具有雙p基區(qū)門陰極結(jié)構(gòu)的門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極換流晶閘管的門極結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
【背景技術(shù)】
[0002]集成門極換流晶閘管(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公司開發(fā)并成功投入市。IGCT是將GCT(Gate Commutated Thyristor門極換流晶閘管)芯片與反并聯(lián)的二極管和門極驅(qū)動MOSFET集成在一起，再與門極驅(qū)動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芯片集成了多個門極換流晶閘管元胞單元，每個元胞的基本結(jié)構(gòu)同GTO(門極可關(guān)斷晶閘管)類似，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)斷過程如圖2所示，正常導(dǎo)通時(shí)，門陰極正偏，電流自陽極流入，陰極流出，如圖2(a)所示。關(guān)斷時(shí)，門陰極反偏，電流自陰極流入，門極流出，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:由多個同心的陰極環(huán)31、一個同心的門極接觸環(huán)32和多個陰極梳條33構(gòu)成;一個個梳條33沿徑向排列在每個陰極環(huán)31的部分區(qū)域中，形成一個扇形區(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個陰極環(huán)為例進(jìn)行說明，圖3中在第5陰極環(huán)與第6陰極環(huán)之間有一個門極接觸環(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的說明一致，即每個元胞縱向結(jié)構(gòu)從陰極至陽極分別是: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PN結(jié)；陰極面的每個梳條33上表面為陰極發(fā)射極電極34，陰極面的門極表面部分被門極電極35覆蓋，并與陰極電極相隔離。
[0005]門極電極35是經(jīng)過濺射得到的金屬電極，門極電極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。門極電極35直接同門極接觸環(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、電流等級優(yōu)化得到)。導(dǎo)通時(shí)電流Ia.0n由陽極流入，陰極流出；進(jìn)行關(guān)斷操作時(shí)，電流從陰極梳條處轉(zhuǎn)移至門極接觸環(huán)。由于門極接觸環(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金屬層匯聚到門極接觸環(huán)。
[0006]GCT關(guān)斷操作時(shí)，在門陰極外接反向電源的作用下，電流從陰極換到門極。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)出后換流到門極電流重新分布如圖5所示。關(guān)斷過程中，通過晶閘管的電流從陰極換流到門極。從陰極到陽極，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:陰極面門極部分刻蝕挖槽，使得門極位置低于陰極發(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:陽極面制作ρ+透明陽極。
[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)斷的換流過程中，門極、陰極外接反向電源VCK，因此J3結(jié)會承受反向電壓，因此外接的反向電源Vck不能超過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)移到門極。
[0019]2)p+短基區(qū)摻雜濃度不能過高，因?yàn)榕cη+構(gòu)成的J3結(jié)，過高的濃度會導(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)門陰極結(jié)構(gòu)的門極換流晶閘管及其制備方法。本發(fā)明的新型的門極換流晶閘管的門陰極結(jié)構(gòu)，既能夠保證門陰極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，從而簡化工藝步驟并提高門極換流晶閘管的關(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)門陰極結(jié)構(gòu)的門極換流晶閘管，其特征在于，所述門極換流晶閘管包括從陽極到陰極依次排列的P+發(fā)射極(陽極)、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，所述門極金屬電極設(shè)置在所述P+短基區(qū)的外表面;所述門極換流晶閘管的門極包括第一 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，在制備過程中通過調(diào)整擴(kuò)散溫度和時(shí)間調(diào)整。
[0024]所述門極換流晶閘管的門陰極結(jié)構(gòu)可以采用門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)的門極換流晶閘管門陰極的溝槽形式。
[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