專利名稱：一種逆導(dǎo)型集成門極換流晶閘管的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種功率半導(dǎo)體開關(guān)器件的結(jié)構(gòu)，尤其是涉及一種逆導(dǎo)型集成門極換流晶閘管(RCGCT,Reverse Conducting Integrated Gate Commutated Thyristor)的結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
逆導(dǎo)型集成門極換流晶閘管(ReverseConducting Integrated Gate CommutatedThyristor,RCGCT)是一種在一個芯片上集成了 GCT (Gate Commutated Thyristor,門極換流晶閘管)與FRD (Fast Recovery Diode，快恢復(fù)二極管)的電力電子器件。其中，GCT是一種電力電子開關(guān)器件，典型的工作狀態(tài)為導(dǎo)通狀態(tài)、阻斷狀態(tài)以及狀態(tài)轉(zhuǎn)換的開通過程和關(guān)斷過程。電極有門極(Gate,控制極)，陽極(Anode)和陰極(Cathode)。在電力電子器件中GCT主要作為開關(guān)元件。而FRD的典型結(jié)構(gòu)為PIN結(jié)構(gòu)，電極有陽極(Anode)和陰極(Cathode)。在電力電子器件中FRD主要用于續(xù)流和嵌位。但GCT和FRD并不同時工作，因 此需要將其進行電性能隔離。如附圖I所示，GCT與FRD兩部分之間設(shè)計一個環(huán)狀隔離區(qū)，以隔離GCT與FRD之間的相互影響，保證器件安全可靠獨立工作。以硅為代表的半導(dǎo)體器件都是在原始單晶的基礎(chǔ)上進行一定的加工工藝，形成特定結(jié)構(gòu)和摻雜分布，從而實現(xiàn)器件功能。其中摻雜劑分成兩類一類為N型摻雜劑，如磷和砷原子。另一類為P型摻雜劑，如硼、鋁和鎵原子。大功率半導(dǎo)體的摻雜劑常用磷、硼、鋁和鎵。通常在“N”或“P”后增加一定的符號表明摻雜的輕重程度。如“N-”表示非常低的N型摻雜(13次方量級)，這通常表示襯底；“N' ”表示14 16次方個量級的輕摻雜；“N+”表示重摻雜(通常在18次方以上)。P型雜質(zhì)的輕重摻雜也可同樣表示。隔離技術(shù)是RCGCT器件的關(guān)鍵技術(shù)。當(dāng)前，隔離技術(shù)的難點在于(I)隔離區(qū)有效寬度的控制。過窄不能有效隔離，過寬則消耗器件的有效面積，且影響器件的耐壓水平。(2)隔離區(qū)的橫向耐壓水平。隔離區(qū)雙向均需達到20V及以上的耐壓，以保證器件間的獨立性。(3)隔離區(qū)形成工藝不得影響器件各個部分的耐壓水平和其它特性。(4)工藝必須簡單可行。若通過復(fù)雜、多次擴散和光刻工藝來保證隔離，易造成生產(chǎn)成本的提高、生產(chǎn)周期的延長、工藝缺陷幾率的增加等負面影響?，F(xiàn)有的隔離技術(shù)是以PNP+溝槽隔離為基礎(chǔ)，PNP隔離是指采用本征N-襯底，兩側(cè)進行P雜質(zhì)擴散，通過設(shè)計控制合適的寬度，實現(xiàn)GCT和FRD的隔離。溝槽是指在隔離區(qū)PNP基礎(chǔ)上在本征N-區(qū)通過刻蝕工藝形成一個溝槽。已有三種相似的現(xiàn)有技術(shù)歸納如下現(xiàn)有技術(shù)一如附圖2所示，該技術(shù)方案采用PNP+溝槽隔離方式。PNP+溝槽的隔離是逆導(dǎo)器件隔離區(qū)具有的共同特點，其他隔離方法都是在該方法的基礎(chǔ)上做一些優(yōu)化?，F(xiàn)有技術(shù)二 如附圖3所示，該技術(shù)方案采用隔離區(qū)表面N摻雜結(jié)合場環(huán)+溝槽隔離方式。場環(huán)結(jié)構(gòu)是在N型隔離區(qū)中摻雜一道一道的P型區(qū)，當(dāng)GCT陽極施加高電壓之后，隔離區(qū)中數(shù)個PN結(jié)一起承受高電壓，從而實現(xiàn)隔離要求。
現(xiàn)有技術(shù)三如附圖4所示，該技術(shù)方案采用隔離區(qū)N+摻雜結(jié)合場板+溝槽的隔離方式。隔離區(qū)中進行N型重摻雜。場板結(jié)構(gòu)是指在隔離區(qū)表面先后制作一層絕緣層(SiO2)和金屬層，金屬層和一側(cè)電極相連，可以在電極上施加電壓之后改變隔離區(qū)電場的分布，從而滿足隔離的要求。其中，在附圖2至附圖4中所示的A部分均為隔離區(qū)。以上三種現(xiàn)有技術(shù)存在的不足主要有以下幾點(I)隔離區(qū)邊界不易控制?，F(xiàn)有隔離技術(shù)其隔離區(qū)采用N-襯底，N-襯底是低摻雜，P基區(qū)的結(jié)深約80 150 μ m，雜質(zhì)的橫向擴散距離也較大。如附圖5所示，當(dāng)橫向擴散使雜質(zhì)濃度從18 19次方的高濃度降低到襯底濃度時，表面狀況的一些差異將導(dǎo)致橫向擴散距離產(chǎn)生較大的偏差。如附圖6所示是橫向擴散距離體現(xiàn)出隔離區(qū)寬度的變化示 意圖。因此自然的PNP隔離其隔離區(qū)N區(qū)寬度不易控制，尤其是N區(qū)寬度很小時，N區(qū)寬度的變化很可能導(dǎo)致隔離無效。從附圖5中也可以看出將PN結(jié)邊界的濃度升高，可以削弱橫向擴散差異對隔離區(qū)寬度的影響，從而增加工藝制作的可控性。(2)隔離區(qū)寬度不易控制。PNP結(jié)構(gòu)+溝槽的隔離技術(shù)方案中N區(qū)寬度由兩側(cè)P型區(qū)的橫向擴散確定，器件表面雜質(zhì)橫向擴散距離取決于工藝過程中的表面狀況，P型區(qū)結(jié)深也有波動起伏，由此P型區(qū)邊界線存在左右變動的可能，造成N區(qū)寬度的不穩(wěn)定，不能做到精確控制，隔離效果也將隨之受到影響。(3)橫向穿通電壓偏低?，F(xiàn)有的PNP隔離結(jié)合溝槽的隔離技術(shù)中隔離區(qū)寬度設(shè)計在穿通電壓和GCT阻斷狀態(tài)下的耐壓有矛盾，必須折衷考慮，這就造成現(xiàn)有隔離技術(shù)的穿通電壓不高(小于110V)，對逆導(dǎo)型GCT的安全工作而言有提高的必要。(4)工藝復(fù)雜?，F(xiàn)有技術(shù)在隔離環(huán)區(qū)域增加P型區(qū)(現(xiàn)有技術(shù)二)或N+區(qū)(現(xiàn)有技術(shù)三)，都將增加工藝的復(fù)雜度，增加這些雜質(zhì)沉積前的光刻，且在窄小的隔離區(qū)進行這些高濃度雜質(zhì)擴散，隔離區(qū)的有效邊界更加難以保證。同時，場環(huán)和場板均需要增加多次光亥IJ，設(shè)計光刻掩膜版，增加高溫擴散過程，這不僅增加器件生產(chǎn)的成本，延長生產(chǎn)周期，且對于大電流高電壓的功率器件而言，其隔離環(huán)寬度不能可靠控制。(5)不適用高壓器件。現(xiàn)有技術(shù)一的工藝實現(xiàn)最為簡單，但是根據(jù)之前的技術(shù)分析，隔離環(huán)寬度需要平衡主結(jié)耐壓和穿通電壓，過寬或過窄均不行，方案一適用于小功率器件，其耐壓不高，可以增加隔離區(qū)寬度來保證穿通電壓。但是對于大功率器件，電壓等級高達6000V，甚至9000V，器件的耐壓等級提高需要減小隔離區(qū)寬度，但大功率器件對應(yīng)的穿通電壓需求也隨之提升，同時又要求增加隔離區(qū)寬度，這是隔離區(qū)寬度設(shè)計矛盾更加突出，所以現(xiàn)有技術(shù)一不適用于大功率器件。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種逆導(dǎo)型集成門極換流晶閘管，以克服現(xiàn)有技術(shù)存在的逆導(dǎo)型集成門極換流晶閘管擴散控制精度不高、工藝復(fù)雜、不適用于高壓器件的缺點。為了實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明具體提供了一種逆導(dǎo)型集成門極換流晶閘管的技術(shù)實現(xiàn)方案，一種逆導(dǎo)型集成門極換流晶閘管，包括GCT、FRD，以及GCT和FRD之間的隔離區(qū)。GCT在縱向由上至下依次包括GCT的陰極N+摻雜區(qū)、GCT的P型基區(qū)、N-襯底、N'緩沖層和GCT的P+陽極區(qū)。FRD在縱向由上至下依次包括FRD的P型基區(qū)、N-襯底、N'緩沖層和FRD的N+陰極區(qū)。N-襯底為GCT和FRD共用的N-襯底。N'緩沖層為GCT和FRD共用。隔離區(qū)的上表面輕摻雜有一層N'雜質(zhì)，N'雜質(zhì)的摻雜濃度比N-襯底的摻雜濃度高出I 2個數(shù)量級。作為本發(fā)明一種逆導(dǎo)型集成門極換流晶閘管技術(shù)方案的進一步改進，隔離區(qū)的上表面去除一定深度的硅，在GCT的陰極N+摻雜區(qū)與FRD的P型基區(qū)之間形成隔離溝槽。作為本發(fā)明一種逆導(dǎo)型集成門極換流晶閘管技術(shù)方案的進一步改進，N'雜質(zhì)的摻雜濃度為I X IO14 I X IO16CnT3。作為本發(fā)明一種逆導(dǎo)型集成門極換流晶閘管技術(shù)方案的進一步改進，N-襯底的摻雜濃度為I X IO13CnT3。作為本發(fā)明一種逆導(dǎo)型集成門極換流晶閘管技術(shù)方案的進一步改進，隔離區(qū)的表面摻雜的N'雜質(zhì)結(jié)深為20 50 μ m。
作為本發(fā)明一種逆導(dǎo)型集成門極換流晶閘管技術(shù)方案的進一步改進，隔離區(qū)表面摻雜的N'雜質(zhì)為磷。作為本發(fā)明一種逆導(dǎo)型集成門極換流晶閘管技術(shù)方案的進一步改進，隔離溝槽的挖槽深度為8 30 μ m。作為本發(fā)明一種逆導(dǎo)型集成門極換流晶閘管技術(shù)方案的進一步改進，隔離溝槽的挖槽深度為10 15 μ m。作為本發(fā)明一種逆導(dǎo)型集成門極換流晶閘管技術(shù)方案的進一步改進，隔離溝槽覆蓋整個隔離區(qū)的N型區(qū)。作為本發(fā)明一種逆導(dǎo)型集成門極換流晶閘管技術(shù)方案的進一步改進，GCT的P型基區(qū)與FRD的P型基區(qū)的挖槽寬度大于20 μ m。作為本發(fā)明一種逆導(dǎo)型集成門極換流晶閘管技術(shù)方案的進一步改進，GCT與FRD之間的隔離區(qū)寬度設(shè)置為10 μ m 100 μ m。作為本發(fā)明一種逆導(dǎo)型集成門極換流晶閘管技術(shù)方案的進一步改進，GCT還包括GCT陰極、GCT門極和GCT陽極，F(xiàn)RD還包括FRD陽極和FRD陰極。GCT陰極設(shè)置于GCT的陰極N+摻雜區(qū)表面，GCT門極設(shè)置于GCT的P型基區(qū)表面，GCT陽極設(shè)置于GCT的P+陽極區(qū)表面。FRD陽極設(shè)置于FRD的P型基區(qū)表面，F(xiàn)RD陰極設(shè)置于FRD的N+陰極區(qū)表面。GCT與FRD反并聯(lián)連接，GCT陽極與FRD陰極短接。通過實施上述本發(fā)明一種逆導(dǎo)型集成門極換流晶閘管的技術(shù)方案，具有以下技術(shù)效果(I)本發(fā)明隔離區(qū)采用表面N'摻雜引入雜質(zhì)補償，在不改變設(shè)計的基礎(chǔ)上可加寬N型區(qū)(亦即隔離區(qū))有效寬度，以利于提高穿通電壓；(2)本發(fā)明通過挖槽將表面N'濃度較高的表面層去掉一部分，不影響隔離區(qū)的縱向結(jié)構(gòu)，無損于原有的縱向耐壓；(3)本發(fā)明隔離區(qū)寬度更容易控制，方便設(shè)計。由于N'引起的雜質(zhì)補償，使隔離區(qū)PN結(jié)邊界的雜質(zhì)濃度提高一到兩個量級，表面P雜質(zhì)橫向擴散距離的變化對隔離區(qū)寬度的影響變小，更易控制隔離區(qū)邊界，提高隔離區(qū)寬度設(shè)置余量，降低設(shè)計風(fēng)險；(4)本發(fā)明引入N'摻雜的隔離設(shè)計，不僅適用于小功率器件，也適用于大功率器件，尤其對于深結(jié)高壓的開關(guān)器件，如RCGCT ；
(5)本發(fā)明僅僅增加的一次K摻雜，由于該摻雜為整面摻雜，因此無需增加光刻或其它工藝，在不增加工藝復(fù)雜性的基礎(chǔ)上，能夠大大提高隔離效果。


為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。圖I是本發(fā)明逆導(dǎo)型集成門極換流晶閘管(RCGCT)的陰極俯視不意圖；圖2是現(xiàn)有技術(shù)一 PNP+溝槽隔離逆導(dǎo)器件的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖3是現(xiàn)有技術(shù)二 N摻雜結(jié)合場環(huán)+溝槽隔離逆導(dǎo)器件的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是現(xiàn)有技術(shù)三隔離區(qū)N+摻雜結(jié)合場板+溝槽的隔離逆導(dǎo)器件的結(jié)構(gòu)示意圖；圖5是現(xiàn)有技術(shù)逆導(dǎo)型集成門極換流晶閘管表面雜質(zhì)濃度和橫向擴散距離關(guān)系的不意圖；圖6是現(xiàn)有技術(shù)逆導(dǎo)型集成門極換流晶閘管雜質(zhì)橫向擴散距離的不同導(dǎo)致隔離區(qū)寬度差異的示意圖；圖7是本發(fā)明逆導(dǎo)型集成門極換流晶閘管一種具體實施方式
的剖面結(jié)構(gòu)示意圖；圖8是本發(fā)明逆導(dǎo)型集成門極換流晶閘管隔離區(qū)設(shè)計的結(jié)構(gòu)原理示意圖；圖9是本發(fā)明逆導(dǎo)型集成門極換流晶閘管考慮橫向穿通的結(jié)構(gòu)原理示意圖；圖10是本發(fā)明逆導(dǎo)型集成門極換流晶閘管表面N'摻雜增加隔離區(qū)N型層寬度及增加穿通電壓的示意圖；圖11是本發(fā)明逆導(dǎo)型集成門極換流晶閘管表面N'摻雜增加橫向擊穿風(fēng)險的示意圖；圖12是本發(fā)明逆導(dǎo)型集成門極換流晶閘管的制作方法一種具體實施方式
中表面輕摻雜N'層過程的示意圖；圖13是本發(fā)明逆導(dǎo)型集成門極換流晶閘管的制作方法一種具體實施方式
中制作GCT的P型基區(qū)和FRD的P型基區(qū)過程的示意圖；圖14是本發(fā)明逆導(dǎo)型集成門極換流晶閘管的制作方法一種具體實施方式
中陽極面N'摻雜過程的示意圖；圖15是本發(fā)明逆導(dǎo)型集成門極換流晶閘管的制作方法一種具體實施方式
中GCT陰極和FRD陰極N+預(yù)沉積過程的不意圖；圖16是本發(fā)明逆導(dǎo)型集成門極換流晶閘管制作方法一種具體實施方式
隔離溝槽刻蝕過程的示意圖；圖17是本發(fā)明逆導(dǎo)型集成門極換流晶閘管制作方法一種具體實施方式
GCT陰極和FRD陰極N+推進、鈍化過程的示意圖；圖18是本發(fā)明逆導(dǎo)型集成門極換流晶閘管制作方法一種具體實施方式
GCT陽極P+慘雜過程的不意圖；圖19是本發(fā)明逆導(dǎo)型集成門極換流晶閘管制作方法一種具體實施方式
制作電極的過程示意圖20是本發(fā)明逆導(dǎo)型集成門極換流晶閘管制作方法一種具體實施方式
未進行N'摻雜且不挖隔離溝槽的橫向穿通曲線示意圖；圖21是本發(fā)明逆導(dǎo)型集成門極換流晶閘管制作方法一種具體實施方式
未進行Ni摻雜，挖隔離溝槽的橫向穿通曲線示意圖；圖22是本 發(fā)明逆導(dǎo)型集成門極換流晶閘管制作方法一種具體實施方式
進行N'摻雜，不挖隔離溝槽的橫向穿通曲線示意圖；圖23是本發(fā)明逆導(dǎo)型集成門極換流晶閘管制作方法一種具體實施方式
進行N'摻雜且挖隔離溝槽的橫向穿通曲線示意圖；圖中I-GCT，2-FRD，3_隔離區(qū)，4-GCT的陰極N+摻雜區(qū)，5-GCT的P型基區(qū)，6-N-襯底，7-N'緩沖層，8-GCT的P+陽極區(qū)，9-隔離溝槽，10-FRD的P型基區(qū)，Il-FRD的N+陰極區(qū)。
具體實施例方式下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明的一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。如附圖7至附圖23所示，給出了本發(fā)明一種逆導(dǎo)型集成門極換流晶閘管及其制作方法的具體實施例，下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明作進一步說明。GCT (Gate-Commutated Thyristor,門極換流晶閘管)是一種高壓大電流開關(guān)器件，典型的工作狀態(tài)有導(dǎo)通狀態(tài)、阻斷狀態(tài)以及狀態(tài)轉(zhuǎn)換的開通過程和關(guān)斷過程。而FRD(FastRecovery Diode,快恢復(fù)二極管)是一種主要用于續(xù)流和嵌位的電力電子器件。GCT阻斷狀態(tài)需要承受很高的電壓，如附圖8所示，在GCT陽極施加高壓，電壓主要由GCT的P型基區(qū)5和N-襯底6的PN結(jié)承載，同時FRD的P型基區(qū)10和N-襯底6的PN結(jié)也承受高壓。在承載縱向高壓的過程中，GCT及FRD的耗盡層在隔離區(qū)3也會發(fā)生橫向擴展。因此RCGCT內(nèi)部存在兩個主要的擊穿路徑，一個是PN結(jié)縱向方向的擊穿，另一個是PN結(jié)表面的橫向擊穿?？v向擊穿可以根據(jù)一維近似設(shè)計合適的摻雜分布及片厚來滿足擊穿要求。當(dāng)PN結(jié)根據(jù)縱向擊穿要求設(shè)計了合適的摻雜分布后其橫向摻雜分布也隨之確定。電勢只在電場區(qū)域才會下降，電場又主要存在于PN耗盡區(qū)，而在隔離區(qū)3的縱向是沒有PN結(jié)的。于是隔離區(qū)的等電勢線如附圖8所示，隔離區(qū)3由于兩側(cè)PN結(jié)的共同影響，其等勢線向上彎曲，其等勢線向上突起，說明隔離區(qū)3的中間電勢較高，易造成橫向擊穿的風(fēng)險。當(dāng)隔離區(qū)3的橫向距離很大時(約兩倍體內(nèi)縱向N-的厚度)，隔離區(qū)3表面的中間點幾乎和GCT陽極等電勢，隔離區(qū)3表面PN結(jié)的電場強度非常高，甚至超過芯片表面能承受的電場強度造成器件提前擊穿(隔離區(qū)3兩側(cè)的PN結(jié)邊界暴露在體表且沒有磨角等降低電場的措施)。隔離區(qū)3表面中點到兩側(cè)P型基區(qū)承受的電壓取決于隔離區(qū)3寬度。從附圖8中的等電勢線形狀可以看出隔離區(qū)3越寬，隔離區(qū)3表面中點的電勢越接近GCT陽極電勢。隔離區(qū)3寬度越窄，在縱向PN結(jié)的擠壓作用下，隔離區(qū)3表面中點的電勢越接近表面電極(GCT門極和FRD陽極)的電勢。從考慮阻斷狀態(tài)的耐壓的角度看，隔離區(qū)3的寬度越小越好。從防止橫向穿通的方面考慮。RCGCT在工作中可能出現(xiàn)GCT門極相對FRD陽極存在正電壓或FRD陽極相對GCT門極的正電壓的情形。FRD在剛開始續(xù)流時正向壓降可能達到100V甚至更高，因此需要考慮隔離區(qū)3的橫向穿通。如附圖10所示，當(dāng)FRD的陽極施加一個電壓后，GCT的P型基區(qū)5和N-襯底6的PN結(jié)反偏，電壓主要降在這個反偏PN結(jié)上。當(dāng)FRD陽極電壓達到一定值時，隔離區(qū)表面的電場展寬到將兩個P型區(qū)連通。于是FRD的P型基區(qū)10和GCT的P型基區(qū)5就能通過電流 ，發(fā)生穿通，電場所圍的面積即是穿通電壓。如附圖7所示一種逆導(dǎo)型集成門極換流晶閘管的具體實施方式
，具體包括GCT1、FRD2，以及GCTl和FRD2之間的隔離區(qū)3。GCTl在縱向由上至下包括五個主要的摻雜區(qū)，依次為GCT的陰極N+摻雜區(qū)4、GCT的P型基區(qū)5、N-襯底6、N'緩沖層7和GCT的P+陽極區(qū)8。FRD2在縱向由上至下包括四個主要的摻雜區(qū)，依次為FRD的P型基區(qū)10、N_襯底6、N'緩沖層7和FRD的N+陰極區(qū)11。N-襯底6為GCTl和FRD2共用的N-襯底。N'緩沖層7為GCTl和FRD2共用的N'緩沖層。隔離區(qū)3的上表面輕摻雜有一層N'雜質(zhì)進一步形成N'區(qū)，N'雜質(zhì)的摻雜濃度比N-襯底6的摻雜濃度高出I 2個數(shù)量級。RCGCT (逆導(dǎo)型GCT)是在同一個硅晶圓中集成GCT和FRD，因此需要將GCT和FRD進行隔離。如附圖7中所示，本發(fā)明RCGCT結(jié)構(gòu)的一側(cè)為GCTl部分(包括GCT陽極、陰極和門極)，另一側(cè)為FRD2部分(包括有陽極和陰極)，之間則是隔離區(qū)3。如附圖I所示為RCGCT的陰極圖形示意圖。其中，中心為FRD2部分，外側(cè)為GCTl部分，之間為隔離區(qū)3。RCGCT中的GCTl和FRD2為反并聯(lián)連接，GCT陽極和FRD陰極短接，隔離主要是指GCT的P型基區(qū)5和FRD的P型基區(qū)10的隔離。本發(fā)明逆導(dǎo)型集成門極換流晶閘管通過形成特定的P型或N型摻雜分布及特定的器件結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)相應(yīng)的功能。Ni雜質(zhì)的摻雜濃度進一步為IX IO14 IX 1016cm_3，隔離區(qū)3的表面摻雜的K雜質(zhì)為磷。N-襯底6的摻雜濃度進一步為I X IO13CnT3。N'雜質(zhì)的摻雜濃度比N-襯底6的摻雜濃度高出I 2個數(shù)量級。隔離區(qū)3的表面摻雜的N'雜質(zhì)結(jié)深進一步設(shè)置為20 50 μ m0同時，穿通不同于擊穿，穿通是電場展寬使中間隔離層完全耗盡，從而產(chǎn)生漏電，電場最大值并沒有達到擊穿電場。電場的斜率隨載流子濃度升高而增大，因此從改善穿通電壓的角度，隔離區(qū)寬度越大越好，并且隔離區(qū)表面N型濃度可以適當(dāng)提高，以不發(fā)生擊穿為前提。綜合阻斷狀態(tài)下的耐壓以及橫向穿通考慮，隔離區(qū)3的寬度應(yīng)該設(shè)計合適的值。作為一種較佳的實施方式，如附圖7和8所示，GCTl與FRD2之間的隔離區(qū)3寬度L進一步設(shè)置為 10 μ m 100 μ m。隔離區(qū)3的上表面的N'輕摻雜是作為補償層，在GCT陰極側(cè)的正面進行摻雜，這種輕摻雜對GCT陰極和FRD陽極不會造成影響。因為之后進行的P摻雜濃度較高，將覆蓋這部分N'補償層，這對隔離區(qū)3 (不進行P摻雜)的N-襯底6產(chǎn)生影響，主要用于補償兩側(cè)P雜質(zhì)的橫向擴散，提高隔離區(qū)3的表面橫向耐壓。而在GCT陽極側(cè)也進行了一次N'慘雜，這是整個器件PIN (Positive-Intrisic-Negative, P型-本征型-N型半導(dǎo)體)結(jié)構(gòu)的N'緩沖層7。由于N'雜質(zhì)的補償作用，隔離區(qū)3的PN結(jié)的邊界往P型側(cè)推移，表面PN結(jié)邊界的濃度從N-襯底6的低濃度變化成略高I 2個數(shù)量級的濃度。因此在制作上，PN結(jié)邊界更容易符合設(shè)計值，且對器件體內(nèi)結(jié)構(gòu)不產(chǎn)生影響，所以既能滿足穿通電壓要求，又不會造成GCT阻斷狀態(tài)下的表面橫向擊穿，保證主結(jié)耐壓。如附圖10所示，表面摻入N'雜質(zhì)后，PN結(jié)邊界往P型區(qū)偏移，增加了隔離區(qū)3的N型層寬度。當(dāng)FRD陽極相對GCT門極施加正電壓后，GCT的P型基區(qū)5和隔離區(qū)3的N型層的PN結(jié)承受反壓，電場達到FRD的P型基區(qū)10后發(fā)生穿通。附圖10中的電場三角形的面積即是穿通電壓。增加隔離區(qū)3的N型層的寬度增加了電場三角形的底部長度，另一方面電場斜率隨摻雜濃度的升高而增加。因此由N'雜質(zhì)引起的表面N型濃度提高也將增加隔離區(qū)3的N型層電場的斜率。在附圖10中的電場三角形中體現(xiàn)為增加了三角形的高。綜合以上兩個原因，表面摻雜一層N，雜質(zhì)將大大增加穿通電壓。Ni摻雜使隔離區(qū)3的N型濃度提高，可以增加橫向穿通時的電場斜率，從而增加穿通電壓。為了不影響GCTl的主結(jié)耐壓，減小阻斷狀態(tài)下橫向擊穿的風(fēng)險。作為一種較佳 的實施方式，還可以進一步去除隔離區(qū)3的上表面一定深度的硅，在隔離區(qū)3上表面的GCT的陰極N+摻雜區(qū)4與FRD的P型基區(qū)10之間形成有隔離溝槽9。以利于進一步GCTl和FRD2的隔離。如圖11所示，在N'摻雜的基礎(chǔ)上結(jié)合挖槽工藝，在隔離區(qū)3的上表面設(shè)置隔離溝槽9，進一步降低阻斷狀態(tài)下的表面電場。隔離溝槽9的挖槽深度一般控制在8 30 μ m,就能使隔離區(qū)次表面濃度上下降幾倍，從而滿足阻斷要求。作為一種更優(yōu)的實施方式，隔離溝槽9的挖槽深度為10 15 μ m。同時，隔離溝槽9覆蓋整個隔離區(qū)3的N型區(qū)。如附圖7和8所示，GCT的P型基區(qū)5和FRD的P型基區(qū)10的挖槽寬度M大于20 μ m。GCTl還進一步包括GCT陰極、GCT門極和GCT陽極。FRD2還進一步包括FRD陽極和FRD陰極。GCT陰極設(shè)置于GCT的陰極N+摻雜區(qū)4表面，GCT門極設(shè)置于GCT的P型基區(qū)5表面，GCT陽極設(shè)置于GCT的P+陽極區(qū)8表面。FRD陽極設(shè)置于FRD的P型基區(qū)10表面，F(xiàn)RD陰極設(shè)置于FRD的N+陰極區(qū)11表面。GCTl與FRD2反并聯(lián)連接，GCT陽極與FRD陰極短接。通過隔離區(qū)3采用表面N'摻雜引入雜質(zhì)補償，以利于提高穿通電壓。利用N'雜質(zhì)的補償作用，使得隔離區(qū)PN結(jié)邊界線在近表面處往內(nèi)變形。在不改變隔離區(qū)P型摻雜分布的條件下，增加了隔離區(qū)3的有效寬度。同時，隔離區(qū)3的寬度更容易控制，方便設(shè)計。由于N'摻雜引起的雜質(zhì)補償，使隔離區(qū)3的PN結(jié)邊界的雜質(zhì)濃度提高一到兩個量級，表面P雜質(zhì)橫向擴散距離的變化對隔離區(qū)寬度的影響變小，更易控制隔離區(qū)邊界，提高隔離區(qū)寬度設(shè)置余量，降低設(shè)計風(fēng)險。通過引入N'摻雜的隔離設(shè)計，不僅適用于小功率器件，也適用于大功率器件，尤其對于深結(jié)高壓的開關(guān)器件，如RCGCT。如附圖12至附圖19所示為一種逆導(dǎo)型集成門極換流晶閘管制作方法的具體實施方式
，包括以下步驟SlOO :如附圖12所示，在原始N-襯底6的一面輕摻雜一層K雜質(zhì)，K雜質(zhì)為磷；SlOl :如附圖13所示，制作GCT的P型基區(qū)5和FRD的P型基區(qū)10 ；S102 :如附圖14所示，在N-襯底6的另一面(GCT陽極所在的一面)進行K雜質(zhì)摻雜處理，摻雜劑為磷；S103 :如附圖15所示，在GCT陰極和FRD陰極進行N+預(yù)沉積處理，摻雜劑為磷；S105 :如附圖17所示，在GCT陰極和FRD陰極進行N+推進、鈍化處理；S106 :如附圖18所示，在GCT陽極進行P+摻雜處理，摻雜劑為硼或鋁；
S107 :如附圖19所示，制作電極，完成逆導(dǎo)型集成門極換流晶閘管制作。各個步驟中使用的N型雜質(zhì)和P型雜質(zhì)包括但不限于具體實施方式
中所列舉的類型，還進一步包括其他的N型雜質(zhì)和P型雜質(zhì)摻雜劑。在步驟S103和步驟S105之間還進一步包括步驟S104。如附圖16所示，步驟S104包括在隔離區(qū)3的上表面刻蝕隔離溝槽9，使隔離區(qū)3上的GCT的陰極N+摻雜區(qū)4去除一部分。作為一種優(yōu)選的實施方式，在隔離區(qū)3的上表面輕摻雜的K雜質(zhì)的摻雜濃度進一步比N-襯底6的摻雜濃度高出I 2個數(shù)量級。作為一種優(yōu)選的實施方式，按照I X IO14 I X IO16CnT3的摻雜濃度對隔離區(qū)3的表 面進行N'雜質(zhì)的摻雜處理。作為一種優(yōu)選的實施方式，按照I X IO13CnT3的摻雜濃度對N-襯底6進行摻雜處理。作為一種優(yōu)選的實施方式，在隔離區(qū)3的表面摻雜的K雜質(zhì)結(jié)深為20 50 μ m。作為一種優(yōu)選的實施方式，在隔離區(qū)3的上表面刻蝕挖槽深度為8 30 μ m的隔離溝槽9。作為一種更加優(yōu)選的實施方式，在隔離區(qū)3的上表面刻蝕挖槽深度為10 15 μ m的隔離溝槽9。作為一種優(yōu)選的實施方式，隔離溝槽9覆蓋整個隔離區(qū)3的N型區(qū)。GCT的P型基區(qū)5與FRD的P型基區(qū)10的挖槽寬度M大于20 μ m。作為一種優(yōu)選的實施方式，將GCTl與FRD2之間的隔離區(qū)3寬度L進一步設(shè)置為10 100 μ mD作為一種優(yōu)選的實施方式，在步驟SlOl中制作GCT的P型基區(qū)5和FRD的P型基區(qū)10的過程進一步包括兩個步驟的摻雜，即先進行硼雜質(zhì)的摻雜，然后進行鋁雜質(zhì)的摻雜。在步驟S107中制作電極的過程進一步包括在GCT的陰極N+摻雜區(qū)4表面制作GCT陰極，在GCT的P型基區(qū)5表面制作GCT門極，在GCT的P+陽極區(qū)8表面制作GCT陽極，在FRD的P型基區(qū)10表面制作FRD陽極，在FRD的N+陰極區(qū)11表面制作FRD陰極。本發(fā)明僅僅增加的一次N'摻雜，由于該摻雜為整面摻雜，因此無需增加光刻或其它工藝，在不增加工藝復(fù)雜性的基礎(chǔ)上，能夠大大提高隔離效果。通過隔離溝槽9挖槽工藝過程將表面N'濃度較高的表面層去掉一部分，不影響原有縱向耐壓，消除了隔離區(qū)3略高的表面濃度對器件阻斷耐壓的影響，且無損于器件其它特性，工藝簡單可行。通過仿真結(jié)果的比較，仿真了四種不同結(jié)構(gòu)逆導(dǎo)型集成門極換流晶閘管的GCT陽極電壓4500V下的電場分布以及橫向穿通(FRD陰極結(jié)正壓，GCT門極接地，GCT陽極懸空)的電流電壓曲線。如下表I所示，為隔離區(qū)3的設(shè)計寬度為50μπι時，有無N'補償和有無挖槽時的效果對比情況。表I有無N'補償和有無挖槽時的效果對比(隔離區(qū)3的設(shè)計寬度為50 μ m時)結(jié)構(gòu)序號結(jié)構(gòu)區(qū)別穿通電壓阻斷耐丨玉備注
1:沒冇N'摻雜，不挖福― 37V>4500V 穿通電座過低
2__沒有N'摻雜，挖槽40V__>45Q0V 揭L [阪
°> — 有Ni參雜，不挖槽— 185V — <4500V 阻斷耐壓過低 4冇N'摻雜，挖槽178V>4500V
仿真的四種結(jié)構(gòu)中N-襯底濃度、GCT的P基區(qū)濃度和FRD的P區(qū)濃度分布完全一致，挖槽深度都為12 μ m，隔離區(qū)表面寬度50 μ m。如附圖20至附圖23所示是四種不同結(jié)構(gòu)逆導(dǎo)型集成門極換流晶閘管的橫向穿通曲線，可以看到增加N'摻雜可以增加隔離區(qū)3的寬度，使穿通電壓大大提高。如下表2所示為四種結(jié)構(gòu)的橫向穿通電壓比較情況。表2四種結(jié)構(gòu)的橫向穿通電壓比較
隔離區(qū)結(jié)構(gòu)I穿通電壓pa
沒有N'摻雜，不挖槽~ 3Τ 不可取
沒有N'摻雜，挖槽 40V不可取
有N'摻雜，不挖槽 185V 有N'摻雜，挖槽178V綜合考慮阻斷狀態(tài)下的耐壓以及橫向穿通能力，效果最佳的是進行表面N'摻雜且進行隔離溝槽9挖槽的方案，其次是有K摻雜，不進行隔離溝槽9挖槽的方案。需要注意的是這里為了方便比較四種結(jié)構(gòu)的差異，而將隔離區(qū)3的表面寬度設(shè)置成50μπι。在該條件下沒有進行N'摻雜，但挖隔離溝槽9的原有隔離技術(shù)的穿通電壓只有40V，不能滿足大功率器件使用要求。以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實施例而已，并非對本發(fā)明作任何形式上的限制。雖然本發(fā)明已以較佳實施例揭露如上，然而并非用以限定本發(fā)明。任何熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明技術(shù)方案范圍情況下，都可利用上述揭示的方法和技術(shù)內(nèi)容對本發(fā)明技術(shù)方案做出許多可能的變動和修飾，或修改為等同變化的等效實施例。因此，凡是未脫離本發(fā)明技術(shù)方案的內(nèi)容，依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實質(zhì)對以上實施例所做的任何簡單修改、等同替換、等效變化及修飾，均仍屬于本發(fā)明技術(shù)方案保護的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種逆導(dǎo)型集成門極換流晶閘管，其特征在于，包括GCT (I)、FRD (2)，以及GCT(I)和FRD (2 )之間的隔離區(qū)(3 ) ;GCT (I)在縱向由上至下依次包括GCT的陰極N+摻雜區(qū)(4)、GCT的P型基區(qū)(5)、N-襯底(6)、N'緩沖層(7)和GCT的P+陽極區(qū)(8) ;FRD (2)在縱向由上至下依次包括FRD的P型基區(qū)(10)、N-襯底(6)、N'緩沖層(7)和FRD的N+陰極區(qū)(11) ;N-襯底(6)為GCT (I)和FRD (2)共用的N-襯底；N'緩沖層(7)為GCT (I)和FRD (2)共用的N'緩沖層；隔離區(qū)(3)的上表面輕摻雜有一層N'雜質(zhì)，N'雜質(zhì)的摻雜濃度比N-襯底(6)的摻雜濃度高出I 2個數(shù)量級。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種逆導(dǎo)型集成門極換流晶閘管，其特征在于所述隔離區(qū)(3)的上表面去除一定深度的硅，在隔離區(qū)(3)上表面的GCT的陰極N+摻雜區(qū)(4)與FRD的P型基區(qū)(10)之間形成有隔離溝槽(9)。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的一種逆導(dǎo)型集成門極換流晶閘管，其特征在于所述N'雜質(zhì)的摻雜濃度為I X IO14 I X IO16Cm'
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種逆導(dǎo)型集成門極換流晶閘管，其特征在于所述N-襯底(6)的摻雜濃度為IXlO13Cm'
5.根據(jù)權(quán)利要求1、2、4中任一權(quán)利要求所述的一種逆導(dǎo)型集成門極換流晶閘管，其特征在于所述隔離區(qū)(3)的表面摻雜的N'雜質(zhì)結(jié)深為20 50iim。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種逆導(dǎo)型集成門極換流晶閘管，其特征在于所述隔離區(qū)(3)表面摻雜的N'雜質(zhì)為磷。
7.根據(jù)權(quán)利要求2、4、6中任一權(quán)利要求所述的一種逆導(dǎo)型集成門極換流晶閘管，其特征在于所述隔離溝槽(9)的挖槽深度為8 30 ii m。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種逆導(dǎo)型集成門極換流晶閘管，其特征在于所述隔離溝槽(9)的挖槽深度為10 15iim。
9.根據(jù)權(quán)利要求2、4、6、8中任一權(quán)利要求所述的一種逆導(dǎo)型集成門極換流晶閘管，其特征在于所述隔離溝槽(9)覆蓋整個隔離區(qū)(3)的N型區(qū)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的一種逆導(dǎo)型集成門極換流晶閘管，其特征在于所述GCT的P型基區(qū)(5)與FRD的P型基區(qū)(10)的挖槽寬度大于20 iim。
11.根據(jù)權(quán)利要求2、4、6、8、10中任一權(quán)利要求所述的一種逆導(dǎo)型集成門極換流晶閘管，其特征在于所述GCT (I)與FRD (2)之間的隔離區(qū)(3)寬度設(shè)置為10 y m 100 y m。
12.根據(jù)權(quán)利要求2、4、6、8、10中任一權(quán)利要求所述的一種逆導(dǎo)型集成門極換流晶閘管，其特征在于所述GCT (I)還包括GCT陰極、GCT門極和GCT陽極，所述FRD (2)還包括FRD陽極和FRD陰極；GCT陰極設(shè)置于GCT的陰極N+摻雜區(qū)(4)表面，GCT門極設(shè)置于GCT的P型基區(qū)(5)表面，GCT陽極設(shè)置于GCT的P+陽極區(qū)(8)表面；FRD陽極設(shè)置于FRD的P型基區(qū)(10)表面，F(xiàn)RD陰極設(shè)置于FRD的N+陰極區(qū)(11)表面；所述GCT (I)與FRD (2)反并聯(lián)連接，所述GCT陽極與FRD陰極短接。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種逆導(dǎo)型集成門極換流晶閘管，包括GCT、FRD，以及GCT和FRD之間的隔離區(qū)。GCT在縱向由上至下依次包括GCT的陰極N+摻雜區(qū)、GCT的P型基區(qū)、N-襯底、N′緩沖層和GCT的P+陽極區(qū)。FRD在縱向由上至下依次包括FRD的P型基區(qū)、N-襯底、N′緩沖層和FRD的N+陰極區(qū)。N′緩沖層為GCT和FRD共用的N′緩沖層。在隔離區(qū)的上表面輕摻雜有一層N′雜質(zhì)，N′雜質(zhì)的摻雜濃度比N-襯底的摻雜濃度高出1～2個數(shù)量級。本發(fā)明利用雜質(zhì)的補償作用，在不改變隔離區(qū)P型摻雜分布的條件下，增加了隔離區(qū)的有效寬度，克服了現(xiàn)有技術(shù)存在的擴散控制精度不高、工藝復(fù)雜、不適用于高壓器件的缺點。
文檔編號H01L21/761GK102969315SQ20121052432
公開日2013年3月13日 申請日期2012年12月7日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月7日
發(fā)明者陳芳林, 劉可安, 唐龍谷, 張弦, 雷云 申請人:株洲南車時代電氣股份有限公司