本發(fā)明涉及半導(dǎo)體技術(shù)，具體的說是設(shè)計一種MOS柵控晶閘管。

背景技術(shù)：
晶閘管是晶體閘流管的簡稱，以前也被簡稱為可控硅。在電力二極管開始應(yīng)用后不久，美國貝爾實驗室發(fā)明了晶閘管，1957年美國通用電氣公司開發(fā)出世界上第一只晶閘管產(chǎn)品，并于1958年達(dá)到商業(yè)化。自20世紀(jì)80年代以來，研究者們試圖用絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)取代其地位，然而，在大電壓、大電流等大容量應(yīng)用場合，晶閘管仍發(fā)揮著重要的作用。這正是由于晶閘管內(nèi)在工作原理決定：在正向工作時，PNP與NPN晶體管形成正反饋，陽極有空穴注入，陰極側(cè)也有電子注入，電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)更顯著，在高壓應(yīng)用時，能有效降低原本很大的漂移區(qū)電阻，降低導(dǎo)通壓降。研究者們在晶閘管基礎(chǔ)上進(jìn)行改良，提出了一系列派生器件，而MOS柵控晶閘管(MCT)是將MOSFET與晶閘管組合而成的一種復(fù)合型器件，將MOSFET的高輸入阻抗、低輸入功率、快速開關(guān)過程和晶閘管的高電壓大電流、低導(dǎo)通壓降特點有效結(jié)合起來。MCT一度被認(rèn)為是最有發(fā)展前途的電力電子器件，然而，它的兩個主要缺點—沒有電流飽和能力和低的關(guān)斷能力一直未能得到很好的解決，限制了其在功率開關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用。近些年來，研究者們提出了更多的場控晶閘管器件結(jié)構(gòu)，致力于改善其缺點、拓寬應(yīng)用領(lǐng)域。公開號為CN101478002A的中國專利提出了一種積累層控制的晶閘管，如圖1所示，包括金屬化陽極1，陽極P區(qū)2，N-基區(qū)3，P+旁路區(qū)4，金屬化陰極5，柵氧化層6，多晶硅柵7，P型基區(qū)8，N+基區(qū)9，N-耗盡區(qū)33，N+層200，改結(jié)構(gòu)克服了傳統(tǒng)柵控晶閘管缺乏電流飽和特性、關(guān)斷能力較弱的缺點。然而其制造工序繁雜，對N-耗盡區(qū)33厚度、摻雜濃度要求較高，這增加了外延生長的難度，且在高摻雜N+層200上外延較薄的N-耗盡層33時，容易發(fā)生自摻雜現(xiàn)象，高摻雜的N+層200作為摻雜雜質(zhì)源擴(kuò)散到外延層，使外延層雜質(zhì)分布偏離預(yù)期設(shè)計。另一方面，以積累層代替了原有的MOS溝道，也會使得飽和電流變大，導(dǎo)致其短路工作能力變?nèi)酢Ｎ墨I(xiàn)O.Spulber,M.Sweet,K.Vershinin,N.Luther-King,M.M.DeSouzaandE.M.SankaraNarayanan,“ANOVEL,1.2kVTRENCHCLUSTEREDIGBTWITHULTRAHIGHPERFORMANCE”,Proceedingsof2001InternationalSymposiumonPowerSemiconductorDevices&ICs,Osaka提出一種新結(jié)構(gòu)，即TCIGBT，如圖2所示，包括金屬化陽極1，陽極P區(qū)2，N-漂移區(qū)3，P阱4，N阱5，柵氧化層6，多晶硅柵7，P基區(qū)8，P+基區(qū)9，N+有源區(qū)10，金屬化陰極11，金屬化柵極12。該結(jié)構(gòu)在電壓較低情況下，器件工作在閂鎖模式下，電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)明顯；當(dāng)電壓繼續(xù)升高時，自鉗位功能的N阱被耗盡，此后電流發(fā)生飽和現(xiàn)象。雖然此結(jié)構(gòu)能有效改善傳統(tǒng)MCT的缺點、能與現(xiàn)有工藝兼容，但是對N阱的厚度、摻雜質(zhì)濃度要求較高，且四次擴(kuò)散工序?qū)ψ⑷腚s質(zhì)劑量、能量控制繁雜。

技術(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明所要解決的，就是針對上述傳統(tǒng)MCT存在缺乏電流飽和特性、關(guān)斷能力較弱的缺點，而已有的新結(jié)構(gòu)存在制造工序繁雜的問題，提出了一種JFET控制的MOS柵控晶閘管(JFET-MCT)。本發(fā)明解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：一種MOS柵控晶閘管，其元胞結(jié)構(gòu)包括陽極P區(qū)2，設(shè)置在陽極P區(qū)2下端面的金屬化陽極1，設(shè)置在陽極P區(qū)2上端面的N型緩沖層3和設(shè)置在N型緩沖層3上端面的N-漂移區(qū)4；所述N-漂移區(qū)4的上層設(shè)置有P阱8、N阱9和絕緣柵，其中P阱8和N阱9位于中間，兩邊是絕緣柵；絕緣柵由多晶硅導(dǎo)電材料6和位于多晶硅導(dǎo)電材料6側(cè)面和底面的柵氧化層5組成，多晶硅柵的上表面設(shè)置有金屬化柵極7；N阱9位于P阱8的上端面；N阱9中包括相互獨立的兩個P+陰極接觸區(qū)10，兩個P+陰極接觸區(qū)10分別與兩邊的絕緣柵連接；P+陰極接觸區(qū)10的上端面設(shè)置有金屬化陰極區(qū)11；其特征在于，金屬化陰極區(qū)11與N阱9的冶金結(jié)為矩形。具體的，P+陰極接觸區(qū)10的間距為0.26μm。本發(fā)明的有益效果為，正向時工作在閂鎖模式，電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)同時發(fā)生在器件陽極和陰極兩端，電流導(dǎo)通能力得到很好的提高，同時通過內(nèi)部寄生的JFET區(qū)來控制飽和電流，提升器件短路安全工作能力，此外還縮小了器件的關(guān)斷時間，降低了關(guān)斷損耗，同常規(guī)絕緣柵雙極晶體管相比，具有更好的導(dǎo)通壓降與關(guān)斷損耗折衷關(guān)系。附圖說明圖1是常規(guī)的積累層控制的晶閘管的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是溝槽絕緣柵雙極晶體管(TCIBGT)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是本發(fā)明的一種MOS柵控晶閘管(JFET-MCT)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是常規(guī)MOS柵控晶閘管(MCT)結(jié)構(gòu)示意圖；圖5是常規(guī)絕緣柵雙極晶體管(IGBT)結(jié)構(gòu)示意圖；圖6是本發(fā)明的JFET-MCT、MCT和IGBT在柵壓都為10伏時，I-V特性曲線比較圖；圖7是本發(fā)明的JFET-MCT空穴濃度隨距離陰極表面距離的變化示意圖；圖8是本發(fā)明的JFET-MCT在正向?qū)顟B(tài)下，陰極側(cè)空穴濃度隨陽極電壓變化的示意圖；圖9是本發(fā)明的JFET-MCT正向?qū)〞r的0至8μm部分的電流分布圖；圖10是本發(fā)明的JFET-MCT與IGBT在電流密度為100A/cm2時的導(dǎo)通壓降與關(guān)斷損耗的折衷圖；圖11是本發(fā)明的JFET-MCT與IGBT在初始電流密度為100A/cm2，壓降為2.7伏時的關(guān)斷波形圖。具體實施方式下面結(jié)合附圖，詳細(xì)描述本發(fā)明的技術(shù)方案：如圖3所示，本發(fā)明的一種MOS柵控晶閘管，其元胞結(jié)構(gòu)包括陽極P區(qū)2，設(shè)置在陽極P區(qū)2下端面的金屬化陽極1，設(shè)置在陽極P區(qū)2上端面的N型緩沖層3和設(shè)置在N型緩沖層3上端面的N-漂移區(qū)4；所述N-漂移區(qū)4的上層設(shè)置有P阱8、N阱9和絕緣柵，其中P阱8和N阱9位于中間，兩邊是絕緣柵；絕緣柵由多晶硅導(dǎo)電材料6和位于多晶硅導(dǎo)電材料6側(cè)面和底面的柵氧化層5組成，多晶硅柵的上表面設(shè)置有金屬化柵極7；N阱9位于P阱8的上端面；N阱9中包括相互獨立的兩個P+陰極接觸區(qū)10，兩個P+陰極接觸區(qū)10分別與兩邊的絕緣柵連接，在縱向剖面中，金屬化陰極區(qū)11與N阱9的冶金結(jié)為矩形；P+陰極接觸區(qū)10的上端面設(shè)置有金屬化陰極區(qū)11。如圖4所示，為傳統(tǒng)的MOS柵控晶閘管(MCT)，其元胞結(jié)構(gòu)包括陽極P區(qū)2，設(shè)置在陽極P區(qū)2下端面的金屬化陽極1，設(shè)置在陽極P區(qū)2上端面的N型緩沖層3和設(shè)置在N型緩沖層3上端面的N-漂移區(qū)4；所述N-漂移區(qū)4的上層設(shè)置有P阱8、N阱9和絕緣柵，其中P阱8和N阱9位于中間，兩邊是絕緣柵；絕緣柵由多晶硅導(dǎo)電材料6和位于多晶硅導(dǎo)電材料6側(cè)面和底面的柵氧化層5組成，多晶硅柵的上表面設(shè)置有金屬化柵極7；N阱9位于P阱8的上端面；N阱9中包括相互獨立的兩個P+陰極接觸區(qū)10，兩個P+陰極接觸區(qū)10分別與兩邊的絕緣柵連接，冶金結(jié)為圓柱形；P+陰極接觸區(qū)10的上端面設(shè)置有金屬化陰極區(qū)11。本發(fā)明與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)不同的地方在于，本發(fā)明對P+陰極接觸區(qū)10進(jìn)行改進(jìn)，增大了P+陰極區(qū)接觸區(qū)10的寬度，改變了冶金結(jié)形貌，減小了自陰極金屬11流入的電子的運輸通道。器件正向工作特性受到P+陰極接觸區(qū)10、N阱9組成的JFET的控制，在相對較小的陽極電壓下可發(fā)生溝道夾斷效應(yīng)，能控制器件飽和電流的大小。P+陰極區(qū)接觸區(qū)10的結(jié)深和寬度可根據(jù)器件設(shè)計要求進(jìn)行優(yōu)化取值。本發(fā)明的工作原理為：當(dāng)所述JFET-MCT的陽極金屬1相對陰極金屬11上加正壓，同時使柵極金屬7上施加正電壓大于該器件的開啟閾值電壓時，柵氧化層5與P阱8界面處形成一層反型層，形成開啟電子溝道。電子自陰極金屬11，經(jīng)過N阱9，再流過開啟電子溝道注入到N-漂移層4，為陽極P區(qū)2、N型緩沖層3和N-漂移區(qū)4、P阱8組成的PNP晶體管提供了基極電流，而該PNP晶體管的集電極電流又成為N阱9；P阱8；N型緩沖層3、N-漂移區(qū)4組成NPN晶體管的基極電流，放大成集電極電流，又進(jìn)一步增大了上述PNP晶體管的基極電流，如此形成強(qiáng)烈的正反饋，最后PNP、NPN兩個晶體管進(jìn)入完全飽和狀態(tài)，即晶閘管正向?qū)?。在陽極金屬1所加正向電壓較小的情況下，器件總電流隨著所加正向電壓的增加而增大，隨著陽極金屬1所加正向電壓進(jìn)一步的增加，電流將趨近一個飽和值。這主要是因為隨著晶閘管的開啟，器件導(dǎo)通電阻很低，陽極電位集中在JFET區(qū)，N阱9和P+陰極接觸區(qū)10的PN結(jié)將反偏，空間電荷區(qū)變寬，溝道變窄，當(dāng)JFET溝道區(qū)被夾斷時，器件呈現(xiàn)電流飽和特性。借助MEDICI仿真軟件，對比了本發(fā)明的JFET-MCT、MCT和IGBT的參數(shù)特征，如圖3、4、5所示，進(jìn)一步驗證了本發(fā)明的優(yōu)越性。仿真中各器件耐壓都為4500伏，其中JFET-MCT、MCT需在柵極加負(fù)壓。仿真中參數(shù)定義如下：少子壽命都為10μs，N型硅襯底厚度都為395μm；陽極P區(qū)2濃度都為3×1017cm-3；N型緩沖層3濃度都為2×1016cm-3、厚度都為6μm；N-漂移區(qū)4摻雜濃度都為1×1013cm-3；P阱8雜質(zhì)劑量都為4×1013cm-2；N阱9雜質(zhì)劑量都為1×1015cm-2、結(jié)深都為1.7μm；P+陰極接觸區(qū)10雜質(zhì)濃度為1×1019cm-3。特別的，本發(fā)明的MCT中，每個元胞中左右對稱的P+陰極接觸區(qū)10間距W為0.26μm、結(jié)深為1.2μm、在縱向剖面土中其與N阱9的冶金結(jié)呈矩形；MCT中，每個元胞中左右對稱的P+陰極接觸區(qū)10間距為6μm、結(jié)深為1.2μm、其與N阱9冶金結(jié)為類圓弧的平滑線；IGBT中，N阱9左右對稱分布在元胞中并且沒有P+陰極接觸區(qū)10。仿真所得的JFET-MCT、MCT和IGBT晶體管的輸出特性曲線如圖6所示，仿真中柵壓都為10伏，由圖6可以看出，電流密度為100A/cm2時，本發(fā)明JFET-MCT相比于IGBT，導(dǎo)通電壓降低了1.05伏，這是由于本發(fā)明提出的JFET-MCT器件工作在閂鎖模式，在陽極和陰極兩端同時發(fā)生電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)。圖7是對應(yīng)此時的空穴分布圖，可以看出JFET-MCT在陰極側(cè)的少子空穴比IGBT高出了近一個量級，空穴分布更接近PIN的懸鏈狀分布，器件的導(dǎo)通能力得到很好的提高。而與MCT相比，本發(fā)明提出的JFET-MCT表現(xiàn)出飽和特性，且本發(fā)明提出的JFET-MCT的飽和電流密度比IGBT低33.8％。圖8是圖3中本發(fā)明JFET-MCT中，陰極側(cè)空穴濃度隨陽極電壓變化的示意圖，當(dāng)陽極電壓較低時，器件工作在線性區(qū)，此時靠近P阱8的空穴濃度相對較高。當(dāng)電壓繼續(xù)增加時，由于器件內(nèi)部建立閂鎖狀態(tài)，導(dǎo)通電阻較小，陽極電位主要集中在JFET區(qū)，N阱9和P+陰極接觸區(qū)10的PN結(jié)將反偏，空間電荷區(qū)變寬，溝道變窄，溝道的電阻增大，輸出特性曲線斜率變小，此時靠近P阱8的空穴濃度開始降低。繼續(xù)增大電壓JFET溝道開始夾斷，靠近P阱8的空穴濃度繼續(xù)降低但變化已不大，A點附近的空穴濃度與梯度不再發(fā)生改變。溝道夾斷后產(chǎn)生電流飽和現(xiàn)象，這提高了器件的短路工作能力。圖9是陽極電壓增加到10伏時的器件縱向0至8μm的電流分布圖。從圖中可以看出陰極電流主要集中在N阱9的狹窄通道內(nèi)。圖10是本發(fā)明的JFET-MCT和IGBT在電流密度為100A/cm2時電壓降和關(guān)斷損耗的折衷圖。在相同導(dǎo)通壓降2.7伏時，本發(fā)明提出的JFET-MCT關(guān)斷損耗為92毫焦，而IGBT的關(guān)斷損耗為170毫焦，本發(fā)明提出的結(jié)構(gòu)的關(guān)斷損耗減小了45.9％。圖11是本發(fā)明提出的JFET-MCT和IGBT在導(dǎo)通壓降為2.7伏時的關(guān)斷波形圖，對應(yīng)于圖10中的Q和P點。從圖中可以看看，本發(fā)明提出的JFET-MCT的關(guān)斷時間為0.712μs，而IGBT為關(guān)斷時間為2.095μs，本發(fā)明提出的結(jié)構(gòu)的關(guān)斷時間減小了66％。若使用單晶襯底制造工藝制作本發(fā)明所述的JFET-MCT，具體的制作過程包括：N型單晶制備，P阱8制備，N阱9制備，P+陰極接觸區(qū)10制備，柵溝槽制備，柵氧化層5、多晶硅導(dǎo)電材料6制備，柵極金屬7制備，陰極金屬11制備，N型緩沖層3制備，陽極P區(qū)2制備，陽極金屬1制備。所述P+陰極接觸區(qū)10可由挖槽外延工藝或高能離子注入制備，在縱向剖面圖中可見，金屬化陰極區(qū)11與N阱9的冶金結(jié)呈矩形狀，且一個元胞中P+陰極接觸區(qū)10間距較小，能保證正向工作時JFET夾斷，電流產(chǎn)生飽和現(xiàn)象。P+陰極接觸區(qū)10的濃度與寬度還可根據(jù)實際應(yīng)用需求進(jìn)行優(yōu)化取值。