基区电阻控制晶闸管、发射极开关晶闸管及制备方法与流程

本公开涉及功率半导体器件技术领域，尤其涉及一种基区电阻控制晶闸管、发射极开关晶闸管及制备方法。

背景技术：

当前mos栅控晶闸管主要包括mos控制晶闸管(mct)、基区电阻控制晶闸管(brt)和发射极开关晶闸管(est)等器件。与绝缘栅双极性晶体管(igbt)相比，mos栅控晶闸管具有导通电阻低、电流密度高、开启速度快等优势，在诸如脉冲功率等领域具有广阔的应用前景。

mos栅控晶闸管主要包括四层n-p-n-p材料构成的晶闸管结构，通过nmos注入电子电流开启晶闸管内部正反馈使器件导通，pmos抽取反馈电流中断正反馈使器件关断。如图1所示，为基区电阻控制晶闸管(brt)结构，该结构主要部分是n-p-n-p四层材料构成的晶闸管(图1左侧虚线框所示)，两个mosfet区域：nmos和pmos(图1顶部两个虚线框所示)，以及寄生pnp晶体管(图1右侧虚线框所示)。

然而，在实现本公开的过程中，本申请发明人发现，与mct相比，brt和est具有工艺和igbt相兼容的优势，但在开启过程中工作状态从igbt模式转换到晶闸管模式时，发生强烈的电导调制，容易导致器件导通电阻出现骤降，输出曲线出现snapback现象(如图2所示，由于器件寄生pnp晶体管，brt在小电流时工作在igbt模式，输出特性存在snap-back现象)，在多元胞器件中会造成开启不一致的问题，制约器件性能，影响器件可靠性。此外，器件在导通状态下由于强电导调制内部存储了大量载流子，致使关断过程较慢、关断功耗较高。如何有效解决snapback问题、提高器件关断速度、减小关断功耗，已经成为限制brt/est器件应用的关键。

公开内容

(一)要解决的技术问题

基于上述技术问题，本公开提供一种基区电阻控制晶闸管、发射极开关晶闸管及制备方法，以缓解现有技术中的mos栅控晶闸管容易出现snapback现象，并且关断速度慢，关断功耗大的技术问题。

(二)技术方案

根据本公开的一个方面，提供一种基区电阻控制晶闸管，包括：衬底材料层；漂移区，其为水平方向上交叉排列的n-p-n-p型柱区构成的超结结构，形成于所述衬底材料层的上表面；表面结构层，形成于所述漂移区的上表面；以及电极结构，分别与所述衬底材料层和所述表面结构层连接。

在本公开的一些实施例中，其中：所述衬底材料层包括：p⁺掺杂层；n⁺缓冲层，其形成于所述p⁺掺杂层的上表面；以及n型辅助层，其形成于所述n⁺缓冲层的上表面；其中，所述漂移区形成于所述n型辅助层的上表面。

在本公开的一些实施例中，所述表面结构层包括：p基区，其形成于所述漂移区的上表面；n⁺掺杂区，其注入形成于所述p基区中；以及p⁺掺杂区；其注入形成于所述p基区或所述漂移区的所述n型柱区中；

在本公开的一些实施例中，所述电极结构包括：阳极，其设置于所述p⁺掺杂层的底部；阴极，其设置于所述表面结构层的顶部，且分别与所述n⁺掺杂区和所述p⁺掺杂区连接；氧化区，其分别与所述阴极、所述p基区、所述n⁺掺杂区、所述p⁺掺杂区和所述n型柱区中的至少三个结构连接；以及栅极，其设置于所述氧化区内。

在本公开的一些实施例中，其中：所述漂移区内的n型柱区延伸至所述表面结构层中；所述p⁺掺杂区注入形成于所述表面结构层中的所述n型柱区中；所述p基区、所述n⁺掺杂区、所述n型柱区和所述p⁺掺杂区的顶部平齐；所述氧化区形成于所述表面结构层的上表面，且分别与所述p基区、所述n⁺掺杂区、所述n型柱区和所述p⁺掺杂区连接；所述栅极与所述p基区、所述n⁺掺杂区、所述n型柱区和所述p⁺掺杂区对应设置；所述阴极包覆于所述氧化区的外侧，且分别与所述n⁺掺杂区和所述p⁺掺杂区连接。

在本公开的一些实施例中，其中：所述表面结构层上设置有沟槽，该沟槽的深度直至所述漂移区的内部，该沟槽的宽度大于任意一个n型柱区或p型柱区的宽度；所述p基区覆盖所述漂移区顶部的所述沟槽以外的区域；所述p⁺掺杂区注入形成于所述p基区中；所述氧化区形成于所述沟槽内；所述栅极与所述p基区、所述n⁺掺杂区和所述n型柱区对应设置；所述n⁺掺杂区、所述p⁺掺杂区和所述氧化区的顶部平齐；所述阴极形成于所述表面结构层和所述氧化区的上表面。

根据本公开的另一个方面，还提供一种发射极开关晶闸管，包括：衬底材料层；漂移区，其为水平方向上交叉排列的n-p型或n-p-n型柱区构成的超结结构，形成于所述衬底材料层的上表面；表面结构层，形成于所述漂移区的上表面；以及电极结构，分别与所述衬底材料层和所述表面结构层连接。

在本公开的一些实施例中，所述漂移区为沿水平方向上交叉排列的n-p型柱区构成的超结结构。

在本公开的一些实施例中，所述表面结构层包括：两个p基区，其形成于所述漂移区的上表面，且分别与n型柱区和p型柱区连接；两个n⁺掺杂区，其分别注入形成于两个所述p基区中；以及p⁺掺杂区，其注入形成于与所述n型柱区相连的所述p基区中。

在本公开的一些实施例中，所述n型柱区延伸至所述表面结构层中，分隔两个所述p基区；所述p基区、所述n⁺掺杂区、所述n型柱区和所述p⁺掺杂区的顶部平齐；氧化区形成于所述表面结构层的上表面，且分别与所述p基区、所述n⁺掺杂区和所述n型柱区连接；所述栅极与两个所述p基区、两个所述n⁺掺杂区和所述n型柱区对应设置；阴极包覆于所述氧化区的外侧，且分别与所述n⁺掺杂区和所述p⁺掺杂区连接。

在本公开的一些实施例中，所述漂移区为沿水平方向上交叉排列的n-p-n型柱区构成的超结结构。

在本公开的一些实施例中，所述表面结构层包括：p基区，其形成于所述漂移区的上表面，且分别与n型柱区和p型柱区连接；两个n⁺掺杂区，其分别注入形成于所述p基区中；以及p⁺掺杂区，其注入形成于所述p基区中。

在本公开的一些实施例中，所述n型柱区延伸至所述表面结构层中；所述p基区、所述n⁺掺杂区、所述n型柱区和所述p⁺掺杂区的顶部平齐；氧化区形成于所述表面结构层的上表面，且分别与所述p基区、所述n⁺掺杂区和所述n型柱区连接；所述氧化区内设置有第一栅极和第二栅极，第一栅极对应所述n型柱区、所述p基区和所述n⁺掺杂区设置，第二栅极对应两个所述n⁺掺杂区和所述p基区设置；阴极包覆于所述氧化区的外侧，且分别与所述n⁺掺杂区和所述p⁺掺杂区连接。

根据本公开的再一个方面，还提供一种制备方法，用于制备本公开提供的基区电阻控制晶闸管，或本公开提供的发射极开关晶闸管，包括：步骤a：采用外延片或区熔单晶硅制备衬底材料层；步骤b：利用沟槽刻蚀与外延填充方法、多步外延离子注入方法或多次高能离子注入方法制备超结结构漂移区；步骤c：利用平面工艺或沟槽工艺制备表面结构层；步骤d：制备电极结构。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本公开提供的基区电阻控制晶闸管、发射极开关晶闸管及制备方法具有以下有益效果的其中之一或其中一部分：

(1)本公开提供的基区电阻控制晶闸管、发射极开关晶闸管及制备方法中，漂移区采用超结结构，提高漂移区掺杂浓度、减小漂移区电阻，增强了晶闸管nmos触发电流，同时利用超结p柱区抽取底部注入空穴，增大了晶闸管p基区空穴电流密度，加快了晶闸管开启，消除了snapback现象；

(2)超结漂移区电荷耦合效应增强了关断过程中对存储电荷的抽取作用，提高了mos栅控晶闸管的关断速度，减小了关断功耗。

附图说明

图1为现有技术中的基区电阻控制晶闸管的剖视示意图。

图2为图1所示的基区电阻控制晶闸管的输出特性曲线图。

图3为本公开实施例提供的基区电阻控制晶闸管的剖视示意图。

图4为本公开实施例提供的另一种基区电阻控制晶闸管的剖视示意图。

图5为本公开实施例提供的发射极开关晶闸管的剖视示意图。

图6为本公开实施例提供的另一种发射极开关晶闸管的剖视示意图。

图7为本公开实施例提供的制备方法的步骤示意图。

图8为图3所示的基区电阻控制晶闸管的等效电路图。

图9为图3所示的基区电阻控制晶闸管中p柱区抽取阳极注入空穴的示意图。

图10为图3所示的基区电阻控制晶闸管与现有技术中的基区电阻控制晶闸管中p基区空穴浓度对比图。

图11为图3所示的基区电阻控制晶闸管与现有技术中的基区电阻控制晶闸管的输出特性曲线对比图。

图12为图3所示的基区电阻控制晶闸管与现有技术中的基区电阻控制晶闸管的关断特性对比图。

具体实施方式

本公开提供的基区电阻控制晶闸管、发射极开关晶闸管及制备方法将超结结构与mos栅控晶闸管结构相结合，提高了器件漂移区掺杂浓度、减小漂移区电阻，增强了nmos触发电流；同时，利用超结p柱区抽取底部阳极注入的空穴，增强p基区空穴电流，加快了晶闸管结构开启，可消除snapback现象，此外，超结漂移区的电荷耦合效应增强了mos栅控晶闸管关断过程中对存储载流子的抽取，提高器件关断速度，减小器件关断功耗。

为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。

根据本公开的一个方面，提供一种基区电阻控制晶闸管，如图3至图4所示，包括：衬底材料层、漂移区、表面结构层和电极结构；漂移区为水平方向上交叉排列的n-p-n-p型柱区构成的超结结构，形成于衬底材料层的上表面；表面结构层形成于漂移区的上表面；电极结构分别与衬底材料层和表面结构层连接。本公开实施例提供的基区电阻控制晶闸管、发射极开关晶闸管及制备方法中，漂移区采用超结结构，提高漂移区掺杂浓度、减小漂移区电阻，增强了晶闸管nmos触发电流，同时利用超结p柱区抽取底部注入空穴，增大了晶闸管p基区空穴电流密度，加快了晶闸管开启，消除了snapback现象；超结漂移区电荷耦合效应增强了关断过程中对存储电荷的抽取作用，提高了mos栅控晶闸管的关断速度，减小了关断功耗。

在本公开的一些实施例中，如图3至图4所示，衬底材料层包括：p⁺掺杂层、n⁺缓冲层以及n型辅助层；n⁺缓冲层形成于p⁺掺杂层的上表面；n型辅助层形成于n⁺缓冲层的上表面；其中，漂移区形成于n型辅助层的上表面。

在本公开的一些实施例中，如图3至图4所示，表面结构层包括：p基区、n⁺掺杂区以及p⁺掺杂区；p基区形成于漂移区的上表面；n⁺掺杂区注入形成于p基区中；p⁺掺杂区注入形成于p基区或漂移区的n型柱区中。

在本公开的一些实施例中，如图3至图4所示，电极结构包括：阳极、阴极、氧化区以及栅极；阳极设置于p⁺掺杂层的底部；阴极设置于表面结构层的顶部，且分别与n⁺掺杂区和p⁺掺杂区连接；氧化区分别与阴极、p基区、n⁺掺杂区、p⁺掺杂区和n型柱区中的至少三个结构连接；栅极设置于氧化区内。

本公开实施例提供的基区电阻控制晶闸管可采用平面栅结构(如图3所示)或沟槽栅结构(如图4所示)，平面栅表面采用平面工艺实现，沟槽栅表面采用沟槽工艺实现。

在本公开的一些实施例中，如图3所示，其中：漂移区内的n型柱区延伸至表面结构层中；p⁺掺杂区注入形成于表面结构层中的n型柱区中；p基区、n⁺掺杂区、n型柱区和p⁺掺杂区的顶部平齐；氧化区形成于表面结构层的上表面，且分别与p基区、n⁺掺杂区、n型柱区和p⁺掺杂区连接；栅极与p基区、n⁺掺杂区、n型柱区和p⁺掺杂区对应设置；阴极包覆于氧化区的外侧，且分别与n⁺掺杂区和p⁺掺杂区连接。

在本公开的一些实施例中，如图4所示，其中：表面结构层上设置有沟槽，该沟槽的深度直至漂移区的内部，该沟槽的宽度大于任意一个n型柱区或p型柱区的宽度；p基区覆盖漂移区顶部的沟槽以外的区域；p⁺掺杂区注入形成于p基区中；氧化区形成于沟槽内；栅极与p基区、n⁺掺杂区和n型柱区对应设置；n⁺掺杂区、p⁺掺杂区和氧化区的顶部平齐；阴极形成于表面结构层和氧化区的上表面。

根据本公开的另一个方面，如图5至图6所示，还提供一种发射极开关晶闸管，包括：衬底材料层、漂移区、表面结构层和电极结构；漂移区为水平方向上交叉排列的n-p型或n-p-n型柱区构成的超结结构，形成于衬底材料层的上表面；表面结构层形成于漂移区的上表面；电极结构分别与衬底材料层和表面结构层连接。

在本公开的一些实施例中，如图5至图6所示，衬底材料层包括：p⁺掺杂层、n⁺缓冲层以及n型辅助层；n⁺缓冲层形成于p⁺掺杂层的上表面；n型辅助层形成于n⁺缓冲层的上表面；其中，漂移区形成于n型辅助层的上表面。

在本公开的一些实施例中，如图5至图6所示，表面结构层包括：p基区、n⁺掺杂区以及p⁺掺杂区；p基区形成于漂移区的上表面；n⁺掺杂区注入形成于p基区中；p⁺掺杂区注入形成于p基区中。

在本公开的一些实施例中，如图5至图6所示，电极结构包括：阳极、阴极、氧化区以及栅极；阳极设置于p⁺掺杂层的底部；阴极设置于表面结构层的顶部，且分别与n⁺掺杂区和p⁺掺杂区连接；氧化区分别与阴极、p基区、n⁺掺杂区和n型柱区连接；栅极设置于氧化区内。

在本公开的一些实施例中，发射极开关晶闸管可分为双沟道结构(如图5所示)和单沟道结构(如图6所示)。

在本公开的一些实施例中，如图5所示，漂移区为沿水平方向上交叉排列的n-p型柱区构成的超结结构。

在本公开的一些实施例中，如图5所示，表面结构层包括：两个p基区、两个n⁺掺杂区以及p⁺掺杂区；两个p基区形成于漂移区的上表面，且分别与n型柱区和p型柱区连接；两个n⁺掺杂区分别注入形成于两个p基区中；p⁺掺杂区注入形成于与n型柱区相连的p基区中；n型柱区延伸至表面结构层中，分隔两个p基区。

在本公开的一些实施例中，如图5所示，p基区、n⁺掺杂区、n型柱区和p⁺掺杂区的顶部平齐；氧化区形成于表面结构层的上表面，且分别与p基区、n⁺掺杂区和n型柱区连接；栅极与两个p基区、两个n⁺掺杂区和n型柱区对应设置；阴极包覆于氧化区的外侧，且分别与n⁺掺杂区和p⁺掺杂区连接。

在本公开的一些实施例中，如图6所示，漂移区为沿水平方向上交叉排列的n-p-n型柱区构成的超结结构。

在本公开的一些实施例中，如图6所示，表面结构层包括：p基区、两个n⁺掺杂区以及p⁺掺杂区；p基区形成于漂移区的上表面，且分别与n型柱区和p型柱区连接；两个n⁺掺杂区分别注入形成于p基区中；p⁺掺杂区注入形成于p基区中。

在本公开的一些实施例中，如图6所示，n型柱区延伸至表面结构层中；p基区、n⁺掺杂区、n型柱区和p⁺掺杂区的顶部平齐；氧化区形成于表面结构层的上表面，且分别与p基区、n⁺掺杂区和n型柱区连接。

在本公开的一些实施例中，如图6所示，氧化区内设置有第一栅极和第二栅极，第一栅极对应n型柱区、p基区和n⁺掺杂区设置，第二栅极对应两个n⁺掺杂区和p基区设置；阴极包覆于所述氧化区的外侧，且分别与n⁺掺杂区和p⁺掺杂区连接。

根据本公开的再一个方面，还提供一种制备方法，用于制备本公开实施例提供的基区电阻控制晶闸管，或本公开实施例提供的发射极开关晶闸管，如图7所示，包括：步骤a：如图7(a)所示，采用外延片或区熔单晶硅制备衬底材料层；步骤b：如图7(b)所示，利用沟槽刻蚀与外延填充方法、多步外延离子注入方法或多次高能离子注入方法制备超结结构漂移区；步骤c：如图7(c)所示，利用平面工艺或沟槽工艺制备表面结构层；步骤d：如图7(d)所示，制备电极结构。

依据以上描述，本领域技术人员应当对本公开实施例提供的基区电阻控制晶闸管、发射极开关晶闸管及制备方法有了清楚的认识。

以下以一具体实施例验证本公开提供的基区电阻控制晶闸管、发射极开关晶闸管及制备方法的有效性：

由于平面栅结构和沟槽栅结构的基区电阻控制晶闸管以及双沟道结构和单沟道结构的发射极开关晶闸管的原理基本相同，因此以下以平面栅结构基区电阻控制晶闸管分析本公开提供的基区电阻控制晶闸管、发射极开关晶闸管及制备方法的有效性。

如图3所示，为本公开实施例提供的平面栅结构基区电阻控制晶闸管，该结构包含三个电极，分别为阳极(a)、阴极(k)和栅极(g)，该基区电阻控制晶闸管的主要部分是n-p-n-p四层材料构成的晶闸管，以及nmos和pmos(如图3中顶部虚线框所示)，分别用于开启和关断器件。与普通mos栅控晶闸管不同，本公开实施例提供的基区电阻控制晶闸管的漂移区是由交叉排列n型、p型柱区构成的超结结构(如图3中部虚线框所示)，在水平方向形成横向pn结，使漂移区耗尽层扩展到二维，产生理想的二维电荷耦合效应，改善电场分布，将掺杂浓度提高了几个数量级，极大地降低漂移区电阻。超结结构下方是n型辅助层，用于器件承受耐压，同时弱化重掺杂n⁺缓冲层反向扩散对超结区域的影响。

如图7所示，为本公开实施例提供的平面栅结构基区电阻控制晶闸管的等效电路图。当栅极施加正向偏压时，nmos导通，电子电流由阴极n⁺扩散区(即表面结构层中的n⁺掺杂区)流入到漂移区，触发晶闸管开启。在nmos触发电流路径上存在串联电阻rs，该电阻包括沟道电阻、jfet电阻和漂移区电阻，其中漂移区电阻占主导作用。采用超结结构可明显提高漂移区掺杂浓度、降低漂移区电阻，从而增强nmos触发电流，促进阳极p⁺掺杂层发生空穴强注入，迅速建立电流正反馈，使器件快速进入导通状态。

此外，普通mos栅控晶闸管由于存在寄生pnp结构，底部阳极p⁺掺杂层注入的空穴会通过右侧反偏pn结被扫除到阴极，器件工作在igbt模式。而在本公开实施例提出的器件结构中，超结漂移区内的高掺杂p柱区可抽取底部注入的空穴(如图9所示)，使大部分的空穴可通过p柱区直接进入到晶闸管p基区，从而提高了p基区内空穴浓度(如图10所示)，加快了晶闸管结构的开启，抑制器件的snapback现象。如图11所示为本公开实施例提供的平面栅结构基区电阻控制晶闸管的输出特性，与现有技术中的mos栅控晶闸管(图中虚线所示)相比，其输出曲线没有snapback现象。

最后，栅极施加负向偏压时，本公开实施例提供的平面栅结构基区电阻控制晶闸管的漂移区具有电荷耦合作用，可以加强对晶闸管导通状态下存储电荷的抽取，使空穴电流通过p柱区导流到p基区，最终被pmos抽取到阴极。与现有技术中的mos栅控晶闸管相比，可以提高器件的关断速度，减小关断功耗。如图12所示为本公开实施例提供的平面栅结构基区电阻控制晶闸管的关断特性曲线，图中虚线表示现有技术中的mos栅控晶闸管。mos栅控晶闸管漂移区中引入超结结构可提高漂移区掺杂浓度、减小漂移区电阻，增强晶闸管触发电流，同时利用p柱区抽取底部阳极注入的空穴，提高p基区空穴电流密度，加快了晶闸管的开启，消除了snapback现象。此外，超结电荷耦合作用增强了存储载流子的抽取作用，提高了器件关断速度，减小了关断功耗。

综上所述，本公开提供的基区电阻控制晶闸管、发射极开关晶闸管及制备方法中漂移区采用超结结构，提高漂移区掺杂浓度、减小漂移区电阻，增强了晶闸管nmos触发电流，同时利用超结p柱区抽取底部注入空穴，增大了晶闸管p基区空穴电流密度，加快了晶闸管开启，消除了snapback现象；超结漂移区电荷耦合效应增强了关断过程中对存储电荷的抽取作用，提高了mos栅控晶闸管的关断速度，减小了关断功耗。

还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。

并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。

类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本公开的示例性实施例的描述中，本公开的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本公开要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如前面的权利要求书所反映的那样，公开方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本公开的单独实施例。

以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。