專利名稱：一種mos場控晶閘管的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于功率半導(dǎo)體器件技術(shù)領(lǐng)域，涉及MOS場控晶閘管(MOS ControlledThyristor,簡稱MCT)。
背景技術(shù)：
高壓功率半導(dǎo)體器件是功率電子的重要組成部分，在諸如動力系統(tǒng)中的電機驅(qū)動，消費電子中變頻等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。在應(yīng)用中，高壓功率半導(dǎo)體器件需要具有低導(dǎo)通功耗，大導(dǎo)通電流，高電壓阻斷能力，柵驅(qū)動簡單，低開關(guān)損耗等特性。絕緣柵雙極型晶體管(Insulated Gate Bipolar Transistor,簡稱IGBT)由于其在中高壓電カ電子領(lǐng)域中展現(xiàn)出優(yōu)越的性能而得到廣泛的應(yīng)用。但是，IGBT應(yīng)用于高壓大功率領(lǐng)域時，若要獲得更高的電流密度，導(dǎo)通壓降會迅速増大。作為新型高壓功率器件的另ー種選擇，MOS場控晶閘管(MOSControlled Thyristor,簡稱MCT)由于其具有柵極驅(qū)動簡單,高電壓阻斷能力和較低的導(dǎo)通壓降等優(yōu)越特性而在高壓及超高壓電カ電子領(lǐng)域的應(yīng)用備受矚目。然而，由于工作原理與IGBT截然不同，MCT在擁有比IGBT更高的電流密度及更低的導(dǎo)通壓降的同時，也需要比IGBT更長的關(guān)斷時間。其主要原因是MCT在正向?qū)〞r為晶閘管特性，這將導(dǎo)致在關(guān)斷時MCT的漂移區(qū)儲存的少數(shù)載流子總量高于IGBT，造成關(guān)斷困難。關(guān)斷時間長必將導(dǎo)致關(guān)斷損耗大，安全工作區(qū)變小。因而關(guān)斷時間是影響MCT應(yīng)用范圍的ー個關(guān)鍵因素。D. J. Coe 等在專利 US Patent 4，754，310，陳星弼等在專利 US Patent 5，216，275中分別提出了應(yīng)用于橫向器件與縱向器件中Super Junction超結(jié)技術(shù)。該技術(shù)可在保持耐壓不變的情況下有效降低VDMOS導(dǎo)通電阻，甚至可以突破硅材料VDMOS導(dǎo)通電阻與反向阻斷電壓關(guān)系(RmWBV25)的極限，使VDMOS應(yīng)用于更高的電壓條件下?；谠摷夹g(shù)的CooIMOS —經(jīng)商業(yè)化便受到了廣泛的關(guān)注和應(yīng)用。對于雙極型載流子器件,Super Junction超結(jié)理論同樣適用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對現(xiàn)有MOS場控晶閘管存在的關(guān)斷時間長、關(guān)斷損耗大的技術(shù)問題，提供ー種可快速關(guān)斷的、具有額外少數(shù)載流子抽取通道的MOS場控晶閘管(可稱為ECP-MCT)。該MOS場控晶閘管將P型體區(qū)向下延伸、延伸區(qū)插入N-型漂移區(qū)，以增大P型體區(qū)與N-漂移區(qū)的接觸面積，増加少數(shù)載流子的抽取通道，進而加快少數(shù)載流子的抽取速度，縮短關(guān)斷時間，減小關(guān)斷損耗。當P型延展區(qū)與N-型漂移區(qū)恰好達到電荷平衡吋，電荷平衡的P型延展區(qū)與N-型漂移區(qū)恰好形成超結(jié)結(jié)構(gòu)(SuperJunction)，這種情況下的MOS場控晶閘管能進ー步優(yōu)化反向耐壓特性，降低器件的導(dǎo)通壓降。本發(fā)明的技術(shù)方案如下ー種MOS場控晶閘管，如圖I所示，包括陽極結(jié)構(gòu)、漂移區(qū)結(jié)構(gòu)、陰極結(jié)構(gòu)和柵極結(jié)構(gòu)；所述漂移區(qū)結(jié)構(gòu)包括N-型漂移區(qū)4和P型延伸區(qū)5 ;所述P型延伸區(qū)5由陰極結(jié)構(gòu)中的P型體區(qū)3向下延伸入N-型漂移區(qū)4形成，但P型延伸區(qū)5不與陽極結(jié)構(gòu)中的P+區(qū)7接觸。本發(fā)明提供的MOS場控晶閘管，其特點是對漂移區(qū)結(jié)構(gòu)進行改進，即將圖3所示的常規(guī)MCT的P型體區(qū)3向下延伸，P型延伸區(qū)5插入N-漂移區(qū)4。P型延伸區(qū)5不貫穿整個漂移區(qū)，它與P+陽極區(qū)7之間仍有部分N-漂移區(qū)(可視為圖3中的緩沖區(qū)6)相隔，緩沖區(qū)的厚度為し根據(jù)器件要求不同，緩沖層的濃度可與N-漂移區(qū)4的摻雜濃度相同，也可另行摻雜。作為緩沖區(qū)層6的N-型漂移區(qū)4若直接與陽極結(jié)構(gòu)中的P+陽極區(qū)7相接觸，則整個漂移區(qū)結(jié)構(gòu)為NPT型漂移 區(qū)；若作為緩沖區(qū)層6的N-型漂移區(qū)4中還具有與陽極結(jié)構(gòu)中的P+陽極區(qū)7相接觸的N+緩沖層，則整個漂移區(qū)結(jié)構(gòu)為PT型或FS型漂移區(qū)。本發(fā)明提供的MOS場控晶閘管，其漂移區(qū)結(jié)構(gòu)可與現(xiàn)有各種半導(dǎo)體功率器件的陽極結(jié)構(gòu)、各種現(xiàn)有MOS場控晶閘管陰極和柵極結(jié)構(gòu)相結(jié)合，組合出具有本發(fā)明所述漂移區(qū)結(jié)構(gòu)的MOS場控晶閘管。進ー步地，本發(fā)明提供的MOS場控晶閘管的漂移區(qū)結(jié)構(gòu)中，P型延伸區(qū)5與兩側(cè)的N-型漂移區(qū)4形成超結(jié)結(jié)構(gòu)。如圖2所示，P型延伸區(qū)5與兩側(cè)的N-型漂移區(qū)4形成NPN相間的結(jié)構(gòu)，即超結(jié)結(jié)構(gòu)；其中兩側(cè)的N-型漂移區(qū)4為兩條相對于P型延伸區(qū)5對稱且寬度相等(Wn)的N-型摻雜柱12，而P型延伸區(qū)5為寬度Wp的P型摻雜柱。本發(fā)明提供的MOS場控晶閘管，其工作原理如下在所述MOS場控晶閘管(MCT)的陽極11加正電壓，陰極10加零電壓，使柵極9上所加的正電壓大于MCT的閾值電壓，則器件開啟，進入導(dǎo)通態(tài)。MCT的開啟過程由器件中的MOS結(jié)構(gòu)決定，所以所述MCT開啟的時間與常規(guī)MCT和IGBT基本相同。在導(dǎo)通態(tài)下，P型延伸區(qū)5的加入増加了下方的PNP晶體管的集電極的有效區(qū)域，可以使電導(dǎo)調(diào)制進行的更加充分，進而降低器件的導(dǎo)通壓降。將所述MCT的柵極9上的正電壓轉(zhuǎn)為負電壓或零電壓，則器件開始關(guān)斷，進入截止態(tài)。MCT的關(guān)斷時間主要由少子電流產(chǎn)生的拖尾所決定。P型延伸區(qū)5與N-型漂移區(qū)的廣泛接觸為儲存在漂移區(qū)的少子的抽取提供了額外的通道，使抽取的速度加快，電流拖尾明顯減小，進而縮短了器件的關(guān)斷時間，降低了關(guān)斷損耗。對于漂移區(qū)為超結(jié)結(jié)構(gòu)的MCT器件(即SJ-MCT), Super Junction超結(jié)結(jié)構(gòu)可以在漂移區(qū)內(nèi)實現(xiàn)電荷平衡,承受耐壓時的電場呈矩形，耐壓僅取決于漂移區(qū)的長度而與其摻雜濃度無關(guān)。可實現(xiàn)漂移區(qū)長度的縮短和漂移區(qū)的摻雜濃度的提升，從而進一歩降低漂移區(qū)電阻，降低導(dǎo)通壓降。綜上，本發(fā)明的有益成果體現(xiàn)在本發(fā)明提供的可快速關(guān)斷的ECP-MCT器件，減小了高壓下器件的導(dǎo)通電阻和拖尾電流，降低了導(dǎo)通損耗和關(guān)斷損耗，具有高耐壓、大電流、低功耗的優(yōu)點。其快速關(guān)斷的特性，可顯著提高器件的工作頻率，使器件比常規(guī)MCT有更廣的應(yīng)用范圍，更適合應(yīng)用于高壓開關(guān)電路中。


圖I是本發(fā)明所提供的MOS場控晶閘管(ECP-MCT)結(jié)構(gòu)示意2是本發(fā)明提供的ECP-MCT的特例SJ-MCT的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3是常規(guī)的MCT的結(jié)構(gòu)示意圖。圖4是常規(guī)的MCT與本發(fā)明提供的ECP-MCT開啟特性曲線示意圖。
圖5是常規(guī)的MCT與本發(fā)明提供的ECP-MCT關(guān)斷特性曲線示意圖。圖6是常規(guī)的MCT與本發(fā)明提供的ECP-MCT導(dǎo)通壓降Von和關(guān)斷損耗Eoff與陽極電流密度Ja的關(guān)系不意圖。圖7是常規(guī)的MCT與本發(fā)明提供的ECP-MCT正向輸出特性曲線示意圖。
具體實施例方式ー種MOS場控晶閘管，如圖I所示，包括陽極結(jié)構(gòu)、漂移區(qū)結(jié)構(gòu)、陰極結(jié)構(gòu)和柵極結(jié)構(gòu)；所述漂移區(qū)結(jié)構(gòu)包括N-型漂移區(qū)4和P型延伸區(qū)5 ;所述P型延伸區(qū)5由陰極結(jié)構(gòu)中的P型體區(qū)3向下延伸入N-型漂移區(qū)4形成，但P型延伸區(qū)5不與陽極結(jié)構(gòu)中的P+區(qū)7接觸。本發(fā)明提供的MOS場控晶閘管，其特點是對漂移區(qū)結(jié)構(gòu)進行改進，即將圖3所示的常規(guī)MCT的P型體區(qū)3向下延伸，P型延伸區(qū)5插入N-漂移區(qū)4。P型延伸區(qū)5不貫穿整個漂移區(qū)，它與P+陽極區(qū)7之間仍有部分N-漂移區(qū)(可視為圖3中的緩沖區(qū)6)相隔，緩沖區(qū)的厚度為し根據(jù)器件要求不同，緩沖層的濃度可與N-漂移區(qū)4的摻雜濃度相同，也可另行摻雜。作為緩沖區(qū)層6的N-型漂移區(qū)4若直接與陽極結(jié)構(gòu)中的P+陽極區(qū)7相接觸，則整個漂移區(qū)結(jié)構(gòu)為NPT型漂移區(qū)；若作為緩沖區(qū)層6的N-型漂移區(qū)4中還具有與陽極結(jié)構(gòu)中的P+陽極區(qū)7相接觸的N+緩沖層，則整個漂移區(qū)結(jié)構(gòu)為PT型或FS型漂移區(qū)。本發(fā)明提供的MOS場控晶閘管，其漂移區(qū)結(jié)構(gòu)可與現(xiàn)有各種半導(dǎo)體功率器件的陽極結(jié)構(gòu)、各種現(xiàn)有MOS場控晶閘管陰極和柵極結(jié)構(gòu)相結(jié)合，組合出具有本發(fā)明所述漂移區(qū)結(jié)構(gòu)的MOS場控晶閘管。進ー步地，本發(fā)明提供的MOS場控晶閘管的漂移區(qū)結(jié)構(gòu)中，P型延伸區(qū)5與兩側(cè)的N-型漂移區(qū)4形成超結(jié)結(jié)構(gòu)。如圖2所示，P型延伸區(qū)5與兩側(cè)的N-型漂移區(qū)4形成NPN相間的結(jié)構(gòu)，即超結(jié)結(jié)構(gòu)；其中兩側(cè)的N-型漂移區(qū)4為兩條相對于P型延伸區(qū)5對稱且寬度相等(Wn)的N-型摻雜柱12，而P型延伸區(qū)5為寬度Wp的P型摻雜柱。以耐壓為1600V的常規(guī)結(jié)構(gòu)MCT和本發(fā)明提供的MCT (可稱為ECP-MCT)為例進行仿真比較，直觀地展示本發(fā)明結(jié)構(gòu)的相比于常規(guī)結(jié)構(gòu)器件性能的改進。由于P型擴展區(qū)的加入，ECP-MCT的開啟時間與常規(guī)MCT相同，關(guān)斷時間較常規(guī)MCT下降了近50%，如圖4，圖5所示。在陽極電壓Va = 800V,陽極電流密度Ja = 400A/cm2的情況下，ECP-MCT的關(guān)斷時間比MCT的關(guān)斷時間(5us)快2us。圖6給出了導(dǎo)通壓降Von和關(guān)斷損耗Eoff與陽極電流密度Ja的關(guān)系圖，可以看出采用本結(jié)構(gòu)，Von、Eoff均有顯著下降，Eoff的降幅可達40%。陽極電流密度Ja = 400A/cm2下，常規(guī)MCT的導(dǎo)通壓降Von為I. 34V，關(guān)斷損耗Eoff為IlmJ ;而SJ-MCT的導(dǎo)通壓降Von為I. 12V，關(guān)斷損耗Eoff為6. 7mJ，關(guān)斷損耗減小39%。在相同的導(dǎo)通壓降下，ECP-MCT具有更高的電流密度，如圖I所示。以圖I所示的器件結(jié)構(gòu)為例，其制造方法包括以下步驟第一歩在N型襯底上利用挖槽填充P型或多次外延注入等エ藝形成滿足要求的P型延伸區(qū)5。第二步注入P并推結(jié)形成P型體區(qū)3。第四步熱氧生長柵氧8，淀積柵極金屬/多晶硅，形成柵極9。
第五歩注入N并推結(jié)形成N型體區(qū)2。
第六步注入P+并推結(jié)形成源區(qū)I。
第七步分別淀積SiO2等絕緣介質(zhì)層、刻蝕歐姆孔。第八步淀積金屬層，形成陰極10及互聯(lián)，淀積鈍化層。第九步襯底背面減薄、拋光，注入P+并進行離子激活，形成陽極區(qū)7。第十歩背金，形成陽極11。應(yīng)當說明，本發(fā)明的核心發(fā)明點在于提出了ー種可快速關(guān)斷的ECP-MCT結(jié)構(gòu)。說明書中所舉仿真結(jié)果只為更具體明了的闡述本發(fā)明所具有的優(yōu)勢，并不代表已經(jīng)達到了最優(yōu)值，本領(lǐng)域技術(shù)人員可通過對本發(fā)明結(jié)構(gòu)各參數(shù)的優(yōu)化來獲得更好的結(jié)果。本發(fā)明中結(jié)構(gòu)的制備エ藝具有很多種變化，本發(fā)明中提供的制備方法僅為實現(xiàn)該結(jié)構(gòu)的ー種途徑。本發(fā)明不可能也沒有必要將一一逐級，但本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當理解在本發(fā)明的基礎(chǔ)上所作出的各種結(jié)構(gòu)或エ藝上的變化，均在本發(fā)明申請保護的范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.ー種MOS場控晶閘管，包括陽極結(jié)構(gòu)、漂移區(qū)結(jié)構(gòu)、陰極結(jié)構(gòu)和柵極結(jié)構(gòu)；其特征在于，所述漂移區(qū)結(jié)構(gòu)包括N-型漂移區(qū)(4)和P型延伸區(qū)(5);所述P型延伸區(qū)(5)由陰極結(jié)構(gòu)中的P型體區(qū)⑶向下延伸入N-型漂移區(qū)⑷形成，但P型延伸區(qū)(5)不與陽極結(jié)構(gòu)中的P+區(qū)(7)接觸。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的MOS場控晶閘管，其特征在于，所述MOS場控晶閘管的開啟溝道與關(guān)斷溝道的比值為I : N，其中N為自然數(shù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的MOS場控晶閘管，其特征在于，所述P型延伸區(qū)(5)下方的N-型漂移區(qū)(4)中還具有與陽極結(jié)構(gòu)中的P+陽極區(qū)7相接觸的N+緩沖層，使得漂移區(qū)結(jié)構(gòu)形成PT型或FS型漂移區(qū)結(jié)構(gòu)。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的MOS場控晶閘管，其特征在于，所述柵極結(jié)構(gòu)為平面型結(jié)構(gòu)或溝槽型結(jié)構(gòu)。
5.根據(jù)權(quán)利要求I 4中任一項所述的MOS場控晶閘管，其特征在于，所述P型延伸區(qū)(5)與兩側(cè)的N-型漂移區(qū)⑷形成超結(jié)結(jié)構(gòu)。
全文摘要
一種MOS場控晶閘管(MCT)，屬于功率半導(dǎo)體器件技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明將普通MCT的P型體區(qū)向下延伸、延伸區(qū)插入N-型漂移區(qū)，以增大P型體區(qū)與N-漂移區(qū)的接觸面積，增加少數(shù)載流子的抽取通道，進而加快少數(shù)載流子的抽取速度，縮短關(guān)斷時間，減小關(guān)斷損耗。當P型延展區(qū)與N-型漂移區(qū)恰好達到電荷平衡時，電荷平衡的P型延展區(qū)與N-型漂移區(qū)恰好形成超結(jié)結(jié)構(gòu)(SuperJunction)，這種情況下的MOS場控晶閘管能進一步優(yōu)化反向耐壓特性，降低器件的導(dǎo)通壓降。本發(fā)明快速關(guān)斷的特性，可顯著提高器件的工作頻率，使器件比常規(guī)MCT有更廣的應(yīng)用范圍，更適合應(yīng)用于高壓開關(guān)電路中。
文檔編號H01L29/06GK102623492SQ20121009865
公開日2012年8月1日 申請日期2012年4月6日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月6日
發(fā)明者張波, 陳萬軍, 齊躍 申請人:東莞電子科技大學(xué)電子信息工程研究院, 電子科技大學(xué)