一种双模逆导门极换流晶闸管及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于功率半导体器件领域，涉及一种功率半导体器件开关结构，具体为一种双模逆导门极换流晶闸管及其制备方法。
【背景技术】
[0002]双模逆导门极换流晶闸管是一种在芯片上集成了门极换流晶闸管(GCT)和二极管(D1de)的电力电子器件。其工作原理与传统的集成门极换流晶闸管类似。器件中GCT主要作为开关元件，其典型的工作状态为导通状态、阻断状态和状态转换。电极由门极，阳极和阴极。而D1de主要作为续流作用，是一种PIN结构，电极有阳极和阴极。其中GCT和D1de不同时工作，研宄表明该器件将会有电流大、阻断电压高、开关频率高、可靠性高、结构紧凑等特点。可以用于各种高压电路，如高压静止开关、闪变补偿装置。从这个意义来说，该器件将会是一种性能优越和颇具特色的器件。
【发明内容】
[0003]本发明的目的在于提供一种双模逆导门极换流晶闸管及其制备方法，该双模逆导门极换流晶闸管将D1de按照一定的比例做到GCT中，两者交叉形成相互叉指状，形成多个D1de与GCT的反并联结构。本发明双模逆导门极换流晶闸管充分利用硅片结构，降低成本，并且能够大大提高电流处理能力，同时，提供的该双模逆导门极换流晶闸管制备工艺与传统的集成门极换流晶闸管工艺兼容，能够实现产业化。
[0004]为实现上述目的，本发明采用的技术方案为:
[0005]—种双模逆导门极换流晶闸管，其特征在于，所述双模逆导门极换流晶闸管的每个基本单元包括两个二极管和二极管之间的门极换流晶闸管，二极管和门极换流晶闸管之间具有有效隔离；所述二极管纵向由上至下依次包括二极管的P+阳极、N-衬底、N'缓冲层及N+阴极；所述门极换流晶闸管纵向由上至下依次包括门极换流晶闸管的阴极、P型基区、N-衬底、N'缓冲层、P+阳极，其中门极换流晶闸管的阴极由3个N+掺杂区组成、N+掺杂区两两之间设置门极换流晶闸管的门极；所述二极管与门极换流晶闸管的N-衬底、N'缓冲层共用，所述二极管的阴极和门极换流晶闸管的阳极共同作为双模逆导门极换流晶闸管阳极。
[0006]进一步的，所述K缓冲层掺杂浓度为1父1014?5\1016011-3，结深为15?2011111;所述N-衬底掺杂浓度为I X 113?I X 10 14cm_3，厚度为360?400um ;所述K缓冲层的掺杂浓度比N-衬底掺杂浓度高出I?2个数量级。
[0007]进一步的，所述门极换流晶闸管的阴极N+掺杂区的掺杂浓度为IX 102°?5 X 1019cnT3，结深为20?25um ；门极换流晶闸管的P型基区的掺杂浓度为I X 117?5 X 1016cm_3，结深为60?75um ；门极换流晶闸管的P+阳极的掺杂浓度为5 X 118?
I X 117Cm 3，结深为 10 ?15um。
[0008]进一步的，所述二极管的P+阳极的掺杂浓度为I X 117?5X1016cnT3，结深为60?75um ;所述二极管的N+阴极的掺杂浓度为I X 102°?5 X 10 19cnT3，结深为10?15um。
[0009]更进一步的，所述双模逆导门极换流晶闸管采用中心门极，在直径为i>58mm的娃片上设置5个同心圆环，由中心向外每个圆环包括的基本单元数目分别为:NI =48，N2 =84，N3 = 120，N4 = 156，N5 = 192 ;二极管与门极换流晶闸管相互交叉形成叉指结构。
[0010]更进一步的，所述双模逆导门极换流晶闸管的阴极(即为门极换流晶闸管的阴极)指条呈树指状，中段为长2?2.6mm、宽0.2?0.4mm的长方形，两头还各有一个半圆，其直径与长方形宽相等。
[0011]所述双模逆导门极换流晶闸管的制备方法，包括以下步骤:
[0012]步骤1、采用区熔法拉直的高阻、小直径单晶硅作为双模逆导门极换流晶闸管N-衬底，掺杂范围为I X 113?I X 10 14CnT3;
[0013]步骤2、采用两次扩硼形成门极换流晶闸管的P型基区和二极管P+阳极，首先在N-衬底正面形成掩蔽膜，然后光刻、在相应位置形成扩散窗口，最后采用高斯扩散，第一次扩散的浓度为I X 117?5X10 16cm_3、在1200°C下扩散1400min，第二次扩散的浓度为I XlO17- 5X10 16cnT3、在1200°C下扩散120min，结深为60?75um，并去掉掩蔽膜；
[0014]步骤3、采用高斯扩散形成N'缓冲层，首先在N-衬底背面生产薄氧化层，避免造成的晶体损伤，然后采用高斯扩散，扩散的浓度为I X 114?5 XlO16CnT3A 1200°c下扩散100?120min，形成结深为15?20um ；
[0015]步骤4、采用双面扩散形成门极换流晶闸管阴极N+掺杂区和二极管阴极；首先在N-衬底正面形成掩蔽膜，在门极换流晶闸管阴极N+掺杂区相应位置进行光刻，形成扩散窗口，掺杂杂质为磷，采用高斯扩散，扩散的浓度为I X 102°?5 X 10 19cm_3;然后在N-衬底背面N'缓冲层上形成掩蔽膜，在二极管阴极相应位置光刻扩散窗口，采用高斯扩散，扩散的浓度为I X12ci?5X10 19cnT3，在1200°C下扩散100?120min，结深为20?25um ;最后去掉掩蔽膜；
[0016]步骤5、采用高斯扩散形成门极换流晶闸管P+阳极，首先在N-衬底背面N'缓冲层上形成掩蔽膜，在门极换流晶闸管P+阳极相应位置光刻形成扩散窗口，掺杂杂质为硼，采用高斯扩散，扩散浓度为IXlO17- 5X 1016cnT3，在1150°C下扩散时间120?180min，结深为60?75um，最后去掉掩蔽膜；
[0017]步骤6、门极换流晶闸管门极挖槽和补扩图，首先在N-衬底正面淀积一层的二氧化硅薄膜，在挖槽的地方进行光刻形成窗口，采用干法刻蚀，刻蚀深度为10?15um ;并为了补偿门极表明浓度的下降，进行硼扩散，采用高斯扩散，杂质浓度为IXlO17?5X10 16cm_3，在1100°C下，扩散30?45min，最后去掉二氧化娃膜；
[0018]步骤7、双模逆导门极换流晶闸管反刻铝和聚酰亚胺钝化膜钝化，首先在N-衬底正面淀积一层二氧化硅薄膜，在反刻铝的地方进行光刻形成窗口，然后进行淀积铝至厚度为3?5um，形成各电极；最后去掉二氧化硅薄膜，进行保护膜聚酰亚胺的钝化，制备得双模逆导门极换流晶闸管。
[0019]本发明的技术效果在于:
[0020]I)本发明提供的双模逆导门极换流晶闸管的与传统门极逆导门极换流晶闸管相比，提高了通态电流，降低了通态压降；
[0021]2)本发明提供的双模逆导门极换流晶闸管在阴极指条两端各引入一个半圆，提高了双模逆导门极换流晶闸管的正向阻断电压，同时使得器件具有较好的开关恢复特性；
[0022]3)本发明提供的双模逆导门极换流晶闸管的制备工艺与国内现有的生产门极换流晶闸管的工艺兼容，有利于实现双模逆导门极换流晶闸管的实际生产，降低了制作工艺难度和成本。
【附图说明】
[0023]图1是双模逆导门极换流晶闸管的基本单元剖面结构示意图。
[0024]图2是双模逆导门极换流晶闸管N-衬底掺杂示意图。
[0025]图3是双模逆导门极换流晶闸管GCT的P型基区和D1de的P+阳极掺杂示意图。
[0026]图4是双模逆导门极换流晶闸管的缓冲层K掺杂示意图。
[0027]图5是双模逆导门极换流晶闸管GCT的阴极N+掺杂区和D1de的阴极掺杂示意图。
[0028]图6是双模逆导门极换流晶闸管GCT的P+阳极掺杂示意图。
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