CN104637997A - 一种双模逆导门极换流晶闸管及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种双模逆导门极换流晶闸管及其制备方法，所述双模逆导门极换流晶闸管的每个基本单元包括两个二极管和二极管之间的门极换流晶闸管，二极管和门极换流晶闸管之间具有有效隔离；所述二极管纵向由上至下依次包括二极管的P+阳极、N-衬底、N′缓冲层及N+阴极；所述门极换流晶闸管纵向由上至下依次包括门极换流晶闸管的阴极、P型基区、N-衬底、N′缓冲层、P+阳极，其中门极换流晶闸管的阴极由3个N+掺杂区组成、N+掺杂区两两之间设置门极换流晶闸管的门极。本发明充分利用硅片结构，降低成本，并且能够大大提高电流处理能力，同时，提供的该双模逆导门极换流晶闸管制备工艺与传统的集成门极换流晶闸管工艺兼容，能够实现产业化。
Description
技术领域
本发明属于功率半导体器件领域，涉及一种功率半导体器件开关结构，具体为一种双模逆导门极换流晶闸管及其制备方法。
背景技术
双模逆导门极换流晶闸管是一种在芯片上集成了门极换流晶闸管(GCT)和二极管(Diode)的电力电子器件。其工作原理与传统的集成门极换流晶闸管类似。器件中GCT主要作为开关元件，其典型的工作状态为导通状态、阻断状态和状态转换。电极由门极，阳极和阴极。而Diode主要作为续流作用，是一种PIN结构，电极有阳极和阴极。其中GCT和Diode不同时工作，研究表明该器件将会有电流大、阻断电压高、开关频率高、可靠性高、结构紧凑等特点。可以用于各种高压电路，如高压静止开关、闪变补偿装置。从这个意义来说，该器件将会是一种性能优越和颇具特色的器件。
发明内容
本发明的目的在于提供一种双模逆导门极换流晶闸管及其制备方法，该双模逆导门极换流晶闸管将Diode按照一定的比例做到GCT中，两者交叉形成相互叉指状，形成多个Diode与GCT的反并联结构。本发明双模逆导门极换流晶闸管充分利用硅片结构，降低成本，并且能够大大提高电流处理能力，同时，提供的该双模逆导门极换流晶闸管制备工艺与传统的集成门极换流晶闸管工艺兼容，能够实现产业化。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种双模逆导门极换流晶闸管，其特征在于，所述双模逆导门极换流晶闸管的每个基本单元包括两个二极管和二极管之间的门极换流晶闸管，二极管和门极换流晶闸管之间具有有效隔离；所述二极管纵向由上至下依次包括二极管的P+阳极、N-衬底、N′缓冲层及N+阴极；所述门极换流晶闸管纵向由上至下依次包括门极换流晶闸管的阴极、P型基区、N-衬底、N′缓冲层、P+阳极，其中门极换流晶闸管的阴极由3个N+掺杂区组成、N+掺杂区两两之间设置门极换流晶闸管的门极；所述二极管与门极换流晶闸管的N-衬底、N′缓冲层共用，所述二极管的阴极和门极换流晶闸管的阳极共同作为双模逆导门极换流晶闸管阳极。
进一步的，所述N′缓冲层掺杂浓度为1×1014～5×1016cm-3，结深为15～20um；所述N-衬底掺杂浓度为1×1013～1×1014cm-3，厚度为360～400um；所述N′缓冲层的掺杂浓度比N-衬底掺杂浓度高出1～2个数量级。
进一步的，所述门极换流晶闸管的阴极N+掺杂区的掺杂浓度为1×1020～5×1019cm-3，结深为20～25um；门极换流晶闸管的P型基区的掺杂浓度为1×1017～5×1016cm-3，结深为60～75um；门极换流晶闸管的P+阳极的掺杂浓度为5×1018～1×1017cm-3，结深为10～15um。
进一步的，所述二极管的P+阳极的掺杂浓度为1×1017～5×1016cm-3，结深为60～75um；所述二极管的N+阴极的掺杂浓度为1×1020～5×1019cm-3，结深为10～15um。
更进一步的，所述双模逆导门极换流晶闸管采用中心门极，在直径为Φ58mm的硅片上设置5个同心圆环，由中心向外每个圆环包括的基本单元数目分别为：N1＝48，N2＝84，N3＝120，N4＝156，N5＝192；二极管与门极换流晶闸管相互交叉形成叉指结构。
更进一步的，所述双模逆导门极换流晶闸管的阴极(即为门极换流晶闸管的阴极)指条呈树指状，中段为长2～2.6mm、宽0.2～0.4mm的长方形，两头还各有一个半圆，其直径与长方形宽相等。
所述双模逆导门极换流晶闸管的制备方法，包括以下步骤：
步骤1、采用区熔法拉直的高阻、小直径单晶硅作为双模逆导门极换流晶闸管N-衬底，掺杂范围为1×1013～1×1014cm-3；
步骤2、采用两次扩硼形成门极换流晶闸管的P型基区和二极管P+阳极，首先在N-衬底正面形成掩蔽膜，然后光刻、在相应位置形成扩散窗口，最后采用高斯扩散，第一次扩散的浓度为1×1017～5×1016cm-3、在1200℃下扩散1400min，第二次扩散的浓度为1×1017～5×1016cm-3、在1200℃下扩散120min，结深为60～75um，并去掉掩蔽膜；
步骤3、采用高斯扩散形成N′缓冲层，首先在N-衬底背面生产薄氧化层，避免造成的晶体损伤，然后采用高斯扩散，扩散的浓度为1×1014～5×1016cm-3，在1200℃下扩散100～120min，形成结深为15～20um；
步骤4、采用双面扩散形成门极换流晶闸管阴极N+掺杂区和二极管阴极；首先在N-衬底正面形成掩蔽膜，在门极换流晶闸管阴极N+掺杂区相应位置进行光刻，形成扩散窗口，掺杂杂质为磷，采用高斯扩散，扩散的浓度为1×1020～5×1019cm-3；然后在N-衬底背面N′缓冲层上形成掩蔽膜，在二极管阴极相应位置光刻扩散窗口，采用高斯扩散，扩散的浓度为1×1020～5×1019cm-3，在1200℃下扩散100～120min，结深为20～25um；最后去掉掩蔽膜；
步骤5、采用高斯扩散形成门极换流晶闸管P+阳极，首先在N-衬底背面N′缓冲层上形成掩蔽膜，在门极换流晶闸管P+阳极相应位置光刻形成扩散窗口，掺杂杂质为硼，采用高斯扩散，扩散浓度为1×1017～5×1016cm-3，在1150℃下扩散时间120～180min，结深为60～75um，最后去掉掩蔽膜；
步骤6、门极换流晶闸管门极挖槽和补扩图，首先在N-衬底正面淀积一层的二氧化硅薄膜，在挖槽的地方进行光刻形成窗口，采用干法刻蚀，刻蚀深度为10～15um；并为了补偿门极表明浓度的下降，进行硼扩散，采用高斯扩散，杂质浓度为1×1017～5×1016cm-3，在1100℃下，扩散30～45min，最后去掉二氧化硅膜；
步骤7、双模逆导门极换流晶闸管反刻铝和聚酰亚胺钝化膜钝化，首先在N-衬底正面淀积一层二氧化硅薄膜，在反刻铝的地方进行光刻形成窗口，然后进行淀积铝至厚度为3～5um，形成各电极；最后去掉二氧化硅薄膜，进行保护膜聚酰亚胺的钝化，制备得双模逆导门极换流晶闸管。
本发明的技术效果在于：
1)本发明提供的双模逆导门极换流晶闸管的与传统门极逆导门极换流晶闸管相比，提高了通态电流，降低了通态压降；
2)本发明提供的双模逆导门极换流晶闸管在阴极指条两端各引入一个半圆，提高了双模逆导门极换流晶闸管的正向阻断电压，同时使得器件具有较好的开关恢复特性；
3)本发明提供的双模逆导门极换流晶闸管的制备工艺与国内现有的生产门极换流晶闸管的工艺兼容，有利于实现双模逆导门极换流晶闸管的实际生产，降低了制作工艺难度和成本。
附图说明
图1是双模逆导门极换流晶闸管的基本单元剖面结构示意图。
图2是双模逆导门极换流晶闸管N-衬底掺杂示意图。
图3是双模逆导门极换流晶闸管GCT的P型基区和Diode的P+阳极掺杂示意图。
图4是双模逆导门极换流晶闸管的缓冲层N′掺杂示意图。
图5是双模逆导门极换流晶闸管GCT的阴极N+掺杂区和Diode的阴极掺杂示意图。
图6是双模逆导门极换流晶闸管GCT的P+阳极掺杂示意图。
图7是双模逆导门极换流晶闸管GCT的门极挖槽和补扩示意图。
图8是双模逆导门极换流晶闸管反刻铝和聚酰亚胺钝化膜示意图。
图9是双模逆导门极换流晶闸管制备工艺中阴极P区光刻版图。
图10是双模逆导门极换流晶闸管制备工艺中N+区光刻版图。
图11是双模逆导门极换流晶闸管制备工艺中结构门极挖槽光刻版图。
图12是双模逆导门极换流晶闸管制备工艺中门极补扩光刻版图。
图13是双模逆导门极换流晶闸管制备工艺中阳极P区光刻版图。
图14是双模逆导门极换流晶闸管制备工艺中反刻铝光刻版图。
图15是双模逆导门极换流晶闸管制备工艺中聚酰亚胺钝化膜光刻版图。
图16是双模逆导门极换流晶闸管、传统门极换流晶闸管和逆导门极换流晶闸管正向导通特性对比示意图。
图17是双模逆导门极换流晶闸管与逆导门极换流晶闸管反向阻断特性的对比示意图。
图18是双模逆导门极换流晶闸管、传统门极换流晶闸管和逆导门极换流晶闸管的关断特性对比示意图。
具体实施方式
本发明给出了一种双模逆导门极换流晶闸管的技术方案，双模逆导门极换流晶闸管的结构如图1所示，一种双模逆导门极换流晶闸管，包括：GCT、Diode，以及GCT和Diode之间的隔离区。GCT在纵向由上至下依次包括GCT的阴极N+掺杂区、GCT的P型基区、N-衬底、N’缓冲层和GCT的P+阳极区。Diode在纵向由上至下依次包括Diode的P型基区、N-衬底、N’缓冲层和Diode的N+阴极区。N-衬底为GCT和Diode共用的N-衬底，N’缓冲层是GCT和Diode公用的缓冲层。
图2给出了双模逆导门极换流晶闸管N-衬底掺杂示意图。衬底主要是用区熔法拉直的高阻、小直径单晶。衬底的掺杂的浓度主要依据器件设计的正向阻断电压，较低的掺杂浓度有利于器件承受较高的正向阻断电压。掺杂范围为1×1013～1×1014cm-3。
图3给出了双模逆导门极换流晶闸管GCT的P型基区和Diode的P+阳极掺杂示意图。GCT部分的基区P浓度影响着器件的开关特性和门极参数特性，采用两次扩硼的方案形成GCT的基区P和Diode阳极P的掺杂。首先在表明生长一层5nm的薄氧化层，形成掩蔽膜。在GCT基区P和Diode阳极P上进行光刻，形成扩散窗口。采用高斯扩散，第一次扩散的浓度为1×1017～5×1016cm-3，在1200℃下扩散1400min，第二次扩散的浓度为1×1017～5×1016cm-3，在1200℃下扩散120min。形成的结深为60～75um，并去掉整个器件表明上的氧化层。
图4给出了双模逆导门极换流晶闸管的缓冲层N′掺杂示意图。缓冲层是为了改善器件内部电场分布，缓冲层的厚度都较薄。在硅片背面生长一层5nm的薄氧化层，避免造成的晶体损伤。高斯扩散，扩散的浓度为1×1014～5×1016cm-3，在1200℃下扩散100～120min。形成结深为15～20um。
图5给出了双模逆导门极换流晶闸管GCT的阴极N+掺杂区和Diode的阴极掺杂示意图。该工艺时双面扩散。首先在表明生长一层5nm的薄氧化层，形成掩蔽膜，在GCT基区P上进行光刻，形成扩散窗口，掺杂杂质为磷，采用高斯扩散，扩散的浓度为1×1020～5×1019cm-3；然后在背面表明生长一层5nm的薄氧化层，形成Diode阴极扩散窗口，采用高斯扩散，扩散的浓度为1×1020～5×1019cm-3。在1200℃下扩散100～120min，结深为20～25um，并去掉整个器件表明上的氧化层。
图6给出了双模逆导门极换流晶闸管GCT的P+阳极区掺杂示意图。首先在表明生长一层5nm的薄氧化层，形成掩蔽膜，在GCT阳极P+区光刻，形成扩散窗口。掺杂杂质为硼，采用高斯扩散，扩散浓度为1×1017～5×1016cm-3，在1150℃下扩散时间120～180min，结深为60～75um，最后去掉整个表明的氧化膜。
图7给出了双模逆导门极换流晶闸管GCT的门极挖槽和补扩示意图。首先在表明淀积一层10nm的二氧化硅。在需要挖槽的地方进行光刻，形成挖槽的窗口，采用干法刻蚀，刻蚀深度为10～15um。为了补偿门极表明浓度的下降，进行硼扩散。高斯扩散，杂质浓度为1×1017～5×1016cm-3，在1100℃下，推进30～45min。最后去掉整个表明的二氧化硅。
图8给出了双模逆导门极换流晶闸管反刻铝和聚酰亚胺钝化膜示意图。反刻铝主要是形成晶闸管的各个电极，首先在表明淀积10nm的二氧化硅，在需要反刻铝的地方进行光刻，形成窗口。再采用淀积铝的方法，淀积铝的厚度为3～5um，形成电极。最后去掉表明的二氧化硅，进行保护膜聚酰亚胺的钝化。
通过对一种双模逆导门极换流晶闸管工艺的分析，得到了一种双模逆导门极换流晶闸管的版图布局方案，整个芯片的制作需要6次光刻。
图9给出了双模逆导门极换流晶闸管阴极P区光刻版图。该光刻形成了一种双模逆导门极换流晶闸管的阴极区和隔离的PNP中的P区。图中细小的长条为Diode部分的阳极，其指条长度为2.6mm，指条宽度为0.2mm,在两边各有一个半径为0.1mm的半圆，指条在横向之间的间隔为0.5mm；图中较大的指条为GCT部分的基区P，为了提高电流的处理能力，将其设置为梯形的形状。
图10给出了双模逆导门极换流晶闸管N+区光刻版图。该光刻形成一种双模逆导门极换流晶闸管的GCT部分的阴极和Diode部分的阴极。由图1所示的结构，一种双模逆导门极换流晶闸管GCT部分含有3个阴极单元。该光刻使用的是双面光刻机，同时形成GCT部分的阴极和Diode部分的阴极。图中，阴极指条的长度选为2.6mm，指条宽度为0.2mm,在两边各有一个半径为0.1mm的半圆，指条在横向之间的间隔为0.5mm。
图11给出了双模逆导门极换流晶闸管结构门极挖槽光刻版图。该光刻蚀是为了形成腐蚀窗口，隔离一种GCT与Diode部分。图11中空白的地方是阴极指条的位置，阴极指条之间的不透明区域是需要腐蚀和挖槽的地方。
图12是双模逆导门极换流晶闸管门极补扩光刻版图。该光刻的目的是为了提高门极的掺杂浓度，该区域就是GCT部分的基区P。GCT部分的P基区影响着器件的开通特性和门极参数特性，在图8工艺的挖槽刻蚀后，表面浓度降低因此需要再扩散P基区的浓度。图12中，梯形表示GCT部分的P基区，两者之间的空白表示为需要补扩的区域。
图13给出了双模逆导门极换流晶闸管阳极P区光刻版图。该光刻形成了一种双模逆导门极换流晶闸管的阳极。为了提高电流的处理能力，将其设置为梯形的形状。
图14给出了双模逆导门极换流晶闸管反刻铝光刻版图。该光刻是为了在器件表明形成电极。图14中需要形成电极的区域就是指条的范围，图14中阴极指条长度选为2.6mm，在两边各有一个半径为0.1mm的半圆，指条在横向之间的间隔为0.5mm，指条的宽度为0.34mm。
图15给出了双模逆导门极换流晶闸管聚酰亚胺钝化膜光刻版图。该光刻是在器件表明形成介质保护膜。图15中，钝化区域为白色指条内部含有的一个深色指条和不包含白色以外的区域。其中，白色部分为反刻铝形成的电极，具体尺寸大小可见图14。需要钝化白色部分的深色指条尺寸为，指条长度为2.6mm，指条宽度为0.2mm,在两边各有一个半径为0.12mm的半圆，指条在横向之间的间隔为0.5mm。
图16给出了双模逆导门极换流晶闸管与传统门极换流晶闸管正向导通特性对比示意图。图中横坐标表示通态电压，纵坐标为电流密度大小。从图16上看出，在同一电流密度下，双模逆导门极换流晶闸管器件的通态压降都小于集成门极换流晶闸管；在同一通态电压下双模逆导门极换流晶闸管器件的电流密度都大于集成门极换流晶闸管器件。在100A/cm2电流下，双模逆导门极换流晶闸管的通态压降约为1.4V。
图17是双模逆导门极换流晶闸管与传统门极换流晶闸管反向阻断特性的对比示意图。从图上可以看出，双模逆导门极换流晶闸管承受的正向阻断电压要高于集成门极换流晶闸管，器件能够承受的最大阻断电压为5000V。
图18是双模逆导门极换流晶闸管与传统门极换流晶闸管的关断特性对比示意图。由图可知，双模逆导门极换流晶闸管的关断时间要长于集成门极换流晶闸管。这主要是因为双模逆导门极换流晶闸管的通态电流较大，内部非平衡载流子较多，在相同的少子寿命控制技术下，恢复的时间就长一些。双模逆导门极换流晶闸管的关断时间约为2us。
本发明给出了双模逆导门极换流晶闸管及其制作方法，并在确定的制备方法基础上给出了双模逆导门极换流晶闸管的版图布局。通过对版图布局的优化和设计，提高了双模逆导门极换流晶闸管的通态特性和正向阻断特性。本发明采用的工艺方案与现有的集成门极换流晶闸管的生产工艺方案兼容，有利于实现双模逆导门极换流晶闸管的实际生产，且降低了制作工艺难度和成本。
Claims (7)
1.一种双模逆导门极换流晶闸管，其特征在于，所述双模逆导门极换流晶闸管的每个基本单元包括两个二极管和二极管之间的门极换流晶闸管，二极管和门极换流晶闸管之间具有有效隔离；所述二极管纵向由上至下依次包括二极管的P+阳极、N-衬底、N′缓冲层及N+阴极；所述门极换流晶闸管纵向由上至下依次包括门极换流晶闸管的阴极、P型基区、N-衬底、N′缓冲层、P+阳极，其中门极换流晶闸管的阴极由3个N+掺杂区组成、N+掺杂区两两之间设置门极换流晶闸管的门极；所述二极管与门极换流晶闸管的N-衬底、N′缓冲层共用，所述二极管的阴极和门极换流晶闸管的阳极共同作为双模逆导门极换流晶闸管阳极。
2.按权利要求1所述双模逆导门极换流晶闸管，其特征在于，所述N′缓冲层掺杂浓度为1×1014～5×1016cm-3，结深为15～20um；所述N-衬底掺杂浓度为1×1013～1×1014cm-3，厚度为360～400um；所述N′缓冲层的掺杂浓度比N-衬底掺杂浓度高出1～2个数量级。
3.按权利要求1所述双模逆导门极换流晶闸管，其特征在于，所述门极换流晶闸管的阴极N+掺杂区的掺杂浓度为1×1020～5×1019cm-3，结深为20～25um；门极换流晶闸管的P型基区的掺杂浓度为1×1017～5×1016cm-3，结深为60～75um；门极换流晶闸管的P+阳极的掺杂浓度为5×1018～1×1017cm-3，结深为10～15um。
4.按权利要求1所述双模逆导门极换流晶闸管，其特征在于，所述二极管的P+阳极的掺杂浓度为1×1017～5×1016cm-3，结深为60～75um；所述二极管的N+阴极的掺杂浓度为1×1020～5×1019cm-3，结深为10～15um。
5.按权利要求1、2、3或4所述双模逆导门极换流晶闸管，其特征在于，所述双模逆导门极换流晶闸管采用中心门极，在直径为Φ58mm的硅片上设置5个同心圆环，由中心向外每个圆环包括的基本单元数目分别为：N1＝48，N2＝84，N3＝120，N4＝156，N5＝192；二极管与门极换流晶闸管相互交叉形成叉指结构。
6.按权利要求5所述双模逆导门极换流晶闸管，其特征在于，所述双模逆导门极换流晶闸管的阴极(即为门极换流晶闸管的阴极)指条呈树指状，中段为长2～2.6mm、宽0.2～0.4mm的长方形，两头还各有一个半圆，其直径与长方形宽相等。
7.按权利要求1所述双模逆导门极换流晶闸管的制备方法，包括以下步骤：
步骤1、采用区熔法拉直的高阻、小直径单晶硅作为双模逆导门极换流晶闸管N-衬底，掺杂范围为1×1013～1×1014cm-3；
步骤2、采用两次扩硼形成门极换流晶闸管的P型基区和二极管P+阳极，首先在N-衬底正面形成掩蔽膜，然后光刻、在相应位置形成扩散窗口，最后采用高斯扩散，第一次扩散的浓度为1×1017～5×1016cm-3、在1200℃下扩散1400min，第二次扩散的浓度为1×1017～5×1016cm-3、在1200℃下扩散120min，结深为60～75um，并去掉掩蔽膜；
步骤3、采用高斯扩散形成N′缓冲层，首先在N-衬底背面生产薄氧化层，避免造成的晶体损伤，然后采用高斯扩散，扩散的浓度为1×1014～5×1016cm-3，在1200℃下扩散100～120min，形成结深为15～20um；
步骤4、采用双面扩散形成门极换流晶闸管阴极N+掺杂区和二极管阴极；首先在N-衬底正面形成掩蔽膜，在门极换流晶闸管阴极N+掺杂区相应位置进行光刻，形成扩散窗口，掺杂杂质为磷，采用高斯扩散，扩散的浓度为1×1020～5×1019cm-3；然后在N-衬底背面N′缓冲层上形成掩蔽膜，在二极管阴极相应位置光刻扩散窗口，采用高斯扩散，扩散的浓度为1×1020～5×1019cm-3，在1200℃下扩散100～120min，结深为20～25um；最后去掉掩蔽膜；
步骤5、采用高斯扩散形成门极换流晶闸管P+阳极，首先在N-衬底背面N′缓冲层上形成掩蔽膜，在门极换流晶闸管P+阳极相应位置光刻形成扩散窗口，掺杂杂质为硼，采用高斯扩散，扩散浓度为1×1017～5×1016cm-3，在1150℃下扩散时间120～180min，结深为60～75um，最后去掉掩蔽膜；
步骤6、门极换流晶闸管门极挖槽和补扩图，首先在N-衬底正面淀积一层的二氧化硅薄膜，在挖槽的地方进行光刻形成窗口，采用干法刻蚀，刻蚀深度为10～15um；并为了补偿门极表明浓度的下降，进行硼扩散，采用高斯扩散，杂质浓度为1×1017～5×1016cm-3，在1100℃下，扩散30～45min，最后去掉二氧化硅膜；
步骤7、双模逆导门极换流晶闸管反刻铝和聚酰亚胺钝化膜钝化，首先在N-衬底正面淀积一层二氧化硅薄膜，在反刻铝的地方进行光刻形成窗口，然后进行淀积铝至厚度为3～5um，形成各电极；最后去掉二氧化硅薄膜，进行保护膜聚酰亚胺的钝化，制备得双模逆导门极换流晶闸管。
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