一种碳化硅MOS栅控晶闸管的制作方法

本发明属于功率半导体技术领域，特别涉及一种碳化硅mos栅控晶闸管

背景技术：

脉冲功率技术在国防科研和高新技术等领域有着极为重要的应用，而且现在应用范围向着工业和民用领域拓展。mos栅控晶闸管是应用在脉冲功率技术中的一种重要的脉冲功率器件。

mos栅控晶闸管(moscontrolledthyristor，简称mct)是一种由功率mosfet与晶闸管组合而成的混合型电力电子器件,它具有mosfet结构用控制器件的开启和关断，并利用了晶闸管导通时向漂移区注入大量载流子的特点。因此mct具有晶闸管良好的导通特性以及较高的抗dv/dt能力，同时具有mosfet的输入阻抗高、控制功率小、驱动电路简单、开关速度高、开关损耗小的优点,因而主要应用于电力电子和功率脉冲领域。硅基mct在一些大电流高功率密度的系统中需要并联使用，增大了系统的体积和能耗。硅基mct的电压阻断能力、dv/dt及di/dt能力已接近其理论极限。相比于si材料，宽禁带sic材料具有更高的禁带宽度、饱和载流子速度、临界击穿电场和热导率，使得sic材料mct的性能大大优于si基mct。但是，由于目前工艺水平及材料性质的限制，sic材料的载流子迁移率和载流子寿命较低，从而使得常规的sic的mct器件阴极注入效率较低，器件导通电阻较大，限制了器件的性能的提高。而对于mct等绝大部分功率器件而言，降低导通损耗尤为重要。

技术实现要素：

本发明的目的，就是针对目前常规碳化硅mos栅控晶闸管的p型阴极注入效率低、正向导通电阻较大的问题，提出一种碳化硅mos栅控晶闸管。

本发明的技术方案：一种碳化硅mos栅控晶闸管，如图2所示，一种碳化硅mos栅控晶闸管，其元胞结构包括从下至上依次层叠设置的阴极金属1、n+衬底层11、n+衬底缺陷抑制缓冲层12、p+场截止层3和p-漂移区4；所述p-漂移区4上层具有n阱区5，n阱区5上层具有p阱区6，p阱区6上层具有并列设置的p+欧姆接触区8和n+区7，其中p+欧姆接触区8位于外侧；在p+欧姆接触区8上表面和部分n+区7上表面具有金属层9，在n+区7剩余部分的表面具有氧化层10，且氧化层10沿器件表面向远离金属层9一侧延伸，依次覆盖p阱区6、n阱区5和p-漂移区4的表面，在位于覆盖p阱区6、n阱区5和p-漂移区4表面的氧化层10上层，具有栅极金属14；

其特征在于，所述p+场截止层3与n+衬底缺陷抑制缓冲层12之间还具有n-注入增强缓冲层13，所述n-注入增强缓冲层13的掺杂浓度低于p+场截止层3的掺杂浓度，用于增加阴极结构中的少数载流子扩散长度，进而增大阴极注入效率

进一步的，其特征是-注入增强缓冲层13厚度范围为2～20μm，掺杂浓度范围为1e16～1e18cm^-3。

所述n型衬底2包括n+衬底缺陷抑制缓冲层12与n+衬底层11；n-注入增强缓冲层13的具体实现方式包括但不仅限于以下两种，第一种是在n型衬底2上面直接外延生长n-注入增强缓冲层13；第二种是通过改变n型衬底2中n-衬底缺陷抑制缓冲层12的外延条件，达到n-注入增强缓冲层13所需的掺杂浓度及厚度，如图4所示。同时n+衬底可以使用cmp(化学机械抛光)等手段缩短。

对于n型mct其特征与p型相同，掺杂类型相反。

本发明的有益效果为，本发明对常规碳化硅mct的阴极区进行改造，通过在p+场截止层3下增加一层n-ieb层(ntype-injectionenhancedbufferlayer，n型注入增强缓冲层)13，由于n型注入增强缓冲层13掺杂浓度较低，提高了该区域内少数载流子寿命及迁移率，从而增大了阴极结构中的少数载流子扩散长度，进而增大了阴极注入效率。且由于在n型衬底2与n型注入增强缓冲层13之间由于浓度差会产生内建电场，其方向由n型衬底2指向n型注入增强缓冲层13，阻止少子空穴由n型注入增强缓冲层层13向n型衬底2扩散，从而降低少子空穴扩散电流，进而也增大了阴极注入效率。以上两点原因增大了阴极注入效率，从而增大了n阱区、p型漂移区结构与n型阴极结构构成的npn三极管的电流放大倍数，进而降低了器件在导通时的导通电阻，降低了器件功耗。

附图说明

图1是常规sicmct元胞结构示意图；

图2是本发明的sicmct元胞结构的第一种实现方案示意图；

图3是本发明的sic阳极短路mct元胞结构示意图；

图4是本发明的sicmct元胞结构的第二种实现方案示意图；

图5是本发明的sicmct元胞结构的第三种实现方案示意图；

图6是本发明的sicmct元胞结构的第四种实现方案示意图；

图7本发明的sicmct与常规sicmct的正向导通特性仿真对比图；

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细的描述

如图2所示，本发明的碳化硅mos栅控晶闸管，其元胞结构包括阳极结构、栅极结构、漂移区结构和阴极结构；对于p型碳化硅mos栅控晶闸管，其所属阳极结构包括p+欧姆接触区8和其右侧的n+7，以及p+欧姆接触区8和n+区7上表面的金属层9；所述的栅极结构主要包括了n阱区5、p阱区6、n阱上方的氧化层10以及栅极金属14，阳极结构中的n+区7和p+欧姆接触区8在p阱区6之内，p阱区6在n阱区内部5，栅极金属14和氧化层10覆盖在n+区7、p阱区6和n阱区6上方；所述漂移区结构包括p-漂移区4和在其下方的p+场截止层3；所述的阴极结构主要位于p+场截止层3的下方，从上往下依次包括了n-注入增强缓冲层(n-ieb层)13、n型衬底2和阴极金属1，相较于传统的阴极结构增加了一层n-注入增强缓冲层(n-ieb层)13，其特征是n型掺杂的碳化硅外延层，厚度范围为2～20μm，掺杂浓度范围为1e16～1e18cm-3。

所述n型衬底2包括n+衬底缺陷抑制缓冲层12与n+衬底层11；

所述n-注入增强缓冲层13的具体实现方式包括但不仅限于以下两种，第一种是在n+衬底2上面直接外延生长n-注入增强缓冲层13；第二种是通过改变n+衬底2中n-衬底缺陷抑制缓冲层12的外延条件，达到n-注入增强缓冲层13所需的掺杂浓度及厚度，如图3所示。同时n+衬底可以使用cmp(化学机械抛光)等手段缩短，缩短后的示意图如图5和图6所示。对于n型mct其特征与p型相同，掺杂类型相反。

如图1所示，为常规的碳化硅mct，这里的n+衬底缺陷抑制缓冲层12是为了防止n+衬底层11表面的缺陷影响外延层质量而预先外延生长的一层缓冲层，其掺杂浓度一般都在1×10¹⁸cm^-3量级左右且厚度在1～5μm左右。本发明与常规碳化硅mct结构不同的地方在于，本发明对阴极区进行了改造，在常规的器件阴极结构上增加了一层掺杂浓度比n+衬底与常规n+衬底缺陷抑制缓冲层都要低的n型外延层，即n-ieb层(ntype-injectionenhancedbufferlayer，n型注入增强缓冲层)。如图2所示，n-ieb层13可以由n+衬底缺陷抑制缓冲层11的上面进行外延生长得到，能起到作用的厚度范围一般为2～20μm，掺杂浓度范围为1e16～1e18cm^-3，要取得更好的效果需要在此范围内进行优化。对于常规p型碳化硅mct，由于n衬底掺杂浓度较大，少数载流子寿命及迁移率较低，所以阴极注入效率较低，而本发明由于n-ieb层13的存在，n-ieb层掺杂浓度较低，提高了该区域内少数载流子寿命及迁移率，从而增大了阴极结构中的少数载流子扩散长度，进而增大了阴极注入效率，降低了器件导通电阻，同时增大了器件的跨导。本发明碳化硅mct的n-ieb层采用外延工艺，工艺实现较为简单。

本发明提供的碳化硅mct，其工作原理如下：

在图2所示的元胞结构中，由于n-ieb层13掺杂浓度较低，提高了该区域内少数载流子寿命及迁移率，从而增大了阴极结构中的少数载流子扩散长度，进而增大了阴极注入效率。且由于在n+衬底2与n-ieb层13之间由于浓度差会产生内建电场，其方向由n+衬底2指向n-ieb层13，阻止少子空穴由n-ieb层13向n+衬底2扩散，从而降低少子空穴扩散电流，进而也增大了阴极注入效率。以上两点原因增大了阴极注入效率，从而增大了n型门极、p型漂移区与n型阴极构成的npn三极管的电流放大倍数，进而降低了器件在导通时的导通电阻，降低了器件功耗。

以p型漂移区宽度55μm的常规碳化硅mct与本发明的碳化硅mct(n-ieb层取厚度7μm，掺杂浓度1e17cm^-3)为例，仿真比较了其输出特性，如图7所示，在器件开启时，本发明碳化硅mct导通压降明显小于常规碳化硅mct。