本發(fā)明的目的是為克服已有技術(shù)的不足，提出一種雙ρ基區(qū)門(mén)陰極結(jié)構(gòu)的門(mén)極換流晶閘管及其制備方法。本發(fā)明的新型的門(mén)極換流晶閘管的門(mén)陰極結(jié)構(gòu)，既能夠保證門(mén)陰極J3結(jié)有較大的反向擊穿電壓，又能夠保證ρ+短基區(qū)雜質(zhì)濃度足夠高從而利于電流通道形成，并且省去了挖槽的工藝步驟，從而簡(jiǎn)化工藝步驟并提高門(mén)極換流晶閘管的關(guān)斷能力和可靠性。
[0022]本發(fā)明為了實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，提供一種雙ρ基區(qū)門(mén)陰極結(jié)構(gòu)的門(mén)極換流晶閘管，其特征在于，所述門(mén)極換流晶閘管包括從陽(yáng)極到陰極依次排列的P+發(fā)射極(陽(yáng)極)、n’緩沖區(qū)、η-襯底、第一ρ基區(qū)l、p+短基區(qū)、第二ρ基區(qū)2、n+發(fā)射極;所述陰極電極設(shè)置在所述η+發(fā)射極外表面，所述門(mén)極金屬電極設(shè)置在所述P+短基區(qū)的外表面;所述門(mén)極換流晶閘管的門(mén)極包括第一 P基區(qū)1、第二 P基區(qū)2和ρ+短基區(qū);所述第二 ρ基區(qū)2與η+發(fā)射極構(gòu)成J3結(jié);所述第一P基區(qū)I位于P+短基區(qū)下方，與η-襯底構(gòu)成阻斷結(jié)J2結(jié)。
[0023]所述第二ρ基區(qū)2的深度D2、p+短基區(qū)的深度D0、第一ρ基區(qū)I的深度Dl，可根據(jù)實(shí)際器件特性，在制備過(guò)程中通過(guò)調(diào)整擴(kuò)散溫度和時(shí)間調(diào)整。
[0024]所述門(mén)極換流晶閘管的門(mén)陰極結(jié)構(gòu)可以采用門(mén)極金屬電極和陰極金屬電極處于高度相同的硅片表面;也可以采用傳統(tǒng)的門(mén)極換流晶閘管門(mén)陰極的溝槽形式。
[0025]所述的ρ基區(qū)2的摻雜濃度邊界值為lel5cm—3至lel8cm—3，p基