一种波状基区和透明短路阳极的双芯gct及制备方法
【专利摘要】本发明公开了一种波状基区和透明短路阳极的双芯GCT，GCT-A与GCT-B部分在n-区向上设置相同；GCT-B部分n-区向下设置有n场阻止层，n场阻止层的下方并排设置有p+透明阳极区Ⅰ、n+短路区和p+透明阳极区Ⅱ，p+透明阳极区Ⅰ和p+透明阳极区Ⅱ的厚度小于中间的n+短路区，p+透明阳极区Ⅰ与GCT-A的p+透明阳极区邻接，p+透明阳极区Ⅰ、n+短路区和p+透明阳极区Ⅱ的下方均与GCT-A部分的p+透明阳极区的下方设置有共同的阳极铝电极A。本发明还公开了上述D-GCT的制备方法。本发明波状基区和透明短路阳极的双芯GCT结构，提高了GCT的电流容量，降低总损耗，省去对少子寿命的控制。
【专利说明】—种波状基区和透明短路阳极的双芯00了及制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于电力半导体器件【技术领域】，涉及一种波状基区和透明短路阳极的双芯 '，本发明还涉及该种波状基区和透明短路阳极的双芯的制备方法。
【背景技术】
[0002]门极换流晶闸管((^1)是一种新型的电力半导体器件，它是在门极可关断晶闸管(610)的基础上开发而来的。双芯即器件)是将两个具有不同特性的非对称601并联地集成在同一个芯片上，一个(如八)负责控制的通态特性，另一个(如601-8)负责控制的关断特性，使同时拥有很低的导通损耗和关断损耗。因此，可很好地满足电力电子技术快速发展对新型电力半导体器件提出的大容量、低损耗、高可靠性及集成化等要求，有广泛的应用前景。
[0003]现有采用普通？基区，在两个之间采用了沟槽隔离。沟槽隔离虽然可以避免主阻断结的弯曲效应，使得阻断电压得以提高，但为了达到较好的隔离效果，通常需要较宽的沟槽，这会导致门-阴极(了结的反向漏电流很大，同时沟槽占用的芯片面积也较大，使器件的有效面积减小，不利于表面散热。此外，为了提高的关断速度，必须采用少子寿命控制技术来改善8部分的关断特性，但不能影响'-八部分的少子寿命。因为上述这些原因都使现有的开发受到限制。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是提供一种波状基区和透明短路阳极的双芯％1，解决了现有技术中沟槽设置困难，对的少子寿命控制要求高，制作工艺难度大的问题。
[0005]本发明的另一目的是提供一种上述波状基区和透明短路阳极的双芯的制备方法。
[0006]本发明所采用的技术方案是，一种波状基区和透明短路阳极的双芯％1，整个器件以区为衬底，以器件上方隔离沟槽的中心线为轴将器件分为八部分和部分，
[0007]所述八部分的结构是，包括位于主体的区，11-区向上设置有波状『基区，波状『基区上方设置有0基区；该0基区中间段上表面与波状『基区的波峰对应位置设置有11+阴极区，该11+阴极区上表面是阴极铝电极X ；该11+阴极区两侧的0基区上表面各设置有一个门极铝电极仏；11~区向下设置有II场阻止层，II场阻止层向下为垆透明阳极区；
[0008]所述的部分结构是，同样包括位于主体的11-区，11-区向上设置有波状基区，波状『基区上方设置有0基区；该1)+基区中间段上表面与波状『基区的波峰对应位置设置有奸阴极区，该11+阴极区上表面是阴极铝电极X ；该11+阴极区两侧的0基区上表面各设置有一个门极铝电极4 区向下设置有II场阻止层，II场阻止层的下方并排设置有601-8部分的0透明阳极区1、奸短路区和部分的￠+透明阳极区II部分的1)+透明阳极区I和1)+透明阳极区II的厚度小于中间的奸短路区，部分的0透明阳极区I与八的垆透明阳极区邻接，(^1-8部分的垆透明阳极区1、奸短路区和(^1-8部分的1)+透明阳极区II的下方均与八部分的0透明阳极区的下方设置有共同的阳极铝电极八；
[0009]所述隔离沟槽伸入0基区，与广基区的一个波峰相接。
[0010]本发明所采用的另一技术方案是，一种波状基区和透明短路阳极的双芯的制备方法，按照以下步骤具体实施:
[0011]步骤1、选用原始的高阻区熔中照硅单晶作为11-区；
[0012]步骤2、硅片清洗后腐蚀减薄，利用三氯氧磷源两步扩散实现区的上下表面的区，并磨去11-区上表面的II区；
[0013]步骤3、采用干氧-湿氧-干氧交替氧化形成掩蔽膜，在磨去II区的11-区上表面进行光刻，形成硼扩散窗口 ；然后利用饱和的三氧化二硼源进行选择性硼扩散，形成0基区，并去掉整个器件表面上的氧化层；
[0014]步骤4、采用干氧-湿氧-干氧交替氧化重新形成掩蔽膜，在垆基区上表面和II区下表面上同时光刻，形成磷扩散窗口，然后进行选择性的磷两步扩散，在0基区上表面中段形成八和的奸阴极扩散区、同时在0基区隔离处形成=+掩蔽扩散区；另外，同时在II区下表面上形成'-8的11+短路区，再去掉整个器件表面上的氧化层；
[0015]步骤5、采用干氧-湿氧-干氧交替氧化重新形成掩蔽膜，在步骤4得到的器件上表面光刻形成铝扩散窗口，然后在上表面11+扩散区的掩蔽下进行大面积的铝扩散，在区中自然形成较深的波状？基区和即!)隔离区，再去掉整个器件表面上的氧化层；
[0016]步骤6、采用干氧-湿氧-干氧交替氧化重新形成掩蔽膜，在步骤5得到的器件上表面光刻形成门极区和隔离区腐蚀窗口，然后利用腐蚀方法进行门极区和隔离区挖槽；
[0017]步骤7、在步骤6得到的器件下表面甩稀释的8203源，进行大面积涂层扩散，形成八和的0透明阳极区，与此同时，上表面的门极区也得以补扩，然后，去掉整个器件表面上的氧化层；
[0018]步骤8、采用干氧-湿氧-干氧交替氧化重新形成掩蔽膜，在步骤7得到的器件上表面光刻形成隔离区腐蚀窗口，然后进行二次腐蚀，刻蚀掉11+掩蔽扩散区，形成？即-沟槽复合隔离区，接着进行下一步光刻形成八和门-阴极界的保护二氧化硅图形；
[0019]步骤9、对步骤8得到的器件下表面打毛，形成高复合中心；清洗后，对整个器件上、下表面分别蒸铝，并在下表面的铝层上溅射钛、镍、银多层金属化膜，然后对上表面的铝膜进行反刻，经合金化后形成各个电极；
[0020]步骤10、对步骤9得到的器件上表面甩聚酰亚胺膜，光刻形成门极区和隔离区的保护图形，并进行亚胺化处理；然后进行磨角保护、表面钝化即得。
[0021]由于本发明的结构采用了波状？基区，其？基区由浅0基区和深『基区两部分组成，使得八与之间可采用沟槽复合隔离区；同时在的阳极侧增加了 =+短路区。故本发明的有益效果是，兼顾了的阻断特性和导通特性及开关特性，保证了其换流可靠性，省去对于8部分的少子寿命控制要求，显著降低了制作工艺难度和成本。
【专利附图】
【附图说明】
[0022]图1是现有的0-(^1基本剖面结构图；
[0023]图2是本发明波状基区和透明短路阳极的双芯基本剖面结构示意图；
[0024]图3是本发明的在导通期间的内部电位分布；
[0025]图4是本发明的关断换流期间内部的载流子浓度分布；
[0026]图5是现有在阻断状态下沿阴极中心位置剖分的纵向电场分布；
[0027]图6是本发明的在阻断状态下沿阴极中心和波纹弯曲处剖分的纵向电场分布；
[0028]图7是本发明的与现有的正向阻断特性曲线的比较；
[0029]图8是本发明的与现有的正向导通特性曲线的比较；
[0030]图9是本发明的开通过程中阳极电流和阳-阴极电压随时间的变化波形；[0031〕 图10是本发明的关断过程中阳极电流和阳-阴极电压随时间的变化波形。
【具体实施方式】
[0032]下面结合附图和【具体实施方式】对本发明进行详细说明。
[0033]图1为现有的剖面结构图，主体采用了普通的？基区，且八与之间为沟槽隔离，可在大面积铝扩散形成？基区后通过刻蚀工艺实现。为了保证沟槽不影响了2结耗尽区的宽展并获得良好的隔离效果，沟槽区尽可能做的浅而宽，但沟槽区太宽，不仅会导致门-阴极间了3结的漏电流急剧增加，同时占用的硅片表面积也很大，导致阴极有效面积减小。
[0034]图2为本发明的剖面结构，整个器件以11-区为衬底，以器件上方隔离沟槽的中心线为轴将器件分为'-八部分和部分，
[0035]所述八部分的结构是，包括位于主体的11-区，区向上设置有波状『基区，波状『基区上方设置有0基区；该0基区中间段上表面与波状『基区的波峰对应位置设置有11+阴极区，该11+阴极区上表面是阴极铝电极X ；该11+阴极区两侧的0基区上表面各设置有一个门极铝电极I ；11~区向下设置有II场阻止层，II场阻止层向下为垆透明阳极区；
[0036]所述的部分结构是，同样包括位于主体的11-区，11-区向上设置有波状基区，波状『基区上方设置有0基区；该1)+基区中间段上表面与波状『基区的波峰对应位置设置有奸阴极区，该11+阴极区上表面是阴极铝电极X ；该11+阴极区两侧的0基区上表面各设置有一个门极铝电极4 区向下设置有II场阻止层，II场阻止层的下方并排设置有601-8部分的0透明阳极区1、奸短路区和部分的￠+透明阳极区II部分的1)+透明阳极区I和1)+透明阳极区II的厚度小于中间的奸短路区，部分的0透明阳极区I与八的垆透明阳极区邻接，部分的垆透明阳极区1、奸短路区和部分的1)+透明阳极区II的下方均与八部分的0透明阳极区的下方设置有共同的阳极铝电极八；
[0037]所述隔离沟槽伸入0基区，与基区的一个波峰相接。
[0038]本发明的的尺寸参数控制范围是:
[0039]八部分和部分的11+阴极区宽度均为200±20 9 111，垆基区的厚度为30±5 卩 III。
[0040]601-^部分和(^1-8部分的门极区沟槽深度均为25 ± 2 9 0。
[0041]601-8部分的奸短路区宽度与其垆阳极区宽度之比为0.25-0.5。
[0042]即]3隔离区的宽度至少为200 4 111，沟槽隔离区的宽度至少为250 ^ III，沟槽隔离区的深度与0基区的厚度相同。
[0043]本发明的结构采用了波状的？基区，601-^与之间采用了沟槽-则3隔离。波状的？基区由浅0基区和深『基区两部分组成，其中浅0基区是由硼扩散形成的，深1)-基区是在=+区的掩蔽下通过大面积铝扩散形成的波状结构；沟槽-即？隔离区的即？部分与深『基区同时形成，并通过刻蚀进一步形成沟槽1即复合隔离结构；此外，601-8还采用了透明短路阳极，在的阳极侧增加了 11+短路区，它与的!1+阴极区同时形成。同时采用波状？基区可显著改善0-(^1的导通特性和开关特性，增大了器件的反偏安全工作区。采用透明短路阳极可以改善0-(^1的关断特性，提高0-(^1换流的可靠性，同时也省略了对少子寿命的控制，可降低器件的制作工艺难度和成本。
[0044]本发明的0-以:1的工作原理是:
[0045]如图1所示，当0-(^1两端加上正向电压(4^0)时，了2结反偏来承担正向阻断电压，601-^和均处于阻断状态，阻断漏电流由少子寿命较低的决定。当0-(^1开通时，采用门极双脉冲来触发。在0-(^1的门极1和匕同时加上很强的正电流脉冲信号，
和的了3结会均匀注入，使阴极即II晶体管先大面积导通，然后驱动阳极？即晶体管导致，两者之间形成正反馈，于是0-(^1全面导通。导通后0-(^1阳、阴极两端的压降很低，如图3所示，在0-(^1导通期间，虽然八和两端的电位相同，但内部各点的电位压并不相同，并且的电位明显高于八，故0-(^1的导通主要由少子寿命较高的八决定。当0-(^1关断时，先在八的门极化上加一很强的负脉冲信号，则'-八的了3结会很快截止，八基区中的载流子会向中移动，内部的电子浓度分布如图4所示。经过延迟时间％后，再在的门极匕上加一很强的负脉冲信号，则的了3结也会很快截止，于是％卜8的关断就按阳极晶体管关断。当0-(^1两端加上反向电压(4/0)时，因透明阳极区较薄，故0-(^1几乎没有反向阻断能力。
[0046]如图2所示，由于本发明的0-(^1采用了波状1)基区，在关断末期会所形成的特殊的横向电场，可以加速抽取％卜8中？基区的载流子；同时采用了透明短路阳极，可以加速抽取基区的载流子，使得0-(^1快速关断，拖尾电流及其关断损耗可以显著减小。
[0047]本发明的波状基区和透明短路阳极的双芯的制备方法，具体按照以下步骤实施:
[0048]步骤1、选用原始的高阻区熔中照硅单晶作为区；
[0049]步骤2、硅片清洗后腐蚀减薄，利用三氯氧磷源两步扩散实现区的上下表面的区，并磨去11-区上表面的II区；
[0050]步骤3、采用干氧-湿氧-干氧交替氧化形成掩蔽膜，在磨去II区的11-区上表面进行光刻，形成硼扩散窗口 ；然后利用饱和的三氧化二硼源进行选择性硼扩散，形成0基区，并去掉整个器件表面上的氧化层；
[0051〕 步骤4、采用干氧-湿氧-干氧交替氧化重新形成掩蔽膜，在垆基区上表面和II区下表面上同时光刻，形成磷扩散窗口，然后进行选择性的磷两步扩散，在0基区上表面中段形成八和的奸阴极扩散区、同时在0基区隔离处形成=+掩蔽扩散区；另外，同时在II区下表面上形成'-8的11+短路区，再去掉整个器件表面上的氧化层；
[0052]步骤5、采用干氧-湿氧-干氧交替氧化重新形成掩蔽膜，在步骤4得到的器件上表面光刻形成铝扩散窗口，然后在上表面11+扩散区的掩蔽下进行大面积的铝扩散，在区中自然形成较深的波状？基区和即!)隔离区，再去掉整个器件表面上的氧化层；
[0053]步骤6、采用干氧-湿氧-干氧交替氧化重新形成掩蔽膜，在步骤5得到的器件上表面光刻形成门极区和隔离区腐蚀窗口，然后利用腐蚀方法进行门极区和隔离区挖槽；
[0054]步骤7、在步骤6得到的器件下表面甩稀释的8203源，进行大面积涂层扩散，形成八和的0透明阳极区，与此同时，上表面的门极区也得以补扩，然后，去掉整个器件表面上的氧化层；
[0055]步骤8、采用干氧-湿氧-干氧交替氧化重新形成掩蔽膜，在步骤7得到的器件上表面光刻形成隔离区腐蚀窗口，然后进行二次腐蚀，刻蚀掉11+掩蔽扩散区，形成？即-沟槽复合隔离区，接着进行下一步光刻形成八和门-阴极界的保护二氧化硅图形；
[0056]步骤9、对步骤8得到的器件下表面打毛，形成高复合中心；清洗后，对整个器件上、下表面分别蒸铝，并在下表面的铝层上溅射钛、镍、银多层金属化膜，然后对上表面的铝膜进行反刻，经合金化后形成各个电极；
[0057]步骤10、对步骤9得到的器件上表面甩聚酰亚胺膜，光刻形成门极区和隔离区的保护图形，并进行亚胺化处理；然后进行磨角保护、表面钝化即得。
[0058]本发明的器件的特性评价是:
[0059]为了评价本发明的特性，以5” 0-601为例，根据图1建立了结构模型，利用仿真软件对'的正向阻断特性、导通特性及开关特性分别进行了仿真，并与具有相同结构参数现有进行了比较。
[0060]1)正向阻断特性
[0061]当门极电压I = 0，阳-阴极间电压％?0时，处于正向阻断状态，由反偏的了2结来承担正向阻断电压。图5为现有在阻断状态下沿阴极中心位置剖分的纵向电场分布仿真曲线，可见，其电场分布为梯形分布，并电场峰值位于刚结界面处，电场强度约为1.48\10呤八！11 ；图6为本发明的在阻断状态下沿不同位置剖分的纵向电场分布仿真曲线；可见，沿阴极边缘处的峰值电场强度约为1.75^10^/(^,明显高于沿阴极中心处的峰值电场强度1.3父川力/挪。说明采用波状？基区可在中形成特殊的横向电场。
[0062]图7给出了本发明的与现有的正向阻断特性曲线的比较。由图7可见，采用波状基区和则)-沟槽复合隔离，会使的正向阻断电压下降。但在4201(的高温下，本发明的的高温漏电流明显低于现有0-%丁。
[0063]2)正向导通特性
[0064]当阳-阴极电压^?0，采用门极硬驱动电路，使门极施加的电流达大于其门极触发电流，即I。〉〉、时，处于正向导通状态，由八和共同传导电流。图8给出了本发明的与现有导通特性曲线比较；由图8可见，在相同的电流密度下，本发明的的正向压降比现有的明显更低，并且零温度系数点接近。
[0065]3)开关特性
[0066]图9、图10分别为本发明的与现有的开关通特性曲线的比较。由图9所示的开通特性可见，在相同的触发条件下本发明的开通比现有的开通稍慢，在3001(常温下相差约0.15^ 8，但在13 ^ 8。由图10所示的关断特性可见，在相同的关断条件下本发明0-(^1的关断比现有0-(^1的关断大约延迟2 ^ 8，但关断速度明显较快，在4201(高温下的拖尾电流也小，甚至低于3001(下的拖尾电流，故关断损耗显著减低。
[0067]上述特性分析表明，与现有的0-(^1相比，本发明的0-(^1具有较低的导通损耗和关断损耗，并且采用沟槽复合隔离可获得更好隔离效果和较大的阴极有效面积，有利于提高电流容量和热特性。因此，用本发明的0-(^1来代替现有0-(^1可望更好地满足于大功率变流器的实际应用。
[0068]可见，本发明的波状基区和透明短路阳极的双芯的制备方法，以现有的0-%丁为基础，？基区是由硼扩散形成的浅0基区和在磷扩散形成的11+阴极扩散区掩蔽下进行铝扩散形成的深『基区组成，并自然形成了一种波状的？基区及即？隔离区，并在即？区上方进行挖槽，从而形成了 ？即-沟槽复合隔离区。此外，在八的阳极侧增加了 11+短路区，并与其=+阴极区同时形成，可有效改善0-(^1的关断特性，从而省去了对其少子寿命的控制。
【权利要求】
1.一种波状基区和透明短路阳极的双芯GCT，其特征在于:整个器件以η-区为衬底，以器件上方隔离沟槽的中心线为轴将器件分为GCT-A部分和GCT-B部分， 所述GCT-A部分的结构是，包括位于主体的η-区，η-区向上设置有波状ρ-基区，波状Ρ-基区上方设置有Ρ+基区；该Ρ+基区中间段上表面与波状Ρ-基区的波峰对应位置设置有η+阴极区，该η+阴极区上表面是阴极铝电极Κ ;该η+阴极区两侧的ρ+基区上表面各设置有一个门极铝电极h ；n-区向下设置有η场阻止层，η场阻止层向下为ρ+透明阳极区； 所述的GCT-B部分结构是，包括位于主体的η-区，η-区向上设置有波状ρ-基区，波状Ρ-基区上方设置有Ρ+基区；该Ρ+基区中间段上表面与波状Ρ-基区的波峰对应位置设置有η+阴极区，该η+阴极区上表面是阴极铝电极Κ ;该η+阴极区两侧的ρ+基区上表面各设置有一个门极铝电极G2 ;n-区向下设置有η场阻止层，η场阻止层的下方并排设置有GCT-B部分的Ρ+透明阳极区1、η+短路区和GCT-B部分的ρ+透明阳极区II，GCT-B部分的ρ+透明阳极区I和Ρ+透明阳极区II的厚度小于中间的η+短路区，GCT-B部分的ρ+透明阳极区I与GCT-A的ρ+透明阳极区邻接，GCT-B部分的ρ+透明阳极区1、η+短路区和GCT-B部分的Ρ+透明阳极区II的下方均与GCT-A部分的ρ+透明阳极区的下方设置有共同的阳极铝电极A ; 所述隔离沟槽伸入P+基区，与P-基区的一个波峰相接。
2.根据权利要求1所述的波状基区和透明短路阳极的双芯GCT，其特征在于:所述GCT-A部分和GCT-B部分的n+阴极区宽度均为200±20 μ m, p+基区的厚度为30±5 μ m。
3.根据权利要求1所述的波状基区和透明短路阳极的双芯GCT，其特征在于:所述GCT-A部分和GCT-B部分的门极区沟槽深度均为25±2 μ m。
4.根据权利要求1所述的波状基区和透明短路阳极的双芯GCT，其特征在于:所述GCT-B部分的n+短路区宽度与其p+阳极区宽度之比为0.25-0.5。
5.根据权利要求1所述的波状基区和透明短路阳极的双芯GCT，其特征在于:所述pnp隔离区的宽度至少为200 μ m，沟槽隔离区的宽度至少为250 μ m，沟槽隔离区的深度与P+基区的厚度相同。
6.一种权利要求1所述的波状基区和透明短路阳极的双芯GCT的制备方法，其特征在于，按照以下步骤具体实施: 步骤1、选用原始的高阻区熔中照硅单晶作为η-区； 步骤2、硅片清洗后腐蚀减薄，利用三氯氧磷源两步扩散实现η-区的上下表面的η区，并磨去η-区上表面的η区； 步骤3、采用干氧-湿氧-干氧交替氧化形成掩蔽膜，在磨去η区的η-区上表面进行光亥IJ，形成硼扩散窗口 ；然后利用饱和的三氧化二硼源进行选择性硼扩散，形成Ρ+基区，并去掉整个器件表面上的氧化层； 步骤4、采用干氧-湿氧-干氧交替氧化重新形成掩蔽膜，在ρ+基区上表面和η区下表面上同时光刻，形成磷扩散窗口，然后进行选择性的磷两步扩散，在Ρ+基区上表面中段形成GCT-A和GCT-B的η+阴极扩散区、同时在ρ+基区隔离处形成η+掩蔽扩散区；另外，同时在η区下表面上形成GCT-B的η+短路区，再去掉整个器件表面上的氧化层； 步骤5、采用干氧-湿氧-干氧交替氧化重新形成掩蔽膜，在步骤4得到的器件上表面光刻形成铝扩散窗口，然后在上表面η+扩散区的掩蔽下进行大面积的铝扩散，在η-区中自然形成较深的波状P基区和Pnp隔离区，再去掉整个器件表面上的氧化层； 步骤6、采用干氧-湿氧-干氧交替氧化重新形成掩蔽膜，在步骤5得到的器件上表面光刻形成门极区和隔离区腐蚀窗口，然后利用腐蚀方法进行门极区和隔离区挖槽； 步骤7、在步骤6得到的器件下表面甩稀释的B2O3源，进行大面积涂层扩散，形成GCT-A和GCT-B的p+透明阳极区，与此同时，上表面的门极区也得以补扩，然后，去掉整个器件表面上的氧化层； 步骤8、采用干氧-湿氧-干氧交替氧化重新形成掩蔽膜，在步骤7得到的器件上表面光刻形成隔离区腐蚀窗口，然后进行二次腐蚀，刻蚀掉η+掩蔽扩散区，形成ρηρ-沟槽复合隔离区，接着进行下一步光刻形成GCT-A和GCT-B门-阴极界的保护二氧化硅图形； 步骤9、对步骤8得到的器件下表面打毛，形成高复合中心；清洗后，对整个器件上、下表面分别蒸铝，并在下表面的铝层上溅射钛、镍、银多层金属化膜，然后对上表面的铝膜进行反刻，经合金化后形成各个电极； 步骤10、对步骤9得到的器件上表面甩聚酰亚胺膜，光刻形成门极区和隔离区的保护图形，并进行亚胺化处理；然后进行磨角保护、表面钝化即得。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于:所述步骤4中形成GCT-A与GCT-B之间的隔离区时，掩蔽用η+扩散区宽度大于其η+阴极区宽度。
【文档编号】H01L27/06GK104392994SQ201410605143
【公开日】2015年3月4日 申请日期:2014年10月31日 优先权日:2014年10月31日
【发明者】王彩琳, 高秀秀 申请人:西安理工大学