一种门极可关断晶闸管及其制造方法与流程

本发明涉及半导体分立器件技术领域，尤其涉及一种门极可关断晶闸管及其制造方法。

背景技术：

普通晶闸管应用于直流电路时，只能用正的门极信号使其触发导通，不能用负的门极信号使其关断。要想关断晶闸管，必须设置专门的换相电路，这导致整理电路复杂，体积和重量增大，能耗也增大，并且会产生较强的电噪声。为此，开发了一种具有快速自我关断能力的晶闸管，这种器件可借助施加的正或负门极信号，既能实现开通又能实现关断，称之为门极可关断晶闸管。

可关断晶闸管的基本结构与普通晶闸管结构相似，它也是pnpn四层三结三端子器件，它具有普通晶闸管的全部特性，高电压、大电流、触发功率小等特点。可关断晶闸管与普通晶闸管的不同之处是，可关断晶闸管采用分立的门极-阴极结构，其阴极呈条状且无短路点，同时门极环绕阴极。

目前常规的可关断晶闸管由于受器件结构和制造工艺的技术限制，其关断速度过慢，关断的效率已不能满足市场的需求。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供了一种的关断的反应速度较快的门极可关断晶闸管及其制造方法。

本发明采用的技术手段如下：

一种门极可关断晶闸管，包括自下而上依次形成的第一导电类型的第一基区、第二导电类型的第二基区、第一导电类型的第三基区和第二导电类型的第四基区，以及还包括形成在所述第一基区下表面的阳极金属、形成在所述第四基区上表面的阴极金属、以及形成在所述第四基区上表面的两个门极金属，两个所述门极金属分别位于所述阴极金属的两侧，其特征在于，所述门极可关断晶闸管还包括重掺杂的第一导电类型的埋层和重掺杂的第一导电类型的注入区，两个所述阴极金属下方分别形成有所述注入区，所述注入区的下方形成有所述埋层，所述埋层自所述第三基区的上表面向所述第三基区内延伸，所述注入区自所述第四基区的上表面贯穿所述第四基区。

本发明在门极引出端增加了重掺杂离子的注入区和埋层，因而具有很低的门极接触电阻和体电阻，同时又不影响其它性能。其门极电阻比传统门极可关断晶闸管的门极接触电阻减少了65％～80％，无论是在门极上施加正极信号还是负极信号时，脉冲信号均可以无损的进入第三基区内，可以在很短时间内使晶闸管导通，也可以在很短时间内将晶闸管关断，反应速度比传统门极可关断晶闸管快30％以上，提高了器件的工作频率，同时大大降低了关断时的功率损耗。

另外本发明还提供一种门极可关断晶闸管的制造方法，至少包括以下步骤：

在第二导电类型的第二基区的下表面生长出第一导电类型的第一基区，在所述第二基区的上表面生长出第一导电类型的第三基区；

自所述第三基区的上表面的相对应的两侧向内分别注入重掺杂的第一导电类型的离子，进行热退火形成两个间隔的埋层；

在所述第三基区的上表面形成第二导电类型的第四基区；

在垂直于所述第四基区的方向上对应于所述埋层的位置自所述第四基区的上表面向内分别注入重掺杂的第一导电类型的离子，进行热扩散推阱形成注入区，所述注入区贯穿所述第四基区埋层与所述埋层形成接触；

在所述注入区的上表面分别形成门极金属，在两个所述门极金属之间的所述第四基区的上表面形成阴极金属，在所述第一基区的下表面形成阳极金属。

本发明的门极可关断晶闸管的制造方法，在制造过程中，在门极引出端增加了重掺杂离子的注入区和埋层，因而具有很低的门极接触电阻和体电阻，同时又不影响其它性能。其门极电阻比传统门极可关断晶闸管的门极接触电阻减少了65％～80％，无论是在门极上施加正极信号还是负极信号时，脉冲信号均可以无损的进入第三基区内，可以在很短时间内使晶闸管导通，也可以在很短时间内将晶闸管关断，反应速度比传统门极可关断晶闸管快30％以上，提高了器件的工作频率，同时大大降低了关断时的功率损耗。

附图说明

图1至图10为本发明实施例中所提供的一种门极可关断晶闸管的制造方法各个步骤的示意图。

其中：第一基区1；第二基区2；第三基区3；第四基区4；阳极金属5；阴极金属6；门极金属7；埋层8；注入区9；隔离墙10；保护墙11；第五基区12。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

本发明的一个方面提供一种门极可关断晶闸管，如图10所示，包括自下而上依次形成的第一导电类型的第一基区1、第二导电类型的第二基区2、第一导电类型的第三基区3和第二导电类型的第四基区4，以及还包括形成在第一基区1下表面的阳极金属5、形成在第四基区4上表面的阴极金属6、以及形成在第四基区4上表面的两个门极金属7，两个门极金属7分别位于阴极金属6的两侧，其特征在于，门极可关断晶闸管还包括重掺杂的第一导电类型的埋层8和重掺杂的第一导电类型的注入区9，两个阴极金属6下方分别形成有注入区9，注入区9的下方形成有埋层8，埋层8自第三基区3的上表面向第三基区3内延伸，注入区9自第四基区4的上表面贯穿第四基区4。

本发明在门极引出端增加了重掺杂离子的注入区9和埋层8，因而具有很低的门极接触电阻和体电阻，同时又不影响其它性能。其门极电阻比传统门极可关断晶闸管的门极接触电阻减少了65％～80％，无论是在门极上施加正极信号还是负极信号时，脉冲信号均可以无损的进入第三基区3内，可以在很短时间内使晶闸管导通，也可以在很短时间内将晶闸管关断，反应速度比传统门极可关断晶闸管快30％以上，提高了器件的工作频率，同时大大降低了关断时的功率损耗。

其中第一导电类型为p型导电类型材料，第二导电类型为n型导电类型材料；注入区9为向第四基区4内注入硼元素形成，注入剂量为1e16cm^-2，注入能量为120kev；埋层8为向第三基区3内注入硼元素形成，注入剂量为2.5e14cm^-2～5e14cm^-2，注入能量为50kev。

在本发明中第二基区2的电阻率为100ω*cm～200ω*cm。

优选的，在本实施例中，第一基区1是在第二基区2的下表面进行p型导电类型外延生长所形成的，外延生长温度为1150～1160℃，电阻率为0.15～0.25ω*cm，厚度为4～6μm。第三基区3是在第二基区2的上表面进行p型导电类型外延生长所形成的，外延生长温度为1150～1160℃，电阻率为45ω*cm～65ω*cm，厚度为10μm。

优选的，在本实施例中，在两个门极的位置(在第三基区3的上表面的两侧)，通过光刻技术，在上述第三基区3的上表面向下的进行选择性p+(重掺杂的p型离子)埋层8注入，然后进行热退火，激活杂质离子，形成两个埋层8。

进一步的，埋层8的注入的是硼元素，注入剂量为2.5e14cm^-2～5e14cm^-2，注入能量为50kev。

进一步的，退火工艺为在炉管内950℃的环境下，进行60分钟的退火，激活杂质，修复注入损伤。

优选的，在本实施例中，第四基区4是在第三基区3的上表面进行n型导电类型外延生长所形成的，外延生长温度为1160±5℃，电阻率为8ω*cm～12ω*cm，厚度为4μm。

优选的，在本实施例中，在两个门极的位置(在第四基区4的上表面的两侧与两个埋层8相对应的位置)，通过光刻，分别在上述第四基区4内进行选择性p+(重掺杂)注入形成注入区9，然后进行热扩散推阱，具体的是在对应于两个门极的位置，自第四基区4的上表面向下注入重掺杂的p型离子，然后进行热扩散推阱形成注入区9，其中注入区9贯穿第四基区4抵达第四基区4的下表面与埋层8接触。其中注入区9在注入时使用的光刻版与埋层8注入时所使用的光刻版相同。

进一步的，注入区9注入的是硼元素，注入剂量为1e16cm^-2，注入能量为120kev。

进一步的，扩散推阱的工艺条件是：在炉管内1050℃的环境下，进行120±10分钟的热扩散，使得p+注入区9与其下方的p+埋层8区相连接。

优选的，注入区9和埋层8的靠近阴极金属6的一侧形成有氧化硅的隔离墙10，隔离墙10的深度与注入区9和埋层8的深度相同。具体的，两个注入区9和埋层8的位置均形成有上述的隔离墙10，并且隔离墙10是在注入区9和埋层8靠近阴极金属6的一侧形成的，而且必须挨着注入区9和埋层8，其中隔离墙10的材料为sio2，并且保证隔离墙10穿透第四基区4，使隔离墙10的深度与注入区9和埋层8的深度相同，也即是隔离墙10最深处应当与埋层8的下表面齐平；优选的，隔离墙10的深度为4.5μm。在本发明中设置隔离墙10，在门极侧的注入区9和埋层8和阴极侧第四基区4区之间增加sio2隔离墙10，一方面使得本发明的门极可关断晶闸管在反向截止状态时具有极小的漏电流，使得门极可关断晶闸管性能更加优良，更加适合于电力电子领域的大功率应用场合。另一方面，由于采用sio2的隔离墙10技术，节省了门极可关断晶闸管的表面积，使门极可关断晶闸管具有更高的集成度，每片晶圆可以生产出更多的门极可关断晶闸管，降低了成本。

优选的，注入区9和埋层8的远离阴极金属6的一侧形成有氧化硅的保护墙11，保护墙11的深度抵达第二基区2内部。具体的，两个注入区9和埋层8的位置均形成有上述的保护墙11，并且保护墙11是在注入区9和埋层8远离阴极金属6的一侧形成的，而且必须挨着注入区9和埋层8，同样保护墙11的材料采用sio2，并且保证保护墙11穿透第四基区4和第三基区3，同时穿到第二基区2的内部；优选的，保护墙11的深度为16μm。本发明在门极外侧及注入区9和埋层8外侧设置有sio2保护墙11，对第三基区3实现了物理隔离，大大增加了门极可关断晶闸管的可靠性。传统的门极可关断晶闸管往往是第三基区3的外侧面裸露在外，在后端封装工艺时，存在导电胶从门极可关断晶闸管的周围向上溢出，并与第三基区3相连导致门极可关断晶闸管失效的风险，本发明的保护墙11技术则完全避免了这一风险因素，具有更高的可靠性。

优选的，第一基区1和第二基区2之间形成有第二导电类型的第五基区12。具体的第五基区12是在第一基区1的下表面向第一基区1内部进行n型导电类型的整面注入，然后进行热扩散。

进一步的，第五基区12注入的是砷元素，注入剂量为4.5e12cm^-2～5.5e12cm^-2，注入能量为100kev。

进一步的，扩散的工艺条件为1180℃，80～85分钟。

本发明在第一基区1和第二基区2之间增加了第五基区12，第五基区12的杂质浓度高于第一基区1，且第五基区12厚度较薄，在相同的电压额定值下，器件具有更低的导通电阻和更低的通态压降；同时由于第五基区12的存在，减小了第一基区1/第二基区2/第三基区3(p1/n1/p2)门极可关断晶闸管的注入效率，从而进一步缩短了关断时间，降低了关断损耗，同时具有很小的电噪声，提高的门极可关断晶闸管的工作频率。

本发明的一个方面提供一种门极可关断晶闸管的制造方法，至少包括以下步骤：

在第二导电类型的第二基区2的下表面生长出第一导电类型的第一基区1，在第二基区2的上表面生长出第一导电类型的第三基区3；

自第三基区3的上表面的相对应的两侧向内分别注入重掺杂的第一导电类型的离子，进行热退火形成两个间隔的埋层8；

在第三基区3的上表面形成第二导电类型的第四基区4；

在垂直于第四基区4的方向上对应于埋层8的位置自第四基区4的上表面向内分别注入重掺杂的第一导电类型的离子，进行热扩散推阱形成注入区9，注入区9贯穿第四基区4埋层8与埋层8形成接触；

在注入区9的上表面分别形成门极金属7，在两个门极金属7之间的第四基区4的上表面形成阴极金属6，在第一基区1的下表面形成阳极金属5。

本发明的门极可关断晶闸管的制造方法，在制造过程中，在门极引出端增加了重掺杂离子的注入区9和埋层8，因而具有很低的门极接触电阻和体电阻，同时又不影响其它性能。其门极电阻比传统门极可关断晶闸管的门极接触电阻减少了65％～80％，无论是在门极上施加正极信号还是负极信号时，脉冲信号均可以无损的进入第三基区3内，可以在很短时间内使晶闸管导通，也可以在很短时间内将晶闸管关断，反应速度比传统门极可关断晶闸管快30％以上，提高了器件的工作频率，同时大大降低了关断时的功率损耗。

本发明的一个方面提供一种门极可关断晶闸管的制造方法具体包括以下步骤：

s1.在第二导电类型的第二基区2的下表面生长出第一导电类型的第一基区1，在第二基区2的上表面生长出第一导电类型的第三基区3，如图1～3所示；

其中第一导电类型为p型导电类型材料，第二导电类型为n型导电类型材料。

第二基区2的电阻率为100ω*cm～200ω*cm。

具体的，在本步骤中，首先是在第二基区2的下表面向第一基区1内部进行n型导电类型的整面注入，然后进行热扩散，其中第五基区12注入的是砷元素，注入剂量为4.5e12cm^-2～5.5e12cm^-2，注入能量为100kev。

进一步的，扩散的工艺条件为1180℃，80～85分钟。

然后再在第五基区12的下表面进行p型导电类型外延生长形成第一基区1，外延生长温度为1150～1160℃，电阻率为0.15ω*cm～0.25ω*cm，厚度为4～6μm。

再次在第二基区2的上表面进行第三基区3外延生长，其中第三基区3是在第二基区2的上表面进行p型导电类型外延生长所形成的，外延生长温度为1150～1160℃，电阻率为45～65ω*cm，厚度为10μm。

本发明在第一基区1和第二基区2之间增加了第五基区12，第五基区12的杂质浓度高于第一基区1，且第五基区12厚度较薄，在相同的电压额定值下，器件具有更低的导通电阻和更低的通态压降；同时由于第五基区12的存在，减小了第一基区1/第二基区2/第三基区3(p1/n1/p2)门极可关断晶闸管的注入效率，从而进一步缩短了关断时间，降低了关断损耗，同时具有很小的电噪声，提高的门极可关断晶闸管的工作频率。

s2.自第三基区3的上表面的相对应的两侧向内分别注入重掺杂的第一导电类型的离子，进行热退火形成两个间隔的埋层8，如图4所示；

具体的，在本步骤中，在第三基区3的上表面的两侧，通过光刻技术，在上述第三基区3的上表面向下的进行选择性p+(重掺杂的p型离子)埋层8注入，然后进行热退火，激活杂质离子，形成两个埋层8。

进一步的，埋层8的注入的是硼元素，注入剂量为2.5e14cm^-2～5e14cm^-2，注入能量为50kev。

进一步的，退火工艺为在炉管内950℃的环境下，进行60分钟的退火，激活杂质，修复注入损伤。

s3.在第三基区3的上表面形成第二导电类型的第四基区4，如图5所示；

具体的，在本步骤中，第四基区4是在第三基区3的上表面进行n型导电类型外延生长所形成的，外延生长温度为1160±5℃，电阻率为8ω*cm～12ω*cm，厚度为4μm。

s4.在垂直于第四基区4的方向上对应于埋层8的位置自第四基区4的上表面向内分别注入重掺杂的第一导电类型的离子，进行热扩散推阱形成注入区9，注入区9贯穿第四基区4埋层8与埋层8形成接触，如图6所示；

具体的，在本步骤中，在第四基区4的上表面的两侧与两个埋层8相对应的位置，通过光刻，分别在上述第四基区4内进行选择性p+(重掺杂的p型离子)注入形成注入区9，然后进行热扩散推阱，具体的是在对应于后续形成的两个门极的位置，自第四基区4的上表面向下注入重掺杂的p型离子，然后进行热扩散推阱形成注入区9，其中注入区9贯穿第四基区4抵达第四基区4的下表面与埋层8接触。其中注入区9在注入时使用的光刻版与埋层8注入时所使用的光刻版相同。

进一步的，注入区9注入的是硼元素，注入剂量为1e16cm^-2，注入能量为120kev。

进一步的，扩散推阱的工艺条件是：在炉管内1050℃的环境下，进行120±10分钟的热扩散，使得p+注入区9与其下方的p+埋层8区相连接。

s5.在注入区9的上表面分别形成门极金属7，在两个门极金属7之间的第四基区4的上表面形成阴极金属6，在第一基区1的下表面形成阳极金属5，如图6～10所示。

另外的，在本步骤之前，还包括以下两个步骤：

隔离墙10的形成步骤：首先通过光刻定义出隔离墙10的区域，然后进行沟槽刻蚀，刻蚀后在槽内填充sio2，形成sio2隔离墙10。

具体的，注入区9和埋层8的靠近阴极金属6的一侧形成该隔离墙10，隔离墙10的深度与注入区9和埋层8的深度相同。两个注入区9和埋层8的位置均形成有上述的隔离墙10，并且隔离墙10是在注入区9和埋层8靠近阴极金属6的一侧形成的，而且必须挨着注入区9和埋层8。

优选的，该步骤光刻胶厚度应大于2μm，以保证光刻胶有足够的厚度用于保护非刻蚀区的硅。

优选的，沟槽刻蚀时采用等离子体干法刻蚀，刻蚀气体是氯气以及三氯化硼等其它气体，沟槽刻蚀深度为4.5μm，以保证将第四基区4刻透，并能够刻到第三基区3内。

本发明在门极外侧及注入区9和埋层8外侧设置有sio2保护墙11，对第三基区3实现了物理隔离，大大增加了门极可关断晶闸管的可靠性。传统的门极可关断晶闸管往往是第三基区3的外侧面裸露在外，在后端封装工艺时，存在导电胶从门极可关断晶闸管的周围向上溢出，并与第三基区3相连导致门极可关断晶闸管失效的风险，本发明的保护墙11技术则完全避免了这一风险因素，具有更高的可靠性。

保护墙11的形成步骤：通过光刻定义出保护墙11的区域，然后进行深沟槽刻蚀，刻蚀后在深沟槽内填充sio2，形成sio2保护墙11。两个注入区9和埋层8的位置均形成有上述的保护墙11，并且保护墙11是在注入区9和埋层8远离阴极金属6的一侧形成的，而且必须挨着注入区9和埋层8，并且保证保护墙11穿透第四基区4和第三基区3，同时穿到第二基区2的内部。

优选的，本步骤深沟槽刻蚀深度为16μm，以保证将第三基区3刻穿，并能够刻到第二基区2内。本发明在门极外侧及注入区9和埋层8外侧设置有sio2保护墙11，对第三基区3实现了物理隔离，大大增加了门极可关断晶闸管的可靠性。传统的门极可关断晶闸管往往是第三基区3的外侧面裸露在外，在后端封装工艺时，存在导电胶从门极可关断晶闸管的周围向上溢出，并与第三基区3相连导致门极可关断晶闸管失效的风险，本发明的保护墙11技术则完全避免了这一风险因素，具有更高的可靠性。

进一步的，在第一基区1的下表面形成阳极金属5，对第一基区1下表面进行清洗，然后进行下表面金属溅射，形成下表面的阳极金属5。

进一步的，在注入区9的上表面分别形成门极金属7，在两个门极金属7之间的第四基区4的上表面形成阴极金属6，首选对第四基区4上表面进行等离子体清洗，去除第四基区4表面的颗粒和氧化物薄层，然后依次进行金属淀积、涂光刻胶、曝光、显影、金属刻蚀和去除剩余光刻胶，最终形成第四基区4的上表面的阴极金属6和两个门极金属7，其中阴极金属6在两个门极金属7之间，两个门极金属7底下分别接触地设有注入区9，在注入区9底下接触地设有埋层8。

本发明的另一个较佳的实施例，也可以在阳极金属5侧增加背面p+区，即在第一基区1的下表面设置p+区(重掺杂的p型离子注入基区)。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。