本发明属于硅功率器件技术领域，涉及一种门极可关断晶闸管。
背景技术：
以硅材料为衬底片的门极可关断晶闸管(Gate-Turn-Off Thyristor，GTO)已经问世50多年了。
现有技术的门极可关断晶闸管的结构如图1所示。门极可关断晶闸管是PNPN四层结构，可以看成由两个双极管即NPN上管和PNP下管组成。NPN上管的N型发射区即N2连接阴极金属层K。NPN上管的P型基区即P2就是PNP下管的P型集电区。NPN上管P型基区P2连接门极金属层G。NPN上管的N型集电区即N1就是PNP下管的N型基区。PNP下管的P型发射区即P1连接阳极金属层A。
半个世纪以来，门极可关断晶闸管虽然有很大的发展，但是，世界上门极可关断晶闸有两个重大的弱点不能克服。一个是抗dI/dt的能力差，需要复杂的限制线路。另一个是抗dV/dt的能力差，需要复杂的吸收线路。此外，门极可关断晶闸管的电流只适合做1000A以上电压2500V以上的应用领域。而市场上对50—500A电压1200—1700V应用的需求非常大。
之前，对门极可关断晶闸管受上述限制的机理不够清晰。现在分析如下：
门极可关断晶闸管开始导通的时候，电流集中在上管发射区周边(“周边”是指与浓基区或基区最接近的发射区周边区域)附近很小的区域里面。“电流”是指PNPN晶闸管的“电流”。然后，PNPN晶闸管电流“缓慢地”往周边之外的区域扩散。这种“缓慢地”电流扩散方式，跟晶体管不同。如果电流上升的速度太快，则上管发射区周边附近的电流密度太高，并且由于沾污和缺陷等原因，总会造成某些点的电流密度比别处更大而首先烧毁。因此，上管发射区的周边电流密度就构成了对门极可关断晶闸管的dI/dt的限制。而晶体管虽然也是从“周边”开始导通，但是，晶体管电流扩散很快，电流上升速度不会导致周边烧毁。因此，发射区的周边电流密度不会造成对晶体管的dI/dt的限制。
门极可关断晶闸管截止的时候，外界电网有一个dV/dt的变动，就会产生位移电流d(CV)/dt，位移电流开始也是集中于上管发射区周边附近。电流越大，共基极电流增益α越大。当上管发射区周边附近某一点电流密度增加致使该点的α1+α2＝1的时候，该点就由截止转变成导通，从而造成了整个门极可关断晶闸管的失效。因此，上管发射区的周边电流密度也构成了对门极可关断晶闸管的dV/dt的限制。
门极可关断晶闸管是由很多元胞组成的。门极可关断晶闸管的上管发射区周边总长度等于全部元胞上管发射区周边长度之和。已有技术的门极可关断晶闸管的元胞的尺寸很大，其短边长度达到1000μm左右。因此，元胞的数目很少，元胞上管发射区周边的长度之和就很小。想办法减小元胞尺寸，增加元胞的密度，从而增加上管发射区周边总长度，就能够降低上管发射区周边的电流密度，增强门极可关断晶闸管的抗dI/dt和抗dV/dt的能力。
现有技术的门极可关断晶闸管的管芯都是圆形管芯，一个2吋至6吋的芯片就是一个管芯。管芯面积太大，只适合做1000A以上的应用。而且管芯的厚度都在350μm以上，所以，只适合做2500V以上的应用。
门极可关断晶闸管的新进展是GCT---门极换流晶闸管。GCT采用了两个新技术，一个是“缓冲层技术”，一个是“透明阳极技术”。缓冲层技术是指上管N型集电区分成两层，下层的电阻率比较低，即是“缓冲层”，能够在同样的额定电压下，降低硅片厚度，从而降低了功耗，提高了效率。透明阳极技术是指把下管P型发射区的P型层做得很薄，一般取10-15μm，电子就可以穿透。采用这个技术，能够缩短电流关断的拖尾时间，从而降低了关断损耗。但是，GTC的这两项背面技术，是同正面工艺一起做的，硅片厚度不能够降低，否则碎片。
技术实现要素：
为了解决上述问题，本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种门极可关断晶闸管，本身具有很强的抗dI/dt的能力和抗dV/dt的能力，具有宽阔的电流和耐压的适用范围。
本发明的另一个目的是提供一个门极可关断晶闸管的制作方法。
为完成本发明的目的，本发明提供一种门极可关断晶闸管，在N型的高电阻率的硅衬底片的上表面有由复数个高掺杂浓度的上管N型发射区重复排列组成的多条条带，每条条带的四周环绕有上管P型浓基区汇流条，上管N型发射区的上面设有阴极金属层，该上管N型发射区的下面有上管P型基区，该上管P型基区侧面连接掺杂浓度比上管P型基区浓度高的上管P型浓基区或上管P型浓基区汇流条，该上管P型基区、上管P型浓基区和上管P型浓基区汇流条的下面有上管N型集电区，上管N型集电区的下面为下管P型发射区，下管P型发射区位于硅衬底片的底层，下管P型发射区的下表面与阳极金属层相连，该硅衬底片的上方设有门极金属层；所述上管P型浓基区与上管P型浓基区汇流条相交或平行；所述上管P型浓基区汇流条上表面与门极金属层相连接；所述条带内相邻上管N型发射区之间的重复间距在50μm以内；所述门极可关断晶闸管的管芯为方形管芯。
优选地，所述上管P型基区和上管P型浓基区通过氧化层与阴极金属层连接。
优选地，所述上管N型发射区的上表面直接与阴极金属层连接。
优选地，所述阴极金属层与该硅衬底片之间进一步包含一掺杂多晶硅层，该上管N型发射区的上表面通过掺杂多晶硅层与阴极金属层间接连接。
优选地，所述上管N型集电区进一步分为上下两层，其中，下层的电阻率比上层低。
优选地，所述两个相邻的上管P型浓基区互相交叠，交叠部分形成上管P型基区。
优选地，所述上管P型基区和上管P型浓基区的上面都同上管N型发射区相连接。
优选地，所述上管P型浓基区的表面杂质浓度比上管P型基区的表面杂质浓度高3倍以上。
优选地，所述下管P型发射区的厚度小于3μm。
本发明还提供一种门极可关断晶闸管的制造方法，包括下列工艺步骤：
A.提供一套门极可关断晶闸管的掩膜版：包含，第一掩膜版，为上管N型发射区图形的掩膜版，该上管N型发射区图形为多条由复数个上管N型发射区图形单元重复排列形成的N型发射区条带组成，该上管N型发射区条带内相邻上管N型发射区的重复间距在50μm以内；第二掩膜版，为含有上管P型浓基区图形与上管P型浓基区汇流条图形的掩膜版，该上管P型浓基区图形为多条由复数个上管P型浓基区图形单元重复排列形成的上管P型浓基区条带组成，该上管P型浓基区条带内相邻上管P型浓基区图形单元的重复间距与上管N型发射区条带内相邻上管N型发射区图形单元的重复间距相同；该上管P型浓基区汇流条图形与上管P型浓基区图形相交或平行，该上管P型浓基区汇流条图形围绕在上管P型浓基区条带周围；
当第二掩膜版上的上管P型浓基区图形与第一掩膜版上的上管N型发射区图形对准时，上管P型浓基区汇流条图形也围绕在上管发射区条带周围；
B.提供N型高电阻率的硅衬底片；
C.采用第二掩膜版，通过氧化、光刻、腐蚀、硼离子注入、扩散推进工艺，形成上管P型基区、上管P型浓基区和上管P型浓基区汇流条，在扩散推进后，硅衬底的上表面有一层氧化层；
D.采用第一掩膜版，选择性地腐蚀氧化层，把上管P型基区上面的上管发射区窗口的氧化层腐蚀干净，保留上管P型浓基区和上管P型浓基区汇流条上面的氧化层；
E.淀积多晶硅层；
F.磷离子注入，形成N型掺杂多晶硅层，并通过扩散推进到上管P型基区的上部形成上管N型发射区；
G.选择性地掩蔽和腐蚀掺杂多晶硅层，在上管N型发射区的上方保留有掺杂多晶硅层，在上管P型浓基区汇流条的上方不保留掺杂多晶硅层；
H.选择性地腐蚀氧化层，把上管P型浓基区汇流条上面的氧化层腐蚀干净，形成接触孔；
I.溅射金属层；
J.选择性地掩蔽和腐蚀金属层，形成互相分离的阴极金属层和门极金属层；
K.背面减薄；
L.背面去除损伤层；
M.背面注入硼；
N.退火激活；
O.背面溅射阳极金属层。
本发明的有益效果在于：
本发明提供一种门极可关断晶闸管，该门极可关断晶闸管比现有晶闸管的改进之处在于：
1.增强了门极可关断晶闸管本身的抗dI/dt和抗dV/dt的能力，增强了可靠性。
2.降低了对驱动线路的要求，不用吸收线路，不用或只用简单的限制线路，线路的成本降低一半以上。
3.电流规格和耐压规格宽广：传统技术的GTO，电流规格只适合1000A以上，电压规格2500V以上，本发明的电流规格适合于50A以上，电压规格适合于1200V以上，比传统技术的电流规格和电压规格扩大了很多。
4.开关速度快，开关速度能够提高一倍以上，因而动态功耗小。
5.管温低，相应的对封装的要求降低。能够用单管封装替代模块封装，用工业模块封装替代车用模块封装，达到相同的可靠性，从而降低了封装成本一半以上。
6.芯片加工的成本低廉，容易大规模生产。已有技术的GTO，都是一个大圆片是一个管芯，先进的GCT，其管芯面只能够做到2-4吋。而本发明的GTO，芯片都是6吋至8吋，一个芯片的面积等于已有技术的好几倍。所以，生产效率高，生产成本低廉。本发明的GTO，能够采用3μm的MOS线生产。中国国内现有的3μm的MOS线生产芯片的能力是已有技术的GTO或GCT的芯片生产能力的几百倍，所以，很容易实现大规模生产。
附图说明
图1为现有技术的结构示意图。
图2为本发明提供的门极可关断晶闸管的第一优选实施例的结构示意图。
图3为本发明提供的门极可关断晶闸管第一优选实施例的第一掩膜版的上管N型发射区图形的示意图。
图4为本发明提供的门极可关断晶闸管的第一优选实施例的第二掩膜版的上管P型浓基区图形和上管P型浓基区汇流条图形的示意图。
图5为本发明提供的门极可关断晶闸管的第一优选实施例的第一掩膜版与第二掩膜版对准后的上管N型发射区图形、上管P型浓基区图形和上管P型浓基区汇流条图形的局部放大示意图。
图6为本发明提供的门极可关断晶闸管的第一优选实施例的B-C完成后的结构示意图。
图7为本发明提供的门极可关断晶闸管的第一优选实施例的D-F完成后的结构示意图。
图8为本发明提供的门极可关断晶闸管的第一优选实施例的G-J完成后的结构示意图。
图9为本发明提供的门极可关断晶闸管的第二实施例的结构示意图。
图10为本发明提供的门极可关断晶闸管的第三实施例的结构示意图。
图11为本发明提供的门极可关断晶闸管的第四实施例的结构示意图。
图12为本发明提供的门极可关断晶闸管的第五实施例的结构示意图。
附图标记
1：阴极金属层；2：上管P型基区；3：上管N型发射区；31：上管N型发射区图形单元；4：上管N型集电区；41：上管N型集电区N型高电阻率层；42：上管N型集电区N型低电阻率层；5：上管P型浓基区汇流条；51：上管P型浓基区汇流条图形；6：上管P型浓基区；61：上管P型浓基区图形单元；7：氧化层；8：阳极金属层；9：掺杂多晶硅层；10：门极金属层；11：下管P型发射区；12：硅衬底片。
具体实施方式
下面以具体实施例来说明本发明的内容。
首先说明，本发明的上管N型发射区的形状可以是长方形、正方形、六角形、圆形、梯形、三角形或其他形状，以及各种形状组合的图形，通常采用长方形。为简便，说明书的多处描述采用了上管N型发射区为长方形，上管P型基区为长方形，上管P型浓基区为长方形。这是一种普通的功率晶体管的指叉形结构。
其次，本发明所称的“连接”，实质上是指电的连接，即电的连通。物理结构上可以为直接或间接连接，都不影响电的连通。
第三，本发明中所述“重复间距”是指两个图形之间的距离加上其中一个图形的尺寸。
本发明的门极可关断晶闸管的第一优选实施例，其结构如图2所示：
在N型的高电阻率的硅衬底片12的上表面有由复数个高掺杂浓度的上管N型发射区3重复排列组成的多条条带，每条条带的四周环绕有上管P型浓基区汇流条5。每个上管N型发射区3的下面有上管P型基区2，上管P型基区2的侧面为掺杂浓度比上管P型基区2高的上管P型浓基区6或上管P型浓基区汇流条5。在上管P型基区2、上管P型浓基区6和上管P型浓基区汇流条5的下面有上管N型集电区4，在上管N型集电区4下面为下管P型发射区11，下管P型发射区11位于硅衬底片12的底层，下管P型发射区11下面连接阳极金属层8。上管P型浓基区6与上管P型浓基区汇流条5相交或平行。为了能显示更多结构，图2选取了上管P型浓基区6与上管P型浓基区汇流条5平行的部分。在图2中上管P型浓基区汇流条5上面与门极金属层10直接连接。上管P型浓基区6与上管P型基区2表面覆盖有氧化层7，氧化层7上面覆盖有一层掺杂多晶硅层9，而上管N型发射区表面无氧化层7，故而与掺杂多晶硅层9直接连接。在掺杂多晶硅层9上面覆盖有阴极金属层1。由于上管N型发射区3表面没有氧化层7覆盖，可使阴极金属层1通过导电层掺杂多晶硅层9与上管N型发射区3间接连接。掺杂多晶硅具有抗Na离子沾污的能力，能够提高器件的可靠性。本实施例中上管N型发射区3的宽度为6μm，长度为100μm，相邻上管N型发射区3之间的重复间距是20μm。
图3为本发明提供的第一优选实施例的第一掩膜版的示意图，包含上管N型发生区图形单元31的整体平面示意图。上管N型发生区图形单元31为为黑色的窄条长方形，复数上管N型发生区图形单元31组成上管N型发生区条带，从图3中可以看出上管N型发生区图形单元31一共12列。
图4为本发明提供的第一优选实施例的第二掩膜版的示意图，包括含有上管P型浓基区图形单元61和上管P型浓基区汇流条图形51的整体平面示意图。图3中13个黑色竖条和上面的、下面的黑色横条组成上管P型浓基区汇流条图形51，上管P型浓基区图形单元61为黑色的窄条长方形，复数上管P型浓基区图形单元61的长方形组成P型浓基区条带，从图4中可看出P型浓基区图形单元61一共12列。本实施例的门极可关断晶闸管的管芯是为方形管芯。方形管芯很容易做成0.5*0.5-15*15mm2的各种尺寸的管芯，封装成1-500A的功率管单管和模块。
图5为图3所示第一掩膜版与图4所示第二掩膜版对准时局部放大示意图，包括上管P型浓基区图形单元61和上管P型浓基区汇流条图形51，还通过放大可以看到上管N型发射区图形单元31。通过图5可以清楚显示上管N型发射区图形单元31、上管P型浓基区图形单元61和上管P型浓基区汇流条图形51的相互关系，上管P型浓基区图形单元61和上管P型浓基区汇流条图形51互相正交。在本实施例中上管N型发射区图形单元31、上管P型浓基区图形单元61都采用长方形，相应形成的上管N型发射区3、上管P型基区2、上管P型浓基区6也为长方形。
为了显示更多结构，图2取于图4的A-A处的剖面图形形成的门极可关断晶闸管位置，这里选取靠上边缘的包含有上管P型浓基区汇流条5的区域。
本发明的重复单元(即元胞)比现有技术的重复单元小得多。本实施例的相邻上管N型发射区之间的重复间距即重复单元的宽度为20μm，而现有技术的门极可关断晶闸管的上管发射区之间的重复间距大约1000μm，本发明的实施例的重复单元比现有技术的重复单元大约小50倍。当本发明的相邻上管N型发射区之间的重复间距即重复单元的宽度为50μm，本发明的重复单元比现有技术的重复单元大约小20倍。因而本发明的门极可关断晶闸管的上管发射区的周边总长度增加了至少一个数量级，上管发射区的周边电流密度就降低了至少一个数量级，从而使得门极可关断晶闸管的抗dI/dt的能力和抗dV/dt的能力增强了至少一个数量级。
由于本发明的门极可关断晶闸管的元胞小，开关过程通过门极充放电的距离短，而且具有上管P型浓基区和上管P型浓基区汇流条的低阻通道，所以，本发明的门极可关断晶闸管开关速度很快。与传统相比，上升时间和下降时间都降低一半以上。
下面以图2所示的门极可关断晶闸管第一优选实施例来说明GTO的制作方法：
首先，提供一套门极可关断晶闸管的掩膜版：包含，第一掩膜版，如图3所示，为上管N型发射区图形的掩膜版，该上管N型发射区图形为多条由复数个上管N型发射区图形单元31重复排列形成的N型发射区条带组成，该上管N型发射区条带内相邻上管N型发射区图形单元31的重复间距为20μm；第二掩膜版，如图4所示，为含有上管P型浓基区图形与上管P型浓基区汇流条图形的掩膜版，该上管P型浓基区图形为多条由复数个上管P型浓基区图形单元61重复排列形成的上管P型浓基区条带组成，该上管P型浓基区条带内相邻上管P型浓基区图形单元61的重复间距与上管N型发射区条带内相邻上管N型发射区图形单元31的重复间距相同；该上管P型浓基区汇流条图形51与上管P型浓基区图形相交或平行，该上管P型浓基区汇流条图形51围绕在上管P型浓基区条带图形的周围；
当第二掩膜版上的上管P型浓基区图形与第一掩膜版上的上管N型发射区图形对准时，上管P型浓基区汇流条图形51也围绕在上管发射区条带周围。
图6、图7、图8和图2为上述实施例在加工过程中的相应工艺步骤完成后的结构示意图。
图6相应于工艺步骤B-C。硅衬底片12为电阻率100-150Ωcm的N型6吋单晶片，片厚625μm。采用第二掩膜版，通过氧化、光刻、腐蚀、硼离子注入、高温推进，形成上管P型基区2、上管P型浓基区6和上管P型浓基区汇流条5。在高温推进的过程中，加入氧气，使得N型高电阻率衬底片12的上表面生长一层1.5μm厚度的氧化层7。上管P型浓基区6和上管P型浓基区汇流条5的结深为8μm，硼的表面浓度5E18/cm3。上管P型基区2的结深为5μm，硼的表面浓度5E17/cm3上管P型浓基区的硼的表面浓度是上管P型基区的硼的表面浓度的10倍。通常取3倍以上。
此外，上管P型基区2还有多种方法可以形成，如氧化层的厚度0.1μm，整片注入硼离子。也可以单独采用一块基区掩膜版。在基区注入后，一般不单独推进基区，而是与浓基区一起推进。
图7相应于工艺步骤D-F。采用第一掩膜版(注意与第二掩膜版对准)，通过光刻，选择性地腐蚀氧化层7，把上管P型基区2上面的上管N型发射区窗口的氧化层腐蚀干净。用LPCVD的方法淀积0.6μm厚的掺杂多晶硅层9。通过磷离子注入，形成N型的掺杂多晶硅层9，并通过扩散推进到上管P型基区2的上部形成上管N型发射区3。上管N型发射区3的磷的表面浓度为1E20/cm3，结深3μm。
图8相应于工艺步骤G-J。选择性的掩蔽和刻蚀掺杂多晶硅层9，在上管N型发射区3的上方保留有掺杂多晶硅层9，在上管P型浓基区汇流条5的上方不保留掺杂多晶硅层9。选择性腐蚀氧化层7，把上管P型浓基区汇流条5上面的氧化层7腐蚀干净，形成接触孔。溅射金属层，金属层为4μm的铝层。通过选择性地掩蔽和腐蚀金属层，形成互相分离的阴极金属层1和门极金属层10。
图2相应于工艺步骤K-O，显示为最终的管芯结构示意图。把芯片的背面减薄到180μm，去除背面损伤层，注入硼，硼的注入剂量5E14-5E15/cm2，注入能量60KEV，通过500℃退火30min，形成下管P型发射区11。背面溅射厚度为1μm的钛镍银三层金属，形成阳极金属层8。
本实施例的下管P型发射区11的厚度(按照投射距离+标准偏差*4计算)只有0.1903+0.0556*4＝0.4127μm。因为常规的离子注入机的最高能量是200KEV，所以，注入的硼最多能够深入硅1μm。即使以后离子注入机的能量提高，也不会超过500KEV，所以，注入的硼最多能够深入硅2.5μm。
本发明是先做完正面加工后做背面加工，正面的阴极金属层和门极金属层通常采用铝，铝在660℃就融化，因此，激活温度一般取500℃左右，硼在低温是不能够扩散的，至少要800℃以上硼才扩散。因此，本发明的门极可关断晶闸管的上管P型发射区11的厚度在3μm以下。而已有技术的门极可关断晶闸管的下管P型发射区的厚度都远远超过3μm，一般取10-15μm。常规的10-15μm的P型层，已经能够使阳极“透明”了，本发明的门极可关断晶闸管的下管P型发射区11小于3μm，更是很容易“阳极透明”，减少拖尾时间。本发明的电流关断时的拖尾时间只有常规的没有“阳极透明”的门极可关断晶闸管的拖尾时间的1/10以下。
本发明是先正面加工后背面加工，所以能够把最终芯片做到150μm以上，也适合于做1000-2000V的功率器件。
图9为本发明的第二实施例的结构示意图。图9与图2的不同之处在于：图9的上管N型集电区4设有N型低电阻率层42作为“缓冲层”，能够降低功耗，提高效率。
上管N型集电区的下层低电阻率层42是这样形成的：在芯片正面加工完成之后，减薄背面，去除背面损伤层，然后，注入2次。先注入磷，用200KEV，其射程(即投射距离)为0.2539μm，剂量5E13-5E14/cm2。然后注入硼，用30KEV，其射程(即投射距离)为0.0987μm，剂量5E14-5E15/cm2。再用500℃30分钟退火激活。就形成了上管N型集电区4的下层低电阻率层42即“缓冲层”和下管P型发射区11。
图10为本发明第三个实施例的结构示意图。图9与图8的不同之处在于：图10的上管N型发射区3的重复间距只有10μm，两个相邻的上管P型浓基区6距离很近，互相交叠，交叠处形成上管P型基区2。这样做，可以减少一次光刻、一次离子注入和一次高温推进，而且，上管P型基区2跟上管P型浓基区6自对准。
图11是本发明第四个实施例的结构示意图。图10与图8的不同之处在于：图11的上管P型基区2和上管P型浓基区6的上面都连接上管N型发射区3。这是一种特殊情况，即图10的上管N型发射区3的宽度为20μm(图8的上管N型发射区3宽度是6μm)，图10的上管N型发射区3的重复间距也是20μm，上管发射区长方形3的宽度＝上管发射区长方形3重复间距的宽度，相当于条带中的复数个长方形的上管N型发射区3连成了一片。这种结构，上管N型发射区3和上管P型浓基区6是自对准的，电参数的一致性好。这种结构的另一个好处是可以把上管P型浓基区的重复间距做得更小，如上管P型浓基区的宽度2μm、上管P型浓基区的重复间距8μm，从而进一步减弱了周边电流密度。
图12是本发明的第五个实施例的结构示意图。图11与图8的不同之处在于：图12的上管N型发射区3直接连接阴极金属层1。这种结构工艺简单，容易加工，成本低廉。
现在高压大功率领域的主流功率管是IGBT。IGBT是电压驱动型的功率管。只要栅氧化层有一个针孔，IGBT就失效。所以，高压大功率的IGBT是很昂贵的。而且IGBT受制于闩锁。本发明的门极可关断晶闸管不存在闩锁问题，管温比IGBT低，可靠性比IGBT高，而且成本远远低于IGBT。本发明的门极可关断晶闸管有望取代IGBT，成为高压大功率器件的主流产品。
本发明的上管P型浓基区和P型浓基区汇流条的结深可以比上管P型基区的结深深，也可以比上管的P型基区的结深浅。
本发明的硅衬底片的底层下管P型发射区可以是全部的底层，也可以是底层的一部分，另一部分是上管N型集电区。这种结构称为“阳极短路”，其作用是提高了关断速度，降低了电流的拖尾时间，代价是成本提高，难度增加，容易造成碎片。
上述实施例仅用于对本发明进行说明而非对本发明进行限制，因此，对于本领域的技术人员来说，在不背离本发明精神和范围的情况下对它进行各种显而易见的改变，都应在本发明的保护范围之内。