一种积累层控制的晶闸管的制作方法

专利名称：一种积累层控制的晶闸管的制作方法
技术领域：
一种积累层控制的晶闸管，属于半导体功率器件技术领域。
背景技术：
近些年来，绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor,艮卩IGBT)由于结合 了MOSFET的驱动电路简单、开关速度高和双极功率晶体管的电流密度大、饱和压降低的优 点，应用范围越来越广。但是，绝缘栅双极型晶体管在高压应用时正向导通压降将会变得很 大，这主要是由于高压应用时N—基区很厚，在接近发射极一侧的轻掺杂N.基区得不到有效的 电导调制。而在栅控晶闸管器件中，阳极有空穴注入，阴极有电子的注入，可以实现对N—基 区充分的电导调制，正向压降和通态功耗比垂直双扩散金属氧化物半导体和绝缘栅双极型晶 体管等栅控器件都小，且栅控晶闸管器件输入端为MOSFET结构，输出端为晶闸管结构， 有输入阻抗高，易于控制，阻断电压高，功率容量大等优点，在功率电子技术领域应用中是 一种优良的器件。
自1984年Temple发表了采用MOSFET控制晶闸管开启和关断的器件结构一MOS控制 的晶闸管MCT (MOS Controlled Thyristor)以来，研究报道了多种栅控晶闸管器件结构，图 1为基区电阻控制的晶闸管BRT (Base Resistance Controlled Thyristor),图2为双栅结构基区 电阻控制的晶闸管DG-BRT (Dual Gate Base Resistance Controlled Thyristor)。 MOS控制的晶 闸管，基区电阻控制的晶闸管和双栅结构基区电阻控制的晶闸管都具有类似于晶闸管的正向 导通压降，但是都缺乏电流饱和能力，所以在感性负载的开关过程中很容易发生电流集中而 使器件烧毁，使得器件的应用受到限制；另一方面，它们都是利用与开启栅相反极性栅压的 增强型MOS反型沟道短路晶闸管的发射结，使晶闸管丧失再生反馈作用而退出锁定状态， 它们最大的可控(可关断)电流密度受到短路发射结的反型沟道电阻及旁路电阻的限制。发 射极关断的晶闸管EST (Emitter Switched Thyristor)结构，如图3所示，则通过一个MOSFET 结构IO来限制电子的流通从而控制晶闸管的电流，所以它在低压应用时具有电流饱和特性。 但是发射极关断晶闸管由于电流流经MOS沟道，所以正向导通压降要比上述的MOS控制的 晶闸管和基区电阻控制的晶闸管的正向导通压降要大，而且一旦晶闸管工作，发射极关断晶 闸管的正向安全工作区FBSOA (Forward Biased Safe Operating Area)就受到表面MOSFET 10 击穿电压的限制(典型为15伏左右)，除此之外，发射极关断晶闸管本身存在一个寄生的晶 闸管，如图3中12所示， 一旦寄生晶闸管开启，栅就失去了控制作用，故其最大可控的电流密度受限，关断能力大为降低。为了提高发射极关断晶闸管结构的正向安全工作区，文献 M.S.Shekar, BJ.Baliga, M.Nandakumar, S.Tandon and AReisman, "High voltage current saturation in Emitter Switched Thyristors," IEEE Electron Device ktters, July 1991,pp. 387-389提出了一种 双沟道发射极关断的晶闸管DC-EST (Dual Channel Emitter Switched Thyristor),如图4所示， 此结构可获得较好的正向安全工作区，但与此同时，由于双MOSFET结构10的引入，使器 件的正向导通压降增加，而且器件本身的寄生晶闸管12效应仍未消除，故其最大可控的电流 密度仍受到限制，可靠性有待进一步提高。随后，文献SRIDHA, S., BALIGA, B丄,"The dual gate emitter switched thyristor (DG-EST)".IEEE Electron Device Lett, 1996.17. (l).PP.25-27又提 出了一种双栅发射极关断的晶闸管DG-EST (Dual Gate Emitter Switched Thyristor)结构，如 图5所示，此结构为发射极关断的晶闸管和双沟道发射极关断的晶闸管的一个复合结构，结 合了两者的优点，使得器件在获得较大正向安全工作区的同时正向导通压降有所降低，但是， 双栅控制结构使得器件的应用范围受到了一定的限制；另一方面，如图5中11所示的寄生晶 闸管仍然存在，使得器件的关断能力和可靠性等都受到了限制。如何使栅控晶闸管获得电流 饱和特性以及有效均匀的关断能力是研究者们一直以来探索并努力解决的两大主要问题，也 是导致栅控晶闸管至今仍未有大规模应用的重要因素。

发明内容
本发明的目的在于提供一种积累层控制的晶闸管，它通过P+N—结的内建电场形成的电子 势垒来控制晶闸管的关断，通过一个沟槽MOS结构来触发晶闸管的开启，通过积累层来提 供电流饱和能力。与传统的通过MOSFET来控制晶闸管关断和提供电流饱和特性的器件相 比，本发明所提供的积累层控制的晶闸管由于采用了积累层代替了传统的反型层，故可实现 更低的导通压降，更大的电流饱和能力。在中高压应用领域，本发明所提供的积累层控制的 晶闸管更能实现优于IGBT的特性。在相同元胞尺寸和结构参数条件下，与沟槽栅绝缘栅双 极型晶体管相比，最大饱和电流密度可提高3倍以上，在200A/ci^的电流密度下，正向导通 压降降低了0.6伏。
本发明技术方案如下
一种积累层控制的晶闸管，如图6所示，包括金属化阳极l、阳极P区2、 N—基区3、 P+ 旁路区4、金属化阴极5、栅氧化层6、多晶硅栅7、 P型基区8、 N-源区9、 N—耗尽区33和 !^层200; N—基区3与金属化阴极5之间夹着一个沟槽式绝缘栅，所述沟槽式绝缘栅由栅氧 化层6和多晶硅栅7构成，其中栅氧化层6位于多晶硅栅7的表面；位于沟槽式绝缘栅侧面 的N—基区3与金属化阴极5之间从下往上依次是P型基区8、 N+层200和N—耗尽区33， N—耗尽区33上方横向排列有一个P+旁路区4和一个N+源区9， P+旁路区4、 W源区9和沟 槽式绝缘栅的上面是金属化阴极5， P+旁路区4和沟槽式绝缘栅之间夹着N+源区9和部分 N—耗尽区33。
本发明的工作原理
本发明提供的一种积累层控制的晶闸管，可获得更低的导通压降和更大的饱和电流密度， 且克服了传统栅控晶闸管类器件大多缺乏电流饱和特性，关断能力较弱的缺点，安全工作区 和可靠性得到大幅度提高。这里以如图7所示积累层控制的晶闸管(附有内建电场示意)，说 明本发明的工作原理。
当阳极相对于阴极为正电压，且栅上加一正电压时，在N—基区3与氧化层6， N—耗尽区 33与氧化层6界面将形成一积累层，P型基区8反型，形成电子沟道，电子由N+源区9经 积累层，N+层200，反型电子沟道流入N—基区3，为PNP晶体管(由阳极P区2、 N'基区3和 P型基区8组成)提供了基极电流，促使晶闸管开启。P+N—结形成的内建电场(图7中虚线所 示的横向电场300)将形成一个电子的势垒，晶闸管中的电流不能直接通过N—耗尽区33流向 W源区9，电子电流被迫限制在积累层流通，当栅上不加电压时，积累层立刻消失，由于内 建横向电场(图7中虚线所示的横向电场300)对电子的阻断作用，电子流通路径即被切断， 迫使器件关断；本发明提供的一种积累层控制的晶闸管主要由晶闸管部分(由阳极P区2， N—基区3 ， P型基区8和N+层200组成)和积累型场效应晶体管(由f源区9， N—耗尽区 33和N+层200组成)两部份组成。在器件导通初期，由于积累层浓度较高，积累型场效应 晶体管可以为晶闸管源源不断提供电子，故器件总电流随着阳极电压的升高而升高，但当晶 闸管电流上升到与积累型场效应晶体管饱和电流相当时，器件的总电流将趋于一个饱和值。 这主要是因为晶闸管开启后，它的导通压降很低，故阳极电位主要集中于积累型场效应晶体 管，电场将不断增大，电子的漂移速度将不断提高。对于积累型场效应晶体管而言，它的电 流主要是以漂移电流为主，漂移电流密度为nxqxV(其中n为电子总数，q为电子电量，V 为电子的速度)，随着阳极电压的增加，电子速度V不断增加，但积累层中电子的浓度将随阳 极电压的上升而不断较小，当两者趋势相当时，漂移电流密度nxqxV将趋于一个常数，电 流呈现一个饱和特性；在更大的阳极电压下，当电场强度达到5xl014V/cm左右时，电子速 度V速度将趋于一个饱和值Vsat^0^m/s，此时漂移电流将会不断减小，但此时扩散电流由 于电子浓度差的增大而慢慢呈现出来，且不断增大，故器件总电流仍能维持一个相对饱和特 性。本发明提供的一种积累层控制的晶闸管在获得电流饱和特性的同时，由于没有任何寄生 效应，故最大可关断的电流密度远远大于传统的栅控晶闸管类器件，关断性能可得到大幅度的提升。
本发明除了使得栅控晶闸管没有传统的寄生效应，具有更强的关断能力和获得电流饱和 特性外，还具有的优点是具有较低的正向导通压降和大的饱和电流密度，且为单栅正电压控 制结构，应用范围更广。
本发明提供的一种积累层控制的晶闸管以积累层控制晶闸管取代了传统的以MOS管来 控制晶闸管的栅控类晶闸管器件。由于电子积累层比电子反型层具有更高的载流子浓度和更 大的迁移率，故在相同的电流密度下，电子积累层上的导通压降将比电子反型层低，故一种 积累层控制的晶闸管可获得更低的导通压降。对于传统的栅控晶闸管器件，电流饱和特性大 多是MOSFET所提供，且最大饱和电流密度大多取决于MOSFET的最大饱和电流密度；对 于本发明提供的一种积累层控制的晶闸管，电流饱和特性由积累型场效应晶体管(如图7所 示，由N+源区9， N—耗尽区33和N+层200组成)所提供，且最大饱和电流密度取决于积累 型场效应晶体管。由于积累型场效应晶体管具有比MOSFET更大的电子迁移率，故可更大的 饱和电流密度。本发明为单栅结构，且为正栅压控制，使得驱动电路更加简单，应用范围更 广；本发明的沟槽栅结构，也使器件的单位面积电流密度得到有效的提高，在中高压应用领 域，本发明提供的一种积累层控制的晶闸管可实现优于绝缘栅双极型晶体管的特性。
借助MEDICI仿真工具，对所提供的一种积累层控制的晶闸管(如图7所示)和传统沟 槽栅绝缘栅双极型晶体管(如图8所示)进行了仿真比较。仿真模拟薄片工艺制造的耐压为 1200伏的器件参数，采用的仿真参数为P型集电区掺杂5xl(^cm—3，厚度为5pm; N—基区掺 杂lxl0"cm—3，厚度为165pm;栅氧化层厚度为30nm， N+源区掺杂1 xl(Pcnf3， P+源区掺 杂lxl0^cm—3，仿真元胞宽度为lnm。仿真所得的积累层控制的晶闸管及传统沟槽栅绝缘栅 双极型晶体管的电流曲线分别如图9、图IO所示(其中图9、图10中的右图皆为左图顶部30pm 的局部放大图)，由图可知，对于所提供的积累层控制的晶闸管，电流在流过晶闸管后被迫限 制在积累层流通；而对于传统沟槽栅绝缘栅双极型晶体管而言，是一个MOSFET电流为宽基 区PNP晶体管提供基极电流的流通模式。图11是本发明所提供的一种积累层控制的晶闸管 在栅压为5伏，10伏，15伏，20伏时的I-V曲线图。从图中可知，栅压越高，饱和电流密度 越大，但进入饱和区所需的阳极电压也越高，这主要是由于积累型场效应晶体管的最大饱和 电流密度随栅压的增大而增大的缘故。图12、图13分析了栅压为20伏时，A点(积累层中 靠近N+层的一点，如图7所示)的电势和电子浓度随阳极电压的变化情况。从图12、图13 可知，随着阳极电压的不断升高，A点的电势逐渐升高，而A点的电子浓度则逐渐降低。积 累型场效应晶体管漂移电流密度为nxqxV(其中n为电子总数，q为电子电量，V为电子的速度)， 一方面A点电势升高导致电子速度增大，漂移电流密度具有增大的趋势，另一方面，A 点的电子浓度的降低将导致漂移电流密度的减小，当两者的作用相当时，电流将趋于一个平 衡值。图14是从本发明提供的一种积累层控制的晶闸管中所提取出来的积累型场效应晶体管 (如图7所示，由N+源区9， N絮尽区33和N+层200组成)，惨杂浓度和结构参数都保持 和原结构中的相同，图15是图14所示的积累层场效应晶体管在栅压为5伏，10伏，15伏， 20伏时的I-V曲线图。对比图ll和图15可以看出， 一种积累层控制的晶闸管，它的I-V曲 线和积累型场效应晶体管的极其相似，最大饱和电流密度几乎相同，这说明了所述的一种积 累层控制的晶闸管的总电流开始随晶闸管电流的上升而增加，但最终将受限于积累型场效应 晶体管的最大饱和电流而趋于一个饱和值。图16是在相同掺杂和结构参数的条件下，本发明 所提供的一种积累层控制的晶闸管(如图7所示)和传统沟槽栅绝缘栅双极型晶体管(如图 8所示)在栅压分别为10伏和20伏条件下的I-V曲线比较图。从图中可以看出，在10伏的 栅压下，本发明所提供的一种积累层控制的晶闸管的最大饱和电流密度是传统沟槽栅绝缘栅 双极型晶体管的7倍；在20伏的栅压下是传统沟槽栅绝缘栅双极型晶体管的3倍。本发明所 提供的一种积累层控制的晶闸管和传统沟槽栅绝缘栅双极型晶体管在电流饱和时N'基区的空 穴浓度分布情况如图17所示，由图可见，本发明所提供的积累层控制的晶闸管饱和工作时 N—基区的空穴浓度几乎比传统沟槽栅绝缘栅双极型晶体管大一个数量级。图18是本发明所提 供的一种积累层控制的晶闸管与传统沟槽栅绝缘栅双极型晶体管在栅压为20伏时电流密度 与正向导通压降的关系图。由图可见，在200A/cn^的电流密度下，所提一种积累层控制的晶 闸管的正向导通压降比传统沟槽栅绝缘栅双极型晶体管降低了 0.6伏。
综上所述，本发明提供的一种积累层控制的晶闸管，改变了传统的以MOSFET来控制晶 闸管的关断，而通过内建电场的引入形成的电子势垒来有效控制晶闸管的关断，消除了发射 极关断的晶闸管，双沟道发射极关断的晶闸管以及双栅发射极关断的晶闸管等栅控晶闸管器 件本身具有的寄生晶闸管结构，使得关断能力大幅度提高，安全工作区增加，而且以积累层 代替了原有的MOS沟道，在获得电流饱和特性的同时也使饱和电流密度得到提高,导通压降 进一步降低。与相同条件下的传统沟槽栅绝缘栅双极型晶体管相比，最大饱和电流密度提高 3倍以上，在200A/cn^的电流密度下，正向导通压降降低了 0.6伏。本发明的单栅及正电压 控制结构，也使得器件的驱动电路更加简单，应用范围更广。


图1是基区电阻控制的晶闸管的结构示意图
其中，l是金属化阳极、2是阳极P区、3是N-基区、4是P+旁路区、5是金属化阴极、6是栅氧化层、7是多晶硅栅、8是P型基区、9是^源区。 图2是双栅结构基区电阻控制的晶闸管的结构示意图
其中，l是金属化阳极、2是阳极P区、3是N'基区、4是P+旁路区、5是金属化阴极、 6是栅氧化层、7是多晶硅栅、8是P型基区、9是N+源区。
图3是发射极关断的晶间管的结构示意图
其中，l是金属化阳极、2是阳极P区、3是N—基区、4是P+旁路区、5是金属化阴极、 6是栅氧化层、7是多晶硅栅、8是P型基区、9是N+源区、IO是MOSFET、 11是主晶闸管、 12是寄生晶闸管。
图4是双沟道发射极关断的晶闸管的结构示意图
其中，l是金属化阳极、2是阳极P区、3是N'基区、4是P+旁路区、5是金属化阴极、 6是栅氧化层、7是多晶硅栅、8是P型基区、9是N+源区、10是双MOSFET结构、11是主 晶闸管、12是寄生晶闸管。
图5是双栅发射极关断的晶闸管的结构示意图
其中，l是金属化阳极、2是阳极P区、3是N—基区、4是P+旁路区、5是金属化阴极、 6是栅氧化层、7是多晶硅栅、8是P型基区、9是N+源区、IO是双MOSFET结构、11是主 晶闸管、12是寄生晶闸管、IIO是多晶硅栅-a。
图6是本发明提供的一种积累层控制的晶闸管的结构示意图
其中，l是金属化阳极、2是阳极P区、3是N—基区、4是P+旁路区、5是金属化阴极、 6是栅氧化层、7是多晶硅栅、8是P型基区、9是W源区、33是N—耗尽区、200是N+层。
图7是本发明提供的一种积累层控制的晶闸管的结构示意及内建电场示意图
其中，l是金属化阳极、2是阳极P区、3是N—基区、4是P+旁路区、5是金属化阴极、 6是栅氧化层、7是多晶硅栅、8是P型基区、9是N+源区、33是N-耗尽区、200是W层、 300是内建电场。
图8是传统的沟槽栅绝缘栅双极型晶体管的结构示意图
其中，l是金属化阳极、2是阳极P区、3是N-基区、4是P+旁路区、5是金属化阴极、 6是栅氧化层、7是多晶硅栅、8是P型基区、9是N+源区。图9是本发明所提供的一种积累层控制的晶闸管在饱和工作时的电流曲线分布图。 其中，右图为左图顶部30pm的局部放大图。
图10是传统的沟槽栅绝缘栅双极型晶体管在饱和工作时的电流曲线分布图。 其中，右图为左图顶部30nm的局部放大图。
图11是本发明所提供的一种积累层控制的晶闸管在栅压为5伏，10伏，15伏，20伏时 的I-V曲线图。
图12是本发明所提供的一种积累层控制的晶闸管在栅压为20伏时A点(如图7所示) 电势随阳极电压的变化的关系曲线图。
图13是本发明所提供的一种积累层控制的晶闸管在栅压为20伏时A点(如图7所示) 的电子浓度随阳极电压的变化的关系曲线图。
图14是从本发明所提供的一种积累层控制的晶闸管中所提取出来的积累层场效应晶体 管，其掺杂和结构参数都保持不变。
其中，1是P型衬底，2是N+漏极，3是N—耗尽层，4是栅氧化层，5是多晶硅栅，6是 N+源区。
图15是图14所示的积累层场效应晶体管在栅压为5伏，10伏，15伏，20伏时的I-V曲线图。
图16是本发明提供的一种积累层控制的晶闸管与传统沟槽栅绝缘栅双极型晶体管在栅 压为10伏，20伏条件下的I-V特性曲线比较图。
图17是本发明提供的一种积累层控制的晶闸管与传统沟槽栅绝缘栅双极型晶体管在器 件饱和区工作下的N—基区空穴浓度比较图。
图18是本发明提供的一种积累层控制的晶闸管与传统沟槽栅绝缘栅双极型晶体管在栅压为 20伏时电流密度与正向导通压降的关系图。
具体实施例方式
采用本发明的积累层控制结构，可以得到低导通压降，高电流密度，大的安全工作区， 实现更好的电流饱和特性和晶闸管关断能力，可以适用于外延工艺和薄片工艺制造技术。随 着半导体技术的发展，采用本发明还可以制作更多的低压降，大电流、高可靠性的功率器件。
9一种积累层控制的晶闸管，如图6所示，包括金属化阳极l、阳极P区2、 N—基区3、 P+ 旁路区4、金属化阴极5、栅氧化层6、多晶硅栅7、 P型基区8、 ^源区9、 N—耗尽区33和 N+层200; N—基区3与金属化阴极5之间夹着一个沟槽式绝缘栅，所述沟槽式绝缘栅由栅氧 化层6和多晶硅栅7构成，其中栅氧化层6位于多晶硅栅7的表面；位于沟槽式绝缘栅侧面 的N—基区3与金属化阴极5之间从下往上依次是P型基区8、 N+层200和N—耗尽区33， N— 耗尽区33上方横向排列有一个P+旁路区4和一个N+源区9， P+旁路区4、 N+源区9和沟 槽式绝缘栅的上面是金属化阴极5， P+旁路区4和沟槽式绝缘栅之间夹着>T源区9和部分 N—耗尽区33。
若采用外延工艺制造，则主要实施过程为P+衬底制备，N+外延生长(可选)，N—外延 生长，P型基区的制备，N+层制备，N》卜延生长，P+源区制备，N"源区制备，氧化并光刻 槽Trench窗口，刻蚀栅Trench，氧化并淀积多晶硅，以氧化层为硬掩模反刻多晶硅，氧化并 刻孔，淀积金属，完成栅和阴极的金属化，背面金属化，钝化等。
若采用薄片工艺制造，则主要实施过程为区熔N—单晶衬垫的制备，P型基区的制备， N+层制备，N—外延生长，P+源区制备，N+源区制备，氧化并光刻槽Trench窗口，刻蚀栅 Trench，氧化并淀积多晶硅，以氧化层为硬掩模反刻多晶硅，氧化并刻孔，淀积金属，完成 栅和阴极的金属化，背面N+缓冲层注入(可选)，背面阳极P区注入，背面金属化，钝化等。
在具体实施过程中，可以根据具体情况，在基本步骤不变的情况下，进行一定的变通。 例如可以将N+源区的制备放在反刻多晶硅以后，也可以将P+源区制备放在反刻多晶硅以
后，或将两者都放在反刻多晶硅以后等，制作器件时还可用碳化硅、砷化镓、磷化铟或锗硅 等半导体材料代替体硅。
权利要求
1、一种积累层控制的晶闸管，包括金属化阳极(1)、阳极P区(2)、N-基区(3)、P+旁路区(4)、金属化阴极(5)、栅氧化层(6)、多晶硅栅(7)、P型基区(8)、N+源区(9)、N-耗尽区(33)和N+层(200)；其特征在于N-基区(3)与金属化阴极(5)之间夹着一个沟槽式绝缘栅，所述沟槽式绝缘栅由栅氧化层(6)和多晶硅栅(7)构成，其中栅氧化层(6)位于多晶硅栅(7)的表面；位于沟槽式绝缘栅侧面的N-基区(3)与金属化阴极(5)之间从下往上依次是P型基区(8)、N+层(200)和N-耗尽区(33)，N-耗尽区(33)上方横向排列有一个P+旁路区(4)和一个N+源区(9)，P+旁路区(4)、N+源区(9)和沟槽式绝缘栅的上面是金属化阴极(5)，P+旁路区(4)和沟槽式绝缘栅之间夹着N+源区(9)和部分N-耗尽区(33)。
全文摘要
一种积累层控制的晶闸管，属于半导体功率器件技术领域。本发明通过P⁺旁路区(4)和N^-耗尽区(33)形成的内建电场构成电子势垒来阻止电子的流通，从而控制晶闸管的关断。当栅上加正电压时，在N^-耗尽区(33)与栅氧化层(6)交界面形成积累层，在P型基区(8)形成电子反型沟道，电子通过N⁺源区(9)经积累层、N⁺层(200)、反型电子沟道到达N^-基区(3)，从而控制器件的正常工作。本发明以积累层控制晶闸管取代了传统的以MOS管控制晶闸管的栅控类晶闸管，可获得更低的导通压降和更大的饱和电流密度，且没有寄生效应，克服了传统栅控晶闸管缺乏电流饱和特性，关断能力较弱的缺点，安全工作区得到大幅度提高。
文档编号H01L29/74GK101478002SQ200810147690
公开日2009年7月8日 申请日期2008年11月27日 优先权日2008年11月27日
发明者波 张, 李泽宏, 钱梦亮 申请人:电子科技大学