专利名称：一种逆导型集成门极换流晶闸管制作方法
技术领域：
本发明涉及一种功率半导体开关器件的制作方法，尤其是涉及一种逆导型集成门极换流晶闸管(RCGCT, R everse Conducting Integrated Gate Commutated Thyristor)的制作方法。
背景技术：
逆导型集成门极换流晶闸管(ReverseConducting Integrated GateCommutatedThyristor, RCGCT)是一种在一个芯片上集成了 GCT (Gate CommutatedThyristor,门极换流晶闸管)与FRD (Fast Recovery Diode,快恢复二极管)的电力电子器件。其中，GCT是一种电力电子开关器件，典型的工作状态为导通状态、阻断状态以及状态转换的开通过程和关断过程。电极有门极(Gate,控制极)，阳极(Anode)和阴极(Cathode)。在电力电子器件中GCT主要作为开关元件。而FRD的典型结构为PIN结构，电极有阳极(Anode)和阴极(Cathode)。在电力电子器件中FRD主要用于续流和嵌位。但GCT和FRD并不同时工作，因此需要将其进行电性能隔离。如附图I所示，GCT与FRD两部分之间设计一个环状隔离区，以隔离GCT与FRD之间的相互影响，保证器件安全可靠独立工作。以硅为代表的半导体器件都是在原始单晶的基础上进行一定的加工工艺，形成特定结构和掺杂分布，从而实现器件功能。其中掺杂剂分成两类一类为N型掺杂剂，如磷和砷原子。另一类为P型掺杂剂，如硼、铝和镓原子。大功率半导体的掺杂剂常用磷、硼、铝和镓。通常在“N”或“P”后增加一定的符号表明掺杂的轻重程度。如“N-”表示非常低的N型掺杂(13次方量级)，这通常表示衬底；“N' ”表示14 16次方个量级的轻掺杂；“N+”表示重掺杂(通常在18次方以上)。P型杂质的轻重掺杂也可同样表示。隔离技术是RCGCT器件的关键技术。当前，隔离技术的难点在于(I)隔离区有效宽度的控制。过窄不能有效隔离，过宽则消耗器件的有效面积，且影响器件的耐压水平；(2)隔离区的横向耐压水平。隔离区双向均需达到20V及以上的耐压，以保证器件间的独立性；(3)隔离区形成工艺不得影响器件各个部分的耐压水平和其它特性；(4)工艺必须简单可行。若通过复杂、多次扩散和光刻工艺来保证隔离，易造成生产成本的提高、生产周期的延长、工艺缺陷几率的增加等负面影响。现有的隔离技术是以PNP+沟槽隔离为基础，PNP隔离是指采用本征N-衬底，两侧进行P杂质扩散，通过设计控制合适的宽度，实现GCT和FRD的隔离。沟槽是指在隔离区PNP基础上在本征N-区通过刻蚀工艺形成一个沟槽。已有三种相似的现有技术归纳如下现有技术一如附图2所示，该技术方案采用PNP+沟槽隔离方式。PNP+沟槽的隔离是逆导器件隔离区具有的共同特点，其他隔离方法都是在该方法的基础上做一些优化。现有技术二 如附图3所示，该技术方案采用隔离区表面N掺杂结合场环+沟槽隔离方式。场环结构是在N型隔离区中掺杂一道一道的P型区，当GCT阳极施加高电压之后，隔离区中数个PN结一起承受高电压，从而实现隔离要求。现有技术三如附图4所示，该技术方案采用隔离区N+掺杂结合场板+沟槽的隔离方式。隔离区中进行N型重掺杂。场板结构是指在隔离区表面先后制作一层绝缘层(SiO2)和金属层，金属层和一侧电极相连，可以在电极上施加电压之后改变隔离区电场的分布，从而满足隔离的要求。其中，在附图2至附图4中所示的A部分均为隔离区。以上三种现有技术存在的不足主要有以下几点(I)隔离区边界不易控制。现有隔离技术其隔离区采用N-衬底，N-衬底是低掺杂，P基区的结深约80 150 μ m，杂质的横向扩散距离也较大。如附图5所示，当横向扩散使杂质浓度从18 19次方的高浓度降低到衬底浓度时，表面状况的一些差异将导致横向扩散距离产生较大的偏差。如附图6所示是横向扩散距离体现出隔离区宽度的变化示意图。 因此自然的PNP隔离其隔离区N区宽度不易控制，尤其是N区宽度很小时，N区宽度的变化很可能导致隔离无效。从附图5中也可以看出将PN结边界的浓度升高，可以削弱横向扩散差异对隔离区宽度的影响，从而增加工艺制作的可控性。(2)隔离区宽度不易控制。PNP结构+沟槽的隔离技术方案中N区宽度由两侧P型区的横向扩散确定，器件表面杂质横向扩散距离取决于工艺过程中的表面状况，P型区结深也有波动起伏，由此P型区边界线存在左右变动的可能，造成N区宽度的不稳定，不能做到精确控制，隔离效果也将随之受到影响。(3)横向穿通电压偏低。现有的PNP隔离结合沟槽的隔离技术中隔离区宽度设计在穿通电压和GCT阻断状态下的耐压有矛盾，必须折衷考虑，这就造成现有隔离技术的穿通电压不高(小于110V)，对逆导型GCT的安全工作而言有提高的必要。(4)工艺复杂。现有技术在隔离环区域增加P型区(现有技术二)或N+区(现有技术三)，都将增加工艺的复杂度，增加这些杂质沉积前的光刻，且在窄小的隔离区进行这些高浓度杂质扩散，隔离区的有效边界更加难以保证。同时，场环和场板均需要增加多次光亥IJ，设计光刻掩膜版，增加高温扩散过程，这不仅增加器件生产的成本，延长生产周期，且对于大电流高电压的功率器件而言，其隔离环宽度不能可靠控制。(5)不适用高压器件。现有技术一的工艺实现最为简单，但是根据之前的技术分析，隔离环宽度需要平衡主结耐压和穿通电压，过宽或过窄均不行，方案一适用于小功率器件，其耐压不高，可以增加隔离区宽度来保证穿通电压。但是对于大功率器件，电压等级高达6000V，甚至9000V，器件的耐压等级提高需要减小隔离区宽度，但大功率器件对应的穿通电压需求也随之提升，同时又要求增加隔离区宽度，这是隔离区宽度设计矛盾更加突出，所以现有技术一不适用于大功率器件。
发明内容
本发明的目的是提供一种逆导型集成门极换流晶闸管方法，以克服现有技术存在的逆导型集成门极换流晶闸管扩散控制精度不高、工艺复杂、不适用于高压器件的缺点。为了实现上述发明目的，本发明具体提供了一种逆导型集成门极换流晶闸管制作方法的技术方案，一种逆导型集成门极换流晶闸管制作方法，包括以下步骤SlOO :在原始N-衬底的一面轻掺杂一层N'杂质；
SlOl :制作GCT的P型基区和FRD的P型基区；S102 :在N-衬底的另一面进行K杂质掺杂处理；S103 :在GCT阴极和FRD阴极进行N+预沉积处理；S105 :在GCT阴极和FRD阴极进行N+推进、钝化处理；S106 :在GCT阳极进行P+掺杂处理；S107 :制作电极，形成GCT、FRD,以及GCT和FRD之间设置隔离区的逆导型集成门极换流晶闸管结构；其中，GCT为GCT的阴极N+掺杂区、GCT的P型基区、N-衬底、N'缓冲层和GCT的P+阳极区依次排列的结构；FRD为FRD的P型基区、N-衬底、N'缓冲层和FRD的N+阴极区依次排列的结构。 作为本发明一种逆导型集成门极换流晶闸管制作方法技术方案的进一步改进，在步骤S103和步骤S105之间还进一步包括步骤S104。步骤S104进一步包括在隔离区的上表面刻蚀隔离沟槽，使隔离区上的GCT的阴极N+掺杂区去除一部分，同时刻蚀GCT的门极区域。作为本发明一种逆导型集成门极换流晶闸管制作方法技术方案的进一步改进，在隔离区的上表面轻掺杂的N'杂质的掺杂浓度比N-衬底的掺杂浓度高出I 2个数量级。作为本发明一种逆导型集成门极换流晶闸管制作方法技术方案的进一步改进，按照I X IO14 I X IO16CnT3的掺杂浓度对隔离区的表面进行N'杂质的掺杂处理。作为本发明一种逆导型集成门极换流晶闸管制作方法技术方案的进一步改进，按照I X IO13CnT3的掺杂浓度对N-衬底进行掺杂处理。作为本发明一种逆导型集成门极换流晶闸管制作方法技术方案的进一步改进，在隔离区的表面掺杂的N'杂质结深为20 50 μ m。作为本发明一种逆导型集成门极换流晶闸管制作方法技术方案的进一步改进，在隔离区的上表面刻蚀挖槽深度为8 30 μ m的隔离沟槽。作为本发明一种逆导型集成门极换流晶闸管制作方法技术方案的进一步改进，在隔离区的上表面刻蚀挖槽深度为10 15 μ m的隔离沟槽。作为本发明一种逆导型集成门极换流晶闸管制作方法技术方案的进一步改进，隔离沟槽覆盖整个隔离区的N型区。作为本发明一种逆导型集成门极换流晶闸管制作方法技术方案的进一步改进，GCT的P型基区与FRD的P型基区的挖槽宽度大于20 μ m。作为本发明一种逆导型集成门极换流晶闸管制作方法技术方案的进一步改进，将GCT与FRD之间的隔离区宽度设置为10 100 μ m。作为本发明一种逆导型集成门极换流晶闸管制作方法技术方案的进一步改进，在步骤SlOl中制作GCT的P型基区和FRD的P型基区的过程进一步包括先进行硼杂质的掺杂，然后进行招杂质的掺杂的过程。作为本发明一种逆导型集成门极换流晶闸管制作方法技术方案的进一步改进，在步骤S106中制作电极的过程进一步包括在GCT的阴极N+掺杂区表面制作GCT阴极，在GCT的P型基区表面制作GCT门极，在GCT的P+阳极区表面制作GCT阳极，在FRD的P型基区表面制作FRD阳极，在FRD的N+阴极区表面制作FRD阴极。作为本发明一种逆导型集成门极换流晶闸管制作方法技术方案的进一步改进，在上述步骤S100、步骤S102和步骤S103中所使用的掺杂剂为磷，而在上述步骤S106中所使用的掺杂剂为硼或铝。通过实施上述本发明一种逆导型集成门极换流晶闸管制作方法的技术方案，具有以下技术效果(I)本发明隔离区采用表面N'掺杂引入杂质补偿，在不改变设计的基础上可加宽N型区(亦即隔离区)有效宽度，以利于提高穿通电压；(2)本发明通过挖槽将表面N'浓度较高的表面层去掉一部分，不影响隔离区的纵向结构，无损于原有的纵向耐压；(3)本发明隔离区宽度更容易控制，方便设计。由于N'引起的杂质补偿，使隔离 区PN结边界的杂质浓度提高一到两个量级，表面P杂质横向扩散距离的变化对隔离区宽度的影响变小，更易控制隔离区边界，提高隔离区宽度设置余量，降低设计风险；(4)本发明引入N'掺杂的隔离设计，不仅适用于小功率器件，也适用于大功率器件，尤其对于深结高压的开关器件，如RCGCT ；(5)本发明仅仅增加的一次N'掺杂，由于该掺杂为整面掺杂，因此无需增加光刻或其它工艺，在不增加工艺复杂性的基础上，能够大大提高隔离效果。
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图I是本发明根据本发明制作方法制作的逆导型集成门极换流晶闸管(RCGCT)的阴极俯视示意图；图2是现有技术一 PNP+沟槽隔离逆导器件的结构示意图；图3是现有技术二 N掺杂结合场环+沟槽隔离逆导器件的结构示意图；图4是现有技术三隔离区N+掺杂结合场板+沟槽的隔离逆导器件的结构示意图；图5是现有技术逆导型集成门极换流晶闸管表面杂质浓度和横向扩散距离关系的不意图；图6是现有技术逆导型集成门极换流晶闸管杂质横向扩散距离的不同导致隔离区宽度差异的示意图；图7是根据本发明制作方法制作的逆导型集成门极换流晶闸管一种具体实施方式
的剖面结构示意图；图8是根据本发明制作方法制作的逆导型集成门极换流晶闸管隔离区设计的结构原理示意图；图9是根据本发明制作方法制作的逆导型集成门极换流晶闸管考虑横向穿通的结构原理示意图；图10是根据本发明制作方法制作的逆导型集成门极换流晶闸管表面N'掺杂增加隔离区N型层宽度及增加穿通电压的示意图；图11是根据本发明制作方法制作的逆导型集成门极换流晶闸管表面N'掺杂增加横向击穿风险的示意图；图12是本发明逆导型集成门极换流晶闸管制作方法一种具体实施方式
表面轻掺杂N'层过程的示意图；图13是本发明逆导型集成门极换流晶闸管制作方法一种具体实施方式
制作GCT的P型基区和FRD的P型基区过程的示意图；图14是本发明逆导型集成门极换流晶闸管制作方法一种具体实施方式
阳极面N'掺杂过程的示意图；图15是本发明逆导型集成门极换流晶闸管制作方法一种具体实施方式
GCT阴极和FRD阴极N+预沉积过程的不意图；图16是本发明逆导型集成门极换流晶闸管制作方法一种具体实施方式
隔离沟槽刻蚀过程的示意图； 图17是本发明逆导型集成门极换流晶闸管制作方法一种具体实施方式
GCT阴极和FRD阴极N+推进、钝化过程的示意图；图18是本发明逆导型集成门极换流晶闸管制作方法一种具体实施方式
GCT阳极P+惨杂过程的不意图；图19是本发明逆导型集成门极换流晶闸管制作方法一种具体实施方式
制作电极的过程示意图；图20是本发明逆导型集成门极换流晶闸管制作方法一种具体实施方式
未进行N'掺杂且不挖隔离沟槽的横向穿通曲线示意图；图21是本发明逆导型集成门极换流晶闸管制作方法一种具体实施方式
未进行Ni掺杂，挖隔离沟槽的横向穿通曲线示意图；图22是本发明逆导型集成门极换流晶闸管制作方法一种具体实施方式
进行N'掺杂，不挖隔离沟槽的横向穿通曲线示意图；图23是本发明逆导型集成门极换流晶闸管制作方法一种具体实施方式
进行N'掺杂且挖隔离沟槽的横向穿通曲线示意图；图中I-GCT，2-FRD，3_隔离区，4-GCT的阴极N+掺杂区，5-GCT的P型基区，6-N-衬底，7-N'缓冲层，8-GCT的P+阳极区，9-隔离沟槽，10-FRD的P型基区，Il-FRD的N+阴极区。
具体实施例方式下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。如附图12至附图23所示，给出了本发明一种逆导型集成门极换流晶闸管制作方法的具体实施例，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。GCT (Gate-Commutated Thyristor,门极换流晶闸管)是一种高压大电流开关器件，典型的工作状态有导通状态、阻断状态以及状态转换的开通过程和关断过程。而FRD(FastRecovery Diode,快恢复二极管)是一种主要用于续流和嵌位的电力电子器件。GCT阻断状态需要承受很高的电压，如附图8所示，在GCT阳极施加高压，电压主要由GCT的P型基区5和N-衬底6的PN结承载，同时FRD的P型基区10和N-衬底6的PN结也承受高压。在承载纵向高压的过程中，GCT及FRD的耗尽层在隔离区3也会发生横向扩展。因此RCGCT内部存在两个主要的击穿路径，一个是PN结纵向方向的击穿，另一个是PN结表面的横向击穿。纵向击穿可以根据一维近似设计合适的掺杂分布及片厚来满足击穿要求。当PN结根据纵向击穿要求设计了合适的掺杂分布后其横向掺杂分布也随之确定。电势只在电场区域才会下降，电场又主要存在于PN耗尽区，而在隔离区3的纵向是没有PN结的。于是隔离区的等电势线如附图8所示，隔离区3由于两侧PN结的共同影响，其等势线向上弯曲，其等势线向上突起，说明隔离区3的中间电势较高，易造成横向击穿的风险。当隔离区3的横向距离很大时(约两倍体内纵向N-的厚度)，隔离区3表面的中间点几乎和GCT阳极等电势，隔离区3表面PN结的电场强度非常高，甚至超过芯片表面能承受的电场强度造成器件提前击穿(隔离区3两侧的PN结边界暴露在体表且没有磨角等降低电场的措施)。 隔离区3表面中点到两侧P型基区承受的电压取决于隔离区3宽度。从附图8中的等电势线形状可以看出隔离区3越宽，隔离区3表面中点的电势越接近GCT阳极电势。隔离区3宽度越窄，在纵向PN结的挤压作用下，隔离区3表面中点的电势越接近表面电极(GCT门极和FRD阳极)的电势。从考虑阻断状态的耐压的角度看，隔离区3的宽度越小越好。从防止横向穿通的方面考虑。RCGCT在工作中可能出现GCT门极相对FRD阳极存在正电压或FRD阳极相对GCT门极的正电压的情形。FRD在刚开始续流时正向压降可能达到100V甚至更高，因此需要考虑隔离区3的横向穿通。如附图10所示，当FRD的阳极施加一个电压后，GCT的P型基区5和N-衬底6的PN结反偏，电压主要降在这个反偏PN结上。当FRD阳极电压达到一定值时，隔离区表面的电场展宽到将两个P型区连通。于是FRD的P型基区10和GCT的P型基区5就能通过电流，发生穿通，电场所围的面积即是穿通电压。如附图7所示根据本发明技术方案制作的一种逆导型集成门极换流晶闸管的结构示意图，具体包括GCT I、FRD 2，以及GCT I和FRD 2之间的隔离区3。GCT I在纵向由上至下包括五个主要的掺杂区，依次为GCT的阴极N+掺杂区4、GCT的P型基区5、N-衬底6、f缓冲层7和GCT的P+阳极区8。FRD 2在纵向由上至下包括四个主要的掺杂区，依次为FRD的P型基区10、N-衬底6、N'缓冲层7和FRD的N+阴极区IUN-衬底6为GCT和FRD共用的N-衬底。N'缓冲层7为GCT I和FRD 2共用的N'缓冲层。隔离区3的表面轻掺杂有一层N'杂质进一步形成N'区，N'杂质的掺杂浓度比N-衬底6的掺杂浓度高出I 2个数量级。RCGCT (逆导型GCT)是在同一个硅晶圆中集成GCT和FRD，因此需要将GCT和FRD进行隔离。如附图7中所示，本发明RCGCT结构的一侧为GCT I部分(包括GCT阳极、阴极和门极)，另一侧为FRD 2部分(包括有阳极和阴极)，之间则是隔离区3。如附图I所示为RCGCT的阴极图形示意图。其中，中心为FRD 2部分，外侧为GCT I部分，之间为隔离区3。RCGCT中的GCT I和FRD 2为反并联连接，GCT阳极和FRD阴极短接，隔离主要是指GCT的P型基区5和FRD的P型基区10的隔离。本发明逆导型集成门极换流晶闸管通过形成特定的P型或N型掺杂分布及特定的器件结构来实现相应的功能。
Ni杂质的掺杂浓度进一步为IX IO14 IX 1016cnT3，隔离区3的表面掺杂的K杂质为磷。N-衬底6的掺杂浓度进一步为I X IO13CnT3。N'杂质的掺杂浓度比N-衬底6的掺杂浓度高出I 2个数量级。隔离区3的表面掺杂的N'杂质结深进一步设置为20 50 μ m0同时，穿通不同于击穿，穿通是电场展宽使中间隔离层完全耗尽，从而产生漏电，电场最大值并没有达到击穿电场。电场的斜率随载流子浓度升高而增大，因此从改善穿通电压的角度，隔离区宽度越大越好，并且隔离区表面N型浓度可以适当提高，以不发生击穿为前提。综合阻断状态下的耐压以及横向穿通考虑，隔离区3的宽度应该设计合适的值。作为一种较佳的实施方式，如附图7和8所示，GCT I与FRD 2之间的隔离区3宽度L进一步设置为10 μ m 100 μ m。隔离区3的上表面的N'轻掺杂是作为补偿层，在GCT阴极侧的正面进行掺杂，这种轻掺杂对GCT阴极和FRD阳极不会造成影响。因为之后进行的P掺杂浓度较高，将覆盖 这部分N'补偿层，这对隔离区3 (不进行P掺杂)的N-衬底6产生影响，主要用于补偿两侧P杂质的横向扩散，提高隔离区3的表面横向耐压。而在GCT阳极侧也进行了一次N'掺杂，这是整个器件PIN (Positive-Intrisic-Negative, P型-本征型-N型半导体)结构的缓冲层。由于N'杂质的补偿作用，隔离区3的PN结的边界往P型侧推移，表面PN结边界的浓度从N-衬底6的低浓度变化成略高I 2个数量级的浓度。因此在制作上，PN结边界更容易符合设计值，且对器件体内结构不产生影响，所以既能满足穿通电压要求，又不会造成GCT阻断状态下的表面横向击穿，保证主结耐压。如附图10所示，表面掺入N'杂质后，PN结边界往P型区偏移，增加了隔离区3的N型层宽度。当FRD阳极相对GCT门极施加正电压后，GCT的P型基区5和隔离区3的N型层的PN结承受反压，电场达到FRD的P型基区10后发生穿通。附图10中的电场三角形的面积即是穿通电压。增加隔离区3的N型层的宽度增加了电场三角形的底部长度，另一方面电场斜率随掺杂浓度的升高而增加。因此由N'杂质引起的表面N型浓度提高也将增加隔离区3的N型层电场的斜率。在附图10中的电场三角形中体现为增加了三角形的高。综合以上两个原因，表面掺杂一层N，杂质将大大增加穿通电压。Ni掺杂使隔离区3的N型浓度提高，可以增加横向穿通时的电场斜率，从而增加穿通电压。为了不影响GCT I的主结耐压，减小阻断状态下横向击穿的风险。作为一种较佳的实施方式，还可以进一步去除隔离区3的上表面一定深度的硅，在隔离区3上表面的GCT的阴极N+掺杂区4与FRD的P型基区10之间形成有隔离沟槽9。以利于进一步GCT I和FRD 2的隔离。如图11所示，在N'掺杂的基础上结合挖槽工艺，在隔离区3的上表面设置隔离沟槽9，进一步降低阻断状态下的表面电场。隔离沟槽9的挖槽深度一般控制在8 30 μ m,就能使隔离区次表面浓度上下降几倍，从而满足阻断要求。作为一种更优的实施方式，隔离沟槽9的挖槽深度为10 15 μ m。同时，隔离沟槽9覆盖整个隔离区3的N型区。如附图7和8所示，GCT的P型基区5与FRD的P型基区10的挖槽宽度M大于20 μ m。GCT I还进一步包括GCT阴极、GCT门极和GCT阳极。FRD 2还进一步包括FRD阳极和FRD阴极。GCT阴极设置于GCT的阴极N+掺杂区4表面，GCT门极设置于GCT的P型基区5表面，GCT阳极设置于GCT的P+阳极区8表面。FRD阳极设置于FRD的P型基区10表面，FRD阴极设置于FRD的N+阴极区11表面。GCT I与FRD 2反并联连接，GCT阳极与FRD阴极短接。通过隔离区3采用表面N'掺杂引入杂质补偿，以利于提高穿通电压。利用N'杂质的补偿作用，使得隔离区PN结边界线在近表面处往内变形。在不改变隔离区P型掺杂分布的条件下，增加了隔离区3的有效宽度。同时，隔离区3的宽度更容易控制，方便设计。由于N'掺杂引起的杂质补偿，使隔离区3的PN结边界的杂质浓度提高一到两个量级，表面P杂质横向扩散距离的变化对隔离区宽度的影响变小，更易控制隔离区边界，提高隔离区宽度设置余量，降低设计风险。通过引入N'掺杂的隔离设计，不仅适用于小功率器件，也适用于大功率器件，尤其对于深结高压的开关器件，如RCGCT。如附图12至附图19所示为本发明一种逆导型集成门极换流晶闸管制作方法的具体实施方式
，包括以下步骤SlOO :如附图12所示，在原始N-衬底6的一面轻掺杂一层K杂质，K杂质为 磷；SlOl :如附图13所示，制作GCT的P型基区5和FRD的P型基区10 ；S102 :如附图14所示，在N-衬底6的另一面(GCT阳极所在的一面)进行K杂质掺杂处理，掺杂剂为磷；S103 :如附图15所示，在GCT阴极和FRD阴极进行N+预沉积处理，掺杂剂为磷；S105 :如附图17所示，在GCT阴极和FRD阴极进行N+推进、钝化处理；S106 :如附图18所示，在GCT阳极进行P+掺杂处理，掺杂剂为硼或铝；S107 :如附图19所示，制作电极，形成GCT I、FRD 2，以及GCT I和FRD 2之间设置隔离区3的逆导型集成门极换流晶闸管结构；其中，GCT I为GCT的阴极N+掺杂区4、GCT的P型基区5、N-衬底6、N'缓冲层7和GCT的P+阳极区8依次排列的结构；FRD 2为FRD的P型基区10、N-衬底6、N'缓冲层7和FRD的N+阴极区11依次排列的结构。在以上各个步骤中使用的N型杂质和P型杂质包括但不限于具体实施方式
中所列举的类型，还进一步包括其他的N型杂质和P型杂质掺杂剂。在步骤S103和步骤S105之间还进一步包括步骤S104。如附图16所示，步骤S104包括在隔离区3的上表面刻蚀隔离沟槽9，使隔离区3上的GCT的阴极N+掺杂区4去除一部分。作为一种优选的实施方式，在隔离区3的上表面轻掺杂的K杂质的掺杂浓度进一步比N-衬底6的掺杂浓度高出I 2个数量级。作为一种优选的实施方式，按照I X IO14 I X IO16CnT3的掺杂浓度对隔离区3的表面进行N'杂质的掺杂处理。作为一种优选的实施方式，按照I X IO13CnT3的掺杂浓度对N-衬底6进行掺杂处理。作为一种优选的实施方式，在隔离区3的表面掺杂的K杂质结深为20 50 μ m。作为一种优选的实施方式，在隔离区3的上表面刻蚀挖槽深度为8 30 μ m的隔离沟槽9。作为一种更加优选的实施方式，在隔离区3的上表面刻蚀挖槽深度为10 15 μ m的隔离沟槽9。作为一种优选的实施方式，隔离沟槽9覆盖整个隔离区3的N型区。GCT的P型基区5与FRD的P型基区10的挖槽宽度M大于20 μ m。作为一种优选的实施方式，将GCT I与FRD 2之间的隔离区3宽度L设置为10 100 μ m。作为一种优选的实施方式，在步骤SlOl中制作GCT的P型基区5和FRD的P型基区10的过程进一步包括两个步骤的掺杂，即先进行硼杂质的掺杂，然后进行铝杂质的掺杂。在步骤S107中制作电极的过程进一步包括在GCT的阴极N+掺杂区4表面制作GCT阴极，在GCT的P型基区5表面制作GCT门极，在GCT的P+阳极区8表面制作GCT阳极，在FRD的P型基区10表面制作FRD阳极，在FRD的N+阴极区11表面制作FRD阴极。本发明仅仅增加的一次N'掺杂，由于该掺杂为整面掺杂，因此无需增加光刻或其它工艺，在不增加工艺复杂性的基础上，能够大大提高隔离效果。通过隔离沟槽9挖槽工艺过程将表面N'浓度较高的表面层去掉一部分，不影响原有纵向耐压，消除了隔离区3略高 的表面浓度对器件阻断耐压的影响，且无损于器件其它特性，工艺简单可行。通过仿真结果的比较，仿真了四种不同结构逆导型集成门极换流晶闸管的GCT阳极电压4500V下的电场分布以及横向穿通(FRD阴极结正压，GCT门极接地，GCT阳极悬空)的电流电压曲线。如下表I所示，为隔离区3的设计宽度为50μπι时，有无N'补偿和有无挖槽时的效果对比情况。表I有无N'补偿和有无挖槽时的效果对比(隔离区3的设计宽度为50 μ m时)
结构序号结构K别穿通电阻断耐压备注
1-没冇N'掺杂，不挖槽37V>4500V 今诵巾rn'tfT
2__没冇N'掺杂，挖槽40V__>4500V 賴山五職
3有N'掺杂，不挖槽— 185V<4500V 阻断耐压过低
4有N'掺杂，挖槽〗78V>4500V仿真的四种结构中N-衬底浓度、GCT的P基区浓度和FRD的P区浓度分布完全一致，挖槽深度都为12 μ m，隔离区表面宽度50 μ m。如附图20至附图23所示是四种不同结构逆导型集成门极换流晶闸管的横向穿通曲线，可以看到增加N'掺杂可以增加隔离区3的宽度，使穿通电压大大提高。如下表2所示为四种结构的横向穿通电压比较情况。表2四种结构的横向穿通电压比较
隔离区结构穿通电压
没有N'掺杂，不挖槽~ 3Τ 不可取
没有N'掺杂，挖槽不可取
有N'掺杂，不挖槽 185V 有N'掺杂，挖槽178V
综合考虑阻断状态下的耐压以及横向穿通能力，效果最佳的是进行表面N'掺杂且进行隔离沟槽9挖槽的方案，其次是有K掺杂，不进行隔离沟槽9挖槽的方案。需要注意的是这里为了方便比较四种结构的差异，而将隔离区3的表面宽度设置成50μπι。在该条件下没有进行N'掺杂，但挖隔离沟槽9的原有隔离技术的穿通电压只有40V，不能满足大功率器件使用要求。以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。虽 然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同替换、等效变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。
权利要求
1.一种逆导型集成门极换流晶闸管制作方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤 5100:在原始N-衬底(6)的一面轻掺杂一层N'杂质； 5101:制作GCT的P型基区(5)和FRD的P型基区(10)； 5102:在N-衬底(6)的另一面进行N'杂质掺杂处理； 5103:在GCT阴极和FRD阴极进行N+预沉积处理； 5105:在GCT阴极和FRD阴极进行N+推进、钝化处理； 5106:在GCT阳极进行P+掺杂处理；5107:制作电极，形成GCT (1)、FRD (2)，以及GCT (I)和FRD (2)之间设置隔离区(3)的逆导型集成门极换流晶闸管结构；其中，GCT (I)为GCT的阴极N+掺杂区(4)、GCT的P型基区(5)、N-衬底(6)、N'缓冲层(7)和GCT的P+阳极区(8)依次排列的结构；FRD (2)为FRD的P型基区(10 )、N-衬底(6 )、N'缓冲层(7 )和FRD的N+阴极区(11)依次排列的结构。
2.根据权利要求I所述的一种逆导型集成门极换流晶闸管制作方法，其特征在于，在步骤S103和步骤S105之间还进一步包括步骤S104 ;步骤S104包括在隔离区(3)的上表面刻蚀隔离沟槽(9)，使隔离区(3)上的GCT的阴极N+掺杂区(4)去除一部分，同时刻蚀GCT的门极区域。
3.根据权利要求I或2所述的一种逆导型集成门极换流晶闸管制作方法，其特征在于在所述隔离区(3)的上表面轻掺杂的N'杂质的掺杂浓度比N-衬底(6)的掺杂浓度高出I 2个数量级。
4.根据权利要求3所述的一种逆导型集成门极换流晶闸管，其特征在于按照I X IO14 I X IO16CnT3的掺杂浓度对所述隔离区(3)的表面进行N'杂质的掺杂处理。
5.根据权利要求4所述的一种逆导型集成门极换流晶闸管，其特征在于按照IX IO13CnT3的掺杂浓度对所述N-衬底(6)进行掺杂处理。
6.根据权利要求4或5所述的一种逆导型集成门极换流晶闸管制作方法，其特征在于在所述隔离区(3)的表面掺杂的N'杂质结深为20 50 ii m。
7.根据权利要求2、4、5中任一权利要求所述的一种逆导型集成门极换流晶闸管制作方法，其特征在于在所述隔离区(3)的上表面刻蚀挖槽深度为8 30 的隔离沟槽(9)。
8.根据权利要求7所述的一种逆导型集成门极换流晶闸管制作方法，其特征在于在所述隔离区(3)的上表面刻蚀挖槽深度为10 15iim的隔离沟槽(9)。
9.根据权利要求2、4、5、8中任一权利要求所述的一种逆导型集成门极换流晶闸管制作方法，其特征在于所述隔离沟槽(9)覆盖整个隔离区(3)的N型区。
10.根据权利要求9所述的一种逆导型集成门极换流晶闸管制作方法，其特征在于所述GCT的P型基区(5)与FRD的P型基区(10)的挖槽宽度大于20 u m。
11.根据权利要求1、2、4、5、8、10中任一权利要求所述的一种逆导型集成门极换流晶闸管制作方法，其特征在于将所述GCT (I)与FRD (2)之间的隔离区(3)宽度设置为10 100 u m0
12.根据权利要求1、2、4、5、8、10中任一权利要求所述的一种逆导型集成门极换流晶闸管制作方法，其特征在于在所述步骤SlOl中制作GCT的P型基区(5)和FRD的P型基区(10)的过程进一步包括先进行硼杂质的掺杂，然后进行铝杂质的掺杂的过程。
13.根据权利要求1、2、4、5、8、10中任一权利要求所述的一种逆导型集成门极换流晶闸管制作方法，其特征在于，在所述步骤S107中制作电极的过程进一步包括在GCT的阴极N+掺杂区(4)表面制作GCT阴极，在GCT的P型基区(5)表面制作GCT门极，在GCT的P+阳极区(8)表面制作GCT阳极，在FRD的P型基区(10)表面制作FRD阳极，在FRD的N+阴 极区(11)表面制作FRD阴极。
14.根据权利要求1、2、4、5、8、10中任一权利要求所述的一种逆导型集成门极换流晶闸管制作方法，其特征在于，在所述步骤S100、步骤S102和步骤S103中使用的掺杂剂为磷，在所述步骤S106中使用的掺杂剂为硼或铝。
全文摘要
本发明公开了一种逆导型集成门极换流晶闸管制作方法，包括S100在原始N-衬底的一面轻掺杂一层N′杂质；S101制作GCT的P型基区和FRD的P型基区；S102在N-衬底的另一面进行N′杂质掺杂；S103在GCT阴极和FRD阴极进行N+预沉积；S104在隔离区的上表面和GCT的门极区域刻蚀隔离沟槽；S105在GCT阴极和FRD阴极进行N+推进、钝化；S106在GCT阳极进行P+掺杂；S107制作电极。本发明利用杂质的补偿作用，在不改变隔离区P型掺杂分布的条件下，增加了隔离区的有效宽度，克服了现有技术存在的扩散控制精度不高、工艺复杂、不适用于高压器件的缺点。
文档编号H01L29/06GK102969245SQ20121052476
公开日2013年3月13日 申请日期2012年12月7日 优先权日2012年12月7日
发明者陈芳林, 刘可安, 唐龙谷, 张弦, 雷云 申请人:株洲南车时代电气股份有限公司