本發(fā)明屬于半導(dǎo)體分立器件領(lǐng)域，尤其涉及一種采用異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的可控硅及其制造方法。
背景技術(shù)：
可控硅是一種常見的三端器件，通過施加合適的柵極電流可以觸發(fā)器件進(jìn)入導(dǎo)通狀態(tài)。觸發(fā)電流由柵極偏置電路提供，觸發(fā)電流過大意味著柵極偏置電路功耗大、觸發(fā)電路復(fù)雜，為了降低柵極偏置電路的功耗，在一定的范圍內(nèi)減小觸發(fā)電流是有必要的。為了減小常溫下可控硅的觸發(fā)電流，工藝上常用的一種方法是提高n+陰極區(qū)的摻雜濃度，減小p型短基區(qū)的摻雜濃度，減小npn三極管有效基區(qū)寬度，使得可控硅體內(nèi)npn三極管的放大系數(shù)變大，從而起到減小觸發(fā)電流的作用。然而對(duì)n+陰極區(qū)進(jìn)行重?fù)诫s有可能會(huì)導(dǎo)致發(fā)射區(qū)重?fù)诫s效應(yīng)，n+陰極區(qū)(npn三極管的發(fā)射區(qū))的禁帶寬度變窄，造成npn管發(fā)射區(qū)內(nèi)少子電流增大，使得npn三極管放大系數(shù)減小，可控硅的觸發(fā)電流反而會(huì)增大；而減小npn三極管有效基區(qū)寬度通常會(huì)導(dǎo)致可控硅擊穿電壓降低。
另一方面，較小觸發(fā)電流的可控硅工作在高溫條件下時(shí)，體內(nèi)三極管的放大系數(shù)會(huì)隨溫度升高而增大，可控硅觸發(fā)電流減小，誤觸發(fā)概率大大增加，這會(huì)影響到器件和電路的正常工作，嚴(yán)重時(shí)甚至使可控硅一直處于導(dǎo)通狀態(tài)，失去開關(guān)的作用。因此，可控硅在高溫條件下工作時(shí)穩(wěn)定性的問題變得不容忽視。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)存在的以上問題，提供一種采用異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的可控硅及其制造方法，目的是減小常溫下可控硅的觸發(fā)電流，避免發(fā)射區(qū)重?fù)诫s效應(yīng)的發(fā)生，提高可控硅在高溫下工作的穩(wěn)定性。
為實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)目的，達(dá)到上述技術(shù)效果，本發(fā)明通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：
一種采用異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的可控硅，包括p型穿通區(qū)、n型長(zhǎng)基區(qū)、p+陽極區(qū)、p型短基區(qū)，p型穿通區(qū)設(shè)于n型長(zhǎng)基區(qū)兩側(cè)，n型長(zhǎng)基區(qū)上側(cè)設(shè)有p型短基區(qū)，n型長(zhǎng)基區(qū)下側(cè)設(shè)有p+陽極區(qū)，p+陽極區(qū)下側(cè)與陽極相連；
所述p型短基區(qū)上側(cè)設(shè)有n+陰極區(qū)，n+陰極區(qū)上側(cè)與陰極相連；
所述p型短基區(qū)與p型穿通區(qū)之間設(shè)有溝槽；
所述p型穿通區(qū)、n+陰極區(qū)、p型短基區(qū)上側(cè)均覆有氮化硅鈍化層；
所述p型短基區(qū)上側(cè)還設(shè)有門極。
進(jìn)一步地，所述p型穿通區(qū)、n型長(zhǎng)基區(qū)、p+陽極區(qū)、p型短基區(qū)的材料均為硅，n+陰極區(qū)的材料為碳化硅。
進(jìn)一步地，所述n+陰極區(qū)的材料為寬禁帶半導(dǎo)體材料，該寬禁帶半導(dǎo)體材料采用氮化鎵或砷化鎵。
本發(fā)明還提供一種采用異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的可控硅制造方法，所述方法包括以下步驟：襯底材料準(zhǔn)備、氧化、穿通區(qū)光刻、穿通擴(kuò)散、短基區(qū)擴(kuò)散、濃硼區(qū)光刻、濃硼區(qū)擴(kuò)散、陰極區(qū)光刻、n型摻雜碳化硅外延生長(zhǎng)、碳化硅刻蝕、溝槽光刻、溝槽腐蝕、氮化硅鈍化、玻璃鈍化、引線孔光刻、蒸鋁、鋁反刻、鋁合金、背面金屬化。
進(jìn)一步地，所述襯底材料準(zhǔn)備步驟中選擇n型半導(dǎo)體硅片，所選n型半導(dǎo)體硅片電阻率為30～300ω·cm，硅片厚度為230～300μm，并進(jìn)行雙面拋光。
進(jìn)一步地，所述氧化步驟的條件是氧化溫度為1000℃～1100℃，時(shí)間為4h～8h，氧化層的厚度為1.4μm～2μm。
進(jìn)一步地，所述穿通擴(kuò)散的步驟為：首先對(duì)穿通區(qū)進(jìn)行硼預(yù)淀積，溫度為1050℃～1100℃，時(shí)間為2h～4h，方塊電阻為3～5ω/□；然后對(duì)穿通區(qū)進(jìn)行再擴(kuò)散，溫度為1200℃～1270℃，時(shí)間為120h～180h。
進(jìn)一步地，所述短基區(qū)擴(kuò)散的步驟為：首先對(duì)短基區(qū)進(jìn)行淡硼預(yù)淀積，溫度為850℃～950℃，時(shí)間為0.5h～1h，方塊電阻為30～50ω/□；然后對(duì)短基區(qū)進(jìn)行硼再擴(kuò)散，溫度為1200℃～1250℃，時(shí)間為25h～30h，方塊電阻為60～100ω/□，結(jié)深為35μm～40μm。
進(jìn)一步地，所述濃硼區(qū)擴(kuò)散的步驟為：首先進(jìn)行濃硼預(yù)淀積，溫度為1000℃～1050℃，時(shí)間為1h～2h，方塊電阻為5～8ω/□；然后進(jìn)行濃硼再擴(kuò)散，溫度為1200℃～1250℃，時(shí)間為5h～8h。
進(jìn)一步地，所述n型摻雜碳化硅外延生長(zhǎng)步驟的條件是溫度為1500℃～1700℃，時(shí)間為1h～2h；溝槽腐蝕步驟的條件是槽深為50～70μm。
本發(fā)明的有益效果是：
本發(fā)明與常規(guī)可控硅結(jié)構(gòu)相比較，本發(fā)明的結(jié)構(gòu)中由p型短基區(qū)和n+陰極區(qū)形成的pn結(jié)只存在于體內(nèi)，器件表面沒有pn結(jié)，并且本結(jié)構(gòu)的正面覆蓋了氮化硅作為鈍化層，這些特征可以大大減小表面態(tài)對(duì)器件的不利影響，使器件的漏電流維持在一個(gè)很低的量級(jí)，減小了常溫下可控硅的觸發(fā)電流，避免發(fā)射區(qū)重?fù)诫s效應(yīng)的發(fā)生，提高可控硅在高溫下工作的穩(wěn)定性。
附圖說明
此處所說明的附圖用來提供對(duì)本發(fā)明的進(jìn)一步理解，構(gòu)成本申請(qǐng)的一部分，本發(fā)明的示意性實(shí)施例及其說明用于解釋本發(fā)明，并不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的不當(dāng)限定。在附圖中：
圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其它實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。
如圖1所示的一種采用異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的可控硅，包括p型穿通區(qū)1、n型長(zhǎng)基區(qū)2、p+陽極區(qū)3、p型短基區(qū)8，p型穿通區(qū)1設(shè)于n型長(zhǎng)基區(qū)2兩側(cè)，n型長(zhǎng)基區(qū)2上側(cè)設(shè)有p型短基區(qū)8，n型長(zhǎng)基區(qū)2下側(cè)設(shè)有p+陽極區(qū)3，p+陽極區(qū)3下側(cè)與陽極4相連，p型穿通區(qū)1、n型長(zhǎng)基區(qū)2、p+陽極區(qū)3、p型短基區(qū)8的材料均為硅，n+陰極區(qū)7的材料為碳化硅或?qū)捊麕О雽?dǎo)體材料，該寬禁帶半導(dǎo)體材料可采用氮化鎵或砷化鎵；
p型短基區(qū)8上側(cè)設(shè)有n+陰極區(qū)7，n+陰極區(qū)7上側(cè)與陰極6相連，n+陰極區(qū)與p型短基區(qū)構(gòu)成npn三極管的異質(zhì)發(fā)射結(jié)；
p型短基區(qū)8與p型穿通區(qū)1之間設(shè)有溝槽10；
p型穿通區(qū)1、n+陰極區(qū)7、p型短基區(qū)8上側(cè)均覆有氮化硅鈍化層5；
p型短基區(qū)8上側(cè)還設(shè)有門極9。
本發(fā)明的技術(shù)原理為：
室溫下本征硅的禁帶寬度為1.1ev，而室溫下本征碳化硅的禁帶寬度為2.9ev，幾乎是本征硅禁帶寬度的3倍。這也意味著用碳化硅作為n+陰極區(qū)(npn三極管發(fā)射區(qū))的材料可以大幅減小從p型短基區(qū)注入n+陰極區(qū)內(nèi)的少子電流，增大發(fā)射結(jié)注入效率，從而增大npn三極管的放大系數(shù)，使得觸發(fā)電流減小。因?yàn)椴捎卯愘|(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)可以明顯增大npn三極管的放大系數(shù)，即使發(fā)射區(qū)不進(jìn)行重?fù)诫s也可以使可控硅滿足開啟條件：
αnpn+αpnp≥1
(αnpn和αpnp分別代表可控硅體內(nèi)npn三極管和pnp三極管的電流增益)
所以碳化硅的摻雜濃度可以相對(duì)低一些，這樣可以有效避免發(fā)射區(qū)重?fù)诫s效應(yīng)的發(fā)生。由于三極管的放大系數(shù)具有正溫特性，可控硅在高溫下工作時(shí)觸發(fā)電流會(huì)減小，三極管的放大系數(shù)與溫度的關(guān)系滿足式(1)：
(1)
式中c為與t無關(guān)的常數(shù)，ρoh是p型短基區(qū)的方塊電阻，實(shí)際測(cè)量表明ρoh近似為t的線性函數(shù)，δege和δegb分別為n+陰極區(qū)和p型短基區(qū)的禁帶變窄量，φ為碳化硅和硅單晶界面的表面電勢(shì)。令函數(shù)
(2)
式(2)等式兩邊同時(shí)對(duì)t求偏導(dǎo)得到：
式(3)表明hfe的溫度特性主要由(δege-δegb-qφ)項(xiàng)來決定，要提高可控硅的溫度穩(wěn)定性需要降低陰極區(qū)的禁帶變窄量，而禁帶寬度eg又是溫度和摻雜濃度的函數(shù)，具體關(guān)系式如下：
(4)
式(4)等式右邊第一項(xiàng)代表室溫下本征材料的禁帶寬度，第二項(xiàng)反映溫度對(duì)禁帶寬度的影響，第三項(xiàng)中nd代表?yè)诫s濃度，n0為發(fā)生簡(jiǎn)并時(shí)的摻雜濃度，對(duì)于特定的材料z、k、n0、λ都是常數(shù)，nd/n0的值決定了摻雜濃度對(duì)禁帶寬度的影響，顯然摻雜濃度nd越小，nd/n0就越小，第三項(xiàng)的值也就越小，這意味著摻雜濃度對(duì)禁帶寬度的影響也就越小，換言之，禁帶寬度的變窄量受摻雜濃度的影響也就越小。由于本結(jié)構(gòu)的n+陰極區(qū)摻雜濃度小，(δege-δegb)的值比常規(guī)可控硅體內(nèi)的npn三極管的小很多，足夠小的(δege-δegb-qφ)也帶來了足夠小的
實(shí)施例1：
一種采用異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的可控硅制造方法，該制造方法包括以下步驟：
s1：襯底材料準(zhǔn)備：準(zhǔn)備好n型半導(dǎo)體硅片，所選n型半導(dǎo)體硅片電阻率為200ω·cm，硅片厚度為270μm，并進(jìn)行雙面拋光；
s2：氧化：對(duì)硅片進(jìn)行氧化，氧化溫度控制在1050℃，時(shí)間為6h，氧化層的厚度為1.7μm；
s3：穿通區(qū)光刻：采用穿通光刻版，將硅片雙面對(duì)準(zhǔn)光刻；
s4：穿通擴(kuò)散：首先對(duì)穿通區(qū)進(jìn)行硼預(yù)淀積，溫度為1070℃，時(shí)間為3h，方塊電阻為4ω/□；然后對(duì)穿通區(qū)進(jìn)行再擴(kuò)散，溫度為1235℃，時(shí)間為150h；
s5：短基區(qū)擴(kuò)散：首先對(duì)短基區(qū)進(jìn)行淡硼預(yù)淀積，溫度為900℃，時(shí)間為0.7h，方塊電阻為40ω/□；然后對(duì)短基區(qū)進(jìn)行硼再擴(kuò)散，溫度為1225℃，時(shí)間為27h，方塊電阻為80ω/□，結(jié)深為37μm；
s6：濃硼區(qū)光刻：對(duì)濃硼區(qū)進(jìn)行光刻；
s7：濃硼區(qū)擴(kuò)散：首先進(jìn)行濃硼預(yù)淀積，溫度為1030℃，時(shí)間為1.5h，方塊電阻為6ω/□；然后進(jìn)行濃硼再擴(kuò)散，溫度為1230℃，時(shí)間為6h；
s8：陰極區(qū)光刻：采用陰極區(qū)光刻版對(duì)陰極區(qū)進(jìn)行光刻；
s9：n型摻雜碳化硅外延生長(zhǎng)：溫度為1600℃，時(shí)間為1.5h；
s10：碳化硅刻蝕：采用碳化硅反刻版對(duì)碳化硅進(jìn)行刻蝕；
s11：溝槽光刻：采用槽版對(duì)溝槽進(jìn)行光刻；
s12：溝槽腐蝕：對(duì)溝槽進(jìn)行腐蝕，槽深為60μm；
s13：氮化硅鈍化：對(duì)p型穿通區(qū)、n+陰極區(qū)、p型短基區(qū)上側(cè)進(jìn)行氮化硅鈍化；
s14：玻璃鈍化：對(duì)門極、陰極和溝槽涂敷玻璃粉后進(jìn)行燒結(jié)，形成玻璃鈍化層；
s15：引線孔光刻：采用引線孔版進(jìn)行引線孔光刻；
s16：蒸鋁：鋁層厚度為4.5μm；
s17：鋁反刻：采用鋁反刻版進(jìn)行鋁反刻；
s18：鋁合金：對(duì)鋁反刻后的硅片進(jìn)行合金操作；
s19：背面金屬化：對(duì)硅片背面蒸發(fā)ti-ni-ag層。
實(shí)施例2：
一種采用異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的可控硅制造方法，該制造方法包括以下步驟：
s1：襯底材料準(zhǔn)備：準(zhǔn)備好n型半導(dǎo)體硅片，所選n型半導(dǎo)體硅片電阻率為300ω·cm，硅片厚度為300μm，并進(jìn)行雙面拋光；
s2：氧化：對(duì)硅片進(jìn)行氧化，氧化溫度控制在1100℃，時(shí)間為8h，氧化層的厚度為2μm；
s3：穿通區(qū)光刻：采用穿通光刻版，將硅片雙面對(duì)準(zhǔn)光刻；
s4：穿通擴(kuò)散：首先對(duì)穿通區(qū)進(jìn)行硼預(yù)淀積，溫度為1100℃，時(shí)間為4h，方塊電阻為5ω/□；然后對(duì)穿通區(qū)進(jìn)行再擴(kuò)散，溫度為1270℃，時(shí)間為180h；
s5：短基區(qū)擴(kuò)散：首先對(duì)短基區(qū)進(jìn)行淡硼預(yù)淀積，溫度為950℃，時(shí)間為1h，方塊電阻為50ω/□；然后對(duì)短基區(qū)進(jìn)行硼再擴(kuò)散，溫度為1250℃，時(shí)間為30h，方塊電阻為100ω/□，結(jié)深為40μm；
s6：濃硼區(qū)光刻：對(duì)濃硼區(qū)進(jìn)行光刻；
s7：濃硼區(qū)擴(kuò)散：首先進(jìn)行濃硼預(yù)淀積，溫度為1050℃，時(shí)間為2h，方塊電阻為8ω/□；然后進(jìn)行濃硼再擴(kuò)散，溫度為1250℃，時(shí)間為8h；
s8：陰極區(qū)光刻：采用陰極區(qū)光刻版對(duì)陰極區(qū)進(jìn)行光刻；
s9：n型摻雜碳化硅外延生長(zhǎng)：溫度為1700℃，時(shí)間為2h；
s10：碳化硅刻蝕：采用碳化硅反刻版對(duì)碳化硅進(jìn)行刻蝕；
s11：溝槽光刻：采用槽版對(duì)溝槽進(jìn)行光刻；
s12：溝槽腐蝕：對(duì)溝槽進(jìn)行腐蝕，槽深為70μm；
s13：氮化硅鈍化：對(duì)p型穿通區(qū)、n+陰極區(qū)、p型短基區(qū)上側(cè)進(jìn)行氮化硅鈍化；
s14：玻璃鈍化：對(duì)門極、陰極和溝槽涂敷玻璃粉后進(jìn)行燒結(jié)，形成玻璃鈍化層；
s15：引線孔光刻：采用引線孔版進(jìn)行引線孔光刻；
s16：蒸鋁：鋁層厚度為5.0μm；
s17：鋁反刻：采用鋁反刻版進(jìn)行鋁反刻；
s18：鋁合金：對(duì)鋁反刻后的硅片進(jìn)行合金操作；
s19：背面金屬化：對(duì)硅片背面蒸發(fā)ti-ni-ag層。
實(shí)施例3：
一種采用異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的可控硅制造方法，該制造方法包括以下步驟：
s1：襯底材料準(zhǔn)備：準(zhǔn)備好n型半導(dǎo)體硅片，所選n型半導(dǎo)體硅片電阻率為30ω·cm，硅片厚度為230μm，并進(jìn)行雙面拋光；
s2：氧化：對(duì)硅片進(jìn)行氧化，氧化溫度控制在1000℃，時(shí)間為4h，氧化層的厚度為1.4μm；
s3：穿通區(qū)光刻：采用穿通光刻版，將硅片雙面對(duì)準(zhǔn)光刻；
s4：穿通擴(kuò)散：首先對(duì)穿通區(qū)進(jìn)行硼預(yù)淀積，溫度為1050℃，時(shí)間為2h，方塊電阻為3ω/□；然后對(duì)穿通區(qū)進(jìn)行再擴(kuò)散，溫度為1200℃，時(shí)間為120h；
s5：短基區(qū)擴(kuò)散：首先對(duì)短基區(qū)進(jìn)行淡硼預(yù)淀積，溫度為850℃，時(shí)間為0.5h，方塊電阻為30ω/□；然后對(duì)短基區(qū)進(jìn)行硼再擴(kuò)散，溫度為1200℃，時(shí)間為25h，方塊電阻為60ω/□，結(jié)深為35μm；
s6：濃硼區(qū)光刻：對(duì)濃硼區(qū)進(jìn)行光刻；
s7：濃硼區(qū)擴(kuò)散：首先進(jìn)行濃硼預(yù)淀積，溫度為1000℃，時(shí)間為1h，方塊電阻為5ω/□；然后進(jìn)行濃硼再擴(kuò)散，溫度為1200℃，時(shí)間為5h；
s8：陰極區(qū)光刻：采用陰極區(qū)光刻版對(duì)陰極區(qū)進(jìn)行光刻；
s9：n型摻雜碳化硅外延生長(zhǎng)：溫度為1500℃，時(shí)間為1h；
s10：碳化硅刻蝕：采用碳化硅反刻版對(duì)碳化硅進(jìn)行刻蝕；
s11：溝槽光刻：采用槽版對(duì)溝槽進(jìn)行光刻；
s12：溝槽腐蝕：對(duì)溝槽進(jìn)行腐蝕，槽深為50μm；
s13：氮化硅鈍化：對(duì)p型穿通區(qū)、n+陰極區(qū)、p型短基區(qū)上側(cè)進(jìn)行氮化硅鈍化；
s14：玻璃鈍化：對(duì)門極、陰極和溝槽涂敷玻璃粉后進(jìn)行燒結(jié)，形成玻璃鈍化層；
s15：引線孔光刻：采用引線孔版進(jìn)行引線孔光刻；
s16：蒸鋁：鋁層厚度為4.0μm；
s17：鋁反刻：采用鋁反刻版進(jìn)行鋁反刻；
s18：鋁合金：對(duì)鋁反刻后的硅片進(jìn)行合金操作；
s19：背面金屬化：對(duì)硅片背面蒸發(fā)ti-ni-ag層。
本發(fā)明與常規(guī)可控硅結(jié)構(gòu)相比較，本發(fā)明的結(jié)構(gòu)中由p型短基區(qū)和n+陰極區(qū)形成的pn結(jié)只存在于體內(nèi)，器件表面沒有pn結(jié)，并且本結(jié)構(gòu)的正面覆蓋了氮化硅作為鈍化層，這些特征可以大大減小表面態(tài)對(duì)器件的不利影響，使器件的漏電流維持在一個(gè)很低的量級(jí)，減小了常溫下可控硅的觸發(fā)電流，避免發(fā)射區(qū)重?fù)诫s效應(yīng)的發(fā)生，提高可控硅在高溫下工作的穩(wěn)定性。
以上顯示和描述了本發(fā)明的基本原理、主要特征和本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)。本行業(yè)的技術(shù)人員應(yīng)該了解，本發(fā)明不受上述實(shí)施例的限制，上述實(shí)施例和說明書中描述的只是說明本發(fā)明的原理，在不脫離本發(fā)明精神和范圍的前提下，本發(fā)明還會(huì)有各種變化和改進(jìn)，這些變化和改進(jìn)都落入要求保護(hù)的本發(fā)明范圍內(nèi)。